CN116666179B - 分析磁铁结构及宽幅离子源 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种分析磁铁结构及宽幅离子源，该分析磁铁结构包括：设于离子束束流传输线上的第一永磁体、电磁铁以及第二永磁体；第一永磁体产生第一磁场，所述电磁铁产生电磁场，所述第二永磁体产生第二磁场；第一磁场对离子束产生垂直于参考平面的第一垂直偏转力，偏转后的离子束中射入到电磁场产生参考平面方向上的平面偏转力，偏转后的离子束中入射到第二磁场，产生垂直于参考平面的第二垂直偏转力，偏转后的离子束离开第二磁场进行输出。该技术方案，应用于离子注入机中对离子源输出的宽幅离子束在两种偏转力的作用下进行纯化，降低了宽幅离子源的分析磁铁结构复杂性，简化了离子束拓宽结构，降低对束流传输线的要求。

Description

分析磁铁结构及宽幅离子源
技术领域
本申请涉及离子源技术领域，尤其是涉及一种分析磁铁结构及宽幅离子源。
背景技术
通常在半导体晶圆制造过程中，需要进行掺杂过程改变纯净硅的电导率，目前比较有优势的方法是采用离子注入法，离子注入法则是通过离子注入机的加速和引导，将要掺杂的离子以离子束形式入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子发生一系列理化反应，入射离子逐渐损失能量，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，最后停留在材料中，实现对材料表面性能的优化或改变。
离子注入机前端有离子源，可以采用潘宁离子源或伯纳斯离子源等，将离子束加速之后，通过分析磁铁结构扩束的方式，将宽度有限的离子束拓宽成晶圆的尺寸，比如300mm的宽度，另一个维度通过晶圆的机械扫描，完成两个维度上离子束的均匀注入。
常规的离子注入机中，离子束束流传输线上的分析磁铁结构设计较为复杂，特别是对于初始较宽的离子束，影响了离子注入机工作稳定性。
发明内容
本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，提供一种分析磁铁结构及宽幅离子源，以降低宽幅离子源的分析磁铁结构复杂性。
一种分析磁铁结构，包括：设于离子束的束流传输线上的第一永磁体、电磁铁以及第二永磁体；
所述第一永磁体设于入口处，所述第二永磁体设于出口处，所述电磁铁设于第一永磁体和第二永磁体之间；
所述第一永磁体与第二永磁体成第一夹角设置，所述第一永磁体与第二永磁体的极性相反；
所述第一永磁体产生第一磁场，所述电磁铁产生电磁场，所述第二永磁体产生第二磁场；
所述离子束进入所述第一磁场，所述第一磁场对所述离子束产生垂直于参考平面的第一垂直偏转力，偏转后的离子束中射入到所述电磁场；
所述电磁场对离子束产生参考平面方向上的平面偏转力，偏转后的离子束中入射到第二磁场；
所述第二磁场对离子束产生垂直于参考平面的第二垂直偏转力，偏转后的离子束离开所述第二磁场进行输出；其中，所述第一垂直偏转力与第二垂直偏转力的方向相反。
在一个实施例中，所述第一永磁体包括平行设置的第一N极磁铁和第一S极磁铁；其中，所述第一N极磁铁和第一S极磁铁内形成第一磁场；
所述第二永磁体包括平行设置的第二N极磁铁和第二S极磁铁；其中，所述第二N极磁铁和第二S极磁铁内形成第二磁场；
其中，所述第一N极磁铁与第二S极磁铁在空间上形成磁回路；所述第二N极磁铁与第一S极磁铁在空间上形成磁回路。
在一个实施例中，所述的分析磁铁结构，还包括：设于所述第一永磁体与第二永磁体之间的第一铁轭；其中，所述第一铁轭设于所述中线上；
所述第一永磁体与第二永磁体在所述第一铁轭上形成磁回路。
在一个实施例中，所述电磁铁包括对称布局且极性方向相反的第一电磁铁和第二电磁铁；其中，所述第一电磁铁和第二电磁铁分别与所述中轴线之间形成第二夹角设置；
第一电磁铁与第二电磁铁在所述参考平面上沿第一永磁体与第二永磁体之间的中轴线对称布局；
所述第一电磁铁与第二电磁铁之间形成磁回路。
在一个实施例中，所述电磁铁还包括第二铁轭；其中，所述第一电磁铁和第二电磁铁通过所述第二铁轭形成磁回路。
在一个实施例中，所述第二铁轭的结构设计为U形形状；其中，所述第一电磁铁和第二电磁铁分别设于所述第二铁轭的端部；
所述第一电磁铁的第一螺线管和第二电磁铁的第二螺线管套设在第二铁轭上；
所述第一电磁铁和第二电磁铁通过所述第二铁轭在束流传输线上相对一侧形成磁回路。
在一个实施例中，所述第一永磁体和第一永磁体的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置。
在一个实施例中，所述第一铁轭的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置。
在一个实施例中，所述第二铁轭的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置，所述第一螺线管和第二螺线管的缠绕于所述第二铁轭的端部上。
在一个实施例中，所述第一夹角在参考平面上的取值范围为[10°，30°]。
在一个实施例中，所述第一永磁体以及第二永磁体的截面尺寸为113×20mm，磁极间距为60mm。
在一个实施例中，所述第二夹角在参考平面上的取值范围为[0°，90°]。
在一个实施例中，所述第一螺线管和第二螺线管加载电流等大反向。
一种宽幅离子源，包括：离子源及所述的分析磁铁结构；其中，所述离子源输出离子束并通过所述分析磁铁结构进行扩幅和纯化处理。
上述分析磁铁结构及宽幅离子源，通过第一永磁体，第一永磁体和第二永磁体形成的均匀磁场对离子束产生垂直于参考平面的第一垂直偏转力，通过电磁铁形成的电磁场对离子束产生参考平面方向上的平面偏转力，将偏转后的离子束中纯化之后输出；该技术方案，应用于离子注入机中对离子源输出的宽幅离子束在两种偏转力的作用下进行纯化，降低了宽幅离子源的分析磁铁结构复杂性，简化了离子束拓宽结构，降低对束流传输线的要求，特别适用于初始较宽的离子束的纯化处理。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是一个实施例的分析磁铁结构截面图；
图2是分析磁铁结构立体示意图；
图3是离子束流在垂直于参考平面方向上的受力示意图；
图4是磁场线方向示意图；
图5是分析磁铁结构的磁场分布示意图；
图6是分析磁铁结构的磁场区域示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请的技术方案，应用于离子注入机中，鉴于常规的二极磁铁为了得到高分辨率，在偏转方向垂直于束流宽度方向，即二极磁铁两个极面的间距会非常大，导致磁场空间利用率较低。本申请提供了宽幅离子源上纯化宽幅离子束的使用的分析磁铁结构，简化了束流传输线拓宽结构，降低了宽幅离子源的分析磁铁结构复杂性，可以对注入的任意宽度的离子束流进行偏转与纯化并用于溅射镀膜或离子注入过程。
参考图1至图6所示，图1是一个实施例的分析磁铁结构截面图，图1所示是沿参考平面上的截面图，为了便于描述，定义三维坐标系O-XYZ，YZ轴构成参考平面，X轴垂直于参考平面；对于X轴方向上的结构，如图2所示，图2是分析磁铁结构立体示意图，其在结构上为沿着X轴上延伸布局设计，图2中离子束从左侧进入从右侧输出。
本申请的分析磁铁结构可以包括：设于离子束束流传输线上的第一永磁体11、电磁铁20以及第二永磁体12。其中，第一永磁体11设于入口处，第二永磁体12设于出口处，电磁铁20设于第一永磁体11和第二永磁体12之间；第一永磁体11与第二永磁体12形成第一夹角∠a，第一永磁体产生第一磁场，电磁铁产生电磁场，第二永磁体产生第二磁场；第一永磁体11与第二永磁体12的极性相反；由此对通过的离子束产生相反方向的磁场力。
在工作中，如图1中，离子束从左侧进入并从右侧输出，离子束首先进入分析磁铁结构的第一永磁体11形成的第一磁场，第一磁场对离子束产生垂直于参考平面的X轴方向上第一垂直偏转力，在垂直方向上，如图3所示，图3是离子束流在垂直于参考平面方向上的受力示意图，可见离子束流在第一垂直偏转力F11下产生了X轴方向上的向上偏转；偏转后的离子束通过电磁铁20形成的电磁场，电磁场对离子束产生参考平面的Y轴和Z轴方向上的平面偏转力，图1中虚线箭头F2方向，使得离子束流形成不断偏转的转弯状态，根据不同的荷质比可以对离子束进行纯化，在偏转后的离子束中入射到第二永磁体12形成的第二磁场，第二磁场对离子束产生垂直于参考平面的第二垂直偏转力F12，由于第一垂直偏转力F11与第二垂直偏转力F12的方向相反，离子束流在第二垂直偏转力F12下产生了X轴方向上的向下偏移；使得离子束恢复改平状态并离开第二磁场进行输出，实现离子束的纯化和拓宽目的。
本实施例的分析磁铁结构，通过第一永磁体11、电磁铁20以及第二永磁体12，第一永磁体11和第二永磁体12产生的磁场可以使得宽幅离子束受到垂直于参考平面上的偏转力，电磁铁20产生的磁场可以使得宽幅离子束受到位于参考平面内的偏转力；宽幅离子束在两种偏转力的作用下，根据不同离子束荷质比的不同，完成所需离子束流的纯化，该分析磁铁结构应用于离子注入机中，可以简化离子束拓宽结构，降低对束流传输线的要求，特别适用于初始较宽的离子束的纯化处理。
在一个实施例中，如图1所示，分析磁铁结构的第一永磁体11可以包括平行设置的第一N极磁铁111和第一S极磁铁112；其中，第一N极磁铁111和第一S极磁铁112内形成第一磁场；类似的，第二永磁体12包括平行设置的第二N极磁铁121和第二S极磁铁122；其中，第二N极磁铁121和第二S极磁铁122内形成第二磁场。在形成磁场上，如图4所示，图4是磁场线方向示意图；第一N极磁铁111与第二S极磁铁122在空间上形成磁回路；第二N极磁铁121与第一S极磁铁112在空间上形成磁回路，由于采用磁铁平行设置布局方式，第一磁场和第二磁场为均匀磁场。
在一个实施例中，如图5所示，图5是分析磁铁结构的磁场分布示意图；为了优化第一永磁体11与第二永磁体12所形成的磁场分布，分析磁铁结构还包括设于第一永磁体11与第二永磁体12之间的第一铁轭13；第一铁轭13设于中线上，第一永磁体11与第二永磁体12在第一铁轭13上形成磁回路。
如上述实施例的方案中，第一铁轭13放置在第一永磁体11与第二永磁体12之间，可以减少两个永磁体之间的杂散磁场，优化磁场分布规律，提升永磁体的效果。
在一个实施例中，对于分析磁铁结构的电磁铁20，如图1至图5所示，其可以包括对称布局且极性方向相反的第一电磁铁21和第二电磁铁22；其中，第一电磁铁21和第二电磁铁22分别与中轴线之间形成第二夹角设置；第一电磁铁21与第二电磁铁22在参考平面上沿第一永磁体11与第二永磁体12之间的中轴线对称布局；第一电磁铁21与第二电磁铁22之间形成磁回路。优选的，电磁铁20还可以包括第二铁轭23；其中第一电磁铁21和第二电磁铁22通过第二铁轭23形成磁回路。优选的，第二铁轭23的结构设计为U形形状；其中，第一电磁铁21和第二电磁铁22分别设于第二铁轭23的端部；第一电磁铁21的第一螺线管201和第二电磁铁22的第二螺线管202套设在第二铁轭23上；第一电磁铁21和第二电磁铁22通过第二铁轭23在束流传输线上相对一侧形成磁回路，如图所示，该U形形状底部较宽，端部较小。
如上述实施例的电磁铁20，其通过对称布局的第一电磁铁21与第二电磁铁22，可以在参考平面上形成中轴线两侧分布的磁场，从而对离子束产生垂直于离子束运动轨迹方向的磁场力，使得离子束向里偏转，通过第二铁轭23能够之间形成第一电磁铁21与第二电磁铁22之间的磁回路，优化磁场分布，提升磁场效果。
进一步的，对于本申请提供的分析磁铁结构，如图2所示，其在结构上为长条形状，对应的，第一永磁体11和第一永磁体11的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置；第一铁轭13的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置；第二铁轭23的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置；第一螺线管201和第二螺线管202的缠绕于第二铁轭23的端部上。
如上述实施例的分析磁铁结构，分析磁铁结构在宽幅束流垂直于参考平面方向上可以延伸，由此分析磁铁结构产生的磁场可以覆盖宽幅束流所在的范围；在对离子束流进行纯化过程中，第一永磁体11和第二永磁体12产生的磁场可以使得宽幅离子束受到垂直于参考平面上的偏转力，电磁铁20产生的磁场可以使得宽幅离子束受到位于参考平面内的偏转力，由此可以形成如图2和图3所示的S型的偏转轨迹，通过对第一永磁体11、第二永磁体12以及电磁铁20的结构参数组合设计，可以得到所需指标的离子束流。
为了更加清晰本申请的分析磁铁结构，下面结合具体示例及附图对其进行举例描述。
继续参考图1至图5所示，以离子源输出20keV的Ar+离子束的纯化为例，假设离子束的宽度为300mm；根据离子束流的宽度可以选择第一永磁体11、第二永磁体12以及电磁铁20的需要的长度，可以设计长度为350mm，即略大于束流宽度，以保证磁场的好场区范围覆盖束流。
对应的，分析磁铁结构中的第一永磁体11与第二永磁体12之间的第一夹角∠a在参考平面上的取值范围为[10°，30°]；第一永磁体11采用平行设置的第一N极磁铁111和第一S极磁铁112，其截面尺寸优选的取值为113×20mm，磁极间距l1优选的取值为60mm；相同的，以及第二永磁体12第二永磁体12采用平行设置的第二N极磁铁121和二S极磁铁，其截面尺寸优选的取值为113×20mm，磁极间距l2优选的取值为60mm。第二夹角∠b在参考平面上的取值范围为[0°，90°]，第一螺线管201和第二螺线管202加载电流等大反向，即I1＝－I2。
宽幅离子束从第一永磁体11处入射；入射的离子束窄边在参考平面内，沿着平行于第一永磁体11的第一N极磁铁111和第一S极磁铁112两个极板面的中轴线方向入射，受到垂直于参考平面的X轴方向偏转力，在电磁铁20的磁场范围内受到参考平面内的偏转力，最后达到第二永磁体12处，再次受到垂直于参考平面的X轴方向偏转力进入改平状态，整个过程中离子束流形成S型轨迹。
在分析磁铁结构中，离子束中的杂质离子，如O+离子，在离子源出口处的能量与Ar+离子相同，但质量数低于Ar+离子，在同样磁场下偏转半径会更小，将在分析磁铁中分离从而被去除。
针对于不同的离子束流以及纯化和宽幅需求，在设计分析磁铁结构时，需要匹配合适的磁场及调整方案。如图6所示，图6是分析磁铁结构的磁场区域示意图，具体来说，根据不同入射离子束流的种类、能量，适当调节电磁铁20产生的磁场大小，可以使得不同目标离子束穿过分析磁铁结构达到离子束纯化目标的同时，提高分析磁铁结构使用的离子束种类范围。
将离子在分析磁铁结构空间中运动的轨迹用跟随坐标系来表示，将离子前进方向定义为z，将垂直于离子前进方向定义为y，将垂直于yz方向定义为x；在参考平面上将第一永磁体11、电磁铁20以及第二永磁体12的磁场分隔成3个区域，离子在区域1内运动的轨迹s1上沿着y方向的磁场为B1，则离子的偏转角θ∝∫B1ds1，同理有离子在区域3内满足θ∝∫B3ds3，离子在区域2内运动的轨迹s2上沿着z方向的磁场为B2，则离子在区域2内满足β∝∫B2ds2。
从以上分析可以知道区域1和区域3完成俯视图中的S型偏转，区域2完成参考平面上的偏转，区域1和区域3的磁场可以由一对永磁体产生，需满足∫B1ds1＝∫B3ds3，区域2由电磁铁20产生，电磁铁20在区域2中产生的磁场可由积分环路定理估算；
其中NI为线圈的安匝数，p1路径包含空气和铁轭区域，在空气中的部分，B沿着p1方向几乎为0，在第二铁轭中μr远大于μ0，上式可以表示为：
若电磁铁20远离离子偏转区域2，则B减小，所需的NI更大，才能将离子偏转同样的角度β。根据设计需求改变第二铁轭23的形状，根据第二铁轭23结构的几何关系，第二铁轭23与对称轴的夹角为α，形成的高度为h，第二铁轭23的两端部的间距为w，则有
当w不变而减小α时，h增大，此时磁场沿着z方向的分量减小，对离子偏转同样的角度β所需的电流更大，α取值范围为0≤α≤90°，均能产生具有z方向分量的磁场，实现离子的偏转。
如上述示例描述，相对于常规的二极磁铁结构，本申请的分析磁铁结构理论上可以偏转任意宽度的束流，且磁铁两个极面间距较小，磁场空间利用率高。
下面阐述宽幅离子源的实施例。
本申请提供的宽幅离子源，其在结构上包括：离子源及上述任意实施例分析磁铁结构；其中离子源输出离子束并通过分析磁铁结构进行扩幅和纯化处理。
如上述实施例的宽幅离子源，通过采用上述实施例的分析磁铁结构，应用于离子注入机中对离子源输出的宽幅离子束在两种偏转力的作用下进行纯化，降低了宽幅离子源的分析磁铁结构复杂性，简化了离子束拓宽结构，降低对束流传输线的要求，特别适用于初始较宽的离子束的纯化处理。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种分析磁铁结构，其特征在于，包括：设于离子束的束流传输线上的第一永磁体、电磁铁以及第二永磁体；其中，所述第一永磁体和第一永磁体的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置；所述参考平面为离子束入射方向上的平面；
所述第一永磁体设于入口处，所述第二永磁体设于出口处，所述电磁铁设于第一永磁体和第二永磁体之间；
所述第一永磁体与第二永磁体成第一夹角设置，所述第一永磁体与第二永磁体的极性相反；其中，所述第一夹角为第一永磁体磁场中心线与第二永磁体磁场中心线之间的夹角；
所述第一永磁体产生第一磁场，所述电磁铁产生电磁场，所述第二永磁体产生第二磁场；
所述离子束进入所述第一磁场，所述第一磁场对所述离子束产生垂直于参考平面的第一垂直偏转力，偏转后的离子束中射入到所述电磁场；
所述电磁场对离子束产生平行于参考平面方向上的平面偏转力，偏转后的离子束中入射到第二磁场；
所述第二磁场对离子束产生垂直于参考平面的第二垂直偏转力，偏转后的离子束离开所述第二磁场进行输出；其中，所述第一垂直偏转力与第二垂直偏转力的方向相反；
所述电磁铁包括对称布局且极性方向相反的第一电磁铁和第二电磁铁；其中，所述第一电磁铁和第二电磁铁分别与中轴线之间形成第二夹角设置；第一电磁铁与第二电磁铁在所述参考平面上沿第一永磁体与第二永磁体之间的中轴线对称布局；所述第一电磁铁与第二电磁铁之间形成磁回路；其中，所述第二夹角为第一电磁铁和第二电磁铁在参考平面上的磁场轴向与中轴线之间的夹角。
2.根据权利要求1所述的分析磁铁结构，其特征在于，所述第一永磁体包括平行设置的第一N极磁铁和第一S极磁铁；其中，所述第一N极磁铁和第一S极磁铁内形成第一磁场；
所述第二永磁体包括平行设置的第二N极磁铁和第二S极磁铁；其中，所述第二N极磁铁和第二S极磁铁内形成第二磁场；
其中，所述第一N极磁铁与第二S极磁铁在空间上形成磁回路；所述第二N极磁铁与第一S极磁铁在空间上形成磁回路。
3.根据权利要求1所述的分析磁铁结构，其特征在于，还包括：设于所述第一永磁体与第二永磁体之间的第一铁轭；其中，所述第一铁轭设于所述中轴线上；
所述第一永磁体与第二永磁体在所述第一铁轭上形成磁回路。
4.根据权利要求3所述的分析磁铁结构，其特征在于，所述电磁铁还包括第二铁轭；其中，所述第一电磁铁和第二电磁铁通过所述第二铁轭形成磁回路。
5.根据权利要求4所述的分析磁铁结构，其特征在于，所述第二铁轭的结构设计为U形形状；其中，所述第一电磁铁和第二电磁铁分别设于所述第二铁轭的端部；
所述第一电磁铁的第一螺线管和第二电磁铁的第二螺线管套设在第二铁轭上；
所述第一电磁铁和第二电磁铁通过所述第二铁轭在束流传输线上相对一侧形成磁回路。
6.根据权利要求5所述的分析磁铁结构，其特征在于，所述第一铁轭的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置；
所述第二铁轭的结构沿垂直于参考平面方向延伸设置，所述第一螺线管和第二螺线管的缠绕于所述第二铁轭的端部上。
7.根据权利要求6所述的分析磁铁结构，其特征在于，所述第一夹角在参考平面上的取值范围为[10°，30°]。
8.根据权利要求6所述的分析磁铁结构，其特征在于，所述第二夹角在参考平面上的取值范围为[0°，90°]，所述第一螺线管和第二螺线管加载电流等大反向。
9.一种宽幅离子源，其特征在于，包括：离子源及权利要求1-8任一项所述的分析磁铁结构；其中，所述离子源输出离子束并通过所述分析磁铁结构进行扩幅和纯化处理。
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