CN117080038A - 离子束分析磁铁结构及离子注入设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种离子束分析磁铁结构及离子注入设备，所述装置包括：铁轭结构，内置于铁轭结构内部的二极场组件和多极场组件，沿着离子束流传输路径分布设置的真空盒；二极场组件和多极场组件封闭在铁轭结构内部，铁轭结构用于导磁；二极场组件分布在真空盒两侧，多极场组件分布在真空盒周围；多极场组件产生的多极磁场与二极场组件产生的二极磁场在离子束流传输路径上形成混合磁场；离子束流在真空盒中进行传输，离子束流在混合磁场的作用下偏转及在窄方向上进行聚焦，输出净化的离子束流。该技术方案，在传输相同宽度离子束的情况下，分析磁铁的纵向利用率高，可以减小分析磁铁的整体体积和质量，降低分析磁铁的造价和运行成本。
Description
技术领域
本申请涉及离子源技术领域，尤其是涉及一种离子束分析磁铁结构及离子注入设备。
背景技术
在电子工业中，离子注入是微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，离子注入设备前端有离子源，通常采用潘宁离子源或伯纳斯离子源，将离子束加速之后，通过一维扩束的方式，将宽度有限的离子束扩展成晶圆的尺寸，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。
目前，达到300mm的宽度的离子注入设备，如美国Axcelis公司的NV8200型号离子注入设备，采用静电扫描透镜将圆形离子束流在一个维度上拓宽成300mm宽度。美国瓦里安公司的vstaHCP型号的注入机采用伯纳斯离子源，产生的初始束流宽度约十几mm，通过束流传输线完成束流的拓宽及均匀化。日本日新公司的iG6型号的注入机，采用特殊离子源结构，可以引出146cm宽度的束流，通过特殊的分析磁铁后将束流注入衬底中。
离子注入设备对束流传输线的要求较高，对于初始较宽的离子束，需要设计有效的分析磁铁，分析磁铁是利用不同同位素的离子电荷相同但质量不同，同位素在磁场方向偏移角度不同而进行分离，其整体结构相是一个扇形的质谱仪，对于离子注入设备的带状束流或成宽幅束流，需要一种能传输、分离更宽流强的离子束分析磁铁结构；对于宽幅束线的分析磁铁，可以参考美国专利(公开号：US2013/0256552A1)，其技术方案利用两组倾斜的线圈产生一个用于偏转的二极场，用另一组细线圈对二极场进行修补，为了聚焦束流，采用两组前后排的布四极场线圈，该技术方案的特点是匹配面发射的离子束(10cm*146cm)，到达靶面的束流也是相似的尺寸(10cm*146cm)，但是这种技术方案质量分辨率不高。而对于高质量分辨率的磁铁结构，如文章《Simulation of beam extraction and space chargeeffect in an electromagnetic isotope separator》中公开的技术方案，其磁场是极面主导型，通过优化极面和垫补，实现消像差的功能，从而达到高质量分辨率，该技术方案的特点是只能传输束流宽度不多，约100mm的束流却用300mm的气隙，磁极的高度接近1m，其理想离子弯曲仅半径1m，整体设备体积和质量过于庞大。
由此可见，在公开的离子束分析磁铁结构中，难以在整体设备较低体积和质量情况下，实现传输更宽离子束流和高质量分辨率。
发明内容
本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，提供一种离子束分析磁铁结构及离子注入设备，实现传输更宽束流和高质量分辨率。
一种离子束分析磁铁结构，包括：铁轭结构，内置于铁轭结构内部的二极场组件和多极场组件，沿着离子束流传输路径分布设置的真空盒；
所述铁轭结构为扇形设计，所述二极场组件和多极场组件封闭在铁轭结构内部，所述铁轭结构用于导磁；
所述二极场组件分布在真空盒两侧，所述多极场组件分布在真空盒周围；
所述多极场组件产生的多极磁场与二极场组件产生的二极磁场在离子束流传输路径上形成混合磁场；
所述离子束流在真空盒中进行传输，所述离子束流在所述混合磁场的作用下偏转及在窄方向上进行聚焦，输出净化的离子束流。
在一个实施例中，所述多极场组件为四极场组件，所述四极场组件产生的四极磁场与所述二极磁场在离子束流传输路径上形成混合磁场。
在一个实施例中，所述四极场组件包括：分布在所述真空盒周围且沿圆形分布的载流导体壳，所述载流导体壳截面上的电流密度分布符合朗伯定律J＝J0 cos(mθ)规律。
在一个实施例中，所述四极场组件包括：分布在所述真空盒周围且沿特定位置分布的多个超导线圈；其中，所述超导线圈为位置可调设计，且电流大小可控。
在一个实施例中，所述二极场组件包括设于真空盒两侧的二极场线圈；其中，所述二极场线圈包括第一二极场线圈和第二二极场线圈，所述第一二极场线圈和第二二极场线圈分别包括上下对称分布的多段二极场子线圈。
在一个实施例中，所述铁轭结构在所述第一二极场线圈与第二二极场线圈的中心线位置处还设有二极场极头；其中，所述二极场极头通过改变形状以调节磁场大小。
在一个实施例中，所述铁轭结构为八边形设计；
所述各个超导线圈分布在二极场线圈与二极场组件之间的空间中，与所述二极场线圈形成空间隔离。
一种离子注入设备，包括：离子源、预聚焦磁铁、屏蔽铁、分析磁铁、矫正磁铁、卡束器以及加速管；
其中，所述分析磁铁采用所述的离子束分析磁铁结构；其中，所述离子源输出宽幅离子束，所述分析磁铁对所述宽幅离子束进行纯化和窄方向进行聚焦处理。
在一个实施例中，所述卡束器与加速管之间还设有束流均匀准直器。
在一个实施例中，所述预聚焦磁铁包括至少一个四极场磁铁，用于对离子束流的参数进行调整以适应后端传输要求。
在一个实施例中，所述矫正磁铁包括至少一个六极场磁铁，用于对离子束流的参数进行调整以匹配卡束器的参数要求；所述六极场磁铁产生的六极磁场的高度在束流宽方向大于窄方向。
在一个实施例中，所述四极场磁铁的极头采用小折线逼近双曲线的极面。
在一个实施例中，所述六极场磁铁的极头采用小折线逼近六极磁场的理想极面。
上述离子束分析磁铁结构及离子注入设备，在分析磁场中，设置了铁轭结构将二极场组件产生的二极磁场封闭在内部并对磁场进行加强，利用在铁轭结构内部设置的多极场组件与二极场组件共同产生混合磁场，在对离子束流进行偏转同时对离子束流的窄方向上进行聚焦以调整质量分辨率；该技术方案，在传输更宽束流情况下，通过调节多极磁场和二极磁场可以实现较高的质量分辨率，相对于常规的分析磁铁，在传输相同宽度离子束的情况下，分析磁铁的纵向利用率高，可以减小分析磁铁的整体体积和质量，降低分析磁铁的造价和运行成本。
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是一个示例的离子束分析磁铁结构截面视图；
图2是二极磁场示意图；
图3是一个示例的二极场组件线圈结构示意图；
图4是理想四极磁场示意图；
图5是一个示例的四极场组件布局示意图；
图6是一个示例的DCT线圈分布的空间立体图；
图7是二极场线圈与DCT线圈组合示意图；
图8是一个示例的离子注入设备的结构示意图；
图9是一个示例的离子注入设备部分器件的截面视图；
图10是一个示例的离子注入设备部分器件的立体图；
图11是一个示例的四极场磁铁结构示意图；
图12是一个示例的六极场磁铁结构示意图；
图13是离子束流的包络示意图。
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，应用于离子注入设备中，针对于离子注入设备中将离子束拓宽的技术方案较复杂，对束流传输线的要求较高，对于初始较宽的离子束，需要设计有效的分析磁铁的情况。设计了一种高质量分辨率，又能传输更宽束流，且体积和质量相对较低的离子束分析磁铁结构，该装置在体积和质量可控情况下，实现了大于300mm宽幅束流的传输，并实现了约50的较高质量分辨率。
参考图1，图1是一个示例的离子束分析磁铁结构截面视图，为了便于描述，定义三维坐标系O-xyz，图中是沿离子束流入射方向，本实施例中，多极场组件可以包括四极场组件14、六极场组件等；以下实施例中将以四极场组件14为例展开阐述。如图中，离子束分析磁铁结构100整体结构为扇形设计，铁轭结构11也为扇形设计，二极场组件12和多极场组件内置于铁轭结构11内部，沿着离子束流传输路径分布设置的真空盒13；二极场组件12和多极场组件封闭在铁轭结构11内部，铁轭结构11的作用还有就是用于导磁；如图示，二极场组件12分布在真空盒13两侧，多极场组件沿着离子束流传输方向分布在真空盒13周围，多极场组件产生的多极磁场，二极场组件12产生的二极磁场；多极磁场和二极磁场共同在离子束流传输路径上形成混合磁场，作用与离子束流；本实施例中，多极场组件为四极场组件14，四极场组件14产生的四极磁场与二极磁场在离子束流传输路径上形成混合磁场。二极磁场通过铁轭结构11形成磁力线回路，二极磁场是离子束分析磁铁结构主要的磁场。
在工作中，由离子源输入的离子束流在真空盒13中进行传输，离子束流在真空盒13中进行传输，在二极磁场的作用下偏转，不同核质比的离子在相同磁场下的弯曲半径不同，从而把杂质离子分开得到纯净的离子；同时离子束流在混合磁场的作用下偏转及在窄方向上进行聚焦，以调整离子束流的质量分辨率，最终输出净化的离子束流。
在一个实施例中，对于二极场组件12，参考图2，图2是二极磁场示意图，其在结构上包括设于真空盒13两侧的两组二极场线圈，即第一二极场线圈120a和第二二极场线圈120b，图中的所示的铁轭结构11为八边形设计，实际应用中，可以根据需求来设计具体形状；如图中虚线箭头所述，第一二极场线圈120a和第二二极场线圈120b产生的磁力线通过铁轭结构11进行导磁，图中表示线圈电流方向垂直纸面向里，“⊙”表示表示线圈电流方向垂直纸面向外；由此可以将二极磁场封闭在铁轭结构11内部，对磁场进行加强，提高磁场效率；进一步的，如图中铁轭结构11还设有二极场极头111，铁轭结构11在第一二极场线圈120a与第二二极场线圈120b的中心线位置处设有二极场极头，通过改变二极场极头111的形状可以调节磁场大小，从而产生更适合离子束流传输的磁场。
如上述实施例的技术方案，如图中磁场方向，可以产生较为均匀的二极磁场，通过二极场极头111的调整可以进一步优化磁场。进一步的，在离子束分析磁铁结构的两端还可以设置分析铁侧板，其具有支撑和导磁的作用；对于离子束分析磁铁结构的扇形结构，其对应为二极场组件12的偏转角度，通常情况下可以设置在70°左右；优选的，如需提高分辨率，可以增加偏转角度及内部结构布局位置来实现。
在一个实施例中，为了提升二极场组件12的磁场调整能力，从而可以根据使用需求来调整局部磁场；本实施例还可以对二极场组件12的第一二极场线圈120a和第二二极场线圈120b进行分层设计。
如图3所示，图3是一个示例的二极场组件线圈结构示意图，如图示，第一二极场线圈120a和第二二极场线圈120b分别包括上下对称分布的多段二极场子线圈。在具体实施中，二极场线圈可以分成多层结构的二极场子线圈组成，如图中显示的是三层二极场子线圈的上下对称结构，二极场线圈可以分为中部的一段二极场线圈部分①，上部的一段二极场线圈部分②以及最外部的一段二极场线圈部分③，其他部分类似原理，各个图中虚线箭头表示线圈电流的方向，可以调整二极场线圈的长度、厚度等参数，以此获得更有益于离子束流运动的磁场。
在本实施例中，各个二极场子线圈以活动式结构设计，各个二极场子线圈通过位置移动以调整在离子束流传输路径上产生的局部磁场，实际应用中，可以根据需求调整局部的二极场子线圈，利用驱动电机进行驱动，从而形成更好的束流效果。
如上述实施例的技术方案，通过多层对称设计的方案，使得产生的二极磁场具有灵活调整磁场的能力，各层的位置可以移动从而调整局部磁场，多段分别控制更加灵活，可以使得磁场性能更加稳定。
在一个实施例中，对于四极场组件14，其可以根据需求来设计相应结构，如图1中，四极场组件14可以包括分布在所述真空盒13周围且沿圆形分布的载流导体壳，载流导体壳截面上的电流密度分布符合朗伯定律J＝J0cos(mθ)规律。
对于一定半径为的载流导体壳(壳厚度接近于0)，假设其截面上的电流密度分布符合J＝J0cos(mθ)规律，则载流导体壳内会激励一个理想的正2m极磁场，此类线圈统为cos(θ)线圈；对应地，当电流分布服从J＝J0sin(mθ)时，在载流导体壳内产生一个理想的斜2m极磁场。容易看出，m＝1时，载流导体壳内产生理想二极磁场；m＝2时，产生理想四极磁场；m＝3时，则对应六极磁场。
参考图4，图4是理想四极磁场示意图，图中展示了cos(2θ)的电流分布产生理想的四极磁场。基于上述原理，本申请采用多个超导线圈来接近产生上述四极磁场，利用离散的超导线圈排布类似于cos(mθ)分布的电流分布，据此，四极场组件14包括分布在真空盒13周围且沿特定位置分布的多个超导线圈；其中超导线圈为位置可调设计，且电流大小可控；具体的，可以采用多个DCT(Discrete-Cosine-Theta，离散导体位置型)线圈来实现。
如图5所示，图5是一个示例的四极场组件布局示意图，图中是沿离子束流入射方向示意图，图中所示的DCT线圈141为16个，虚线表示磁力线的方向，图中表示线圈电流方向垂直纸面向里，“⊙”表示表示线圈电流方向垂直纸面向外；根据毕奥－萨伐尔定律(Biot-Savart law)可以得到图5中的磁场方向。
如图6所示，图6是一个示例的DCT线圈分布的空间立体图；如图中，各个DCT线圈141的排布方式，在实际中，DCT线圈141的数目可以变化，且排布情况不一定严格安照cos(2θ)的方式排布，可以调整DCT线圈141的位置和电流大小以产生更优质的磁场。在本申请中，由于DCT线圈141是有弧度的，据此，DCT线圈141并非严格按照cos(2θ)的方式排布，如图5和图6中，优选的，DCT线圈141按照六边形排布，且DCT线圈141依据弧度变化对各个位置进行调整，以此减少产生多余的多极量，从提升四极磁场的质量。
进一步的，如图7所示，图7是二极场线圈与DCT线圈组合示意图；各个DCT线圈141分布在二极场线圈与二极场组件12之间的空间中，与二极场线圈形成空间隔离，两者位置并不发生干涉，从而可以形成质量更高的混合磁场；另外，对于不同数量的DCT线圈141的排布情况，则可以进一步更加需要进行位置灵活变化以优化磁场。
综上各实施例的方案，在传输更宽束流情况下，通过调节四极磁场和二极磁场可以在更大角度情况下实现较高的质量分辨率，相对于常规的分析磁铁结构技术方案，在传输相同宽度离子束的情况下，使得分析磁铁的纵向利用率高，可以减小分析磁铁的整体体积和质量，降低分析磁铁的造价和运行成本。
下面阐述离子注入设备的实施例。
参考图8所示，图8是一个示例的离子注入设备的结构示意图，其可以包括：依次布局的离子源01、预聚焦磁铁02、屏蔽铁03、分析磁铁04、矫正磁铁05、卡束器06以及加速管08；其中分析磁铁04采用本申请任一实施例的离子束分析磁铁结构100；其中离子源01输出宽幅离子束，所述分析磁铁04对所述宽幅离子束进行纯化和窄方向进行聚焦处理。进一步的，预聚焦磁铁02可以采用四极磁铁；在卡束器06与加速管08之间还包括束流均匀准直器07。
如图8中，在加速管08之后为晶片腔09，离子束流平行入射到晶片上。在上述离子注入设备中，离子源01产生宽幅离子束的装置，其可以采用伯纳斯源等；预聚焦磁铁02产生的预聚焦四极场将离子束流在宽度方向进行聚焦，使离子束在宽度方向以汇聚的角度进入分析磁铁04，屏蔽铁03对分析磁铁04产生的磁场进行屏蔽，避免影响预聚焦四极场。分析磁铁04对离子束进行偏转分离杂质并在束流在窄方向进行聚焦，并且要求束流的像差尽量小，从而达到更高的质量分辨率；矫正磁铁05用于矫正束流经过磁铁后的弯曲畸变；卡束器06拦截掉不需要的离子，避免污染晶片；束流均匀准直器07使束流在晶片上注入的密度要相对均匀并控制离子到达晶片的角度尽量相同。加速管08的作用是改变离子的能量，晶片是要被注入离子的工件，如半导体的硅片，太阳能电池板，显示面板等；晶片腔09是存放晶片的一个腔体，里面有使晶片运动的机械扫描装置，有提供高真空环境的分子泵，有测量束流大小的法拉第杯等。晶片采用机械扫描的方式，束流的位置固定，晶片通过机械装置的匀速的运动，全部面积都经过束流的扫描而注入离子，束流的宽度会略宽于晶片的一边尺寸来保证均匀。
参考图9和图10，图9是一个示例的离子注入设备部分器件的截面视图；图10是一个示例的离子注入设备部分器件的立体图；如图中所示，预聚焦磁铁02包括至少一个四极场磁铁15，当然，实际应用中，也可以采用六极场磁铁，或者是四极场磁铁与六极场磁铁的组合，用于对离子束流的参数进行调整以适应后端传输要求；矫正磁铁05可以包括至少一个六极场磁铁16，也可以采用四极场磁铁，或者是四极场磁铁与六极场磁铁的组合，用于对离子束流的参数进行调整以匹配卡束器的参数要求，六极场磁铁16产生的六极磁场的高度在束流宽方向大于窄方向。
对于四极场磁铁15，可以参考图11，图11是一个示例的四极场磁铁结构示意图，四极场磁铁15的极头151采用小折线逼近双曲线的极面；对于六极场磁铁16，可以参考图12，图12是一个示例的六极场磁铁结构示意图，六极场磁铁16的极头161采用小折线逼近六极磁场的理想极面(r3sin(3θ)＝±a3)。
如上述实施例的技术方案中，通过四极场磁铁15与六极场磁铁16的作用下，使得离子束流进入分析磁铁后和进入卡束器之前具有更加优异的参数，更加适合后端的传输。
如图13中，图13是离子束流的包络示意图，离子束流在宽方向上的包络，束流在离子源01后，在宽方向上发散的较小，然后预聚焦磁铁02对离子束流进行聚焦，经过屏蔽铁03(如果有)，进入到分析磁铁04中，离子束流在窄方向聚焦的同时在宽方向会散焦，然后通过矫正磁铁05进行矫正，卡束器06拦截杂质离子，经过束流均匀准直器07后会平行，最后由加速管08入射到晶片腔09的晶片上。
如上述实施例的离子注入设备，在传输相同宽度离子束的情况下，分析磁铁的纵向利用率高，可以减小分析磁铁的整体体积和质量，降低分析磁铁的造价和运行成本。
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 (10)
1.一种离子束分析磁铁结构，其特征在于，包括：铁轭结构，内置于铁轭结构内部的二极场组件和多极场组件，沿着离子束流传输路径分布设置的真空盒；
所述铁轭结构为扇形设计，所述二极场组件和多极场组件封闭在铁轭结构内部，所述铁轭结构用于导磁；
所述二极场组件分布在真空盒两侧，所述多极场组件分布在真空盒周围；
所述多极场组件产生的多极磁场与二极场组件产生的二极磁场在离子束流传输路径上形成混合磁场；
所述离子束流在真空盒中进行传输，所述离子束流在所述混合磁场的作用下偏转及在窄方向上进行聚焦，输出净化的离子束流。
2.根据权利要求1所述的离子束分析磁铁结构，其特征在于，所述多极场组件为四极场组件，所述四极场组件产生的四极磁场与所述二极磁场在离子束流传输路径上形成混合磁场。
3.根据权利要求2所述的离子束分析磁铁结构，其特征在于，所述四极场组件包括：分布在所述真空盒周围且沿圆形分布的载流导体壳，所述载流导体壳截面上的电流密度分布符合朗伯定律J＝J0 cos(mθ)规律。
4.根据权利要求2所述的离子束分析磁铁结构，其特征在于，所述四极场组件包括：分布在所述真空盒周围且沿特定位置分布的多个超导线圈；其中，所述超导线圈为位置可调设计，且电流大小可控。
5.根据权利要求1-4任一项所述的离子束分析磁铁结构，其特征在于，所述二极场组件包括设于真空盒两侧的二极场线圈；其中，所述二极场线圈包括第一二极场线圈和第二二极场线圈，所述第一二极场线圈和第二二极场线圈分别包括上下对称分布的多段二极场子线圈。
6.根据权利要求5所述的离子束分析磁铁结构，其特征在于，所述铁轭结构在所述第一二极场线圈与第二二极场线圈的中心线位置处还设有二极场极头；其中，所述二极场极头通过改变形状以调节磁场大小。
7.根据权利要求5所述的离子束分析磁铁结构，其特征在于，所述铁轭结构为八边形设计；
所述各个超导线圈分布在二极场线圈与二极场组件之间的空间中，与所述二极场线圈形成空间隔离。
8.一种离子注入设备，其特征在于，包括：离子源、预聚焦磁铁、屏蔽铁、分析磁铁、矫正磁铁、卡束器以及加速管；
其中，所述分析磁铁采用权利要求1-7任一项所述的离子束分析磁铁结构；其中，所述离子源输出宽幅离子束，所述分析磁铁对所述宽幅离子束进行纯化和窄方向进行聚焦处理。
9.根据权利要求8所述的离子注入设备，其特征在于，所述卡束器与加速管之间还设有束流均匀准直器；
所述预聚焦磁铁包括至少一个四极场磁铁，用于对离子束流的参数进行调整以适应后端传输要求；
所述矫正磁铁包括至少一个六极场磁铁，用于对离子束流的参数进行调整以匹配卡束器的参数要求；所述六极场磁铁产生的六极磁场的高度在束流宽方向大于窄方向。
10.根据权利要求9所述的离子注入设备，其特征在于，所述四极场磁铁的极头采用小折线逼近双曲线的极面；所述六极场磁铁的极头采用小折线逼近六极磁场的理想极面。
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| CN1160287A (zh) * | 1995-10-19 | 1997-09-24 | 易通公司 | 离子注入器中离子束形成的方法和装置 |
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