CN109872938B - 一种适用于微纳器件制造的离子注入机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于微纳器件制造的离子注入机，包括依次相连的离子源、质量分析器、束流聚焦电透镜系统、束流静电扫描系统及载片腔室，还包括用于调节束斑形状和和束流大小的光阑组件、以及用于点注入的点注入掩膜板，所述光阑组件包括设于离子源和质量分析器之间的可调光阑、设于质量分析器和束流聚焦电透镜系统之间的限束光阑以及设于束流静电扫描系统和载片腔室之间的终端注入光阑，所述点注入掩膜板位于载片腔室内，所述终端注入光阑和所述点注入掩膜板上开设点注入微孔。本发明具有可简化工艺过程，能够实现微米级的低剂量、高精度注入等优点。

Description

一种适用于微纳器件制造的离子注入机

技术领域

本发明涉及半导体器件制造设备，尤其涉及一种适用于微纳器件制造的离子注入机。

背景技术

在量子研究应用中特种离子注入机主要是以离子注入的方式在高纯金刚石中注入氮元素，取代金刚石中的碳原子，从而得到一种良好的、广泛应用于量子通信中量子密钥分配的单光子源。这种注入工艺要求离子束斑直径特别小(达到微米级)、注入剂量特别低且样品定位精度特别高，对离子注入设备提出了极高的要求。现有的特种离子的离子注入机，剂量范围都在10¹¹atoms/cm²(每平方厘米中原子的个数)以上，且大都采用面掩膜注入，也即先在工件表面整面涂上光刻胶，再用光刻机刻除光刻胶，最后进行离子注入，工艺过程繁琐，且无法实现微米级的低剂量、高精度的注入。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可简化工艺过程，能够实现微米级的低剂量、高精度注入的适用于微纳器件制造的离子注入机。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种适用于微纳器件制造的离子注入机，包括依次相连的离子源、质量分析器、束流聚焦电透镜系统、束流静电扫描系统及载片腔室，还包括用于调节束斑形状和和束流大小的光阑组件、以及用于点注入的点注入掩膜板，所述光阑组件包括设于离子源和质量分析器之间的可调光阑、设于质量分析器和束流聚焦电透镜系统之间的限束光阑以及设于束流静电扫描系统和载片腔室之间的终端注入光阑，所述点注入掩膜板位于载片腔室内，所述终端注入光阑和所述点注入掩膜板上开设点注入微孔。

作为上述技术方案的进一步改进：所述离子源和所述载片腔室内的载片台均水平布置，且离子源位于载片腔室侧上方，所述质量分析器的偏转角度为90°，所述束流聚焦电透镜系统为双单元静电四极透镜，束流聚焦电透镜系统的X方向聚焦透镜位于质量分析器下方，束流聚焦电透镜系统的Y方向聚焦透镜位于所述X方向聚焦透镜下方，所述束流静电扫描系统包括位于所述Y方向聚焦透镜下方的Y方向扫描电场、以及位于Y方向扫描电场下方的X方向扫描电场，所述载片台配置有水平面内的二维联动机构，所述二维联动机构驱动载片台和点注入掩膜板完成注入定位。

作为上述技术方案的进一步改进：所述载片腔室配置有用于所述载片台和所述点注入掩膜板视觉定位的工业相机。

作为上述技术方案的进一步改进：所述束流聚焦电透镜系统为电磁透镜，各腔室采用独立的电磁铁系统生成电磁场。

作为上述技术方案的进一步改进：所述二维联动机构包括纵向平移直线电缸和两件设于纵向平移直线电缸的横向平移直线电缸，所述载片台设于其中一件横向平移直线电缸上，点注入掩膜板设于另一件横向平移直线电缸上。

作为上述技术方案的进一步改进：所述点注入微孔的孔径为20um至100um。

作为上述技术方案的进一步改进：所述离子源为热阴极式离子源。

作为上述技术方案的进一步改进：所述束流聚焦电透镜系统和所述束流静电扫描系统之间还设有法拉第部件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的适用于微纳器件制造的离子注入机，传输光路简短，束流传输效率高，用于传统的面掩膜注入时，可用于多种元素的注入且质量数范围大，同时可兼容硼、磷及金属元素的注入；在离子源和质量分析器之间设置可调光阑，在质量分析器和束流聚焦电透镜系统之间设置限束光阑，在束流静电扫描系统和载片腔室之间设置终端注入光阑，在载片腔室内设置定点注入的点注入掩膜板，终端注入光阑和点注入掩膜板上开设点注入微孔，利用各光阑精确控制离子束流的束斑形状和束流大小，利用终端注入光阑和点注入掩膜板配合实现开孔掩膜注入，保证束流形状的圆度和低剂量注入时束流的稳定度和剂量精确性，直接套准、遮挡点注入工件的注入位置即可实现特别低的注入剂量和特别高的注入精度。

附图说明

图1是本发明适用于微纳器件制造的离子注入机的构示意图。

图2是本发明中的二维联动机构的俯视结构示意图。

图中各标号表示：1、离子源；2、质量分析器；3、束流聚焦电透镜系统；31、X方向聚焦透镜；32、Y方向聚焦透镜；4、束流静电扫描系统；41、Y方向扫描电场；42、X方向扫描电场；5、载片腔室；51、载片台；52、二维联动机构；521、横向平移直线电缸；522、纵向平移直线电缸；6、光阑组件；61、可调光阑；62、限束光阑；63、终端注入光阑；7、点注入掩膜板；8、点注入微孔；9、法拉第部件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1至图2示出了本发明的一种实施例，本实施例的适用于微纳器件制造的离子注入机，包括依次相连的离子源1、质量分析器2、束流聚焦电透镜系统3、束流静电扫描系统4及载片腔室5，还包括用于调节束斑形状和和束流大小的光阑组件6、以及用于点注入的点注入掩膜板7，光阑组件6包括设于离子源1和质量分析器2之间的可调光阑61、设于质量分析器2和束流聚焦电透镜系统3之间的限束光阑62以及设于束流静电扫描系统4和载片腔室5之间的终端注入光阑63，点注入掩膜板7位于载片腔室5内，终端注入光阑63和点注入掩膜板7上开设点注入微孔8。其中，离子源1优选采用热阴极式离子源，用于产生注入工艺所需的各种离子，包括He、B、低熔点金属等，可以是单电荷、双电荷。质量分析器2，对进入其内能量不同的离子由偏转电磁铁产生电磁偏转作用力，从而对离子筛选、提纯。半径值一定，改变磁场大小，可对所需要的加速完全的离子提纯筛选；同时中性粒子由于不带电荷，电磁偏转作用力对其失效，中性粒子的运动路径不会发生转弯，从而将其过滤掉，阻止其注入载片台51上的工件内，获取所需要的离子、保证离子种类的纯度的同时，对传输的离子束起部分聚焦作用，增加传输效率。束流聚焦电透镜系统3，用于使离子束流聚焦成完整的圆斑。束流静电扫描系统4，其作用机理是在束流传输通道上加以静电场，使得带电的离子束流通过其间时产生电场力而运动，电场方向是正负极交变的，使得离子束流往复振荡扫描。可调光阑61可为宽窄缝或大小孔，在束流通道上可以调节切换，改变通道大小及变动束流；限束光阑62用于精准约束束斑形状；终端注入光阑63开微孔专用于点掩膜注入。

该适用于微纳器件制造的离子注入机，传输光路简短，束流传输效率高，用于传统的面掩膜注入时，可用于多种元素的注入且质量数范围大，同时可兼容硼、磷及金属元素的注入；在离子源1和质量分析器2之间设置可调光阑61，在质量分析器2和束流聚焦电透镜系统3之间设置限束光阑62，在束流静电扫描系统4和载片腔室5之间设置终端注入光阑63，在载片腔室5内设置定点注入的点注入掩膜板7，终端注入光阑63和点注入掩膜板7上开设点注入微孔8，利用各光阑精确控制离子束流的束斑形状和束流大小，利用终端注入光阑63和点注入掩膜板7配合实现开孔掩膜注入，可保证束流形状的圆度和低剂量注入时束流的稳定度和剂量精确性，直接套准、遮挡点注入工件的注入位置即可实现特别低的注入剂量和特别高的注入精度。

进一步地，本实施例中，离子源1和载片腔室5内的载片台51均水平布置，且离子源1位于载片腔室5左上方，质量分析器2的偏转角度为90°，也即离子束流水平引出后经过质量分析器2发生偏转，然后垂直注入水平布置的工件，有别于目前主流注入设备光路传输路径水平布置的特点，结构更紧凑，传输效率更高，同时占地面积更小，束流聚焦电透镜系统3为双单元静电四极透镜，束流聚焦电透镜系统3的X方向聚焦透镜31位于质量分析器2下方，束流聚焦电透镜系统3的Y方向聚焦透镜32位于X方向聚焦透镜31下方，X方向聚焦透镜31完成束流在X方向上的压缩聚焦；Y方向聚焦透镜32完成束流在Y方向上的压缩聚焦，从而充分调整有效束流的形状；束流静电扫描系统4包括位于Y方向聚焦透镜32下方的Y方向扫描电场41、以及位于Y方向扫描电场41下方的X方向扫描电场42，载片台51配置有水平面内的二维联动机构52，二维联动机构52驱动载片台51和点注入掩膜板7完成注入定位。该种注片扫描方式，采用静点扫描和机械扫描相结合，保证了定位精度，使离子束能够全面、均匀地覆盖工件，使最终的注入均匀性及重复性达到设计要求，尤其有利于工件进行大剂量面掩膜注入时的均匀性和重复性。

进一步地，本实施例中，载片腔室5配置有用于载片台51和点注入掩膜板7视觉定位的工业相机(图中未示出)。通过高分辨率的工业相机对载片台51和点注入掩膜板7进行视觉定位拍照处理，有利于保证高定位精度和高重复性。具体操作时：束流传输通道有其坐标中心，工业相机本身有坐标中心，工件本身具有物理中心(即为工件圆形)，束流通道中心与工业相机坐标中心是设计定值，载片台51由二维联动机构52驱动在水平面内移动调整位置，工件随载片台51运动；工件要定点掩膜注入，先定位拟合工件物理中心与工业相机坐标中心，再相应运动载片台51和点注入掩膜板7，套准工件位置和点注入微孔8中心及束流通道中心。

进一步地，本实施例中，束流聚焦电透镜系统3为电磁透镜，各腔室采用独立的电磁铁系统生成电磁场，可便于调节和控制离子束流的聚焦状态。

更进一步地，本实施例中，二维联动机构52包括纵向平移直线电缸52和两件设于纵向平移直线电缸522的横向平移直线电缸521，载片台51设于其中一件横向平移直线电缸521上，点注入掩膜板7设于另一件横向平移直线电缸521上，结构简单、可靠，运动精度高。

更进一步地，本实施例中，点注入微孔8的孔径为20um至100um。相应地，注入剂量范围可达到10⁹atoms/cm²至10¹¹atoms/cm²。也即低剂量注入方面，相比传统的面掩膜注入可降低二个数量级。

进一步地，束流聚焦电透镜系统3和束流静电扫描系统4之间还设有法拉第部件9。可通过法拉第部件9准确地计量注入剂量。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种适用于微纳器件制造的离子注入机，包括依次相连的离子源(1)、质量分析器(2)、束流聚焦电透镜系统(3)、束流静电扫描系统(4)及载片腔室(5)，其特征在于：还包括用于调节束斑形状和束流大小的光阑组件(6)、以及用于点注入的点注入掩膜板(7)，所述光阑组件(6)包括设于离子源(1)和质量分析器(2)之间的可调光阑(61)、设于质量分析器(2)和束流聚焦电透镜系统(3)之间的限束光阑(62)以及设于束流静电扫描系统(4)和载片腔室(5)之间的终端注入光阑(63)，所述点注入掩膜板(7)位于载片腔室(5)内，所述终端注入光阑(63)和所述点注入掩膜板(7)上开设点注入微孔(8)，所述点注入微孔(8)的孔径为20um至100um，离子注入机的注入剂量范围可达到10⁹atoms/cm²至10¹¹atoms/cm²。

2.根据权利要求1所述的适用于微纳器件制造的离子注入机，其特征在于：所述离子源(1)和所述载片腔室(5)内的载片台(51)均水平布置，且离子源(1)位于载片腔室(5)侧上方，所述质量分析器(2)的偏转角度为90°，所述束流聚焦电透镜系统(3)为双单元静电四极透镜，束流聚焦电透镜系统(3)的X方向聚焦透镜(31)位于质量分析器(2)下方，束流聚焦电透镜系统(3)的Y方向聚焦透镜(32)位于所述X方向聚焦透镜(31)下方，所述束流静电扫描系统(4)包括位于所述Y方向聚焦透镜(32)下方的Y方向扫描电场(41)、以及位于Y方向扫描电场(41)下方的X方向扫描电场(42)，所述载片台(51)和所述点注入掩膜板(7)配置有水平面内的二维联动机构(52)，所述二维联动机构(52)驱动载片台(51)和点注入掩膜板(7)完成注入定位。

3.根据权利要求2所述的适用于微纳器件制造的离子注入机，其特征在于：所述载片腔室(5)配置有用于所述载片台(51)和所述点注入掩膜板(7)视觉定位的工业相机。

4.根据权利要求2所述的适用于微纳器件制造的离子注入机，其特征在于：所述束流聚焦电透镜系统(3)为电磁透镜，各腔室采用独立的电磁铁系统生成电磁场。

5.根据权利要求2所述的适用于微纳器件制造的离子注入机，其特征在于：所述二维联动机构(52)包括纵向平移直线电缸(522)和两件设于纵向平移直线电缸(522)的横向平移直线电缸(521)，所述载片台(51)设于其中一件横向平移直线电缸(521)上，点注入掩膜板(7)设于另一件横向平移直线电缸(521)上。

6.根据权利要求1或2或3所述的适用于微纳器件制造的离子注入机，其特征在于：所述离子源(1)为热阴极式离子源。

7.根据权利要求1或2或3所述的适用于微纳器件制造的离子注入机，其特征在于：所述束流聚焦电透镜系统(3)和所述束流静电扫描系统(4)之间还设有法拉第部件(9)。

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