CN105470086A - 一种高能多元素离子注入机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能多元素离子注入机，包括离子源、质量分析器、射频加速系统和靶室，质量分析器将离子源产生的离子束筛选后传输给射频加速系统进行加速，经射频加速系统加速到高能量状态的离子束传输至靶室内完成离子束注入，靶室内设有靶台运动机构，靶台运动机构兼具水平方向和竖直方向的两个运动维度，在靶室内以二维扫描方式完成离子束注入。本发明具有结构简单紧凑、离子注入均匀性好、离子注入能量污染小的优点。

Description

一种高能多元素离子注入机

技术领域

本发明主要涉及到半导体离子注入技术领域，具体涉及一种高能多元素离子注入机。

背景技术

在半导体制造领域，高能离子注入除了具有掺杂元素广泛、浓度精确可控等优点外，还具有射程深、表面损伤小、保留半导体表面的洁净层、简化或省略退火工艺等特点。但是现有的高能MeV（兆电子伏特）能量的离子注入机也存在以下技术问题：

（1）现有的高能MeV能量的离子注入机都采用行星式的批靶，如附图1所示，其单个靶既要实现公转又要实现自转，存在结构复杂、离子注入均匀性差的技术问题。

（2）现有高能离子注入机中，未加速完全的离子和中性粒子会混在加速完全的离子束流中一起注入靶室内的晶片上，造成能量污染。

（3）尤其是对于H、He等轻质元素，要达到相同的注入深度，就需要更高的电场对其加速。而传统的静电加速方式随着电压的升高结构的复杂程度增加，绝缘距离的增加会大幅加大设备的物理尺寸，且静电加速一般小于500KV。对于需要MeV能量的特殊高能注入工艺来说，静电加速方式已不能满足，需要新的加速方式来实现对离子束的加速。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于：针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单紧凑、离子注入均匀性好、离子注入能量污染小的高能多元素离子注入机。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高能多元素离子注入机，包括离子源、质量分析器、射频加速系统和靶室，所述质量分析器将离子源产生的离子束筛选后传输给射频加速系统进行加速，经所述射频加速系统加速到高能量状态的离子束传输至靶室内完成离子束注入，所述靶室内设有靶台运动机构，所述靶台运动机构兼具水平方向和竖直方向的两个运动维度，在靶室内以二维扫描方式完成离子束注入。

进一步，在较佳实施例中，所述靶台运动机构包括垂直驱动电机组件、导向架、摆动驱动电机组件、摆臂和载片靶台，所述载片靶台在垂直驱动电机组件和摆动驱动电机组件的共同作用下实现水平方向和竖直方向的两个运动维度，所述垂直驱动电机组件与导向架连接以驱动导向架垂直升降运动，所述导向架上设有摆动驱动电机组件，所述摆动驱动电机组件通过摆臂与载片靶台连接，所述摆动驱动电机组件驱动摆臂左右摆动以使载片靶台实现水平往复运动。

进一步，在较佳实施例中，所述摆臂与载片靶台铰接，所述导向架上设有圆弧形导轨，所述摆臂沿圆弧形导轨左右摆动。

进一步，在较佳实施例中，在所述射频加速系统和靶室之间设有能量过滤器，所述能量过滤器由偏转电磁铁产生电磁偏转作用力，以将射频加速系统传输来的离子束进行筛选过滤后再传输至靶室内。

进一步，在较佳实施例中，经所述能量过滤器筛选过滤后的离子束的偏转角度为30°。

进一步，在较佳实施例中，所述质量分析器的偏转角度为110°，偏转半径为350mm，物距为350mm，像距为350mm。

进一步，在较佳实施例中，所述射频加速系统包括多个串联的加速腔室，每个加速腔室均采用独立的RF功率电源系统。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的高能多元素离子注入机，结构简单紧凑，载片靶台能实现水平方向和竖直方向的两个运动维度，在靶室内以二维扫描方式完成离子束注入，能使离子束均匀地注入在晶片表面，极大保证了离子注入剂量的均匀性。

（2）本发明的高能多元素离子注入机，能量过滤器能过滤掉加速阶段未完全加速的离子和中性粒子，保证离子束能量的一致性和离子束流纯度，离子注入能量污染小。

（3）本发明的高能多元素离子注入机，通过采用特殊的光路射频加速方式，能显著提高离子束的能量，使得离子束可达MeV，满足MeV能量的离子注入要求。

附图说明

图1是现有技术靶室的结构原理示意图。

图2是本发明的高能多元素离子注入机的结构原理示意图。

图3是本发明的高能多元素离子注入机的靶台运动机构的立体结构原理示意图。

图4是本发明的高能多元素离子注入机的能量过滤器的结构原理示意图。

图5是本发明的高能多元素离子注入机的质量分析器的结构原理示意图。

图例说明：

1、离子源；2、质量分析器；3、射频加速系统；4、靶室；41、靶台运动机构；411、垂直驱动电机组件；412、导向架；413、摆动驱动电机组件；414、摆臂；415、载片靶台；5、能量过滤器；51、偏转电磁铁。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

如图2至图5所示，本发明提供一种高能多元素离子注入机，包括离子源1、质量分析器2、射频加速系统3和靶室4。离子源1产生需要的离子，包括：H、He、Ar、B、P、As等，可以是单电荷、双电荷和三电荷。质量分析器2接收到离子源1产生的离子，并实现离子筛选功能，以获取所需要的离子，保证离子种类的纯度；同时对传输的离子束起部分聚焦作用，增加束传输效率。待质量分析器2将筛选后的离子束传输给射频加速系统3后，由射频加速系统3对筛选后的离子束进行加速，使离子束加速到所需要的能量，单电荷可达到MeV。经射频加速系统3加速到高能量状态的离子束再传输至靶室4内完成离子束注入。

如图3所示，为解决现有技术存在的离子注入均匀性差的技术问题，本发明的靶室4内设有靶台运动机构41，靶台运动机构41兼具水平方向和竖直方向的两个运动维度，在靶室4内以二维扫描方式完成离子束注入。具体在本实施例中，靶台运动机构41包括垂直驱动电机组件411、导向架412、摆动驱动电机组件413、摆臂414和载片靶台415。垂直驱动电机组件411采用高精度的直线电机，其定子固定在靶室4内，动子与导向架412连接以驱动导向架412垂直升降运动。导向架412上设有摆动驱动电机组件413，摆动驱动电机组件413通过摆臂414与载片靶台415连接，摆动驱动电机组件413驱动摆臂414左右摆动以使载片靶台415实现水平往复运动。在本实施例中，摆臂414与载片靶台415铰接，导向架412上设有圆弧形导轨，摆臂414沿圆弧形导轨左右摆动。

载片靶台415在垂直驱动电机组件411和摆动驱动电机组件413的共同作用下实现水平方向和竖直方向的两个运动维度。通过以上结构和设置，在靶室4内以二维扫描方式完成离子束注入，使得本发明结构简单紧凑，同时二维平面的扫描方式能使离子束均匀地注入在晶片表面，极大保证了离子注入剂量的均匀性。

如图2和图4所示，进一步，在较佳实施例中，在射频加速系统3和靶室4之间设有能量过滤器5，能量过滤器5由偏转电磁铁51产生电磁偏转作用力，以将射频加速系统3传输来的离子束进行筛选过滤后再传输至靶室4内。由于能量过滤器5的半径为一定值，通过改变磁场大小，由偏转电磁铁51产生电磁偏转作用力，对进入其内能量不同的离子进行筛选提纯，使得所需要的加速完全的离子再传输至靶室4内完成离子束注入；同时，在这一过程中，中性粒子由于不带电荷，电磁偏转作用力会对其失效，使得中性粒子的运动路径不会发生转弯，从而实现通过能量过滤器5将其过滤掉，阻止其注入靶室4内的晶片上。通过以上特殊的科学设置，使得能量过滤器5能过滤掉加速阶段未完全加速的离子和中性粒子，保证离子束能量的一致性和离子束流纯度，离子注入能量污染小。如图4所示，在最佳实施例中，经能量过滤器5筛选过滤后的离子束的偏转角度为30°，此角度设置能确保过滤效果最佳。

进一步，在较佳实施例中，如图2和图5所示，在质量分析器2的偏转角度设置为110°、偏转半径设置为350mm、物距和像距均设置为350mm的情况下，质量分析器2的离子束流通道宽，能筛选各种质谱的离子，分析元素覆盖种类多，包括H、He到B、P、As（质量分析器2的偏转角度、偏转半径、物距和像距均为本领域公知常识概念，在此不作过多解释）。

如图2所示，进一步，在较佳实施例中，射频加速系统3包括多个串联的加速腔室，每个加速腔室均采用独立的RF功率电源系统。本发明的射频加速系统3采用多腔串级加速方式，每个加速腔室采用独立的RF功率电源系统便于调节和控制。在射频加速系统3的前两级加速腔室完成束流在时间上的压缩，将连续的束流压缩成分段成团的离子束，为后续的射频加速做好准备，以充分利用有效束流；压缩后的离子束团进入后续的多级射频加速，通过控制射频系统的相位、峰值电压等，并通过多级射频同步系统实现多级的同步加速，使所有通过射频加速系统3的离子束团都能获得所需的能量。通过采用以上特殊的光路射频加速方式，能显著提高离子束的能量，使得离子束可达MeV，满足MeV能量的离子注入要求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高能多元素离子注入机，包括离子源（1）、质量分析器（2）、射频加速系统（3）和靶室（4），所述质量分析器（2）将离子源（1）产生的离子束筛选后传输给射频加速系统（3）进行加速，经所述射频加速系统（3）加速到高能量状态的离子束传输至靶室（4）内完成离子束注入，其特征在于，所述靶室（4）内设有靶台运动机构（41），所述靶台运动机构（41）兼具水平方向和竖直方向的两个运动维度，在靶室（4）内以二维扫描方式完成离子束注入。

2.根据权利要求1所述的高能多元素离子注入机，其特征在于，所述靶台运动机构（41）包括垂直驱动电机组件（411）、导向架（412）、摆动驱动电机组件（413）、摆臂（414）和载片靶台（415），所述载片靶台（415）在垂直驱动电机组件（411）和摆动驱动电机组件（413）的共同作用下实现水平方向和竖直方向的两个运动维度，所述垂直驱动电机组件（411）与导向架（412）连接以驱动导向架（412）垂直升降运动，所述导向架（412）上设有摆动驱动电机组件（413），所述摆动驱动电机组件（413）通过摆臂（414）与载片靶台（415）连接，所述摆动驱动电机组件（413）驱动摆臂（414）左右摆动以使载片靶台（415）实现水平往复运动。

3.根据权利要求2所述的高能多元素离子注入机，其特征在于，所述摆臂（414）与载片靶台（415）铰接，所述导向架（412）上设有圆弧形导轨，所述摆臂（414）沿圆弧形导轨左右摆动。

4.根据权利要求1或2或3所述的高能多元素离子注入机，其特征在于，在所述射频加速系统（3）和靶室（4）之间设有能量过滤器（5），所述能量过滤器（5）由偏转电磁铁产生电磁偏转作用力，以将射频加速系统（3）传输来的离子束进行筛选过滤后再传输至靶室（4）内。

5.根据权利要求4所述的高能多元素离子注入机，其特征在于，经所述能量过滤器（5）筛选过滤后的离子束的偏转角度为30°。

6.根据权利要求1或2或3所述的高能多元素离子注入机，其特征在于，所述质量分析器（2）的偏转角度为110°，偏转半径为350mm，物距为350mm，像距为350mm。

7.根据权利要求1或2或3所述的高能多元素离子注入机，其特征在于，所述射频加速系统（3）包括多个串联的加速腔室，每个加速腔室均采用独立的RF功率电源系统。