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(guò)質(zhì)譜儀磁場(chǎng)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(shí)，一些離子會(huì)通過(guò)夾縫并繼續(xù)沿著射線行進(jìn);一些離子會(huì)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(gè)電位比萃取電極低很多（最多10kv）的抑制電極將會(huì)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(gè)狹窄的狹縫，這個(gè)狹縫使離子萃取出來(lái)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(shí)稱為系統(tǒng)的接地電位。系統(tǒng)接地與實(shí)際接地（注入機(jī)覆蓋盤(pán)）的電位差可高達(dá)-50kV,所以如果沒(méi)有通過(guò)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(gè)磁場(chǎng)內(nèi)帶電荷的粒子會(huì)因磁場(chǎng)作用而開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)的方向通常與帶電粒子的行進(jìn)方向垂直。對(duì)于固定的磁場(chǎng)強(qiáng)度和離子能量，螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)半徑只與帶電粒子的荷質(zhì)比（m/g）有關(guān)。這個(gè)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(lái)制造核子彈。幾乎在每個(gè)離子注入機(jī)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(shuō)明了離子注入機(jī)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?yàn)榕鹩袃煞N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(lèi)的數(shù)目。下表列出了含硼的離子和原子或分子的重量。

對(duì)于P型阱區(qū)注入工藝，11B+最常使用，因?yàn)樵谕瑯拥哪芰康燃?jí)11B+的重量較輕，所以可穿入到硅襯底較深的位置。對(duì)于淺界面離子注入工藝，11BF2+離子最常使用，因?yàn)?1BF2+離子的尺寸較大且重量較重。在注入機(jī)可以提供的最低能量等級(jí)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(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)程序就能夠計(jì)算出離子軌道通過(guò)狹窄縫隙時(shí)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)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(gè)問(wèn)題：

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

答：因?yàn)樵诘入x子體中五個(gè)硼原子中只有一個(gè)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(shí)間注入10B+離子束，這樣將影響生產(chǎn)的產(chǎn)量。

問(wèn)：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(kāi)嗎？

答:如果P+和P2++離子具有相同的能量，則質(zhì)譜儀無(wú)法將它們分開(kāi)，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤膍/q比，所以也具有相同的離子軌道。當(dāng)P+和P2++注入襯底時(shí)，P2++無(wú)法如P+一樣深入襯底，因?yàn)樗碾x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(guò)萃取電位的前端加速過(guò)程后，大部分的P2++離子會(huì)具有P+離子兩倍的能量，因?yàn)樗鼈兙哂须p倍的電荷。對(duì)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(huì)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(jiàn)上圖）。

審核編輯：劉清