瓦利安离子注入机工作原理
离子注入
硅中常用杂质的临界角
上：（111）
下：（100）
3. 离子与衬底原子的相互作用
注入离子与衬底原子的相互作用，决定了注入离子的 分布、衬底的损伤。 注入离子与靶原子的相互作用，主要有离子与电子的相 互作用，称为电子阻止和离子与核的相互作用，称为核阻 止。核阻止主要表现为库仑散射。
电子阻止在每单位长度上的能量损失可表示为能量梯度， 其中 ke 是与离子和靶物质有关的比例常数：
模型处理库仑散射。
符合动量守恒、 能量守恒和角 动量守恒。 在质心坐标系中有：
库仑散射的能量损失
动量守恒
P0 Pi P
t
角动量守恒 L 0 L i L t
能量守恒
L 0 P0 b Pt
2
P0
2
Pi
2
i
2
2m i 2m 注入离子的能量损失为：
ΔE E 0 (1
2m
t
sin
全电扫描和混合扫描系统示意
全电 扫描
混合 扫描
离子束的偏转
离子在注入到硅片前，一般需要作二次偏转，目的是：
1.去除中性原子
在离子束的传输过程中，由于离子与残余气体分子的 碰撞等原因，离子俘获电子成中性原子，以原来的高速 度与离子一起运动。因为中性原子不带电，如果通过法 拉第电荷测量系统注入硅片，将会使实际注入剂量超出 设定剂量。所以为了保证注入剂量的正确，必须从注入 束中去除中性原子。方法是在X扫描板上加上固定的直流 偏压，带电的离子束将向负电板方向偏转。一般将根据 扫描板与法拉第筒的距离偏转角5-7°。使中性束完全不 能进入法拉第电荷测量系统。
i
1.一次矩是归一化剂量； 2.二次矩是剂量和RP2 的乘积； 3.三次矩表示了分布的非对称性，用偏斜度 表示， = m3/ RP3 ， <0 表示x <RP侧的浓度增加。 B+ 注 入要用Pearson Ⅳ型分布描述。
离子注入机原理
离子注入机原理离子注入机是一种常见的材料表面改性和半导体器件制造技术。
它通过将离子束加速并注入到材料的表面，以改变其性质和功能。
本文将详细介绍离子注入机的原理和应用。
一、离子注入机的原理离子注入机的工作原理可以分为四个步骤：离子产生、离子加速、离子注入和材料特性改变。
1. 离子产生离子源是离子注入机的核心组件。
常用的离子源有离子源和中性原子源（电离源）。
离子源通过电离技术将物质中的原子或分子电离成离子，产生所需的离子束。
离子源通常由加热器、电离器和抽气装置组成。
2. 离子加速离子加速是将离子束加速到所需能量的过程。
离子加速器通常采用带电介质加速器（常称为“多片机”）或带电空间（栅格）加速器。
加速器中的电场将电离的离子加速，并使其进入到所需的能量范围。
3. 离子注入离子注入是将离子束引导和注入到材料的表面的过程。
注入系统通常由电磁场和真空室组成。
电磁场用于对离子束进行精确的定位和控制，真空室则提供了稳定和洁净的环境。
4. 材料特性改变当离子束注入到材料表面时，离子与材料原子相互作用，发生一系列的物理和化学过程，导致材料特性的改变。
这些改变可以是在材料表面形成特殊的化学结构、导致晶体结构的变化、改变材料的电学、光学和磁学性质等。
二、离子注入机的应用离子注入机在许多领域都有广泛的应用，如半导体器件制造、材料改性、成膜技术等。
1. 半导体器件制造离子注入是半导体器件制造中不可或缺的工艺步骤之一。
它用于在半导体晶片上形成杂质区域、控制器件电阻和击穿电压、改变禁带宽度等。
离子注入机在半导体行业中具有至关重要的地位。
2. 材料改性离子注入机还用于材料改性。
通过改变材料的性质和组成，可以使其具有特定的化学、物理和机械性能。
离子注入可以用于增强材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等。
3. 成膜技术离子注入机还可以用于薄膜的形成和改性。
通过离子注入，可以在材料表面形成氮化物、碳化物等附着层，从而改变薄膜的结构和性质。
成膜技术在光学、电子、航空等领域具有重要应用价值。
离子注入设备原理
离子注入设备原理一、引言离子注入设备是一种常用的半导体制造工艺设备，用于在半导体材料表面注入离子，改变材料的性质和结构。
离子注入技术在集成电路制造、光学器件制造、材料改性等领域有着广泛的应用。
二、离子注入的基本原理离子注入是利用高能离子束对材料进行轰击，使离子进入材料的表面并嵌入到晶格中。
离子注入设备主要由离子源、加速装置、束流控制装置和真空系统等组成。
1. 离子源离子源是离子注入设备的核心部件，主要用于产生所需离子种类的离子束。
常见的离子源有离子枪、离子源和离子源。
离子源通过电离原子或分子，产生带电的离子，然后通过电场加速形成离子束。
2. 加速装置加速装置用于加速离子束，使其具有足够的能量进入材料表面。
加速装置通常由多级电场构成，每一级电场都会给离子加速。
3. 束流控制装置束流控制装置用于控制离子束的直径、强度和位置。
常见的束流控制技术有扫描技术、聚焦技术和偏转技术等。
束流控制装置可以使离子束均匀地注入到目标材料的表面。
4. 真空系统离子注入设备需要在高真空环境下工作，以避免离子束与空气分子发生碰撞。
真空系统主要由真空室、真空泵和气体处理系统等组成。
三、离子注入的应用离子注入技术在半导体制造、光学器件制造和材料改性等领域有着广泛的应用。
1. 半导体制造离子注入技术在半导体制造中主要用于掺杂和形成浅结构。
通过改变材料中的杂质浓度和分布，可以改变材料的导电性能和光学性能。
离子注入技术被广泛应用于制造场效应晶体管（MOSFET）和双极型晶体管等器件。
2. 光学器件制造离子注入技术在光学器件制造中主要用于改变材料的折射率和光学吸收特性。
通过控制离子注入的能量和剂量，可以使材料具有不同的光学性能，用于制造光学滤波器、光纤放大器和激光器等器件。
3. 材料改性离子注入技术可以用于改变材料的物理性能和化学性能。
通过注入不同种类的离子，可以改变材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。
离子注入技术被广泛应用于材料的表面硬化、合金化和改性等领域。
离子注入的原理离子源产生的离子在吸极电压的作用下形成束流
各部分包括的控制器
SOURCE
BEAM LINE
6200
NV10160 NV10180 NV10160SD
FILAMENT
ANALYZER
ARC
SUPPRESSION
EXTRACTION
ACCELERATION
ACCEL / DECEL SUPPRESSION
Q-LENS X 、Y SCAN
FILAMENT
8
★ FARADAY SYSTEM
FARADAY的作用是测量束流，通过DOSE控制器 精确地计量注入到硅片上的剂量。 BEAM SETUP：束流打在FLAG FARADAY IMPLANT：束流打在END STATION（350D）
束流打在DISK （NV1080）
9
谢谢！ 2006.8.2
10
6
★ 质量分析器
洛仑磁力： F=qvB R=mv/qB 带电粒子进入磁场受到力的作用后发生偏转。 11B+、 31P+、 40Ar+、 75As+、 121Sb+ 350D：先分析后加速。 NV1080：先加速后分析。
7
★ Q-LENS 静电四极透镜
静电四极透镜：对离子进行聚焦作用。 加速后的离子在Q-LENS静电四极透镜的作用下被 聚焦成较小的束斑。
ANALYZER
ARC
ACCELERATION
VAPORIZER
FLAG FARADAY
SOURCE MAGNET
SUPPRESSION
EXTRACTION (HV)
END STATION
FARADAY SYSTEM END STATION CONTROL
DISK FARADAY
注入机原理
离子注入技术一、 概述：离子注入工艺在现代半导体工艺中已是比较成熟的工艺。
在超高速、微波、和中大规模集成电路制备中，器件的结深，基区的宽度，都小到只有零点几微米，杂质浓度分布也有更高的要求（有的甚至要求杂质浓度很淡），这靠普通的扩散工艺是难以达到的。
而离子注入工艺恰好能弥补扩散工艺的不足，制造出理想的PN结来。
对于咱们公司来说，生产的是分立元件，要求的磷结和硼结比较深，一般至少在几个微米以上，甚至达到二十几个微米，而离子注入的结深一般在0—1微米之间，这样用离子注入是实现不了的，因此，咱们八车间的离子注入主要是用于预扩散。
相当于给硅片一个杂质表面浓度，然后再经过高温扩散工艺进行推结，达到预定深度的掺杂，形成所需要的PN结。
二、 离子注入概念离子注入用在半导体工艺中就是对半导体表面进行掺杂。
它是是利用高能量粒子轰击杂质原子或分子,使被掺杂的元素原子或分子电离, 通过加速后，将离子直接打进半导体内部去，形成PN结。
如果把离子注入机比作步枪，把被注入元素的离子比作子弹，那么，离子注入就好象用步枪打靶子一样，将离子强迫打进硅片中去，即实现了离子注入。
三、 离子注入的特点离子注入实际上是扩散工艺的一个替换方法，它和扩散掺杂相比有如下特点：1、优点：a)晶片表面良好的均匀性：离子注入是通过扫描将杂质离子打进硅片中去，因此，可获得大面积均匀掺杂，而采用热扩散法，温度和气流互相作用总是存在的，因此产生晶片表面不良的均匀性。
b)晶片间良好的重复性：一旦注入机相应的能量和剂量被设定，则所有晶片上的注入深度和浓度都应该是精确的。
而使用扩散炉方法，由于受温度气流及环境气氛的影响，每一舟或每一片的情况都将有所不同。
同时在时间上也存在不同，不易控制。
c)离子注入没有横向扩散，即使是有也是很小很小。
而扩散法有横向扩散。
d)掺杂的杂质纯度高：离子注入掺杂的杂质纯度高，它是高真空下，通过质量分析器（磁场）进行分析选取单一杂质离子的，并且是在低温下注入，不受沾污，结受沾污的可能性很小，从而保证了掺杂的纯度。
离子注入工艺原理11
RP RP
As
RP RP
离子注入设备
主要部分结构 离子源 分析器 加速器 扫描器
离子束发生装置
离子源通常会产生多种离子，必须对输出的离子束 进行质量分离 是离子具有足够的能量来穿越并注入靶体内部 实现大面积的均匀离子束注入
靶室和偏束板
真空排气系统 电子控制装置
离子源 等离子体 吸出组件 分析磁体 加速管 离子束
高能量 高浓度 慢速扫描
掺杂离子 束扫描 束扫描
掩蔽层
xj
掩蔽层
掩蔽层
掩蔽层
xj
硅衬底 硅衬底
a) 底掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b) 高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结 深(xj)
控制杂质浓度和深度
离子注入掺杂技术的特点
注入的杂质离子是通过磁性质量分析器选取出来的 离子注入的剂量可以任意调节 离子注入的环境温度较低，避免产生热缺陷 离子注入的深度是随离子能量的增加而增加的 离子注入有着很好的各项异性效果
硅单晶退火
离子束
修复硅晶格结构并激活杂质—硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
热退火特性：将欲退火的硅片置于真空或高纯气体的保护下，
加热到某原子的振动能较大，导致原子的移动能加强，可使复杂的缺 陷分解点缺陷，当它们相互靠近时就可能复合而使缺陷消失。
工艺腔
扫描盘
离子注入机示意图
离子注入的特点及参数
（一）优点 1、离子注入扩大了杂质的选择范围；掩蔽膜可用SiO2、金属 膜或光刻胶。 2、注入温度一般不超过400℃，退火温度也较低（650℃）， 避免了高温过程带来的不利（如结的推移、热缺陷等）。 3、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，易制作 极低浓度和浅结。 4、离子注入可选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。 5、离子注入的横向扩散很小，集成度高，高频特性好。 6、剂量在1011-1017离子/cm2较宽的范围内，同一平面内杂 质分布的均匀性。 7、无固溶度限制。
注入机的组成和工作原理学习
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。
瓦利安-离子注入机工作原理01
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第1页介绍第1页VIISta 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。
离子注入机原理
离子注入机原理
离子注入机是一种常用的材料工艺设备，用于在固体表面上注入离子，改变材料的性质。
其原理基于离子的物理和化学特性。
离子注入机的工作原理如下：
1. 离子源产生：离子源通常是一个离子源发生器，其中包含一个离子源。
通常使用电子轰击方法将气体或固体转化为离子。
电子轰击会使原子或分子中的一个电子被击出，产生正离子。
产生的离子经过加速器得到足够的能量。
2. 离子加速：离子源生成的离子进入加速器，通过电场或磁场获得高能量。
加速器的设计可以根据需要调节离子的能量和速度。
3. 离子束转向：加速器加速的离子束会进入离子束转向系统，通过电场或磁场的作用，使离子束按照设计的路径转向，然后进入目标材料。
4. 离子注入：离子束进入目标材料后，其能量转移到目标材料中的原子或分子上。
离子与目标材料的相互作用会引起材料的物理和化学变化，包括离子注入、原子位移和晶格缺陷的形成等。
5. 后处理：经过离子注入后，目标材料需要进行适当的后处理，以稳定和控制注入的离子产生的效果。
后处理可以包括退火、氧化、电镀等步骤。
总之，离子注入机通过产生离子源、加速离子、转向离子束并将离子注入目标材料的方式，实现了对材料性质的改变。
离子注入的原理和作用
离子注入的原理和作用《离子注入的原理和作用》嘿，朋友们！想象一下，你正在一个奇妙的科技工厂里，周围都是些奇奇怪怪但又超级酷炫的机器。
而今天，咱们要聊的就是这个工厂里一项非常厉害的技术——离子注入。
离子注入啊，就像是一场微观世界的奇妙冒险。
咱可以把它想象成是给材料进行“魔法加持”。
你看啊，离子就像是一群小小的超级英雄，它们被加速到飞快的速度，然后猛地冲进材料里面。
这可不是瞎冲哦，而是带着特定的任务去的。
比如说，在制造半导体芯片的时候，就需要离子注入来帮忙。
就好像是给芯片这个“小机灵鬼”注入一些特别的能力，让它能更好地工作。
这些离子进入材料后，会改变材料的性质，让它变得更强大、更厉害。
我记得有一次，我在这个科技工厂里遇到了一位科学家大叔。
他正全神贯注地操作着离子注入的机器，那认真的模样，仿佛他就是指挥着千军万马的大将军。
我好奇地凑过去问：“大叔，这离子注入到底有啥神奇的呀？”大叔哈哈一笑，说：“孩子，这离子注入啊，就像是给材料施魔法，能让它们拥有原本没有的特性。
”然后他详细地给我解释了离子注入的原理。
原来啊，这些离子是通过电场加速的，就像给它们装上了火箭推进器一样，“嗖”的一下就飞进去了。
而且不同的离子注入进去，能产生不同的效果。
这可真是太神奇了！就好像你可以根据自己的需要，给一个东西随意添加各种“超能力”。
离子注入的作用那可真是不容小觑。
它不仅能提高材料的导电性、硬度、耐磨性等等，还能让一些材料变得更加智能。
比如说，有些智能材料就是通过离子注入来实现的。
再想想看，如果没有离子注入这项技术，我们的手机、电脑、电视等等这些高科技产品可能就不会像现在这么厉害啦！它们可能会变得又笨又重，性能也会大打折扣。
离子注入，就像是科技世界里的一颗璀璨明珠，照亮了我们前进的道路。
它让我们的生活变得更加丰富多彩，也让我们对未来充满了期待。
所以啊，朋友们，现在你们知道离子注入的原理和作用了吧？它可真是个了不起的技术呢！让我们一起为这些神奇的科技点赞，也期待未来会有更多更厉害的技术出现，让我们的生活变得更加美好！。
离子注入工艺培训课件(ppt 53页)
•1
一．离子注入工艺设备结构
离子注入机原理图
•2
•3
二、离子注入工艺的特点
2ln
1 Ns
2Rp NB
•25
(二）横向效应
•26
横向系数: B >Sb,约0.5但比热扩散小 (0.75~0.85)
•27
(三)．沟道注入
1、入射离子的阻挡作用与晶体取向 有关,
2、可能沿某些方向由原子列包围成 直通道－－沟道，离子进入沟道时，沿 沟道前进阻力小，射程要大得多。
离子在硅体内的注入深度和分布状态与 射入时所加的电场强度、离子剂量、衬底
晶向等有关。通常，在离子剂量和轰击次 数一致的前提下，注入的深度将随电场的 强度增加而增加。实践表明，用离子注入 方法在硅片内部形成杂质分布与扩散是完 全不同的。扩散法得到的杂质分布近似为 余误差函数和高斯函数分布，而用离子注 入法形成的分布，其浓度最大值不在硅片 表面，而是在深入硅体一定距离。这段距 离大小与注入粒子能量、离子类型等有关。
•38
． §4.4 热退火
退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或 氮、氩等高纯气体的保护下，经过适当时间的 热处理，
部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的 寿命及迁移率也会不同程度的得到恢复，
电激活掺入的杂质 分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特
性、扩散效应、快速退火
•39
•13
离子注入时，由于受到高能量杂质离子的轰击， 硅片内许多晶格被破坏而出现晶格缺陷，严重时会 出现非晶层。这种缺陷一定要经过退火处理来消除， 所以退火工艺在离子注入工艺中是必不可少的。
离子注入技术(Implant)
能源等领域。
新能源
离子注入技术在太阳能电池、燃 料电池等新能源领域中也有广泛 应用，通过优化材料表面的性能， 提高新能源器件的效率和稳定性。
离子注入技术的发展历程
起源
离子注入技术最早起源于20世纪 50年代的美国贝尔实验室，最初 是为了解决半导体材料的掺杂问 题而发明的。
注入机的结构
注入机通常由离子束控制 装置、注入室、注入了材 料夹具等组成，以实现精 确控制和高效注入。
检测与控制系统
检测与控制系统的作用
检测与控制系统用于实时监测离子注入的过程和结果，同时对设备进行精确控制，确保 工艺参数的一致性和稳定性。
检测与控制系统的组成
检测与控制系统通常包括传感器、信号处理电路、控制电路和显示面板等组成，以实现 实时监测和控制。
离子注入技术(Implant)
• 离子注入技术概述 • 离子注入技术的基本原理 • 离子注入技术的主要设备 • 离子注入技术在半导体制造中的应
用 • 离子注入技术的挑战与未来发展
01
离子注入技术概述
定义与特点
定义
离子注入技术是一种将离子化的物质注入到固体材料表面的工艺，通过改变材 料表面的成分和结构，实现材料改性或制造出新材料的表面工程技术。
真空系统的组成
真空系统通常包括真空 室、机械泵、扩散泵、 分子泵等组成，以实现 高真空的获得和维持。
注入机
01
02
03
注入机的作用
注入机是离子注入技术的 关键设备之一，它能够将 离子束按照预设的参数注 入到材料表面。
注入方式
注入机通常采用定点注入、 扫描注入和均匀注入等方 式，以满足不同材料和工 艺的需求。
半导体工艺-离子注入
半导体工艺--离子注入离子注入法掺杂相比扩散法掺杂来说，它的加工温度低、容易制作浅结、均匀的大面积注入杂质、易于自动化等优点。
目前，离子注入法已成为超大规模集成电路制造中不可缺少的掺杂工艺。
1.离子注入原理离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。
可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。
离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。
离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。
杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。
2.离子射程离子射程就是注入时，离子进入wafer内部后，从表面到停止所经过的路程。
入射离子能量越高，射程就会越长。
投影射程是离子注入wafer内部的深度，它取决于离子的质量、能量，wafer的质量以及离子入射方向与晶向之间的关系。
有的离子射程远，有的射程近，而有的离子还会发生横向移动，综合所有的离子运动，就产生了投影偏差。
3.离子注入剂量注入剂量是单位面积wafer表面注入的离子数，可通过下面的公式计算得出 ，式中，Q 是剂量；I 是束流， 单位是安培；t 是注入时间，单位是秒；e 是电子电荷，1.6×10-19C ；n 是电荷数量；A 是注入面积，单位是 。
4.离子注入设备离子注入机体积庞大，结构非常复杂。
根据它所能提供的离子束流大小和能量可分为高电流和中电流离子注入机以 及高能量、中能量和低能量离子注入机。
离子注入机的主要部件有：离子源、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统以及工艺室等。
（1）离子源离子源的任务是提供所需的杂质离子。
在合适的气压下，使含有杂质的气体受到电子碰撞而电离，最常用的杂质源有 和 等，（2）离子束吸取电极吸取电极将离子源产生的离子收集起来形成离子束。
第四章 离子注入
非晶靶：对注入离子的阻挡是 各向同性；
单晶靶：对注入离子的阻挡是 各向异性；
沟道：在单晶靶的主晶轴方向 呈现一系列平行的通道， 称为沟道。
4.4 注入离子分布
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 靶远的多。
好处：结较深；晶格损伤小。 不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。 减小沟道效应的途径 ①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70； ②淀积非晶表面层（SiO2)； ③在表面制造损伤层； ④提高靶温； ⑤增大剂量。
沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶 ①注入离子与靶原子的相互作用
对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；
k - 与Z 、Z 、M 、M 有关的常数： 最简单（一级近似）：f(r/a)=a/r，
e
1212
{对非晶Si：ke≈1x103(eV)1/2μm-1； 对非晶AsGa：ke≈ 3x103(eV)1/2μm-1；}
呈现一系列平行的通道， 3 离子注入机理
n
(dE/dx) --核阻挡能量损失率. -核碰撞与电子碰撞
n 作用：使离子获得所需的能量。
势能 V(r)=[q2Z1Z2/r]f(r/a)
①注入离子与靶原子的相互作用
3 离子注入机理
-核碰撞与电子碰撞
损伤密度=4000/Vdam=4X1021cm-3 (占相应体积中所有原子的8%）
(杂质激活能小于Si扩散的激活能）。
4.6 注入退火
4.6.2 硼的退火特性 4.6.3 磷的退火特性 4.6.4 热退火过程的扩散效应 （以上请自学）
4.6 注入退火
4.6.5 快速退火(RTA，rapid thermal annealing)
离子注入机原理
离子注入机原理
离子注入技术是一种常用的半导体加工工艺，它通过将离子注入半导体材料中，改变材料的电学性质，从而实现器件的性能调控。
离子注入机是实现离子注入技术的重要设备，它的工作原理对于理解离子注入技术至关重要。
离子注入机的工作原理主要包括离子源、加速器、束流控制系统和探测系统四
个部分。
首先，离子源是离子注入机的核心部件，它可以产生所需的离子束。
通常采用
的方法是将气体或者金属固体引入离子源中，通过电场或者热能激发，产生离子。
离子源产生的离子束中包含了不同种类的离子，可以根据需要选择不同的离子种类。
其次，加速器是用来加速离子束的部件，它通常采用高压电场或者磁场来对离
子束进行加速。
加速器的作用是使离子束能够具有足够的能量，以便能够穿透半导体材料的表面，进入到材料内部。
束流控制系统是用来控制离子束的方向和强度的部件，它可以通过调节电场或
者磁场的强度和方向，来控制离子束的走向和强度。
束流控制系统的作用是确保离子束能够准确地注入到半导体材料的目标区域，以实现精确的加工。
最后，探测系统是用来监测离子注入过程的部件，它可以通过检测离子束的强
度和位置，来实时监控离子注入的情况。
探测系统的作用是确保离子注入的精度和稳定性，从而保证加工的质量和效率。
总的来说，离子注入机通过离子源产生离子束，通过加速器加速离子束，通过
束流控制系统控制离子束的方向和强度，通过探测系统监测离子注入过程，从而实现对半导体材料的精确加工。
离子注入技术在半导体加工中具有重要的应用价值，离子注入机的工作原理对于理解离子注入技术的应用和发展具有重要意义。
离子注入机原理
离子注入机原理
离子注入机是一种常见的表面处理设备，其原理是通过将离子（正离子或负离子）加速到高速，并将其注入到固体材料中。
离子注入机的结构包含离子源、高电压加速器、束流控制系统和靶材料。
离子源是离子注入机的关键组成部分，它能产生所需的离子束。
常见的离子源包括离子发生器、离子枪和离子源维护系统等。
离子束在离子源中产生，并通过高电压加速器获得高速。
高电压加速器能为离子束提供加速电场，使其具有足够的动能。
束流控制系统在离子注入过程中起到重要作用。
它包含了磁场控制器、束流对焦系统和束流扫描系统等。
磁场控制器能通过调节磁场强度和方向来控制离子束的传输轨道。
束流对焦系统能调整离子束的尺寸和强度，以使其能够更好地与靶材料相互作用。
束流扫描系统能将离子束在靶材料表面上进行精确的扫描，以实现特定的离子注入模式。
离子注入机的靶材料通常是固态材料，如金属、半导体或陶瓷等。
在离子注入过程中，离子束与靶材料相互作用，使得离子穿透靶材料的表面并嵌入到其内部。
这种嵌入过程可以改变靶材料的表面性质和内部结构，从而达到特定的加工效果。
离子注入机广泛应用于半导体、材料科学、微电子器件和显示技术等领域。
通过控制离子注入的能量、剂量和注入位置，可以实现对材料表面的改性、掺杂和纳米结构的制备等多种加工效果。
离子注入技术在微电子器件的制造过程中有着重要的应
用，可以改善电子器件的性能和稳定性。
此外，离子注入机还可以用于材料的改性和涂层的制备，具有广阔的研究和应用前景。
离子注入机原理与技术
离子注入机原理与技术离子注入机是一种常见的表面改性技术，它广泛应用于半导体、光电子、材料科学等领域。
离子注入机利用离子源产生离子束，并将其加速并注入到材料的表面或体内，从而可以改变材料的性质和结构。
本文将重点介绍离子注入机的工作原理和技术概述。
离子注入机的工作原理基于离子的物理性质。
离子是带电的原子或分子，它们具有较高的动能。
离子注入机中，通过离子源可以产生高能离子束，然后将离子通过电场加速到较高的能量，最后将其注入到目标材料中。
离子注入机主要由以下几个主要组件组成：离子源、加速系统、聚焦系统和栅极系统。
离子源是离子注入机的核心部件之一，它负责产生一种或多种离子的束流。
离子源中的离子可通过不同的方法产生，如射频离子源、消耗性阴极离子源等。
射频离子源利用高频电磁场将气体或金属离子产生离子束。
而消耗性阴极离子源则通过消耗性材料，如焊丝或纳米颗粒生成离子束。
离子源产生的离子束具有不同的能量和束流强度。
加速系统是离子注入机将离子加速到高能状态的关键部件。
加速系统通常由一个或多个电场加速装置组成。
这些加速装置中的电场可以加速离子并使其达到所需的能量。
加速装置通常采用高压直流电源或高频交流电源来提供加速电压。
离子通过加速系统时，其能量随着加速电压的增加而增加。
聚焦系统是离子注入机中的另一个重要组成部分，它负责使离子束保持较小的束斑尺寸。
聚焦系统通常由磁透镜和电透镜组成。
磁透镜利用磁场对离子进行聚焦，而电透镜则通过电场来对离子束进行调节和聚焦。
通过合理设计聚焦系统，可以使离子束的尺寸达到所需的要求。
栅极系统是用于控制离子注入过程的关键组件之一。
栅极系统在离子注入机中起到分离、选择和调节离子束的作用。
栅极系统通常由一系列金属网格或孔板组成，通过调节栅极的间距和电势，可以实现对离子束的精确控制。
栅极系统还可以用于选择离子种类、调节注入剂量和控制注入区域。
除了以上主要组件，离子注入机还可能包括离子束诊断系统、真空系统和样品移动系统等附属装置。
离子注入技术ppt课件
Z 1 Z 2
M 1 e V c m 2
Z 1 23 Z 2 23M 1 M 2
忽略外围电子屏蔽作用，注入
离子与靶内原子之间势函数：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
M——质量
V (r) q2Z1Z2 r
Z ——原子序数
下标1——离子 下标2——靶
整理版课件
10
核碰撞
考虑电子屏蔽时离子
与靶核之间相互作用势 函数
最简屏蔽函数
f
r
角度的散射（背散射），整会理版引课起件 在峰值位置与表面一侧有 32 较多的离子堆积；重离子散射得更深。
6.4注入损伤
晶格损伤：高能离子注入硅片后与靶原子发生一系列碰
撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依 次传给其它原子，结果产生一系列的空位－间隙原子对及 其它类型晶格无序的分布。这种因为离子注入所引起的简 单或复杂的缺陷统称为晶格损伤。
❖ 增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成， 沟道离子减少）
❖ 表面用SiO2层掩膜
整理版课件
28
沟道效应的防止方法
（111）硅一般采取偏离晶向7°，平行偏转15°的注入方法
整理版课件
29
6.3.4影响注入离子分布的其它因素
❖ 实际上高能离子入射到衬底时，一小部分与 表面晶核原子弹性散射，而从衬底表面反射 回来，未进入衬底，这叫背散射现象.
➢ 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀（±1% variation across an 8’’ wafer）
➢ 非平衡过程，不受固溶度限制，可做到浅结低浓度 或深结高浓度
➢ 注入元素通过质量分析器选取，纯度高，能量单一
➢ 低温过程（因此可用多种材料作掩膜，如金属、光刻胶、介质）； 避免了高温过程引起的热扩散；易于实现对化合物半导体的掺杂；
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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VIISta 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 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（Extraction）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 Electrode）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。