CN117438265B - 调速偏转组件及离子注入机 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体技术领域，公开了一种调速偏转组件及离子注入机，调速偏转组件包括调速模块和偏转模块，调速模块包括调速电极和抑制电极，调速电极设置于抑制电极的下游，抑制电极用于抑制前端束流电子、防止前端离子束产生横向束流发散，调速电极包括加速模式、减速模式和漂移模式，调速电极通过调整电位切换工作模式，加速模式时，使离子束加速至预定能量；减速模式时，使离子束减速至预定能量；漂移模式时，抑制束流电子、防止离子束产生横向发散；偏转模块设置在调速模块的下游，用于使经调速模块处理后的离子束偏转预定角度。离子注入机包括上述调速偏转组件。调速模块具有三种工作模式，可根据实际需要灵活选择，偏转模块消除能量污染。

Description

调速偏转组件及离子注入机

技术领域

本发明属于半导体技术领域，更加具体来说，本发明涉及一种调速偏转组件及离子注入机。

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。

注入深度与离子束的能量直接相关，降低离子能量可以实现较浅的离子注入深度，增大离子束的电流可以提供较大剂量的注入。但目前离子注入机只能进行单一的加速或减速，形式比较单一，且离子束在加减速过程中会引出能量污染，造成束流损失。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明创新地提供了一种调速偏转组件及离子注入机，调速模块具有三种工作模式，可根据实际需要灵活选择对离子束加速、减速或漂移，偏转模块用于使离子束偏转一定角度，消除由于加速、减速带来的能量污染，且减速模式下低能束流漂移长度更短，有利于节省结构空间和减少低能束流损失。

为实现上述的技术目的，本发明第一方面公开了一种调速偏转组件，包括调速模块和偏转模块，

所述调速模块包括调速电极和抑制电极，所述调速电极设置于所述抑制电极的下游，所述抑制电极用于抑制前端束流电子、防止前端离子束产生横向束流发散，所述调速电极包括加速模式、减速模式和漂移模式，所述调速电极通过调整电位切换工作模式，加速模式时，所述调速电极用于使离子束加速至预定能量；减速模式时，所述调速电极用于使离子束减速至预定能量；漂移模式时，所述调速电极用于抑制束流电子、防止离子束产生横向发散；

所述偏转模块设置在所述调速模块的下游，用于使经调速模块处理后的离子束偏转预定角度。

进一步地，所述抑制电极的地电位为前端电极、相对前端电极电位为负电位；加速模式时，所述调速电极的地电位为大地、相对前端电极电位为负电位；减速模式时，所述调速电极的地电位为大地、相对前端电极电位为正电位；漂移模式时，所述调速电极与抑制电极接同一电位。

进一步地，所述偏转模块包括多对垂直偏转电极和一对水平聚焦电极，多对垂直偏转电极在水平方向上前后排布，所述水平聚焦电极设置于多对垂直偏转电极的上下排布的两行电极之间；减速模式时，多对垂直偏转电极中的至少一对垂直偏转电极用于使减速后的离子束偏转；加速模式和漂移模式时，所有的垂直偏转电极均用于使离子束偏转。

进一步地，减速模式时，用于偏转离子束的垂直偏转电极的两个电极间具有电压差，其余垂直偏转电极的上下两个电极施加相等电压；加速模式和漂移模式时，所有的垂直偏转电极的上下两个电极均具有电压差。

进一步地，垂直偏转电极的数量为三对，减速模式时，三对垂直偏转电极中处于中间的一对垂直偏转电极用于使减速后的离子束偏转。

进一步地，三对垂直偏转电极之间的水平间距相同，加速模式和漂移模式时，前后两对垂直偏转电极的上下电极间的电压差相同。

进一步地，所述抑制电极的形状为中间开孔的板状、上下不相连的杆状或上下不相连的棒状；所述调速电极的形状为中间开孔的板状、上下不相连的杆状或上下不相连的棒状。

进一步地，所述垂直偏转电极的每个电极的形状为圆形杆状或方形。

进一步地，所述水平聚焦电极的每个电极的形状为中间不相连的杆状或中间不相连的板状。

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、质量分析器、调焦装置、平行化磁铁和上述第一方面所述的调速偏转组件，

所述离子源用于生成离子束；

所述质量分析器设置在所述离子源的下游，用于对离子束进行质量分析并筛选出注入所需的离子种类；

所述调焦装置设置在所述质量分析器的下游，用于聚焦或散焦，使筛选后的离子束束流汇聚或发散；

所述平行化磁铁设置于所述调焦装置的下游，用于使汇聚或发散后的离子束平行化；

所述调速偏转组件设置在所述平行化磁铁的下游，用于对平行化处理后的离子束进行加速、减速或漂移以及偏转。

本发明的有益效果为：

本发明的调速偏转组件及离子注入机，调速模块具有三种工作模式，可根据实际需要灵活选择对离子束加速、减速或漂移，偏转模块用于使离子束偏转一定角度，消除由于加速、减速带来的能量污染，且减速模式下低能束流漂移长度更短，有利于节省结构空间和减少低能束流损失。

附图说明

图1是本发明实施例的调速偏转组件的示意图。

图2是本发明实施例的调速模块的结构示意图。

图3是本发明实施例的偏转模块的结构示意图。

图4是本发明实施例的电位接线图。

图5是本发明实施例的电极位置与偏转角度关系图。

图6是本发明实施例漂移模式下的束流偏转示意图。

图7是本发明实施例减速模式下的束流偏转示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明提供的调速偏转组件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调速偏转组件，如图1所示，包括调速模块和偏转模块，调速模块用于调整离子束至预定能量，如图1和2所示，调速模块包括调速电极202和抑制电极201，调速电极202设置于抑制电极201的下游，抑制电极201用于抑制前端束流电子、防止前端离子束产生横向束流发散，离子束经抑制电极201抑制后进入调速电极202进行处理，抑制电极201的形状为中间开孔的板状、上下不相连的杆状或上下不相连的棒状，调速电极202的形状为中间开孔的板状、上下不相连的杆状或上下不相连的棒状。抑制电极201和调速电极202的形状根据离子注入机的布局和尺寸进行设置。如图2所示，在本实施例中，抑制电极201和调速电极202均为中间开孔的板状，离子束经过抑制电极201和调速电极202中间的孔。调速电极202包括加速模式、减速模式和漂移模式，调速电极202通过调整电位切换工作模式，加速模式时，调速电极202用于使离子束加速至预定能量；减速模式时，调速电极202用于使离子束减速至预定能量；漂移模式时，调速电极202用于抑制束流电子、防止离子束产生横向发散；在加减速过程中，离子束会引出能量污染。如图1所示，偏转模块设置在调速模块的下游，用于使经调速模块处理后的离子束偏转预定角度，消除加减速带来的能量污染，减少低能束流损失。

在本实施例中，加速模式时，抑制电极201的地电位为前端电极、相对前端电极电位为负电位，调速电极202的地电位为大地、相对前端电极（即抑制电极201）电位为负电位，实现加速目标；减速模式时，抑制电极201的地电位为前端电极、相对前端电极电位为负电位，调速电极202的地电位为大地、相对前端电极（即抑制电极201）电位为正电位，实现减速目标；漂移模式时，抑制电极201的地电位为前端电极、相对前端电极电位为负电位，调速电极与抑制电极201接同一电位，共同起到抑制作用。通过调整调速电极的电位即可切换工作模式，切换方式简单、易操作。

如图1和3所示，偏转模块包括多对垂直偏转电极和一对水平聚焦电极，多对垂直偏转电极在水平方向上前后排布，垂直偏转电极间具有水平间距，水平聚焦电极设置于多对垂直偏转电极的上下排布的两行电极之间，垂直偏转电极用于使离子束束流在垂直方向偏转一定角度，由于垂直偏转和束流空间电荷效应带来的水平发散，因此设置水平聚焦电极用于控制束流水平宽度，减少水平方向束流能量损失。垂直偏转电极的数量和电极间的水平间距根据实际偏转角度和消除能量强度需求设置。减速模式时，多对垂直偏转电极中的至少一对垂直偏转电极用于使减速后的离子束偏转；减速模式下，束流减速至预定能量，束流能量较低，因此无需全部的垂直偏转电极进行角度偏转，用于偏转离子束的垂直偏转电极的数量根据减速后束流能量调整。加速模式和漂移模式时，所有的垂直偏转电极均用于使离子束偏转，由于加速和漂移的束流能量较高，因此需要多次偏转，每对电极均提供一定角度偏转，最终实现束流整体偏转目标，消除能量污染。通过用于偏转角度的垂直偏转电极的数量和电极间水平间距的选择，可调整各模式的离子束的出口角度和位置，可以实现各模块下最终离子束的出口角度和位置相近或一致。

垂直偏转电极的每个电极的形状为圆形杆状或方形。水平聚焦电极的每个电极的形状中间不相连的杆状或中间不相连的板状，水平聚焦电极的两个电极水平排布，两个电极之间的距离根据实际离子注入机的尺寸和生产需要灵活调整，垂直偏转电极和水平聚焦电极的形状根据离子注入机的尺寸和布局灵活选择。离子束从垂直偏转电极的上下两个电极之间穿过，从水平聚焦电极的每个电极自身的中间间隙穿过。

在本实施例中，减速模式时，用于偏转离子束的垂直偏转电极的两个电极间具有电压差，其余垂直偏转电极的上下两个电极施加相等电压，减少低能离子束传输距离，并提供相应束流控制功能；加速模式和漂移模式时，所有的垂直偏转电极的上下两个电极均具有电压差，每对电极提供一定角度偏转，最终实现束流整体偏转目标。通过调整垂直偏转电极的接线方式调整电位关系，即可实现偏转角度的调整，根据调速电极的不同工作状态适应性调整偏转模块的电位，进而调整离子束的偏转角度，可最终实现各模式下离子束出口角度和位置相近或一致，操作方法简单。

在本实施例中，如图1和3所示，垂直偏转电极的数量为三对，减速模式时，三对垂直偏转电极中处于中间的一对垂直偏转电极用于使减速后的离子束偏转，便能满足减速后能量污染的消除。加速模式和漂移模式时，三对垂直偏转电极均用于使离子束偏转，每对垂直偏转电极分别使束流偏转一定角度，最终实现束流整体偏转，进而消除加速后或漂移的能量污染。

进一步地，三对垂直偏转电极之间的水平间距相同，加速模式和漂移模式时，前后两对垂直偏转电极的上下电极间的电压差相同，能保证各模式下离子束出口角度和位置一致。

如图1所示，偏转模块包括是三对垂直偏转电极（第一对垂直偏转电极301、302，第二对垂直偏转电极303、304，第三对垂直偏转电极305、306）和中间的一对水平聚焦电极307、308。抑制电极201和调速电极202均呈中间开孔的板状，中间开孔可供束流通过，电极101与前端束线电位一致，抑制电极201的地电位为电极101、相对电极101为负电位，抑制电极201的电位比其前端的电极101低，可以抑制前端束流电子进入调速偏转组件腔体内，造成前端束流由于空间电荷效应发散。调速电极202电位可以比抑制电极201电位高，对离子束束流起到预减速作用，即为本实施例的减速模式；调速电极202电位可以比抑制电极201电位低，对束流起到加速作用，即为本实施例的加速模式；调速电极202电位也可以与抑制电极201电位一致，共同起抑制作用，为本实施例的漂移模式。

图4所示为本实施例的电位接线图。其中电极101的电位为V1，抑制电极201的电位在V1之下，为V2，起抑制电子作用。调速电极202电位可以接V2，与抑制电极201一起，起抑制作用，即本实施例的漂移模式；也可以接V3，电位比V2高，起预减速作用，即本实施例的减速模式；也可以接V3，电位比V2低，起加速作用，即本实施例的加速模式。第一对垂直偏转电极的上电极301电位为V8、下电极302电位为V4，在漂移模式和加速模式下，V8＞V4，离子束在第一对垂直偏转电极处有偏转；在减速模式下，V8=V4，离子束在第一对垂直偏转电极处没有偏转。第二对垂直偏转电极的上电极303电位为V10、下电极304电位为V5，在漂移模式和加速模式下，V10＞V5，离子束在第二对垂直偏转电极处有偏转；在减速模式下，V10＞V5，离子束在第二对垂直偏转电极处有偏转。第三对偏转电极的上电极305电位为V11、下电极306电位为V7，在漂移和加速模式下，V11＞V7，离子束在第三对垂直偏转电极处有偏转；在减速模式下，V11=V7，离子束在第三对垂直偏转电极处没有偏转。水平聚焦电极307电位为V9，水平聚焦电极308电位为V6。

如图5所示，在减速模式下，离子束束流通过调速电极减速至所需要能量后，第一对垂直偏转电极的上电极301和下电极302加相等电位，第二对垂直偏转电极下电极304电位比上电极303电位低，实现偏转，第三对垂直偏转电极的上电极305和下电极306也加相等电位，束流运动至L1结束处，偏转角度为θ。在漂移和加速模式下，束流能量较高，经过三对垂直偏转电极作用分别完成偏转，在L1开始处，偏转角度记为θ1，在L1结束处，偏转角度记为θ2，在L2结束处，偏转角度记为θ3，各模式下离子束的出口角度和位置要达到一致，则L1、L2、θ1、θ2、θ3、θ应该满足：

θ1+θ2+θ3=θ（1）

L1*tan(θ1)+L2*tan(θ1+θ2)=L2*tan(θ)（2）

当θ较小时（一般小于20°），可近似得

L1*θ1+L2*（θ1+θ2)=L2*θ（3）

将（1）式关系代入（3）式得：

L1*θ1=L2*θ3（4）

特殊的，可以取L1=L2，即θ1=θ3。

因此，可通过调整垂直偏转电极的位置和电位来调整离子束的出口角度和位置，提高离子注入机的灵活性。本实施例通过调整垂直偏转电极的位置和电位可以使得各模式下离子束的出口角度和位置一致，也可以通过调整电位灵活调整工作模式和偏转的角度。三对垂直偏转电极之间的水平间距相同，减速模式时只有中间的一对垂直偏转电极具有电压差，加速模式和漂移模式时，三对垂直偏转电极的上下电极间均具有电压差，前后两对垂直偏转电极的上下电极间的电压差相同时，三种模式的离子束出口角度和位置一致。

如图6所示，漂移模式下，高能束流在三个偏转电极作用下完成轨迹偏转。如图7所示，高能束流经过减速模块减速，并在中间垂直偏转电极作用下偏转，减速至目标能量，并通过束流偏转消除减速带来的能量污染。图6和图7的离子束出口角度和位置一致。由此证明，本实施例的调速偏转组件能有效实现各模式下束流的偏转，消除加速或减速带来的能量污染，减少低能束流损失。

本实施例还公开了一种离子注入机，包括离子源、质量分析器、调焦装置、平行化磁铁和上述实施例所述的调速偏转组件。

离子源用于生成离子束，离子源能够生成硼、磷、砷、氩、氙或氮的多价离子。

质量分析器设置在离子源的下游，用于对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。

调焦装置设置在质量分析器的下游，用于聚焦或散焦，使筛选后的离子束束流汇聚或发散，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，调焦装置为多组四极透镜。

平行化磁铁设置于调焦装置的下游，用于使汇聚或发散后的离子束平行化，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。

调速偏转组件设置在平行化磁铁的下游，用于对平行化处理后的离子束进行加速、减速或漂移以及偏转，消除能量污染。最后离子束进入靶室。

本实施例的离子注入机通过调速偏转组件的设计，可根据实际生产需要灵活选择工作模式，且均能消除束流的能量污染，通过调整电位和电极的位置分布可实现三种工作模式下离子束出口角度和位置一致，提高离子注入机使用的灵活性同时提高离子注入精度。

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 (6)

1.一种调速偏转组件，其特征在于，包括调速模块和偏转模块，

所述调速模块包括调速电极和抑制电极，所述调速电极设置于所述抑制电极的下游，所述抑制电极用于抑制前端束流电子、防止前端离子束产生横向束流发散，所述调速电极包括加速模式、减速模式和漂移模式，所述调速电极通过调整电位切换工作模式，加速模式时，所述调速电极用于使离子束加速至预定能量；减速模式时，所述调速电极用于使离子束减速至预定能量；漂移模式时，所述调速电极用于抑制束流电子、防止离子束产生横向发散；

所述偏转模块设置在所述调速模块的下游，用于使经调速模块处理后的离子束偏转预定角度；所述偏转模块包括三对垂直偏转电极和一对水平聚焦电极，三对垂直偏转电极在水平方向上前后排布，三对垂直偏转电极之间的水平间距相同，所述水平聚焦电极设置于三对垂直偏转电极的上下排布的两行电极之间；减速模式时，用于偏转离子束的垂直偏转电极的两个电极间具有电压差，其余垂直偏转电极的上下两个电极施加相等电压，三对垂直偏转电极中处于中间的一对垂直偏转电极用于使减速后的离子束偏转；加速模式和漂移模式时，所有的垂直偏转电极均用于使离子束偏转，所有的垂直偏转电极的上下两个电极均具有电压差，前后两对垂直偏转电极的上下电极间的电压差相同。

2.根据权利要求1所述的调速偏转组件，其特征在于，所述抑制电极的地电位为前端电极、相对前端电极电位为负电位；加速模式时，所述调速电极的地电位为大地、相对前端电极电位为负电位；减速模式时，所述调速电极的地电位为大地、相对前端电极电位为正电位；漂移模式时，所述调速电极与抑制电极接同一电位。

3.根据权利要求1或2所述的调速偏转组件，其特征在于，所述抑制电极的形状为中间开孔的板状、上下不相连的杆状或上下不相连的棒状；所述调速电极的形状为中间开孔的板状、上下不相连的杆状或上下不相连的棒状。

4.根据权利要求1所述的调速偏转组件，其特征在于，所述垂直偏转电极的每个电极的形状为圆形杆状或方形。

5.根据权利要求1所述的调速偏转组件，其特征在于，所述水平聚焦电极的每个电极的形状为中间不相连的杆状或中间不相连的板状。

6.一种离子注入机，其特征在于，包括离子源、质量分析器、调焦装置、平行化磁铁和权利要求1-5任一项所述的调速偏转组件，

所述离子源用于生成离子束；

所述质量分析器设置在所述离子源的下游，用于对离子束进行质量分析并筛选出注入所需的离子种类；

所述调焦装置设置在所述质量分析器的下游，用于聚焦或散焦，使筛选后的离子束束流汇聚或发散；

所述平行化磁铁设置于所述调焦装置的下游，用于使汇聚或发散后的离子束平行化；

所述调速偏转组件设置在所述平行化磁铁的下游，用于对平行化处理后的离子束进行加速、减速或漂移以及偏转。