CN106653533B - 一种带电粒子束流磁场聚焦结构及应用该结构的离子注入机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于聚焦带电粒子束流的磁场结构。本发明提供了一种新型磁场聚焦结构，使束流在某一平面内实现非均匀的聚焦效果。当该磁场结构应用于离子注入机时，可矫正束流非均匀的空间或角度分布。

Description

一种带电粒子束流磁场聚焦结构及应用该结构的离子注入机
技术领域
本发明涉及一种磁场结构，尤其涉及一种用于离子注入机中的磁场结构。
背景技术
离子注入机广泛应用于半导体制造领域。在离子注入机中，经常需要对束流进行聚焦，以实现对束流参数的控制。例如在低能大束流注入机中，由于高流强低能束流的空间电荷效应较强，需要加入聚焦结构控制束流发散，以提高束流传输效率。
在离子注入机中，偏转磁铁必不可少，例如用于选择特定离子或使束流平行化。一般偏转磁铁在水平平面偏转束流，入射位置和角度不同的离子在偏转磁场中的运动距离不同，虽然水平方向会实现汇聚为一点或平行化等预定要求，但不同位置的束流在垂直方向的发散将会呈现差异。运动距离较长的束流相对于运动距离较短的束流在垂直方向的由于空间电荷效应导致的发散将更为严重，因此导致束流通过偏转磁场后垂直方向参数沿水平向有明显差异，例如束流垂直方向包络尺寸沿水平方向单调变化、垂直方向焦点分散等，这将对后部束流传输产生不利影响或不能满足工艺需求。
目前离子注入机中常用的离子束聚焦结构对于上述束流参数非均匀分布难以产生理想效果。
发明内容
本发明的实施例提供了带电粒子束流磁场聚焦结构，该聚焦结构能够产生非均匀的聚焦效果，对于束流参数非均匀分布的情况，能够产生非均匀的矫正效果，有利于后部束流的传输或更好的满足工艺需求。
在本发明的一个实施例中，带电粒子束流磁场聚焦结构包括三对磁体，磁体沿水平方向放置，中间一对磁体的沿束流方向的宽度线性变化或非线性变化，左右两侧两对磁体沿束流方向的宽度均匀或非线性变化。
第一对磁体的沿Z方向的宽度可为连续或非连续变化的。
第二对和第三对磁体的沿Z方向的宽度可为连续或非连续变化的。
在本发明的另一个实施例中，带电粒子束流磁场聚焦结构包括三对磁体，磁体沿水平方向放置，三对磁体的沿束流方向的宽度均线性变化。
磁体可为电磁体或永磁体。
磁体为电磁体时，其磁轭可为连续的，即每一磁体对应一组线圈，对于位于束流一侧的三个磁体，线圈包围的磁轭可联通为一整体。
带电粒子束流可为离子束流或电子束流，其中离子束流可为正离子或负离子，电子亦可为负电子或正电子。
本发明的又一实施例为一离子注入机，该离子注入机包括离子源、引出电极、分析器、分析光阑、平行透镜、聚焦透镜、减速/偏转结构、注入靶室等部件，其中聚焦透镜至少一个为上述两个实施例中的带电粒子束流磁场聚焦结构。
离子源产生的所述离子束可为正离子束或负离子束。
离子源传输至注入靶室的到靶束流可为斑点束或宽带束。
附图说明
各图中，坐标系如各图所示，束流方向均为Z方向，X方向为水平方向，Y方向为垂直方向。
图1为常规的聚焦磁铁结构示意图。
图2为常规的聚焦磁铁结构俯视图。
图3为根据本发明的一个实施方式的带电粒子束流磁场聚焦结构示意图。
图4为根据本发明的另一个实施方式的带电粒子束流磁场聚焦结构示意图。
图5是根据本发明的又一实施方式的离子注入机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图进一步详细描述本发明，本发明的较佳实施例图示在这些附图中。提供这些实施例是为了使揭示的内容更加透彻和完整，且将本发明的范围充分传递给本领域的技术人员。然而，本发明可体现为许多不同的形态， 而不应局限于本说明书所列举的实施例。
图1为常规聚焦磁铁结构的前视图，其中X为水平方向，Y为垂直方向， Z垂直纸面向外，为束流运动方向。101和102为设置于束流两侧的第一对磁体，103和104为第二对磁体，105和106为第三对磁体。根据基本物理学原理，磁场方向大致如图中虚线所示，该磁场对通过其中的离子束有垂直方向聚焦和水平方向散焦的作用。
图2为常规聚焦磁铁结构的俯视图，201为第一对磁体中的上磁体，202 为第二对磁体的上磁体，203为第三对磁体的上磁体。该结构中磁体沿束流方向宽度相同。
图3为根据本发明的一个实施方式的带电粒子束流磁场聚焦结构俯视图， 301为第一对磁体的上磁体，302为第二对磁体的上磁体，303为第三对磁体的上磁体。该结构中，第一对磁体沿Z方向的宽度呈线性变化，这导致301不同位置处聚焦场的强度和范围不同。在一具体实施例中，301右侧聚焦磁场与左侧相比强度较小、范围较大，该结构之前的离子束通过了一磁场偏转结构，由于背景技术中所述原因，右侧束流包络尺寸和发散角较大。当该参数分布不均匀的束流通过图3所示结构时，由于右侧束流包络尺寸较大而左侧束流包络尺寸较小，虽然左侧聚焦强度较大，但右侧Y方向外围离子距离中心平面较远， 因而所受聚焦力与左侧Y方向外围离子相比大致相同或更大，而右侧聚焦场范围较大，因此将产生比左侧更强的聚焦效果。
与图2所示常规聚焦结构相比，图3所示结构增加了一个变化的自由度(沿束流方向磁体宽度的变化)，综合考虑对聚焦场强度和范围的影响，将产生束流尺寸和发散角同时优化的结果。图2所示的常规聚焦结构只能考虑整体聚焦强度的变化，对参数分布非均匀的束流的调节能力受到限制。
图4为根据本发明的另一个实施方式的带电粒子束流聚焦结构俯视图， 401为第一对磁体的上磁体，402为第二对磁体的上磁体，403为第三对磁体的上磁体。该结构原理与图3所示结构类似，但在该结构中，402和403沿Z方向的宽度也呈现线性变化。在一些情况中，图4所示结构具有边缘磁场分布较好等优点。
图5为根据本发明的又一实施例的离子注入机。501为离子源，502为引出电极，503为分析器，505为分析光阑，506为平行透镜，504和507为聚焦结构、508为减速/偏转结构，509为注入靶室，箭头代表束流方向，在非平行束情况下箭头代表束流中心粒子轨迹方向。图5所示离子注入机中的聚焦结构中至少一个采用了图3或图4所示的带电粒子束流磁场聚焦结构。以504采用图3所示聚焦结构为例，低能宽带束流经过分析器之后，分析器外侧(逆束流方向观察为右侧)束流运动距离较长，束流包络和发散角较大，图3所示结构可实现束流包络和发散角的综合优化控制。
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，除本说明书所述的实施例外，本发明的其它各种实施例以及本发明的改良形式对于本领域中的技术人员而言都是明显易懂的。例如，容易想到图3所示结构中301沿束流方向的变化可为一特定曲线。因此，这些实施例及改良形式应属于本发明范围。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，但是本领域的技术人员能够认识到其有用性不限于此，本发明可以为了多种用途在多种场合下以有益的方式来实施。

Claims (14)

1.一种带电粒子束流磁场聚焦结构，使通过该结构的束流产生Y方向的聚焦，该聚焦效果沿X方向是非均匀的；其中以该带电粒子束流的传输方向为Z方向，以垂直于Z方向且平行于水平地面的方向为X方向，以垂直于Z方向且垂直于水平地面的方向为Y方向；该带电粒子束流偏转磁场结构包括：
第一对磁体，位于关于束流对称的两侧，两个磁体产生的磁场的方向相同；
第二对磁体，位于关于束流对称的两侧，当沿负Z方向观察时，其位于第一对磁体的一侧，两个磁体产生的磁场的方向相同且与第一对磁体产生的磁场的方向相反；
第三对磁体，位于关于束流对称的两侧，当沿负Z方向观察时，其位于第一对磁体的另一侧，其位置与第二对磁体关于第一对磁体对称，两个磁体产生的磁场的方向相同且与第一对磁体产生的磁场的方向相反；
其中至少第一对磁体沿Z方向的宽度不均匀。
2.如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其磁体可为电磁体或永磁体。
3.如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其磁体为电磁体时，其磁轭可为连续的，即每一磁体对应一组线圈，对于位于束流一侧的三个磁体，线圈包围的磁轭可联通为一整体。
4. 如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其第二对和第三对磁铁沿 Z方向的宽度可为均匀或非均匀。
5.如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其第一对磁体的沿Z方向的宽度可为线性或非线性变化的。
6.如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其第一对磁体的沿Z方向的宽度可为连续或非连续变化的。
7.如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其第二对和第三对磁体的沿Z方向的宽度可为线性或非线性变化的。
8.如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其第二对和第三对磁体的沿Z方向的宽度可为连续或非连续变化的。
9.如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构，其带电粒子束流可为离子束流或电子束流，其中离子束流可为正离子或负离子，电子亦可为负电子或正电子。
10.一种离子注入机，其包括：
离子源，用于产生离子束；
引出电极，用于将离子从离子源中引出，使离子传输至之后的部件中；
分析器，用于分离不同种类的离子；
分析光阑，用于选择所需要注入的种类的离子；
平行透镜，用于使通过分析器聚焦的离子束成为平行的离子束；
聚焦透镜，用于调整束流的包络尺寸和发散角参数；
减速/偏转结构，对束流进行减速，以实现离子的低能注入，同时对束流进行偏转；
注入靶室，以承载注入工件并进行必要的机械运动以实现所需的离子注入；
其中所述聚焦透镜中至少一个为如权利要求1所述的带电粒子束流磁场聚焦结构。
11.如权利要求10所述的离子注入机，所述聚焦透镜位于分析器之前，或者所述聚焦透镜位于分析器之后，或者所述聚焦透镜位于平行透镜之前，或者所述聚焦透镜位于平行透镜之后。
12.如权利要求10所述的离子注入机，所述聚焦透镜可位于需要对离子束进行聚焦的任意位置。
13.如权利要求10所述的离子注入机，所述离子源产生的所述离子束可为正离子束或负离子束。
14.如权利要求10所述的离子注入机，离子源传输至注入靶室的到靶束流可为斑点束或宽带束。
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