CN111681938A - 一种高能氢离子注入的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高能氢离子注入的方法和装置，该装置包括：负氢离子源位于主加速器的左侧，通过橡胶圈密封连接到主加速器入口；负氢离子源出口与主加速器入口之间，设置有所述第一磁透镜；低温泵和分子泵分别位于主加速器的上、下盖板上；主加速器的电极包括中间电极和高压电极，中间电极和高压电极由高压电源通电形成电场，对离子进行加速；剥离膜位于高压电极上,实现负氢离子转化成质子，在所述主加速器出口与扫描偏转装置之间设置有第二磁透镜。该装置结构紧凑，利用同一组电极对离子进行两段加速，既减少了电极的数量又使整个加速器体积更小，制造成本更低。此外还能够精确的实现能量控制和连锁，获得稳定高能的离子。

Description

一种高能氢离子注入的装置和方法
技术领域
本发明属于质子治疗和半导体制造领域，具体而言，涉及一种串联加速器。此外，本发明还涉及一种具有该加速器的高能离子注入机，主要应用于IGBT等电力电子和集成电路半导体制造领域。
背景技术
当今社会，半导体元器件已深入到现代生活的方方面面。是诸如计算机、手机等大多数电子产品的核心部件，如处理器、存储器等都含有大量的半导体元器件。因此，半导体元器件已在现代信息化设备中扮演至关重要的角色。半导体制造过程中的一个重要工艺是离子注入。离子注入是指将来自离子源的离子进行聚焦、加速和偏转后照射到目标材料上，进而改变目标材料的化学或物理性质。在半导体制造中，通常例如采用离子注入对目标材料进行掺杂、如N型或P型掺杂。
现有的离子注入机很难达到较高能量要求，且束流品质较差，导致半导体元器件的良品率不高，已经很难满足日益提升的半导体高精度制造工艺要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高能氢离子注入的方法和装置，该装置中的串联加速器结构紧凑且能够精确的实现能量控制和连锁，获得稳定高能的离子；双磁透镜设计可以更好的实现离子的聚焦；扫描偏转装置可以实现精确控制的束流偏转角度；束测装置在设备调试阶段可以准确的检测出束流的强度和位置，为后续的注入机的使用提供依据。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高能氢离子注入的装置，包括：负氢离子源，第一磁透镜，主加速器，扫描偏转装置，束测装置，低温泵，中间电极前端，高压电极，剥离膜，分子泵，绝缘体，高压电源，中间电极后端，第二磁透镜；所述负氢离子源位于主加速器的左侧，通过橡胶圈密封连接到主加速器入口；负氢离子源出口与主加速器入口之间，设置有所述第一磁透镜；低温泵和分子泵分别位于主加速器的上、下盖板上；主加速器的电极包括中间电极和高压电极，所述中间电极包括中间电极前端和中间电极后端，高压电极位于主加速器最内层，距离主加速器中心的距离最近，中间电极和高压电极由高压电源通电形成电场，对离子进行加速；剥离膜位于高压电极上,实现负氢离子转化成质子，在所述主加速器出口与扫描偏转装置之间设置有第二磁透镜，在扫描偏转装置后方连接有束测装置。
进一步的，该装置中的主加速器内部只设计电极，不设置磁铁构造磁场环境，利用中间电极前端加速和中间电极后端加速，即利用同一组电极对离子进行两段加速；中间电极的数量为多个，形成间隔的多层结构，中间电极之间、中间电极与高压电极之间采用绝缘体绝缘。
进一步的，主加速器在第一阶段利用中间电极前端对负氢离子进行加速，然后利用高压电极和剥离膜将负氢离子转化为质子，接下来在第二阶段利用中间电极后端以相同的电压对质子进行加速，实现能量控制和连锁机制，获得稳定的高能质子束流。
进一步的，所述中间电极和高压电极由一个50Kw的分段整流器高压电源提供，稳定性在0.02％，最高能实现90kV/cm的电场，高压电源给电极提供高压为0-120KV；电极之间通过绝缘体实现绝缘；所述绝缘体为陶瓷环。
进一步的，该装置中的扫描偏转装置实现±0.2°的束流偏转角，进行角度控制能够实现0.5％均匀性控制。
进一步的，该装置中的负氢离子源装置放气量精度在0.01sccm以内。
进一步的，该装置中的束测装置在设备调试阶段检测出束流的强度和位置，为后续的使用提供依据。
进一步的，该装置中低温泵和分子泵组合使用用于使得主加速器内部达到×10- 5Pa的真空度，减小打火的可能性。
进一步的，若该装置中终端放置传送装置能够实现晶圆半导体的自动化生产；根据束流轨迹调整传送装置上晶圆的位置，从而使束流扫描区域贴合于晶圆。
根据本发明的另一方面，还提出一种利用前述装置进行高能氢离子注入的方法，包括如下步骤：
步骤1、负氢离子源通氢气电离出负氢离子束，然后在磁场中以预定的角度偏转并由一对第一磁透镜进行聚焦；
步骤2、负氢离子束进入主加速器后利用中间电极前端进行第一阶段的加速，达到一半的目标能量值，再经过高压电极和剥离膜将负氢离子转化为质子，然后利用中间电极后端以相同的电压进行第二阶段的加速,达到设定的目标能量值；中间电极和高压电极由一个50kw的分段整流器高压电源提供，最高可实现90kV/cm的电场，电极之间通过陶瓷环绝缘；
步骤3、高能离子束从主加速器出来后再经过一对第二磁透镜进行聚焦，通过扫描偏转装置调整所需要的束流偏转角度，最后利用束测装置检测束流的强度和位置，最终完成离子注入设备的调试。
本发明的有益效果：
本发明提供的注入机设备可以获得稳定的高能质子束流；其中双磁透镜设计可以提高离子聚焦的效果，扫描偏转装置和角度控制系统可以精确的控制和检测出束流的强度和位置。具体的：
本发明的主加速器结构设计紧凑，可以利用同一组电极对离子进行两段加速，即中间电极前端加速和中间电极后端加速，该设计既减少了电极的数量又使整个加速器体积更小，制造成本更低。
本发明的设备的双磁透镜设计，即第一磁透镜和第二磁透镜，在加速前利用第一磁透镜对带电离子进行聚焦，加速完成后再利用第二磁透镜对带电离子进行二次聚焦，由此达到最低的污染水平。
以半导体领域应用为例，所述设备中的终端放置传送装置可以实现晶圆半导体的自动化生产。利用双磁透镜对离子进行二次聚焦，减小束流损失，降低污染水平。根据束流轨迹调整传送装置上晶圆的位置，从而使束流扫描区域贴合于晶圆，大大减少了离子束流的浪费，提高了有效离子束流量。
附图说明
图1是本发明装置的结构图；
图2是本发明装置在半导体生产领域使用时的结构图；
图中标号：1-负氢离子源，2-第一磁透镜，3-主加速器，4-扫描偏转装置，5-束测装置，6-传送装置，7-低温泵，8-中间电极前端，9-高压电极，10-剥离膜，11-分子泵，12-绝缘体，13-高压电源；14-中间电极后端，15-第二磁透镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，提出一种高能氢离子注入的装置，该装置调试阶段的结构图如图1所示，包括负氢离子源1，第一磁透镜2，主加速器，扫描偏转装置4，束测装置5，低温泵7，中间电极前端8，高压电极9，剥离膜10，分子泵11，绝缘体12，高压电源13，中间电极后端14，第二磁透镜15。负氢离子源1位于主加速器3的左侧，通过橡胶圈密封；第一磁透镜2位于负氢离子源1出口与主加速器3入口之间，第二磁透镜15位于主加速器出口与扫描偏转装置之间；低温泵7和分子泵11分别位于主加速器3的上、下盖板上；主加速器3的电极分为中间电极(包括中间电极前端8和中间电极后端14)和高压电极9，最靠近加速器中心的电极为高压电极9，其余电极均为中间电极，中间电极的数量为多个，形成间隔的多层结构，中间电极之间、中间电极与高压电极之间采用绝缘体绝缘，中间电极和高压电极由高压电源通电形成电场；剥离膜位于高压电极上。中间电极实现离子束的加速，高压电极和剥离膜共同实现负氢离子到质子的转化。
首先负氢离子源1通氢气电离出负氢离子束，然后在磁场中以一定的角度偏转并由一对第一磁透镜2进行聚焦，离子束进入主加速器3后利用中间电极前端8进行第一阶段的加速，达到一半的目标能量值，再经过高压电极9和剥离膜10将负氢离子转化为质子，然后利用中间电极后端14以相同的电压进行第二阶段的加速,达到设定的目标能量值。其中：中间电极和高压电极9由一个50kw的分段整流器高压电源提供，稳定性在0.02％，最高可实现90kV/cm的电场，高压电源给电极提供高压为0-120KV；电极之间通过绝缘体12实现绝缘；主加速器内部高真空由分子泵11和低温泵7共同实现，最高可达1×10-5Pa；从主加速器出来后再经过一对第二磁透镜15进行聚焦，通过扫描偏转装置4调整所需要的束流偏转角度，最后利用束测装置5(如法拉第筒、荧光靶等)检测束流的强度和位置，最终完成离子注入设备的调试。
所述设备中的负氢离子源装置可以精确的控制放气量，提高气体利用率，增加等离子体的生成速度。
所述设备中的双磁透镜设计在离子加速的前后分别对离子进行聚焦，可以更好控制束流品质，达到最低的污染水平。
所述设备中的主加速器属于串联加速器，结构紧凑，设计采用同一组电极对离子进行两段加速，既减少了电极的数量又使整个加速器体积更小，制造成本更低；加速器在第一阶段利用电极前端对负氢离子进行加速，然后利用剥离膜将负氢离子转化为质子，接下来在第二阶段利用电极后端以相同的电压对质子进行加速，该装置能够准确的实现能量控制和连锁机制，获得稳定的高能质子束流。
所述设备中的扫描偏转装置和角度控制系统可以实现高精度的束流偏转以及均匀性控制可以实现±0.2°的高精度束流偏转角以及0.5％的均匀性控制。
所述设备中的束测装置在设备调试阶段可以准确的检测出束流的强度和位置，为后续的使用提供依据。
所述设备中的低温泵和分子泵组合使用可以让主加速器内部达到1×10-5Pa的高真空环境，减小打火的可能性。
根据本发明的另一个实施例，提出一种高能氢离子注入的装置，该装置使用阶段(如半导体生产)的结构如图2所示，包括负氢离子源1，第一磁透镜2，主加速器3，扫描偏转装置4，传送装置6，低温泵7，中间电极前端8，高压电极9，剥离膜10，分子泵11，绝缘体12，高压电源13,中间电极后端14,第二磁透镜15。
根据本发明的另一个实施例，提出一种高能氢离子注入的方法,该方法包括，首先负氢离子源1通氢气电离出负氢离子束，然后在磁场中以一定的角度偏转并由一对磁透镜进行聚焦，离子束进入主加速器3后利用中间电极前端8进行第一阶段的加速，达到一半的目标能量值，再经过高压电极9和剥离膜10将负氢离子转化为质子，然后利用中间电极后端14以相同的电压进行第二阶段的加速，达到设定的目标能量值。其中：中间电极和高压电极9由一个50kw的分段整流器高压电源提供，稳定性在0.02％，最高可实现90kV/cm的电场，电极之间通过绝缘体实现绝缘；主加速器3内部高真空由分子泵11和低温泵7共同实现，最高可达1×10-5Pa；从主加速器3出来后再经过一对第二磁透镜15进行聚焦，通过扫描偏转装置4调整所需要的束流偏转角度，让束流照射在传送装置上的半导体基材上，完成照射后传送装置6将其送走，接下来依次对其余基材进行照射，完成半导体元器件的自动化生产。
本发明的主加速器3结构设计紧凑，因为主加速器3内部只设计电极，无需设计磁铁构造磁场环境，且该加速器可以利用同一组电极对离子进行两段加速，即中间电极前端8加速和中间电极后端14加速，减少了电极的数量又使整个加速器体积更小，制造成本更低。
通过主加速器在第一阶段利用中间电极前端对负氢离子进行加速，然后高压电极和利用剥离膜将负氢离子转化为质子，接下来在第二阶段利用中间电极后端以相同的电压对质子进行加速，该装置能够准确的实现能量控制和连锁机制，获得稳定的高能质子束流。
以半导体领域应用为例，本发明的终端放置传送装置可以实现晶圆半导体的自动化生产。根据束流轨迹调整传送装置上晶圆的位置，从而使束流扫描区域贴合于晶圆，大大减少了离子束流的浪费，提高了有效离子束流量。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，包括：
负氢离子源，第一磁透镜，主加速器，扫描偏转装置，束测装置，低温泵，中间电极前端，高压电极，剥离膜，分子泵，绝缘体，高压电源，中间电极后端，第二磁透镜；所述负氢离子源位于主加速器的左侧，通过橡胶圈密封连接到主加速器入口；负氢离子源出口与主加速器入口之间，设置有所述第一磁透镜；低温泵和分子泵分别位于主加速器的上、下盖板上；主加速器的电极包括中间电极和高压电极，所述中间电极包括中间电极前端和中间电极后端，高压电极位于主加速器最内层，距离主加速器中心的距离最近，中间电极和高压电极由高压电源通电形成电场，对离子进行加速；剥离膜位于高压电极上，实现负氢离子转化成质子，在所述主加速器出口与扫描偏转装置之间设置有第二磁透镜，在扫描偏转装置后方连接有束测装置。
2.根据权利要求1所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，该装置中的主加速器内部只设计电极，不设置磁铁构造磁场环境，利用中间电极前端加速和中间电极后端加速，即利用同一组电极对离子进行两段加速；中间电极的数量为多个，形成间隔的多层结构，中间电极之间、中间电极与高压电极之间采用绝缘体绝缘。
3.根据权利要求2所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，主加速器在第一阶段利用中间电极前端对负氢离子进行加速，然后利用高压电极和剥离膜将负氢离子转化为质子，接下来在第二阶段利用中间电极后端以相同的电压对质子进行加速，实现能量控制和连锁机制，获得稳定的高能质子束流。
4.根据权利要求1所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，所述中间电极和高压电极由一个50Kw的分段整流器高压电源提供，稳定性在0.02％，最高能实现90kV/cm的电场，高压电源给电极提供高压为0-120KV；电极之间通过绝缘体实现绝缘；所述绝缘体为陶瓷环。
5.根据权利要求1所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，该装置中的扫描偏转装置实现±0.2°的束流偏转角，进行角度控制能够实现0.5％均匀性控制。
6.根据权利要求1所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，该装置中的负氢离子源装置放气量精度在0.01sccm以内。
7.根据权利要求1所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，该装置中的束测装置在设备调试阶段检测出束流的强度和位置，为后续的使用提供依据。
8.根据权利要求1所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，该装置中低温泵和分子泵组合使用用于使得主加速器内部达到×10-5Pa的真空度。
9.根据权利要求1所述的一种高能氢离子注入的装置，其特征在于，若该装置中终端放置传送装置能够实现晶圆半导体的自动化生产；根据束流轨迹调整传送装置上晶圆的位置，从而使束流扫描区域贴合于晶圆。
10.一种利用权利要求1的装置进行高能氢离子注入的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、负氢离子源通氢气电离出负氢离子束，然后在磁场中以预定的角度偏转并由一对第一磁透镜进行聚焦；
步骤2、负氢离子束进入主加速器后利用中间电极前端进行第一阶段的加速，达到一半的目标能量值，再经过高压电极和剥离膜将负氢离子转化为质子，然后利用中间电极后端以相同的电压进行第二阶段的加速,达到设定的目标能量值；中间电极和高压电极由一个50kw的分段整流器高压电源提供，最高可实现90kV/cm的电场，电极之间通过陶瓷环绝缘；
步骤3、高能离子束从主加速器出来后再经过一对第二磁透镜进行聚焦，通过扫描偏转装置调整所需要的束流偏转角度，最后利用束测装置检测束流的强度和位置，最终完成离子注入设备的调试。
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