CN117393409B - 一种周期脉冲高能离子注入机 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种周期脉冲高能离子注入机，涉及半导体离子注入技术领域。该周期脉冲高能离子注入机的具体实施方式包括：周期脉冲离子源周期性地产生高密度等离子体，由引出抑制电极和三坐标引出电极引出离子束，经过质量分析器的质量筛选之后传输给周期脉冲射频加速系统，周期脉冲射频加速系统的射频脉冲的脉冲周期与周期脉冲离子源的离子源脉冲的脉冲周期同步，将质量筛选之后的离子束加速至高能量状态，加速后的离子束传输至能量分析器进行能量筛选，通过离子束扫描装置展开经过能量筛选之后的离子束，再经由束流平行化透镜产生平行的离子束，最后传输至靶室完成注入。该实施方式能够降低机台能耗和面积，提升注入离子能量。

Description

一种周期脉冲高能离子注入机

技术领域

本公开涉及半导体离子注入技术领域，尤其涉及一种周期脉冲高能离子注入机。

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。

在制造如CCD等高品质的摄像元件中，越深地注入离子，分辨率就越高，灵敏度也越高，因此，逐渐开始有超高能量的离子注入的需求。现有的高能离子注入机的离子源使用连续波，虽然可以满足大部分的使用场景需求，但是，随着离子能量需求超过10MeV，对应的机台能耗和占地面积会变得非常庞大，使得机台能耗（典型地超过100kW）极高，面临着电力供给不足的风险，换言之，厂房供电功率一定的情况下，可以容纳的机台数量大大缩减。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种周期脉冲高能离子注入机，能够解决机台能耗和占地面积庞大、机房能耗极高，面临电力供给不足风险的问题。

为实现上述目的，本公开提供了一种周期脉冲高能离子注入机，包括：

周期脉冲离子源、引出抑制电极、三坐标引出电极、质量分析器、周期脉冲射频加速系统、能量分析器、离子束扫描装置、束流平行化透镜和靶室，其中：

所述周期脉冲离子源周期性地产生高密度等离子体，由所述引出抑制电极和所述三坐标引出电极引出离子束，经过所述质量分析器的质量筛选之后传输给所述周期脉冲射频加速系统，所述周期脉冲射频加速系统的射频脉冲的脉冲周期与所述周期脉冲离子源的离子源脉冲的脉冲周期同步，由所述周期脉冲射频加速系统将质量筛选之后的离子束加速至高能量状态，加速后的离子束传输至所述能量分析器进行能量筛选，通过所述离子束扫描装置在至少一个方向上展开经过能量筛选之后的离子束，再经由所述束流平行化透镜产生平行的离子束，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，通过脉冲周期同步的周期脉冲离子源和周期脉冲射频加速系统，可以实现如下技术效果：

（1）将脉冲技术引入高能离子注入机，提供一种注入离子能量高、机台能耗及面积小的周期脉冲高能离子注入机，大大降低了射频加速单元的能耗，从而降低机台能耗，以降低机台成本；换言之，在同样的注入离子能量指标下，可以节省射频加速单元，缩小机台的占地面积，降低机台成本。

（2）与传统高能离子注入机一样，周期脉冲高能离子注入机的引出电极是与离子源最邻近的结构，保持沿坐标轴三个方向可调节，可以优化引出束流形状、束流大小。引出抑制电极是为了抑制二次电子回轰离子源。质量分析器可以筛选需要的离子种类和价态，不会因为离子是连续的到来还是脉动地到来而改变它的作用。质量分析器属于大能耗部件，但产生波形良好的脉冲较为不易，故而在周期脉冲高能离子注入机中，引出抑制电源和质量分析器电源仍采用直流工作方式。

（3）进入周期脉冲射频加速系统的离子束呈现脉冲模式，短时间“工作”、长时间“休息”，脉冲内部的时间跨度在百微秒量级，而射频电源的射频工作频率一般是几MHz到几十MHz，在对应射频周期（十纳秒到百纳秒量级）的时间跨度下，一个脉冲内部会有几千个射频周期，而离子从keV量级加速到MeV量级需要的时间跨度是几微秒，所以在脉冲内部射频加速系统的工作方式与连续波射频加速系统区别较小。周期脉冲射频加速系统中包括多个射频加速单元，在脉冲同步的前提下，各射频电源需要在脉冲内部实现同频锁相，并且可以精确移相。

（4）射频电源的射频正弦电压是在变化的，射频加速单元中电感L和电容C较大，如果离子束在电感L、电容C构建谐振的建立和消散过程中到来，无法达到预期的加速效果，因此，通过脉冲时延技术，保证绝大部分的离子在射频脉冲的平顶区域到来，以达到预期的加速效果。类比电子加速器中的微波腔体，其等效电感L和等效电容C较小，脉冲工作方式下谐振能量平衡的建立时间和消散时间能减小到百纳秒量级，也即，频率越高、射频加速单元中能量平衡的建立和消散时间越短，因此，可以选择较高的射频电源的射频工作频率，以降低射频加速单元的能量平衡的建立和消散时间，使得射频脉冲的上升沿和下降沿更加陡峭，脉宽的无效比例减少，在脉冲周期和脉冲宽度不变的情况下会进一步提高电击穿阈值。

（5）当脉冲高功率馈入射频加速单元时，由于射频加速单元中有较大的电容C和电感L，脉冲上升沿和下降沿不够陡峭。由于离子束在射频脉冲的上升沿和下降沿无法得到充分加速，本公开采用“套脉冲”的方式，通过调节离子源脉冲和射频脉冲的脉冲宽度、各个射频电源的相对时延，使得离子源脉冲被完全“套”在射频脉冲的内部，并且位于射频脉冲内的平顶区。

（6）周期脉冲射频加速系统的射频加速单元与连续波射频加速系统中的射频加速单元结构相同，在连续波模式可以达到90kV左右的加速电压，而在周期性地脉冲模式，如果射频脉冲工作比1%-10%，脉冲内部的加速电压可以达到180kV-270kV左右，降低了电击穿的风险，提升离子加速能量，同样数量的射频加速单元串联可以达到2-3倍的加速能量。传统连续波高能离子注入机的总功率如果在30-100kW，采用脉冲模式，射频脉冲工作比为10%，周期脉冲射频加速系统的功率将为连续波射频加速系统的十分之一，使得周期脉冲高能离子注入机的总功率在10-20kW即可实现同样的离子注入能量，对于厂房用电需求大大降低。

（7）由于脉冲内部束流较大才能保证离子平均束流和离子注入剂量达到预期，那么在狭长的射频加速通道，离子束流横向聚束难度就会增加。常规的连续波静电四极透镜，由于也有耐压问题，电压不能太高，导致横向聚束能力有限。在脉冲内部束流较大的场景，采用周期脉冲方式，四极透镜电极结构不改，电击穿阈值提升几倍，可以提高耐压能力，在脉冲内提高电压和横向聚束能力。

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示出了根据本公开示例性实施例的周期脉冲高能离子注入机的示意图；

图2示出了根据本公开示例性实施例的周期脉冲射频加速系统的示意图；

图3示出了根据本公开示例性实施例的射频电源产生的射频正弦电压的信号波形示意图；

图4示出了根据本公开示例性实施例的离子源脉冲与射频脉冲的包络关系示意图；

图5示出了根据本公开示例性实施例的工作脉冲宽度和扫描周期的同步示意图；

图6示出了根据本公开示例性实施例的连续波高能离子注入机和周期脉冲高能离子注入机的能耗对比示意图。

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示出了根据本公开示例性实施例的周期脉冲高能离子注入机的示意图，如图1所示，本公开的周期脉冲高能离子注入机包括：周期脉冲离子源101、引出抑制电极102、三坐标引出电极103、质量分析器104、周期脉冲射频加速系统105、能量分析器106、离子束扫描装置107、束流平行化透镜108和靶室109。

从周期脉冲离子源101周期性地产生高密度等离子体，由引出抑制电极102和三坐标引出电极103引出的离子束110呈脉冲状，经过质量分析器104的质量筛选之后，传输给周期脉冲射频加速系统105，由周期脉冲射频加速系统105将质量筛选之后的离子束110加速至高能量状态，由能量分析器106对周期脉冲射频加速系统105加速后的离子束110进行能量筛选，通过离子束扫描装置107在至少一个方向（比如，X向）上展开经过能量筛选之后的离子束110，再通过束流平行化透镜108产生平行的离子束，最后传输至靶室109完成注入。其中，通过三坐标引出电极103从周期脉冲离子源101引出的离子源脉冲和周期脉冲射频加速系统105的射频脉冲的脉冲周期同步。

进一步地，与连续波工作方式不同，周期脉冲的工作方式使高能离子注入机的周期脉冲离子源101、周期脉冲射频加速系统105等主要部件周期性地在“工作”和“休息”两种工作状态切换。当处于“工作”状态时，由引出抑制电极102和三坐标引出电极103从周期脉冲离子源101引出离子束110，经过质量分析器104的质量筛选，进入周期脉冲射频加速系统105，加速至高能量状态后由能量分析器106筛选出预定能量的束流，再经过离子束扫描装置107、束流平行化透镜108传输至靶室109，完成离子束注入；当处于“休息”状态时，没有离子从周期脉冲离子源101被引出，周期脉冲射频加速系统105与周期脉冲离子源101同步“休息”，节省射频能量损耗。

更进一步地，周期脉冲离子源101通过隔离变压器保持在引出电压的电势，内部以脉冲方式产生高密度等离子体，三坐标引出电极103从离子源引出的离子束110为正离子束流，引出抑制电极102用于防止打出的二次电子回轰离子源，引出抑制电极102和三坐标引出电极103在结构上绑定在一起，X、Y、Z三个方向上的位置可以调节。质量筛选是指质量分析器104从引出的离子束110中筛选出需要的离子种类，其工作方式、设计与连续波高能离子注入机相同。周期脉冲射频加速系统105的腔室、射频加速单元、四极透镜的结构保持连续波高能离子注入机尺寸几乎不变。能量分析器106、离子束扫描装置107、束流平行化透镜108和靶室109与连续波高能离子注入机基本一致。

在本公开实施例中，如图1所示，不同于直流电源引出匀恒的连续波离子束，周期脉冲离子源101可以在脉冲内产生高密度等离子体、脉冲外等离子体密度迅速降低为零，也即，周期脉冲离子源101可以在“工作”状态时产生高密度等离子体、“休息”状态时等离子体密度迅速降低为零，由此，在三坐标引出电极103的直流电压的引出作用下，即可在时间轴上产生周期性的离子源脉冲，实现离子束的周期性引出。

进一步地，周期脉冲离子源101的实现可以采用间热式离子源（也称IHC离子源）、微波离子源、射频类离子源或者脉冲真空弧离子源。其中：

间热式离子源包括热丝、偏置、源磁场和弧室等硬件，热丝电压电流保持连续波持续加热，偏置和源磁场同样保持连续工作模式，弧室电压则采用周期脉冲工作方式，实现周期性的离子源脉冲，超高的瞬态弧压使周期脉冲内部的离子束的等离子体密度瞬间增高；

微波离子源包括微波放大器、微波前级、微波腔室等，微波放大器电源采用连续工作方式、微波前级采用脉冲工作方式，在微波腔室中周期性起弧产生高密度等离子体，实现周期性的离子源脉冲；

射频类离子源包括射频电源、等离子体弧室、射频腔室等，射频电源采用连续工作方式、等离子体弧室采用脉冲工作方式，在射频腔室中周期性起弧产生高密度等离子体，实现周期性的离子源脉冲；

脉冲真空弧离子源包括金属阴极、起弧极等，金属阴极保持连续加电工作方式、起弧极施加周期性脉冲高压，周期性起弧产生高密度等离子体，实现周期性的离子源脉冲。

更进一步地，或者，周期性的离子源脉冲的产生方式可以是常规的连续波离子源和施加周期脉冲引出电压的三坐标引出电极103结合的方式，引出电压越大引出电流越大，周期脉冲的引出电压（200kV）在大大高于传统的直流引出电压（80kV）的情况下，仍有可能保持不会电击穿并增大脉冲内部离子源束流，由于工作方式处于“工作”和“休息”两种工作状态之间，不过由于离子源内等离子体密度并无变化，脉冲内部的引出电流增加不多。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际的生产环境选择适宜的生成方式，保证周期脉冲离子源可以产生周期性的离子源脉冲即可。

在本公开实施例中，如图2所示，周期脉冲射频加速系统105包括射频加速电极1501、四极透镜1502、射频加速单元1503、射频电源1504和指挥中心1505，射频加速电极1501、四极透镜1502、射频加速单元1503、射频电源1504一一对应，数量可以根据需要进行选择性设置。指挥中心1505控制各个射频电源1504产生的射频正弦电压1506的信号启停，经过射频加速单元1503的谐振变压处理，在射频加速电极1501上产生周期性的射频脉冲。其中，射频正弦电压1506的波形如图3所示。

进一步地，射频加速单元1503采用谐振变压方案，内部设置较大的电感L和电容C，射频电源1504向对应的射频加速单元1503馈入射频正弦电压1506，射频正弦电压1506的幅度由指挥中心1505的脉冲信号调制，使得射频加速单元1503输出周期性的射频脉冲。由于射频加速单元1503在射频正弦电压1506的信号启停过程中响应时间较长（比如，建立和消散时间在100左右），如图4所示，表现在射频加速单元1503产生的射频脉冲1507上时，即为脉冲包络的上升沿和下降沿较为明显（上升沿和下降沿表示射频正弦电压1506的幅度包络不断变化），因此，为了确保预期的脉冲式能量加速，三坐标引出电极103引出的离子束110的离子源脉冲1101需要采用图4中所示的“套脉冲”的方式避开射频加速电极1501引出的射频脉冲1507的上升沿和下降沿，让有效的离子束出现在射频脉冲1507的脉冲包络线的平顶处。以一个应用场景为例，射频电源1504的射频工作频率/>为13.56MHz、射频脉冲工作比/>为4%，射频加速单元1503产生的射频脉冲的射频脉冲频率/>为200Hz、射频脉冲周期/>为5ms、射频脉冲宽度/>为200/>，射频脉冲工作比/>为4%（），可见，射频工作频率/>远超射频脉冲频率/>，即。如图2所示，射频脉冲宽度/>（简称射频脉宽）包括上升沿和平顶，也即，上升沿约100/>、平顶约100/>在脉冲内部，下降沿约100/>在脉冲外部；其中，射频脉宽的平顶区域即为射频脉冲的可用时间段，离子源脉冲出现在这个时间段即可实现有效加速，射频脉宽内包括了上千个完整的射频工作频率的工作周期，因此，射频脉宽内的物理过程其实与连续波无异。

更进一步地，通过三坐标引出电极103从周期脉冲离子源101引出的离子源脉冲和通过射频加速电极1501从射频加速单元1503引出的射频脉冲的脉冲周期同步，如图4所示，离子源脉冲1101和射频脉冲1507的离子源脉冲频率和射频脉冲频率/>相同，即，相应地，离子源脉冲1101的离子源脉冲周期/>和射频脉冲1507的射频脉冲周期/>也就相同，即/>，在相对延时精确可调的情况下，即可实现离子源脉冲1101的离子源脉宽完全被“套”在射频脉冲1507的平顶区域内，因此，对于周期脉冲高能离子注入机而言，真正有效的工作脉冲宽度是射频脉冲1507的射频脉宽/>的平顶与离子源脉冲1101的离子源脉宽/>交叠的时间段/>。其中，离子源脉宽/>即为离子源脉冲的可用时间段，包括上升沿、平顶和下降沿，虽然离子源脉冲1101也有上升沿和下降沿，但是并不影响加速效果，只是反映加速到一定能量的离子数量有变化；射频脉冲1507的上升沿和下降沿会影响离子加速能量，对应上升沿和下降沿时间段的离子最终被能量分析器106剔除，因此应避免离子束在这个区间出现。

在本公开实施例中，由于周期脉冲离子源101和射频电源1504的脉冲都是可控的，因此，离子源脉宽和射频脉宽/>可以根据需要进行选择性设置，无需要求周期脉冲离子源101和周期脉冲射频加速系统105同时启动“工作”、或者同时启动“休息”，也就是说，离子源脉宽/>和射频脉宽/>可以相同或者不同，但是离子源脉宽/>和射频脉宽/>的平顶区域必须在时间上有交叠，对应的工作脉冲宽度/>才是周期脉冲高能离子注入机的真正工作时间，因此射频脉宽/>一般更大。

进一步地，在离子源脉宽和射频脉宽/>相同的情况下，采用“套脉冲”工作模式的离子源脉冲工作比/>小于等于射频脉冲工作比/>，即：

。其中，/>。

更进一步地，离子源脉冲的离子源脉冲周期和射频脉冲的射频脉冲周期为1~10ms，离子源脉冲工作比/>和射频脉冲工作比/>为1%~20%。

在本公开实施例中，射频加速电极1501和四极透镜1502的结构与传统的连续波高能离子注入机相同，但是，由于本公开的离子源脉冲1011为周期脉冲，因此，“工作”状态下离子束峰值远高于传统的连续波离子束，离子之间的空间电荷力相应地会增加很多，故而要求的横向约束增强，本公开通过在四极透镜1502的透镜电源上施加周期性的脉冲电压，使得四级透镜1502产生周期性的四级透镜脉冲，在不改变传统连续波高能离子注入机的施加直流高压的四级透镜的结构的情况下，周期性的四级透镜脉冲的脉冲电压会让四极透镜1502的峰值耐压极限大大提升，从而满足强流横向聚束的需求。

或者，四级透镜1502的透镜电源上也可以根据实际的生产成本选取传统的直流电压。

更进一步地，四极透镜1502上施加的周期脉冲与射频电源1504、周期脉冲离子源101的周期脉冲同步，也即，四级透镜脉冲的透镜脉冲频率、离子源脉冲频率/>和射频脉冲频率/>满足如下关系：

。

在本公开实施例中，在射频电源1504、四极透镜1502的透镜电源全部采用周期脉冲的工作方式的情况下，各个射频电源1504不但要求脉冲同步，使得各个射频加速单元1503的射频脉冲1507保持严格同步，还要求脉冲内部射频正弦电压1506锁相并能精确移相，以保证射频加速的正常进行。以另一个应用场景为例，射频脉冲、离子源脉冲、四级透镜脉冲的射频脉冲频率、离子源脉冲频率/>、透镜脉冲频率/>皆为200Hz，对应的射频脉冲周期/>、离子源脉冲周期/>、透镜脉冲周期/>皆为5ms，射频脉冲工作比/>为4%，射频脉宽/>为200/>，原来连续波高能离子注入机工作在90kV的射频加速单元现在有能力工作在约180kV的峰值射频电压水平，使得加速能力大大提升，而平均束流却减少为连续波状态的4%甚至更少，在此情况下，周期脉冲离子源101可以提高脉冲内部的等离子体峰值密度，增大平均束流，节省注入时间，实现周期脉冲高能离子注入机多快好省地注入，缩减机台消耗的时间成本，降低机台的注入成本；或者，也可以将周期脉冲高能离子注入机应用于高能量小束流的生产场景，实现周期脉冲高能离子注入机的价值最大化。

进一步地，或者，由于离子束110在飞越周期脉冲射频加速系统105时，第一个射频加速单元1503和最后一个射频加速单元1503之间存在量级的时间差，也可以设置各个射频加速单元1503的轻微时延。

在本公开实施例中，如图5所示，离子束扫描装置107可以采用连续扫描，扫描电压是连续的，并不会中断，但是，由于扫描周期与前述的脉冲宽度数量级差不多，为了保持离子注入机前后工作一致、避免束流紊乱、保证最佳的注入效果，优选离子束有效工作的周期对应整数个横向的扫描周期。加速后的离子束真正有效的脉冲宽度是射频脉冲1507的平顶与离子源脉冲1101的离子源脉宽的交集对应的工作脉冲宽度/>，因此，/>和离子束扫描装置107的扫描周期/>满足如下关系：

。

上式中，是比较容易实现的，但是，为了增加束流均匀性，优选/>。同时，为了保证步调一致，脉冲周期与扫描周期要保持同步，并且能够精细调节脉冲时延或者扫描电压波形的相移。对于靶室区的运动部件而言，通常情况下需要与前面的周期脉冲相协调，离子束工作时部件运动、离子束停止时部件停止运动，但是，单晶片注入模式下机械运动远比束流扫描缓慢（比如，离子束“工作”1ms、“休息”9ms，一个周期内，晶片运动仅仅在几十微米以下，远小于几十毫米的束斑直径），故而靶室区运动部件的运动与连续波模式下相同即可，无需考虑同步问题。如果晶片运动需要加快，也可适当减少脉冲“休息”时间，选择折中方案，根据实际生产需求进行选择性设置即可。

其中，如果不是整数倍的/>，每次一批加速后的离子束到来时，由于位于不同的扫描电压，扫描注入到晶片上的起点和终点不同，在一个维度上的电扫描速度与另一个维度上的机械扫描速度差异很大的情况下还不是问题，一旦两个维度的速度差异较小，每次扫描的起点和终点不同可能会引起晶片表面注入不均匀。

进一步地，高能离子注入机的离子束脉动式地、一批一批注入到晶片上，相较于传统的连续波注入，可以降低晶片注入的热效应。

如图6所示，传统的连续波高能离子注入机采用的多极连续波驻波加速方案，持续的连续波注入导致高能离子注入机成为高能耗设备，在一套几十千瓦的连续波高能离子注入机中，工作在连续波模式的十几台射频电源占据了60%-90%的功率，射频电源的用电量极高。在本公开实施例中，本公开的周期脉冲高能离子注入机的射频电源全部采用脉冲模式，使得射频电源的用电功率瞬间降低，相应地，整个机台的用电量也大幅降低。一方面，周期脉冲高能离子注入机在不改变整机结构、与传统的连续波高能离子注入机消耗的能耗相同的情况下，可以实现离子能量注入的高效提升，以又一个应用场景为例，射频电源的射频脉冲工作比为10%，射频加速电极耐压提升2倍，也即，整机功率降低5-10倍，离子注入能量提升2倍，能量节省显著；另一方面，周期脉冲高能离子注入机实现与传统的连续波高能离子注入机相同的注入能量的情况下，可以减少射频电源和射频加速单元的数量，降低机台占地面积，大大节省机台成本。

进一步地，周期脉冲高能离子注入机的射频电源还可以继续增加峰值功率，以进一步提升注入能量。

Claims (5)

1.一种周期脉冲高能离子注入机，其特征在于，包括：周期脉冲离子源（101）、引出抑制电极（102）、离子引出电极（103）、质量分析器（104）、周期脉冲射频加速系统（105）、能量分析器（106）、离子束扫描装置（107）、束流平行化透镜（108）和靶室（109），其中：

所述周期脉冲离子源（101）周期性地产生高密度等离子体，由所述引出抑制电极（102）和所述离子引出电极（103）引出离子束（110），经过所述质量分析器（104）的质量筛选之后传输给所述周期脉冲射频加速系统（105），所述周期脉冲射频加速系统（105）包括多个射频加速电极（1501）、多个四极透镜（1502）、多个射频加速单元（1503）和多个射频电源（1504），所述周期脉冲射频加速系统（105）的射频脉冲的脉冲周期与所述周期脉冲离子源（101）的离子源脉冲的脉冲周期同步，通过所述离子引出电极（103）从所述周期脉冲离子源（101）引出的离子源脉冲的离子源脉冲频率、所述射频电源（1504）的射频工作频率/>、以及通过所述射频加速电极（1501）从所述射频电源（1504）幅度调制得到的射频脉冲的射频脉冲频率/>满足如下关系：

；

；

所述离子源脉冲和所述射频脉冲采用套脉冲的工作模式，所述射频脉冲的脉冲包络线包括上升沿、平顶和下降沿，所述离子源脉冲的离子源脉宽嵌套于所述射频脉冲的射频脉宽/>的平顶内，所述周期脉冲高能离子注入机的工作脉冲宽度为所述离子源脉宽/>和所述射频脉宽/>的平顶的交集/>；

所述透镜电源施加于所述四极透镜（1502）上的电压为脉冲电压，所述四极透镜（1502）上的四级透镜脉冲与所述射频脉冲、所述离子源脉冲同步，所述四级透镜脉冲的透镜脉冲频率、所述离子源脉冲的离子源脉冲频率/>和所述射频脉冲的射频脉冲频率满足如下关系：

；

由所述周期脉冲射频加速系统（105）将质量筛选之后的离子束（110）加速至高能量状态，加速后的离子束（110）传输至所述能量分析器（106）进行能量筛选，通过所述离子束扫描装置（107）在至少一个方向上展开经过能量筛选之后的离子束（110），再经由所述束流平行化透镜（108）产生平行的离子束（110），最后传输至所述靶室（109）完成注入。

2.如权利要求1所述的周期脉冲高能离子注入机，其特征在于，所述离子源脉冲的离子源脉冲频率、离子源脉宽/>、离子源脉冲工作比/>，以及所述射频脉冲的射频脉冲频率/>、射频脉宽/>、射频脉冲工作比/>满足如下关系：

；

。

3.如权利要求2所述的周期脉冲高能离子注入机，其特征在于，

。

4.如权利要求1所述的周期脉冲高能离子注入机，其特征在于，所述离子束扫描装置（107）的扫描周期和所述工作脉冲宽度/>满足如下关系：

。

5.如权利要求1所述的周期脉冲高能离子注入机，其特征在于，所述离子源脉冲的离子源脉冲周期和所述射频脉冲的射频脉冲周期/>为1~10ms，所述离子源脉冲的离子源脉冲工作比/>和所述射频脉冲的射频脉冲工作比/>为1%~20%。