CN104299871A - 离子源系统和离子束流系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子源系统和离子束流系统。所述离子源系统包括一离子源反应腔，其特征在于，所述离子源系统还包括一引出电极组，所述引出电极组的引出狭缝与所述离子源反应腔的狭缝开口对应，所述引出电极组调节所述引出狭缝处的等离子体弯月面，所述等离子体弯月面在所述引出狭缝的狭缝方向上聚焦离子束流和/或在所述引出狭缝的狭缝方向的垂直方向上发散离子束流。本发明通过特有的离子源扩展方式，能够在相匹配的束流传输系统结构下，避开了加大束流强度的瓶颈，从而可成倍地增大离子束在工件上的流强，提高注入离子束的带状分布均匀性，减少带状离子束的束流调整时间和束流强度损耗。

Description

离子源系统和离子束流系统

技术领域

本发明涉及一种离子源系统和离子束流系统，特别是带状大离子束流的离子源系统和离子束流系统。

背景技术

离子注入是对半导体近表面区域进行掺杂的技术，其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型。其基本方法是用通常称之为杂质的原子或分子通过电离后再加速到特定的能量后引入靶标基片，从而改变基片材料在相应深度层面上的载流子浓度和导电类型的相关电性能。离子注入方法亦可用于对材料进行表面注入，以改变其物理和化学特性。

尤其令人感兴趣的是，用离子注入法在单晶硅中掺杂，是制造现代集成电路中使用的一种常规工艺过程。由于半导体产品的生产趋向较大半导体晶圆的工艺（从8英寸到12英寸，而现在已向18英寸发展），离子注入也向单片机（一次处理一片晶圆）发展，并已被广泛地被半导体业界所采用。随着晶圆工件的增大，为保持单位面积上的离子注入剂量，则大工件所需要的总注入时间就相应延长，而且工件相对离子扫描的范围也需要大面积增加。在这样的发展环境下，如用传统的圆形或椭圆形束斑的离子束流，为达到的注入剂量均匀性和注入角度均匀性，就需要一套束流和加工件相对二维扫描的系统装置，在工件不断增大的需求下，这种二维扫描系统也变得越来越庞大和复杂，而且在二维扫描系统中离子束的有效利用率和设备产能都逐渐无法跟上生产要求。带状或长条形的离子束流技术极大地简化了扫描系统，只需在与带状方向相垂直的一维方向上扫描即可，当然这也对束流本身的束流质量要求更加苛刻以满足注入剂量均匀性和注入角度均匀性的要求。

随着离子注入进入太阳能电池片的生产和平板显示屏制造领域，离子注入技术充分展现了其所带来的产品优越性，但如何进一步提高提高产品产能，降低生产成本就成为大规模推广离子注入在这些领域应用的关键。要提高离子注入的产能，就需要大幅度的提高离子传输效率和增加离子束流强度。

在当前的带状离子束离子注入机设计中，大多数的离子注入机的离子源引出系统都是采用狭缝引出结构，然后通过束道的束流光学系统产生所需的带状离子束流。这种引出结构利用引出电极主要对离子束在狭缝方向上的束流光学控制，配以在同一方向上的后续束道束流光学系统匹配，最终产生束斑为长条状形带状的束流，整体束流光学控制主要限制在与引出狭缝方向同一平面的平面内。但这种结构的缺点在于：在引出电极的狭缝方向的垂直方向上的离子束缺乏散焦控制，而且由于离子引出时的空间电荷效应，一般会造成发散角较大，从而对后面的束流传输系统有较大的系统接受角度要求，往往会由于束流道和束流下游模块接受角的限制，造成束流传输损耗。而且在引出电极的狭缝方向上的束流强度分布与离子源内等离子体密度分布紧密相关，受一系列离子源运行条件影响，导致强度分布不均，并随时间和运行条件变化。此外，束流传输系统能够传输的束流的密度和强度也是受离子源自身参数的限制，所以为了获得不同束流密度和强度，往往只有更换离子源，而对于需要控制精密离子注入的束流传输系统而言，更换一个部件往往意味着需要重新设置和更新整个束流传输系统，所以现有的束流传输系统可扩展性很差。

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对引出电极的引出的离子束流的散焦缺乏控制和离子束流分布不均匀以及扩展性差的缺陷，提供一种离子源系统和离子束流系统，通过特有的离子源扩展方式，能够在相匹配的束流传输系统结构下，避开了加大束流强度的瓶颈，从而可成倍地增大离子束在工件上的流强，提高注入离子束的带状分布均匀性，减少带状离子束的束流调整时间和束流强度损耗。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种离子源系统，包括一离子源反应腔，其特点是，所述离子源系统还包括一引出电极组，所述引出电极组的引出狭缝与所述离子源反应腔的狭缝开口对应，所述引出电极组调节所述引出狭缝处的等离子体弯月面，从而在所述引出狭缝的狭缝方向上聚焦离子束流和/或在所述引出狭缝的狭缝方向的垂直方向上发散离子束流。

其中本发明的离子源系统通过调节离子源的等离子体运行参数以及引出电极组的引出电压等来改变等离子体弯月面的形状，从而使得经过引出电极组引出的束流在引出电极组的引出狭缝的狭缝方向上聚焦，在引出狭缝的狭缝方向的垂直方向上发散。进而能够在束流引出的两个方向上进行对立的控制，达到与束流传输系统的最佳的匹配，减少束流传输损耗。

其中所述等离子体弯月面是离子源反应腔在狭缝处的离子体的发射面，因其形状在引出电极的电场的作用下形成的曲面类似弯月形，所以在本技术领域里常被称之为等离子体弯月面（Plasma meniscus），离子源发射面的凹凸形状以及凹凸曲率半径决定了离子束流的传输特性，而发射面的形状又取决于离子源中等离子体运行参数、引出电极结构和引出电压等等，从另一个角度来说离子源的等离子体的发射面是在这些工作条件下等离子体自动调节到平衡状态下的一个界面。

本发明中所述引出狭缝是指现有技术中引出电极组为了从离子源中引出带状离子束流而设定的特定引出结构，而且正是由于为了引出带状离子束流，所以所述引出狭缝的尺寸中在相互垂直的两个方向上的长度是不同的，因此本发明中所述引出狭缝的狭缝方向是指与引出狭缝的尺寸中长度较长的一侧边平行的方向，因而所述狭缝方向的垂直方向是指平行于引出狭缝中长度较短的一侧的方向。

此外所述引出电极组用于从离子源反应腔中引出离子束流，其中所述离子源反应腔生成等离子和引出电极组将这些等离子引出为离子束流均是半导体离子输入工艺中常用技术手段，这里就不再详细赘述。

较佳地，所述离子源反应腔还具有若干狭缝开口，所述狭缝开口均处于所述离子源反应腔的同一侧，每个狭缝开口均还对应一引出电极组的引出狭缝，每个引出电极组引出的离子束流相互重叠。

本发明中进一步地可以通过多个引出电极组从离子源反应腔中分别引出多条离子束流，而且通过将每条离子束流相互重叠来提高离子束流的密度和总束流的强度。

优选地，所述引出电极组的引出狭缝均在狭缝方向上相互平行，在狭缝方向的垂直方向上共线。

虽然本发明中每个引出电极组能够在狭缝方向及狭缝方向的垂直方向上通过聚焦和发散来调节离子束流方向，但是，为了使得每个离子束流相互重叠而分别调节或校正各个引出电极组的参数的工作是复杂的，所以本发明进一步地通过设定特定引出电极组的引出狭缝的结构位置关系，从物理结构的角度来使得每条离子束流相互重叠，从而进而减少对每个离子束流的调节工作。

其中所述在狭缝方向上相互平行和在狭缝方向的垂直方向上共线是指下述的位置关系：每个引出狭缝在狭缝方向的垂直方向上的轴线均是处于同一根线上，同时每个引出狭缝在狭缝方向上的轴线（其垂直于所述狭缝方向的垂直方向上的轴线）相互平行，从而得到沿所述狭缝方向的垂直方向上的轴线平行排列的引出狭缝。

较佳地，所述离子源反应腔还具有若干狭缝开口，所述狭缝开口均处于所述离子源反应腔的同一侧，每个狭缝开口均还对应所述引出电极组的一引出狭缝，所述引出电极组的每个引出狭缝引出的离子束流相互重叠。

本发明中还可以直接通过增加引出电极组中的引出狭缝的数量来增加引出的离子束流的数量。而且由于只有一个引出电极组，所以对引出离子束流的控制更佳便捷。

较佳地，所述离子源系统还包括若干离子源反应腔，每个离子源反应腔均具有一个狭缝开口，每个狭缝开口方向均相同，每个狭缝开口均还对应一引出电极组的引出狭缝，每个引出电极组引出的离子束流相互重叠。

而且所述离子源系统还包括与各个离子源反应腔相配套的灯丝、阴极、反射板、离子源磁场和离子源控制系统等。

本发明中进一步地通过多个离子源来分别提供构成离子束流的等离子体，从而可以简化产生离子源的离子源反应腔的参数等的操作。

其中每个狭缝开口的开口方向是指狭缝开口指向离子源反应腔外侧的方向，这样每个狭缝开口的开口方向相同时，也就是相当于将所有的离子源反应腔的狭缝开口设置于同一侧内。

较佳地，所述离子源系统还包括若干离子源反应腔，每个离子源反应腔均具有一个狭缝开口，每个狭缝开口方向均相同，每个狭缝开口均还对应所述引出电极组的一引出狭缝，所述引出电极组的每个引出狭缝引出的离子束流相互重叠。

本发明还将利用上述技术方案中具有多个引出狭缝的引出电极组的参数控制和操作简化的特点，通过一个引出电极组从多个离子源反应腔中统一的抽取离子束。

较佳地，经过所述引出电极组的离子束流在狭缝方向的垂直方向上的束流发散角度为0°–45°。

本发明通过对引出电极组的结构设计、引出电压组合参数、以及离子源运行参数的控制，能够较大范围地调整等离子体的发射面的曲率，从而在引出狭缝方向的垂直方向上大范围内调节束流发散角度，发散的束流在经过束流传输系统后带状离子束流的长度在100-2000mm的范围内能够获得均匀准直的离子束流。

较佳地，所述离子源反应腔为为间热式离子源反应腔、伯纳(Bernas)式离子源反应腔或弗利曼(Freeman)式离子源反应腔。此外所述离子源反应腔还可以采用其他类型的离子体电弧反应腔，正是由于本发明可以合并离子束流，所以本发明进一步地利用具有长寿命、高效率、低气体损耗的小型离子源来作为离子源，由于离子束流的形状来自于引出离子束流的张角，这样就可用高效的小型离子源来产生大于离子源本身尺寸几十倍的离子束流，从而无论是采用多个离子源，还是从单个离子源引出多条离子束流，都能有效地减小离子源系统的物理体积。

本发明还提供了一种离子束流系统，其特点是，所述离子束流系统使用如上所述的离子源系统。

使用本发明的离子束流系统能够按照需要装入任意数量的离子源，因此具有离子源扩展的特点，进而能够加强离子束流系统中离子束流的束流密度和强度。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明通过改进离子源引出系统的设计，结合等离子体在离子源腔体内的运行状态和引出电极的结构设计达到对引出束流的二维方向进行相对独立控制，为最优化地生成带状束流，有效匹配束流传输系统，增加传输效率，从而增大离子束在工件上的流强，提高注入离子束的带状分布均匀性，减少调整带状离子束均匀性分布所带来的流强损耗以及束流调整时间。

本发明的积极进步效果还在于离子源的引出系统中结合多离子源为一体的离子源系统，从而带状离子束流的生成、传输和离子注入在应用上成为可能，其特点是在不影响每个离子源单元的运行条件和束流几何参数情况下成倍地提高离子束流强度，并可结合对引出束流的二维方向进行相对独立控制，即最佳地满足束流传输系统的接受角度，进而在较大的离子能量范围内提高装置注入的效率和产能。

附图说明

图1为本发明的实施例1的离子源系统的结构示意图。

图2为本发明的实施例2的离子源系统的结构示意图。

图3为本发明的实施例3的离子源系统的结构示意图。

图4为本发明的实施例4的离子源系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本发明的核心思想是一方面通过结合等离子体在离子源腔体内的运行状态和引出电极的结构设计达到对引出束流的二维方向进行相对独立控制，为最优化地生成带状束流，有效匹配束流传输系统，增加传输效率，从而增大离子束在工件上的流强，提高注入离子束的带状分布均匀性，减少调整带状离子束均匀性分布所带来的流强损耗以及束流调整时间。另一方面，在离子源的引出系统中结合多离子源为一体的离子源系统，从而在不影响每个离子源单元的运行条件和束流几何参数情况下成倍地提高离子束流强度，并可结合对引出束流的二维方向进行相对独立控制，即最佳地满足束流传输系统的接受角度，进而在较大的离子能量范围内提高装置注入的效率和产能。

本发明的具体实现参见下述实施例：

实施例1

如图1所示，本实施例的离子束流系统的离子源系统包括一离子源反应腔1和两个引出电极组2。其中所述离子源反应腔1包括两个狭缝开口11，每个引出电极组2都具有一个引出狭缝21。每个狭缝开口11均对应一个引出狭缝21。

所述离子源反应腔1的两个狭缝开口11均位于离子源反应腔1的同一侧，而且这两个引出狭缝21相互平行，具体地说，就是所述引出狭缝21沿其在狭缝方向A的垂直方向B上的轴线平行排列。

本实施例中离子源反应腔1的狭缝开口11处的等离子体弯月面，所述等离子体弯月面表征了引出电极组对离子源运行条件和引出电极的电极结构以及设置电压组合的改变，本实施例中通过调节所述等离子体弯月面来控制所述引出狭缝的狭缝方向的垂直方向上离子束流发散度和张角。

本实施例中离子源反应腔1和引出电极组2在所述引出狭缝的狭缝方向上对离子束流的控制是通过引出电极在狭缝方向上的电极弧度和引出电极的电压组合来调节所述狭缝开口11和引出狭缝21间的电场分布，从而对离子束流在引出狭缝的狭缝方向上进行聚焦。

正是由于能够分别对所述引出狭缝的狭缝方向上聚焦离子束流以及在所述引出狭缝的狭缝方向的垂直方向上发散离子束流进行调节和控制，所以本实施例中在引出电极组2沿狭缝方向A及其垂直方向B上可相对独立地对离子束流与后续的束流传输系统的束流角度进行控制。

而且本实施例中在对引出电极组2的引出狭缝21的狭缝方向A上束流进行聚焦控制的前提下，还对垂直方向B上束流呈发散状，其可调的发散角度能够与后续的束流传输系统的大接受角度相匹配。

具体地说，通过对引出电极组2的引出狭缝21的狭缝方向A上束流进行聚焦控制，束流传输系统在这个方向上的大接受角度要求很小，增加了束流传输效率。

并且这种控制方式降低离子源系统和束流传输系统的束流耦合损耗，即使得离子束流的束流角度与束流传输系统的接收角度匹配，从而束流传输系统能够接收到离子束流的束流角度内所有的离子束流，避免了离子束流的束流角度超出束流传输系统的接收角度时，超出部分的离子束流的损失，增加提高传输效率。

此外，若此时引出电极组2沿狭缝方向A上电极的弧度在满足传输系统接受角的情况下，可进一步调整电极弧度，与质量分析磁铁的聚焦功能和质量分析出口位置相匹配，提升束流质量分析能力。

而且本实施例中两个引出电极组2引出的离子束流相互重叠，从而实现离子束流的合并，从而实现近似两倍的束流密度和强度。

虽然本实施例的只有两个引出电极组和两个狭缝开口，本领域技术人员应该明了所述引出电极组2的数量和所述离子源反应腔1的狭缝开口11的数量可以是任意的。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别是，本实施例只有一个引出电极组2，但是这个引出电极组2上具有两个引出狭缝21，而且这两个引出狭缝21与所述离子源反应腔1的两个狭缝开口11之间的对应关系以及离子束流引出关系都是与实施例1一样的，这里就不再详述。

但是应该注意到，此时虽然两个引出狭缝21处于通过一个引出电极组2上，但是引出电极组2对离子源运行条件和引出电极的电极结构以及设置电压的改变不但可以同时作用于两个引出狭缝21上也可以分别作用于两个引出狭缝21上。

而且本领域技术人员应该明了所述引出电极组2的引出狭缝的数量和离子源反应腔1的狭缝开口11的数量可以是任意的。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1的区别是，本实施例有两个离子源反应腔1，每个离子源反应腔1均具有一个狭缝开口11。同样，这两个狭缝开口11分别与两个所述引出电极组2的引出狭缝21之间的对应关系以及离子束流引出关系都是与实施例1一样的，这里就不再详述。

此处所述离子源反应腔1尤其适宜于使用小型离子源，例如具有长寿命低气体损耗的等离子体电弧反应腔，类型包括间热式离子源反应腔、伯纳(Bernas)式离子源反应腔、以及弗利曼(Freeman)式离子源反应腔，从而在增强离子束流密度和强度的同时降低或减小离子源系统的物理体积。

而且本领域技术人员应该明了所述引出电极组2的数量和离子源反应腔1的数量可以是任意的。

实施例4

如图4所示，本实施例与实施例2的区别是，本实施例有两个离子源反应腔1，每个离子源反应腔1均具有一个狭缝开口11。同样，这两个狭缝开口11分别与所述引出电极组2的两个引出狭缝21之间的对应关系以及离子束流引出关系都是与实施例1和2是一样的，这里就不再详述。

如实施例3中所述，此处所述离子源反应腔1尤其适宜于使用等离子体电弧反应腔，例如间热式离子源小型离子源，从而在增强离子束流密度和强度的同时降低或减小离子源系统的物理体积。

而且本领域技术人员应该明了所述引出电极组2的引出狭缝21的数量和离子源反应腔1的数量可以是任意的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

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 (9)

1.一种离子源系统，包括一离子源反应腔，其特征在于，所述离子源系统还包括一引出电极组，所述引出电极组的引出狭缝与所述离子源反应腔的狭缝开口对应，所述引出电极组调节所述引出狭缝处的等离子体弯月面，从而在所述引出狭缝的狭缝方向上聚焦离子束流和/或在所述引出狭缝的狭缝方向的垂直方向上发散离子束流。

2.如权利要求1所述的离子源系统，其特征在于，所述离子源反应腔还具有若干狭缝开口，所述狭缝开口均处于所述离子源反应腔的同一侧，每个狭缝开口均还对应一引出电极组的引出狭缝，每个引出电极组引出的离子束流相互重叠。

3.如权利要求1所述的离子源系统，其特征在于，所述离子源反应腔还具有若干狭缝开口，所述狭缝开口均处于所述离子源反应腔的同一侧，每个狭缝开口均还对应所述引出电极组的一引出狭缝，所述引出电极组的每个引出狭缝引出的离子束流相互重叠。

4.如权利要求1所述的离子源系统，其特征在于，所述离子源系统还包括若干离子源反应腔，每个离子源反应腔均具有一个狭缝开口，每个狭缝开口方向均相同，每个狭缝开口均还对应一引出电极组的引出狭缝，每个引出电极组引出的离子束流相互重叠。

5.如权利要求1所述的离子源系统，其特征在于，所述离子源系统还包括若干离子源反应腔，每个离子源反应腔均具有一个狭缝开口，每个狭缝开口方向均相同，每个狭缝开口均还对应所述引出电极组的一引出狭缝，所述引出电极组的每个引出狭缝引出的离子束流相互重叠。

6.如权利要求2-4中任一项所述的离子源系统，其特征在于，所述引出电极组的引出狭缝均在狭缝方向上相互平行，在狭缝方向的垂直方向上共线。

7.如权利要求6所述的离子源系统，其特征在于，经过所述引出电极组的离子束流在狭缝方向的垂直方向上的束流发散角度为0°–45°。

8.如权利要求6所述的离子源系统，其特征在于，所述离子源反应腔为间热式离子源反应腔、伯纳式离子源反应腔或弗利曼式离子源反应腔。

9.一种离子束流系统，其特征在于，所述离子束流系统使用如权利要求1-8中任一项所述的离子源系统。