11，9离子注入系统
一台离子注入机是多个极为复杂精密的子系统的集成[参见下图]，每个子系统对离子起特定的作用。用于先进科研和/或大规模生产的离子注入机有不同的设计。所有机器都包含下面所描述的子系统。
11，9．1离子注入源
离子注入工艺采用与扩散工艺相同的杂质元素。在扩散工艺中，杂质源于液态、气态或固态材料。对离子注入而言，只采用气态与固态源材料。
由于便于使用与控制，离子注入偏向于使用气态源。最常用的气体是砷烷（AsH3）、磷烷（PH3）和三氟化硼（BF3）。气瓶通过质量流量计连接到离子源子系统，该流量计较通常的流量计有更好的控制能力。一个更新的系统，称为安全输运系统（SDS），它有像砷烷这样的掺杂剂，工作在低温下并吸附在固体表面上。
11．9．2离化反应室
“离子注入”这个名字就暗示了离子是该工艺的一部分。回顾一下，离子就是带正电荷或负电荷的原子或分子。被注入的离子是掺杂物原子离化产生的。离化过程在通有源蒸气的离化反应腔中进行。该反应腔保持约10一3托的低压（真空）。反应腔内部灯丝加热到其表面可以发射电子的温度。带负电的电子被反应腔中的阳极所吸引。电子从灯丝运动到阳极的过程中与杂质源分子碰撞，产生大量该分子所含元素形成的正离子。BF,源离化的结果如下图所示。
另外一种离化方法采用冷阴极技术产生电子，阴极和阳极间加高压电场，以自维持工艺产生电子。
11．9．3质谱分析/离子选择
下图上部列出的是单个硼离子。这是晶圆表面所需的原子。氟化硼离化过程中产生的其他种类的离子是晶圆所不需要的。必须从一组正离子中选出硼离子。这个过程称为分析（analyzing）、质谱分析〈mass analyzing）、选择（）或离子分离（ion separation）。
选择是在质谱分析仪中完成的。这个子系统最初是在曼哈顿项目中为原子弹首先开发的。分析仪产生磁场（参见下图）。不同种类的离子以15～40kev的能量离开离化子系统。换言之，它们以相对很快的速度运动。
在磁场中，每一种带正电的离子都会被以特定的半径沿弧形扭转。偏转弧形的半径由该种离子的质量、速度和磁场强度来决定。分析仪的末端是一个只能让一种离子通过的狭缝。磁场强度被调整为与硼离子能通过狭缝的要求所匹配的值。这样，只有硼离子通过分析子系统。
在有些系统中，离子被加速后还会进行分析（参见下图）。如果注入所需种类为分子，并且在加速过程中可能分裂，则加速后必须进行分析以确保束流没有污染。
11．9，4加速管
离开分析部分后，硼离子运动到加速管中。其目的是将离子加速到足够高速度，获取足够高的动量以穿透晶圆表面。动量（momentum）定义为原子质量与其速度的乘积。这个部分保持在高真空（低压）以便将进入束流的沾污降低最低。为此，常用涡轮真空泵。
利用正负电荷互相吸引的特性可以获取所需的速度。加速管为直线型设计，沿轴向有环形的电极。每个电极都带有负电。电荷量沿加速管方向增加。
当带正电的离子进入加速管后，立刻会沿着加速管的方向加速。电压的确定基于离子的质量，以及离子注入机晶圆端所需的动量。电压越高，动量越高，速度越快，离子入射越深。电压范围对低能离子注入机从50kev，对高能离子注入机从0.2-2.5Mev（百万电子伏特）。
离子注入机分为如下类别：中等束流和高束流设备，高能量与氧离子注入机。离开加速管的正离子流实际上就是电流。束流高低水平可转化为每分钟注入的离子数量。束流越高，入射原子就越多。
被注入的原子量被称为剂量（dose）。中等束流的机器可以产生0.5-1.7mA范围的束流，能量从30-200keV。高束流机器能产生能量高达2kev、束流强度达10mA的束流。高能量离子注入机在CMOS掺杂中应用，包括倒掺杂的阱、沟道停止和深埋层。
11．9．5晶圆电荷积累
高束流离子注入的一个问题是晶圆表面所带电荷（晶圆带电）大到无法接受的程度。高强度束流携带大量正电荷使晶圆表面充电。正电荷从晶圆表面，晶圆体内和束流中吸引中和电子。高电压充电可以使表面绝缘层退化和破坏。晶圆带电是MOS薄栅介质层的特有问题。用于中和或降低充电的方法：特殊设计用于提供电子的电子枪（flood gun)，用等离子桥的办法提供低能电子，同时通过磁场控制电子路径。
下图显示了用于生产层次的离子注入机的束流与能量的关系。高能离子注入机将离子加速到10kev到3.0MeV能量，束流最高可达1.0mA。氧离子注入机用做SOI应用中的氧离子注入。
成功的离子注入依赖于只注入所需的原子。单一掺杂要求系统维持在低压下（优于1托）。风险在于任何残留在系统中的分子（比如空气）都可能被加速并到达晶圆表面。扩散泵或高真空冷泵被用来降低压力。
11．9．6束流聚焦
离开加速管后，束流由于相同电荷的排斥作用而发散。分离（发散）导致离子密度不均匀和晶圆掺杂层的不均一。成功的离子注入，束流必须聚焦。静电或磁透镜被用于将离子聚焦为小尺寸束流或平行束流带。
11．9，7束流中和
尽管真空去除了系统中的大部分空气，但是束流附近还是有一些残存的气体分子。离子和剩余气体原子的碰撞导致掺杂离子的中和：
在晶圆内，这些电中性的粒子导致掺杂不均匀，同时由于它们无法被设备探测计数，还会导致晶圆掺杂量的计数不准确。抑制中性粒子流的方法是通过静电场板的方法将束流弯曲，中性的束流会继续沿直线运动而远离晶圆（参见下图）。
