瓦利安-离子注入机工作原理

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。

如前述，从等离子腔光圈出来的不仅仅是离子。电离过程的效率大约只有20%，这意味着有大约80%的气体分子没有电离。由于掺杂气体是在一定压力下导入离子腔的，那么就有多余的气体从离子腔的光圈排出来。排出的气体分子的大多数立即被真空泵抽走。剩下的一些气体分子被裹挟到了抑制极与接地极之间的区域或更远。这一区域的离子已经通过60kV电压的加速，具备了大量的能量。在这一区域的中性气体分子迁移到此，并没有被加速的能量。具有巨大相对速度的离子与气体分子之间碰撞产生二次电子。

这些带负电荷的二次电子立刻被拉向高电势的离子源腔室。这些轻质量的电子将获得巨大的能量，因为它们被全部的吸极电压和D1上的电压加速射向离子源。如果让这些电子自由前进直到和离子腔金属碰撞，将产生威胁的X射线。为了避免此事，我们在它们加速前进的路途中设置一个抑制极。这些电子在获得加速之前，被抑制极排斥，减速，并受到带正电的离子束的强大吸引。这些电子将加入到离子束中，和离子束一同穿过接地极。

注入机原理

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。而高温扩散，不是在真空条件下，扩散时间比较长，易受外界的钠离子以及其他杂质离子的沾污。 e)温度：离子注入可在低温（25~300℃）便可以工作，而扩散必须在（900℃— 1200℃）的高温条件下工作。 f)掩蔽：在进行选择性掺杂的时候，离子注入可用金属、二氧化硅、氮化硅及 抗蚀剂做掩蔽膜，而扩散法只能用二氧化硅、氮化硅做掩蔽膜。 g)浓度：离子注入通过设定注入剂量，可以任意改变掺杂浓度，注入浓度变化 范围广，而扩散法受杂质在硅中溶解度限制。 2、缺点：离子注入的设备庞大复杂、操作复杂,设备价格昂贵；对设备依赖性大，高能量的离子被注入到晶体内部后，使得在离子射程内的硅片区域，产生各种晶格缺陷，虽然这些缺陷可以通过退火得到改善，但不一定能完全消除。缺陷的存在，对器件的特性总是有些影响的；离子注入法的结深很浅（0—1微米），对于制造深结器件还有困难。高能射线对操作者有毒害。 四、 离子注入机 1、离子注入机的分类 ①按能量分：低能量机 60 kev 以下 中能量机 60 — 200 kev

瓦利安-离子注入机工作原理01解析

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。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 第1页

各类工业用离子源原理-国外资料

Broad-Beam Industrial Ion Sources 工业用宽光束离子源Staff of Kaufman & Robinson, Inc. H.R. Kaufman 考夫曼博士Technical Note KRI-01

介绍 一束宽的离子束通常直径几厘米或更大。光束直径也比德拜长度大得多，德拜长度是电场能穿透等离子体的典型距离。如果一束宽光束要保持在接近地电位，它就必须被中和(参见Tech. Note KRI-02)。为了中和，在离子束的每一体积中必须有大约相等数量的电子和带正电的离子。对于绝缘的目标，电子和closed-drift离子到达的数量必须相等。目标可以是溅射靶材，也可以是衬底。宽离子束中的离子能不超过2000ev。(单电荷离子通过2000伏特的电势差“跌落”获得2000 eV的能 量。)为了使损伤最小化，能量通常为1000 eV或更少。这里不考虑高能注入型的应用。只考虑防止加工表面损伤从而下降离子能量。宽束离子束有两大类:栅格型和无栅格型。 栅格离子源 栅格离子源的示意图如图1所示，其中描述了直流放电。离子是由圆形或长方形放电室中的放电产生的。可以使用几种类型的电子发射阴极。如图1所示热灯丝类型。离子也可以通过射频放电产生，而射频放电不需要电子发射阴极。通过束流电源，放电室保持在正电位。离子通过屏极上的小孔和加速器栅格被加速，这些栅格一起被称为离子光学。 可以使用不同的网格结构。最常见的是双栅极光学。直流放电时，屏栅极接近阴极电位。通过RF放电，屏栅极与束流电源的正端形成回路。正离子从正极放电室通过离子光学加速到达近地电位的目标。加速器栅格相对周围的真空室是负电位，以防止电子从中和器通过离子光学倒退。假设一个单电荷离子，在使用这类离子源时，离子获得的能量(单位为eV电子伏特)等于束流阳极电压，单位为V。 图一：有栅极离子源原理图 栅极离子源的工作压力在0.5毫托或以下。离子束的输出取决于离子光学设计。束流随着栅格间距的增大和孔径的增加而增大。根据栅格的形状和栅格中孔径的相对位置，离子束可以聚焦到一个小区域，平行，或者聚焦到一个大区域。对于给定的离子光学，离子束电流Ib取决于栅格之间的总电位差. 低电压下离子束电流急剧减小。通过增加负加速电压，可以在低电压下获得较大的离子束电流。但是一个大的负电压可以导致离子束散射，以至于到达目标的离子流实际上是减少了。三栅极光学可以在负电压较大的情况下减小光束散射，但效果有限，而且还会有其他的缺点。 无论使用何种离子光学器件，栅格离子源在低离子能量下都无法达到无栅格端霍尔离子源的离子电流容量。提供对离子轨迹控制的离子光学系统也是栅格离子源中最昂贵的部分，需要最多的维护。

离子注入强化机理分析

离子注入表面强化机理分析 汲雪飞刘先黎王宝山韩文君 摘要分析了离子注入表面强化的 机理 离子注入表面强化碰撞 ０ 前言　 离子注入是近几十年来逐渐发展起来的一种新颖的表面改性方法 人门开始采用离子注入法进行金属表面合金强化的研究 离子注入已在表面非晶化表面改性和离子与材料表面相互作用等发面取得了可喜的研究成果并逐步进入了推广应用阶段 经高压电场作用后以改变其表层的成分与性能的真空处理工艺亚稳定相大大改善了工作的使用性能 被电离的离子在电场作用下加速运动 并与表层晶体中原子核和电子发生碰撞离子不断消耗其能量 随着其能量不断减少 １．１　核碰撞　 注入离子与基体表层晶体内原子核的碰撞是个弹性碰撞过程 在离子能量比较低时 １．２　电子碰撞　 注入离子与基体表层晶体内电子的碰撞是个非弹性碰撞过程 电离或X射线发射电子碰撞是主要的 离子经多次碰撞后能量耗尽而停止运动单个离子在单位距离上的能量损失可以表示为两种能量损失之和 d E/d x = N [ Sn(E) + Sn(E) ] E 注入离子在基体表层内x处的能量 Sn(E) 能量为E 的注入离子在基体表层内 x时传递给基体表层内电子的能量 ２　离子注入强化机理 ２．１　辐照损伤强化　 具有高能量的离子注入金属表面后从而使晶格大量损伤 具有足够能量的注入离子与晶格原子碰撞并给后者大于其离位的能量时当碰传递给晶格原子的能量大于晶格原子的结合能时形成空位处于空位附近的间隙原子一系列的碰撞过程从而改变了正常的晶格原子的排列可使金属表面从长程有序变为短程有序使性能发生改变　２．２　弥散强化　 当注入的是非金属元素时如氮化物

产生弥散强化Ｂ＋等元素会与金属形成Ｆｅ４Ｎ　ＣｒＮ　Ｂｅ６Ｂ　Ｂｅ２Ｂ等硼化物使基体强化 使表面离子注入层已用电子衍射在注入Ｎ＋的铁或几种合金钢中结构状态的ＮＴｉ＋　Ｂ＋　ＴａＣ　 ＦｅＢ从而起强化作用 容易得到过饱和度很大的固溶体 另外造成位错运动的障碍 　 ２．５　相结构强化　 离子注入的强化效果与相结构有关渗碳体能通过注入Ｎ 　 ２．６　喷丸强化　 高速离子轰击基体表面　 因此与表层原子形成各种合金相与过饱和固溶体从而使基体材料表层强化 　 参　考　文　献　 １ 高技术新材料要览编委会编．高技术新材料要览．北京１９９３　 ２ 董允机械工业出版社 机械工业出版社 核技术在材料科学中的应用．北京１９８６　 ５ 赵文珍．金属材料表面新技术．西安１９９２　 ６　Ｓｉｎｇｅｒ　ＩＬ．Ｉｏｎ　Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ｅｄｓ．Ｈｕｂｌｅｒ　Ｇｋ，Ｈｏｌｌａｎｄ　ＯＷ，Ｃｌａｙｔｏｎ　ＣＲ，ｗｈｉｔｅ　ＣＷ）．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，１９８４，４　 　 作者简介女助讲表面改性

离子源的功能和分类

离子源的功能和原理 3、离子辅助镀膜的薄膜特性： 1、镀层与工件表面同时存在物理气相沉积及化学反应，故镀层结合力高。 2、膜层均匀致密、韧性好； 3、光谱特性稳定，温漂小 4、吸水性减少 5、折射率升高 6、粗糙度降低 7、激光阈值降低 8、膜层发雾，光散射增加 4、离子源参数、性能比较

离子源简介－考夫曼离子源 阴极钨丝加热发射热电子；电子与气体原子或分子碰撞； 气体电离在放电室形成等离子体； 多孔栅极产生加速电场； 离子被加速电场引出、加速、获得能量；中和钨丝产生电子； 磁场对电子运动进行约束，增加离化率； 中和电子对引出离子中和形成等离子体。 考夫曼离子源工作原理 （Kaufman Ion Source） 离子源简介－考夫曼离子源 优点： 栅极加速能量大 离子可聚束能量调节范围宽结构较为简单 缺点： ×离子源结构仍复杂×馈入氧、氮等反应气体阴极中毒 ×更换阴极灯丝困难×不属主流，较少采用 离子源简介－射频离子源射频离子源工作原理 射频放电将气体电离 在放电室形成等离子体 多孔栅极产生加速电场；中和钨丝产生电子； 离子被加速电场引出、加速、获得能量； 中和电子对引出离子中和形成等离子体。离子源简介－射频离子源

特点 优点： 栅极加速能量大 离子可聚束能量调节范围宽适用反应气体离子束辅助主流 缺点： ×结构复杂，稳定性差×价格昂贵×栅极需经常维护×辐照均匀区较小离子源简介－霍耳离子源 阴极钨丝发射热电子向阳极迁移电子与气体原子碰撞使其离化磁场中电子形成霍耳电流产生电场 离子被霍耳电场加速引出、加速 阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。 霍耳离子源工作原理 （Hall Ion Source） 离子源简介－霍耳离子源特点 优点： PowerIon-C-10A 典型参数 离子束流：5 A 离子能量：20-50 eV 无栅极、结构简单、维护简单 适用反应气体离子束辅助主流产品离子束流大易于控制等离子体中性以低能大束流工作 缺点：

离子源工作原理

提纲： Anode layer ion source的基本结构和演化 正交场放电，为什么是阳极层？ 阳极层加速原理，溅射的影响，离子束的发射效率与放电模式（低压/高压）的关系。 在DLC中应用的难点 短路？在一些电介质薄膜沉积中呢？ Physics and engineering of crossed-field discharge devices—Abolmasov 正交场放电器件可分为下图所示几个类型，图中每种构型都满足漂移形成闭合路径。三种主要构型为：圆柱、环形和平面构型。被约束在漂移路径内的电子行程足够长，增加了对本底气体的离化几率。

电子的漂移运动形成Hall电流， 除此之外，电子在垂直磁力线方向的运动形成阳极感受的放电电流， 考虑到 在强场近似下，。如果考虑电子的反常输运，。 注意，在沿着磁力线方向上，碰撞会阻碍电子运动；而在垂直于磁力线方向上，迁移需要碰撞，其频率与电子运动能力成正比。假设，电子的larmor轨道大部分时间内是完整的。电子的随即运动步长与无磁场时是一致的。那么，我们可以认为B场为等效气压。 宽束离子源的引出往往是通过包含加速-减速功能的多孔栅极引出的。栅极引出的离子束可以精确地控制离子能量和剂量，但并不适用于低能离子束应用。这是因为栅极之间的空间电荷效应 d即是栅极间距。（更高的引出束流意味着更高的电压） 无栅极离子源

无栅极离子源起源于空间推进器项目。该种Hall离子推进器分为两类：SPT和TAL，前者和后者的区别在于延长的加速通道和绝缘壁的使用。由于TAL不需要电子发射器（阴极灯丝）辅助运行，使其更适宜工业应用。 TAL中，如图2(d)，轴向电场建立在阳极和阴极极靴之间，形成环形加速通道。极靴之间形成径向磁场。正交场驱使电子沿角向运动，阻止了电子向阳极的直接流动——主要的电位降发生在阳极附近的磁化电子云中（阳极鞘）。该电位降将离化区的离子加速远离放电通道。由于无离子鞘，TAL的离子流不受空间电荷限制。 TAL应用在工业生产中的变种ALIS，其离子能量分布范围很宽（这是因为不同离化位置的电位不同），离子束的平均能量（veeco的说法是60%）。该离子源适用于需要能量大于100eV、分散束流、较宽能量分布情况的应用，同时，应用领域可以接受一定数量的溅射污染。由于没有灯丝，ALIS也可在反应气体下放电。 End-Hall源也属于无栅极离子源范畴，但不同于TAL。End-Hall源的磁场是轴向发散的，导致其放电机制有很大不同。在较低的碰撞频率下（），电子与发散磁场作用，产生了离子的加速场。这种机制也就限制了其运行的上限为，且需要中和器。 放电模式的分类 尽管存在不同的放电构型，正交场放电的 共性还是明显的，如上述提到的Hall电流。 不过，目前尚未有一个关于正交场放电的 完备理论。这导致设计正交场放电设备的 尝试是建立在实验基础上的。本文认为四 种基本构型：penning放电、ALIS、圆柱磁 控和平面磁控，可以用Schuurman分类描 述。 在低气压下（<10-4Torr），电子约束时间远 长于离子渡越时间。因此放电是纯粹的电 子等离子体。低压放电有两个区间：低磁

离子源

目前，气相质谱和液相质谱的联用已经越来越普及。作为质谱仪中的一个重要组成部分—离子源有哪些种类以及各自不同的用途呢？ 首先对于气相质谱（GS/MS）来说，主要有电子轰击电离源（EI）、化学电离源（CI）和场致电离源（FI）及场解吸电离源（FD）。EI是利用一定能量的电子与气相中的样品分子相互作用（轰击），使分子失去电子，电离成离子。当分子离子具有的剩余能量大于其某些化学键的键能时，分子离子便发生碎裂，生成碎片离子。其优点在于它是非选择性电离，只要样品能气化都能够离子化，且离子化效率高、灵敏度高；能够提供丰富飞结构信息，是化合物的指纹谱；有庞大的标准谱库供检索。其缺点在于不适用于难挥发、热不稳定的样品，而且只能检测正离子，不检测负离子。CI是指引入一定的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或裂解，生成的离子和反应气分子进一步反应或和样品分子发生离子分子反应，通过质子交换使样品分子电离。其优点在于可以通过控制反应，根据离子亲和力和电负性选择不用的反应试剂，用于不同化合物的选择性检测。其缺点在于也不适用于难挥发和热不稳定样品，谱图重复性不如EI图谱，而且反应试剂容易形成较高的本底，影响检测限。FI和FD是一种软电离方式，由一个电极和一组聚焦透镜组成，形成高达几千伏的强电场，使气态分子的电子被拉出而电离。其优点在于几乎没有碎片离子，没有本底，图谱很干净。缺点在于仅适用于扇形磁场质谱和飞行时间质谱仪，我们常见的四级杆质谱和离子肼质谱都不能配置FI和FD源，而且高压容易产生放电效应，操作也更难一些。EI源是我们最常见的气质离子源。

对于液相质谱（LC/MS）来说，主要有大气压离子源（API）、快原子轰击源（FAB）和基质辅助激光解析电离源（MALDI）三种电离方式。API主要给出分子量信息，一定条件下可以提供有限的信息结构，它又包括电喷雾电离（ESI）和大气压化学电离（APCI）。ESI是指样品溶液从毛细管流出时，在电场及辅助气流的作用下喷成雾状的带电液滴，液滴中溶剂被蒸发，使液滴直径变小，发生“库伦爆炸”，把液滴炸碎，此过程不断重复，形成样品离子。其优点在于能够给出分子量信息，适合于离子型和极性分析物，灵敏度高，高分子量测定，适合毛细管高效液相色谱，缺点在于对液相的流速有一定的限制，在高盐浓度下对离子有抑制。APCI是指样品被迫通过一根窄的管路喷雾针，使其得到较高的线速度，并且给喷雾针高温加热及雾化气，使液流在脱离管路的时候快速蒸发成液体，然后再大气压条件下利用尖端高压放电而使分析物发生气相化学电离。其优点在于使用方便，耐用性好，灵敏度高，可以匹配高流速，适合于非极性至弱极性样品，小分子样品以及抗菌素和碱性药物等。其缺点在于有可能发生热裂解，有低质量端的化学噪声大，有限的结构信息。因此ESI和APCI是互补的。FAB离子化能力强，适用于强极性、挥发性低、热稳定性差和相对分子质量大的样品，对非极性样品灵敏度下降、低质量区以下产生较多干扰峰。MALDI的准分子离子峰很强，几乎没有碎片离子，可以直接分析蛋白质酶解后多肽混合物，对样品中杂质的耐受量较大，适用于多肽、蛋白质、糖蛋白、DNA片段、多糖及其他生物技术产品的分析。API源是我们最常用的液质离子源。 ELEMENT GD双聚焦辉光放电质谱仪

低能强流离子注入机实验装置简介

低能强流离子注入机实验装置简介 3.1仪器的整体结构： 图3.1 仪器实物图 该图为本论文所使用的仪器的整体实物图，如下图示意图所示，该仪器从头到尾依次为离子源，引出系统，聚焦透镜，速度选择器，聚焦透镜，X-Y 偏转系统，聚焦透镜，波恩管，靶室。下文依次介绍各个部件

图3.2 仪器示意图 3.2离子源及引出系统 图3.3 离子源实物图 离子源是加速器的重要部件，它的功能是将样品物质电离成带电的原子离子或分子离子。离子源应具有电离效率高，聚焦性能好，离子初始能量发散小，传输效率高，离子流稳定等特点。

图3.4 离子源及引出剖面示意图 如图所示，离子源内部为真空环境，其内部带有环状灯丝。由样品入口将气体导入，通过加大灯丝电流，由灯丝阴极发射出电子。从阴极发射的电子通过中空的阳极被加速，到达对阴极之前又被减速并反向加速，电子在阴极-阳极-对阴极之间来回振荡，在轴向磁场的作用下作螺旋进动，并在空间上被磁场约束在轴线附近，不致扩散阳极边缘，从而使电子可以经历很长的路程，使气体碰撞游离的几率大大增加。当电子通过电离盒射向阳极时，具有一定能量和几何形状的电子束不断轰击样品气体，可使通入的气体发生电离，产生包括正离子在内的各种产物，正离子被引出极引出离子源。大部分样品气体和电子，离子产物被离子源的真空泵不断抽走。离子源四周带有环形磁场，灯丝与源磁铁之间为绝缘状态。环形磁场可以约束内部离子沿螺旋轨迹前进，增加样品气体与电子束的碰撞机会，提高电离几率，进而提高离子产生率。当样品气体在离子源内被大量电离时，由于引出极与灯丝间有150V的起弧电压差，在电场作用下，大量正离子被引出，同时赋予离子一定的初速度。由于引出口的大小问题，在正离子被导出引出极时，会有大量离子打在引出板上，产生起弧电流。

离子源与质谱仪作用机理

离子源与质谱仪作用机理 质谱离子源及质量分析器的种类及作 用机理 课程名称掺伪掺杂食品鉴别与检验技术 学院专业姓名学号指导老师 二〇一四年七月 质谱离子源及质量分析器的种类及作用机理 质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，可用来分析同位素成分、有机物构造及元素成分等。其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。与色谱分析技术同为现代掺伪掺杂技术的支撑，色谱是一种分离的手段，而质谱是一种鉴定手段，检验过程中通常采用质谱联用技术。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。 质谱分析作为一种新型的现代仪器分析手段，因其高灵敏性、高准确性、高选择性、分析检测范围宽以及其定性、定量方面的强大功能等特点，在食品添加剂、激素、抗生素，农兽药残留等食品分析检测领域得到了广泛的应用。下面主要介绍几种主要：质谱离子源及质量分析器的种类及作

用机理。 1 离子源类型——“接口”技术 离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的质谱仪不可缺少的部件。离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。在很多情况下进样和离子化同时进行。常用的离子源有以下几种。 1.1快原子轰击源(Fast Atomic bombardment，FAB) FAB是一种常用的离子源，由Barber研究小组于1981年研发成功并使用，适合于分析离子化能力强，极性强，分子量大、难气化、热稳定性差的样品，例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等，但对非极性样品灵敏度下降、低质量区以下产生较多干扰峰。FAB得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。但是，它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰。FAB 主要用于磁式双聚焦质谱仪。 1.2电喷雾电离源(Electrospray ionization，ESI) 样品溶液经色谱柱分离，流经色谱管，到达喷雾针，针上加有3~5kV 的电压，在强电场和雾化气的作用下，溶液迅速雾化产生高电荷液滴，并形成扇状喷雾。在加热辅助气及高温条件下，溶剂迅速蒸发，带电液滴的表面积不断缩小，表面电荷密度逐渐增大。当密度达到“Rayleigh极限”时，带电雾滴中的样品就会由于雾滴发生“库伦爆裂”而分离出来，形成样品离子。带电的碎片离子就在电场的作用下进入质谱的质量分析器进行

离子源工作原理

端部霍尔离子源工作原理 工作气体的中性原子或分子从气体分配器的孔进入阳极包围的放电区，从阴极发射的电子近似沿磁力线进入该放电区与工作气体的原子或分子发生碰撞。其中一些碰撞产生了离子，放电区的电子和离子的混合物构成了等离子体。从阳极到阴极方向中性原子或分子的密度是迅速下降的，所以大部分导致电离的碰撞发生在阳极包围的放电区内。 平行于磁场的电导远大于垂直于磁场的电导，磁力线就近似于等离子体的等势线，靠近对称轴的磁力线接近阴极电位，靠近阳极的磁力线接近阳极电位。这种径向的电位差用朗谬尔探针测量是存在的。同时发现沿磁力线也存在电势差，趋向于把离子从阳极向阴极加速。造成沿磁力线电势差的原因将在后面讨论。在放电室形成的离子起初既向阴极又向对称轴加速。因为动量的存在，向对称轴运动的离子不会停留在对称轴，而是会继续运动，通常会被对称轴另一侧的正电压反射。根据离子形成位置的不同，它可能在离开离子源之前多次穿越对称轴。 因为行进路径的多样性，使离子在离开离子源运动到阴极外面后形成宽束离子束。离子束中的正电荷将会被阴极产生的一部分电子中和。阴极产生的绝大部分电子回到阳极产生离子同时又形成了加速离子向阴极外部运动的电势差。发散型磁场和阳极-阴极之间的电势梯度使大多数离子向下游运动离开离子源。 阳极电流由原初电子和二次电子构成，二次电子电流等于总的离子产额，当阴极发射电流等于阳极电流时，从阴极发射的多余电子足够充当离子束的中和电流。 阴极发射电流I e可以认为是由回流到阳极的放电电流I d和对离子束起中和作用的中和电流I n构成I e=I d+I n(1) 由于离子受轴向和径向电场引导几乎都流入离子束，阳极电流I a主要来源于电子。这个电流由来自于阴极的放电电流和离化过程中的二次电子电流I s构成 I a=I d+I s(2) 由I e=I a 有 I n=I s。(3) 将电荷转换，离子束流I b等于二次电子电流I s，所以有 I n=I b。(4) 即在发射电流等于阳极电流条件下，可得到用于中和离子束的电子流等于离子束的束流。 由于发散型磁场的存在，主要有两种机理产生加速离子的电势差。其一是穿越磁力线减弱的等离子体电导。强场近似适用于具有几百高斯场强的端部霍尔源。平行于磁场和垂直于磁场的电导比可表示为 σ∥/σ⊥＝(ω/ν)2(5) ω是电子的回旋频率，ν是电子共振频率，在穿越强磁场时，电子碰撞频率由反常扩散的等离子体涨落决定。用波姆扩散估算此频率，可以表示为 σ∥/σ⊥＝256 (6) 因为波姆扩散只在内准确，6式的比值只能在一个数量级认为是正确的，可以表示为σ∥＞＞σ⊥(7) 从平行于磁场和垂直于磁场的电导差异，可以认为磁力线近似于等离子体的等势线。进一步讲，靠近阳极的磁力线会带有更高的正电压。用朗谬尔探针测量了径向的等离子体电势，测量显示，从对称轴到阳极边缘电势是上升的。但这个电势升高只占阳极-阴极电势差的一小部分，大部分阳极-阴极电势差出现在轴向方向上，也就是电势差的主要部分出现在平行于磁场的方向。

中束流离子注入机

M/C离子注入机 §1. 概述 在半导体行业中，离子注入的机台主要分为高能量（H/E），大束流（H/C），中束流（M/C）三种。这里主要介绍的是中束流的离子注入机台。 中束流机台（Medium Current）一般是单个晶片进行注入，注入的剂量一般在1E11到1E14之间，而能量则在5kev到200kev 之间。 我们经常用到的4种离子为： 1．B 12Kev 1.6E12 30μA 2．B 185Kev 2.254E13 156μA 3．P 20Kev 6E13 850μA 4．As 200Kev 2.7E12 50μA §2. M/C机台介绍 2.1型号 我们常见的M/C型机台是Nissin公司生产的Exceed2000AH型，另外还有Axcelis公司生产的NV-8250型和Varian 公司的EHPi 500型。下面给出的是Nissin 的Exceed2000AH的外观图 机台的基本情况为： 3200W * 6385L * 2600H 重量为17，500Kg, 地板承受的压力为1000Kg/m2

其中，控制面板如图所示。 2.2工作原理 离子植入的基本原理就是把气体或固体源的原子离子化，然后对离子进行选择，把所需的离子进行加速，达到所需的能量，注入到硅片中的过程。 下面就是整个机台的俯视图，主要分为End Station, Beam Line, Ion Source三个大的部分。 2.3主要部件 2.3.1 离子源（Ion Source）。 因为我们要注入的杂质是有一定的能量的，所以必须对杂质进行加减速，而只有带电微粒才能在电场的作用下加减速，因此要使杂质离子化。离子源就是用电子撞击气体分子，得到我们所需要的离子的部件。离子源包括Arc chamber 和Extraction electrode 系统。

离子源介绍

离子源介绍 2.1 离子源概述 离子源是通过中性原子或分子电离，然后将它们引出并形成离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、离子推进器、离子束加工设备等仪器中不可缺少的关键部件。离子源一般分为气体型离子源和固体型离子源。 2.1.1 结构与组成 一般离子源的结构如图1.1所示，基本工作原理为：热发射或场致发射的电子在放电室里面被加速，被加速的电子撞击气体分子使之离解、电离，形成等离子体，由引出系统从等离子体中引出离子束。 图2.1 离子源的一般结构 2.1.2 离解、电离及复合过程 解离是指分子在载能电子的作用下离解成原子；电离是指分子或原子在载能电子的作用下电离形成离子。我们以氢为例给出一个典型的离解和电离方程： 1H + e （离解过程） 2H 2 + e → 2 1H + e → H++ 2e （电离过程） ++ 2e（分子离子） 2H 2 + e → H2 2H+ + e → 2H++ 3e （原子离子) 第1页

复合过程是指离子捕获电子形成中性原子或分子的过程。 离解、电离及复合是一动态过程，当电离过程与复合过程达到动态平衡，放电就达到了平衡，稳定的等离子体就形成了。 2.1.3 等离子体的密度 等离子体的密度是离子源的重要参数。等离子体的密度越高，引出的离子束流就越强，离子源的性能就越好。提高等离子体密度的方法，一般是在放电室中加一轴向磁场，其主要作用为： a）使电子做螺旋运动，提高电子与原子的碰撞次数，提高电离几率。 b）使离子受到径向的约束力，减少与放电室内壁碰撞而复合的几率。 2.1.4 离子源引出系统和聚焦系统 气体放电，电子与原子、分子的碰撞，用离子轰击阴极材料以及表面电离过程都能够产生离子，然后通过引出系统形成离子束。离子源的引出系统是离子源的重要结构。聚焦系统用于调节离子束的发射度、能散度和线性度等等，离子束的各项指标都与引出系统和聚焦系统密切相关。 2.2 离子源的种类 根据使用条件和用途的不同，离子源的类型有很多。其中，使用较为广泛的有高频离子源、弧形放电离子源、潘宁离子源、双等离子体离子源、双彭源，这些离子源都是以气体放电过程为基础的，它们都是常用的正离子源。性能较好的负离子源有转荷型负离子源和溅射型负离子源两种类型，并且，在一定条件下，以气体放电为基础的各种离子源都能够提供一定的负离子束流。 2.2.1 高频离子源 高频离子源是一种电子震荡式离子源，放电室内有高频的电磁场和轴向的稳恒磁场，放电室内的电子进行高速的回旋震荡，增加了电子与原子的碰撞次数，使气体分子充分电离，形成等离子体。然后利用阳极形成的轴向电场，将正离子从吸极的孔道中引出。在某些条件下，它也可以引出负离子束，当作负离子源使用。 高频离子源的电磁场的激励方式一般采用电感耦合或电容耦合。图2.2所给出的是电感耦合式，采用电容耦合式时，放电室上下层以两个金属材料制成的电容环代替高频电感线圈。 2

离子源工作原理

提纲: Anｏｄｅｌayｅｒiｏn souｒce得基本结构与演化 正交场放电,为什么就是阳极层？ 阳极层加速原理,溅射得影响,离子束得发射效率与放电模式(低压/高压)得关系、 在DLC中应用得难点 短路？在一些电介质薄膜沉积中呢? Phｙｓｉcｓanｄengineeｒing ｏf crｏssed－fｉelｄｄiｓchargｅｄeｖiceｓ-Abolmas ｏv 正交场放电器件可分为下图所示几个类型,图中每种构型都满足漂移形成闭合路径。三种主要构型为:圆柱、环形与平面构型。被约束在漂移路径内得电子行程足够长,增加了对本底气体得离化几率。 电子得漂移运动形成Hall电流, 除此之外,电子在垂直磁力线方向得运动形成阳极感受得放电电流, 考虑到 在强场近似下,。如果考虑电子得反常输运,。 注意,在沿着磁力线方向上,碰撞会阻碍电子运动;而在垂直于磁力线方向上,迁移需要碰撞,其频率与电子运动能力成正比、假设,电子得larmoｒ轨道大部分时间内就是完整得、电子得随

即运动步长与无磁场时就是一致得。那么,我们可以认为B场为等效气压。 宽束离子源得引出往往就是通过包含加速-减速功能得多孔栅极引出得。栅极引出得离子束可以精确地控制离子能量与剂量,但并不适用于低能离子束应用。这就是因为栅极之间得空间电荷效应 ｄ即就是栅极间距。(更高得引出束流意味着更高得电压) 无栅极离子源 无栅极离子源起源于空间推进器项目。该种Ｈａｌl离子推进器分为两类:SPT与TAL,前者与后者得区别在于延长得加速通道与绝缘壁得使用。由于TAＬ不需要电子发射器(阴极灯丝)辅助运行,使其更适宜工业应用。 ＴAL中,如图2(d),轴向电场建立在阳极与阴极极靴之间,形成环形加速通道。极靴之间形成径向磁场。正交场驱使电子沿角向运动,阻止了电子向阳极得直接流动—-主要得电位降发生在阳极附近得磁化电子云中(阳极鞘)、该电位降将离化区得离子加速远离放电通道。由于无离子鞘,TAL得离子流不受空间电荷限制。 TAL应用在工业生产中得变种ALIＳ,其离子能量分布范围很宽(这就是因为不同离化位置得电位不同),离子束得平均能量(veeco得说法就是６0％)。该离子源适用于需要能量大于100eV、分散束流、较宽能量分布情况得应用,同时,应用领域可以接受一定数量得溅射污染、由于没有灯丝,ALIS也可在反应气体下放电。 Ｅnd—Hall源也属于无栅极离子源范畴,但不同于ＴAL。End-Ｈalｌ源得磁场就是轴向发散得,导致其放电机制有很大不同。在较低得碰撞频率下(),电子与发散磁场作用,产生了离子得加速场。这种机制也就限制了其运行得上限为,且需要中与器。 放电模式得分类 尽管存在不同得放电构型,正交场放电得共性还就是明显得,如上述提到得Halｌ电流。不过,目前尚未有一个关于正交场放电得完备理论。这导致设计正交场放电设备得尝试就是建立在实验基础上得。本文认为四种基本构型:pｅnning放电、ALIS、圆柱磁控与平面磁控,可以用

Varian 离子注入设备规格

Varian 离子注入机 EHP220设备规格 1.概要 本E220中束流离子注入机使用离子源，通过磁分析器、平行束透镜、加速系统等系统来完成注入。B+束流达0.9mA，P+束流达1.6mA，As+束流达1.2mA。 2. 系统组成 E220中束流离子注入机主要由以下几个主要系统组成： 2-1）、束线系统； 2-2）、靶室系统； 2-3）、电源系统； 2-4）、辅助系统； 2-5）、控制系统； 3. 性能指标 3-1）、离子能量：10-200keV （+） 3-2）、束流 最小束流：10μA，且能稳定 最大束流： 3-3）、工作效率 机械传送效率≥160片/小时(10scans)。 3-4）、注入均匀性及重复性 注入剂量均匀性：1σ≤0.5% 注入剂量重复性：1σ≤0.5% 3-5）、质量分析能力 M/△M≥85（≥100KV） 3-6）、颗粒污染测试 颗粒污染控制＜0.1/cm2@0.2μm。 3-7）、圆片注入倾斜角度 圆片注入倾斜角度：0～60° 3-8）、靶注片方式 靶注片方式：单圆片注入 圆片直径：200mm 3-9）、系统真空度 静态离子源真空度： 3.00E-6 Torr

静态束线真空度： 4.00E-6 Torr 静态靶室真空度： 5.00E-6 Torr 3-10）、辐射剂量 辐射剂量：≤2usv／h 4. 场务安装 4-1）、安装条件 电源：45KVA ， 208V，3相，5线，50/60Hz 冷却水：入口 2.8Kg/cm2(mix) -10.5 Kg/cm2(max), 0.63L/S 21℃(max)干氮：1.4Kg/cm2(mix) -10.5 Kg/cm2(max) 0.47L/S(normal) - 4.7L/S(max) 压缩空气：7Kg/cm2(mix) -10.5 Kg/cm2(max) 2.35L/S（mix） 通风：70.5L/S 、压力-500Pa（气箱排气） 2.58L/S（终端排气） 2.58L/S（靶室排气） 散热：10 kwh（空气） 32.5 kwh（水） 尺寸：498cm×310cm×244cm 重量： 11000Kg 4-2）、废气排放 设备废气排放图详见附件图1 4-3）、重心分布 设备重心分布图详见附件图2 5. 附属品 5-1）、工具 维护保养设备所需工具：1套/台 5-2）、离子源离子源：1套/台 6. 性能指标验收 整机指标测试

离子源溅射原理

离子源（Ion Beam Sources）的分类及原理 等离子体是指被激发的气体达到一定电离度（＞10-4），气体处于导电状态，这种状态的电离气体是由大量接近于自由运动的带电离子所组成的体系，在整体上是准中性的。粒子运动与电磁场（外电场和粒子间的自洽场）是不可分割的，这种互相作用的电磁力是长程力，从而使等离子体显示出集体行为的特点，即电离气体中每一带电离子的运动都会影响到其周围带电离子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现为电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，这种气体状态为等离子体态简称等离子体。有由于它独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故又称之为物质的第四态。 离子源是离子束溅射(IBS)和离子束加工(IBF)设备的关键部件。R&R公司的宽离子束源目前主要有Kaufman离子源、微波ECR离子源和RF离子源。其工作原理是利用气体放电产生等离子体，等离子体由电子、离子和中性粒子所组成，并被引出成束，成为离子源。 R&R离子源有两个栅极（或者三个栅极），分别为屏栅和加速栅，两极之间加一电压，电压的正极接屏栅，负端接引出极，因此，在等离子体边界和引出电极之间就形成一个加速离子的电场，当离子从等离子体发射面发射出来以后，被

电场加速，通过小孔，形成离子束，再经过中和器中和后直接轰击基板或靶。中和器的目的是为了避免电荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。 Kaufman离子源 kaufman离子源是应用较早的离子源，属于栅格式离子源。首先从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速而获得相应于等离子与阴极电位差的能量，它与进入电离室的气体原子相碰撞，气体原子被碰撞电离，形成离子及二次电子，电子及离子形成放电室等离子体。该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学作用区。由于离子光学的作用，离子被拔出，并形成离子。每个小孔形成的离子束经过发散混合及中和形成带能量、中性的宽离子束。由离子所获得的能量应是阳极电压与屏极电压之和（一般而言，由于阳极电压远小于屏极电压，故近似考虑屏极电压为离子加速能量）。该离子束有能量、方向、具有一定宽度口径、又是中性的离子束，在无场空间中对光学膜进行加工，离子束参数（能量，束流密度）可以方便控制，再现，与气压无关，这就大大增加了工艺的稳定性。 微波ECR离子源

离子源说明书

西安工业学院 薄膜技术与光学检测重点实验室 2005年3月

目录 1.概述 2.宽束冷阴极离子源原理 3.宽束冷阴极离子源主要性能 4.离子源的基本结构与供电电源 5.离子源的安装 6.离子源的使用 7.离子源的维护及常见故障排除附录：离子源电源原理图

1. 概述 宽束冷阴极离子源是离子束辅助蒸发技术的关键设备。该源具有结构简单、操作方便、污染小、寿命长等特点。已成功地应用于多种金属膜（Al，Ag，Au等），介质膜（ZnS，MgF2，TiO2，SiO2，Al2O3，Sn:In2O3等）的离子束辅助蒸发。 通常，为适应不同尺寸真空镀膜室的使用要求，需制成不同口径的离子源，以保证离子束的辐照面积以及均匀性的要求。为提高装置的使用灵活性，将两个以上结构相同的宽束冷阴极离子源体（称之为多体）安装到较大尺寸的真空镀膜室中，这样用较小口径的离子源，可以获得较大范围的离子束。同时，各个离子源还可以单独使用。 2.宽束冷阴极离子源原理 多体宽束冷阴极离子源的各个离子源，具有相同的工作原理和结构尺寸。 图2.1为离子源原理示意图。气体在阳极电压Vd的作用下发生辉光放电，等离子体中的离子将向上阴极和下阴极运动；电子将向阳极运动，同时，在轴向磁场的作用下，电子作螺旋运动，由于电子运动路径增大，电子与气体碰撞几率增加。气体电离效率增大，使等离子体维持一定的浓度。在阴极电压Va的作用下，离子由下阴极和引出极组成的引出系统引出。 1 2 3 4 1.上阴极； 2.阳极； 3.下阴极； 4.引出极 图2.1离子源原理示意图 引出离子的能量：E = e [ Va+Vd ] (电子伏特) (2.1) 引出离子的电流：I ∝Va3/2 (2.2)

离子注入技术(Implant)

离子注入技术 摘要 离子注入技术是当今半导体行业对半导体进行掺杂的最主要方法。本文从对该技术的基本原理、基本仪器结构以及一些具体工艺等角度做了较为详细的介绍，同时介绍了该技术的一些新的应用领域。 关键字 离子注入技术 半导体 掺杂 1 绪论 离子注入技术提出于上世纪五十年代，刚提出时是应用在原子物理和核物理究领域。后来，随着工艺的成熟，在1970年左右，这种技术被引进半导体制造行业。离子注入技术有很多传统工艺所不具备的优点，比如：是加工温度低，易做浅结，大面积注入杂质仍能保证均匀，掺杂种类广泛，并且易于自动化。 离子注入技术的应用，大大地推动了半导体器件和集成电路工业的发展，从而使集成电路的生产进入了大规模及超大规模时代（ULSI ）。由此看来，这种技术的重要性不言而喻。因此，了解这种技术进行在半导体制造行业以及其他新兴领域的应用是十分必要的。 2 基本原理和基本结构 2.1 基本原理 离子注入是对半导体进行掺杂的一种方法。它是将杂质电离成离子并聚焦成离子束，在电场中加速而获得极高的动能后，注入到硅中而实现掺杂。 离子具体的注入过程是：入射离子与半导体（靶）的原子核和电子不断发生碰撞，其方向改变，能量减少，经过一段曲折路径的运动后，因动能耗尽而停止在某处。在这一过程中，涉及到“离子射程”、“”等几个问题，下面来具体分析。 2.1.1 离子射程 x p y p z

图2.1.1（a ） 离子射程模型图 图2.1.1（a ）是离子射入硅中路线的模型图。其中，把离子从入射点到静止点所 通过的总路程称为射程；射程的平均值，记为R ，简称平均射程 ；射程在入射方向上的投影长度，记为p x ,简称投影射程；投影射程的平均值，记为p R ，简称平均投影射程。 入射离子能量损失是由于离子受到核阻挡与电子阻挡。定义在位移 x 处这两种能量损失率分别为n S 和 e S ： n n x dE S d = （1） e e dE S k dx == （2） 则在dx 内总的能量损失为： ()n e n e dE dE dE S S dx =+=+ （3） P 000 0P 0 n e d d d d d R E E E E R x E x S S ===+? ?? （4） n S 的计算比较复杂，而 且无法得到解析形式的结果。图2.1.1(b)是数值计算得到的曲线形式的结果。e S 的计算较简单，离子受电子的阻力正比于离子的速度。 左图中，2E E =时， n e S S = 图2.1.1（b ）离子总能量损失率数值计算曲线 y p x p r p r d d E x e d ()d E x n d ()d E x