使用负偏压萃取电极的方法

萃取系统

使用负偏压的萃取电极将离子从离子源内的等离子体中抽出，并将其加速到大约50keV的能量。离子必须有足够的能量才能通过质谱仪磁场选择出正确的离子。下图显示了萃取系统。当掺杂物离子加速并射向萃取电极时，一些离子会通过夹缝并继续沿着射线行进;一些离子会碰撞到萃取电极的表面产生X光并激发出二次电子。一个电位比萃取电极低很多（最多10kv）的抑制电极将会用于防止二次电子被加速返回离子源造成损坏。所有的电极都带有一个狭窄的狭缝，这个狭缝使离子萃取出来作为准直式离子流并形成所需的离子束。

萃取后的离子束能量由离子源与萃取电极之间的电位差决定。萃取电极电位与终端架的电位相同，而且有时称为系统的接地电位。系统接地与实际接地（注入机覆盖盘）的电位差可高达-50kV,所以如果没有通过电弧放电而直接接触就可能造成致命的电击。

质谱仪

在一个磁场内带电荷的粒子会因磁场作用而开始旋转，磁场的方向通常与带电粒子的行进方向垂直。对于固定的磁场强度和离子能量，螺旋转动半径只与带电粒子的荷质比（m/g）有关。这个方法已经用于同位素分离技术从238U产生丰富的235U来制造核子弹。几乎在每个离子注入机内，质谱仪都用于精确选择所需的离子并排除不要的离子。下图说明了离子注入机的质谱仪系统。

BF3通常用于硼的掺杂源。在等离子体中，结合分解和离子化碰撞将产生许多离子。因为硼有两种同位素（10B（19.9%）和11B（80.1%））,所以具有几种离子化状态，从而更增加了离子种类的数目。下表列出了含硼的离子和原子或分子的重量。

对于P型阱区注入工艺，11B+最常使用，因为在同样的能量等级11B+的重量较轻，所以可穿入到硅衬底较深的位置。对于浅界面离子注入工艺，11BF2+离子最常使用，因为11BF2+离子的尺寸较大且重量较重。在注入机可以提供的最低能量等级范围内，11BF2+离子在这些含硼的离子中具有最短的离子射程，可以形成最浅的P型界面，将少量的氟整合进入硅衬底可以在硅与二氧化硅界面处与硅的悬浮键结合，从而可以减少界面态电荷并改善元器件的性能。

当离子进入质谱仪之前，它们的能量取决于离子源和萃取电极之间的电位差，一般情况这个值设置在50kV左右。萃取的单电荷离子能量为50keV。已知离子的m/q值和离子的能量,通过计算机程序就能够计算出离子轨道通过狭窄缝隙时所需的磁场强度。调整磁铁线圈内的电流可以使质谱仪精确地选择岀需要的掺杂离子。

一个问题：

问10B+比11B+轻，所以在相同的能量时，10B+比11B+穿透得更深。为什么不选择用10B+实现深结，例如P阱离子注入？

答：因为在等离子体中五个硼原子中只有一个10B，而其他都是11B,10B+离子浓度只有11B+离子的1/4。如果选择10B+离子，则离子束的电流大约只有11B+离子束电流的1/4。为了达到相同的掺杂浓度，将需要消耗比11B+离子束多4倍的时间注入10B+离子束，这样将影响生产的产量。

问：在等离子体中，磷蒸气可以被离子化并形成不同的离子。P+和是其中的两种，质谱仪可以将这两种分开吗？

答:如果P+和P2++离子具有相同的能量，则质谱仪无法将它们分开，因为它们具有相同的m/q比，所以也具有相同的离子轨道。当P+和P2++注入衬底时，P2++无法如P+一样深入衬底，因为它的离子较大、较重，所以离子射程较短。这将造成所谓的能量污染，形成不必要的掺杂浓度分布，并影响元器件性能。经过萃取电位的前端加速过程后，大部分的P2++离子会具有P+离子两倍的能量，因为它们具有双倍的电荷。对于相同的m/g比，能量较高的离子具有较大的旋转半径，因此将会碰撞到质谱仪飞行管的外壁。它们的轨道与较大m/g比的轨道相似（见上图）。

审核编辑：刘清