離子植入機的機台結構及製程

在半導體製程中，離子植入製程屬於晶圓前段製程中極為複雜的製程，除了具備有 大量的控制電子電路外，精密的機械結構及高真空度的需求，均使離子植入機的複雜 性提高許多。因此，離子植入機台設備相當昂貴，離子植入機的單價只僅次於曝光機 台，高階製品單價可高達一億台幣以上。

離子植入機台不僅設備龐大，相對地，也是非常複雜的一套系統。一部典型的離子 植入機台，主要由埠(Port)、氣體系統、真空系統、電機系統、控制系統、射束線系統 和晶圓處理系統七個部分所組成，其如圖 2.1 所示。離子植入機共有 12~14 個反應室 (Chamber)，主要透過晶圓處理器(Wafer Handler)來使離子束在整個晶圓表面達到均勻 的離子佈植。

圖 2.1 離子植入機台示意圖

離子植入機的硬體設備其功能描述如下:

氣體系統 :

氣體的摻雜源常被使用在離子值入的製程中，因這些氣體本身具有相當大的危險性，

因此為了降低工安事件發生的風險，一個特別設計的氣體櫃被封在離子植入機的內部 以儲存這些非常靠近離子源的化學氣體。

電機系統 :

為了加速離子，我們使用高壓的直流電(DC)來進行，所以大至 200kv 的直流電電源供 應系統會配置在離子植入機內。

控制系統 :

由於晶圓的製造屬於非常精密的製程，因此為了達到晶圓設計的要求，離子植入製程 需準確地控制離子束的能量、電流和離子的種類。

射束線系統 :

離子射束線系統(Beam Line System)是離子植入機最重要的一個部分，可以使摻雜物離 子在一個離子源中藉著摻雜物的蒸氣或是氣態摻雜物的化學合成物之原子或分子的游 離放電而產生。

晶圓處理器 :

晶圓處理器(Wafer Handler)最重要的功用，在於使整個晶圓表面達到均勻的離子佈值。

離子佈值為一添加的製程，晶圓片(Wafer)在完成光阻覆蓋後，會進行離子佈值，而 離子佈值主要以高能量帶電離子束注入的形式將摻雜物原子強力地加入半導體中，目 的是為了改變積體電路元件局部區域之電阻值，以獲得所需要的導電行為。而離子植

1. 摻雜物質形態，主要由離子種類所決定

2. 摻雜物濃度，主要由離子電流與佈植時間的組合所控制 3. 摻雜物輪廓(dopant profile)與深度，主要由離子的能量所決定

一部典型離子植入機台可以最多可安裝三種氣體作為摻雜原子源的材料來源，氣體 種類則有 AsH3、BF3、P、SiF4 四種氣體可供選擇，通常氣體被封入一相當小的鋼瓶 (0.4~2.2L 大小)之中。離子植入機使用相當多危險且具有毒性的氣體來進行離子佈值 製程，易燃和有毒的氣體如三氫化砷(AsH3)和四氟化硅(SiF4)，腐蝕性的氣體如三氟 化硼(BF3)，還有從固態材料轉換而來的有毒蒸氣如磷(P)，為了避免這些有害氣體滲 入廠房之中，危害生產人員性命，離子植入機台內特別設計了氣體櫃，統一管理與存 放有毒的氣體鋼瓶，氣體鋼瓶主要藉由質流控制器(MFC)來控制此氣態摻雜原料，如 圖 2.2 所示，其品質及穩定性將直接影響製程結果，再者於機台維修、緊急狀況時也 能隔絕氣體供應室的供氣。

圖 2.2 離子植入機台鋼瓶管路構造圖，黃國益(2006)

目前半導體前段生產設備離子植入機台的主要供應商，包括美商應用材料（Applied Material）、美商瓦里安(Varian)、美商亞舍立(Axcelis)和住友伊藤（Sumitomo Iaton）

等四家離子植入設備製造廠商。