CN103377866A - 离子注入设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子注入设备，其包括用于引出离子束的离子源系统以及一用于传输离子束的离子束传输系统，该离子束传输系统的物理边界在至少一个开放方向上单向开放或双向开放，该至少一个开放方向垂直于离子束的传输路径。本发明在保证离子束传输系统高质量地对离子束进行传输的前提之下，使得该离子束传输系统适于传输的离子束的尺寸不再受到各种束流光学元件的物理边界的限制，而是可以根据加工需求灵活地进行改变，甚至还能够适用于采用多个并行排列的离子源系统的场合，由此实现了仅凭一个离子注入设备来应对各种多样的加工需求的目的，省去了购买多个针对单一加工需求而专门设计的离子注入设备的购买成本。

Description

离子注入设备

技术领域

本发明涉及一种离子注入设备，特别是涉及一种具有离子源系统数量扩展能力的离子注入设备。

背景技术

传统的离子注入设备通常都是按照一个离子源系统配合一个离子束传输系统来进行设计的，其中该离子源系统用于引出离子束，而该离子束传输系统则用于将该离子束传输至一利用该离子束对待加工工件进行离子注入加工的加工工位处，并且在该传输过程中利用该离子束传输系统中包括的多个束流光学元件对该离子束的束流状态进行调整，从而保证当该离子束到达该加工工位时其束流状态能够满足预设的加工需求。

每个束流光学元件都是具有一定的物理边界的，有些种类的束流光学元件在与离子束传输方向垂直的方向上完全是封闭的，而有些种类的束流光学元件则在与离子束传输方向垂直的方向上呈现出局部开放的形态。

然而，对于一个包括有多个种类多样的束流光学元件的离子束传输系统的整体而言，其在与离子束传输方向垂直的各个方向上通常都是封闭的，因此当因加工需求发生改变而需要改变其所传输的离子束的尺寸时，尤其是需要传输尺寸更大的离子束时，除非对该离子束传输系统进行重新设计，否则原有的离子束传输系统是完全无法适用于尺寸增大的离子束的，因为一旦离子束的尺寸超出了原有的离子束传输系统的设计容许尺寸，则该离子束必定会在传输过程中因被某些束流光学元件的物理边界阻挡而发生严重的强度损失。

当然也可以在设计之初就出于对大尺寸离子束应用场合的考虑将离子束传输系统的设计容许尺寸设计得偏大，但是这无疑是一种灵活度很低的解决方案，而且这样的离子注入设备在小尺寸离子束的应用场合下，其各个束流光学元件的大部分能效都并非真正地作用至离子束上，因此其运行效率显然是很低下的。

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注入设备无法适用于尺寸发生改变的离子束、尤其是尺寸超出其设计容许尺寸的离子束的缺陷，提供一种不但能够适用于各种尺寸的离子束，甚至还具有离子源系统数量扩展能力的离子注入设备。

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，其包括用于引出离子束的离子源系统以及一用于传输离子束的离子束传输系统，其特点在于，该离子束传输系统的物理边界在至少一个开放方向上单向开放或双向开放，该至少一个开放方向垂直于离子束的传输路径。

该离子束传输系统的物理边界是指由该离子束传输系统中的各个束流光学元件各自的物理边界所共同形成的整体边界。

较佳地，该离子源系统的数量为至少两个，并且各离子源系统所引出的离子束在该至少一个开放方向上并行排列。

由于该离子束传输系统的物理边界在至少一个开放方向上是开放的，即离子束在该开放方向上不会受到任何物理边界的阻挡，从而使得该离子束传输系统对其所传输的离子束在该开放方向上的尺寸改变具有极高的容许度，因此该离子注入设备不但能够适用于采用单一的离子源系统的场合，其中该单一的离子源系统所引出的离子束尺寸可以在极大的范围内改变，还能够适用于采用多个离子源系统的场合，其中该多个离子源系统所引出的离子束在该开放方向上并行排列，并且该些离子束的整体尺寸同样可以在极大的范围内改变，只要传输通过该离子束传输系统的离子束能够处于该离子束传输系统中的各个束流光学元件的有效作用范围内即可。

较佳地，该离子束传输系统对离子束的有效作用范围在该至少一个开放方向上是可调的。

通过调节该离子束传输系统的有效作用范围，便可以使得其能效尽可能地全部物尽其用地真正作用至离子束上，既避免出现离子束超出其有效作用范围的情况，又避免出现因有效作用范围过大而导致部分能效空转的情况，从而提高该离子束传输系统的运行效率。

较佳地，该离子束传输系统包括多个束流光学元件，该多个束流光学元件均尺寸可调和/或运行参数可调，以使得每个束流光学元件对离子束的有效作用范围在该至少一个开放方向上可调。

该离子束传输系统的有效作用范围的可调实质上正是由其包括的各个束流光学元件的有效作用范围的可调来实现的，而束流光学元件的有效作用范围的可调则既可以通过机械式地改变该束流光学元件的整体尺寸来实现，也可以通过电控式地改变该束流光学元件的电磁场作用范围来实现，还可以结合以上两种手段来实现。

较佳地，每个束流光学元件均包括在该至少一个开放方向上并行排列、且独立受控的多个子元件，该多个子元件为一体式或可拆卸的分离式。

当该多个子元件为一体式时，可以通过开闭其中的部分子元件或是调节其中的部分子元件的电磁场作用范围来改变该束流光学元件整体的有效作用范围。而当该多个子元件为分离式时，则既可以通过开闭其中的部分子元件或是调节其中的部分子元件的电磁场作用范围来改变该束流光学元件整体的有效作用范围，也可以通过增设或拆除一个或多个子元件来改变该束流光学元件整体的有效作用范围。

其中，该束流光学元件为磁铁元件或电极元件。

其中，该磁铁元件为电磁铁，该电磁铁包括在该至少一个开放方向上并行排列的多个子电磁铁，该多个子电磁铁共用铁芯但线圈独立受控或该多个子电磁铁为可拆卸的分离式。

当该多个子电磁铁共用铁芯但线圈独立受控时，可以通过开闭其中的部分子电磁铁或是调节其中的部分子电磁铁的磁场作用范围来改变该电磁铁整体的有效作用范围。而当该多个子电磁铁为分离式时，则既可以通过开闭其中的部分子电磁铁或是调节其中的部分子电磁铁的磁场作用范围来改变该电磁铁整体的有效作用范围，也可以通过增设或拆除一个或多个子电磁铁来改变该电磁铁整体的有效作用范围。

对于每个开放方向而言，该离子束传输系统既可以在该开放方向上单向开放，也可以在该开放方向上双向开放。单向开放的离子束传输系统在结构设计上更加简单，在机械实现上也更加简单，而双向开放的离子束传输系统在调节其各个束流光学元件的尺寸和/或运行参数时的设计则能够更加灵活。

较佳地，该离子束传输系统沿着离子束的传输方向依次包括至少以下四个束流光学元件：一偏转散焦磁铁、一偏转磁铁、一偏转聚焦磁铁以及一电极系统；

该偏转散焦磁铁用于在该至少一个开放方向中的一个开放方向上散焦离子束，并沿着同时与离子束的散焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

该偏转磁铁用于沿着同时与离子束的散焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

该偏转聚焦磁铁用于在离子束的散焦方向上聚焦离子束，并沿着同时与离子束的聚焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

该电极系统用于沿着同时与离子束的聚焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

通过该偏转散焦磁铁、该偏转磁铁、该偏转聚焦磁铁以及该电极系统对离子束的偏转实现对离子束的质量分析。

利用该偏转散焦磁铁、该偏转磁铁、该偏转聚焦磁铁以及该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。

其中，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。

其中，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。

其中，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，该偏转聚焦磁铁将离子束聚焦为平行束流。

其中，该电极系统还用于加速或减速离子束。

本发明的积极进步效果在于：本发明在保证离子束传输系统高质量地对离子束进行传输的前提之下，使得该离子束传输系统适于传输的离子束的尺寸不再受到各种束流光学元件的物理边界的限制，而是可以根据加工需求灵活地进行改变，甚至还能够适用于采用多个并行排列的离子源系统的场合，由此实现了仅凭一个离子注入设备来应对各种多样的加工需求的目的，省去了购买多个针对单一加工需求而专门设计的离子注入设备的购买成本。

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和图2所示，其中图1所示为本实施例中的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所示即为该离子注入设备的部分元件在Y-Z平面内的投影图。

该离子注入设备包括两个用于引出离子束的离子源系统1a和1b、一个用于传输离子束的离子束传输系统以及一用于利用离子束对工件进行加工的加工工位6。

该离子束传输系统沿着离子束的传输方向依次包括至少以下四个束流光学元件：一偏转散焦磁铁2、一偏转磁铁3、一偏转聚焦磁铁4以及一电极系统5，其中前三个均为磁铁元件，最后一个为电极元件。

该离子束传输系统中的所有束流光学元件(既包括图1和图2中所示的四个束流光学元件，也包括图1和图2中未示的其它可能的束流光学元件)的物理边界均在图1和图2中的Y方向(即“开放方向”)上双向开放，即在正Y方向以及负Y方向上均开放，其中Y方向是垂直于离子束的传输方向的。因此，该离子束传输系统整体便是在Y方向上双向开放的。参考图2所示，该两个离子源系统1a和1b各自所引出的离子束则在Y方向上并行排列。

仍参考图1和图2所示：

该偏转散焦磁铁2用于在Y方向上散焦离子束，并沿着同时与Y方向以及离子束的传输方向相垂直的方向偏转离子束；

该偏转磁铁3用于沿着同时与Y方向以及离子束的传输方向相垂直的方向偏转离子束；

该偏转聚焦磁铁4用于在Y方向上聚焦离子束，并沿着同时与Y方向以及离子束的传输方向相垂直的方向偏转离子束，并且该偏转聚焦磁铁4还较佳地将离子束聚焦为平行束流；

该电极系统用于沿着同时与Y方向以及离子束的传输方向相垂直的方向偏转离子束。

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的运行参数，便可以控制它们对离子束的偏转方向以及偏转幅度，而通过合理地配合设置它们各自对离子束的偏转方向以及偏转幅度，便能够利用该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3、该偏转聚焦磁铁4以及该电极系统5的相互配合实现现有的离子注入设备中通常必不可少的质量分析磁铁的功能，即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实现对离子束的质量分析。

另外，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，本发明还能够很容易地实现对离子束在图2中的Y方向上的束流宽度的调节。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加工工位处，一般仅能够对工件实现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，在本发明的该加工工位6处能够对工件实现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。

此外，该电极系统5在偏转离子束的基础之上，还可以同时对离子束进行加速或减速，以使得离子束在到达该加工工位6时的能量状态能够满足注入需求。

此处的该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3以及该偏转聚焦磁铁4均可以利用公知的电磁原理，采用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。

需要注意的是，图1中所示的该弧形的离子束传输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，也可以将离子束传输路径设计为其它的走向。

在本实施例中该偏转散焦磁铁2、该偏转磁铁3以及该偏转聚焦磁铁4均为电磁铁，且各自由数个在Y方向上并行排列的子电磁铁(子元件)构成，而该电极系统5同样也由数个在Y方向上并行排列的子电极系统(子元件)构成，其中图2所示的情况为它们各自由两个子元件构成。

参考图2所示，该偏转散焦磁铁2的两个子电磁铁2a和2b为一体式结构，它们共用铁芯，但是线圈却是独立受控的。也就是说，该偏转散焦磁铁2实际上包括一对对置的铁芯，每个铁芯上均设计有两组线圈，且该两组线圈是独立受控的。通过调节通电的线圈的组数以及线圈电流值的大小，便可以调节该偏转散焦磁铁2对离子束的有效作用范围。

在本实施例中，该偏转磁铁3的两个子电磁铁3a和3b与该偏转散焦磁铁2的两个子电磁铁2a和2b的结构完全类似，也为一体式结构、共用铁芯但是线圈独立受控，在此不做进一步赘述。

而与该偏转散焦磁铁2以及该偏转磁铁3不同的是，本实施例中的该偏转聚焦磁铁4的两个子电磁铁4a和4b以及该电极系统5的两个子电极系统5a和5b则是以可拆卸的方式相互分离安装的，并且每个子元件均是独立受控的。通过调节该偏转聚焦磁铁4的开启的子元件的数量以及子元件的线圈电流值，便可以调节该偏转聚焦磁铁4对离子束的有效作用范围；而通过调节该电极系统5的开启的子元件的数量以及每个子元件的运行参数，便可以调节该电极系统5对离子束的有效作用范围。

参考图2所示，若该离子注入设备最初按照通常的一个离子源系统与一个离子束传输系统相配合的方式运行，则可以仅开启离子源系统1a，并相应地开启该偏转散焦磁铁2的子元件2a、该偏转磁铁3的子元件3a、该偏转聚焦磁铁4的子元件4a以及该电极系统5的子元件5a。其中，对于采用一体式子元件的该偏转散焦磁铁2以及该偏转磁铁3而言，其子元件2b和子元件3b可以关闭，而对于采用分离式子元件的该偏转聚焦磁铁4以及该电极系统5而言，其子元件4b和子元件5b在此时既可以预安装但是处于关闭状态，也可以不加以安装。

此后，仍然参考图2所示，若是因加工需要必须采用尺寸更大的离子束，则可以进一步地将离子源系统1b、该偏转散焦磁铁2的子元件2b、该偏转磁铁3的子元件3b、该偏转聚焦磁铁4的子元件4b以及该电极系统5的子元件5b相应地投入运行。

当然，离子源系统的数量不仅仅限于一个或两个的情况，每个束流光学元件的子元件的数量也不仅仅限于两个的情况，当离子源系统的数量进一步上升时，可以先行调大各个束流光学元件的已经开启的子元件的有效作用范围，进而还可以通过开启更多的子元件(一体式的情况)或是增设安装更多的子元件(分离式的情况)来应对尺寸更大的离子束。

另外，虽然本实施例中该离子束传输系统仅在Y方向上开放，但是其也可以在更多的方向上开放，而此时根据加工需要，也可以相应地在更多的方向上并行安装更多的离子源系统，并在这些更多的开放方向上将该离子束传输系统中的各个束流光学元件的有效作用范围相应地调节至足以应对此时的离子束尺寸的程度。

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。

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 (13)

1.一种离子注入设备，其包括用于引出离子束的离子源系统以及一用于传输离子束的离子束传输系统，其特征在于，该离子束传输系统的物理边界在至少一个开放方向上单向开放或双向开放，该至少一个开放方向垂直于离子束的传输路径。

2.如权利要求1所述的离子注入设备，其特征在于，该离子源系统的数量为至少两个，并且各离子源系统所引出的离子束在该至少一个开放方向上并行排列。

3.如权利要求1或2所述的离子注入设备，其特征在于，该离子束传输系统对离子束的有效作用范围在该至少一个开放方向上是可调的。

4.如权利要求3所述的离子注入设备，其特征在于，该离子束传输系统包括多个束流光学元件，该多个束流光学元件均尺寸可调和/或运行参数可调，以使得每个束流光学元件对离子束的有效作用范围在该至少一个开放方向上可调。

5.如权利要求4所述的离子注入设备，其特征在于，每个束流光学元件均包括在该至少一个开放方向上并行排列、且独立受控的多个子元件，该多个子元件为一体式或可拆卸的分离式。

6.如权利要求5所述的离子注入设备，其特征在于，该束流光学元件为磁铁元件或电极元件。

7.如权利要求6所述的离子注入设备，其特征在于，该磁铁元件为电磁铁，该电磁铁包括在该至少一个开放方向上并行排列的多个子电磁铁，该多个子电磁铁共用铁芯但线圈独立受控或该多个子电磁铁为可拆卸的分离式。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的离子注入设备，其特征在于，该离子束传输系统沿着离子束的传输方向依次包括至少以下四个束流光学元件：一偏转散焦磁铁、一偏转磁铁、一偏转聚焦磁铁以及一电极系统；

该偏转散焦磁铁用于在该至少一个开放方向中的一个开放方向上散焦离子束，并沿着同时与离子束的散焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

该偏转磁铁用于沿着同时与离子束的散焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

该偏转聚焦磁铁用于在离子束的散焦方向上聚焦离子束，并沿着同时与离子束的聚焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

该电极系统用于沿着同时与离子束的聚焦方向以及离子束的传输方向垂直的方向偏转离子束；

通过该偏转散焦磁铁、该偏转磁铁、该偏转聚焦磁铁以及该电极系统对离子束的偏转实现对离子束的质量分析。

9.如权利要求8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。

10.如权利要求8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。

11.如权利要求8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。

12.如权利要求8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。

13.如权利要求8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。

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