離子注入機(jī)及其構(gòu)成

離子注入機(jī)是高壓小型加速器中的一種，應(yīng)用數(shù)量最多。它是由離子源得到所需要的離子，經(jīng)過(guò)加速得到幾百千電子伏能量的離子束流，用做半導(dǎo)體材料、大規(guī)模集成電路和器件的離子注入，還用于金屬材料表面改性和制膜等。

離子注入機(jī)由5部分組成：離子源、離子引出和質(zhì)量分析器、加速管、掃描系統(tǒng)、工藝腔。離子源離子注入機(jī)利用離子源中燈絲產(chǎn)生的熱電子在電場(chǎng)的作用下轟擊氣體分子，使之電離。待注入的雜質(zhì)源如果是氣態(tài)，便可以直接引入到離子源的電場(chǎng)中，如果是固態(tài)，則還需加熱蒸發(fā)，變?yōu)闅庀嗪笠氲竭@個(gè)電場(chǎng)中。氣相的雜質(zhì)源在電場(chǎng)中被電離后變成為離子(即帶電的原子或分子)。離子引出和質(zhì)量分析器所有帶正電的離子被離子源陽(yáng)極的正壓排斥從一個(gè)狹縫中被引出，此時(shí)等離子體中的電子被陰極排斥而被阻止，由此形成了正離子組成的離子束。熱電子轟擊雜質(zhì)源氣體分子會(huì)產(chǎn)生多種離子，比如三氟化硼氣體源，在離子源中會(huì)形成離子，每種離子的質(zhì)荷比不同，在通過(guò)質(zhì)量分析器的分析磁鐵時(shí)，離子的運(yùn)動(dòng)軌道會(huì)不同，離子注入機(jī)的質(zhì)量分析器可以將所需要的雜質(zhì)離子從混合的離子束中分離出來(lái)。加速管要使離子能夠獲得更大的能量，正離子從質(zhì)量分析器出來(lái)后還要通過(guò)加速管的高壓得到所需要的速度。加速管是由一系列介質(zhì)隔離的電極組成，電極上的負(fù)電壓依次增大。當(dāng)正離子進(jìn)入到加速管后，各個(gè)負(fù)電極為離子加速，離子的運(yùn)動(dòng)速度是各級(jí)加速的疊加，總的電壓越高，離子的運(yùn)動(dòng)速度越快，即動(dòng)能越大。掃描系統(tǒng)離子注入機(jī)的掃描系統(tǒng)構(gòu)成了離子束與硅片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為了使硅片上的雜質(zhì)呈均勻分布，避免離子長(zhǎng)時(shí)間的轟擊局部一點(diǎn)過(guò)熱，造成不可恢復(fù)的損傷，硅片的離子注入都采用掃描方式。有兩種基本的掃描方式：機(jī)械式掃描和電磁式掃描。機(jī)械式掃描采用的是硅片移動(dòng)的方法，即靶盤(pán)帶動(dòng)硅片運(yùn)動(dòng)。電磁式掃描是用電磁場(chǎng)將離子束偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)掃描。也有的注入機(jī)采用混合方式，即機(jī)械和電磁兩種方式相結(jié)合。工藝腔工藝腔包括放置硅片的靶盤(pán)、掃描系統(tǒng)、帶真空鎖的硅片裝卸終端臺(tái)、硅片傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

離子注入機(jī)由離子源、離子引入和質(zhì)量分析器、加速管、掃描系統(tǒng)和工藝腔組成，可以根據(jù)實(shí)際需要省去次要部位。離子源是離子注入機(jī)的主要部位，作用是把需要注入的元素氣態(tài)粒子電離成離子，決定要注入離子的種類(lèi)和束流強(qiáng)度。離子源直流放電或高頻放電產(chǎn)生的電子作為轟擊粒子，當(dāng)外來(lái)電子的能量高于原子的電離電位時(shí)，通過(guò)碰撞使元素發(fā)生電離。碰撞后除了原始電子外，還出現(xiàn)正電子和二次電子。正離子進(jìn)入質(zhì)量分析器選出需要的離子，再經(jīng)過(guò)加速器獲得較高能量，由四級(jí)透鏡聚焦后進(jìn)入靶室，進(jìn)行離子注入。

離子注入機(jī)是集成電路制造前工序中的關(guān)鍵設(shè)備，離子注入是對(duì)半導(dǎo)體表面附近區(qū)域進(jìn)行摻雜的技術(shù)，其目的是改變半導(dǎo)體的載流子濃度和導(dǎo)電類(lèi)型。離子注入與常規(guī)熱摻雜工藝相比可對(duì)注入劑量、注入角度、注入深度、橫向擴(kuò)散等方面進(jìn)行精確的控制，克服了常規(guī)工藝的限制，提高了電路的集成度、開(kāi)啟速度、成品率和壽命，降低了成本和功耗。離子注入機(jī)廣泛用于摻雜工藝，可以滿(mǎn)足淺結(jié)、低溫和精確控制等要求，已成為集成電路制造工藝中必不可少的關(guān)鍵裝備。