CN103489742A - 一种超宽带状离子束产生装置及离子注入机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带状离子束产生装置及离子注入机。为了解决现有的超宽离子束的均匀性较差的问题，所述超宽带状离子束产生装置包括离子质量分析磁铁、分析光栏和离子束聚焦磁铁；所述离子质量分析磁铁具有斑状离子束穿过的空间；所述分析光栏具有从所述离子质量分析磁铁出来的汇聚的带状离子束穿行的空间；所述离子束聚焦磁铁具有从所述分析光栏出来的带状离子束穿行的空间；所述离子质量分析磁铁产生第一磁场，所述离子束聚焦磁铁产生第二磁场，所述第二磁场与所述第一磁场方向垂直。本发明在现有斑状离子源的基础上产生超宽带状离子束，并且达到质量分析的目的，并保证整个带状离子束宽度上不变。

Description

一种超宽带状离子束产生装置及离子注入机

技术领域

本发明涉及显示器制造领域，特别是涉及平板显示器制造及其他半导体制造所用的离子注入机中使用的超宽带状离子束生成装置，具体为一种超宽带状离子束产生装置及离子注入机。

背景技术

离子注入机提供工件材料改性处理所用的离子束，以得到想要的材料特性。在一种应用中，工件是大尺寸的平面板，离子束将特定的杂质离子掺入到该平面板中。在其他应用中，离子束可为太阳能电池板以及聚合物基板提供精确的材料表面改性。除了大尺寸的平面板之外，工件也可包括半导体晶圆以及其他工件。

离子注入机一般包括用以产生等离子体的离子源，引出电极组件从等离子体中提取出离子束。然后离子束可被具有特定磁场的质量分析磁铁，使得只有具有特定荷质比的粒子能过穿过此质量分析器。其他束线元件（如校正磁铁、加速透镜与减速透镜）可操控经过质量分析的离子束，使离子束前往工件的表面。通过离子束的移动、工件的移动或者两者相结合，离子束可分布在工件的整个表面上。当离子撞击工件中的原子时，这些离子会损失能量，且在工件内的特定深度停下来，注入的深度由离子具有的能量决定。

随着工件尺寸的不断增大（例如，半导体晶圆碟片尺寸可从直径为300毫米增大至450毫米），且为了能够灵活处理不同尺寸的工件，将离子束的宽度增大为带状离子束是有利的。带状离子束是指呈带状的离子束，或者形状为沿着一个方向的离子束的第一尺寸大于沿着第二方向的离子束的第二尺寸，其中第二方向垂直于第一方向。带状离子束可具有大致为矩形的横剖面形状，其中此带状离子束的高度大于其宽度至少三倍。

一种离子注入机系统包括离子源、质量分析器以及终端台。离子源可用来产生带状离子束。质量分析器具有入口与出口，且经配置以满足由入口来接收来自离子源的穿行带状离子束，并且使带状离子束中具有想要的荷质比的离子沿着预定的路径偏离，以输出到质量分析器的出口。此质量分析器包括第一螺线管线圈与第二螺线管线圈，它们之间沿着带状离子束的穿行方向而分开制定的距离。每个螺线管线圈都界定了一个可供带状离子束从中穿行的空间。磁轭具有第一凹槽与第二凹槽，第一凹槽是用来收容第一螺线管线圈的第一部分，第二凹槽是用来收容第二螺线管线圈的第一部分。终端台位于质量分析器的下游，且经配置以支撑工件，以满足带状离子束对此工件进行注入。

这种带状离子束用的质量分析器要求离子源产生带状离子束从而对其进行质量分析，随平板显示制造领域的兴起，所需要进行离子注入的工件尺寸急剧增加（例如730毫米×920毫米），然而如此宽度（例如730毫米）的离子源制作非常困难，成本很高，而且产生的离子束的均匀性较差。

发明内容

为了克服现有的超宽离子束的均匀性较差的不足，本发明旨在提供一种超宽带状离子束产生装置及离子注入机，该产生装置在现有斑状离子源的基础上产生超宽带状离子束，并且达到质量分析的目的。本领域中还具有一种能够提供一定方向上均匀的磁场的磁铁架构，它能提供的磁场在整个带状离子束宽度上保持不变。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种超宽带状离子束生成装置，在沿带状离子束的任意位置处界定了正交(X，Y，Z)笛卡尔坐标系，其中所述坐标系的Z轴在所述带状离子束的中心线处沿所述束方向延伸，Y轴沿所述带状离子束的所述细长剖面的较长方向延伸，而X轴沿所述细长剖面的较短方向延伸；其结构特点是，该超宽带状离子束生成装置包括离子质量分析磁铁、位于离子质量分析磁铁下游的分析光栏、设置在分析光栏下游的离子束聚焦磁铁；所述离子质量分析磁铁具有斑状离子束穿过的空间，该离子质量分析磁铁将斑状离子束汇聚成汇聚的带状离子束；所述分析光栏具有从所述离子质量分析磁铁出来的汇聚的带状离子束穿行的空间，该分析光栏将所述汇聚的带状离子束生成为在X方向汇聚，在Y方向发散的发散带状离子束；所述离子束聚焦磁铁具有从所述分析光栏出来的带状离子束穿行的空间，该离子束聚焦磁铁将从分析光栏出来的发散带状离子束生成为平行带状离子束；所述离子质量分析磁铁配置成两块磁极相反的磁铁以产生沿所述Y方向的第一磁场，所述离子束聚焦磁铁配置成两块磁极相反的磁铁以产生沿所述X方向的第二磁场，所述第二磁场与所述第一磁场方向垂直。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

所述离子质量分析磁铁的出口端与分析光栏的进口端之间的距离d1为100mm~200mm；所述分析光栏的出口端与所述离子束聚焦磁铁的进口端之间的距离d2为300mm~500mm。

所述离子质量分析磁铁的两块磁铁之间界定了一个中性平面。

所述分析光栏包括两块由石墨或金属制成的板，两块板之间的距离为5mm-10mm，在两块板之间界定了一个中性平面,所述汇聚的带状离子束与该中性平面重合。

上述超宽带状离子束沿所述Y方向的宽度至少为300mm。

进一步地，本发明还提供了一种离子注入机，该离子注入机包括用于产生斑状离子束的离子源，终端台以及设置在离子源与终端台之间的离子束生成装置；所述离子束生成装置为如上所述的超宽带状离子束生成装置。

藉由上述结构，本发明的超宽带状离子束生成装置是在离子注入机中用来使得从离子源产生的斑状离子束变成超宽带状离子束。在一实施例中，一种超宽带状离子束生成装置包括离子质量分析磁铁，其界定了入口空间和出口空间，入口空间用来接收从离子源产生的斑状离子束，而出口空间用来输出聚焦的带状离子束。离子质量分析磁铁配置成两块平行但磁极相反的磁铁以产生第一磁场，从而根据穿越离子质量分析器的离子束中每种离子的不同质量来改变离子的轨迹。此超宽带状离子束生成装置包括分析光栏，它沿着离子束的穿行路径与离子质量分析磁铁之间间隔一段距离“d1”，距离“d1”由所需要的离子聚焦的位置决定。分析光栏配置成两块具有很小间隙的两块平行金属板，使得所需要的荷质比的粒子通过，而阻拦其他荷质比的离子，从而达到分析的目的。此超宽带状离子束生成装置包括离子束聚焦磁铁，它沿着发散的带状离子束的穿行路径与分析光栏间隔一段距离“d2”。离子束聚焦磁铁界定了入口空间，用来接收来自分析光栏的发散的带状离子束。离子束聚焦磁铁配置成两块平行但磁极相反的磁铁以产生第二磁场，使得所说第二磁场与所述第一磁场方向垂直。离子束聚焦磁铁根据发散的带状离子束中的每个位置离子的不同张角来使得离子轨迹完全，使得发散的带状离子束变成平行的带状离子束。离子束聚焦磁铁与分析光栏之间的距离“d2”由所需要的带状离子束的宽度决定。

在另一实施例中，一个离子注入系统包括离子源、超宽带状离子束生成装置以及终端台。离子源可用来产生斑状离子束。超宽带状离子束生成装置具有入口与出口，且经配置后由入口来接收来自离子源的穿行斑状离子束，使离子束中具有需要的荷质比的离子在X方向沿着预定的路径聚焦到预定的位置，并且使得离子束在Y方向扩散为超宽带状离子束，以输出到超宽带状离子束生成装置的出口。此超宽带状离子束生成装置包括离子质量分析磁铁、分析光栏和离子束聚焦磁铁，它们之间沿着离子束的穿行方向而分开特定的距离。每组磁铁都界定了一个可控离子束从中穿行的空间。终端台位于超宽带状离子束生成装置的下游，且经配置以支撑超大工件，以后由此超宽带状离子束对此工件进行离子注入。

所述离子质量分析磁铁从而根据穿越所述离子质量分析磁铁的所述空间的所述斑状离子束中的每种离子的不同质量来改变与所述离子有关的轨迹，所述分析磁铁对所述斑状离子束在X方向聚焦、Y方向发散，所述斑状离子束在通过所述离子质量分析器之后变成汇聚的带状离子束；分析光栏，在所述离子质量分析磁铁沿着所述穿行斑状离子束的方向下游，且与所述离子质量分析磁铁相隔一段距离“d1”，所述汇聚的带状离子束在此位置的X方向聚焦，所述分析光栏界定一个可供从所述离子质量分析磁铁过来的所述汇聚的带状离子束从中穿行的空间。不同质量的离子聚焦的距离“d1”不同，在需要的位置放置分析光栏可以选择所述的需要的离子束，所述汇聚的带状离子束在通过所述分析光栏之后变成发散的带状离子束；离子束聚焦磁铁，在所述分析光栏沿着所述穿行的发散带状离子束的方向下游，且与所述分析光栏相隔一段距离“d2”，所述离子束聚焦磁铁界定一个可供从所述分析光栏接收的所述发散带状离子束从中穿行的空间，所述离子束聚焦磁铁经配置以根据来自所述分析光栏的所述发散带状离子束内的每个被接受的离子的个别发散程度来使得所述离子的轨迹有一定的偏转，使得所述的发散带状离子束变成平行带状离子束离子束。

所述离子质量分析磁铁在所述空间内界定了一个中性平面，所述离子质量分析磁铁的所述空间内所接收的所述从离子源产生的斑状离子束位于离所述中性平面具有一定距离之处。所述分析光栏在所述空间内界定了中性平面，所述分析光栏从所述离子质量分析磁铁接收的所述汇聚的带状离子束位于所述中性平面。所述离子束聚焦磁铁在所述空间内界定了一个中性平面，所述离子束聚焦磁铁的所述空间内所接收的所述从分析光栏接收的所述发散的带状离子束位于与所述中性平面垂直的平面。

所述离子质量分析磁铁与所述离子束聚焦磁铁的每个磁铁具有各自的上端部分和下端部分。

离子质量分析磁铁配置成两块平行的磁铁，所述两块平行磁铁相隔一段距离“d3”，所述两块平行磁铁的磁极方向相反。分析光栏配置成两块平行金属板，所述两块平行金属板相隔一段距离，形成一条分析逢，所述距离可根据离子束聚焦的厚度进行调整。离子束聚焦磁铁磁铁配置成两块平行的磁铁，所述两块平行磁铁相隔一段距离“d4”，所述两块平行磁铁的磁极方向相反。

离子质量分析磁铁的两块平行的磁铁产生X方向的第一磁场，对每种离子的不同荷质比产生不同的偏转轨迹，从而聚焦在不同的位置，达到分析的目标。离子束聚焦磁铁的两块平行的磁铁产生Y方向的第二磁场，所述的第二磁场对发散状离子束中的不同发散角的离子产生不同的力，从而使得发散状的带状离子束汇聚成平行的超宽带状离子束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的离子质量分析磁铁由两块磁极相反的磁铁组成，从离子源出来的离子束在两块磁铁之间沿Z方向通过，不同质量的离子束在X方向的不同位置聚焦，因此利用分析光栏对离子束中的不同质量离子进行选择，离子束中只有符合质量要求的离子能够通过狭缝，其余质量的离子被分析光栏阻挡，达到质量分析的目的。与此同时，离子束在Y方向发散，利用两块磁极相反的磁铁组成的聚焦磁铁对离子束在Y方向进行会聚，使其变为平行束，在不同位置使用离子束聚焦磁铁可以产生一定宽度的离子束。

 

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是具有超宽带状离子束生成装置的离子注入机系统的平面图；

图2是超宽带状离子束生成装置的平面透视图；

图3是超宽带状离子束生成装置的立体图；

图4是离子质量分析磁铁的立体图；

图5是的离子束聚焦磁铁的立体图；

图6是图1的A-A剖面图；

图7是图1的B-B剖面图。

具体实施方式

下面将参照附图来详细描述本发明，本发明的较佳实施例图示在这些附图中。然而，本发明可体现为不同的形态，而不应理解为局限于本说明书所列举的实施例。

图1是依照本发明的一实施例的一种具有超宽带状离子束生成装置104的离子注入机平面图。 此离子注入机包括离子源102，此离子源102产生需要种类的离子。引出组件（未示出）引出特定的斑状离子束103。斑状离子束103进入超宽带状离子束生成装置104，生成特定宽度W和特定厚度H的超宽带状离子束205，进入终端台106，终端台106有卡盘及工件，配置在终端台106中的扫描系统可沿着垂直于带状离子束105的宽度W方向驱动工件，达到整个工件注入的目的。

图6是进一步参照所定义的坐标系，沿着图1的A-A线而取得的斑状离子束103的剖面图。在此例中，斑状离子束103具有大致为圆斑的剖面形状。斑状离子束103的中心定义为Z轴，且此离子束沿着Z轴正方向从离子源102穿行至终端台106.

图7是进一步参照所定义的坐标系，沿着图1的B-B线而取得的带状离子束105的剖面图。在此例中，带状离子束105具有大致为矩形的剖面形状。带状离子束105在X方向具有一厚度（H），且在Y方向具有一定宽度（W）。

超宽带状离子束生成装置104对斑状离子束103进行质量分析和Y方向拉伸与X方向压缩，以形成超宽带状离子束，然后带状离子束105可前往终端台106。

图2是依照本发明的一实施例的图1的超宽带状离子束生成装置104的平面透视图，此超宽带状离子束生成装置104通常具有入口端220与出口端229。此超宽带状离子束生成装置104包括离子质量分析磁铁222、分析光栏224与离子束聚焦磁铁226，离子质量分析磁铁与分析光栏之间分开一段距离“d1”，分析光栏与离子束聚焦磁铁之间分开一段距离“d2”。图3是依照本发明的一实施例的图2的超宽带状离子束生成装置的立体图。

磁铁222与226的大致形状可相同也可不同，这取决于为了选取具有特定荷质比的离子而需要的磁场。空斑状离子束103进入的入口开口220可由离子质量分析磁铁222的形状来界定，出口开口229可由离子束聚焦磁铁226的形状来界定。磁铁222与磁铁226各自磁极所在的直线刚好垂直，由离子质量分析磁铁222产生的第一磁场沿Y方向，由离子束聚焦磁铁226产生的第二磁场主要在X方向，第一磁场与第二磁场相互垂直。

图4所示为离子质量分析磁铁222的立体图。此离子质量分析磁铁222配置成左磁铁440与右磁铁442，左磁铁440与右磁铁442相隔一段距离“d3”，它们的空间中界定了一个中性平面441，斑状离子束在所述中性平面旁边进入所述空间。左磁铁440的上端为S极、下端为N极，右端磁铁442的上端为N极、下端为S极。在所述空间中形成沿Y方向的第一磁场，此磁场方向与中性平面441平行，该磁场具有随到中性平面距离增大而磁场强度增大的特点，从而使得不同质量的离子偏转轨迹不同，最终聚焦在不同的位置，利用分析光栏达到选择不同质量离子的目的。

图5所示为离子束聚焦磁铁226的立体图。此离子束聚焦磁铁226配置成上磁铁550与下磁铁552，上磁铁550与下磁铁相隔一段距离“d4”。上磁铁550的前端为N极、后端为S极，下磁铁552的前端为S极、后端为N极。在此离子束聚焦磁铁226界定的空间中形成主要为X方向的第二磁场，此磁场方向垂直于中性平面551。

图2中离子质量分析磁铁222与分析光栏224之间的距离“d1”由所要的每种离子的不同荷质比界定，分析光栏224与离子束焦距磁铁226之间的距离“d2”由所需要的带状离子束的宽度W界定。离子质量分析磁铁222的左磁铁440与右磁铁442之间的距离“d3”由从离子源产生的斑状离子束103的大小界定，离子束聚焦磁铁226的上磁铁与下磁铁之间的距离“d4”由超宽带状离子束的宽度W界定。

本说明书所述的特定实施例不会在范围上限制本发明。实际上，根据以上的描述以及附图，除了本说明书所述的实施例之外，本发明的其他各种实施例以及本发明的改良形式对于本领域中技术人员而言都将是明显易懂的。因此，这些实施例及改良形式应当属于本发明的范围。另外，虽然本说明书中是为了特定的用途在特定的场合下以特定的实施方法来描述本发明，但是本领域中技术人员能够认识到的是，其有用性并不局限于这些，本发明可为了多种用途在多种场合下以有益的方式来实施。

Claims (6)

1. 一种超宽带状离子束生成装置，在沿带状离子束的任意位置处界定了正交(X，Y，Z)笛卡尔坐标系，其中所述坐标系的Z轴在所述带状离子束的中心线处沿所述束方向延伸，Y轴沿所述带状离子束的所述细长剖面的较长方向延伸，而X轴沿所述细长剖面的较短方向延伸；其特征是，该超宽带状离子束生成装置包括离子质量分析磁铁（222）、位于离子质量分析磁铁（222）下游的分析光栏（224）、设置在分析光栏（224）下游的离子束聚焦磁铁（226）；所述离子质量分析磁铁（222）具有斑状离子束（103）穿过的空间，该离子质量分析磁铁（222）将斑状离子束（103）汇聚成汇聚的带状离子束（105）；所述分析光栏（224）具有从所述离子质量分析磁铁（222）出来的汇聚的带状离子束（105）穿行的空间，该分析光栏（224）将所述汇聚的带状离子束（105）生成为在X方向汇聚，在Y方向发散的发散带状离子束（105）；所述离子束聚焦磁铁（226）具有从所述分析光栏（224）出来的带状离子束（105）穿行的空间，该离子束聚焦磁铁（226）将从分析光栏（224）出来的发散带状离子束（105）生成为平行带状离子束（105）；所述离子质量分析磁铁（222）配置成两块磁极相反的磁铁（440,442）以产生沿所述Y方向的第一磁场，所述离子束聚焦磁铁（226）配置成两块磁极相反的磁铁（550,552）以产生沿所述X方向的第二磁场，所述第二磁场与所述第一磁场方向垂直。

2. 根据权利要求1所述的超宽带状离子束生成装置，其特征在于，所述离子质量分析磁铁（222）的出口端与分析光栏（224）的进口端之间的距离d 1为100mm~200mm；所述分析光栏（224）的出口端与所述离子束聚焦磁铁（226）的进口端之间的距离d 2为300mm~500mm。

3. 根据权利要求1所述的超宽带状离子束生成装置，其特征在于，所述离子质量分析磁铁（222）的两块磁铁之间界定了一个中性平面。

4. 根据权利要求1所述的超宽带状离子束生成装置，其特征在于，所述分析光栏（224）包括两块由石墨或金属制成的板，两块板之间的距离为5mm-10mm，在两块板之间界定了一个中性平面,所述汇聚的带状离子束与该中性平面重合。

5. 根据权利要求1~4之一所述的超宽带状离子束生成装置，其特征在于，所述超宽带状离子束沿所述Y方向的宽度至少为300mm。

6. 一种离子注入机，包括用于产生斑状离子束（103）的离子源（102），终端台（105）以及设置在离子源（102）与终端台（105）之间的离子束生成装置（104）；其特征是，所述离子束生成装置（104）为如权利要求1-5之一的超宽带状离子束生成装置。

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