平行束磁透鏡的研究

胡振東，孫雪平，彭立波

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙410111）

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平行束磁透鏡的研究

胡振東，孫雪平，彭立波

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙410111）

摘要：離子注入機(jī)單純的靜電掃描造成注入角度的不一，已經(jīng)不能滿足器件性能的一致性要求，所以產(chǎn)生平行的離子束就很重要，為此介紹一種均勻磁場下的平行束磁透鏡，可以產(chǎn)生近似平行的離子束；獲得離子束的平行度小于0.43°，滿足大規(guī)模集成電路制造生產(chǎn)線的使用要求。

關(guān)鍵詞：磁透鏡；平行束；離子注入

離子注入是現(xiàn)代集成電路制造中的一種非常重要的技術(shù)。離子注入的工藝要求主要包括：均勻性、可重復(fù)性、能量純度、注入角度準(zhǔn)確性、雜質(zhì)污染等。注入角度準(zhǔn)確性是衡量注入工藝質(zhì)量的一個(gè)很重要的參數(shù)。離子入射角度不同將造成離子注入到晶片的深度改變，從而影響器件的電氣參數(shù)，因此對于離子束入射角度的控制非常必要。

由于傳統(tǒng)的批處理注入因角度效應(yīng)導(dǎo)致注入角度一致性差，已經(jīng)不能滿足更小關(guān)鍵尺寸和更大晶片的制造要求。目前普遍采用的是單晶片注入技術(shù)，單晶片注入技術(shù)有兩種方法：一種是平行離子束1-D機(jī)械掃描，另一種是斑點(diǎn)式離子束2-D機(jī)械掃描。隨著硅片尺寸的增大，采用斑點(diǎn)式離子束2-D機(jī)械掃描方式勢必使得硅片中心處的注入角度與邊緣處的注入角度有很大的差別，從而使得注入均勻性很難控制在1%以內(nèi)，而且溝道效應(yīng)也很難抑制。因此，現(xiàn)在先進(jìn)的離子注入機(jī)一般采用平行離子束1-D機(jī)械掃描，即離子束先在水平方向接受掃描，再通過平行透鏡裝置形成平行的帶狀離子束后再注入硅片中，而硅片則上下移動掃描。這樣離子束在硅片各個(gè)部位注入時(shí)都能有一個(gè)固定的角度，克服了斑點(diǎn)式離子束2-D機(jī)械掃描的缺陷［1］。

平行束透鏡裝置在離子束應(yīng)用上磁透鏡比靜電透鏡更好，因?yàn)殡妶龅拇嬖趶碾x子束中除去了中和了的電子，引起空間電荷導(dǎo)致離子束難控制的問題。在低能和大束流的情況下這一問題尤為嚴(yán)重［2，3］。平行束磁透鏡又分為非均勻場和均勻場兩種。本文主要是研究均勻場磁透鏡，首先利用幾何方法對透鏡的磁極形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，并依據(jù)離子注入機(jī)參數(shù)要求設(shè)計(jì)出磁透鏡。然后通過磁透鏡裝置在離子注入機(jī)的應(yīng)用，來檢測實(shí)際平行度是否符合要求。

1　平行束磁透鏡的原理

平行離子束的形成過程就是離子束在水平方向上受到高壓靜電掃描板掃描后，進(jìn)入平行束透鏡裝置的入射邊，離子在透鏡裝置磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并以大約相同的角度從出射邊離開。不論離子以什么角度進(jìn)入透鏡裝置，都以相同的角度離開，如圖1所示。

圖1　均勻磁場平行束原理圖

均勻場磁透鏡的結(jié)構(gòu)大體如圖2所示。包括磁軛、磁極、線包和真空盒所組成，兩個(gè)磁極的端面互相平行，真空盒放在磁極之間，作為離子束通道，當(dāng)線包通直流電時(shí)，在平行磁極面之間的空間里產(chǎn)生均勻磁場區(qū)。

圖2　均勻場磁透鏡結(jié)構(gòu)

2　均勻場磁透鏡的設(shè)計(jì)

本文均勻場磁透鏡的設(shè)計(jì)主要介紹磁極邊界的設(shè)計(jì)、最大磁場強(qiáng)度以及線包安匝數(shù)計(jì)算三個(gè)方面。

2.1磁極的邊界

如圖3所示在直角坐標(biāo)xoz中，平行束透鏡均勻磁場區(qū)域?yàn)槿肷溥卆b和出射邊cd包圍的區(qū)域，離子束在受到掃描板的電場作用下，在掃描原點(diǎn)o以角度θ從入射邊ab進(jìn)入均勻磁場B中，磁場方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?，離子在磁場中受到洛倫茲力的作用下作圓周運(yùn)動，偏轉(zhuǎn)半徑為R。偏轉(zhuǎn)角度為α+θ，無論離子入射角度θ為多大，最后都以α角從出射邊cd離開磁場。從圖3可以看出α+θ越大則離子在磁場中穿過的路徑越長。 由入射的3個(gè)切點(diǎn)構(gòu)成的圓弧為入射面的邊界ab，出射的3個(gè)切點(diǎn)構(gòu)成的圓弧為磁極出射面的邊界cd。

以上得到是理論的均勻場磁極邊界面，未考慮邊緣場的影響。但邊緣場是實(shí)際存在的，在磁極邊界附近，由于磁力線向外空突出，場強(qiáng)逐漸減小。考慮邊緣場的影響，即磁極的實(shí)際邊界在理論邊界的基礎(chǔ)上往內(nèi)偏移Δ，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Δ=0.7D［5］（D為磁極間距）。

圖3　均勻場磁透鏡原理圖

根據(jù)光路設(shè)計(jì)要求等到輸入?yún)?shù)，見表1。

通過輸入表1中的參數(shù)可以得出a′b′和c′d′邊，從而可以確定磁極形狀。

表1　光路設(shè)計(jì)要求的參數(shù)

2.2磁場強(qiáng)度

根據(jù)帶電粒子在磁場中的受洛倫茲力作拉莫運(yùn)動，由磁場剛度公式得磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：R為偏轉(zhuǎn)半徑，單位為cm

E為粒子能量，單位為eV

m為粒子質(zhì)量數(shù)

z為粒子所帶電荷數(shù)

B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為GS

不同的離子注入機(jī)要求注入元素和能量不一，本文以最高能量350 keV和注入元素27Al+來計(jì)算最大磁場強(qiáng)度。則得到Bmax=8884 GS。

線包安匝數(shù)的確定：

IN=0.8×D×Bmax×1.1=0.8×6×8884×1.1≈46907（安匝）［5］

通過上述磁極邊界和最大磁場強(qiáng)度和線包安匝數(shù)等數(shù)據(jù)建立平行束磁透鏡的三維模型。如圖4所示。

圖4　透鏡三維圖

3　結(jié)果檢測

用高斯計(jì)測量磁極中間面磁場強(qiáng)度，得到勵磁曲線圖5，通過曲線可知達(dá)到43 200安匝的時(shí)候就滿足最大磁場強(qiáng)度的要求，設(shè)計(jì)完全滿足使用要求。

圖5　實(shí)測勵磁曲線

通過離子注入機(jī)的劑量控制系統(tǒng)測量束的平行度，測試結(jié)果見圖6所示。

圖6　平行度測量結(jié)果

通過圖5可見平行度在-0.23～0.2范圍，滿足設(shè)計(jì)要求的±0.5°。

4結(jié)　論

目前，配置了平行束磁透鏡裝置離子注入機(jī)在IC生產(chǎn)線已大量使用，大大地提高了器件的成品率。通過平行束磁透鏡的研制成功，使得IC生產(chǎn)廠商降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提高。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王貽華，胡正瓊.離子注入與分析基礎(chǔ)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1992.7-16.

［2］ 北京市輻射中心，北京師范大學(xué).離子注入機(jī)基礎(chǔ)［M］.北京：北京出版社，1981.256-261.

［3］ 何曉陽.中束流平行掃描式離子注入機(jī)現(xiàn)狀［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，1997，（1）：61-64.

［4］ 應(yīng)用材料公司.可移動元件的多向掃描和其離子束監(jiān)測設(shè)備［P］.中國：CN 1647235A，2005-07-27.

［5］ 孫雪平，郭建輝，彭立波，等.平行透鏡設(shè)計(jì)［C］.長沙：第十三屆全國三束學(xué)術(shù)年會，2005.

中圖分類號：TN305

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-4507（2016）07-0037-03

收稿日期：2016-06-18

Research of the Parallel Beam Magnetic Lens

HU Zhendong，SUN Xueping，PENG Libo

（The 48th Research Institute of CETC，Changsha 410111，China）

Abstract：As the wafer size becomes larger and larger，the injection angle of the ion implanter is not the same，which can not meet the performance requirements of the device.Then it is very important to generate parallel ion beam.This paper introduces a parallel beam magentic lens in uniform magnetic field.The parallel degree of ion beam is less than 0.43 degree，which meets the requirement of the large scale integrated circuit manufacturing production line.

Keywords：Parallel beam；Magnetic lens；Ion Implanter；