CN117295223B - 分段式射频加速系统及离子注入机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，公开了一种分段式射频加速系统及离子注入机，分段式射频加速系统包括多个射频加速单元和消色差偏转磁铁系统，相邻的两个射频加速单元之间设有消色差偏转磁铁系统，消色差偏转磁铁系统包括一个或多个非均匀磁场分布的消色差偏转磁铁。离子注入机包括依次设置的离子源、引出装置、质量分析磁铁、上述分段式射频加速系统、能量分析磁铁、聚焦装置、扫描器和平行化磁铁。本发明采用消色差偏转磁铁系统配合多个射频加速单元实现离子束的分段式射频加速，同时能消色差以及实现角度偏转确保离子束按照预定轨迹运动，在使用过程中可灵活调整分段式射频加速系统的整体形状，减少占用空间，进而减小离子注入机的占地面积。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，更加具体来说，本发明涉及一种分段式射频加速系统及离子注入机。
背景技术
离子注入机是半导体元件制造领域常见的设备之一，其主要作用是将掺杂离子通过各种电、磁器件操纵，最终植入到衬底材料上，实现材料改性。随着科学技术的日益发展，离子植入在半导体领域的重要性愈加凸显，注入离子的能量、掺杂剂种类、掺杂深度、注入角度等要求更加精确，离子植入各元件的设计要求也成为更大的挑战。
高能离子注入机一般采用射频加速单元加速离子，由于射频加速电压为正弦交变电压，在加速过程中，会对束流能量产生调制，连续束会变成具有一定能量分散的束团。而且，由于射频加速段为直线段，导致离子注入机的形状固定且占地面积较大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明创新地提供了一种分段式射频加速系统及离子注入机，采用消色差偏转磁铁系统配合多个射频加速单元实现离子束的分段式射频加速，同时能消色差以及实现角度偏转确保离子束按照预定轨迹运动，在使用过程中可灵活调整分段式射频加速系统的整体形状，减少占用空间，进而减小离子注入机的占地面积，同时使得离子注入机的布局更加灵活且多样化。
为实现上述的技术目的，本发明第一方面公开了一种分段式射频加速系统，包括多个射频加速单元和消色差偏转磁铁系统，相邻的两个射频加速单元之间设有所述消色差偏转磁铁系统，所述消色差偏转磁铁系统包括一个或多个非均匀磁场分布的消色差偏转磁铁。
进一步地，所述消色差偏转磁铁系统的角度为45°~360°。
进一步地，所述消色差偏转磁铁系统的多个消色差偏转磁铁的角度相同或不同。
进一步地，所述多个射频加速单元的射频加速桶的数量相同或不同。
为实现上述的技术目的，本发明第二方面公开了一种离子注入机，包括离子源、引出装置、质量分析磁铁、上述第一方面所述的分段式射频加速系统、能量分析磁铁、聚焦装置、扫描器和平行化磁铁，
所述离子源用于生成离子束；
所述引出装置设置在所述离子源的下游，用于引出所述离子束；
所述质量分析磁铁设置在所述引出装置的下游，用于对引出的离子束进行质量分析并筛选出注入所需的离子种类；
所述分段式射频加速系统设置在所述质量分析磁铁的下游，用于对筛选后的离子束进行射频加速和消色差偏转；
所述能量分析磁铁设置在所述分段式射频加速系统的下游，用于对射频加速和消色差偏转后的离子束进行能量分析；
所述聚焦装置设置在所述能量分析磁铁的下游，用于将能量分析后的离子束进行聚焦；
所述扫描器设置在所述聚焦装置的下游，用于沿预设方向以预设扫描频率对聚焦后的离子束进行扫描；
所述平行化磁铁设置于所述扫描器的下游，用于将扫描后的离子束平行化。
进一步地，所述质量分析磁铁的角度为30°~180°。
进一步地，所述能量分析磁铁的角度为30°~180°。
进一步地，所述平行化磁铁的角度为30°~180°。
本发明的有益效果为：
本发明的分段式射频加速系统，采用消色差偏转磁铁系统配合多个射频加速单元实现离子束的分段式射频加速，同时能消色差以及实现角度偏转确保离子束按照预定轨迹运动，在使用过程中可灵活调整分段式射频加速系统的整体形状，减少占用空间，进而减小离子注入机的占地面积，同时使得离子注入机的布局更加灵活且多样化。
附图说明
图1是本发明实施例的离子注入机的结构示意图。
图2是本发明另一实施例的离子注入机的结构示意图。
图3是本发明又一实施例的离子注入机的结构示意图。
图4是本发明再一实施例的离子注入机的结构示意图。
图5是本发明实施例的消色差偏转磁铁系统的离子束偏转仿真图。
图6是本发明另一实施例的消色差偏转磁铁系统的离子束偏转仿真图。
图中，
1、分段式射频加速系统；11、射频加速单元；12、消色差偏转磁铁系统；13、消色差偏转磁铁；2、离子源；3、引出装置；4、质量分析磁铁；5、能量分析磁铁；6、聚焦装置；7、扫描器；8、平行化磁铁；9、靶室；10、四极子。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的分段式射频加速系统及离子注入机进行详细的解释和说明。
本实施例具体公开了一种分段式射频加速系统，如图1-4所示，包括多个射频加速单元11和消色差偏转磁铁系统12，相邻的两个射频加速单元11之间设有消色差偏转磁铁系统12。多个射频加速单元11必定会产生能量分散，通过每两个射频加速单元11之间设置的消色差偏转磁铁系统12能实现离子束轨迹偏转的同时，减弱能量分散程度，减少横向束流损失。由于消色差偏转磁铁系统的偏转使得射频加速系统不再是直线型，而能实现偏转，使得其形状可以灵活调整，减小占用空间。如图1-3所示，分段式射频加速系统均设置有两个射频加速单元11，两个射频加速单元11之间设有一个消色差偏转磁铁系统12。如图4所示，分段式射频加速系统设置有三个射频加速单元11和两个消色差偏转磁铁系统12，每两个射频加速单元11之间设有一个消色差偏转磁铁系统12。
在本实施例中，消色差偏转磁铁系统12包括一个或多个非均匀磁场分布的消色差偏转磁铁13，即消色差偏转磁铁系统12可以是单磁铁系统，也可以是多磁铁系统，具体的根据偏转和消色差需求设置。图5所示的消色差偏转磁铁系统12包括一个110°消色差偏转磁铁13，如图6所示的消色差偏转磁铁系统12包括两个55°消色差偏转磁铁13，为复合场双磁铁系统，两个55°消色差偏转磁铁13串联，之间设置两个四极子10，也能实现110°偏转，也可以采用40°+40°+30°的组合配合实现，或者其它的角度配合来实现不同的布局。本实施例要实现一个角度的偏转，可采用一个该角度的偏转磁铁实现，也可以采用多个串联的总和为该偏转角度的偏转磁铁实现。
消色差偏转磁铁13为非均匀磁场分布的磁铁。由于多个射频加速单元11一定会产生能量分散，对于一般的偏转磁铁，不同能量的束流在磁场中的偏转轨迹不同，采用常规均匀场二极磁场进行离子束轨迹偏转，会由于能量分散产生较大量的束流损失，本实施例的消色差偏转磁铁系统12采用非均匀磁场分布的单磁铁系统或者复合场多磁铁系统，进一步减弱能量分散程度，保证在偏转同时横向束流损失不大。
本申请的非均匀磁场分布的磁铁的磁极形状为二次曲面，优选为双曲线，且磁场分为三段，三段磁场各占1/3，中间段磁场的变化梯度与前后两段磁场的变化梯度相反。
在本实施例中，消色差偏转磁铁系统12的角度为45°~360°，偏转角度不同，消色差偏转磁铁系统12的弯曲角度不同，进而整体形状不同，具体的偏转角度根据实际生产作业需求和作业场地面积进行灵活调整。如图1所示的消色差偏转磁铁系统12的角度为110°，图2和3所示的消色差偏转磁铁系统12的角度为90°，图4所示的两个消色差偏转磁铁系统12的角度均为55°。每个消色差偏转磁铁系统可以是单磁铁系统也可以是复合场多磁铁系统。
消色差偏转磁铁系统12的多个消色差偏转磁铁13的角度相同或不同。比如，消色差偏转磁铁系统12采用两个45°消色差偏转磁铁13实现90°的偏转，也可以采用其他组合，比如：3个30°消色差偏转磁铁13、1个30°消色差偏转磁铁13+1个60°消色差偏转磁铁13。只要合计偏转角度为90°即可。提高了设置的灵活性，可根据实际生产作业需求和作业场地面积灵活选择。
一般的射频加速出来的束流能量不唯一，是有色差的，采用现有的磁铁偏转，束流就会分成多束，后续射频加速无法进行。本实施例的消色差偏转磁铁系统的消色差偏转磁铁的数量配合磁铁的非均匀磁场分布设计形成的复合磁场可以使有色差的束流经过偏转后合为一束，从而可以进行后续下一段的射频加速。
不同能量的离子束束流在现有的偏转磁场下后段传输会在空间上散开，后续第二段射频加速无法进行，但采用本实施例的消色差偏转磁铁系统能有效解决该问题，且能保证离子束经消色差偏转磁铁系统偏转前后的宽度接近、几乎一致。如图5所示的离子束偏转仿真图，消色差偏转磁铁系统包括一个消色差偏转磁铁，该消色差偏转磁铁为非均匀磁场分布的磁铁，图5中磁场分为了三段，图5所示，±5%能散的束流传输效率为92%，第三段磁场中三个不同能量的束流1000keV、1050keV、950keV在磁场中分散，但最终经偏转后合为一束，且离子束经消色差偏转磁铁偏转前后的宽度几乎一致，从而在这次偏转后还可以进行射频加速。如图6所示的离子束偏转仿真图，消色差偏转磁铁系统包括两个消色差偏转磁铁，±5%能散的束流传输效率为96%，在经第一个消色差偏转磁铁偏转后，三个不同能量的束流1000keV、1050keV、950keV分散，但是经第二个消色差偏转磁铁偏转后合为一束，且离子束经消色差偏转磁铁偏转前后的宽度几乎一致，从而在这次偏转后还可以进行射频加速。
分段式射频加速系统中射频加速单元11的数量可根据实际生产作业需求和作业场地面积进行灵活调整。在本实施例中，多个射频加速单元11的射频加速桶的数量相同或不同。由于射频加速单元11的数量为多个，加之消色差偏转磁铁系统12的消色差和偏转，每个射频加速单元11的射频加速桶数量也可灵活分布，只要能满足所需的射频加速需求即可。在本实施例中，每个射频加速单元的射频加速桶数量不超过10个。如图1所示，第一个射频加速单元11的射频加速桶的数量为8个，第二个射频加速单元11的射频加速桶的数量为6个。如图2所示，第一个射频加速单元11的射频加速桶的数量为10个，第二个射频加速单元11的射频加速桶的数量为5个。如图3所示，第一个射频加速单元11的射频加速桶的数量为8个，第二个射频加速单元11的射频加速桶的数量为6个。如图4所示，第一个射频加速单元11的射频加速桶的数量为5个，第二个射频加速单元11的射频加速桶的数量为5个，第三个射频加速单元11的视频加速桶的数量为6个。通过调整每个射频加速单元11的射频加速桶的数量，可以进一步优化离子注入机整机作业束流指标和整机束线布局。
通过消色差偏转磁铁系统的设计，可以减少射频加速单元中射频加速桶的数量。射频加速能量不唯一，射频加速桶越少，能散越大。对于较大能散的束流偏转，后段传输困难较大。如果射频加速桶数量较多（12个以上），束流产生的能散也较小（1%），则相应的偏转磁铁设计要求较低。对于5-10个射频加速桶加速的大能散（5%）束流的传输，后段传输困难较大，现有的偏转磁铁无法满足需求，而本实施例通过对消色差偏转磁铁系统的设计有效解决了上述问题，使得每个射频加速单元中射频加速桶的数量不超过10个，减小占地面积。
本实施例还公开了一种离子注入机，如图1-4所示，包括离子源2、引出装置3、质量分析磁铁4、上述实施例所述的分段式射频加速系统1、能量分析磁铁5、聚焦装置6、扫描器7和平行化磁铁8。
离子源2用于生成离子束，离子源2能够生成硼、磷、砷、氩、氙或氮的多价离子。
引出装置3设置在离子源2的下游，用于引出离子束。
质量分析磁铁4设置在引出装置3的下游，用于对引出的离子束进行质量分析并筛选出注入所需的离子种类，保证离子种类的纯度，同时对传输的离子束起到部分聚焦作用，增加束传输效率。
分段式射频加速系统1设置在质量分析磁铁4的下游，用于对筛选后的离子束进行射频加速和消色差偏转，同时减小占用空间。
能量分析磁铁5设置在分段式射频加速系统1的下游，用于对射频加速和消色差偏转后的离子束进行能量分析。
聚焦装置6设置在能量分析磁铁5的下游，用于将能量分析后的离子束进行聚焦，可控制离子束的尺寸，将离子束整形成所需的剖面形状。在本实施例中，聚焦装置为四极透镜。
扫描器7设置在聚焦装置6的下游，用于沿预设方向以预设扫描频率对聚焦后的离子束进行扫描；扫描器7为通过周期变动的电场，以沿与离子束的行进方向正交的水平方向对离子束周期性的进行往复扫描的偏转扫描装置。
平行化磁铁8设置于扫描器7的下游，用于将扫描后的离子束平行化，调整已偏转的离子束以使其与扫描前的离子束的方向一致，即，使已偏转的离子束弯曲返回成与预设的离子束基准轨道平行。最后离子束进入靶室9。
在本实施例中，质量分析磁铁4的角度为30°~180°。能量分析磁铁5的角度为30°~180°。平行化磁铁8的角度为30°~180°。质量分析磁铁4、能量分析磁铁5和平行化磁铁8的角度根据生产作业需求和作业场地面积进行灵活调整。在满足自身功能的同时，减少离子注入机的占地面积，离子注入机的布局更加灵活且多样化。
对比图1-4所示的离子注入机，可通过灵活调整质量分析磁铁4、能量分析磁铁5、平行化磁铁8和消色差偏转磁铁系统12的角度来调整离子注入机的整体占地面积，可根据实际生产作业需求和作业场地面积灵活调整，适用性更强。
本实施例的离子注入机还设有控制器和软件操作系统满足离子注入工艺需要的晶圆传输系统，用于供操作人员输入所需要的条件、根据所输入的条件进行各种参数的数值计算并进一步控制各构成要件等操作。控制器和软件操作系统采用本领域常用的控制方法和软件操作系统，在此不再赘述。
本实施例通过分段式射频加速系统1可减少离子注入机的占地面积，而质量分析磁铁4、能量分析磁铁5和平行化磁铁8的角度设计进一步减少离子注入机的占地面积，使得离子注入机的布局更加灵活且多样化。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种分段式射频加速系统，其特征在于，包括多个射频加速单元（11）和消色差偏转磁铁系统（12），相邻的两个射频加速单元（11）之间设有所述消色差偏转磁铁系统（12），所述消色差偏转磁铁系统（12）包括一个或多个非均匀磁场分布的消色差偏转磁铁（13），非均匀磁场分布的消色差偏转磁铁（13）的磁极形状为双曲线，且磁场分为三段，三段磁场各占1/3，中间段磁场的变化梯度与前后两段磁场的变化梯度相反。
2.根据权利要求1所述的分段式射频加速系统，其特征在于，所述消色差偏转磁铁系统（12）的角度为45°~360°。
3.根据权利要求1或2所述的分段式射频加速系统，其特征在于，所述消色差偏转磁铁系统（12）的多个消色差偏转磁铁（13）的角度相同或不同。
4.根据权利要求1所述的分段式射频加速系统，其特征在于，所述多个射频加速单元（11）的射频加速桶的数量相同或不同。
5.一种离子注入机，其特征在于，包括离子源（2）、引出装置（3）、质量分析磁铁（4）、权利要求1-4任一项所述的分段式射频加速系统（1）、能量分析磁铁（5）、聚焦装置（6）、扫描器（7）和平行化磁铁（8），
所述离子源（2）用于生成离子束；
所述引出装置（3）设置在所述离子源（2）的下游，用于引出所述离子束；
所述质量分析磁铁（4）设置在所述引出装置（3）的下游，用于对引出的离子束进行质量分析并筛选出注入所需的离子种类；
所述分段式射频加速系统（1）设置在所述质量分析磁铁（4）的下游，用于对筛选后的离子束进行射频加速和消色差偏转；
所述能量分析磁铁（5）设置在所述分段式射频加速系统（1）的下游，用于对射频加速和消色差偏转后的离子束进行能量分析；
所述聚焦装置（6）设置在所述能量分析磁铁（5）的下游，用于将能量分析后的离子束进行聚焦；
所述扫描器（7）设置在所述聚焦装置（6）的下游，用于沿预设方向以预设扫描频率对聚焦后的离子束进行扫描；
所述平行化磁铁（8）设置于所述扫描器（7）的下游，用于将扫描后的离子束平行化。
6.根据权利要求5所述的离子注入机，其特征在于，所述质量分析磁铁（4）的角度为30°~180°。
7.根据权利要求5所述的离子注入机，其特征在于，所述能量分析磁铁（5）的角度为30°~180°。
8.根据权利要求5所述的离子注入机，其特征在于，所述平行化磁铁（8）的角度为30°~180°。
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