低能强流离子注入机实验装置简介
第四章离子注入
加速管
工艺腔 扫描盘
工艺控制参数
❖ 杂质离子种类：P+，As+，B+，BF2+，P++，B++，… ❖ 注入能量（单位：Kev）——决定杂质分布深度和形状，
10~200Kev ❖ 注入剂量（单位：原子数/cm2）——决定杂质浓度 ❖ 束流（单位：mA或uA）——决定扫描时间 ❖ 注入扫描时间（单位：秒）——决定注入机产能
Figure 17.15
中性束造成的注入不均匀性
带正电的离子束从质量分析器出来到硅片表面的过程中，
要经过加速、聚焦等很长距离，这些带电粒子将同真空系统中
的残余气体分子发生碰撞，其中部分带电离子会同电子结合，
成为中性的粒子。
对于出现在扫描 系统以前的中性粒子
没有偏转的中性束粒子继续向前
，扫描电场对它已不
200 kev 注入离子在 靶中的高斯分布图
硼原子在不同入射能量 对深度及浓度分布图
高斯分布只在峰值附近 与实际分布符合较好
根据离子注入条件计算杂质浓度的分布
❖ 已知杂质种类(P,B,As)，离子注入能量(Kev)，靶材 （衬底Si,SiO2,Si3N4等）
求解step1：查LSS表可得到Rp和ΔRp
和电子阻止(Se(E) )所损失的能量，总能量 损失为两者的和。
ddE xSnESeE
-dE/dx：能量损失梯度
E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能量
Sn(E)：核阻止本领
能量E的函数
Se(E)：电子阻止本领
C: 靶原子密度 ～51022 cm-3 for Si
能量为E的 入射粒子在 密度为C的 靶内走过x 距离后损失 的能量
半导体设备之离子注入机行业研究
半导体设备之离子注入机行业研究一、离子注入是可实现数量及质量可控的掺杂离子注入是最重要的掺杂方法掺杂改变晶圆片的电学性能。
由于本征硅（即不含杂质的硅单晶）的导电性能很差，只有当硅中加入适量杂质使其结构和电学性能发生改变后才起到半导体的功能，这个过程被称为掺杂。
硅掺杂是制备半导体器件中P-N结的基础，是指将所需杂质原子掺入特定的半导体区域以对衬底基片进行局部掺杂，改变半导体的电学性质，现已被广泛应用于芯片制造的全过程。
芯片制造中热扩散和离子注入均可以向硅片中引入杂质元素，具体区别如下：热扩散：利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，掺杂效果受时间和温度的影响。
离子注入：将高压离子轰击把杂质引入硅片，杂质与硅片发生原子级高能碰撞后才能被注入。
离子注入环节，注入的离子包括：B，P、As、Sb，C，Si、Ge，O，N，H离子等等。
精确可控性使得离子注入技术成为最重要的掺杂方法。
随着芯片特征尺寸的不断减小和集成度增加，各种器件也在不断缩小，由于晶体管性能受掺杂剖面的影响越来越大，离子注入作为唯一能够精确控制掺杂的手段，且能够重复控制掺杂的浓度和深度，使得现代晶圆片制造中几乎所有掺杂工艺都从热扩散转而使用离子注入来实现。
离子注入可准确控制掺杂杂质的数量及深度离子注入属于物理过程，通过入射离子的能量损耗机制达成靶材内的驻留。
与热扩散的利用浓度差而形成的晶格扩散不同，离子注入通过入射离子与靶材（被掺杂材料）的原子核和电子持续发生碰撞，损耗其能量并经过一段曲折路径的运动，使入射离子因动能耗尽而停止在靶材某一深度。
为了精确控制注入深度，避免沟道效应(直穿晶格而未与原子核或电子发生碰撞)，需要使靶材的晶轴方向与入射方向形成一定角度。
离子注入主要利用两个能量损耗机制：电子阻碍：杂质原子与靶材电子发生反应，产生能量损耗。
核阻碍：杂质原子与靶材原子发生碰撞，造成靶材原子的移位。
剂量、射程、注入角度是离子注入技术的三个重要参数。
离子注入向硅衬底中引入数量可控的杂质过程，需要离子注入设备通过控制束流和能量来实现掺杂杂质的数量及深度的准确控制。
离子注入介绍
目录第一章离子注入原理第二章离子注入机简介第三章 GSD 200 E2离子注入机的组成及工作原理第一节 GSD 200 E2离子注入机的技术指标第二节 GSD 200 E2离子注入机的机械结构1.离子源部分 source component2.束线部分beam line component3.靶盘及终端台部分end station component 第四章安全注意事项第一章离子注入原理半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质.为了使半导体材料能够在半导体器件中制成p-n结,电阻器,欧姆接触以及互连线,需要对半导体进行掺杂以改变材料的电学性质,从而制成真正的半导体器件.掺杂就是将所需的杂质按所要求的浓度与分布掺入到半导体材料中,掺入杂质的种类,数量及其分布对器件的影响极大,必须加以精确控制,因此掺杂是半导体制造中的一道重要工艺.在集成电路制造中,掺杂主要采用两种方法:扩散法和离子注入法.扩散法就是利用高温将杂质掺入到半导体材料中,因为在一定的温度条件下,杂质原子具有一定的能量,它能够克服某种阻力进入到半导体中,并在其中作缓慢的迁移运动,这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中.扩散运动只是从浓度高的地方向浓度低的地方移动,移动的快慢与温度,浓度梯度有关.一般讲高浓度深结掺杂采用热扩散,而浅结高精度掺杂采用离子注入.由于离子注入可以严格地控制掺杂量及其分布,而且具有掺杂温度低,横向扩散小,可掺杂的元素多,可对各种材料进行掺杂,杂质浓度不受材料固溶度的限制,所以离子注入目前己被广泛地采用.尤其是对于MOSVLSI器件,需要严格控制开启电压,负载电阻等,一般的热扩散技术已不适用,必须采用离子注入.所谓离子注入就是先使待掺杂的原子(或分子)电离,再加速到一定的能量,使之注入到晶体中,然后经过退火使杂质激活,达到掺杂的目的.当高能量的离子进入晶体后,不断地与原子核及核外电子碰撞,然后逐渐损失能量,最后停止下来.离子进入单晶后的运动,可分为两种情况.一种是沿着晶轴的方向运动,在晶格空隙中穿行, 好象在“沟道”中运动一样,它和核外电子作用,使原子电离或激发,由于离子质量比电子大很多,每次碰撞离子能量损失很少,且都是小角度散射,散射的方向是随机的,多次散射的结果离子运动方向基本不变.这种离子可以走得很远,称沟道离子.另一种是离子的运动方向远离晶轴,因此它们与原子核相碰撞,因两者质量往往是一个量级,一次碰撞可以损失较多的能量,且可能发生大角度散射,使靶原子核离开原来的晶格位置,它变成一个新离子,它可以继续碰撞另外一个原子核,由于原子核的碰撞损耗较多能量,所以它们走的路径也较短.这段从进入晶体后与原子核碰撞而停止的距离就是结深.不同能量的离子,行走的距离也就不同,所以我们就可以通过调节离子能量的大小来控制制品的结深.在实际的注入掺杂工艺中,为了提高注入的重复性,应尽量避免发生沟道注入,而使注入离子尽可能停留在晶格上,(事实上注入离子的很大部分并不正好处于晶格点阵上)这就必须控制好离子束与晶体主轴的角度.由于两者间的夹角比较难控制,所以注入时一般使离子束与晶体主轴方向偏7o-10o,使大多数离子停留在晶格上.离子对原子核的碰撞,会使一部分原子核离开晶格位置,形成一个碰撞与位移的级连,在靶中形成无数空位与间隙原子,这些缺陷的存在将使半导体中的载流子的迁移率下降,少子寿命缩短,从而影响器仲的性能.当注入剂量很大时(剂量单位:注入的离子数/每平方厘米)可使单晶硅严重损伤以至于变成无定形硅.因此离子注入后往往需要通过退火使靶材料恢复晶体状态,并且使注入的离子激活---即把不在晶格位置上的离子运动到晶格点阵上,起到电活性掺杂作用.第二章离子注入机简介根据不同的工艺,对离子注入有不同的要求,比如结深,剂量,均匀性,重复性等等,但是其中最基本的要求是结深和剂量.为了满足这两个要求,人们就设计了各种不同的注入机.我们知道结深与离子的能量有关,为了获得不同的结深可以通过调节注入离子的能量来实现,由此就出现了高能注入机,低能注入机.比如axcelis 生产的GSD/VHE高能注入机的能量为P＋ 10-1400KeV,B＋ 10-1600KeV.而axcelis生产的GSDIII/LED低能注入机的能量为0.2KeV-80KeV.所以仅这两种注入机就复盖了从0.2KeV-1600KeV全部能量范围.但仅有结深要求还是不够的,我们还需对掺杂离子的剂量有所要求,一般情况下掺杂离子的剂量与注入机输出的离子束束流有关,为了获得不同的剂量就可通过调整束流来实现,由此就出现了高电流注入机,中电流注入机.比如axcelis生产的GSD/200E2高电流注入机,在30KeV-160KeV情况下都能提供20mA束流(P＋和As＋).axcelis的8250HT中电流注入机,在3KeV-750KeV 情况下其束流在0.12mA-3.0mA可调(P＋).但是注入机按能量与束流的分类并非十分严格,但就一般而言,高能机的束流就小一些,高电流机的能量就低一点.虽然注入机的种类较多,但它们的工作原理还是基本相同的,尽管在结构上各有所异.离子注入机就是一个对所需的杂质分子进行电离,从而产生所需的离子,通过高压电场和磁场的作用,使离子获得足够的能量,均匀地注入到硅片上的一种专用设备.注入机本体可分为三大部分:离子源,束线部分,靶室及终端台.离子源.自由电子在电磁场的作用下,获得足够的能量后撞击掺杂气体分子或原子,使之电离成离子,再经吸极吸出,通过聚焦成为离子束,然后进入束线部分.所以离子源就是产生有能量的离子束的地方.束线部分.当离子进入束线部分后它将经过多道处理,以使我们得到所需要的离子.主要经过磁分析器,聚焦透镜,旗法拉弟,电子浴发生器等.事实上不同注入机的最大区别就在束线部分.我们可以在磁分析器后加上后加,减速电极,使离子能量增加或减少.可以在磁分析器后加上线性加速器使之变成高能注入机.也可以在磁分析器后加上离子水平和垂直扫描装置,实现电子扫描(非机械扫描).还可以在束线加速未端加上能量分析器,从而筛选出我们所需要的能量的离子.由于机台的不同,实现这些功能的结构或设备也有所不同.靶室及终端台从束线部分出来的被加速的离子最终到达靶室的硅片上实现离子注入.根据不同的机械结构,处于靶室中的硅片有的处于静止状态,有的处于垂直方向往复运动,也有的同时做垂直和旋转运动.另外处于靶室中的硅片为了工艺需要,常常将硅片平面调整到与束流成某一角度的位置.靶室与终端台的另一个作用就是实现硅片的装载与卸载.这是一套复杂的机械系统,为了适应程序化,自动化的需要,各注入机的终端台硅片传送系统也有很大不同.以上就是离子注入机的基本结构和工作原理.第三章 GSD / 200 E2离子注入机的组成及工作原理GSD / 200E2是美国axcelis公司生产的高电流离子注入机.经过多次改进,设备的性能有了很大提高.我们公司有两台GSD / 200E2，下面就主要参照GSD/ 200E2来介绍离子注入机的组成及工作原理。
离子注入技术的介绍
离子注入技术的介绍离子注入技术就是将某种元素原子经过电离生成离子，并将离子放置在几十至几百千伏电压下使其进行加速，在获得较高的速度后射入事先放在真空靶室中的材料表面地一种离子束技术。
离子注入机是集成的电路制造前的工序中的关键设备，离子注入是对半导体表面进行掺杂的技术，其目的是为了改变半导体载流子浓度和导电类型。
离子注入机已广泛用于工业掺杂工艺，可以满足浅结、低温和精确控制等要求，其已成为集成电路的制造工艺中必不可少的关键装备。
本实验基于兰州大学核学院应用物理与辐射技术研究团队的低能强流离子注入机实验装置。
本论文的主要工作是学习和掌握离子注入机的工作原理及构造，并对注入机仪器进行调试。
本论文将重点介绍加速器的组成和其各个构件的原理，离子源的原理和种类，加速器在国内外的现状和发展，具体安装和调试过程，最后进行数据的记录和分析。
本工作利用电离氢气，获得H+，H 2+，H3+离子束，通过调节引出电压的大小控制各类离子束能，利用速度选择器进行分离和选择离子的种类，通过调节各聚焦电极实现不同离子束光路的最优化。
本工作得到了再离子能量为15KeV和17KeV时，H+，H2+，H3+的最大运行束流，以及相关的运行参数。
该调试结果将为今后实验装置的稳定运行提供参考。
通过本工作，使我学习了离子注入机的原理及应用，了解了离子注入机各个组成部件，学会了如何调试离子注入机。
关键字：离子注入机低能区强流1.1加速器的发展带电粒子加速器就是用人工方法借助不同形态的电场，能将不同种类带电粒子加速到更高能量的电磁装置，常称为粒子加速器，简称为加速器。
粒子加速器一开始是用作探索原子核的重要手段而发展起来的。
1919年，卢瑟福利用天然放射源开创了人类历史上第一个人工核反应，激发了人们用高能粒子束变革原子核地强烈愿望。
1930年，Earnest.O. Lawrence制作了历史上第一台回旋加速器1932年，J．D．考克饶夫特（John D. Cockroft）和E.T.瓦尔顿（Earnest T. S. Walton）在England的Cavendish实验室研究制造了700kV高压倍加速器用来加速质子，即Cockroft-Walton加速器，实现了历史上第一个由人工加速的粒子引发的Li（p，α）He核反应。
IBBE装置、机理
袁航，小型化离子束生物工程装置研制，合肥工业大学2003年硕士学位论文，2003，3，导师：罗乐副教授小型化离子束生物工程装置(Miniature Ion-implanting facility for Bioengineering Research})是一种宽束装置，该应用技术己经得到世界范围内的重视。
为了发展我国首创的离子束生物工程技术、进一步推广低能离子注入生物技术的需要，对现有的50KeV离子注入诱变装置进行改进，研制一台小型化、傻瓜化的离子束生物工程装置，为辐射一生物学研究提供了一个简便、可靠、实用的物理平台。
离子束生物工程装置的主要功能是提供一定能量、电荷态的稳定离子束，在无菌、温度适宜的、无其它干扰因素的环境下注入生物样本，使之发生诱变效应。
因此小型离子束生物工程装置的主要部件包括:离子源(包括放电室和引出系统)、真空系统、靶室(植物样本使用)、小靶室(微生物样本使用)、电源系统、冷却系统和监测、控制系统。
原有的装置结构复杂，非专业人员操作难度太大，因此研制小型化装置目的在于简化结构，使用方便，成本降低，使离子束生物工程装置能够为广大生物科研机构所接受，进而推广离子束生物工程装置。
本课题的任务就是研制这样一台小型化离子束生物工程装置。
本文是在总结一年以来装置研制过程中的经验上写成的。
从原理上分析了双潘宁离子源的结构，改进了阴极发射电子的能力，理论计算出离子源的几何参数，并根据实验矫正误差，从而设计出的引出系统可以更加稳定的引出强流离一子束。
为了离子束生物工程装置的产业化，采用更简便的控制系统和监测系统。
经过测试，研制的小型化离子束生物工程装置能够满足生物实验的要求。
并根据这些实际工作经验和理论分析，对小型化离子束生物工程装置的进一步发展提出了新的观点:1,装置的智能控制系统的设想;2、采用更先进的离子源提供优质离子束。
七十多年来，物理化学方法等传统方法用于作物诱变育种取得了许多重要成果。
中束流离子注入均匀性的工艺控制
中束流离子注入均匀性的工艺控制摘要：要实现中束流离子注入就必须做好剂量的控制，这就需要做好剂量控制技术的精度把控工作，其将会直接影响到晶元中离子的掺杂水平，对半导体的制作也有一定影响。
在对其剂量进行控制的过程中，系统由测量、冷却和注入这几个硬件系统和对束流的数据进行有效采集，对剂量进行控制和发生异常时对异常进行处理的算法系统所构成。
本文就离子注入机进行了讲解，就如何实现大束流离子注入的控制进行了讲解。
关键词：中束流离子；注入；工艺控制1离子注入机系统简介离子注入机械是制造集成电路的重要设备，其构成重要是由控制软件，离子源与控制设备，对晶圆进行注入与传输的设备这三个功能的系统组成。
其中产生离子束并对其进行控制的系统，生产出来的离子束具有不同的种类、能量和流动强度的特征。
对晶元进行注入与传输设备的系统可实现晶元在不同操作环境下的传输和注入。
这些操作都需要控制软件系统进行操作，以实现离子注入机的自动化操作。
对晶元进行注入与传输设备的系统和控制软件系统对于同机型的离子注入机，当供应商不同时可以通用，而离子源与控制设备系统则会有较大的区别。
本文就对离子源的产生和控制设备这一系统进行重点的讲解，该系统可称之为离子加速器，其工作模块主要由离子源，质量分析器，加速和减速器等这几个模块所组成，这些模块在该系统内起到的作用主要是：首先，系统内的离子源模块，该模块主要用于产生离子束，其过程是阴极放电生产出所需要的离子种类的离子体，要形成离子束则需要外加电场来实现，其形态多为斑点，部分呈现带状。
其次，对离子束的质量进行分析的模块，离子束在从离子源中引出后，我们发现其离子并不单一，这就需要质量分析器对离子进行筛选，从而得到需要的离子种类。
质量分析器的构成多为偏转磁铁，质荷比不相同的离子在磁场的作用下实现对离子种类的筛分，从而得到需要的离子种类。
第三，离子束最终能量的获取需要通过加速或者减速器来实现，不同机型的离子注入机其加速或者减速器存在较大的差异。
离子注入简介
离子注入简介我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。
离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。
其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。
作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：(1)它是一种纯净的无公害的表面处理技术；(2)无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；(3)离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；(4)离子注入后无需再进行机械加工和热处理。
离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。
虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：(1)离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；(2)加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；(3)离子束的质量分析(离子种类的选择)；(4)离子束的约束与控制；(5)靶室；(6)真空系统。
非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。
大家知道，半导体材料的离子注入所需的剂量(即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子／平方厘米)比较低，而所要求的纯度很高。
离子注入机分类(二)
离子注入机分类(二)离子注入机分类离子注入机是一种常用的表面处理设备，用于将离子注入到材料表面，从而改变材料的物理性质和化学性质。
根据不同的分类标准，离子注入机可以分为以下几类：基于注入方法的分类•高能离子注入机：使用高能离子束将离子注入到材料中。
高能离子注入机通常采用离子加速机和离子束流整形、限制系统，具有较高的注入速度和较大的注入深度，适用于对材料进行深层次的离子注入。
•低能离子注入机：使用低能离子束将离子注入到材料中。
低能离子注入机通常采用离子源和离子镜、准直系统，具有较低的注入速度和较小的注入深度，适用于对材料进行浅层次的离子注入。
基于注入目的的分类•纯化离子注入机：用于将离子注入到材料中，去除杂质，提高材料的纯度。
纯化离子注入机主要应用于半导体材料制备过程中，可以有效减少材料中的杂质，提升材料的电学性能和光学性能。
•强化离子注入机：用于将离子注入到材料中，增强材料的硬度和耐磨性。
强化离子注入机主要应用于制备硬质涂层和硬质材料，可以增加材料的表面硬度，提高材料的耐磨性和抗腐蚀性。
•改性离子注入机：用于将离子注入到材料中，改变材料的化学性质和物理性质。
改性离子注入机可以通过调控注入离子的种类、注入深度和浓度等参数，实现对材料性能的有选择性的改变，包括改变材料的导电性、磁性、热传导性等。
•成型离子注入机：用于将离子注入到材料中，进一步加工材料的形状和结构。
成型离子注入机主要应用于微纳加工领域，可以通过控制离子注入的位置和剂量，实现对材料表面形貌和结构的精细加工。
基于设备结构的分类•桌面离子注入机：体积较小、结构简单的离子注入设备。
桌面离子注入机通常用于实验室研究和小规模生产，其离子泵和加速系统的性能较低，不适用于大规模工业生产。
•工业离子注入机：体积较大、结构复杂的离子注入设备。
工业离子注入机具有较高的注入效率和注入深度，适用于大规模工业生产。
以上是根据不同的分类标准列举的离子注入机分类，每种分类都有各自的特点和适用范围。
离子注入设备简介演示
03
离子注入设备的工作原理
离子源与离子束分析器
离ห้องสมุดไป่ตู้源
离子源是产生离子束的装置，通常采用气体放电或电子束激发等方法产生离子 。离子源产生的离子束经过电场和磁场的作用，形成稳定的离子束流。
离子束分析器
离子束分析器用于对离子束进行质量分析，通过电场和磁场的作用，将不同质 量的离子束分开，以便后续的加速和聚焦。
注入材料中，提高芯片性能。
智能化控制技术
离子注入设备需要更加智能化的 控制系统，以实现更精确的离子
注入和更高效的设备运行。
集成化技术
为了提高生产效率和降低成本， 离子注入设备需要实现更高的集 成化程度，包括设备内部各个部 件的集成以及设备与生产线其他
设备的集成。
市场发展趋势
市场规模不断扩大
定制化服务需求增加
按离子源类型分
电离式离子源
通过电离气体或液体产生离子，通常用于低能离子注入。
磁控式离子源
通过磁场控制电子运动，产生高能离子束流，通常用于高能 离子注入。
按离子注入机结构分
直线式离子注入机
离子束流沿直线运动，通过调整注入 角度和位置实现不同区域的注入。
扫描式离子注入机
离子束流沿扫描路径运动，可以实现 大面积的均匀注入。
成本压力
随着市场竞争的加剧，离子注入设备制造商面临越来越大的成本压力。解决方案：通过优 化生产流程、提高设备利用率等方式降低成本，同时加强与芯片制造商的合作，共同降低 成本。
人才短缺
随着技术的发展和市场竞争的加剧，离子注入设备领域的人才短缺问题日益严重。解决方 案：加强人才培养和引进，提高员工素质和技能水平，同时加强与高校、科研机构的合作 ，共同培养人才。
第四章离子注入介绍
电子碰撞：指注入离子与靶内
自由电子以及束缚电子之间的 碰撞，这种碰撞能瞬间形成电 子空穴对。由于两者的质量相 差很大，每次碰撞注入离子能 量损失小，散射角度小，运动 方向基本不变。
阻止本领（stopping power）： 材料中注入离子的能量损 失大小。单位路程上注入 离子由于核阻止（Sn(E)） 和电子阻止(Se(E) )所损失 的能量 。 核阻止本领Sn(E) ：来自靶原子 核的阻止。 电子阻止本领Se(E) ：来自靶内 自由电子和束缚电子的阻 止。
1.核阻止本领
核阻止：注入离子与靶内原子核碰撞能量的损失 能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的 能量。
dE S n E dx n
能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结 果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核， 或只是能量增加。
2.电子阻止
在LSS 理论中，把固体中的电子看作为自由 电子气，那么电子阻滞就类似于黏滞气体的 阻力，即：电子对离子的影响很像一个粒子 在流体中的移动。
dE S e E dx e
电子阻滞本领
在注入离子的常用能量范围内，电子阻滞能 力的大小与入射离子的速度成正比：
Se E Cvion kE1/ 2 , k 0.2 1015 eV1/ 2cm2
的阻滞作用取决于晶体的取向，是各向异性的，入射离子从不同方
向射入靶中将得到不同的射程。 沟道效应：当对晶体靶进行离子注入 时，如果离子注入的方向与晶体的某个晶 向平行，注入深度就有可能比较深，大于 在非晶靶中的深度，产生沟道效应。
沿<110>晶向金刚石结构模型
离子注入
原理
等离子体基离子注入PBⅡ装置示意图离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表 面改性技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发 生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和 性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。 此项技术由于其独特而突出的优点，已经 在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益 和社会效益。
集成电路前道制程中有许多光刻层之后的工艺是离子注入（ion implantation），这些光刻层被称为离子注 入光刻层（implant layers）。离子注入完成后，晶圆表面的光刻胶必须被清除掉，清除离子注入后的光刻胶是 光刻工艺中的一个难点。
优势
高能离子注入的优势 多样性：原则上任何元素都可以作为注入离子；形成的结构可不受热力学参数（扩散、溶解度等）限制； 不改变：不改变工件的原有尺寸和粗糙度等；适合于各类精密零件生产的最后一道工序； 牢固性：注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合 牢靠，不存在脱落的现象； 不受限：注入过程在材料温度低于零下、高到几百上千度都可以进行；可对那些普通方法不能处理的材料进 行表面强化，如塑料、回火温度低的钢材等；
(2)热挤压和注塑模具，可使能耗降低20%左右，延长使用寿命10倍左右；
(3)精密运动耦合部件，如抽气泵定子和转子，陀螺仪的凸轮和卡板，活塞、轴承、齿轮、涡轮涡杆等，可 大幅度地降低摩擦系数，提高耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命最多可以达到100倍以上；
(4)挤压合成纤维和光导纤维的精密喷嘴，可以大大提高其抗磨蚀性和使用寿命；
半导体离子注入设备资料课件PPT
八、离子注入技术相关资料
8.1 离子注入机的主要技术指标
加速能量范围 最大扫描束流 可分析的最大原子质量数 加工晶片尺寸 每小时生产能力 注入均匀性和重复性 真空度、装片台洁净度 安全性能
8.2 真空的分类
初真空 0.1 Torr--760 Torr 中真空 10-4 Torr--10-1 Torr 高真空 10-8 Torr--10-4 Torr 超高真空 < 10-8 Torr
1、离子注入的发展回顾
◆ 1952年，美国贝尔实验室开始研究。 ◆ 1954年，Shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体器件。 ◆ 1955年，英国科学家发现硼离子轰击鍺片时，可在N型材料上形成P型。 ◆ 1960年，完成离子射程、计量计算、辐射损伤效应以及沟道效应等方面研究。 ◆ 1972年以后，离子注入技术逐步被人们使用。 目前已经普遍使用，已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
离子注入机设备简介
目录
一、离子注入技术的发展回顾及特点 二、离子注入机设备结构及其作用 三、离子注入工艺技术 四、离子注入损伤与退火 五、离子注入工艺技术的质量测量 六、离子注入机的检查及故障的排出 七、离子注入机的安全操作 八、离子注入技术相关数据资料 九、离子注入的应用及展望
一、离子注入技术的发展回顾及特点
KE＝ nv ＝ （1）（60kv） ＝ 60kev
２、沟道效应
抑制沟道效应的方法：
⑴倾斜硅片
⑵掩蔽氧化层
⑶ 硅预非晶化
⑷使用质量较大的原子
⑴ 倾斜硅片
沿（110）轴的晶格视图
这种方法是最常用的方法，（100）硅片常用的角度是偏离垂直方向7度，保证
了杂质离子在进入硅中很短的时间内就会发生碰撞。
离子注入-GSD200.4txt
束线部分(不含靶盘腔)
beamline/resolving housing
CTI-8 On-Board
Fast Regen
≤5E-7
束线部分(不含分析磁铁及后加速)
resolving housing/process chamber
CTI-10 On-Board
6.机械流片量
硅片直经 (mm)
批处理数 ( 片 )
流片量 ( 片 )
最长注入时间
(秒)
200
13
220
73
150
17
239
96
125
20
248
111
7.靶盘角度转换
│α│+│β│≤11,α或B≥10±0.50 (GSD 设定)
3.靶盘及终端台部分 end station component
第四章 安全注意事项
第一章 离子注入原理
半导体是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质.为了使半导
体材料能够在半导体器件中制成p-n结,电阻器,欧姆接触以及互连线,需要
对半导体进行掺杂以改变材料的电学性质,从而制成真正的半导体器件.
冷固态源
45
冷气态源
15
气体-固体
15
固体-气体
15
气体-气体
5
能量变化
5
第二节 GSD / 200 E2离子注入机的机械结构
GSD / 200E2离子注入机由离子源,束线部分和靶盘终端台组成.其基本结
构如图.
下面是两种不同机台的结构组成图.图1是GSD-160KeV.图2是
低能N +离子注入Spj0104菌株的诱变选育研究
内酰胺类抗生素 的重要前 体， 目前制药行业 是
竞争激烈 的产 品之一 ， 酶法制备 Ｄ—ｐ Ｐ Ｈ Ｇ是利 用 Ｄ一 海因酶 （ Ｈ ｓ） Ｄ ａ 将苯海 因（ Ｌ— Ｈ Ｈ） ｅ Ｄ ｐ Ｐ 转
化 为 Ｎ一氨 甲酰基 一Ｄ一对 羟 基 苯 甘 氨 酸 （ Ｃ— Ｎ
２ 结果 与分析
２ １ 注入 能量 的选择 ．
人机小靶室 ， 取掉平皿的上盖； 真空对照则叠放在
样 品 的正下方 ．
以 １ Ｋ Ｖ ２ ｅ ２ ｅ ５ ｅ ，０Ｋ Ｖ， Ｋ Ｖ和 ３ ｅ ４种能 ５ ０Ｋ Ｖ 量梯度， 在真空 １ Ｐ ， ０ ａ 电流强度 １ Ａ， ０ｍ 脉冲 ８ｓ 条件下注人． 不同能量下的存活情况见表 １ ．
无菌净化 台； Ｃ一１ Ｌ ０高效液相 色谱仪 ； 显微镜 ； Ｓ Ｘ一 ５ Ｂ生化培 养箱 ； Ｚ Ｆ全温振荡 培养 Ｐ ２０ Ｈ Ｑ—
箱 ； Ｌ一 ０ Ｇ ２ Ｇ一２冷 冻离 心 机 ：
１２ 试 验方 法 ． １２ １ 离子 注入 方法 ．．
１ １ １ 菌种 ．．
恶 臭假 单胞 杆菌 Ｓｊｌ４， ｐ ０ 中南林 业科 技大 学 Ｏ 遗传 育 种实 验室 保存 ． １１２ 固体 培养基 ．． 蛋 白 胨 １ Ｏ ； 牛 肉 膏 ０ ５ ；酵 母 膏 ．％ ．％
对能量、 剂量 、 冲 和 间 隔 时 间进 行 了正 交 实验 ， 定 出 最佳 注入 条 件 为 能量 ２ ｅ 脉 确 ０ Ｋ Ｖ，剂 量 ４ ０×１ ． ０
ｉ ｓｃ 脉 冲时间 １ ， ｏ ／ｍ ， ｎ ５ｓ间隔时间 １ ｓ并在 此条件 下对一次 离子注入后 获得 的优 良菌株 Ｓｉ 做 了二 次离 ５． ｐ３ ０ 子诱 变， 筛选到一株菌株酶活较 出发菌株提 高了 １４９ ％的 高产菌株 Ｓ２８ 图 ２ 表 ５ 参 ８ ７ ．８ ｐ０ ． ， ， ．
离子注入技术
离子注入技术北京师范大学低能核物理研究所林文廉“我们在广泛而深入地研调国际离子束材料表面改性发展动向的基础上，根据我们所的技术优势，敏锐地捕捉到当时国际上还刚刚问世的MEVV A源这一新技术，提出了把它应用于强流金属离子注入材料表面改性的发展方向。
因为MEVV A源的发明者布朗博士发明MEVV A源的本意是用于核物理研究，因此我们提出这一设想是一次技术创新。
”MEVV A源离子注入材料表面改性是上世纪80年代后期在国际上发展起来的一项材料表面工程高技术，也是我们所承担的一项863高技术项目。
它包括以下2个密切相关的部分：（1）MEVV A源离子注入机的研制；（2）MEVV A源离子注入材料表面改性及其实际应用。
为了解读这项高技术，我们先从离子注入讲起。
什么是离子注入？我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。
离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。
其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。
作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：（1）它是一种纯净的无公害的表面处理技术；（2）无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；（3）离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；（4）离子注入后无需再进行机械加工和热处理。
低能大束流离子注入机原理
低能大束流离子注入机原理低能大束流离子注入机（Low Energy High Current Ion Implanter）是一种用于半导体器件制造的关键设备，其原理基于离子注入技术。
离子注入是一种将离子束直接注入到半导体材料中的方法，以改变材料的导电性和其他性能。
低能大束流离子注入机的原理可以分为以下几个关键步骤：1. 离子生成：首先，离子源产生所需的离子种类。
常见的离子源包括离子源炉、离子源发生器等。
离子源炉通常包含一个加热器和一个含有离子源材料的容器。
加热器将离子源材料加热至高温，使其释放出离子。
2. 离子加速：生成的离子通过一个加速系统，如电场加速器或磁场加速器，获得高速度和高能量。
加速系统中的电场或磁场对离子施加力，使其获得所需的能量。
3. 离子束形成：加速的离子通过一个束流形成系统，如孔径、准直器等，以形成一个稳定的离子束。
束流形成系统用于控制离子束的直径和形状，以确保注入到半导体材料中的离子分布均匀。
4. 离子注入：形成的离子束通过一个注入系统，如注入器和注入电极，将离子注入到半导体材料中。
注入系统控制离子的注入剂量和能量，以满足所需的半导体器件特性。
5. 离子分布控制：在离子注入过程中，离子的深度和浓度分布对于半导体器件的性能至关重要。
通过控制离子注入的能量、剂量和角度，可以实现所需的离子分布。
同时，还可以使用掩膜技术，在注入之前覆盖部分区域，以控制离子的分布范围。
总之，低能大束流离子注入机的原理是通过离子生成、离子加速、离子束形成、离子注入和离子分布控制等步骤，将离子注入到半导体材料中，以改变其电学特性和性能。
这种技术在半导体器件制造中具有广泛的应用，例如制备晶体管、电容器和电阻器等。
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低能强流离子注入机实验装置简介
3.1仪器的整体结构：
图3.1 仪器实物图
该图为本论文所使用的仪器的整体实物图，如下图示意图所示，该仪器从头到尾依次为离子源，引出系统，聚焦透镜，速度选择器，聚焦透镜，X-Y 偏转系统，聚焦透镜，波恩管，靶室。
下文依次介绍各个部件
图3.2 仪器示意图
3.2离子源及引出系统
图3.3 离子源实物图
离子源是加速器的重要部件，它的功能是将样品物质电离成带电的原子离子或分子离子。
离子源应具有电离效率高，聚焦性能好，离子初始能量发散小，传输效率高，离子流稳定等特点。
图3.4 离子源及引出剖面示意图
如图所示，离子源内部为真空环境，其内部带有环状灯丝。
由样品入口将气体导入，通过加大灯丝电流，由灯丝阴极发射出电子。
从阴极发射的电子通过中空的阳极被加速，到达对阴极之前又被减速并反向加速，电子在阴极-阳极-对阴极之间来回振荡，在轴向磁场的作用下作螺旋进动，并在空间上被磁场约束在轴线附近，不致扩散阳极边缘，从而使电子可以经历很长的路程，使气体碰撞游离的几率大大增加。
当电子通过电离盒射向阳极时，具有一定能量和几何形状的电子束不断轰击样品气体，可使通入的气体发生电离，产生包括正离子在内的各种产物，正离子被引出极引出离子源。
大部分样品气体和电子，离子产物被离子源的真空泵不断抽走。
离子源四周带有环形磁场，灯丝与源磁铁之间为绝缘状态。
环形磁场可以约束内部离子沿螺旋轨迹前进，增加样品气体与电子束的碰撞机会，提高电离几率，进而提高离子产生率。
当样品气体在离子源内被大量电离时，由于引出极与灯丝间有150V的起弧电压差，在电场作用下，大量正离子被引出，同时赋予离子一定的初速度。
由于引出口的大小问题，在正离子被导出引出极时，会有大量离子打在引出板上，产生起弧电流。
3.3电聚焦
图3.5 电聚焦实物图
图3.6 电聚焦剖面示意图
如图所示，被引出极引出的大量正离子，在出引出极时其方向为向四周发散。
在进入电聚焦后，在通有高压的两块电聚焦板所产生的电场作用下，原本大量发散的正离子在电聚焦板之间先扩散开再向中间被汇聚成一束正离子束，再将其从电聚焦孔中引出。
而更多离子则打在聚焦板上产生电流。
3.4速度选择器
图3.7 速度选择器实物图
图3.8 速度选择器剖面示意图
图3.9 速度选择器剖面示意图
速度选择器是加速器的重要组成部分。
如图所示，在平行板器件中，分布有相互垂直的电场强度E和磁场强度B，当离子束进入平行板后，收到电场力和磁场力的共同作用。
F电场力=E速度选择器q=F磁场力=Bqv
即E速度选择器=Bv
根据上式F=E引出q=mv2，则v= v=
所以E速度选择器=
其中由于本次调试只加入氢气，只产生H+ H2+ H3+，所以公式中B，q为常数。
因此只要引出电压一定就可以根据速度选择器的电压来筛选出具有一定
质量的氢离子。
3.5偏转电极
图3.10 偏转电极实物图
图3.11 偏转电极剖面示意图
偏转电极就是两个简单的相互独立的电场，一个电场方向为水平方向，另一个则为垂直方向，通过控制电压来控制电场大小。
当离子束在进入偏转电极后，就可以通过改变两个电场的电压来改变离子束的方向。
3.6靶室
图3.12 靶室实物图
图3.13 靶室整体及剖面示意图
靶室时进行“打靶”的地方。
在实验中一般会事先在靶室中放置各种靶材料，当
离子束进入靶室后便轰击到靶上，完成“打靶”过程。
但本实验为仪器的安装与调试，因此没有放入靶材料，取而代之的是用法拉第筒来测量束流强度。
3.7真空系统
该注入机所用真空泵为欧瑞康莱宝D8C, D16C, D30C, D40C, D60C双级油封式旋
片
真空泵下图为真空泵的装置示意图和技术参数。
图3.14真空泵剖面示意图
图3.15真空泵的技术参数3.8外围电路控制设计
图3.16 外围电路控制设计图
220V的市电经变压器作用后为110V，再通过1号，2号继电器来分别控制冷却水系统，控制柜门检测和离子源屏蔽门检测。