离子注入机减速偏转模块设计及仿真计算研究

张 丛，李红赛，岳 腾

(北京中科信电子装备有限公司，北京 101111)

随着集成电路工艺的发展，大束流离子注入机向低能量发展。由于空间电荷效应影响，低能大束流强离子束的传输与控制更加困难[1，2]。因此，一般通过减速模块实现。离子束在大部分光路中处于一个比较高的能量状态，因此空间电荷效应较弱，离子束易于控制，传输效率较高；进入靶室之前，离子束通过减速模块减速至最终低能量，之后注入至晶圆中。

减速结构在实现低能大束流强离子束注入的同时也带来了一些负面影响。减速之前部分离子与束流管道中残余气体发生电荷交换转化为中性原子，其运动不受减速模块影响，并且可能会到达注入位置，产生所谓的能量污染。能量污染会影响掺杂的分布，使掺杂深度增加，影响先进工艺中超浅结的实现。目前国际主流供应商的最新型低能大束流离子注入机均采用偏转模块以分离注入束流和高能量中性原子，实现消除能量污染[3-6]，并且大部分采用减速偏转一体化设计，结构较为紧凑，有利于离子束的传输与控制。要指出的是，此处消除能量污染是指将能量污染控制在一定水平（例如0.05%）以下。

目前已有离子注入机的减速偏转模块中，单偏转结构需前端束线倾斜或后端靶室扫描模块倾斜，在设备维护便利性和技术复杂度等方面存在一些问题；双偏转结构设计较为复杂，在维护成本和便利性方面也有不足。针对上述问题，基于国内自主研发的低能大束流离子注入机，本文描述了一种结构较为简单的减速双偏转模块的设计，使用OPERA 3D软件进行的仿真计算，其结果表明[7]，该模块对束流具有较好的控制能力，预计在获得低能大束流强离子束的同时可有效消除能量污染。

1 设计思路

减速偏转模块的设计基于国产低能大束流离子注入机CI C50。CI C50采用水平宽带束光路，离子能量范围为0.2～50 keV，末端离子束宽度大于360 mm，主要用于300 mm（12英寸）晶圆生产线。其光路末端、靶室之前存在减速模块以实现低能大束流强离子束。如前文所述，此种减速结构会产生能量污染，且已有减速结构设计较为简单，对离子束控制能力较弱，影响设备低能段性能。减速偏转模块将替代上述减速模块，在有效获得低能大流强束流的同时消除能量污染。

所设计的减速偏转模块如图1所示，其中左侧为离子束入口，右侧为出口。减速偏转结构首先需实现足够的垂直方向偏转以分离离子束与能量污染粒子；同时应具有足够大的调节自由度，在实现预定偏转的同时可实现离子束聚焦的灵活调节，以满足离子束尺寸、发散角等参数的控制要求。减速偏转模块将采用逐级减速结构，以具备足够的离子束调节自由度。

减速偏转模块将采用双偏转结构，即水平宽带束经减速偏转结构后仍为水平宽带束，仅垂直位置发生移动。此种结构中，前端束线和后端靶室除高度略有调整外，架构保持不变，整机改进技术风险较小。

图1 减速偏转模块结构示意图

综合考虑设备空间限制等各种因素，确定采用理想中心轨迹偏转半径为300 mm、单次偏转角度为18°的结构，模块长度小于300 mm，模块之前产生的中性粒子不会进入靶室。

减速偏转模块位置将加装冷泵，提高该区域的真空度，减少新的能量污染来源。

2 理论分析

在逐级减速结构中，由于电极数量较多，必须通过理论分析估计电极的电压初始配置，才能提高仿真计算的效率。

考虑中心偏转轨迹为圆弧形的偏转结构中，假设上电极电压为V1，下电极电压为V2，电极间距为D，离子最终能量为Eg0，则上述参数满足下列关系：

其中，m为离子质量，v为离子速度，R为中心轨迹半径，q为离子电荷量，E为局部电场强度。对于离子能量近似成立：

其中，Eg为所考察位置处离子能量，根据能量守恒可得：

局部电场强度可近似为：

根据式(1)～(4)可得：

当偏转结构确定后，D和R已确定。因此当注入离子的能量Eg0确定后，V1和V2的关系可根据上式估计。

低能大束流离子注入机中的离子能量相比于原子静止质量极小。例如对于50 keV的B离子，其相对论因子约为1.000 005，相对论效应完全可忽略。因此上述近似的主要不确定项来自于局部电场强度近似，其准确性受电极结构影响。实际仿真计算结果表明，按上式估计的电压提供了一个较好的近似。

3 仿真计算结果与分析

3.1 仿真计算结果的评估

减速偏转模块设计中使用OPERA 3D进行了仿真计算。OPERA 3D软件广泛应用于离子注入机领域物理设计的仿真计算，在CI C50低能大束流离子注入机研发过程中，OPERA 3D仿真结果与实验结果表现出较好的一致性。

仿真计算中对不同设计的评估参数主要为减速偏转模块出口处离子束尺寸和发散角。这两个参数考察位置的确定是一个不能忽略的问题。

离子束在非电场区域传输时，与残余气体相互作用产生低能电子，这些低能电子被束缚在离子束区域，降低了束流空间电荷效应，这个物理过程称为离子束的中和（与离子、电子结合成原子的中性化不同）。实际上，在非电场区域内离子束的中和率接近100%，较小的非中和率即导致离子束急速扩散。在电场区域，离子束中和被破坏，表现出明显的空间电荷效应。

仿真计算中考虑了离子束的空间电荷效应。当离子束通过减速偏转模块进入靶室后逐渐恢复中和，如果之后的仿真中继续考虑完全的空间电荷效应，则仿真计算的结果与实际情况存在明显偏差，如图2所示。因此在仿真计算中选取离子束中心电势变为正的位置考察发散角，在此位置处离子束形成的势场开始束缚中和电子，离子束中和逐渐恢复。图3展示了上述某一位置处的离子束区域电势分布。

图2 由于未考虑离子束进入靶室后的中和离子束在仿真中末端呈现急速发散

图3 靶室入口某一位置处离子束区域空间电势分布

仿真计算中，对于同一减速偏转模块设计和参数配置，不同离子束入射参数对应的出口离子束参数差别很大。因此，针对同一减速偏转模块设计，在仿真计算中考虑了多种离子束入射参数进行仿真计算，相应减速偏转电极电压配置也进行优化，重点对比不同减速偏转模块设计对离子束的控制能力，而非具体的出口离子束参数。实际使用中，减速偏转模块入口离子束参数可通过前端光路部件进行调节。

3.2 基本仿真计算结论

对杆状、板状、弧面等不同电极形状的设计进行了仿真计算，结果表明，电极形状对离子束控制影响不大。上下两侧固定方式可避免离子束对绝缘部件的影响，考虑到板状电极更容易实现上下两侧的固定，确定采用板状电极。电极靠近离子束一侧是否为弧面对离子束控制基本无影响。

对不同电极数量的设计进行了仿真计算，结果表明6对电极即可提供所需的离子束控制能力，更多的电极数量会降低仿真计算和实际调试的效率。典型的仿真计算结果如图4所示。

图4 典型的减速偏转模块仿真计算结果

采用上电极为正、下电极为负的双极性电压配置可降低高能离子束偏转所需的电源电压幅值和功率需求，但低能离子束的减速偏转必须通过上下电极均为负的电压配置实现。考虑低能离子束为关注的重点，兼顾成本和空间考虑，减速偏转模块将仅使用负极性电源。

3.3 屏蔽电极的影响

理想情况下，靶室区域的电势应为0或较小的正值（离子束产生）。在减速偏转模块工作时，其电极上的负电势可能导致靶室入口区域电势为负值，产生所谓的电场泄露，影响其它模块，例如PFG（Plasma Flood Gun）的正常工作。因此，有必要在减速偏转模块末端、靶室入口位置加装一屏蔽电极，屏蔽电极保持为地电位，可有效减少减速偏转模块的电场泄露。

屏蔽电极将明显影响减速偏转模块末端的电场分布，当离子束最终能量较低时，该电场将对离子束有明显的聚焦作用，影响最终的离子束参数。

屏蔽电极的间隙将影响电场泄露的程度，也将影响对离子束聚焦作用的强弱。因此在减速偏转模块的设计中，将屏蔽电极间隙设置为可调节。根据不同束流能量和电极电压配置调节屏蔽电极间隙以满足电场泄露的要求，同时提供了控制离子束的一个额外的自由度。针对不同入射离子束参数，对于不同形状和厚度的屏蔽电极进行了仿真计算，典型结果如图5、图6所示。仿真计算结果表明，20 mm的板状电极即可提供较好的电场屏蔽。

图5 40 mm间隙、20 mm厚度的屏蔽电极对应的靶室某一位置空间电势分布

图6 40 mm间隙、10 mm厚度的屏蔽电极对应的靶室某一位置空间电势分布

3.4 不同电压配置的影响

对于同一减速偏转模块设计，基于相同的入口离子束参数，有不同的电压配置可满足出口离子束参数要求。实际选择电压配置时应考虑尽量降低可能的能量污染影响。如图7所示，线性和非线性递减的电压配置均可以将出口离子束参数控制在预定范围之内。但在非线性递减情况下，末端更接近最终能量，此位置产生的极少量能量污染对注入的影响更小。

图7 两种不同的电极电压配置，横坐标为电极对编号，纵坐标为每一对电极平均电势（绝对值）

3.5 水平聚焦电极的影响

空间电荷效应导致离子束在水平方向也存在发散，有限电极长度导致的边缘场对离子束水平方向参数也存在影响，因此在减速偏转模块中必须考虑水平聚焦。容易想到在每对减速偏转电极两侧的中间位置加装一对电极实现水平聚焦，但此种结构所需电极和电源数量较多。仿真计算表明在两个位置加装水平聚焦电极即可实现足够的水平聚焦效果，如图8、图9所示。与前一方案相比，该设计所需电极及电源数量更少，结构更为简单，成本也更低。

图8 水平聚焦电极位置示意

图9 第一对水平聚焦电极聚焦效果

4 结 论

针对集成电路先进工艺需求，基于国产低能大束流离子注入机，本文展示了一种消除能量污染的减速偏转模块设计及相关的仿真计算结果。使用行业广泛应用的OPERA 3D软件进行了仿真计算，理论分析为仿真计算中电压配置提供了一个较好的初始值选择。减速偏转模块采用电场双偏转逐级减速结构。采用6对偏转电极实现垂直方向离子束偏转和聚焦控制，每一电极电压均可独立控制，提供了较大的离子束控制自由度。模块末端采用可调间隙的屏蔽电极，在有效屏蔽电场向后端靶室区域泄露的同时提供了对离子束调节的又一自由度。离子束水平方向聚焦由两对水平聚焦电极实现。仿真计算结果显示，所设计的减速偏转模块具有足够的离子束控制能力，与前端光路部件配合可实现对不同入射参数离子束的有效减速和偏转。

[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.

[3] C.Campbell et al.VIISta Trident：New Generation High Current Implant Technology[C].Valladolid：19th International Conference on Ion Implantation Technology，2012，296-299.

[4] Bo Vanderberg et al.Introducing Purion H，a Scanned Spot Beam High Current Ion Implanter[C].Portland：20thInternational Conference on Ion Implantation Technology，2014，482-485.

[5] Noriyuki Suetsugu et al.SAion-SEN's Unique Solution for 450 mm Ion Implant[C].Portland：20thInternational Conference onIonImplantation Technology，2014，157-160.

[6] Peter M.Kopalidis et al.Ribbon and Spot Beam Process Performance of the Dual Mode iPulsar High Current Ion Implanter[C].Kyoto：18thInternational Conference on Ion Implantation Technology，2010，337-340.