离子注入是一种低温过程

通过该过程将一种元素的离子加速进入固体靶材，从而改变靶材的物理、化学或电学性质。离子注入用于半导体器件制造和金属精加工以及材料科学研究。如果离子停止并保留在目标中，则它们可以改变目标的元素成分（如果离子的成分与目标不同）。当离子以高能量撞击目标时，离子注入还会引起化学和物理变化。高能碰撞级联可能会损坏甚至破坏目标的晶体结构，并且足够高能量（数十兆电子伏）的离子可以引起核嬗变。

在制造晶圆时，离子注入工艺中经常使用砷化氢和磷化氢等有毒材料。其他常见的致癌、腐蚀性、易燃或有毒元素包括锑、砷、磷和硼。半导体制造设施高度自动化，但在维修过程中和真空泵硬件中可能会遇到机器中残留的有害元素。

高电压和粒子加速器

离子注入所需的离子加速器中使用的高压电源可能会造成电击伤害的风险。此外，高能原子碰撞可以产生 X 射线，在某些情况下还可以产生其他电离辐射和放射性核素。除了高压之外，射频线性粒子加速器和激光尾场等离子体加速器等粒子加速器还存在其他危险。

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所有种类的离子注入光束线设计都包含通用的功能组件组。离子光束线的第一个主要部分包括用于生成离子种类的离子源。离子源与偏置电极紧密耦合，用于将离子提取到光束线中，并且通常与选择特定离子种类以传输到主加速器部分的一些装置紧密耦合。

离子源通常由高熔点材料制成，例如钨、掺杂氧化镧的钨、钼和钽。通常在离子源内部，在两个钨电极（称为反射器）之间产生等离子体，使用通常基于氟的气体，其中包含要注入的离子（无论是锗、硼还是硅），例如三氟化硼、 二氟化硼、五氟化锗或五氟化硅。砷化氢气体或磷化氢气体可用于离子源中，分别提供砷或磷用于注入。离子源还具有间接加热阴极。或者，加热阴极可用作反射器之一，从而消除了对专用反射器的需要，或使用直接加热阴极。

氧气或氧化物气体（如二氧化碳）也可用于碳等离子。可将氢气或氢气与氙气、氪气或氩气一起添加到等离子体中，以延缓由于卤素循环而导致的钨成分降解。 氢气可以来自高压气缸或使用电解的氢气发生器。离子源两端的排斥器不断将原子从离子源的一端移动到另一端，类似于两个指向彼此的镜子不断反射光线。

离子由离子源外部的提取电极通过源中的狭缝形孔从源中提取出来， 然后离子束穿过分析磁铁以选择要注入的离子，然后穿过一个或两个线性加速器（直线加速器）， 在离子到达工艺室中的晶圆之前对其进行加速。在中等电流离子注入机中，工艺室前还有一个中性离子阱，用于从离子束中去除中性离子。

一些掺杂剂（如铝）通常不以气体形式提供给离子源，而是以氯或碘为基础的固体化合物形式提供给离子源，这些化合物在附近的坩埚中蒸发，如碘化铝或氯化铝，或作为离子源内部的固体溅射靶，由氧化铝或氮化铝制成。注入锑通常需要使用连接到离子源的蒸发器，其中三氟化锑、三氧化锑或固体锑在坩埚中蒸发，并使用载气将蒸气输送到相邻的离子源，尽管它也可以从含氟气体（如六氟化锑）中注入，或从液态五氟化锑蒸发。镓、硒和铟通常从固体源注入，例如二氧化硒，尽管它也可以从硒化氢中注入。坩埚通常可以使用 60-100 小时，并防止离子注入机在不到 20-30 分钟的时间内更改配方或工艺参数。离子源通常可以使用 300 小时。