CN104051211A - 一种高温高能离子注入机离子光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温高能离子注入机离子光学系统，包括离子源，所述离子源产生的离子通过引出系统后形成离子束，所述离子束依次通过质量分析器和分析光栏，所述分析光栏分析提纯后的离子束经过一对垂直扫描电极板，所述垂直扫描电极板将经分析提纯后的离子束扫描成扇形状束带，所述扇形状束带通过30°平行束透镜后形成平行的带状束，所述平行的带状束通过加速管加速后，经高温靶盘注入晶片。本发明能保证注入离子种类和能量精度，满足注入工艺需要晶片加热的要求。
Description
技术领域
本发明涉及第三代半导体器件制造领域,特别是一种高温高能离子注入机离子光学系统。
背景技术
第三代宽禁带半导体材料与器件，是发展大功率、高频高温、抗强辐射、蓝光激光器和紫外探测器等技术的核心技术。SiC具有高热导率、高电子饱和速度和大的临界击穿电场，是电力电子功率半导体领域Si材料的首选继承者。
由于SiC的原子密度比硅大，要达到相同的注入深度，SiC离子注入工艺需要离子具有更高的注入能量，一般要达到400~700KeV。在SiC材料的形成P型掺杂的离子注入工艺中一般使用Al原子，而Al原子比C原子大得多，注入后对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重，需要在较高温度的晶片上进行离子注入工艺。
因此第三代宽禁带半导体SiC材料工艺，对离子注入掺杂设备的要求越来越高，离子注入机需要采用更高的加速电压和晶片高温注入方式，在注入离子纯度、束能纯度及能量污染、束平行性、注入角度和深度控制、注入重复性和注入成品率等方面也提出了更加严格的要求。
而离子注入机研制首先要根据半导体掺杂具体工艺及各种主要技术指标和功能要求进行离子注入机离子光学系统的设计，离子光学系统是整个设备的核心，决定了设备的主要技术指标和性能特点，根据离子注入机使用工艺性能特征要求选择合适恰当的离子光学系统是离子注入机成功研制的基本保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高温高能离子注入机离子光学系统，保证注入离子种类和能量精度，满足注入工艺需要晶片加热的要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高温高能离子注入机离子光学系统，包括离子源，所述离子源发出的离子的传递光路上依次设置有引出系统、质量分析器、分析光栏、一对垂直扫描电极板、30°平行束透镜、加速管和高温靶盘；所述离子源产生的离子通过引出系统后形成离子束，所述离子束依次通过质量分析器和分析光栏，所述分析光栏分析提纯后的离子束经过一对垂直扫描电极板，所述垂直扫描电极板将经分析提纯后的离子束扫描成扇形状束带，所述扇形状束带通过30°平行束透镜后形成平行的带状束，所述平行的带状束通过加速管加速后，经高温靶盘注入晶片。
所述加速管为圆形等梯度加速管，所述圆形等梯度加速管包括多个中心点在同一条直线上的中间电极；所述中间电极包括首端圆柱体和与所述首端圆柱体一个底面连接的尾端圆柱体，且首端圆柱体底面直径小于尾端圆柱体直径，所述首端圆柱体和尾端圆柱体连接的首端圆柱体两侧各接有一个均压圆柱体；相邻的两个中间电极中，其中一个的首端圆柱体伸入另一个的尾端圆柱体内；所有中间电极的首端圆柱体和尾端圆柱体均设置在绝缘环内；每个中间电极的两个均压圆柱体均伸出所述绝缘环，且所述均压圆柱体伸出所述绝缘环的部分套有均压环；所述绝缘环两端分别固定有活套法兰和地电位法兰，所述地电位法兰与所述绝缘环连接处固定有抑制电极。
所述高温靶盘包括底板，所述底板上盖有上盖板，所述底板与所述上盖板之间的空间内固定有反射板，所述上盖板上开设有安装孔，所述安装孔上固定有基片座，所述基片座上表面固定有SiC基片，所述基片座下表面固定有灯管。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用分析后直接扫描的结构，提高了离子束的平行度和传输效率，简化了光路，降低了成本；光路中采用先分析后平行再加速方式，保证高能离子注入的离子种类和能量精度；光路中采用一对竖直扫描电极板和30°平行透镜，使水平方向束成高度平行的带状束且与矫正前中心束成30°，从而使晶片注入角度一致，保证注入角度精确；光路中采用圆形等梯度加速管，可将离子束能量加速到工艺所需要的高能量且连续可控，最高达到700KeV；质量分析器、平行透镜和加速管对离子束具有聚焦作用，达到各光学单元的相互匹配，增加了束的传输效率；靶盘采用自加热高温靶盘，可实现最高600摄氏度的注入温度，且连续可控。
附图说明
图1为本发明一实施例结构示意图；
图2为本发明一实施例圆形等梯度加速管剖视图；
图3为本发明一实施例高温靶盘剖视图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一实施例包括离子源1、引出系统2、质量分析器3、分析光栏4、一对竖直扫描电极板5、30°平行透镜6、圆形等梯度加速管7、高温靶盘8。离子源1，产生需要的Al离子及其它离子，包括单电荷和双电荷；引出系统2，将离子源产生的离子引出并形成具有一定能量的离子束；质量分析器3，实现离子筛选功能，获取所需要的离子，同时对传输的离子束起部分聚焦作用，增加束传输效率；分析光栏4，为可调分析缝，使所需要的离子通过，对离子具有提纯作用，保证质量分辨率；一对竖直扫描电极板5，将束扩张成水平方向所要求的束斑宽度，形成水平带状束；30°平行透镜6，使扫描偏转后的扩张束进入束平行透镜后出射的离子束为平行束，实现平行束精度要求，以便控制离子束注入角度，同时将中性粒子过滤，减少能量污染；圆形等梯度加速管7，使束能量加速的所需要的能量；同时对传输的离子束起聚焦作用，增加束的传输效率；高温靶盘8，单片装载注入的6英寸晶片，最高注入温度600℃且连续可控。
采用质量分析器提纯所需要注入离子的纯度，保证注入离子纯度，解决注入工艺离子种类污染要求；采用分析后直接扫描的方式，提高了离子束的平行度和传输效率，简化了光路，降低了成本；光路中采用先分析后平行再加速方式，保证注入能量精度；光路中采用平行透镜，使水平方向束成高度平行的带状束，从而使晶片注入角度一致，保证注入角度精确；整机采用质量分析器、扫描电极和加速管对离子束具有聚焦作用，增加了束的传输效率；靶盘采用自加热高温靶盘，可实现最高600℃的注入温度，且连续可控。
如图2，圆形等梯度加速管包括活套法兰12、均压环11、七个中间电极9、绝缘环10、抑制电极14、地电位法兰13。为使离子束的最高能量达到300KeV，加速管采用静电等梯度加速方式，一共7级加速，在加速管中形成较为均匀的加速电场；中间绝缘环采用PVDF工程塑料，精确设计电极距离，避免打火；中间电极采用迷宫式设计，防止离子束对绝缘环的溅射污染；加速管入口采用活套连接，方便装配与维修。
图3是高温靶盘的剖视图，包括：上盖板17、基片座18、SiC基片19、灯管20、反射板16、底板15。其中上盖板是导热系数不高的三氧化二铝，基片座是氮化铝，灯管一共4根，等距离排列，反射板是表面加工的光滑金属板，底板为通有冷却水的铝板。基片主要靠4根等距排列的灯管进行辐射加热，达到温度均匀的目的。反射板用来反射射向底板的辐射，提高辐射效率和节省能源。上盖板采用导热系数小的材料是为了减少基片的热量散失。底板通冷却水是为了防止基片以外的部件温度过高，在靶盘内保证合理的温度梯度。
Claims (8)
1.一种高温高能离子注入机离子光学系统，包括离子源（1），其特征在于，所述离子源（1）发出的离子的传递光路上依次设置有引出系统（2）、质量分析器（5）、分析光栏（4）、一对垂直扫描电极板（5）、30°平行束透镜（6）、加速管（7）和高温靶盘（8）；所述离子源（1）产生的离子通过引出系统（2）后形成离子束，所述离子束依次通过质量分析器（3）和分析光栏（4），所述分析光栏（4）分析提纯后的离子束经过一对垂直扫描电极板（5），所述垂直扫描电极板（5）将经分析提纯后的离子束扫描成扇形状束带，所述扇形状束带通过30°平行束透镜（6）后形成平行的带状束，所述平行的带状束通过加速管（7）加速后，经高温靶盘（8）注入晶片。
2.根据权利要求1所述的高温高能离子注入机离子光学系统，其特征在于，所述加速管（7）为圆形等梯度加速管，所述圆形等梯度加速管包括多个中心点在同一条直线上的中间电极（9）；所述中间电极（9）包括首端圆柱体和与所述首端圆柱体一个底面连接的尾端圆柱体，且首端圆柱体底面直径小于尾端圆柱体直径，所述首端圆柱体和尾端圆柱体连接的首端圆柱体两侧各接有一个均压圆柱体；相邻的两个中间电极（9）中，其中一个的首端圆柱体伸入另一个的尾端圆柱体内；所有中间电极（9）的首端圆柱体和尾端圆柱体均设置在绝缘环（10）内；每个中间电极（9）的两个均压圆柱体均伸出所述绝缘环（10），且所述均压圆柱体伸出所述绝缘环（10）的部分套有均压环（11）；所述绝缘环（10）两端分别固定有活套法兰（12）和地电位法兰（13），所述地电位法兰（13）与所述绝缘环（10）连接处固定有抑制电极（14）。
3.根据权利要求1或2所述的高温高能离子注入机离子光学系统，其特征在于，所述高温靶盘（8）包括底板（15），所述底板（15）上盖有上盖板（17），所述底板（15）与所述上盖板（17）之间的空间内固定有反射板（16），所述上盖板（17）上开设有安装孔，所述安装孔上固定有基片座（18），所述基片座（18）上表面固定有SiC基片（19），所述基片座（18）下表面固定有多根灯管（20）。
4.根据权利要求3所述的高温高能离子注入机离子光学系统，其特征在于，所述灯管数量为4根，且4根灯管等距离排列。
5.根据权利要求3所述的高温高能离子注入机离子光学系统，其特征在于，所述反射板（16）为表面光滑的金属板。
6.根据权利要求3所述的高温高能离子注入机离子光学系统，其特征在于，所述上盖板（17）采用三氧化二铝制成。
7.根据权利要求3所述的高温高能离子注入机离子光学系统，其特征在于，所述基片座（18）采用氮化铝制成。
8.根据权利要求3所述的高温高能离子注入机离子光学系统，其特征在于，所述底板（15）为内部同有冷却水的铝板。
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