離子注入機減速偏轉(zhuǎn)模塊設計及仿真計算研究

張 叢，李紅賽，岳 騰

(北京中科信電子裝備有限公司，北京 101111)

隨著集成電路工藝的發(fā)展，大束流離子注入機向低能量發(fā)展。由于空間電荷效應影響，低能大束流強離子束的傳輸與控制更加困難[1，2]。因此，一般通過減速模塊實現(xiàn)。離子束在大部分光路中處于一個比較高的能量狀態(tài)，因此空間電荷效應較弱，離子束易于控制，傳輸效率較高；進入靶室之前，離子束通過減速模塊減速至最終低能量，之后注入至晶圓中。

減速結構在實現(xiàn)低能大束流強離子束注入的同時也帶來了一些負面影響。減速之前部分離子與束流管道中殘余氣體發(fā)生電荷交換轉(zhuǎn)化為中性原子，其運動不受減速模塊影響，并且可能會到達注入位置，產(chǎn)生所謂的能量污染。能量污染會影響摻雜的分布，使摻雜深度增加，影響先進工藝中超淺結的實現(xiàn)。目前國際主流供應商的最新型低能大束流離子注入機均采用偏轉(zhuǎn)模塊以分離注入束流和高能量中性原子，實現(xiàn)消除能量污染[3-6]，并且大部分采用減速偏轉(zhuǎn)一體化設計，結構較為緊湊，有利于離子束的傳輸與控制。要指出的是，此處消除能量污染是指將能量污染控制在一定水平（例如0.05%）以下。

目前已有離子注入機的減速偏轉(zhuǎn)模塊中，單偏轉(zhuǎn)結構需前端束線傾斜或后端靶室掃描模塊傾斜，在設備維護便利性和技術復雜度等方面存在一些問題；雙偏轉(zhuǎn)結構設計較為復雜，在維護成本和便利性方面也有不足。針對上述問題，基于國內(nèi)自主研發(fā)的低能大束流離子注入機，本文描述了一種結構較為簡單的減速雙偏轉(zhuǎn)模塊的設計，使用OPERA 3D軟件進行的仿真計算，其結果表明[7]，該模塊對束流具有較好的控制能力，預計在獲得低能大束流強離子束的同時可有效消除能量污染。

1 設計思路

減速偏轉(zhuǎn)模塊的設計基于國產(chǎn)低能大束流離子注入機CI C50。CI C50采用水平寬帶束光路，離子能量范圍為0.2～50 keV，末端離子束寬度大于360 mm，主要用于300 mm（12英寸）晶圓生產(chǎn)線。其光路末端、靶室之前存在減速模塊以實現(xiàn)低能大束流強離子束。如前文所述，此種減速結構會產(chǎn)生能量污染，且已有減速結構設計較為簡單，對離子束控制能力較弱，影響設備低能段性能。減速偏轉(zhuǎn)模塊將替代上述減速模塊，在有效獲得低能大流強束流的同時消除能量污染。

所設計的減速偏轉(zhuǎn)模塊如圖1所示，其中左側(cè)為離子束入口，右側(cè)為出口。減速偏轉(zhuǎn)結構首先需實現(xiàn)足夠的垂直方向偏轉(zhuǎn)以分離離子束與能量污染粒子；同時應具有足夠大的調(diào)節(jié)自由度，在實現(xiàn)預定偏轉(zhuǎn)的同時可實現(xiàn)離子束聚焦的靈活調(diào)節(jié)，以滿足離子束尺寸、發(fā)散角等參數(shù)的控制要求。減速偏轉(zhuǎn)模塊將采用逐級減速結構，以具備足夠的離子束調(diào)節(jié)自由度。

減速偏轉(zhuǎn)模塊將采用雙偏轉(zhuǎn)結構，即水平寬帶束經(jīng)減速偏轉(zhuǎn)結構后仍為水平寬帶束，僅垂直位置發(fā)生移動。此種結構中，前端束線和后端靶室除高度略有調(diào)整外，架構保持不變，整機改進技術風險較小。

圖1 減速偏轉(zhuǎn)模塊結構示意圖

綜合考慮設備空間限制等各種因素，確定采用理想中心軌跡偏轉(zhuǎn)半徑為300 mm、單次偏轉(zhuǎn)角度為18°的結構，模塊長度小于300 mm，模塊之前產(chǎn)生的中性粒子不會進入靶室。

減速偏轉(zhuǎn)模塊位置將加裝冷泵，提高該區(qū)域的真空度，減少新的能量污染來源。

2 理論分析

在逐級減速結構中，由于電極數(shù)量較多，必須通過理論分析估計電極的電壓初始配置，才能提高仿真計算的效率。

考慮中心偏轉(zhuǎn)軌跡為圓弧形的偏轉(zhuǎn)結構中，假設上電極電壓為V1，下電極電壓為V2，電極間距為D，離子最終能量為Eg0，則上述參數(shù)滿足下列關系：

其中，m為離子質(zhì)量，v為離子速度，R為中心軌跡半徑，q為離子電荷量，E為局部電場強度。對于離子能量近似成立：

其中，Eg為所考察位置處離子能量，根據(jù)能量守恒可得：

局部電場強度可近似為：

根據(jù)式(1)～(4)可得：

當偏轉(zhuǎn)結構確定后，D和R已確定。因此當注入離子的能量Eg0確定后，V1和V2的關系可根據(jù)上式估計。

低能大束流離子注入機中的離子能量相比于原子靜止質(zhì)量極小。例如對于50 keV的B離子，其相對論因子約為1.000 005，相對論效應完全可忽略。因此上述近似的主要不確定項來自于局部電場強度近似，其準確性受電極結構影響。實際仿真計算結果表明，按上式估計的電壓提供了一個較好的近似。

3 仿真計算結果與分析

3.1 仿真計算結果的評估

減速偏轉(zhuǎn)模塊設計中使用OPERA 3D進行了仿真計算。OPERA 3D軟件廣泛應用于離子注入機領域物理設計的仿真計算，在CI C50低能大束流離子注入機研發(fā)過程中，OPERA 3D仿真結果與實驗結果表現(xiàn)出較好的一致性。

仿真計算中對不同設計的評估參數(shù)主要為減速偏轉(zhuǎn)模塊出口處離子束尺寸和發(fā)散角。這兩個參數(shù)考察位置的確定是一個不能忽略的問題。

離子束在非電場區(qū)域傳輸時，與殘余氣體相互作用產(chǎn)生低能電子，這些低能電子被束縛在離子束區(qū)域，降低了束流空間電荷效應，這個物理過程稱為離子束的中和（與離子、電子結合成原子的中性化不同）。實際上，在非電場區(qū)域內(nèi)離子束的中和率接近100%，較小的非中和率即導致離子束急速擴散。在電場區(qū)域，離子束中和被破壞，表現(xiàn)出明顯的空間電荷效應。

仿真計算中考慮了離子束的空間電荷效應。當離子束通過減速偏轉(zhuǎn)模塊進入靶室后逐漸恢復中和，如果之后的仿真中繼續(xù)考慮完全的空間電荷效應，則仿真計算的結果與實際情況存在明顯偏差，如圖2所示。因此在仿真計算中選取離子束中心電勢變?yōu)檎奈恢每疾彀l(fā)散角，在此位置處離子束形成的勢場開始束縛中和電子，離子束中和逐漸恢復。圖3展示了上述某一位置處的離子束區(qū)域電勢分布。

圖2 由于未考慮離子束進入靶室后的中和離子束在仿真中末端呈現(xiàn)急速發(fā)散

圖3 靶室入口某一位置處離子束區(qū)域空間電勢分布

仿真計算中，對于同一減速偏轉(zhuǎn)模塊設計和參數(shù)配置，不同離子束入射參數(shù)對應的出口離子束參數(shù)差別很大。因此，針對同一減速偏轉(zhuǎn)模塊設計，在仿真計算中考慮了多種離子束入射參數(shù)進行仿真計算，相應減速偏轉(zhuǎn)電極電壓配置也進行優(yōu)化，重點對比不同減速偏轉(zhuǎn)模塊設計對離子束的控制能力，而非具體的出口離子束參數(shù)。實際使用中，減速偏轉(zhuǎn)模塊入口離子束參數(shù)可通過前端光路部件進行調(diào)節(jié)。

3.2 基本仿真計算結論

對桿狀、板狀、弧面等不同電極形狀的設計進行了仿真計算，結果表明，電極形狀對離子束控制影響不大。上下兩側(cè)固定方式可避免離子束對絕緣部件的影響，考慮到板狀電極更容易實現(xiàn)上下兩側(cè)的固定，確定采用板狀電極。電極靠近離子束一側(cè)是否為弧面對離子束控制基本無影響。

對不同電極數(shù)量的設計進行了仿真計算，結果表明6對電極即可提供所需的離子束控制能力，更多的電極數(shù)量會降低仿真計算和實際調(diào)試的效率。典型的仿真計算結果如圖4所示。

圖4 典型的減速偏轉(zhuǎn)模塊仿真計算結果

采用上電極為正、下電極為負的雙極性電壓配置可降低高能離子束偏轉(zhuǎn)所需的電源電壓幅值和功率需求，但低能離子束的減速偏轉(zhuǎn)必須通過上下電極均為負的電壓配置實現(xiàn)。考慮低能離子束為關注的重點，兼顧成本和空間考慮，減速偏轉(zhuǎn)模塊將僅使用負極性電源。

3.3 屏蔽電極的影響

理想情況下，靶室區(qū)域的電勢應為0或較小的正值（離子束產(chǎn)生）。在減速偏轉(zhuǎn)模塊工作時，其電極上的負電勢可能導致靶室入口區(qū)域電勢為負值，產(chǎn)生所謂的電場泄露，影響其它模塊，例如PFG（Plasma Flood Gun）的正常工作。因此，有必要在減速偏轉(zhuǎn)模塊末端、靶室入口位置加裝一屏蔽電極，屏蔽電極保持為地電位，可有效減少減速偏轉(zhuǎn)模塊的電場泄露。

屏蔽電極將明顯影響減速偏轉(zhuǎn)模塊末端的電場分布，當離子束最終能量較低時，該電場將對離子束有明顯的聚焦作用，影響最終的離子束參數(shù)。

屏蔽電極的間隙將影響電場泄露的程度，也將影響對離子束聚焦作用的強弱。因此在減速偏轉(zhuǎn)模塊的設計中，將屏蔽電極間隙設置為可調(diào)節(jié)。根據(jù)不同束流能量和電極電壓配置調(diào)節(jié)屏蔽電極間隙以滿足電場泄露的要求，同時提供了控制離子束的一個額外的自由度。針對不同入射離子束參數(shù)，對于不同形狀和厚度的屏蔽電極進行了仿真計算，典型結果如圖5、圖6所示。仿真計算結果表明，20 mm的板狀電極即可提供較好的電場屏蔽。

圖5 40 mm間隙、20 mm厚度的屏蔽電極對應的靶室某一位置空間電勢分布

圖6 40 mm間隙、10 mm厚度的屏蔽電極對應的靶室某一位置空間電勢分布

3.4 不同電壓配置的影響

對于同一減速偏轉(zhuǎn)模塊設計，基于相同的入口離子束參數(shù)，有不同的電壓配置可滿足出口離子束參數(shù)要求。實際選擇電壓配置時應考慮盡量降低可能的能量污染影響。如圖7所示，線性和非線性遞減的電壓配置均可以將出口離子束參數(shù)控制在預定范圍之內(nèi)。但在非線性遞減情況下，末端更接近最終能量，此位置產(chǎn)生的極少量能量污染對注入的影響更小。

圖7 兩種不同的電極電壓配置，橫坐標為電極對編號，縱坐標為每一對電極平均電勢（絕對值）

3.5 水平聚焦電極的影響

空間電荷效應導致離子束在水平方向也存在發(fā)散，有限電極長度導致的邊緣場對離子束水平方向參數(shù)也存在影響，因此在減速偏轉(zhuǎn)模塊中必須考慮水平聚焦。容易想到在每對減速偏轉(zhuǎn)電極兩側(cè)的中間位置加裝一對電極實現(xiàn)水平聚焦，但此種結構所需電極和電源數(shù)量較多。仿真計算表明在兩個位置加裝水平聚焦電極即可實現(xiàn)足夠的水平聚焦效果，如圖8、圖9所示。與前一方案相比，該設計所需電極及電源數(shù)量更少，結構更為簡單，成本也更低。

圖8 水平聚焦電極位置示意

圖9 第一對水平聚焦電極聚焦效果

4 結 論

針對集成電路先進工藝需求，基于國產(chǎn)低能大束流離子注入機，本文展示了一種消除能量污染的減速偏轉(zhuǎn)模塊設計及相關的仿真計算結果。使用行業(yè)廣泛應用的OPERA 3D軟件進行了仿真計算，理論分析為仿真計算中電壓配置提供了一個較好的初始值選擇。減速偏轉(zhuǎn)模塊采用電場雙偏轉(zhuǎn)逐級減速結構。采用6對偏轉(zhuǎn)電極實現(xiàn)垂直方向離子束偏轉(zhuǎn)和聚焦控制，每一電極電壓均可獨立控制，提供了較大的離子束控制自由度。模塊末端采用可調(diào)間隙的屏蔽電極，在有效屏蔽電場向后端靶室區(qū)域泄露的同時提供了對離子束調(diào)節(jié)的又一自由度。離子束水平方向聚焦由兩對水平聚焦電極實現(xiàn)。仿真計算結果顯示，所設計的減速偏轉(zhuǎn)模塊具有足夠的離子束控制能力，與前端光路部件配合可實現(xiàn)對不同入射參數(shù)離子束的有效減速和偏轉(zhuǎn)。

[1] S.Humphries，Jr.Charged Particle Beams[M].New York：Dover Publication，Inc.，2013，Chapter 5.

[2] D.A.Brown and J.F.O'Hanlon.Space-charge divergence of an intense，unneutralized rectangular ion beam[J].Physical Review E.1993，48(1)：523-531.

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