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注入机的组成和工作原理

作者:储建伟

摘要(Abstract)

本文的目的主要是对过去所学的总结、整理,相信对新的设备工程师也有一定的帮助。

由于我对注入设备了解不够,本文还缺乏一定的实践,必然还存在不少缺点和错误,殷切

期望各位同事和领导能给予批评和指正。

引言(Introduction)

离子注入机是一个体积庞大且构造复杂的半导体工艺设备,依照注入机所能提供的杂质

离子的浓度来区分,现在批量生产的注入机,主要分为高电流及中电流两种型式,分别代

表电流约在10mA及1mA左右的离子束。本文主要涉及设备方面。

主要内容

整个离子注入机最主要的部分有:

(1)用以产生离子的离子源;

(2)用以分离主要杂质离子的质量分析器;

(3)用以加速注入离子的加速器;

(4)聚集离子束的聚集器;

(5)帮助离子束对整片晶片进行注入的扫瞄器;

(6)线性加速器;

(7)能量分析器等其他一些附属的气体供应设备、真空系统和晶片的装卸系统等。

图1显示一个离子注入机内各个主要系统的相对位置。接下来,将针对其中比较重要的

部分,参照图解,来说明他们的功能与在注入机内的用途。

图1离子注入机的主要结构(Varian)

下面介绍这几个主要的部分:

一、离子源

离子源是用来产生离子的装置,它的基本原理是利用等离子体,在适当的低压

下,把气体分子借电子的碰撞而离子化的。简单的说,就是利用等离子体产生注入

机所需要的杂质离子。

基本上,离子源的结构是有蒸发器、弧光反应室、及磁铁等组合而成的。当使

用的杂质是固态的物体时,可以使用蒸发器来增加固态杂质的饱和蒸汽压,以便使

离子源易于产生所需要的离子。

起弧室内有灯丝,阴极,反射板.灯丝被加热后就会发射电子,由于起弧室内存有

一定浓度的气体粒子灯丝发射的电子就会撞击这些粒子,使粒子外层的电子脱离原

来的运行轨道成为自由电子而粒子则变成带正电的离子.这就是电离的简单过程.

离子源的弧光反应室的设计,主要有图2所示的Freeman式及Bernas式两种。

基本上,这两种弧光反应室的设计概念是完全相同的。

图2显示两种主要的离子源的弧光反应室设计(a)Freeman(b)

Bernas

离子的产生与否,取决于等离子体内的电子和气体分子(包括杂质气体)的碰

撞,因此,在离子注入机的弧光反应室内,都加入一个可以产生热离化电子的热灯

丝,用增加反应室的电子浓度的方法,来增加电子与气体分子间的碰撞频率,以增

加离子的浓度,这种灯丝通常是选用钨,钽、及钼等耐高温金属,利用直流电的加

热,使灯丝表面释放出所谓的“热离子电子”,除了增加热灯丝以提高弧光等离子

体的电子浓度之外,为了再提高等离子体内的电子与气体分子之间的碰撞频率,通

常在弧光反应室的外围加装磁铁,利用电磁力,使等离子体内的电子以螺旋式的行

径运动,以提高离子的浓度。根据电磁学的原理,磁场中的带电粒子会发生偏转,如

果带电粒子以垂直于磁场或与磁场成一角度(不能与磁场平行)的速度进入磁场,那

么在洛仑磁力的作用下,带电粒子将作园周或螺旋状的旋转运动,其运动半径为

R=mvsinθ/qB,我们会发现粒子的运动半径与粒子的运动速度成正比,与磁场强度成

反比(对于电子来讲质量与电荷量都是常量).也就是磁场越弱或运动速度越大粒子

的运动半径就越大,反之就小.

与运动速度相关的是起弧电压,与磁场相关的是磁场电流.这两个物理量都是可

控的,我们可以通过调节这两个物理量去控制电子的运动半径.

那么半径是大好呢还是小好?这没有一个固定值,但存在一个范围.在这个范围内

运动半径都是可以的.但如果超出此范围就不好了,那么会出现什么情况呢?有二种

状态.

第一,半径很大.己经不能形成螺旋状运动,电子只是作曲线运动

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