CN117293006B - 一种射频引出氢氦高能离子注入机 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种射频引出氢氦高能离子注入机，涉及半导体离子注入技术领域。该射频引出氢氦高能离子注入机的具体实施方式包括：射频引出电极的交变电压由射频电源和第一射频加速单元产生，交变电压周期性地从离子源中引出离子束，速度的离散引起离子束在Z向传输方向上产生周期性群聚，通过第一束流整形电四极透镜和第二束流整形电四极透镜整形后，传输给射频加速系统，经射频加速系统加速到高能量状态的离子束传输至能量分析器进行筛选，通过电场扫描系统展开能量分析器筛选之后的离子束，再经由束流平行化透镜产生平行的离子束流，最后传输至靶室完成注入。该实施方式能够减小高能离子注入机的体积、减小机台占地面积，降低注入成本。

Description

一种射频引出氢氦高能离子注入机

技术领域

本公开涉及半导体离子注入技术领域，尤其涉及一种射频引出氢氦高能离子注入机。

背景技术

在半导体元件制造工序中，一项重要的工序是通过在真空中向半导体晶片注入离子，以将杂质添加到半导体晶片的晶格中，使其半导体晶片的导电性发生变化。该工序所使用的装置被称为离子注入机，离子注入机通常将半导体杂质原子电离为离子，加速后注入至半导体晶片中。

随着半导体元件的高度集成化，需要将高能量的离子更深地注入至半导体晶片中，对应的装置被称为高能离子注入机。高能离子注入机用于离子束加速的部件通常采用串列式静电加速器，静电加速器的结构随着电压的升高复杂程度逐渐增加，逐渐增加的绝缘距离会大幅加大设备的物理尺寸，同时加速电压一般小于500KV，对于需要高能MeV（Million electron Volts，即兆电子伏）注入的工艺来说，静电加速器无法满足不同场景的能量需求。故而采用射频加速原理、可以将离子加速到MeV能量（Patent.No.US4667111）的线形加速器逐渐被广泛应用，高能离子注入机采用射频加速系统时，离子源产生的各种离子经引出电压引出，经过质量分析器的筛选，进入射频加速系统即可将尽可能多的离子束流加速到所需能量，再经过能量分析器筛选出所需要能量的离子，扫描平行化后注入靶室的晶片中。

高能离子注入机以前常采用Batch装置，对于存在超高能量的离子注入（3～8MeV）需求、被允许的注入角度误差为0.1°左右的CCD等高品质的摄像元件而言，注入角度偏差较大的Batch装置较难应用在这种场合。由此，近年来单晶片式高能离子注入机被投入使用，单晶片式高能离子注入机使一维电扫描离子束平行化，不仅在晶片面内注入剂量均匀，还能使注入角度均匀，解决注入角度偏差的问题。

高能离子注入机的引出电极采用直流电压，为了达到离子束成团的效果，引入Buncher（即聚束器）技术改善射频加速系统中离子束流的群聚效果，以提高束流的纵向通过率，Buncher被引入至射频加速系统的最前端（Patent.No.CN1310279C）。由于束流纵向群聚需要一段空间来完成，因此，射频加速系统的射频加速桶需要与Buncher保持一定距离，无形中增加了射频加速系统的长度，导致射频加速系统体积增加，机台面积增大。另一方面，高能离子注入机需要质量分析器对离子质量进行筛选，同样体积庞大，增大机台成本。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种射频引出氢氦高能离子注入机，能够解决现有的高能离子注入机体积庞大、机台占地面积大，注入成本过高的问题。

为实现上述目的，根据本公开的一方面，提供了一种射频引出氢氦高能离子注入机，包括：

离子源、射频引出电极、抑制电极、三坐标地电极、第一束流整形电四极透镜、第二束流整形电四极透镜、射频加速系统、能量分析器、电场扫描系统、束流平行化透镜和靶室，其中：

所述射频引出电极的交变电压由射频电源和第一射频加速单元产生，所述交变电压周期性地从所述离子源中引出离子束，速度的离散引起离子束在Z向传输方向上产生周期性群聚，通过所述第一束流整形电四极透镜和所述第二束流整形电四极透镜整形后，传输给所述射频加速系统，经所述射频加速系统加速到高能量状态的离子束传输至所述能量分析器进行筛选，通过所述电场扫描系统在至少一个方向上展开所述能量分析器筛选之后的离子束，再经由所述束流平行化透镜产生平行的离子束流，最后传输至所述靶室完成注入。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，通过射频电源和第一射频加速单元在射频引出电极上施加交变电压，省去质量分析器和Buncher，可以实现以下技术效果：

（1）射频引出电极将Buncher和直流引出电极的功能合二为一，使得高能离子注入机的射频加速系统无需设置Buncher，针对轻质的氢氦高能离子注入提供一种结构简单紧凑、束流较大的注入方案，具有节约机台空间、束流损失小等优点。

（2）本公开的射频引出氢氦高能离子注入机引出的离子同质化程度高，无需设置质量分析器，利用射频引出电极、整形电四极透镜和射频加速系统的过滤特性即可筛选、加速特定低相对原子质量的离子，即使产生和离子源室元素相关的离子或者电子进入射频加速系统，由于其荷质比与氢氦相差较大，杂散粒子很难被加速，也可利用能量分析器轻松过滤。因此，通过摒弃庞大体沉的质量分析器，同样可以节约机台空间，降低机台成本。

（3）射频引出电极与离子束直接作用，原则上需要在射频引出电极上附加一个带直流压差的电源，以便抑制电子进入束流传输系统，通常可以采用隔离变压器将高压施加到离子源上实现同样的效果，由于射频引出电极上施加的交变电压的幅值大大缩小（峰峰值30kV），相较于传统的70~90kV的直流离子源电压，使得隔离变压器的体积重量大大减小，甚至可以省略，进一步地节约机台空间，降低机台成本。

（4）射频引出电极的形状则需要根据离子源引出缝的结构而定，引出缝的形状和大小又与引出流强的需求密切相关，传统采用质量分析器的场景在计算异形引出缝的束流引出和偏转时，要么忽略细节用传输矩阵来计算，要么全三维电磁仿真，设计仿真难度很高，延缓了新机型的开发，只能在某几类典型设计附近小修小改。本发明采用直线引出后，束流光学可以呈现二维轴对称、镜像对称结构，大大降低了设计仿真难度，可以使用很多直线电子光学、离子光学的先例场景，即使引出缝是异形的，对于离子束流大小、角度的控制也相对容易。

（5）射频引出电极导致的束流横向波动是真实存在的，因此，引起氢、氦的正离子提前中和不再加速的电子由抑制电极、三坐标地电极进行抑制，防止电子进入后续的束流通道中，再利用整形电四极透镜从横向对束流进行整形和波动抑制，逐渐趋近射频加速系统希望的“O”型束流横截面。

（6）本公开的束流轮廓整形和理想群聚的长度充裕，可以与加速区尽可能分离，不像传统的高能离子注入机Buncher与射频加速系统之间要在有限距离内同时完成束流轮廓整形和束流群聚理想，提高了整形和加速效果。

附图说明

在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：

图1（a）示出了根据本公开示例性实施例的射频引出氢氦高能离子注入机的示意图；

图1（b）示出了根据本公开示例性实施例的射频电源和第一射频加速单元的示意图；

图2示出了根据本公开示例性实施例的离子源电压和射频引出电极的交变电压的相对关系的示意图一；

图3示出了根据本公开示例性实施例的离子源电压和射频引出电极的交变电压的相对关系的示意图二；

图4示出了根据本公开示例性实施例的离子源电压和射频引出电极的交变电压的相对关系的示意图三；

图5示出了根据本公开示例性实施例的带状离子源和射频引出电极截面的示意图；

图6示出了根据本公开示例性实施例的球面离子源和射频引出电极截面的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“在本公开实施例中”表示“至少一个实施例”；术语“另一示例性实施例”表示“至少一个另外的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

以下参照附图描述本公开的方案。

图1（a）示出了根据本公开示例性实施例的射频引出氢氦高能离子注入机的示意图，如图1（a）所示，本公开的射频引出氢氦高能离子注入机包括：离子源101、射频引出电极102、抑制电极103、三坐标地电极104、第一束流整形电四极透镜105、第二束流整形电四极透镜106、射频加速系统107、能量分析器108、电场扫描系统109、束流平行化透镜110和靶室111。

射频引出电极102从离子源101引出离子束，速度的离散引起离子束在Z向传输方向上产生周期性群聚，通过第一束流整形电四极透镜105和第二束流整形电四极透镜106整形后直接进入射频加速系统107，被射频加速系统107加速到高的能量状态后由能量分析器108筛选出预定能量的离子束，筛选出的离子束经过电场扫描系统109、束流平行化透镜110传输至靶室111，靶室111内设有靶台运动机构，靶台运动机构具有与电场扫描系统109的扫描方向相垂直的运动维度，从在靶室111内完成离子束注入。

进一步地，本公开适用于低相对原子质量（比如，氢或者氦）的离子，引出的离子同质化程度高，比如，高纯氢气经离子源101电离后产生H⁺、H₂ ⁺、H₃ ⁺，或者，高纯氦气经离子源101电离后产生He⁺、He²⁺。

在本公开实施例中，如图1（a）所示，离子源101产生低相对原子质量的正离子，射频引出电极102上施加交变电压，使得射频引出电极102周期性地从离子源101引出离子束。其中，如图1（b）所示，射频引出电极102上的交变电压由射频电源1021和第一射频加速单元1022产生，采用与Buncher类似的结构，射频电源1021将射频功率馈入第一射频加速单元1022中，第一射频加速单元1022的主要架构是LC谐振回路，参考专利（Patent.No.US6262638），包括电容C和电感L，使得第一射频加速单元1022内时刻处于谐振状态，谐振高压就施加在射频引出电极102上，电容C和电感L决定了第一射频加速单元1022的谐振频率。由于非常临近离子源101，射频引出电极102附近的真空不太理想，导致射频引出电极102上的正弦高压幅值不会太高，典型地在0-30kV，太高就容易电击穿。不过，射频引出电极102仅用于引出离子并促使离子群聚成团，无需提供加速离子的能量，高能离子注入机的最终束流能量主要由射频加速系统107实现，因此，也无需射频引出电极102施加较高的电压。

不同于直流电源引出匀恒的离子束，本公开的射频引出电极施加交变电压，引出周期脉动的离子束，并且随着交变电压的变化，对离子施加速度离散，使得离子束在后续的运动中产生运动方向的疏密群聚，可以为射频加速系统提供良好的周期性离子团，减少射频加速中的纵向束流损失。一方面，由于射频引出电极102兼具了传统高能离子注入机的直流引出电极和射频系统中Buncher的能力，使得射频加速系统107中无需设置Buncher；另一方面，本公开适用于低相对原子质量的离子，由于引出离子有速度离散，无需质量分析器进行离子筛选，使得束流损失大幅减少，束流仿真设计更容易进行，并且对于需要隔离波导的微波离子源，可以简化系统元件。综上所述，可以实现节约机台空间，降低机台成本的技术效果。

如图1（a）所示，速度的离散使得周期性引出的离子束在Z向传输方向上产生周期性群聚，为了避免离子源101中的电子被引入后续束流通道，除了设置抑制电极103抑制电子外，还可以适当调高离子源101的电压，周期性群聚的离子束通过抑制电极103、三坐标地电极104之后再到达束流整形区域。

如图1（a）所示，抑制电极103和三坐标地电极104的运动会引起电容C的变化，导致第一射频加速单元1022的谐振频率发生轻微偏移，因此，第一射频加速单元1022还包括频率补偿运动装置，用于补偿抑制电极103和三坐标地电极104一起运动过程中对射频频率造成的影响。如图1（b）所示，射频引出电极102靠近离子源101，远离抑制电极103和三坐标地电极104，也是为了减小运动的抑制电极103和三坐标地电极104对谐振频率产生的影响，同时更好地控制离子源101按照需要的方式引出。

如图1（a）所示，束流整形区域包含第一束流整形电四极透镜105和第二束流整形电四极透镜106，用于把经过三坐标地电极104的异形的离子束整形为射频加速系统107需要的“O”形束。第一束流整形电四极透镜105和第二束流整形电四极透镜106可以初步抑制射频引出电极102对离子束的扰动，使得离子束纵向（即Z向）成团、防止离子的横向波动，同时，第一束流整形电四极透镜105和第二束流整形电四极透镜106可以降低未加速之前的低速离子束由空间电荷力引起的自身膨胀，保证离子束的“O”形束成形效果。需要说明的是，束流整形区域包括的束流整形电四极透镜的数目可以根据需要进行选择性设置，本公开的第一束流整形电四极透镜、第二束流整形电四极透镜仅是示例；或者，束流整形区域还可以根据需要设置其它束流光学元件，满足实际的整形需求即可。

如图1（a）所示，射频加速系统107、能量分析器108、电场扫描系统109、束流平行化透镜110和靶室111与常规的高能离子注入机基本一致，经射频加速系统107加速到高能量状态的离子束经过能量分析器108的筛选，通过电场扫描系统109在至少一个方向上（比如，X向）扫描展开的经过筛选之后的离子束，再通过束流平行化透镜110产生平行的离子束，最后传输至靶室111完成离子束注入。其中，射频加速系统107中的第二射频加速单元和加速四极透镜1072的数量，取决于机型覆盖的加速能量范围。

在本公开实施例中，射频引出电极102上施加的交变电压可以是正弦电压、三角波电压或脉冲电压，以高能离子注入机的机台地为参考地电位，离子源电压201和射频引出电极102上施加正弦电压202如图2所示，离子源电压301和射频引出电极102上施加三角波电压302如图3所示，离子源电压401和射频引出电极102上施加脉冲电压402如图4所示。由于引出的往往是正离子，离子源电压201、301、401一般为正并可调，主要用于抑制离子源101中的电子引出。离子源电压201、301、401为直流电压，其幅值依赖于射频引出电极102上施加的交变电压的幅值，但无需达到70-90kV那么高，相较于传统的70~90kV的直流离子源电压，由于离子源区隔离变压器与耐压距离大幅缩小，节约了空间，缩小了机台面积，使得本公开所需的隔离变压器空间、重量大幅减少，甚至可以做到不用隔离变压器，源区没有裸露高压电极。同时，离子源电压201、301、401在高能离子注入机的能量校准中也能发挥必要的作用。

进一步地，如图2所示，正弦电压202的幅值可调，但通常不会超过30kV，适合离子加速的引出频率处于射频波段，工业领域选取13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz居多，在这个频率范围，正弦电压相对于其它类型的交变电压容易很多。对于氢、氦等轻质离子引出频率/>可以考虑其中高一些的频率。正弦电压202的引出频率/>与射频加速系统107的加速频率/>之间的关系如下式（1）所示：

——（1）

上式中，正弦电压202的引出周期和引出频率/>之间的关系为，其中，/>是最容易实现的，在/>的情况下，射频引出电极102上的交变电压与射频加速系统107中各个第二射频加速单元1071的射频电压保持同源锁相，可以实现高效加速，并且交变电压与射频电压之间的相位差可以调节，以便于高能加速中能量和离子束流的精细调节。

如图3所示，三角波电压302的幅值可调，但通常不会超过30kV，三角波电压302的引出频率与射频加速系统107的加速频率/>之间的关系同样满足上式（1）。在13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz频率范围内，三角波电压的产生相对于正弦电压困难很多，但是三角波电压可以让离子束的群聚效果更佳。

如图4所示，脉冲电压402的幅值可调，但通常不会超过30kV，脉冲电压402的引出频率与射频加速系统107的加速频率/>之间的关系同样满足上式（1）。在13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz频率范围内，超窄脉冲电压的产生相对于正弦电压困难很多，但是，由于脉冲电压的脉冲段电压恒定，使得射频引出电极102引出的离子速度一致，可以直接为射频加速系统107提供速度离散小的离子束团，使后续加速更容易。

在本公开实施例中，离子源101、射频引出电极102引出的离子束形状各式各样，如图5所示，本公开的射频引出氢氦高能离子注入机的离子源101采用带状离子源501，带状离子源501引出带状离子束，相应地，射频引出电极502、抑制电极503和三坐标地电极504的通孔皆为带状，带状束流的优点是束流大。射频引出电极502从带状离子源501的侧面引出，抑制电极503仍用于抑制电子进入后面的加速系统和抑制二次电子回轰，可以根据情况进行取舍。当射频引出电极502上的电压变化至低于带状离子源501的离子源电压时，正离子被引出，进入射频引出电极502的通孔中，穿过射频引出电极502的通孔后，由于射频引出电极502的电压已经高于后面的三坐标地电极504，离子有动力继续前行穿过抑制电极503和三坐标地电极504。轻质的H⁺和He⁺，不会像重离子运动那么慢，所以射频引出电极502和带状离子源501之间、射频引出电极502和抑制电极503、三坐标地电极504之间的极间距不太小。如图5所示，射频引出电极502距离带状离子源501引出端近、距离抑制电极503和三坐标地电极504远，使得射频引出电极502和带状离子源501之间的电场较强，可以对离子的速度进行调制，离子束在射频引出电极502至抑制电极503之间的行程中从速度调制转化为密度调制，尽管这段空间有较弱的电场也不受影响，逐渐在运动的Z方向开始变成成团的离子簇。由此，射频引出电极502可以同时实现引出离子并促使离子成团两种效果。需要说明的是，引出频率和极间距可以根据需要进行详尽的设计仿真以满足实际的成团需求。

或者，如图6所示，本公开的射频引出氢氦高能离子注入机的离子源101还可以采用球面离子源601，球面离子源601引出球面离子束，相应地，射频引出电极602、三坐标地电极603的通孔皆为“O”型，球面引出束流的优点是束流很大，引出频率和极间距同样可以根据需要进行详尽的设计仿真以满足实际的成团需求。

进一步地，在使用球面离子源601时，还可以根据电子的运动路径和二次电子的回轰情况，决定是否需要添加抑制电极。

Claims (4)

1.一种射频引出氢氦高能离子注入机，其特征在于，包括：离子源（101）、射频引出电极（102）、抑制电极（103）、三坐标地电极（104）、第一束流整形电四极透镜（105）、第二束流整形电四极透镜（106）、射频加速系统（107）、能量分析器（108）、电场扫描系统（109）、束流平行化透镜（110）和靶室（111），其中：

所述射频引出电极（102）的交变电压由射频电源（1021）和第一射频加速单元（1022）产生，所述交变电压周期性地从所述离子源（101）中引出离子束，速度的离散引起离子束在Z向传输方向上产生周期性群聚，通过所述第一束流整形电四极透镜（105）和所述第二束流整形电四极透镜（106）整形后，传输给所述射频加速系统（107），经所述射频加速系统（107）加速到高能量状态的离子束传输至所述能量分析器（108）进行筛选，通过所述电场扫描系统（109）在至少一个方向上展开所述能量分析器（108）筛选之后的离子束，再经由所述束流平行化透镜（110）产生平行的离子束流，最后传输至所述靶室（111）完成注入。

2.如权利要求1所述的射频引出氢氦高能离子注入机，其特征在于，所述射频引出电极（102）上施加的交变电压的引出频率f_引出和所述射频加速系统（107）中各个第二射频加速单元（1071）上施加的射频频率f_加速，满足如下关系：

。

3.如权利要求1所述的射频引出氢氦高能离子注入机，其特征在于，所述射频引出电极（102）上施加的交变电压为正弦电压、三角波电压或脉冲电压。

4.如权利要求1所述的射频引出氢氦高能离子注入机，其特征在于，所述离子源（101）为球面离子源，所述射频引出电极（102）从侧面引出；

或者，所述离子源（101）为带状离子源，所述射频引出电极（102）的通孔为带状。