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四、离子束电流的测量
Sampling slit in disk
Ion beam
Scanning disk with wafers
Suppressor aperture
Faraday cup
Current integrator
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二、结深的测量
测量结深的方法主要有 磨角法、
磨槽法（滚槽法） 和 光干涉法。
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费克第一定律 费克第二定律。 再分布后的表面杂质浓度为
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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 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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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。
a) 低掺杂浓度与浅结
Ion implanter
Dopant ions Beam scan
High energy High dose Slow scan speed
Mask xj
Mask
Silicon substrate
b) 高掺杂浓度与深结
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轰击硅片表面，形成注入层
• 装置：离子源、聚焦、分析器、加速管、扫描、偏转、靶
室、真空系统
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离子束的性质
离子束是一种带电原子或带电分子的束状流，能被电场或 磁场偏转，能在电场中被加速而获得很高的动能。
离子束的用途
• 注入一般在50-500kev能量下进行 • 掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定 • 掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定
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与热扩散工艺相比有如下优点：
（Ⅰ）可在较低的温度（低于750℃）下，将各种杂质掺入到不同半 导体中，避免了由于高温处理而产生的不利影响。 （Ⅱ）可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺入基片内杂质的浓度、 分布和注入深度。对浅结器件的研制更为有利。 （Ⅲ）所掺杂质是通过质量分析器单一地分选出来后注入到半导体基 片中去的，可避免混入其他杂质。
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3.1 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 离子，且离子束很纯。
加速器：为高压静电场，用来对离子束加速。该加速能量 是决定离子注入深度的一个重要参量。
中性束偏移器：利用偏移电极和偏移角度分离中性原子。 聚焦系统：将离子聚集成直径为数毫米的离子束。 偏转扫描系统：使离子束沿 x、y 方向扫描。 工作室（靶室）：放置样品的地方，其位置可调。
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Ion source
Scanning direction
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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
引 出
点是 需要制作掩蔽膜。
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离子注入
Ion implanter
Dopant ions Beam scan
Low energy Low dose Fast scan speed
Mask xj
Mask
Silicon substrate
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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。
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注入的离子在基底中的分布
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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）。
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2、液态金属离子源（LMIS） LMIS 是近几年发展起来的一种 高亮度小束斑 的离子源， 其离子束经离子光学系统聚焦后，可形成 纳米量级 的小束斑离 子束，从而使得聚焦离子束技术得以实现。此技术可应用于离 子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等。
LMIS 的类型、结构和发射机理
V形
针形 螺旋形
类 型
同轴形
毛细管形
液态金属 钨针
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对液态金属的要求 (1) 与容器及钨针不发生任何反应； (2) 能与钨针充分均匀地浸润； (3) 具有低熔点低蒸汽压，以便在真空中及不太高的温度 下既保持液态又不蒸发。 能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种， 其中 Ga 是最常用的一种。
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 。
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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Plasma Extraction assembly Analyzing magnet Ion beam
Acceleratio n column
Process chamber
Scanning disk
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离子注入的步骤
掺杂、曝光、刻蚀、镀膜、退火、净化、改性、打孔、切 割等。不同的用途需要不同的离子能量 E ，
E < 10 KeV ，刻蚀、镀膜
E = 10 ~ 50 KeV ，曝光
E > 50 KeV ，注入掺杂
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离子束加工方式
(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。
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三、工作室（靶室） 放置样品的地方，其位置可调。
(Ⅳ）掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达1%。 (Ⅴ）纯度高，不受所用化学品纯度影响。 （Ⅵ）有可能发展成为无掩模掺杂技术，即按照设计要求的图形用微 离子束进行扫描，有选择地进行注入。
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离子注入
• 特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多 • 基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速
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扩散工艺主要参数
• 结深：当用与衬底导电类型相反的杂质进行扩散时，在硅
片内扩散杂质浓度与衬底原有杂质浓度相等的地方就形成 了pn结，结距扩散表面的距离叫结深。