CN102479654A - 离子注入设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子注入设备及方法。在该离子注入设备中，在从该离子源系统至该工件传输装置的离子束的束流路径上依次设有：一偏转散焦磁铁，用于在一偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上散焦离子束；一偏转磁铁，用于在该偏转平面内偏转离子束；一偏转聚焦磁铁，用于在该偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上聚焦离子束；一电极系统，用于在该偏转平面内偏转离子束。本发明能够大幅地降低设备整体成本，并实现对掺杂剂量及掺杂均匀性的精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及离子注入技术，特别是涉及一种离子注入设备及方法。
背景技术
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一，其中，太阳能便是一种清洁、高效、永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容，光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等诸多优点。近几年以来，国际上光伏发电技术得到了迅猛发展，因此提高太阳能晶圆的生产质量以及生产能力已经成为了极为重要的课题。
目前，在太阳能晶圆掺杂领域，使用最为普遍的方法便是热扩散掺杂工艺。这种掺杂技术虽然生产效率较高，但是却需要一些后续的工艺作为补充，例如后续的去边工艺等，因此整体而言工艺步骤较为繁杂，相应地，用于完成这些繁杂工艺步骤的各种设备的整体购置成本也较高。另外，由于热扩散工艺本身的机理所限，这种掺杂技术无法较为精确地控制掺杂离子的掺杂剂量以及掺杂均匀性，这将导致太阳能晶圆的生产质量较低，制得的太阳能晶圆会在生产过程中损失一部分的光电转化效率。
由于半导体制造领域中的离子注入技术能够特别精确地控制掺杂离子的掺杂剂量以及掺杂均匀性，因此，太阳能晶圆制造业内已经开始尝试将离子注入技术引用至太阳能晶圆掺杂制程。然而，这一尝试的成功实现仍然需要克服许多技术难题。典型地，以瓦里安公司的Solion型太阳能离子注入设备为例，该离子注入设备正是直接由半导体制造领域中使用的离子注入设备简单改进而得的，对于太阳能晶圆掺杂制程而言，该离子注入设备的整体成本明显过高，而且生产效率偏低，不能满足太阳能生产线的需求，这将导致采用离子注入技术的掺杂制程在短期内很难在太阳能晶圆掺杂领域中实现推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中将半导体离子注入技术引用至太阳能晶圆掺杂领域会导致设备整体成本过高的缺陷，提供一种特别适用于太阳能晶圆掺杂制程且设备整体成本大幅降低的离子注入设备及方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种离子注入设备，其包括一用于引出离子束的离子源系统以及一用于传输工件穿过离子束以完成工件加工的工件传输装置，其特点在于，在从该离子源系统至该工件传输装置的离子束的束流路径上依次设有：一偏转散焦磁铁，用于在一偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上散焦离子束；一偏转磁铁，用于在该偏转平面内偏转离子束；一偏转聚焦磁铁，用于在该偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上聚焦离子束；一电极系统，用于在该偏转平面内偏转离子束。
较佳地，该偏转散焦磁铁为一第一杆状四极磁铁，该第一杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
较佳地，该偏转散焦磁铁偏转离子束0°～45°。
较佳地，该偏转磁铁为一第二杆状四极磁铁或一二极磁铁，其中该第二杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
较佳地，该偏转磁铁偏转离子束0°～90°。
较佳地，该偏转聚焦磁铁为一第三杆状四极磁铁，该第三杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
较佳地，该偏转聚焦磁铁偏转离子束0°～45°。
较佳地，该偏转聚焦磁铁将离子束聚焦为平行束流。
较佳地，该电极系统还用于加速或减速离子束。
较佳地，该电极系统偏转离子束0°～45°
较佳地，该离子注入设备还包括设于工件穿过离子束的位置处的一束流诊断装置，用于穿过离子束以测量离子束的束流强度分布以及束流角度分布，并将测量结果反馈至一用于对该离子注入设备进行控制的控制单元。
较佳地，所述的工件为太阳能晶圆。
本发明还提供了一种利用上述离子注入设备实现的离子注入方法，该方法包括利用该离子源系统引出离子束的步骤，以及利用该工件传输装置传输工件穿过离子束以完成工件加工的步骤，其特点在于，在引出离子束的步骤与传输工件穿过离子束的步骤之间该方法还依次包括：S1、利用该偏转散焦磁铁在该偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上散焦离子束；S2、利用该偏转磁铁在该偏转平面内偏转离子束；S3、利用该偏转聚焦磁铁在该偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上聚焦离子束；S4、利用该电极系统在该偏转平面内偏转离子束。
较佳地，该偏转散焦磁铁为一第一杆状四极磁铁，该第一杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
较佳地，该偏转散焦磁铁偏转离子束0°～45°。
较佳地，该偏转磁铁为一第二杆状四极磁铁或一二极磁铁，其中该第二杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
较佳地，该偏转磁铁偏转离子束0°～90°。
较佳地，该偏转聚焦磁铁为一第三杆状四极磁铁，该第三杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
较佳地，该偏转聚焦磁铁偏转离子束0°～45°。
较佳地，该偏转聚焦磁铁将离子束聚焦为平行束流。
较佳地，该电极系统还加速或减速离子束。
较佳地，该电极系统偏转离子束0°～45°
较佳地，该离子注入设备还包括设于工件穿过离子束的位置处的一束流诊断装置，该束流诊断装置穿过离子束以测量离子束的束流强度分布以及束流角度分布，并将测量结果反馈至一用于对该离子注入设备进行控制的控制单元。
较佳地，所述的工件为太阳能晶圆。
本发明的积极进步效果在于：在本发明中，利用偏转散焦磁铁、偏转磁铁、偏转聚焦磁铁以及电极系统对离子束施加的各种电磁控制效应的相互配合，使得本发明的该离子注入设备能够省去现有的离子注入设备中通常必不可少的质量分析磁铁，却仍然能够实现质量分析磁铁对束流的选择效应，这样一方面使得本发明的该离子注入设备的束流系统设计十分简单，从而运行可靠性提高，另一方面又省去了成本高昂的质量分析磁铁，从而大幅地降低了设备整体成本。如此一来，太阳能晶圆的制造厂商便可以较低的成本将离子注入技术引用至太阳能晶圆的掺杂制程，从而在掺杂制程中实现对掺杂离子的掺杂剂量以及掺杂均匀性的精确控制，由此相较于原有的热扩散掺杂工艺获得生产质量的大幅提高，进一步地提高制得的太阳能晶圆的光电转化效率。
附图说明
图1为本发明的该离子注入设备在X-Z平面内的示意图。
图2为本发明的该离子注入设备在Y-Z平面内的局部投影图。
图3为本发明的该离子注入设备中的杆状四极磁铁的散焦效应的俯视图。
图4为本发明的该离子注入设备中的杆状四极磁铁的散焦效应的侧视图。
图5为本发明的该离子注入设备中的杆状四极磁铁的聚焦效应的俯视图。
图6为本发明的该离子注入设备中的杆状四极磁铁的聚焦效应的侧视图。
图7为本发明的该离子注入设备中的杆状四极磁铁的偏转效应的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
参考图1与图2对本发明的该离子注入设备进行说明，其中图1所示为该离子注入设备的侧视图，若将图1所示的该平面定义为三维坐标系中的X-Z平面，则图2所示的即为该离子注入设备中的偏转散焦磁铁、偏转磁铁、偏转聚焦磁铁以及电极系统在Y-Z平面内的投影图。
在该离子注入设备中，离子束的束流路径的起点为一离子源系统1，该离子源系统1用于引出掺杂制程所需的离子束，例如太阳能晶圆的掺杂制程所需的离子束；束流路径的终点则为一工件传输装置6，该工件传输装置6用于传输工件穿过离子束，从而利用离子束中的离子完成对工件的注入掺杂，此处的工件可以为各种需要接受离子注入掺杂的工件，但特别地可以为需要接受离子注入掺杂的太阳能晶圆。
在从该离子源系统1至该工件传输装置6的束流路径上依次设有：
一偏转散焦磁铁2，用于在一偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上散焦离子束。其中，该偏转平面即为图1所示的X-Z平面，而该散焦方向即为图2所示的Y方向。在实现所述的偏转以及散焦时，仅会因散焦效应而改变离子束中的各离子在Y方向上的相对距离，但并不会改变各离子在束流横截面上的相对位置关系，即不会改变束流的形状。该偏转散焦磁铁2可以在极大的角度范围内偏转离子束，但在实际使用时只需将离子束偏转至设定的束流路径中紧接在该偏转散焦磁铁2下游的下一个束流光学元件的入口位置处即可，因此在实际使用时该偏转散焦磁铁2一般用于将离子束偏转0°～45°；
一偏转磁铁3，用于在该偏转平面内进一步地偏转离子束。其中，该偏转平面仍为图1所示的X-Z平面。在实现所述的偏转时，并不会改变各离子在束流横截面上的相对距离以及相对位置关系，即不会改变束流的形状。该偏转磁铁3同样可以在极大的角度范围内偏转离子束，但在实际使用时只需将离子束偏转至设定的束流路径中紧接在该偏转磁铁3下游的下一个束流光学元件的入口位置处即可，因此在实际使用时该偏转磁铁3一般用于将离子束偏转0°～90°；
一偏转聚焦磁铁4，用于在该偏转平面内进一步地偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上聚焦离子束。其中，该偏转平面仍为图1所示的X-Z平面，而该散焦方向仍为图2所示的Y方向。在实现所述的偏转以及聚焦时，仅会因聚焦效应而改变离子束中的各离子在Y方向上的相对距离，但并不会改变各离子在束流横截面上的相对位置关系，即不会改变束流的形状。该偏转聚焦磁铁4同样可以在极大的角度范围内偏转离子束，但在实际使用时只需将离子束偏转至设定的束流路径中紧接在该偏转聚焦磁铁4下游的下一个束流光学元件的入口位置处即可，因此在实际使用时该偏转聚焦磁铁4一般用于将离子束偏转0°～45°；
一电极系统5，用于在该偏转平面内进一步地偏转离子束。其中，该偏转平面仍为图1所示的X-Z平面。该电极系统5同样可以在极大的角度范围内偏转离子束，但在实际使用时只需将离子束偏转至该工件传输装置6中利用离子束对工件进行离子注入掺杂的设定工位处即可，因此在实际使用时该电极系统5一般用于将离子束偏转0°～45°。另外，根据具体的制程要求，该电极系统5在偏转离子束的同时，还可以适当地对离子束的能量进行调整，即对离子束进行加速或者减速；当然在一些制程中，也可以仅偏转离子束，而不改变离子束的能量。
该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3以及该偏转聚焦磁铁4均可以利用公知的电磁原理，采用各种现有的电磁铁或是电磁铁的组合来实现；该电极系统5则可以利用公知的电磁原理，采用现有结构的电极系统来实现。
通过调节该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3、该偏转聚焦磁铁4以及该电极系统5在偏转离子束方面的工作参数，便可以使束流按照图1所示的从该离子源系统1至该工件传输装置6的束流路径进行传输，只要它们的工作参数设定得足够合适，则束流的如图1所示的该弧形传输路径便足以起到现有的离子注入设备中的质量分析磁铁的作用，利用不同荷质比的离子转弯半径不同的原理在省去质量分析磁铁的情况下仍然完美地保证实现对各离子的质量选择，并且还因为省去了成本昂贵的质量分析磁铁而使得该离子注入设备的整体成本也随之大幅下降。但是需要注意的是，图1中所示的该弧形束流路径仅为一种示例性的路径，对本发明不起限制作用，根据具体的制程要求，也可以将束流路径设计为其它的走向。
在该离子注入设备的实际运行中，通过对该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3、该偏转聚焦磁铁4以及该电极系统5在偏转离子束以及在散焦聚焦离子束方面的工作参数的调节，将可以一方面提高束流的传输效率，另一方面在该工件传输装置6中利用离子束对工件进行离子注入掺杂的设定工位处，对掺杂离子入射至太阳能晶圆时的束流强度分布以及束流角度分布实现精确的控制，从而不但提高了束流的利用效率，而且还提高了对太阳能晶圆的加工质量，即对掺杂离子的掺杂剂量以及掺杂均匀性也实现了精确的控制，最终进一步地提高太阳能晶圆的光电转化效率。
例如，通过对该偏转散焦磁铁2以及该偏转聚焦磁铁4在散焦聚焦离子束方面的工作参数的调节，本发明将能够很容易地实现对束流在图2中的Y方向上的束流宽度的调节，甚至可以较佳地利用该偏转聚焦磁铁4将束流校正为平行束流。现有的离子注入设备在利用离子束对工件进行离子注入掺杂的设定工位处，一般均仅能够对工件实现Y方向上300mm宽度的均匀覆盖，然而在应用了本发明的该离子注入设备之后，通过实验分析表明，在本发明的该工件传输装置6中利用离子束对工件进行离子注入掺杂的设定工位处，将能够对工件实现Y方向上500mm以上宽度的均匀覆盖，这无疑是对掺杂工艺的极大改善。
进一步地，本发明还提出了利用杆状四极磁铁来实现该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3以及该偏转聚焦磁铁4的方法。具体地说，该偏转散焦磁铁2可以采用一第一杆状四极磁铁来实现，该偏转磁铁3可以采用一第二杆状四极磁铁或一二极磁铁来实现，而该偏转聚焦磁铁4则可以采用一第三杆状四极磁铁来实现。其中，由于利用一二极磁铁来偏转离子束已经是本领域中的常用技术手段了，故接下来仅对杆状四极磁铁的应用方式进行说明。
由本领域中的公知技术可知，一杆状四极磁铁一般包括一对绕有电磁线圈的形状对称的铁芯，其中，该铁芯既可以为严格的长方体，也可以为横截面呈严格矩形、但在铁芯的长度方向上具有一定弧度的近似长方体，也可以为横截面呈近似矩形、但在铁芯的长度方向上不具有弧度的近似长方体，也可以为横截面呈近似矩形、且在铁芯的长度方向上具有一定弧形的近似长方体。
同样已知的是，如图3-6所示，当束流从一杆状四极磁铁的两个铁芯之间通过时，会发生散焦或聚焦效应。散焦效应的例子如图3中的俯视图以及图4中的侧视图所示，而聚焦效应的例子则如图5中的俯视图以及图6中的侧视图所示，其中的散焦方向以及聚焦方向均对应于图2中的Y方向，另外，图中的箭头表示的是线圈中电流的方向。一杆状四极磁铁的散焦或聚焦能力基本上仅与两个铁芯的线圈电流值之和有关，通过调节两个线圈的电流值之和以及电流的方向，便可以使通过的束流发生所需程度的散焦或聚焦。
而本发明则在利用了杆状四极磁铁的散焦或聚焦性质的同时，还特别地开发出了杆状四极磁铁的偏转性质。经过申请人的研究得知，一杆状四极磁铁对束流的偏转效应与其两个线圈的电流值均相关，当两者的电流值相等时，对束流无偏转作用；当两者的电流值不相等时，则会使束流发生偏转，且电流值相差越大，则对束流的偏转作用就越强，图7中的俯视图即为束流在一杆状四极磁铁的作用下发生偏转的示意图，其中该偏转平面即对应于图1中的X-Z平面。由此，通过对一杆状四极磁铁的两个线圈的电流值之差的调节，便可以使束流发生所需程度的偏转。
当结合利用杆状四极磁铁的已知的散焦聚焦性质以及由申请人提出的偏转性质时，便可以通过选择线圈电流参数不同的各种杆状四极磁铁来实现本发明中的该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3以及该偏转聚焦磁铁4的功能了。
另外，为了对注入掺杂的详情进行监控，还可以在工件穿过离子束的位置处设置一束流诊断装置，该束流诊断装置可以与工件穿过离子束时相同的方式穿过离子束，以对进行离子注入掺杂的设定工位处的束流强度分布以及束流角度分布进行精确的测量，然后将测量结果反馈至一用于对该离子注入设备进行控制的控制单元。由此，该控制单元便可以该束流诊断装置的测量结果为依据，对该工件传输装置6上游的各个束流光学元件的工作参数(包括各磁铁的线圈电流参数以及电极系统的电压参数)进行调节，直至该束流诊断装置所获得的测量结果完全符合预期为止。
综上所述，本发明的该离子注入设备的束流系统设计十分简单，省去了通常必不可少的质量分析磁铁，大幅地降低了设备整体成本，从而成功地将离子注入技术引用至了太阳能晶圆掺杂领域，由此便可以实现对束流的均匀性以及对束流角度的精确控制，继而实现对掺杂剂量以及掺杂均匀性的精确控制，进一步地提高太阳能晶圆的光电转化效率。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (24)
1.一种离子注入设备，其包括一用于引出离子束的离子源系统以及一用于传输工件穿过离子束以完成工件加工的工件传输装置，其特征在于，在从该离子源系统至该工件传输装置的离子束的束流路径上依次设有：
一偏转散焦磁铁，用于在一偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上散焦离子束；
一偏转磁铁，用于在该偏转平面内偏转离子束；
一偏转聚焦磁铁，用于在该偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上聚焦离子束；
一电极系统，用于在该偏转平面内偏转离子束。
2.如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该偏转散焦磁铁为一第一杆状四极磁铁，该第一杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
3.如权利要求1或2所述的离子注入设备，其特征在于，该偏转散焦磁铁偏转离子束0°～45°。
4.如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该偏转磁铁为一第二杆状四极磁铁或一二极磁铁，其中该第二杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
5.如权利要求1或4所述的离子注入设备，其特征在于，该偏转磁铁偏转离子束0°～90°。
6.如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该偏转聚焦磁铁为一第三杆状四极磁铁，该第三杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
7.如权利要求1或6所述的离子注入设备，其特征在于，该偏转聚焦磁铁偏转离子束0°～45°。
8.如权利要求1或6所述的离子注入设备，其特征在于，该偏转聚焦磁铁将离子束聚焦为平行束流。
9.如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该电极系统还用于加速或减速离子束。
10.如权利要求1或9所述的离子注入设备，其特征在于，该电极系统偏转离子束0°～45°
11.如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该离子注入设备还包括设于工件穿过离子束的位置处的一束流诊断装置，用于穿过离子束以测量离子束的束流强度分布以及束流角度分布，并将测量结果反馈至一用于对该离子注入设备进行控制的控制单元。
12.如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，所述的工件为太阳能晶圆。
13.一种利用权利要求1所述的离子注入设备实现的离子注入方法，该方法包括利用该离子源系统引出离子束的步骤，以及利用该工件传输装置传输工件穿过离子束以完成工件加工的步骤，其特征在于，在引出离子束的步骤与传输工件穿过离子束的步骤之间该方法还依次包括：
S1、利用该偏转散焦磁铁在该偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上散焦离子束；
S2、利用该偏转磁铁在该偏转平面内偏转离子束；
S3、利用该偏转聚焦磁铁在该偏转平面内偏转离子束，并在垂直于该偏转平面的方向上聚焦离子束；
S4、利用该电极系统在该偏转平面内偏转离子束。
14.如权利要求13所述的离子注入方法，其特征在于，该偏转散焦磁铁为一第一杆状四极磁铁，该第一杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
15.如权利要求13或14所述的离子注入方法，其特征在于，该偏转散焦磁铁偏转离子束0°～45°。
16.如权利要求13所述的离子注入方法，其特征在于，该偏转磁铁为一第二杆状四极磁铁或一二极磁铁，其中该第二杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
17.如权利要求13或16所述的离子注入方法，其特征在于，该偏转磁铁偏转离子束0°～90°。
18.如权利要求13所述的离子注入方法，其特征在于，该偏转聚焦磁铁为一第三杆状四极磁铁，该第三杆状四极磁铁的两个铁芯的线圈电流值不相等。
19.如权利要求13或18所述的离子注入方法，其特征在于，该偏转聚焦磁铁偏转离子束0°～45°。
20.如权利要求13或18所述的离子注入方法，其特征在于，该偏转聚焦磁铁将离子束聚焦为平行束流。
21.如权利要求13所述的离子注入方法，其特征在于，该电极系统还加速或减速离子束。
22.如权利要求13或21所述的离子注入方法，其特征在于，该电极系统偏转离子束0°～45°
23.如权利要求13所述的离子注入方法，其特征在于，该离子注入设备还包括设于工件穿过离子束的位置处的一束流诊断装置，该束流诊断装置穿过离子束以测量离子束的束流强度分布以及束流角度分布，并将测量结果反馈至一用于对该离子注入设备进行控制的控制单元。
24.如权利要求13所述的离子注入方法，其特征在于，所述的工件为太阳能晶圆。
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