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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。
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。
离子注入实验报告材料科学与工程1 实验目的：（1）了解离子注入原理，掌握注入完成后的退火仪器原理及操作。
（2）学会在样品上制作欧姆接触，四探针法测量样品退火前后的薄层电阻；用热电笔法测量退火前后样品的导电类型，熟悉霍尔测量的原理和装置。
2 离子注入原理：离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。
一般的说,离子能量在1－5KeV的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；10－几百KeV称为离子注入。
离子注入在半导体掺杂领域有很多优点：注入杂质不受把材料固溶度的限制，杂质的面密度和掺杂深度精确可控)，横向扩散小，大面积均匀性好，掺杂纯度高，能够穿透一定的掩蔽膜，在化合物半导体工艺中有特殊意义。
同时离子注入还可应用于金属改性和加工，生物研究等领域。
3离子注入设备离子注入设备通常由离子源、分析器、加速聚焦体系统和靶室等组成。
如下图所示：1．离子源：由产生高密度等离子体的腔体和引出部分（吸极）组成。
通常使用的有高频等离子源、电子振荡型等离子源（潘宁源）、双等离子源等、双彭源、转荷型负离子源、溅射型负离子源等。
2．加速器：产生强的电场，将离子源出来的离子加速到所需要的能量。
3．分析器：离子分选器。
离子源产生的离子束中往往有几种离子。
用分析器可以从这些离子中选择出所需要的。
磁分析器：在离子通道上加磁场，离子在磁场中偏转。
磁场一定时离子在磁场中的运动半径由离子的荷质比和能量决定。
让选中离子的偏转半径正好可以准直地进入管道。
4．偏转扫描离子注入机中应该保持高真空。
实际上其中不可避免的有残留的气体分子，离子在行进过程中可能和其碰撞并且交换电荷变成中性原子。
中性原子的能量、电荷属性和离子不同，注入到靶材料上会引起注入不均匀。
偏转扫描是在离子束进入靶室前给其施加电场，电场使其中的离子偏转进入靶室，中性原子则不被偏转而不进入靶室。
从而去掉了中性粒子。
离子注入原理离子注入是一种常用的半导体加工技术，它通过将离子注入半导体材料中，改变其电学性质和化学性质，从而实现对半导体材料的加工和改性。
离子注入技术在集成电路制造、光电子器件制造、材料改性等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍离子注入的原理及其在半导体加工中的应用。
离子注入的原理主要包括离子源、加速器、束流控制系统和靶材等部分。
首先，离子源会产生所需的离子种类，比如常见的硼、砷、磷等离子。
然后，这些离子会被加速器加速，形成高能离子束。
束流控制系统会控制离子束的方向和强度，使其准确地注入到靶材中。
最后，靶材会接受离子的注入，从而改变其物理和化学性质。
离子注入技术的应用非常广泛。
在集成电路制造中，离子注入常用于形成P型和N型掺杂区，从而实现晶体管的制造。
在光电子器件制造中，离子注入可以用于改变半导体材料的光学性质，提高器件的性能。
此外，离子注入还可以用于材料的表面改性，提高材料的硬度、耐腐蚀性等。
离子注入技术具有许多优点。
首先，它可以实现对半导体材料的局部改性，精度高，控制方便。
其次，离子注入可以实现对半导体材料的多种性质改变，包括电学性质、光学性质、力学性质等。
最后，离子注入可以在常温下进行，不需要高温处理，从而避免了材料的退火和晶格损伤。
然而，离子注入技术也存在一些局限性。
首先，离子注入会在材料中引入大量的杂质，从而影响材料的电学性能。
其次，离子注入过程中会产生能量损失，导致材料局部加热，从而影响材料的结构和性能。
最后，离子注入需要复杂的设备和控制系统，成本较高。
总的来说，离子注入技术是一种重要的半导体加工技术，具有广泛的应用前景。
随着半导体工艺的不断发展，离子注入技术也将不断得到改进和完善，为半导体材料的加工和改性提供更加可靠的技术支持。
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。
