CN102486985B - 离子源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子源装置，其包括一放电室以及一多孔多电极引出系统，该多孔多电极引出系统的多个引出孔分布在一引出区域中，其特征在于，该引出区域呈纵向尺寸大于横向尺寸的矩形。利用本发明的该离子源装置将能够引出束流强度更大并且均匀性更好的带状离子束。

Description

离子源装置

技术领域

本发明涉及一种离子源装置。

背景技术

离子注入方法用于把通常称之为杂质的原子或分子引入靶标基片，从而改变基片材料的物理和化学性能。在许多制造领域中，尤其是在半导体产品以及太阳能晶圆的制造中，往往需要利用带状离子束来完成对工件的离子注入加工。

离子注入机中均包括有离子源装置，离子源装置一般包括一放电室、一多电极引出系统以及一些附属组件。针对用于生成带状离子束的场合，目前业内普遍采用的多电极引出系统的引出孔结构一般均为图1所示的纵向设计的长条形单孔1’。这种引出孔结构可以直接从放电室引出所需的带状离子束，因此为大多数带状离子束离子注入机所采用。然而，这种引出孔结构存在着以下一些缺陷：一，由于空间电荷效应，离子束在引出时的横向散焦往往较为严重，并且难于控制，这会给后续的束流传输系统的设计带来较大的困难；二，同样由于空间电荷效应，在离子束的传输过程中，如图3中的数据点连线a所示，离子束在其纵向两端处的束流强度分布会呈现出从峰值向0的缓慢下降，这会给调整离子束的纵向均匀性分布带来不利影响。

另外，在一些需要进行大面积离子注入的领域中，例如镜片镀膜加工等领域中，则会在离子源装置中采用多孔多电极引出系统。在普通的多孔多电极引出系统中，多个引出孔分布在一面积较大且尺寸无特定限制的引出区域中，利用该多个引出孔从放电室引出宽束离子束。显然，这样的离子源装置是无法用于引出带状离子束的。

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的离子源装置难以引出具有理想均匀性的带状离子束的缺陷，提供一种能够引出束流强度更大并且均匀性更好的带状离子束的离子源装置。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种离子源装置，其包括一放电室以及一多孔多电极引出系统，该多孔多电极引出系统的多个引出孔分布在一引出区域中，其特点在于，该引出区域呈纵向尺寸大于横向尺寸的矩形。

其中，该引出区域的形状使得：该多孔多电极引出系统从该放电室引出带状离子束。

较佳地，该引出区域中至少分布有两列所述引出孔。

较佳地，方案一：分布在该引出区域的中心部位处的所述引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的所述引出孔的尺寸，且所述引出孔在该引出区域中均匀分布；或方案二：所有所述引出孔的尺寸均相同，且所述引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于所述引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；或方案三：分布在该引出区域的中心部位处的所述引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的所述引出孔的尺寸，且所述引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于所述引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；或方案四：所有所述引出孔的尺寸均相同，且所述引出孔在该引出区域中均匀分布。

较佳地，所述引出孔的形状为圆形，且所述引出孔的直径在2～15mm范围内。

较佳地，所述引出孔的形状为正多边形，且所述引出孔的外接圆的直径在2～15mm范围内。

较佳地，在该方案一和该方案四中，所述引出孔在该引出区域中对齐排列或错位排列。

较佳地，该多孔多电极引出系统的多个电极中距离该放电室最远或倒数第二远的电极包括设计电压相同且形状互补的一第一电极区和一第二电极区，该第一电极区具有多个横向延伸的第一延伸部，该第二电极区具有多个横向延伸的第二延伸部，所述第一延伸部与第二延伸部在该引出区域中相互交错拼合，该第一电极区或第二电极区在该设计电压上还叠加有一个周期性波动的负偏压。

较佳地，该多孔多电极引出系统的多个电极中距离该放电室最远或倒数第二远的电极包括设计电压相同且形状互补的一第一电极区和一第二电极区，该第一电极区具有多个纵向延伸的第一延伸部，该第二电极区具有多个纵向延伸的第二延伸部，所述第一延伸部与第二延伸部在该引出区域中相互交错拼合，该第一电极区或第二电极区在该设计电压上还叠加有一个周期性波动的负偏压。

较佳地，所有所述第一延伸部和第二延伸部的尺寸均相同。

较佳地，该负偏压为该多孔多电极引出系统的引出电压的1％～30％。

较佳地，该负偏压为该多孔多电极引出系统的引出电压的10％。

较佳地，在采用该方案一和该方案四时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的纵向尺寸均与纵向上相邻的两个所述引出孔之间的间距相等。

较佳地，在采用该方案一和该方案四中时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的纵向尺寸均为纵向上相邻的两个所述引出孔之间的间距的一半。

较佳地，在采用该方案一和该方案四时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的横向尺寸均与横向上相邻的两个所述引出孔之间的间距相等。

较佳地，在采用该方案一和该方案四时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的横向尺寸均为横向上相邻的两个所述引出孔之间的间距的一半。

本发明的积极进步效果在于：

一，本发明将原本用于引出宽束离子束的多孔形式的引出孔结构引入了用于引出带状离子束的离子源装置中，由此将能够获得以下两方面的有益效果：

1、相较于现有的长条形单孔形式的引出孔结构，本发明的该离子源装置采用的引出孔结构的总的有效引出面积更大，在放电室内的等离子体浓度不发生显著下降的情况下，本发明中从放电室引出的带状离子束的束流强度将会更大。

2、相较于现有的长条形单孔形式的引出孔结构，本发明中引出的整个带状离子束是由从多个引出孔中被引出的多个子束流组成的，因此整个离子束的空间密度相对较小，这将在离子束的传输过程中显著地降低空间电荷效应的影响，从而使得离子束无论是在横向上还是在纵向上均能够获得更好的均匀性。而针对带状离子束而言，其纵向均匀性的改善将能够显著地提高对半导体产品或太阳能晶圆等工件的离子注入加工的质量以及效率。

二，本发明还在提出了用于引出带状离子束的多孔多电极引出系统的基础之上，进一步地提出了对该多孔多电极引出系统的多个电极中距离放电室最远或倒数第二远的那个电极的结构改进，该结构改进将使得引出的离子束在横向/纵向上产生轻微的扫描，从而在横向/纵向上消除各子束流内部较高的束流强度与各子束流间的间隙处较低的束流强度之间的轻微差值，最终进一步地提高引出的离子束在横向/纵向上的均匀性。而针对带状离子束而言，其纵向均匀性的进一步改善将能够更加显著地提高对半导体产品或太阳能晶圆等工件的离子注入加工的质量以及效率。

附图说明

图1为现有的引出孔结构的示意图。

图2为本发明的该离子源装置中的引出孔结构的示意图。

图3为现有的离子源装置与本发明的该离子源装置所引出的离子束的纵向束流强度分布的实验比较图。

图4为本发明的该离子源装置中的最后一个或倒数第二个电极的第一实施例的结构示意图。

图5为本发明的该离子源装置中的最后一个或倒数第二个电极的第二实施例的结构示意图。

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。

本发明的该离子源装置中包括有一常规的放电室、一多孔多电极引出系统以及一些公知的附属组件。

该放电室用于生成等离子体状态的所需离子。

该多孔多电极引出系统用于从该放电室中引出离子束，其包括多个电极，并且该多个电极均在相同的位置处设有多个引出孔。图2所示即为各电极上的多个引出孔3的分布示意图，其中由虚线框所围的区域便为该些引出孔3的分布区域，在本文中将该虚线框区域定义为引出区域。每个引出孔3分别从该放电室引出一子束流，全部的子束流便构成了被引出的整个离子束。

为了使得原本适用于引出宽束离子束的多孔多电极引出系统能够成功地引出理想的带状离子束，本发明特别地对该引出区域进行了改进设计，将其设计为纵向尺寸大于横向尺寸的矩形。由于引出的离子束的横截面形状与该矩形的具体尺寸之间存在着已知的相关性，因此只需根据实际制程所需的带状离子束形状参数，对该引出区域的具体尺寸进行相应设计，便可以使得所引出的离子束尽可能地接近理想的带状离子束。当然，由于该引出区域代表的仅是引出孔的分布区域，因此此处所谓的矩形并不需要是数学定义上的严格矩形。

若将该引出区域中全部引出孔的面积之和定义为本发明中的总的有效引出面积，并且将现有的用于引出带状离子束的长条形单孔的面积定义为原有的有效引出面积，则在本发明中通过对引出孔数量的适当设计，显然很容易使本发明中的总的有效引出面积大于原有的有效引出面积。这样一来，只要该放电室中的等离子体的浓度不发生显著的下降，则本发明中所引出的离子束的整体束流强度必然将显著地高于由现有的单孔形式的引出孔所生成的束流强度。

另外，由于在本发明中整个带状离子束是由从各引出孔中被引出的多个子束流组成的，因此整个离子束的空间密度相对较小，这将在离子束的传输过程中显著地降低空间电荷效应的影响。

对于带状离子束而言，仅有其纵向均匀性会对实际制程中的离子注入加工质量产生至关重要的影响。因此，在图3中便将由现有的单孔形式的引出孔所引出的带状离子束的纵向束流强度分布(数据点连线a)，与本发明中所引出的带状离子束的纵向束流强度分布(数据点连线b)进行了实验对比，由图中可以明显地看出，在保持离子束的中心部位束流强度相同的情况下，本发明所获得的带状离子束在其纵向两端处的束流强度呈现出急剧的下降趋势，而不再是缓慢的下降，这正反应了离子束的纵向均匀性的显著提高。

在本发明中，引出孔在该引出区域中的纵向设计数量可以根据实际制程所需的带状离子束的纵向尺寸相应地确定，而引出孔在该引出区域中的横向设计数量则没有特别的要求。但是较佳地，为了对离子束在横向上的空间电荷效应也进行一定程度的抑制，从而适当地提高其横向均匀性，该引出区域中可以至少设计两列引出孔。

在本发明中，该些引出孔3在该引出区域中的尺寸分布以及位置分布可以有以下四种较佳的可选方案：

方案一：分布在该引出区域的中心部位处的引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸，且各引出孔在该引出区域中均匀分布；

方案二：所有引出孔的尺寸均相同，且引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；

方案三：分布在该引出区域的中心部位处的引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸，且引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；

方案四：所有引出孔的尺寸均相同，且各引出孔在该引出区域中均匀分布(如图2、图4以及图5所示)。

由于离子在电场的作用下从该放电室离开时，其自然的状态总是为：束流的中心部位处的离子密度较高，而束流的边缘部位处的离子密度较低。因此，为了一定程度地补偿甚至是消除该自然产生的束流强度不均匀现象，在设计该些引出孔3的尺寸分布以及位置分布时，上述的方案一～方案三将可以获得束流强度分布更加均匀的离子束，而方案四所获得的离子束的束流强度分布的均匀性将会相对稍低，但方案四却具有引出孔设计简单、制造便捷的独特优势。

该些引出孔的形状可以为圆形或是各种正多边形，例如正四边形或正八边形等等，对于圆形引出孔而言，其直径可以设计在2～15mm范围内，而对于正多边形引出孔而言，其外接圆直径可以设计在2～15mm范围内。另外，当采用上述的方案一或方案四时，即将该些引出孔设计为在该引出区域中均匀分布时，该些引出孔3既可以如图2所示地错位排列，也可以如图4和图5所示地对齐排列。当然，根据实际制程对离子束的参数要求，引出孔的数量、大小、位置分布方式以及排列方式均可以相应地灵活设计，不受上文所述内容的限制。

在采用了多孔形式的引出孔结构之后，在整个带状离子束中，由各引出孔引出的子束流内部的束流强度显然会相对较大，而各子束流之间的间隙处的束流强度显然会相对较小，虽然该两者之间的差值实际上是比较轻微的，但是仍然给本发明提供了进一步改进的余地。为了消除该轻微差值，参考图4和图5，还可以将该多孔多电极引出系统的多个电极中距离该放电室最远或倒数第二远的那个电极的设计，由原先的一体结构改变为包括一第一电极区1和一第二电极区2，该第一电极区1与该第二电极区2的设计电压相同、并且形状互补。

如上所述地，由于对带状离子束而言，其纵向均匀性要重要得多，因此接下来将参考图4和图5，对利用该第一电极区1以及该第二电极区2在纵向上消除离子束内部因多孔形式的引出孔结构导致的轻微的束流强度不均匀的具体方法进行说明。在这种场合下，将该第一电极区1设计为具有多个横向延伸的第一延伸部11，将该第二电极区2设计为具有多个横向延伸的第二延伸部22。各第一延伸部11与各第二延伸部22在该引出区域(图中未示，即图4和图5中引出孔的分布区域)中相互交错拼合，并且在该第一电极区1和该第二电极区2的其中一个电极区(例如该第一电极区1)的原设计电压上再叠加一个周期性波动的负偏压，而另一个电极区(例如该第二电极区2)则仍然保持原设计电压不变。其中，该负偏压的数值相对于该多孔多电极引出系统的引出电压而言应当较小，例如可以设计为引出电压的1％～30％，较佳地为引出电压的10％左右。根据公知的电磁原理可知，当从该放电室中被引出的离子束经过该第一电极区1和该第二电极区2时，将会在该负偏压的作用下在纵向上产生轻微的扫描，该轻微的扫描能够在纵向上消除子束流内部较高的束流强度与各子束流间的间隙处较低的束流强度之间的轻微不均匀。至于该负偏压的波动频率，则应当根据所引出的带状离子束与接受该带状离子束的注入加工的工件之间的相对移动速度而定，该相对移动速度越大，则该负偏压的波动频率就应当越高，选择确定该负偏压的具体波动频率的操作方法对于本领域技术人员而言较为容易，故在此不做赘述。

为了进一步地保证离子束在纵向上的均匀性，该些第一延伸部11以及第二延伸部22的尺寸可以完全相同。例如图4所示地，在各引出孔均匀分布的情况下，每个第一延伸部11和第二延伸部22的纵向尺寸均与纵向上相邻的两个引出孔3之间的间距相等，或者也可以如图5所示地，仍然在各引出孔均匀分布的情况下，每个第一延伸部11和第二延伸部22的纵向尺寸均为纵向上相邻的两个引出孔3之间的间距的一半。当然，第一延伸部11和第二延伸部22的尺寸还可以有许多功能相同的变化设计方式，在此不做穷举。

若根据实际制程的要求，更加需要在横向上消除子束流内部较高的束流强度与子束流间的间隙处较低的束流强度之间的轻微不均匀时，基于同样的电磁原理，只需将上述描述中对该些第一延伸部11和第二延伸部22的结构设计整体旋转90°，便可以使所引出的离子束在横向上发生轻微的扫描，从而进一步地提高离子束的横向均匀性。

综上所述，利用本发明的该离子源装置，不但可以提高所引出的带状离子束的整体束流强度，还可以实现离子束的束流强度的分布均匀性，从而减少在后续的束流传输系统中对束流均匀性的调整成本，并最终提高离子注入加工的质量以及效率。

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 (18)

1.一种离子源装置，其包括一放电室以及一多孔多电极引出系统，该多孔多电极引出系统的多个引出孔分布在一引出区域中，其特征在于，该引出区域呈纵向尺寸大于横向尺寸的矩形，

该引出区域的形状使得：该多孔多电极引出系统从该放电室引出带状离子束，

该引出区域中至少分布有两列所述引出孔，

其中，方案一：分布在该引出区域的中心部位处的所述引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的所述引出孔的尺寸，且所述引出孔在该引出区域中均匀分布；或

方案二：所有所述引出孔的尺寸均相同，且所述引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于所述引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；或

方案三：分布在该引出区域的中心部位处的所述引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的所述引出孔的尺寸，且所述引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于所述引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；或

方案四：所有所述引出孔的尺寸均相同，且所述引出孔在该引出区域中均匀分布，

该多孔多电极引出系统的多个电极中距离该放电室最远或倒数第二远的电极包括设计电压相同且形状互补的一第一电极区和一第二电极区，该第一电极区具有多个横向延伸的第一延伸部，该第二电极区具有多个横向延伸的第二延伸部，所述第一延伸部与第二延伸部在该引出区域中相互交错拼合，该第一电极区或第二电极区在该设计电压上还叠加有一个周期性波动的负偏压。

2.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，所述引出孔的形状为圆形，且所述引出孔的直径在2～15mm范围内。

3.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，所述引出孔的形状为正多边形，且所述引出孔的外接圆的直径在2～15mm范围内。

4.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，在该方案一和该方案四中，所述引出孔在该引出区域中对齐排列或错位排列。

5.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，所有所述第一延伸部和第二延伸部的尺寸均相同。

6.如权利要求5所述的离子源装置，其特征在于，该负偏压为该多孔多电极引出系统的引出电压的1％～30％。

7.如权利要求5所述的离子源装置，其特征在于，该负偏压为该多孔多电极引出系统的引出电压的10％。

8.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，在采用该方案一和该方案四时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的纵向尺寸均与纵向上相邻的两个所述引出孔之间的间距相等。

9.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，在采用该方案一和该方案四中时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的纵向尺寸均为纵向上相邻的两个所述引出孔之间的间距的一半。

10.一种离子源装置，其包括一放电室以及一多孔多电极引出系统，该多孔多电极引出系统的多个引出孔分布在一引出区域中，其特征在于，该引出区域呈纵向尺寸大于横向尺寸的矩形，

该引出区域的形状使得：该多孔多电极引出系统从该放电室引出带状离子束，

该引出区域中至少分布有两列所述引出孔，

其中，方案一：分布在该引出区域的中心部位处的所述引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的所述引出孔的尺寸，且所述引出孔在该引出区域中均匀分布；或

方案二：所有所述引出孔的尺寸均相同，且所述引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于所述引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；或

方案三：分布在该引出区域的中心部位处的所述引出孔的尺寸小于分布在该引出区域的边缘部位处的所述引出孔的尺寸，且所述引出孔在该引出区域的中心部位处的分布密度小于所述引出孔在该引出区域的边缘部位处的分布密度；或

方案四：所有所述引出孔的尺寸均相同，且所述引出孔在该引出区域中均匀分布，

该多孔多电极引出系统的多个电极中距离该放电室最远或倒数第二远的电极包括设计电压相同且形状互补的一第一电极区和一第二电极区，该第一电极区具有多个纵向延伸的第一延伸部，该第二电极区具有多个纵向延伸的第二延伸部，所述第一延伸部与第二延伸部在该引出区域中相互交错拼合，该第一电极区或第二电极区在该设计电压上还叠加有一个周期性波动的负偏压。

11.如权利要求10所述的离子源装置，其特征在于，所述引出孔的形状为圆形，且所述引出孔的直径在2～15mm范围内。

12.如权利要求10所述的离子源装置，其特征在于，所述引出孔的形状为正多边形，且所述引出孔的外接圆的直径在2～15mm范围内。

13.如权利要求10所述的离子源装置，其特征在于，在该方案一和该方案四中，所述引出孔在该引出区域中对齐排列或错位排列。

14.如权利要求10所述的离子源装置，其特征在于，所有所述第一延伸部和第二延伸部的尺寸均相同。

15.如权利要求14所述的离子源装置，其特征在于，该负偏压为该多孔多电极引出系统的引出电压的1％～30％。

16.如权利要求14所述的离子源装置，其特征在于，该负偏压为该多孔多电极引出系统的引出电压的10％。

17.如权利要求10所述的离子源装置，其特征在于，在采用该方案一和该方案四时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的横向尺寸均与横向上相邻的两个所述引出孔之间的间距相等。

18.如权利要求10所述的离子源装置，其特征在于，在采用该方案一和该方案四时，每个所述第一延伸部和第二延伸部的横向尺寸均为横向上相邻的两个所述引出孔之间的间距的一半。