瓦利安-离子注入机工作原理01

1、第三部分 原理瓦利安半导体设备有限公司VIISta HCS目录章 节 章节编号原理介绍E82291210控制原理-E82291220离子注入操作原理E82291230介绍版本版本情况日期认可发布A最初发布11/09p.s42923VIISta HCS型高束流离子注入机是高自动化的生产工具。此离子注入机可以将单一离子类别掺杂剂的离子束注入到硅片中。首先利用Varian 控制系统（VCS）产生工艺配方，在配方的基础上制定产生离子束的确切标准。工艺配方的设计目的包括：控制掺杂剂种类的选择，控制剂量、控制离子束的能量、注入角度等以及工艺步骤等等。在阅读本章之前，请阅读第二章安全方面内容。一、系统单元组

2、成 VIISta HCS 可以分为三个有用的重要的单元：离子源单元、离子束线单元、工作站单元。1、离子源单元离子源子单元包括产生，吸出、偏转、控制，和聚焦，离子是有间接加热的阴极产生再由吸极取出（由D1电源与吸级装置构成），在取出工艺过程中，为了得到离子束更好的传输和低的离子束密度，离子束将被垂直聚焦。被取出的离子束通过一个四极的透镜，在进入90度离子束磁分析器之前离子束被聚焦，在磁分析器中，绝大多数不需要的离子将被分离出去。离子源模块的主要结构，包括离子源围栏内部分和安全系统，支持分布各处的主要动力组件。还有离子源控制模块，源初始泵抽，涡轮分子泵抽，工艺气体柜，离子源和（套）管路。离子源围栏

3、与安全系统要互锁，这是为了防止在正常注入操作过程中有人员接近。如果任何一扇门打开，或者任何维护、伺服面板被移动，高压电源和有害气体流就会通过互锁系统关闭。VIISts HCS 系统使用的不是高压工艺气体，就是需要安全输送系统的工艺气体。VSEA提供的标准工艺气体有三氟硼烷、砷烷和磷烷。2、离子束线控制单元离子束线控制子系统包括从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域，在这些区域，离子束将会被减速、聚焦、分析、测量以及被修正为平行、均匀的离子束。从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域中，离子束先被增速，再被减速。离子源与控制离子束线的四极透镜，协同D1、D1抑制极，D2、D2抑制极动力一起，提供水平与

4、垂直聚焦控制。90度磁偏转协同判决光圈一起实现对离子的筛选分析。预设法拉第杯测量离子束强度。最终，离子束在70度偏转磁场中，协同多组磁极和顶部和底部的磁棒，被调整为方向平行，分布均匀的离子束。 离子束离开离子源模块之后进入离子束线模块。离子束首先通过离子源四极透镜（源四极透镜，Q1）调整离子束使其竖直方向聚焦水平方向扩散。90度磁分析器是离子束线控制模块的下一个组件。这个电磁铁提供强大的磁场，促使离子束偏转90度，在偏转过程中，只允许具有适当能量（速度）的我们希望利用的离子（质量）通过。不需要的离子不是偏转的角度大或者偏转的角度小于90度，不能够通过磁偏转分析机构。接下来，经过90磁分析仪的离

5、子束进入离子束线四极磁透镜Q2，Q2可以工作于正直模式（plus）或负值模式(minus)，Q2通常工作于负值模式，此时水平方向聚焦。线束四极磁透镜Q3：提供竖直方向聚焦以抵消离子束进入随后设备时竖直方向发散，利于离子束传输到尾端工作站。从判决光圈出来的离子束是最后筛选出来的离子束。通过离子源的调整，通过吸极操作，以及90度磁偏转的调整，最终使预设法拉第测量的离子束流量与配方设定值一致。到此，预设法拉第杯缩进原来位置（让开离子束通道）。离子束经过离子束操作部分进入70度磁偏转区域。3、尾端工作站模块尾端工作站 控制子系统由两个部件组成：硅片传输部件和工艺控制部件。硅片传输部件把硅片盒从大气环境

6、传送到高真空环境。而每一个硅片一特定的方位被安置在压盘上等待离子注入。工艺控制部件用来显示离子束分布曲线和离子束流的检测，还用来控制离子注入。二、原子理论原子理论讨论电荷的物理机理，涉及到带电粒子的控制，离子的产生，以及离子从离子源到硅片是如何运动的。1、同位素同位素是指具有相同的原子序数但是具有不同的原子质量的一些原子。一种元素的所有同位素，包含同样数目的质子但是包含不同数目的中子。同位素具有同样的化学性质，但是他们原子核的特性不同。这些核的特性包括可能的放射性、重量、以及磁性。硼是离子注入经常用到的元素，有两种天然同位素：Bten和Beleven。Bten有5个质子5个中子。Beleven

7、 在离子注入工艺中更常用，因为它的丰度是Bten的4倍。但是，在有些注入工艺中用Bten，因为，它比较轻，可以在较低电压下注入更深。2、粒子流的控制一个电中性原子是相当难以控制的。一个原子失去一个电子后带一个正电荷，它就可以被一个负的静电荷吸引或加速。同样的正离子也可以被一个正的静电荷排斥或减速。磁场可以对离子流的压缩、扩展，以及切换位置和方向等操作。砷、硼和磷是离子注入工艺中经常用到的元素，这些元素分别来源于砷烷、三氟硼烷和磷烷。三、Beam Optics 离子束流光学装置离子注入机首先产生离子，然后通过控制设备对离子流进行操作，最后把离子注入到衬底中的特定深度并达到特定的浓度。离子束操作的

8、光学理论讲述特定的设备组件及其对离子流的控制性能。1、组件定位2、离子的产生电离是将一个中性原子或分子转化成一个离子的过程，在次过程中原子或分子失去一些电子或得到一些电子。本离子注入机利用间接加热阴极的方式产生离子。（IHC）3、Bernas 和IHC 源理论比较间接加热阴极离子源（IHC）与常见的bernas离子源很相近。二者都依靠一跟被加热的钨丝发射电子。二者都用到了源磁场和反射极来限制阴极发射的电子的运动。最后，在这两种离子源中，阴极发射的电子和掺杂原子碰撞，使原子电离，这些离子被从离子源吸引出来形成离子流。IHC和bernas 离子源之间的主要区别是前者多附加了一个阴极。这个附加的阴极

9、有两个主要功能，一个是为了保护相对脆弱的灯丝免遭电离腔内恶劣环境的破坏；另一个是用作离子腔内激发离子的电子源。为了更好地理解IHC离子源，我们最后先思考一下bernas 源是如何工作的。Bernas源是通过电流加热灯丝工作的。灯丝一旦被加热，在一定电压作用下就会发射电子；这个电压叫做弧光电压。这些电子围绕磁力线螺旋前进，不时与通过MFC导入的掺杂原子碰撞。碰撞使原子电离。我们提供调节灯丝电流控制离子源的强弱，增大灯丝电流可以提高灯丝温度，这将增加发射电子的数量。我们把这看做弧光放电电流的增大，以及吸极电流的增大。所以说，当我们需要更大的吸极电流时，可以通过增大灯丝电流来实现。IHC离子源也依靠

10、电流加热的灯丝工作。热灯丝的工作也是加上电压时发射电子，但是，这些电子不是用来发射电子而是用来加热阴极的。所以说，这个叫做偏压的电压是加在灯丝与阴极之间的。灯丝发射的电子形成所谓的偏流，这些电子在偏压作用下加速运动，最终撞击到阴极的背面。在这里，这些电子的动能转化成为阴极的热能。当阴极足够热时，在一定电压作用下它也开始发射电子。这个电压就是弧光放电电压。此时阴极用来发射电子，这些电子碰撞掺杂原子并使之电离，产生离子。这种设置吸极电流的控制机制仍然是温度，在这里就是阴极的温度。阴极增温的方式是增大灯丝电流。所以，我们看到，当操作者需要较大的吸极电流的时候，可以通过增大偏流来实现。较大的偏流意味着

11、灯丝发射更多的电子，从而有更多的能量传递给阴极，并最终导致阴极升温。更热的阴极将发射多的电子到电离腔，此时我们可以观察到较大的放电电流，最终得到更大的吸极电流。4、有关离子源的进一步理解建立和维持稳定的弧光放电需要满足下列五个方面的要求：灯丝电流弧电压偏压工艺气体压力离子源磁场4.1灯丝电流在离子化工艺过程中，阴极是自由电子的主要提供者。灯丝的工作原理就是发射热电子。灯丝发热到一定温度后就开始发光并释放自由电子。灯丝对阴极加热，受热的阴极发射自由电子。有效的自由电子数目与加到灯丝上的电流的大小有关。在离子注入机中，离子源中离子的撞击和溅射，最终将使阴极和灯丝受到损坏，所以有必要不时更换阴极和灯

12、丝。在IHC离子源中，阴极与灯丝是隔离的，是被灯丝间接加热的。阴极的材质是钨。在灯丝和阴极之间加了较高的偏压。阴极覆盖住了灯丝，是灯丝免遭离子的轰击。4.2弧电压弧电压动力加在灯丝与离子腔壁之间。加了这个动力，可以保证离子腔壁的电位比灯丝的电位高。4.3偏压离子腔的阴极被覆盖其中的灯丝发射的电子碰撞加热。灯丝和阴极之间加了大概600伏特的偏压，产生电流约4安培。被加速到600电子伏特的电子撞击阴极使之发热，并发射电子。阴极与离子腔壁之间加了 150伏特的偏压，阴极为负，腔壁为正。4.4 工艺气体压力 离子化4.5离子源磁场 反射极为了进一步提供电离效率，我们在离子腔中使用了与阴极电性导通的反射

13、极。起初，阴极和反射极都不带电，当初始电子在它们表面积聚时，很快就带上了负电。这样就产生了一种效应：排斥电子沿着磁力线螺旋运动向离子腔壁。这些电子沿相反方向向阴极运动过去。而阴极也带负电，阴极有促使这些电子掉头沿着磁力线向反射极运动过来。这种来回翻转的运动一直进行到这些电子撞上一个掺杂气体原子或另外一个电子改变它的方向为止。气体电离后的离子种类在我们的有关原子理论的讨论中，以硼作为电离的例子。这可能会让你误解，好像在电离过程中仅仅产生了注入用到的离子。实际上，离子腔中的所有原子在电离过程中都会影响电离效果。以三氟硼烷为例，列出电离过程中所产生的主要离子种类，还有更多。五、离子的抽取（Extra

14、ction）Extraction 这个概念描述的是如何把带正电的离子从离子腔中抽取出来。抽取过程完成四项工作。第一，把离子从离子腔中抽取出来并给它一个方向。第二，吸极提供一个势垒阻止二次电子返回离子源并撞击产生X射线。第三，它把离子整形成为束状。第四，它提供了电子源以在离子束形成空间电荷，空间电荷的作用有点像胶水，把正电荷粘合在一起，成为离子束。1、把离子从离子源抽出把一个电压源加到离子腔和吸极之间。正极在离子腔，负极在吸极，其值约60000伏特。离子腔上的光圈和吸极上的光圈都经过特殊的机械设计，加上一定的电压后，就可以吧离子从离子腔中拉出来。2、离子束的整形3、吸极（Extraction E

15、lectrode）吸极可以沿着竖直方向上下移动，也可以沿着轴线方向靠近或远离离子源。移动吸极的目的是为了驾驭离子束，移动通过吸极操作部件来实现。这个操作通常是在软件控制下自动实现的。四、二次电子的抑制吸极有两个部件：抑制极和接地极。抑制极最靠近离子源，并被安置在接地极上，但是要保持二者电绝缘。等离子腔的电势比接地极高出60kV，而抑制极比接地极低20kV。如前述，从等离子腔光圈出来的不仅仅是离子。电离过程的效率大约只有20%，这意味着有大约80%的气体分子没有电离。由于掺杂气体是在一定压力下导入离子腔的，那么就有多余的气体从离子腔的光圈排出来。排出的气体分子的大多数立即被真空泵抽走。剩下的一些

16、气体分子被裹挟到了抑制极与接地极之间的区域或更远。这一区域的离子已经通过60kV电压的加速，具备了大量的能量。在这一区域的中性气体分子迁移到此，并没有被加速的能量。具有巨大相对速度的离子与气体分子之间碰撞产生二次电子。这些带负电荷的二次电子立刻被拉向高电势的离子源腔室。这些轻质量的电子将获得巨大的能量，因为它们被全部的吸极电压和D1上的电压加速射向离子源。如果让这些电子自由前进直到和离子腔金属碰撞，将产生威胁的X射线。为了避免此事，我们在它们加速前进的路途中设置一个抑制极。这些电子在获得加速之前，被抑制极排斥，减速，并受到带正电的离子束的强大吸引。这些电子将加入到离子束中，和离子束一同穿过接地

17、极。六、第一四极磁透镜（Quadrupole 1,Q1）Q1只能工作于正模式（plus mode），其作用是在水平方向扩展离子束而在竖直方向压缩离子束。离子束在水平方向扩展具有重要意义，因为，从光学意义上讲，离子束应该被展开进入90度磁分析器才符合要求。在竖直方向压缩有利于离子束从扁平的磁极中间穿过。Q1参数通常在初始调试方案中被优化，但是它要保证是可调的。如果我们调整了Q1的参数，建议同时调整Q2以保证优化的束流和离子束宽度。七、磁分析仪（Analysis）前面我们已经学习过，当用三氟化硼作为源气体时，电离产生至少14种主要的离子。90度磁分析仪使我们有能力筛选出我们需要的离子而剔除其他我们

18、不需要的粒子。我们已经讨论过如何通过电场和磁场控制正离子。1、90度离子束分析磁场失去一个电子的离子叫做单价电荷，失去两个电子的离子叫双价电荷。当它们被同一吸极加速时，双价电荷离子将获得两倍于单价电荷的能量。一个离子的原子重量是原子核里中子与质子重量的总和。对一个给定的元素，其原子内的质子数保持恒定，仅中子数可能变化。进入90度磁分析仪中的任何离子的运动路径都将被磁场力弯曲。较轻的离子比较重的离子弯曲的厉害。总的作用是所有不同的离子将扇出不同的路径。选择恰当的磁场激发电流将会引导待选离子顺利通过判决光圈。判决光圈是一个可调节（大小的）光圈。这样可以避免与待选离子质量接近的离子随离子束通过光圈。

19、较重的离子由于偏转不够而不能通过光圈，较轻的离子由于偏转过多而不能通过光圈。用来计算磁场激发电流的基本方程是：式中各个符合的含义如下：I=磁线圈中的激发电流K=常数。视具体生产线的注入机及具体离子种类而定m=待选离子的质量V=吸极加速电压q=离子的电荷量2、离子束线控制设备单元离子束流设备单元会影响离子束均匀度，离子束宽度，以及射向尾端工作站的离子束流强度。在手工操作情况下，操作者应该努力优化离子束均匀度，同时也要对离子束流强度仔细斟酌。通过系统计算从数据上表征均匀度是很重要的，视觉上在屏幕上用曲线显示出来也很有必要。我们可以从屏幕的曲线上观察到哪些区域出现了微笑的均匀度偏差，这可以提醒操作者

20、决定调整那个控制参数区改进离子束流的均匀度。屏幕曲线还可以用来区别离子束宽度不够抑或需要进一步聚焦。2.1第二四极磁透镜（Quadrupole 2 Q2）Q2可以在两个模式下工作，负值模式（minus mode）或正直模式（plus mode）。我们可以根据需要选择相应模式。Minus mode 用来水平方向压缩，同时竖直方向扩展。Plus mode 则相反。通常在初始菜单中给出优化值。初始菜单设计者把Q2的典型值设置为minus mode。但是，这不是绝对的，手工操作时，要根据实际情况选择其中一种模式使离子束良好聚焦。在调整Q2时，建议同时调整Q1达到优化离子束流和离子束宽度的目的。注意：2

21、.2第三四极磁透镜（Quadrupole 3 Q3）Q3仅仅安装在VIISta HCS型大束流注入机上，用来在竖直方向聚焦离子流。通常在初始菜单中Q3被设置一个优化值。Q3可以工作于正直模式或负值模式。Q3典型值是负值模式。手工操作可以选择适当模式，目的是改进离子束流的聚焦效果。八、离子束线手动操作/第一个抑制聚焦电透镜（Decel 1 Lens D1 Lens）1、D1抑制电压D1抑制电压应用于双减速模式、漂移扩展模式和增强漂移模式。其具体参数通常有菜单设计者设定。D1抑制电压在减速模式中用来抑制二次电子，也被用作静电透镜。此时它会对离子束流强度及均匀度产生影响。通常，当D1抑制电压增加时，

22、到达尾端工作站的离子束流强度会随之增加，但是，同时离子束流宽度会减小。当调整D1抑制电压时，建议同时调整离子束设备单元的竖直方向（Y-axis）和前后方向（Z-axis）参数以优化离子束流强度及离子束流宽度。2、D1聚焦电压离子束手动操作透镜（D1 Lens）在某些操作模式中提供附加的竖直方向聚焦、竖直方向导引，以及水平方向聚焦、水平方向宽度控制。设计抑制电极和聚焦电极用来更切实控制离子束边缘的空间电荷。通过调整聚焦电极电势与抑制电极电势之间的关系，可以增加或减少离子束边缘密度。当离子束边缘密度得到调整时，离子束远离束流中心的角度就得到了调整，从而离子束的整体均匀度就得到了调整；这些措施改进了

23、对离子束的调整能力。如前所述，对离子束的操作（对离子束竖直方向和前后轴向的控制）可以工作于双减速模式、漂移扩展模式以及增强漂移模式。制定初始配方时设定对离子束竖直方向及前后轴向控制参数，但是对于具体配方还有必要检查这些参数。在工业调试过程中，这些参数不会自动调整，要优化离子束就需要手工调整。Y方向参数的调整，以使进入尾端工作站的离子束流最大。Z方向参数的调整，以使进入尾端工作站的离子束的宽度符合屏显曲线。当Z方向参数值增加时，离子束将变宽，从而离子束流减小。当Z方向参数减小时，离子束将变窄，从而离子束流增加。最优调试效果，Z方向参数要调整到使离子束达到足够的宽度。如果由此导致离子束流的些微减少

24、，离子束流的减少可以通过增加吸极电流来补偿。调整Z方向参数时，建议同时调整Y参数以取得优化的离子束流。九、角度校准（Angle Correction）1、70度偏转磁场70度磁偏转的目的是调整离子束的前进方向以使其垂直入射到硅片表面的每一点，当然这时假定硅片处于正常位置。在我们的讨论过程中，所谓正常位置是指倾斜角为0度。为了使离子束以相同的角度撞击硅片，就必须使离子束射出70度磁场时，在整个宽度内保持平行。这种平行性是为了确保离子注入到硅片时的角度是相等的，从而把沟道效应（thr effects of channeling）减至最低。VIISta HCS离子束设备单元和70度磁偏转设计成使离子

25、束向右边弯曲，然后进入工艺腔或靶室，在那里离子撞击到硅片上。观察图中所示三根线表示摄入磁偏转磁场中的三条离子路径。可以看到，从左到右（沿离子前进方向看）需要校正的角度量值是不同的。左边的离子比右边的离子需要弯曲的更厉害。在90度磁分析仪部分的讨论中我们已经知道，可以利用磁力（洛伦兹力）改变离子束的方向。现在剩下的唯一关键问题是：我们如何在水平扫描范围内使离子束的方向弯曲不同的量值？对这个问题的回答是：70度磁偏转的物理设计。观察图示说明，我们可以看到，磁极的几何形状设计有助于离子束的平行出射。这种设计促使从左边射入磁场的离子比右边的运动更长的距离。离子束在磁场中呆的时间越长，受到的磁力影响也就

26、越大。故，离子束的不同部分其方向弯曲的量值也就不同，从而，经过调整，当他们离开磁场时，其方向可以保持平行。正如我们前面所说，通过磁铁线圈的电流强度，决定了磁场的强弱。另外，离子的能量以及所选离子的种类都会影响所需磁场的强度。所以说，要根据不同的离子源种类和所需离子的能量对通过线圈的电流强度进行调整。2、70度偏转磁场的附加多组磁极和磁棒多组磁极和磁棒用来控制当离子束离开70度偏转磁场时，横向带状束流的整体均匀度和平行度。每一对磁极都影响相应位置的磁场极性，进而影响要由此经过的离子的偏转方向；每一根磁棒都影响相应位置的磁场强度，进而影响要由此经过的离子的偏转角度。通过调整磁极极性和磁通密度，相应

27、部分的粒子流将向左或向右偏转，从而影响这些区域离子束的方向和密度。最终影响离子流的均匀度及平行度。十、第二减速电透镜（decel 2 lens D2 lens）1、D2抑制电压D2抑制电压工作于第一工艺腔减速模式（PCD1），第二工艺腔减速模式(PCD2)，双减速模式，以及漂移扩展模式。具体模式参数值通常在初始菜单中设定。象D1抑制电压一样，D2抑制电压应用于减速模式注入中抑制二次电子。又用作静电透镜。它将影响到离子束流及离子束均匀度。在调整D2抑制电压时，建议打开离子束屏显曲线检查对离子束均匀度和离子束横截面形状。D2抑制电压也应用于控制离子束高度。增加抑制电压将降低离子束高度，相反，减小抑

28、制电压将增加离子束高度。这对改变离子束流很有用。2、D2聚焦电压D2（抑制）透镜组件用于提供附加的竖直方向聚焦和水平方向宽度控制在某些操作模式中。抑制电极和聚焦电极设计成对离子束外缘空间电荷提供更切实的控制。通过调整聚焦电极与抑制电极之间的点位差，可以使离子束边缘的粒子流密度增加或减少。当离子束边缘密度可以调整时，则离子束外缘角度以及离子束总的均匀度就可以调整了。十一、离子注入当离子束可以以一定的角度进入工艺腔时，它就能够均匀地注入到硅片上了。为此有下列几个步骤要完成：硅片靠机械装置上下往复运动，拦截住粒子流，并使整个硅片表面的都得到均匀的离子注入。空气轴承是 机械，他可以使离子束竖直扫描硅片。空气轴承就是一根轴，这根轴安装在一根气缸的空气衬垫上。这根轴的下端处于大气中，一台特种马达驱动这根轴非常精确地上下往复运动。这根轴的顶端，处于真空中，连接有一个压盘，压盘可以抓住硅片，压盘带着硅片一起上下往复运动接收离子束扫描。一次竖直方向扫描是硅片的一个完整的上下往复运动。通过竖直方向扫描我们能够把离子