离子注入机及其构成

离子注入机是高压小型加速器中的一种，应用数量最多。它是由离子源得到所需要的离子，经过加速得到几百千电子伏能量的离子束流，用做半导体材料、大规模集成电路和器件的离子注入，还用于金属材料表面改性和制膜等。

离子注入机由5部分组成：离子源、离子引出和质量分析器、加速管、扫描系统、工艺腔。离子源离子注入机利用离子源中灯丝产生的热电子在电场的作用下轰击气体分子，使之电离。待注入的杂质源如果是气态，便可以直接引入到离子源的电场中，如果是固态，则还需加热蒸发，变为气相后引入到这个电场中。气相的杂质源在电场中被电离后变成为离子(即带电的原子或分子)。离子引出和质量分析器所有带正电的离子被离子源阳极的正压排斥从一个狭缝中被引出，此时等离子体中的电子被阴极排斥而被阻止，由此形成了正离子组成的离子束。热电子轰击杂质源气体分子会产生多种离子，比如三氟化硼气体源，在离子源中会形成离子，每种离子的质荷比不同，在通过质量分析器的分析磁铁时，离子的运动轨道会不同，离子注入机的质量分析器可以将所需要的杂质离子从混合的离子束中分离出来。加速管要使离子能够获得更大的能量，正离子从质量分析器出来后还要通过加速管的高压得到所需要的速度。加速管是由一系列介质隔离的电极组成，电极上的负电压依次增大。当正离子进入到加速管后，各个负电极为离子加速，离子的运动速度是各级加速的叠加，总的电压越高，离子的运动速度越快，即动能越大。扫描系统离子注入机的扫描系统构成了离子束与硅片之间的相对运动，为了使硅片上的杂质呈均匀分布，避免离子长时间的轰击局部一点过热，造成不可恢复的损伤，硅片的离子注入都采用扫描方式。有两种基本的扫描方式：机械式扫描和电磁式扫描。机械式扫描采用的是硅片移动的方法，即靶盘带动硅片运动。电磁式扫描是用电磁场将离子束偏转实现扫描。也有的注入机采用混合方式，即机械和电磁两种方式相结合。工艺腔工艺腔包括放置硅片的靶盘、扫描系统、带真空锁的硅片装卸终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。

离子注入机由离子源、离子引入和质量分析器、加速管、扫描系统和工艺腔组成，可以根据实际需要省去次要部位。离子源是离子注入机的主要部位，作用是把需要注入的元素气态粒子电离成离子，决定要注入离子的种类和束流强度。离子源直流放电或高频放电产生的电子作为轰击粒子，当外来电子的能量高于原子的电离电位时，通过碰撞使元素发生电离。碰撞后除了原始电子外，还出现正电子和二次电子。正离子进入质量分析器选出需要的离子，再经过加速器获得较高能量，由四级透镜聚焦后进入靶室，进行离子注入。

离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备，离子注入是对半导体表面附近区域进行掺杂的技术，其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型。离子注入与常规热掺杂工艺相比可对注入剂量、注入角度、注入深度、横向扩散等方面进行精确的控制，克服了常规工艺的限制，提高了电路的集成度、开启速度、成品率和寿命，降低了成本和功耗。离子注入机广泛用于掺杂工艺，可以满足浅结、低温和精确控制等要求，已成为集成电路制造工艺中必不可少的关键装备。