离子注入机（高压小型加速器）

机器结构

离子注入机由5部分组成：离子源、离子引出和质量分析器、加速管、扫描系统、工艺腔。

离子源

离子注入机利用离子源中灯丝产生的热电子在电场的作用下轰击气体分子，使之电离。待注入的杂质源如果是气态，便可以直接引入到离子源的电场中，如果是固态，则还需加热蒸发，变为气相后引入到这个电场中。气相的杂质源在电场中被电离后变成为离子（即带电的原子或分子）。

离子引出和质量分析器

所有带正电的离子被离子源阳极的正压排斥从一个狭缝中被引出，此时等离子体中的电子被阴极排斥而被阻止，由此形成了正离子组成的离子束。热电子轰击杂质源气体分子会产生多种离子，比如三氟化硼气体源，在离子源中会形成

加速管

要使离子能够获得更大的能量，正离子从质量分析器出来后还要通过加速管的高压得到所需要的速度。加速管是由一系列介质隔离的电极组成，电极上的负电压依次增大。当正离子进入到加速管后，各个负电极为离子加速，离子的运动速度是各级加速的叠加，总的电压越高，离子的运动速度越快，即动能越大。

扫描系统

离子注入机的扫描系统构成了离子束与硅片之间的相对运动，为了使硅片上的杂质呈均匀分布，避免离子长时间的轰击局部一点过热，造成不可恢复的损伤，硅片的离子注入都采用扫描方式。有两种基本的扫描方式：机械式扫描和电磁式扫描。机械式扫描采用的是硅片移动的方法，即靶盘带动硅片运动。电磁式扫描是用电磁场将离子束偏转实现扫描。也有的注入机采用混合方式，即机械和电磁两种方式相结合。

工艺腔

工艺腔包括放置硅片的靶盘、扫描系统、带真空锁的硅片装卸终端台、硅片传输系统和计算机控制系统。

原理

离子注入机由离子源、离子引入和质量分析器、加速管、扫描系统和工艺腔组成，可以根据实际需要省去次要部位。离子源是离子注入机的主要部位，作用是把需要注入的元素气态粒子电离成离子，决定要注入离子的种类和束流强度。离子源直流放电或高频放电产生的电子作为轰击粒子，当外来电子的能量高于原子的电离电位时，通过碰撞使元素发生电离。碰撞后除了原始电子外，还出现正电子和二次电子。正离子进入质量分析器选出需要的离子，再经过加速器获得较高能量，由四级透镜聚焦后进入靶室，进行离子注入。

分类

常用的生产型离子注入机主要有三种类型：低能大束流注入机、高能注入机和中束流注入机，如下表所示：

低能大束流离子注入机：大束流离子注入机的束流可以达到几毫安甚至几十毫安，注入剂量范围

高能离子注入机：高能注入机的能量可高达几MeV，注入剂量为

中束流离子注入机：中束流注入机的注入能量在几百keV范围内，注入剂量范围比高能注入机大。

应用

离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备，离子注入是对半导体表面附近区域进行掺杂的技术，其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型。离子注入与常规热掺杂工艺相比可对注入剂量、注入角度、注入深度、横向扩散等方面进行精确的控制，克服了常规工艺的限制，提高了电路的集成度、开启速度、成品率和寿命，降低了成本和功耗。离子注入机广泛用于掺杂工艺，可以满足浅结、低温和精确控制等要求，已成为集成电路制造工艺中必不可少的关键装备。

进程

中国电科承担的我国芯片高端制造装备的研发也取得阶段性成果，其中，离子注入机等核心制造装备正在展开调试，验证成功后将加速推动我国芯片制造装备自主可控进程。^[1]

相关报道

2021年3月17日，记者17日从中国电子科技集团有限公司获悉，该集团旗下装备子集团已成功实现离子注入机全谱系产品国产化，可为全球芯片制造企业提供离子注入机一站式解决方案。^[2]