中束流离子注入机.docx
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中束流离子注入机
M/C离子注入机
§1。
概述
在半导体行业中,离子注入的机台主要分为高能量(H/E),大束流(H/C),中束流(M/C)三种.这里主要介绍的是中束流的离子注入机台。
中束流机台(MediumCurrent)一般是单个晶片进行注入,注入的剂量一般在1E11到1E14之间,而能量则在5kev到200kev之间.
我们经常用到的4种离子为:
1.B12Kev1。
6E1230μA
2.B185Kev2.254E13156μA
3.P20Kev6E13850μA
4.As200Kev2。
7E1250μA
§2。
M/C机台介绍
2。
1型号
我们常见的M/C型机台是Nissin公司生产的Exceed2000AH型,另外还有Axcelis公司生产的NV—8250型和Varian公司的EHPi500型.下面给出的是Nissin的Exceed2000AH的外观图
机台的基本情况为:
3200W*6385L*2600H
重量为17,500Kg,地板承受的压力为1000Kg/m2
其中,控制面板如图所示。
2。
2工作原理
离子植入的基本原理就是把气体或固体源的原子离子化,然后对离子进行选择,把所需的离子进行加速,达到所需的能量,注入到硅片中的过程。
下面就是整个机台的俯视图,主要分为EndStation,BeamLine,IonSource三个大的部分。
2.3主要部件
2。
3.1离子源(IonSource)。
因为我们要注入的杂质是有一定的能量的,所以必须对杂质进行加减速,而只有带电微粒才能在电场的作用下加减速,因此要使杂质离子化。
离子源就是用电子撞击气体分子,得到我们所需要的离子的部件。
离子源包括Arcchamber和Extractionelectrode系统。
1.Arcchamber.
Arcchamber是利用灯丝加热,放出电子,然后电子撞击通入的气体分子,
得到离子。
通常在chamber上安装磁铁,使电子在磁场中螺旋运动,增加运行轨迹,使电子撞击的机率增大。
下图是Arcchamber的结构示意图:
图中的Reflector上有负的电位,这样就不会吸收电子,减少电子到达的机会,就能够因碰撞而产生更多的离子.
2.Extractionelectrode
离子产生以后,我们必须把它从Arcchamber中吸取出来,因此在Arcchamber
上加40kv的正电压,Extractionelectrode系统的另一端接地,这样正离子就从Arc
chamber的窗口中被吸出来,获得40kv的能量。
离子撞在接地的electrode上,会产生电子,在电场的作用下撞击Arcchamber,会损坏Arcchamber和产生X—ray,为防止这种现象,我们在chamber和接地的electrode之间加上一个—2kv的suppressionelectrode,来收集电子.
Extractionelectrode的结构如图所示:
因此,Arcchamber,Suppressionelectrode和Groundedelectrode各处的电势可以用下图进行表示。
2.3。
2法拉第系统(faradaycupsystem)
上图是几种法拉第系统的外观图.
在M/C的机台中,法拉第系统是比较多的,常用到的有FEM法拉第,Dose法拉第,Front法拉第和Back法拉第。
法拉第系统中用一个FaradayCup用来接收离子束,然后用导线接地,接收到一个离子,就会有一个电子来中和,我们测出流过的电子数,就可以知道离子数。
在FaradayCup上要加磁场,是离子束中的电子不能进入FaradayCup,而离子撞击
Faradaycup产生的电子又出不去,这样就保证了测量的准确性。
2。
3。
3磁场分析
因为从Arcchamber里吸取出来的离子并不都是我们想要的,所以我们就利用磁场来做分析。
带电离子在磁场中会受到力的作用发生偏转,不同的荷质比,偏转的角度就回不一样.
R=√(2mE)/qB
=√(2mV/q)/B
质量m;电荷q;能量E;
吸取电压V;磁场强度B.
其中m/q的不同,离子在磁场中的偏转半径不同。
M/q大的离子半径大,在同样的磁场中偏转的角度不够,m/q小的离子偏转半径小,偏转角度过大,我们调节磁场的大小,就可以使只有我们所需要的离子才能通过磁场,这样就不会对硅片造成污染.
与其他两种机台不同的是中束流机台在加速前后都有磁场分析,分别称为SAM和FEM,即离子源分析磁场(SourceAnalyzerMagnet)和能量分析(FinalEnergyMagnet)
这样,即使因误差很小,在SAM没有被分离出来的杂质,经过加速后,误差被放大,在FEM处也会被分离出来,不会造成污染。
2.3。
4Massspectrumandmassresolution
Calculationofmassresolution:
m/dm=BP/2(BH–BL)
Ip31P+Ip31P+
Ip/2Ip/2
31P2+
31P++
BLBPBH
在离子束通过磁场的时候,进行测量分析,我们通常使用质谱法。
r=(2MV/q)1/2/B
所以,B=(2MV/q)1/2/r
如果我们得到BP=4100
BL=4086
BH=4106
则m/dm=4100/2(4106–4086)=102。
5
2.3。
5聚焦(Focus)
我们得到的离子束是带正电的,由于电荷间相互力的作用,会使得离子束到最后越来越发散,不能正常的注入,所以我们必须进行聚焦。
1.磁场聚焦
在一般的机台中磁场只起到分析的作用,但在M/C机台中对磁场进
行调整,以起到聚焦的作用.
离子束经过磁场的时候,受到磁场力的作用,会发生偏转,我们适当改变磁场的形状,就会是从磁场出来的离子束既达到选择,又达到聚焦的效果.
如图,由于磁场两极不平行,离子束会受力向中间聚拢,达到聚焦的效果.
2.加速电场聚焦。
除了经过磁场的时候会聚焦以外,离子束在加速电场里也会聚焦。
上图是加速管的外观图,在加速管中,离子束受到电场力的作用,具体受力情况如下,
Diverging
Focusing
如图,在离子束被加速的过程中,由于受到电场力的作用,离子在
被加速的同时,还受到压缩力的作用,即加速电场也有聚焦的作用。
2.3。
6加速/减速装置
因为离子经过Extractionelectrode所获得的能量并不一定就是我们
最后所需要的能量,还应该经过加速或减速装置来增加或减少能量。
离子带正电,由电势高的地方出发,到达电势低的地方,就会速度增加,能量上升,反之亦然。
M/C注入的能量一般在5—200KeV左右。
加速装置是由几组电极组成,电位从高到低,离子束经过,在电场力的作用下被加速,使离子获得我们所需要的能量。
减速装置的情况刚好相反.由于我们所需要的能量一般都是很高的,所以只能用几组电极分几段来加速,这样使离子束不断变快。
由此,我们可以得到离子束在整个过程中能量的变化情况。
用下面的示意图来表示.
E(kev)
120
80
40
SourceExtractionAccel
2.3。
7扫描系统
在前面的系统中,我们都称为离子束,但是我们希望打到硅片上的是一条线,可以减少硅片的机械运动,因此,需要用一个扫描系统
Negativepole
Positivepole
如图采用电扫描,在上下两快极板上接电压,离子受到电场的作用发生偏转,我们可以改变极板上的电性,使得离子可以偏向不同的角度,以达到扫描的效果。
2.3。
8准直器
在离子经过扫描系统后,由于机台设计的原因,离子束并不是正对着晶片,我们要用一个装置改变离子束的方向,类似与光学里的棱镜一样,我们用一个磁场来实现.
2。
3。
9PFG系统.
Xe+
Wafere—
e-
Ionbeam
Reflector
—5V
上图是PFG系统的简单示意图。
我们从磁场分析后的离子主要是带正电的离子,由于电荷的排斥力,离子束会越来越发散,不能满足要求,所以就要用到PFG。
PFG(PlasmaFloodGun)是利用灯丝发出电子,撞击充入的Xe,形成Plamsa,用-5V的电压将电子吸出,加入到Beam里面,使得离子束不会发散。
PFG的另一个作用是发出的电子随离子束达到晶片表面后,与离子所带的电荷发生中和,使得晶片表面呈现电中性。
2.3.10EndStation
M/C机台一般是单晶片注入,所以没有其他机台所需的Disk,由Transfer
Robots将晶片从WaferCassette里传到TargetChamber,晶片在TargetChamber被固定,偏转,完成最后的注入.
2.3.11Dose控制
我们在离子注入的时候,需要控制Dose量,而现在只能通过Dose法拉第先
测出离子束的大小,然后根据需要注入的量来算出注入的时间.而M/C注入机可以用Front法拉第和Back法拉第来测出某一时刻离子打在晶片的什么地方。
如图是前后两个法拉第的示意图。
我们可以用数学的方法来计算,
Xb
Xw
Xfθ
FrontWaferBack
ZfZb
由图,我们可以得出以下结论:
tanθ=(Xb–Xf)/(Zb–Zf)
这样就可以得到此时离子注入在晶片的什么位置。
§3总述
离子注入是半导体工艺里很重要的一环,同时,由于机台内部很多地方是高压,而且有很毒的气体和强的磁场,另外还有X射线的辐射,所以要求我们在操作的时候,要严格按照操作规范,保护好自己的人身安全。
晶片在经过离子注入以后,需要进行快速热退火处理。
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- 流离 注入