离子束加工方式 1、掩模方式（投影方式） 2、聚焦方式（扫描方式，或聚焦离子束 (FIB) 方式） 掩模方式是对整个硅片进行均匀的地毯式注入，同时象 扩散工艺一样使用掩蔽膜来对选择性区域进行掺杂。扩散工 艺的掩蔽膜只能是 SiO2 膜 ，而离子注入的掩蔽膜可以是 SiO2 膜 ，也可以是光刻胶等其他薄膜。
引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆
锥顶的曲率半径 仅有 10 nm 的数量级，这就是 LMIS 能产生小 束斑离子束的关键。
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当 E2 增大到使电场超过液态
金属的场蒸发值（ Ga 的场蒸发值 E3 为 15.2V/nm）时，液态金属在圆 锥顶处产生场蒸发与场电离，发射 金属离子与电子。其中电子被引出 极排斥，而金属离子则被引出极拉
Ion source Plasma Extraction assembly
Analyzing magnet
Ion beam Acceleratio n column Process chamber Scanning disk
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一、离子源 作用：产生所需种类的离子并将其引出形成离子束。 分类：等离子体型离子源、液态金属离子源（LMIS）。 掩模方式需要大面积平行离子束源，故一般采用等离子体 型离子源，其典型的有效源尺寸为 100 m ，亮度为 10 ~ 100 A/cm2.sr。 聚焦方式则需要高亮度小束斑离子源，当液态金属离子源 （LMIS）出现后才得以顺利发展。LMIS 的典型有效源尺寸为 5 ~ 500 nm，亮度为 106 ~ 107 A/cm2.sr 。
引 出 极
E2 E1
出，形成离子束。
若改变 E2 的极性 ，则可排斥
离子而拉出电子，使这种源改变成 电子束源。
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共晶合金 LMIS
通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点
高或蒸汽压高而无法制成单体 LMIS 。 根据冶金学原理，由两种或多种金属组成的合金，其熔点 会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低
2qVa 2 Fm qB ( j) m
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Vf 2qVa 当 Fe Fm 时，即当 q qB 时， d m
离子不被偏转。由此可解得不被偏转的离子的 荷质比 qo 为
该种离子在受力区域（0 ~ Lf ）内的运动方程为
1 2qVa z vz t t 2qsVa 2 t ms 1 y ayt 2 2 1 2
从上式消去时间 t ，并将 ay 代入，得
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1 Vf 1 2 q y qs B 2qsVa s 2 d
z2 1 z2 2q V 4 V s a a
1 V 2 f B 2qsVa d
由此可得偏转量 Db 为
Db y ( Lf ) y ( Lf ) Ld
1 Vf 1 L2 1 Ld Lf B 2qsVa 2 f d 4 Va 2 Va
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1、等离子体型源 这里的 等离子体 是指部分电离的气体。虽然等离子体中的 电离成分可能不到万分之一，其密度、压力、温度等物理量仍 与普通气体相同，正、负电荷数相等，宏观上仍为电中性，但 其电学特性却发生了很大变化，成为一种电导率很高的流体。
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y
Vf
光阑
v
d
E
B O
j
Db
Fe Fm
i
k
D
z
Lf
Ld
Vf Fe qE q ( j ), d Fm qv B qvB ( j ) 1 1 2qVa 2 2 由 qVa mv 得 v , 代入 Fm , 得： 2 1 m
对所引出的离子再进行质量分析，就可获得所需的离子。
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LMIS 的主要技术参数 (1) 亮度 亮度的物理意义为单位源面积发射的进入单位立体角内的
离子束电流 。LMIS 的主要优点之一就是亮度高 ，其典型值为
β= 106 ~ 107 A/cm2.sr 。 (2) 能散度 能散度是 离子束能量分布的半高宽度 。LMIS 的主要缺点 是能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。 (3) 离子束斑尺寸 通常为 5 ~ 500 nm。
b) 高掺杂浓度与深结
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聚焦方式的优点是不需掩模，图形形成灵活。缺点是 生产 效率低，设备复杂，控制复杂。聚焦方式的关键技术是
1、高亮度、小束斑、长寿命、高稳定的离子源；
2、将离子束聚焦成亚微米数量级细束并使之偏转扫描的 离子光学系统。
y
Vf
光阑
v
d
E
OB
j
Db
Fe Fm
i
k
D
z
Lf
Ld
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将前面的 B 的表达式
B
代入 Db ，得
Ion implanter
Low energy Low dose Fast scan speed
Ion implanter
Dopant ions
Beam scan Beam scan
Mask
xj
Mask
Mask xj
Mask
Silicon substrate
Silicon substrate
a) 低掺杂浓度与浅结
合金中金属处于液态时的蒸汽压。
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例如，金和硅的熔点分别为 1063 oC 和 1404 oC，它们在此 温度时的蒸汽压分别为 10-3 Torr 和 10-1 Torr。当以适当组分组 成合金时，其熔点降为 370 oC ，在此温度下，金和硅的蒸汽压 分别仅为 10-19 Torr 和 10-22 Torr。这就满足了 LMIS 的要求。
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下面计算当荷质比为 qo 的离子不被偏转时，具有荷质比为 qs = q/ms 的其它离子被偏转的程度。该种离子在 y 方向受到的 加速度为
1 Fm Fe Vf q 2qVa q Vf 2 q ay B qs B 2qsVa s ms ms ms ms d d 1 2
1 2
Vf2 q qo m 2d 2 B 2Va
对于荷质比为 qo 的所需离子，可通过调节偏转电压 Vf 或 偏转磁场 B，使之满足下式，就可使这种离子不被偏转而通过 1 光阑。 Vf dB (2qoVa ) 2 ,
或
B
Vf d (2qoVa )
1 2
通常是调节 Vf 而不是调节 B。
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5.1 离子注入系统
离子源：用于离化杂质的容器。常用的杂质源气体有 BF3、
AsH3 和 PH3 等。 质量分析器：不同的离子具有不同的质量与电荷，因而在
质量分析器磁场中偏转的角度不同，由此可分离出所需的杂质
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二、质量分析系统
1、 E B 质量分析器 由一套静电偏转器和一套磁偏转器组成 ，E 与 B 的方向 相互垂直。
y
Vf
光阑
v
d
E
OB
j
Db
Fe Fm
i
k
D
z
Lf
Ld
产生等离子体的方法有热电离、光电离和电场加速电离。
大规模集成技术中使用的等离子体型离子源，主要是由电场加 速方式产生的，如直流放电式、射频放电式等。
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离子源
放电腔
灯丝
磁铁
Gas
吸极
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