使用負(fù)偏壓萃取電極的方法

萃取系統(tǒng)

使用負(fù)偏壓的萃取電極將離子從離子源內(nèi)的等離子體中抽出，并將其加速到大約50keV的能量。離子必須有足夠的能量才能通過質(zhì)譜儀磁場選擇出正確的離子。下圖顯示了萃取系統(tǒng)。當(dāng)摻雜物離子加速并射向萃取電極時，一些離子會通過夾縫并繼續(xù)沿著射線行進(jìn);一些離子會碰撞到萃取電極的表面產(chǎn)生X光并激發(fā)出二次電子。一個電位比萃取電極低很多（最多10kv）的抑制電極將會用于防止二次電子被加速返回離子源造成損壞。所有的電極都帶有一個狹窄的狹縫，這個狹縫使離子萃取出來作為準(zhǔn)直式離子流并形成所需的離子束。

萃取后的離子束能量由離子源與萃取電極之間的電位差決定。萃取電極電位與終端架的電位相同，而且有時稱為系統(tǒng)的接地電位。系統(tǒng)接地與實際接地（注入機覆蓋盤）的電位差可高達(dá)-50kV,所以如果沒有通過電弧放電而直接接觸就可能造成致命的電擊。

質(zhì)譜儀

在一個磁場內(nèi)帶電荷的粒子會因磁場作用而開始旋轉(zhuǎn)，磁場的方向通常與帶電粒子的行進(jìn)方向垂直。對于固定的磁場強度和離子能量，螺旋轉(zhuǎn)動半徑只與帶電粒子的荷質(zhì)比（m/g）有關(guān)。這個方法已經(jīng)用于同位素分離技術(shù)從238U產(chǎn)生豐富的235U來制造核子彈。幾乎在每個離子注入機內(nèi)，質(zhì)譜儀都用于精確選擇所需的離子并排除不要的離子。下圖說明了離子注入機的質(zhì)譜儀系統(tǒng)。

BF3通常用于硼的摻雜源。在等離子體中，結(jié)合分解和離子化碰撞將產(chǎn)生許多離子。因為硼有兩種同位素（10B（19.9%）和11B（80.1%））,所以具有幾種離子化狀態(tài)，從而更增加了離子種類的數(shù)目。下表列出了含硼的離子和原子或分子的重量。

對于P型阱區(qū)注入工藝，11B+最常使用，因為在同樣的能量等級11B+的重量較輕，所以可穿入到硅襯底較深的位置。對于淺界面離子注入工藝，11BF2+離子最常使用，因為11BF2+離子的尺寸較大且重量較重。在注入機可以提供的最低能量等級范圍內(nèi)，11BF2+離子在這些含硼的離子中具有最短的離子射程，可以形成最淺的P型界面，將少量的氟整合進(jìn)入硅襯底可以在硅與二氧化硅界面處與硅的懸浮鍵結(jié)合，從而可以減少界面態(tài)電荷并改善元器件的性能。

當(dāng)離子進(jìn)入質(zhì)譜儀之前，它們的能量取決于離子源和萃取電極之間的電位差，一般情況這個值設(shè)置在50kV左右。萃取的單電荷離子能量為50keV。已知離子的m/q值和離子的能量,通過計算機程序就能夠計算出離子軌道通過狹窄縫隙時所需的磁場強度。調(diào)整磁鐵線圈內(nèi)的電流可以使質(zhì)譜儀精確地選擇岀需要的摻雜離子。

一個問題：

問10B+比11B+輕，所以在相同的能量時，10B+比11B+穿透得更深。為什么不選擇用10B+實現(xiàn)深結(jié)，例如P阱離子注入？

答：因為在等離子體中五個硼原子中只有一個10B，而其他都是11B,10B+離子濃度只有11B+離子的1/4。如果選擇10B+離子，則離子束的電流大約只有11B+離子束電流的1/4。為了達(dá)到相同的摻雜濃度，將需要消耗比11B+離子束多4倍的時間注入10B+離子束，這樣將影響生產(chǎn)的產(chǎn)量。

問：在等離子體中，磷蒸氣可以被離子化并形成不同的離子。P+和是其中的兩種，質(zhì)譜儀可以將這兩種分開嗎？

答:如果P+和P2++離子具有相同的能量，則質(zhì)譜儀無法將它們分開，因為它們具有相同的m/q比，所以也具有相同的離子軌道。當(dāng)P+和P2++注入襯底時，P2++無法如P+一樣深入襯底，因為它的離子較大、較重，所以離子射程較短。這將造成所謂的能量污染，形成不必要的摻雜濃度分布，并影響元器件性能。經(jīng)過萃取電位的前端加速過程后，大部分的P2++離子會具有P+離子兩倍的能量，因為它們具有雙倍的電荷。對于相同的m/g比，能量較高的離子具有較大的旋轉(zhuǎn)半徑，因此將會碰撞到質(zhì)譜儀飛行管的外壁。它們的軌道與較大m/g比的軌道相似（見上圖）。

審核編輯：劉清