第三部分 原理瓦利安半導體設備有限公司VIISta HCS目錄章 節 章節編號原理介紹E82291210控制原理-E82291220離子注入操作原理E82291230介紹版本版本情況日期認可發布A最初發布11/09p.s42923VIISta HCS型高束流離子注入機是高自動化的生產工具。此離子注入機可以將單一離子類別摻雜劑的離子束注入到硅片中。首先利用Varian 控制系統（VCS）產生工藝配方，在配方的基礎上制定產生離子束的確切標準。工藝配方的設計目的包括：控制摻雜劑種類的選擇，控制劑量、控制離子束的能量、注入角度等以及工藝步驟等等。在閱讀本章之前，請閱讀第二章安全方面內容。一、系統單元組成 VIISta HCS 可以分為三個有用的重要的單元：離子源單元、離子束線單元、工作站單元。1、離子源單元離子源子單元包括產生，吸出、偏轉、控制，和聚焦，離子是有間接加熱的陰極產生再由吸極取出（由D1電源與吸級裝置構成），在取出工藝過程中，為了得到離子束更好的傳輸和低的離子束密度，離子束將被垂直聚焦。被取出的離子束通過一個四極的透鏡，在進入90度離子束磁分析器之前離子束被聚焦，在磁分析器中，絕大多數不需要的離子將被分離出去。離子源模塊的主要結構，包括離子源圍欄內部分和安全系統，支持分布各處的主要動力組件。還有離子源控制模塊，源初始泵抽，渦輪分子泵抽，工藝氣體柜，離子源和（套）管路。離子源圍欄與安全系統要互鎖，這是為了防止在正常注入操作過程中有人員接近。如果任何一扇門打開，或者任何維護、伺服面板被移動，高壓電源和有害氣體流就會通過互鎖系統關閉。VIISts HCS 系統使用的不是高壓工藝氣體，就是需要安全輸送系統的工藝氣體。VSEA提供的標準工藝氣體有三氟硼烷、砷烷和磷烷。2、離子束線控制單元離子束線控制子系統包括從90度磁偏轉區域到70度磁偏轉區域，在這些區域，離子束將會被減速、聚焦、分析、測量以及被修正為平行、均勻的離子束。從90度磁偏轉區域到70度磁偏轉區域中，離子束先被增速，再被減速。離子源與控制離子束線的四極透鏡，協同D1、D1抑制極，D2、D2抑制極動力一起，提供水平與垂直聚焦控制。90度磁偏轉協同判決光圈一起實現對離子的篩選分析。預設法拉第杯測量離子束強度。最終，離子束在70度偏轉磁場中，協同多組磁極和頂部和底部的磁棒，被調整為方向平行，分布均勻的離子束。 離子束離開離子源模塊之后進入離子束線模塊。離子束首先通過離子源四極透鏡（源四極透鏡，Q1）調整離子束使其豎直方向聚焦水平方向擴散。90度磁分析器是離子束線控制模塊的下一個組件。這個電磁鐵提供強大的磁場，促使離子束偏轉90度，在偏轉過程中，只允許具有適當能量（速度）的我們希望利用的離子（質量）通過。不需要的離子不是偏轉的角度大或者偏轉的角度小于90度，不能夠通過磁偏轉分析機構。接下來，經過90磁分析儀的離子束進入離子束線四極磁透鏡Q2，Q2可以工作于正直模式（plus）或負值模式(minus)，Q2通常工作于負值模式，此時水平方向聚焦。線束四極磁透鏡Q3：提供豎直方向聚焦以抵消離子束進入隨后設備時豎直方向發散，利于離子束傳輸到尾端工作站。從判決光圈出來的離子束是最后篩選出來的離子束。通過離子源的調整，通過吸極操作，以及90度磁偏轉的調整，最終使預設法拉第測量的離子束流量與配方設定值一致。到此，預設法拉第杯縮進原來位置（讓開離子束通道）。離子束經過離子束操作部分進入70度磁偏轉區域。3、尾端工作站模塊尾端工作站 控制子系統由兩個部件組成：硅片傳輸部件和工藝控制部件。硅片傳輸部件把硅片盒從大氣環境傳送到高真空環境。而每一個硅片一特定的方位被安置在壓盤上等待離子注入。工藝控制部件用來顯示離子束分布曲線和離子束流的檢測，還用來控制離子注入。二、原子理論原子理論討論電荷的物理機理，涉及到帶電粒子的控制，離子的產生，以及離子從離子源到硅片是如何運動的。1、同位素同位素是指具有相同的原子序數但是具有不同的原子質量的一些原子。一種元素的所有同位素，包含同樣數目的質子但是包含不同數目的中子。同位素具有同樣的化學性質，但是他們原子核的特性不同。這些核的特性包括可能的放射性、重量、以及磁性。硼是離子注入經常用到的元素，有兩種天然同位素：Bten和Beleven。Bten有5個質子5個中子。Beleven 在離子注入工藝中更常用，因為它的豐度是Bten的4倍。但是，在有些注入工藝中用Bten，因為，它比較輕，可以在較低電壓下注入更深。2、粒子流的控制一個電中性原子是相當難以控制的。一個原子失去一個電子后帶一個正電荷，它就可以被一個負的靜電荷吸引或加速。同樣的正離子也可以被一個正的靜電荷排斥或減速。磁場可以對離子流的壓縮、擴展，以及切換位置和方向等操作。砷、硼和磷是離子注入工藝中經常用到的元素，這些元素分別來源于砷烷、三氟硼烷和磷烷。三、Beam Optics 離子束流光學裝置離子注入機首先產生離子，然后通過控制設備對離子流進行操作，最后把離子注入到襯底中的特定深度并達到特定的濃度。離子束操作的光學理論講述特定的設備組件及其對離子流的控制性能。1、組件定位2、離子的產生電離是將一個中性原子或分子轉化成一個離子的過程，在次過程中原子或分子失去一些電子或得到一些電子。本離子注入機利用間接加熱陰極的方式產生離子。（IHC）3、Bernas 和IHC 源理論比較間接加熱陰極離子源（IHC）與常見的bernas離子源很相近。二者都依靠一跟被加熱的鎢絲發射電子。二者都用到了源磁場和反射極來限制陰極發射的電子的運動。最后，在這兩種離子源中，陰極發射的電子和摻雜原子碰撞，使原子電離，這些離子被從離子源吸引出來形成離子流。IHC和bernas 離子源之間的主要區別是前者多附加了一個陰極。這個附加的陰極有兩個主要功能，一個是為了保護相對脆弱的燈絲免遭電離腔內惡劣環境的破壞；另一個是用作離子腔內激發離子的電子源。為了更好地理解IHC離子源，我們最后先思考一下bernas 源是如何工作的。Bernas源是通過電流加熱燈絲工作的。燈絲一旦被加熱，在一定電壓作用下就會發射電子；這個電壓叫做弧光電壓。這些電子圍繞磁力線螺旋前進，不時與通過MFC導入的摻雜原子碰撞。碰撞使原子電離。我們提供調節燈絲電流控制離子源的強弱，增大燈絲電流可以提高燈絲溫度，這將增加發射電子的數量。我們把這看做弧光放電電流的增大，以及吸極電流的增大。所以說，當我們需要更大的吸極電流時，可以通過增大燈絲電流來實現。IHC離子源也依靠電流加熱的燈絲工作。熱燈絲的工作也是加上電壓時發射電子，但是，這些電子不是用來發射電子而是用來加熱陰極的。所以說，這個叫做偏壓的電壓是加在燈絲與陰極之間的。燈絲發射的電子形成所謂的偏流，這些電子在偏壓作用下加速運動，最終撞擊到陰極的背面。在這里，這些電子的動能轉化成為陰極的熱能。當陰極足夠熱時，在一定電壓作用下它也開始發射電子。這個電壓就是弧光放電電壓。此時陰極用來發射電子，這些電子碰撞摻雜原子并使之電離，產生離子。這種設置吸極電流的控制機制仍然是溫度，在這里就是陰極的溫度。陰極增溫的方式是增大燈絲電流。所以，我們看到，當操作者需要較大的吸極電流的時候，可以通過增大偏流來實現。較大的偏流意味著燈絲發射更多的電子，從而有更多的能量傳遞給陰極，并最終導致陰極升溫。更熱的陰極將發射多的電子到電離腔，此時我們可以觀察到較大的放電電流，最終得到更大的吸極電流。4、有關離子源的進一步理解建立和維持穩定的弧光放電需要滿足下列五個方面的要求：燈絲電流弧電壓偏壓工藝氣體壓力離子源磁場4.1燈絲電流在離子化工藝過程中，陰極是自由電子的主要提供者。燈絲的工作原理就是發射熱電子。燈絲發熱到一定溫度后就開始發光并釋放自由電子。燈絲對陰極加熱，受熱的陰極發射自由電子。有效的自由電子數目與加到燈絲上的電流的大小有關。在離子注入機中，離子源中離子的撞擊和濺射，最終將使陰極和燈絲受到損壞，所以有必要不時更換陰極和燈絲。在IHC離子源中，陰極與燈絲是隔離的，是被燈絲間接加熱的。陰極的材質是鎢。在燈絲和陰極之間加了較高的偏壓。陰極覆蓋住了燈絲，是燈絲免遭離子的轟擊。4.2弧電壓弧電壓動力加在燈絲與離子腔壁之間。加了這個動力，可以保證離子腔壁的電位比燈絲的電位高。4.3偏壓離子腔的陰極被覆蓋其中的燈絲發射的電子碰撞加熱。燈絲和陰極之間加了大概600伏特的偏壓，產生電流約4安培。被加速到600電子伏特的電子撞擊陰極使之發熱，并發射電子。陰極與離子腔壁之間加了 150伏特的偏壓，陰極為負，腔壁為正。4.4 工藝氣體壓力 離子化4.5離子源磁場 反射極為了進一步提供電離效率，我們在離子腔中使用了與陰極電性導通的反射極。起初，陰極和反射極都不帶電，當初始電子在它們表面積聚時，很快就帶上了負電。這樣就產生了一種效應：排斥電子沿著磁力線螺旋運動向離子腔壁。這些電子沿相反方向向陰極運動過去。而陰極也帶負電，陰極有促使這些電子掉頭沿著磁力線向反射極運動過來。這種來回翻轉的運動一直進行到這些電子撞上一個摻雜氣體原子或另外一個電子改變它的方向為止。氣體電離后的離子種類在我們的有關原子理論的討論中，以硼作為電離的例子。這可能會讓你誤解，好像在電離過程中僅僅產生了注入用到的離子。實際上，離子腔中的所有原子在電離過程中都會影響電離效果。以三氟硼烷為例，列出電離過程中所產生的主要離子種類，還有更多。五、離子的抽取（Extraction）Extraction 這個概念描述的是如何把帶正電的離子從離子腔中抽取出來。抽取過程完成四項工作。第一，把離子從離子腔中抽取出來并給它一個方向。第二，吸極提供一個勢壘阻止二次電子返回離子源并撞擊產生X射線。第三，它把離子整形成為束狀。第四，它提供了電子源以在離子束形成空間電荷，空間電荷的作用有點像膠水，把正電荷粘合在一起，成為離子束。1、把離子從離子源抽出把一個電壓源加到離子腔和吸極之間。正極在離子腔，負極在吸極，其值約60000伏特。離子腔上的光圈和吸極上的光圈都經過特殊的機械設計，加上一定的電壓后，就可以吧離子從離子腔中拉出來。2、離子束的整形3、吸極（Extraction Electrode）吸極可以沿著豎直方向上下移動，也可以沿著軸線方向靠近或遠離離子源。移動吸極的目的是為了駕馭離子束，移動通過吸極操作部件來實現。這個操作通常是在軟件控制下自動實現的。四、二次電子的抑制吸極有兩個部件：抑制極和接地極。抑制極最靠近離子源，并被安置在接地極上，但是要保持二者電絕緣。等離子腔的電勢比接地極高出60kV，而抑制極比接地極低20kV。如前述，從等離子腔光圈出來的不僅僅是離子。電離過程的效率大約只有20%，這意味著有大約80%的氣體分子沒有電離。由于摻雜氣體是在一定壓力下導入離子腔的，那么就有多余的氣體從離子腔的光圈排出來。排出的氣體分子的大多數立即被真空泵抽走。剩下的一些氣體分子被裹挾到了抑制極與接地極之間的區域或更遠。這一區域的離子已經通過60kV電壓的加速，具備了大量的能量。在這一區域的中性氣體分子遷移到此，并沒有被加速的能量。具有巨大相對速度的離子與氣體分子之間碰撞產生二次電子。這些帶負電荷的二次電子立刻被拉向高電勢的離子源腔室。這些輕質量的電子將獲得巨大的能量，因為它們被全部的吸極電壓和D1上的電壓加速射向離子源。如果讓這些電子自由前進直到和離子腔金屬碰撞，將產生威脅的X射線。為了避免此事，我們在它們加速前進的路途中設置一個抑制極。這些電子在獲得加速之前，被抑制極排斥，減速，并受到帶正電的離子束的強大吸引。這些電子將加入到離子束中，和離子束一同穿過接地極。六、第一四極磁透鏡（Quadrupole 1,Q1）Q1只能工作于正模式（plus mode），其作用是在水平方向擴展離子束而在豎直方向壓縮離子束。離子束在水平方向擴展具有重要意義，因為，從光學意義上講，離子束應該被展開進入90度磁分析器才符合要求。在豎直方向壓縮有利于離子束從扁平的磁極中間穿過。Q1參數通常在初始調試方案中被優化，但是它要保證是可調的。如果我們調整了Q1的參數，建議同時調整Q2以保證優化的束流和離子束寬度。七、磁分析儀（Analysis）前面我們已經學習過，當用三氟化硼作為源氣體時，電離產生至少14種主要的離子。90度磁分析儀使我們有能力篩選出我們需要的離子而剔除其他我們不需要的粒子。我們已經討論過如何通過電場和磁場控制正離子。1、90度離子束分析磁場失去一個電子的離子叫做單價電荷，失去兩個電子的離子叫雙價電荷。當它們被同一吸極加速時，雙價電荷離子將獲得兩倍于單價電荷的能量。一個離子的原子重量是原子核里中子與質子重量的總和。對一個給定的元素，其原子內的質子數保持恒定，僅中子數可能變化。進入90度磁分析儀中的任何離子的運動路徑都將被磁場力彎曲。較輕的離子比較重的離子彎曲的厲害。總的作用是所有不同的離子將扇出不同的路徑。選擇恰當的磁場激發電流將會引導待選離子順利通過判決光圈。判決光圈是一個可調節（大小的）光圈。這樣可以避免與待選離子質量接近的離子隨離子束通過光圈。較重的離子由于偏轉不夠而不能通過光圈，較輕的離子由于偏轉過多而不能通過光圈。用來計算磁場激發電流的基本方程是：式中各個符合的含義如下：I=磁線圈中的激發電流K=常數。視具體生產線的注入機及具體離子種類而定m=待選離子的質量V=吸極加速電壓q=離子的電荷量2、離子束線控制設備單元離子束流設備單元會影響離子束均勻度，離子束寬度，以及射向尾端工作站的離子束流強度。在手工操作情況下，操作者應該努力優化離子束均勻度，同時也要對離子束流強度仔細斟酌。通過系統計算從數據上表征均勻度是很重要的，視覺上在屏幕上用曲線顯示出來也很有必要。我們可以從屏幕的曲線上觀察到哪些區域出現了微笑的均勻度偏差，這可以提醒操作者決定調整那個控制參數區改進離子束流的均勻度。屏幕曲線還可以用來區別離子束寬度不夠抑或需要進一步聚焦。2.1第二四極磁透鏡（Quadrupole 2 Q2）Q2可以在兩個模式下工作，負值模式（minus mode）或正直模式（plus mode）。我們可以根據需要選擇相應模式。Minus mode 用來水平方向壓縮，同時豎直方向擴展。Plus mode 則相反。通常在初始菜單中給出優化值。初始菜單設計者把Q2的典型值設置為minus mode。但是，這不是絕對的，手工操作時，要根據實際情況選擇其中一種模式使離子束良好聚焦。在調整Q2時，建議同時調整Q1達到優化離子束流和離子束寬度的目的。注意：2.2第三四極磁透鏡（Quadrupole 3 Q3）Q3僅僅安裝在VIISta HCS型大束流注入機上，用來在豎直方向聚焦離子流。通常在初始菜單中Q3被設置一個優化值。Q3可以工作于正直模式或負值模式。Q3典型值是負值模式。手工操作可以選擇適當模式，目的是改進離子束流的聚焦效果。八、離子束線手動操作/第一個抑制聚焦電透鏡（Decel 1 Lens D1 Lens）1、D1抑制電壓D1抑制電壓應用于雙減速模式、漂移擴展模式和增強漂移模式。其具體參數通常有菜單設計者設定。D1抑制電壓在減速模式中用來抑制二次電子，也被用作靜電透鏡。此時它會對離子束流強度及均勻度產生影響。通常，當D1抑制電壓增加時，到達尾端工作站的離子束流強度會隨之增加，但是，同時離子束流寬度會減小。當調整D1抑制電壓時，建議同時調整離子束設備單元的豎直方向（Y-axis）和前后方向（Z-axis）參數以優化離子束流強度及離子束流寬度。2、D1聚焦電壓離子束手動操作透鏡（D1 Lens）在某些操作模式中提供附加的豎直方向聚焦、豎直方向導引，以及水平方向聚焦、水平方向寬度控制。設計抑制電極和聚焦電極用來更切實控制離子束邊緣的空間電荷。通過調整聚焦電極電勢與抑制電極電勢之間的關系，可以增加或減少離子束邊緣密度。當離子束邊緣密度得到調整時，離子束遠離束流中心的角度就得到了調整，從而離子束的整體均勻度就得到了調整；這些措施改進了對離子束的調整能力。如前所述，對離子束的操作（對離子束豎直方向和前后軸向的控制）可以工作于雙減速模式、漂移擴展模式以及增強漂移模式。制定初始配方時設定對離子束豎直方向及前后軸向控制參數，但是對于具體配方還有必要檢查這些參數。在工業調試過程中，這些參數不會自動調整，要優化離子束就需要手工調整。Y方向參數的調整，以使進入尾端工作站的離子束流最大。Z方向參數的調整，以使進入尾端工作站的離子束的寬度符合屏顯曲線。當Z方向參數值增加時，離子束將變寬，從而離子束流減小。當Z方向參數減小時，離子束將變窄，從而離子束流增加。最優調試效果，Z方向參數要調整到使離子束達到足夠的寬度。如果由此導致離子束流的些微減少，離子束流的減少可以通過增加吸極電流來補償。調整Z方向參數時，建議同時調整Y參數以取得優化的離子束流。九、角度校準（Angle Correction）1、70度偏轉磁場70度磁偏轉的目的是調整離子束的前進方向以使其垂直入射到硅片表面的每一點，當然這時假定硅片處于正常位置。在我們的討論過程中，所謂正常位置是指傾斜角為0度。為了使離子束以相同的角度撞擊硅片，就必須使離子束射出70度磁場時，在整個寬度內保持平行。這種平行性是為了確保離子注入到硅片時的角度是相等的，從而把溝道效應（thr effects of channeling）減至最低。VIISta HCS離子束設備單元和70度磁偏轉設計成使離子束向右邊彎曲，然后進入工藝腔或靶室，在那里離子撞擊到硅片上。觀察圖中所示三根線表示攝入磁偏轉磁場中的三條離子路徑。可以看到，從左到右（沿離子前進方向看）需要校正的角度量值是不同的。左邊的離子比右邊的離子需要彎曲的更厲害。在90度磁分析儀部分的討論中我們已經知道，可以利用磁力（洛倫茲力）改變離子束的方向。現在剩下的唯一關鍵問題是：我們如何在水平掃描范圍內使離子束的方向彎曲不同的量值？對這個問題的回答是：70度磁偏轉的物理設計。觀察圖示說明，我們可以看到，磁極的幾何形狀設計有助于離子束的平行出射。這種設計促使從左邊射入磁場的離子比右邊的運動更長的距離。離子束在磁場中呆的時間越長，受到的磁力影響也就越大。故，離子束的不同部分其方向彎曲的量值也就不同，從而，經過調整，當他們離開磁場時，其方向可以保持平行。正如我們前面所說，通過磁鐵線圈的電流強度，決定了磁場的強弱。另外，離子的能量以及所選離子的種類都會影響所需磁場的強度。所以說，要根據不同的離子源種類和所需離子的能量對通過線圈的電流強度進行調整。2、70度偏轉磁場的附加多組磁極和磁棒多組磁極和磁棒用來控制當離子束離開70度偏轉磁場時，橫向帶狀束流的整體均勻度和平行度。每一對磁極都影響相應位置的磁場極性，進而影響要由此經過的離子的偏轉方向；每一根磁棒都影響相應位置的磁場強度，進而影響要由此經過的離子的偏轉角度。通過調整磁極極性和磁通密度，相應部分的粒子流將向左或向右偏轉，從而影響這些區域離子束的方向和密度。最終影響離子流的均勻度及平行度。十、第二減速電透鏡（decel 2 lens D2 lens）1、D2抑制電壓D2抑制電壓工作于第一工藝腔減速模式（PCD1），第二工藝腔減速模式(PCD2)，雙減速模式，以及漂移擴展模式。具體模式參數值通常在初始菜單中設定。象D1抑制電壓一樣，D2抑制電壓應用于減速模式注入中抑制二次電子。又用作靜電透鏡。它將影響到離子束流及離子束均勻度。在調整D2抑制電壓時，建議打開離子束屏顯曲線檢查對離子束均勻度和離子束橫截面形狀。D2抑制電壓也應用于控制離子束高度。增加抑制電壓將降低離子束高度，相反，減小抑制電壓將增加離子束高度。這對改變離子束流很有用。2、D2聚焦電壓D2（抑制）透鏡組件用于提供附加的豎直方向聚焦和水平方向寬度控制在某些操作模式中。抑制電極和聚焦電極設計成對離子束外緣空間電荷提供更切實的控制。通過調整聚焦電極與抑制電極之間的點位差，可以使離子束邊緣的粒子流密度增加或減少。當離子束邊緣密度可以調整時，則離子束外緣角度以及離子束總的均勻度就可以調整了。十一、離子注入當離子束可以以一定的角度進入工藝腔時，它就能夠均勻地注入到硅片上了。為此有下列幾個步驟要完成：硅片靠機械裝置上下往復運動，攔截住粒子流，并使整個硅片表面的都得到均勻的離子注入。空氣軸承是 機械，他可以使離子束豎直掃描硅片。空氣軸承就是一根軸，這根軸安裝在一根氣缸的空氣襯墊上。這根軸的下端處于大氣中，一臺特種馬達驅動這根軸非常精確地上下往復運動。這根軸的頂端，處于真空中，連接有一個壓盤，壓盤可以抓住硅片，壓盤帶著硅片一起上下往復運動接收離子束掃描。一次豎直方向掃描是硅片的一個完整的上下往復運動。通過豎直方向掃描我們能夠把離子