纯净的离子光束:质谱分析和仿真和大规模干扰离子注入

文摘

本文表明,离子的电荷交换事件与离解反应可能会影响离子注入的离子束的纯度,导致污染的植入目标。物理关系推导解释为什么有害离子运输的离子束尽管磁分离。基于这些关系,仿真工具ENCOTION(精力充沛的污染模拟)了。ENCOTION的模拟是一个非常强大的工具,通过磁分析器离子的传输机制和质谱的模拟,本文将展示。

1。介绍

材料的改性离子注入提供了主要优势,如高剂量精度、良好的重现性,过程或低的温度。由于它的质量分离,离子注入被认为是一个非常干净的处理步骤。许多应用程序,如ccd或双相设备,强烈依赖于离子束的纯度(1]。其他污染的coimplantation离子物种可能会导致严重的后果:(我)剂量错误,特别是当污染离子的数量是相当高的;(2)缺陷形成的差异,例如,当污染离子物种比所需的离子物种重;(3)辐照的损伤或完成故障设备,例如,在双设备污染离子物种形成深复合中心;(iv)unreproducible植入结果离子束的构成与来源可能会改变参数(特别是温度)以及与离子源的历史。

基本上,当群众不同的离子物种大规模干扰发生如此密切,以至于分析仪磁铁不能分开。例如,可能与通用电气植入在一起,当直接植入后通用电气preamorphization植入(2]。质量的一个关键参数分离,因此,质量分辨率对离子束成分可以有很大的影响(3]。质量分辨率越高,降低污染的风险。现代离子离子注入机质量分辨率的范围大约15到90年,而对于离子束高纯度的目的,价值超过100推荐3]。

由于大规模分离是通过磁场,众所周知,离子不是由它们的质量,而是由质量比充电状态。一个典型污染设备制造业是双重的coimplantation指控莫期间植入质量充电状态比在哪里49在这两种情况下(4,5]。同时注入的离子电荷相同的质量比所需的离子物种看起来可能是一个可控的污染风险,但这只是一个特例。当离子进行电荷交换或离子源和分析器磁铁之间的分离,可能出现惊人的污染问题(6- - - - - -8]。本文说明了通过质谱分析(不仅是必要的为了检查哪些元素存在于离子源)之间的电荷交换事件和离解过程的离子注入机离子源和分析器磁铁是相当常见的。在这方面,本文的一个重要的结果是,这些反应通常产生两座山峰在质谱中,凡是不仅取决于离子的质量和电荷状态考虑,但也在提取和抑制离子注入机的电压。模拟使用了工具ENCOTION透露,这些电荷交换和离解过程基本上允许各种各样的潜在传输机制几乎所有元素。

2。明显的质量概念

明显的质量模型的推导是基于洛伦兹力和离心力的方程: 在哪里磁通密度,磁铁的半径,元电荷,分析了离子的速度和是质量和电荷的离子分析仪。

三个部分必须是杰出的beamline从离子源分析仪磁铁(见图1):(1)[Src-Ex]部分离子源和提取电极之间;(2)[Ex-Gnd]部分提取和地线之间;(3)[Gnd-An]部分之间地面电极和分析器。

当一个质量或电荷交换事件发生在一部分[Src-Ex]或[Ex-Gnd],部分离子在磁体的最终速度取决于这些部分的确切位置。因此,变量和描述电荷的相对位置或质量改变事件部分[Src-Ex]和[Ex-Gnd]部分,分别把值从0到1(见图1)。假设下的三个部分不超过一个电荷或质量改变事件发生,事件本身的速度的影响是可以忽略不计,离子在磁铁的速度计算如下: 在哪里和是质量和电荷的离子状态离开离子源,和在提取电极质量和电荷的状态,然后呢和在地面电极质量和电荷状态。插入(2)(1),一般的表观质量的表达式可以推导出:

根据(3),明显的质量不仅取决于质量和电荷的离子,但也抑制和提取电压的比值。因为变量和明显的质量是不限于离散值,但可以从一个连续范围值。方程(3),因此,适合于描述在质谱峰的尾巴,比如艾尔尾巴在图4在下一节中或模型污染问题的电荷交换发生在部分[Src-Ex] [8]。

为了描述和模拟峰的质谱(3)可以简化应用以下假设:(我)途中从离子源到分析器磁铁,离子发生不超过一个质量或电荷变化状态;(2)电荷或质量改变事件发生在抑制或地面电极()或地线和磁铁之间。

根据这些假设,表观质量的两个表达式可以推导出:(1)电荷交换或分离提取电极(,,,): (2)电荷交换或离解地线或超出(和):

明显的质量,这两个表达式(4)和(5),产量质量离散值。的特殊性(4)是明显的依赖质量的比例提取和抑制电压,而表观质量根据(5)只取决于质量和电荷的离子。方程(5)是众所周知的和被广泛用来解释污染问题在离子注入9,10]。两个方程的基础是了解各种质谱的峰值。

3所示。质谱分析

一组质谱与不同来源饲料的材料,如灰₃PH值,₃N₂,男朋友₃,并记录和分析。质谱是记录在瓦里安350 D离子注入机质量分辨率在100年和120年之间。弗里曼离子源由弧室钼和钨灯丝由氧化铝陶瓷绝缘。记录的光谱和分析仪的控制磁铁被能够完成虚拟仪器软件。具有十分重要的离子电流可以被记录在几个数量级。在下面,选择部分质谱是描述为了证明电荷交换和离解反应的发生。

图2显示了一个从85 u - 220 u的质谱离子源与PH值操作₃。钨及其五个同位素生产的特点安排山峰180 u - 186 u。在图2峰,这种安排也出现在其他四个位置。的山峰90 u - 93和199 u - 205 u代表的信号和分别离子。剩下的W峰值是由电荷交换和离解反应引起的。山峰从135 u - 139和150 u - 156 u,电荷交换反应的结果和分离过程,分别。

图3显示了三个质谱从51 u - 63 u,每个记录在不同提取电压,和源原料气灰₃。信号质量56.2 u是归因于,可以导致在协议(5)由两个不同的电荷交换机制:(我) (达到或超出地线),(2) (达到或超出地线)。

明显是57之间的峰值u和58明显改变其位置提取电压。在表1测量质量比较,明显显示两种机制的质量(4)和(5)。的机制,也有一个很好的协议,山峰之间57 u和58你准确地描述。至于机制(达到或超出地线),没有明确的相关峰值提取电极的电荷交换检测范围从51.74 u,至53.20,这表明机制更明显。

图4显示了部分质谱的。除了Al,男朋友₂离子可以找到从先前与高炉操作₃以及一个较大的峰值阿尔夫⁺。达到54 u可以建立离子或电荷交换机制。峰值为55.3 u是造成这种机制发生在提取电极。令人吃惊的是,这个信号显示一个大尾巴朝着更低的质量大约50.5 u。这个尾巴的原因是电荷交换发生不仅直接提取电极还在离子源和提取电极,以减少频率向离子源。

在数据5和6的部分N₂和一个男朋友₃光谱分别进行描述。有效地降低质量,质量分离工作,,因此,可以看到各种各样的山峰。在图5例如,20多个山峰可以区分。(4)和(5),几乎所有的山峰可以解释只使用已知的元素出现在离子源。两个光谱表明,离子的电荷状态并不总是减少的W,,和在前面的光谱。N(图5)和B(图6),电离反应和分别观察。

认为是质谱显示很多山峰由电荷交换或离解过程引起的。特别是电荷交换反应,,,,代表的任何元素周期表,经常可以找到。这些机制导致两个信号在质谱中,其中一个被依赖的比例提取和抑制电压。这些山峰会伴随着巨大的尾巴,显著增加污染的风险。

4所示。模拟的质谱和大规模的干扰

4.1。软件工具ENCOTION

ENCOTION(精力充沛的污染模拟)是一个仿真工具,最初是为了检查开发潜在的任何元素周期表的离子注入过程中污染目标(11]。它允许用户通过分析仪模拟污染物的快速传输机制磁铁,带电荷交换反应和分子离子的离解。ENCOTION数据库包含一个具有完整的元素周期表。的名称和符号元素原子序数大于被选出的100位宾客的建议国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC) [12]。数据库包含群众和同位素丰度的自然,和值取自IUPAC表(13]。

以来的第一个版本ENCOTION被释放(14添加了),做了大量的改进和扩展。现在ENCOTION认为质量和电荷的变化状态显示提取电极(4)。图7主要显示了参数对话框,设置模拟。必不可少的一个模拟的定义是明显的质量(最好是通过指定植入离子物种为了考虑表观质量的小数)和污染元素的定义。此外,协助可以指定元素可能会形成一个分子与污染元素,但不一定是植入。为模拟质量或电荷状态的变化提取电极、提取和抑制电压必须提供。提取和postacceleration电压需要计算的有效能量coimplanted污染元素。其他参数,如质量分辨率、最大充电状态,或一个分子中污染物的最大数量,可以用来限制或扩展解决方案空间。在图8与模拟传输机制,结果窗口被描述。对于每个传输机制,提取离子与离子电荷状态以及分析电荷状态列出。此外,污染元素的有效能量和质量提供分离后没有加速度。最后,视质量和影响植入大规模上市。结果窗口的所有列可以按照升序或降序排列。

主要的扩展是两个图形模块的实现模拟质谱。第一个模块模拟两种干扰离子的谱峰通过高斯曲线或考虑几何参数,如磁铁半径、束狭缝的宽度,离子束的标准差。后者是特别有用,当质量解决狭缝的宽度大于离子束的偏差。山峰可以绘制线性和对数。图9显示了一个示例通用电气干扰质谱的W。

第二个模块与五元素模拟质谱,考虑用带电离子和分子离子的形成。在图10,一个窗口用质谱模拟从0到200 u。山顶形成只有元素B, O, F,密苏里州,和W正在考虑用带电离子和分子离子的形成。ENCOTION允许两个光谱的比较。(红色和蓝色)峰的总描述频谱跨越五个元素。红色山峰模拟与密苏里州被移除,也就是说,剩下的蓝色山峰是由离子含钼。模拟传输机制的结合与质谱的图形仿真使ENCOTION识别峰的质谱测量的最佳工具。

4.2。质谱的模拟

在质谱识别未知峰,模拟传输机制可以辅以图形化质谱的模拟。这一点尤其承诺与不止一个元素时同位素。在图11,一个男朋友₃质谱从108 u - 120 u。没有峰值特性尾巴或肩膀这可能表明他们是由不同的山峰重叠。事实上,与ENCOTION仿真表明,峰值是由41.7%的叠加MoO引起的⁺和58.3%财政部⁺离子。的磁分析器将被设置为质量114 u,离子束将包括26%^98年密苏里州,24%^95年密苏里州,26%¹⁶O, 24%¹⁹F。

另一个频谱仿真如图12。离子源最初与灰烬₃植入,随后源原料气时切换到N₂。在大规模75 u⁺峰是可见的。大规模地区69 u - 74 u,测量表明更多的山峰。引人注目的是,山峰之间的距离70 u和72 u不是1 u而是0.75 u。的质谱模拟ENCOTION识别这些峰值是由于电荷交换反应。在这种情况下,峰值所致^{One hundred.}莫完全重叠的峰值,即梁是污染^{One hundred.}密苏里州。

4.3。污染的识别机制

在许多情况下,模拟与ENCOTION显示惊人的大量的可能性如何引起质谱的峰值或植入一个不必要的元素可能导致污染的目标。这使它有时很难明确地分配在质谱峰的原因,特别是当只有元素同位素来考虑。离子注入,峰值所需的离子物种的目的是要尽可能大,在大多数情况下,不可能对这个峰值是否隐藏其他离子物种的山峰。在这些情况下,西姆斯支持的模拟应该测量。SIMS档案不仅描述了植入的考虑元素,他们还允许结论的有效注入能量。与后者,可以评价模拟传输机制。

图13显示模拟人生档案的基地测量两个植入硅晶圆,一个晶片70 keV,另140 keV。70 keV植入实现提取电压70 kV,和140 keV植入后额外加速大规模分离70千伏的电压。概要文件与蒙特卡罗模拟软件SRIM [15]表明,艾尔是植入在18 keV和74 keV能量,分别。在表2,这两个潜在的有效能量最低的传输机制(列出cp.模拟图8)。的能量机制很同意的能量提取SRIM概要文件。由于氧化铝陶瓷离子源中,这种机制似乎可行。西姆斯的尾巴概要文件,然而,表明也离解过程等其他机制可能会导致污染。

5。结论

质谱的离子源与灰操作₃PH值,₃N₂,男朋友₃,艾尔显示大量的电荷交换和离解反应。一些产生的山峰取决于提取抑制电压的比值与派生模型可以非常准确地描述的表观质量。这个模型在仿真工具实现ENCOTION模拟,一方面,潜在的任何通过磁分析器离子传输机制,另一方面,质谱。ENCOTION的力量了,首先,识别的钼化合物的质谱峰叠加造成的,其次,在作为植入莫污染的检测,第三,传输机制的模拟期间Al B植入。

引用

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