CN1979749B - 均匀磁场平行束透镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均匀磁场平行束透镜系统，该系统包括上磁极、下磁极、侧磁轭、上磁轭、下磁轭、上线包、下线包、真空盒、冷却板。其中上磁轭和下磁轭之间螺钉连接有上磁极和下磁极；上磁极和下磁极之间放置真空盒；上磁极外侧螺钉连接上线包；下磁极外侧螺钉连接下线包；上线包、下线包中间都有用于冷却线包的冷却板；上线包、下线包外侧，上磁轭和下磁轭之间螺钉连接有侧磁轭。本发明能使离子束出射线平行，并可以通过调节加到上下线包的电流大小来控制半径以及平行度。

Description

均匀磁场平行束透镜系统

技术领域

本发明涉及一种平行束磁透镜系统，尤其涉及一种均匀磁场平行束透镜系统。

背景技术

现有半导体集成电路制造技术中，随着半导体集成电路技术的发展，集成度越来越高，电路规模越来越大，电路中单元器件尺寸越来越小，对各半导体工艺设备提出了更高的要求。离子注入机作为半导体离子掺杂工艺线的关键设备之一，也提出了很高的要求。尤其是对能量污染与粒子污染的要求，对均匀性、重复性的要求，对束流定向注入的要求也越来越高。另一方面，为了提高生产效率，晶片尺寸也越来越大(300mm)，因此将束流平行地传输到晶片上显得尤其重要。

随着器件特征尺寸的缩小和进入180nm以下时，离子注入设备在束平行性、束能量纯度、注入深度控制、注入重复性、均匀性与生产率等方面也受到非常严峻的挑战，离子注入机需要采用大倾角离子注入方式。

通常的离子注入机，对注入离子束的形状要求不高，直接用静电(水平、垂直)扫描进行注入即可。随着IC业的迅速发展，集成度增加，线条变细，离子束的角度差别直接影响器件的工艺性能，所以对注入离子束的平行度提出了很高的要求。需设计专用平行束透镜来校正离子束的角度。

平行束可以使整个晶片上的注入角度保持一致，提高均匀性和重复性，并可以防止入射离子在半导体晶片的晶格结构上产生沟道效应，也可以使之产生均匀的所需要的沟道，因此，平行束在大角度离子注入机中也是必须的。

均匀磁场中离子束入射和出射模型如图1所示，磁场区域为CDEF，离子束中心平面(水平面)xoz，z为扫描中心束运动方向，x与束偏转方向相反，θ为扫描角度，β为中心束(未经扫描)经过均匀场区B(方向垂直穿出纸面)后偏转的角度，也就是通过校正后的束运动方向。

(1)场区为一个均匀磁场区

(2)扫描点为坐标原点

(3)离子入射面的磁场边界C、D满足x₀＝f_入(z_o)

(4)tgθ＝k₀＝x₀/z₀

平行束的条件是无论θ为多少的束线，经均匀场区域B后，其运动方向均与z轴的夹角均为β。

带电粒子进入均匀磁场场区，在磁场B的作用下，作圆周运动，偏转半径为R：

$R=\frac{\sqrt{2\mathrm{Em}}}{\mathrm{qB}}---\left(1\right)$

式中：E为离子能量；m为离子质量；q为离子电量；R为偏转半径，B为磁场。

如果入射粒子以θ角度由场区边界(z₀，x₀)进入，则开始作半径为R的圆周运动，其运动轨迹为：

(X-b)²+(Z-a)²＝R²               (2)，

该圆应该在(z₀，x₀)点与射线A相切，由此条件可求出偏转圆心的位置(a，b)。

求解如下：

(X₀-b)²+(Z₀-a)²＝R²             (4)

过圆上一点(z₀，x₀)切线的斜率为：

k₀＝-(z₀-a)/(x₀-b)              (5)

式中k₀为射线A的斜率(即粒子运动方向)

由(5)可解得：

(Z₀-a)²＝k₀ ²*(X₀-b)² 代入(4) 得

(k₀ ²+1)*(X₀-b)²＝R²

(X₀-b)²＝R²/(k₀ ²+1)

$\stackrel{.}{..}b=X_0-\frac{R}{\sqrt{1+{k_0}^2}}---\left(6\right)$

同理可得：

$a=z_{0+}\frac{{\mathrm{Rk}}_0}{\sqrt{1+{k_0}^2}}---\left(7\right)$

当经(z，x)点离开磁场区域时，该点的出射线斜率为k(k＝-tgβ)，该出射线C也应该在(z，x)点也与该圆相切。

由此条件可以求出满足k与入射条件的出射点(z，x)。

(x-b)²+(z-a)²＝R²        (8)

$k=-\frac{z-a}{x-b}---\left(9\right)$

解上述方程组(8)，(9)，并将(6)，(7)代入可得：

$z=a-\frac{\mathrm{kR}}{\sqrt{1+k^2}}=z_0+\frac{k_{0}R}{\sqrt{1+{k_0}^2}}-\frac{\mathrm{kR}}{\sqrt{1+k^2}}---\left(10\right)$

$x=b+\frac{R}{\sqrt{1+k^2}}=x_0-\frac{R}{\sqrt{1+{k_0}^2}}+\frac{R}{\sqrt{1+k^2}}---\left(11\right)$

由(10)，(11)式变形得：

${(z+\frac{\mathrm{kR}}{\sqrt{1+k^2}})}^2={(z_0+\frac{k_{0}R}{\sqrt{1+{k_0}^2}})}^2---\left(12\right)$

${(x-\frac{R}{\sqrt{1+k^2}})}^2={(x_0-\frac{R}{\sqrt{1+{k_0}^2}})}^2---\left(13\right)$

令 ${(z+\frac{\mathrm{kR}}{\sqrt{1+k^2}})}^2+{(x-\frac{R}{\sqrt{1+k^2}})}^2=M^2,---\left(14\right)$

式中M为一个常数(由光路给定的结构尺寸定义)，而相应的入射点应该满足：

${(x_0-\frac{R}{\sqrt{1+{k_0}^2}})}^2+{(z_0+\frac{k_{0}R}{\sqrt{1+{k_0}^2}})}^2=M^2,---\left(15\right)$

(15)式展开：

$({x_0}^2-\frac{2x_{0}R}{\sqrt{1+{k_0}^2}}+\frac{R^2}{1+{k_0}^2})+({z_0}^2+\frac{2z_0{k}_{0}R}{\sqrt{1+{k_0}^2}}+\frac{{k_0}^2{R}^2}{1+{k_0}^2})=M^2,$

下面定义则可以得到：

x₀ ²+z₀ ²＝M²-R²＝L²        (16)

式中L定义为由等效扫描点到角度校正器的距离，也就是角度校正器物距。

也就是说，当入射面满足x₀ ²+z₀ ²＝M²-R²时，那么出射面就满足

${(z-\frac{\mathrm{kR}}{\sqrt{1+k^2}})}^2+{(x+\frac{R}{\sqrt{1+k^2}})}^2=M^2---\left(17\right)$

发明内容

为了使离子注入机的注入离子束为平行，本发明提供一种均匀磁场平行束透镜系统，该系统根据背景技术中式(16)、(17)设计而成。

本发明的技术方案是这样实现的：均匀磁场平行束透镜系统包括上磁极、下磁极、侧磁轭、上磁轭、下磁轭、上线包、下线包、真空盒、冷却板。其中上磁轭和下磁轭之间螺钉连接有上磁极和下磁极；上磁极、下磁极相互平行，磁极入射面由公式(16)确定，磁极出射面由公式(17)确定；上磁极和下磁极之间放置真空盒，真空盒是离子束通道；上磁极外侧螺钉连接上线包；下磁极外侧螺钉连接下线包；上线包、下线包串联使用，在线包中施加恒定的直流电流，在上下磁极之间产生恒定的磁场；上线包、下线包中间都有用于冷却线包的冷却板；上线包、下线包外侧，上磁轭和下磁轭之间螺钉连接有侧磁轭，侧磁轭与上磁轭、下磁轭构成磁场回路。

本发明具有以下优越效果：

1.使离子束注入角度保持一致，保证均匀性和重复性，并可以防止入射离子在半导体晶片的晶格结构上产生沟道效应，也可以使之产生均匀的所需要的沟道。

2.可以通过调节加到上下线包的电流大小来控制半径R、以及平行度。

附图说明

图1是本发明的均匀磁场中离子束入射和出射模型。

图2是本发明所述的均匀磁场平行束透镜系统剖面图。

图3是本发明所述的均匀磁场平行束透镜系统A-A剖面视图。

其中：

1-侧磁轭

2-上磁轭

3-上磁极

4-真空盒

5-上线包

6-冷却板

7-侧磁轭

8-下线包

9-下磁轭

10-下磁极

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明包括侧磁轭1、上磁轭2、上磁极3、真空盒4、上线包5、冷却板6、侧磁轭7、下线包8、下磁轭9、下磁极10。

其中上磁轭2和下磁轭9之间螺钉连接有上磁极2和下磁极10；上磁极2和下磁极10之间放置真空盒4，真空盒4是离子束通道；上磁极3外侧螺钉连接上线包5；下磁极10外侧螺钉连接下线包8；上线包5、下线包8串联使用，在线包中施加恒定的直流电流，在上磁极3和下磁极10之间产生恒定的磁场；上线包5、下线包8中间都有用于冷却线包的冷却板6；上线包5、下线包8外侧，上磁轭2和下磁轭9之间螺钉连接有侧磁轭1、7，侧磁轭1、7与上磁轭2、下磁轭9构成磁场回路。

上磁极2、下磁极10相互平行，磁极入射面CD满足x₀ ²+z₀ ²＝M²-R²＝L²，磁极出射面EF满足

其中定义离子束中心平面(水平面)为xoz，z为扫描中心束运动方向，x与束偏转方向相反，θ为扫描角度，β为中心束(未经扫描)经过均匀场区B(方向垂直穿出纸面)后偏转的角度，也就是通过校正后的束运动方向，则式中x₀、z₀为入射面CD的坐标值，x、z为出射面EF的坐标值。M、L、R均为用户设定值，M由光路给定的结构尺寸定义，L定义为由等效扫描点到角度校正器的距离，也就是角度校正器物距，R为离子偏转半径，k＝-tgβ。

这样，距离入射面L处开始扫描的束流A经过该均匀场平行束透镜系统离开出射面时已经成为与未扫描的束中心束成β度(K＝-tgβ)的平行束G(如图1所示)。

该平行系统可在出射面产生大于300mm宽的平行束流。其束流平行度小于等于0.2度。

本发明的特定实施例已对发明内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (5)

1.一种均匀磁场平行束透镜系统，包括上磁极、下磁极、侧磁轭、上磁轭、下磁轭、上线包、下线包、真空盒、冷却板，其特征在于：上磁轭和下磁轭之间螺钉连接有上磁极和下磁极；上磁极和下磁极之间放置真空盒；上磁极外侧螺钉连接上线包；下磁极外侧螺钉连接下线包；上线包、下线包中间都有冷却线包的冷却板；上线包、下线包外侧，上磁轭和下磁轭之间螺钉连接有侧磁轭。

2.根据权利要求1所述的均匀磁场平行束透镜系统，其特征在于上磁极、下磁极相互平行。

3.根据权利要求1所述的均匀磁场平行束透镜系统，其特征在于上下磁极的入射面由x₀ ²+z₀ ²＝M²-R²＝L²确定，其中定义离子束中心平面为xoz，z为扫描中心束运动方向，x与束偏转方向相反，θ为扫描角度，β为未经扫描的中心束经过均匀场区B后偏转的角度，式中x₀、z₀为入射面的坐标值，x、z为出射面的坐标值；M、L、R均为用户设定值，M由光路给定的结构尺寸定义，L定义为由等效扫描点到角度校正器的距离，R为离子偏转半径。

4.根据权利要求3所述的均匀磁场平行束透镜系统，其特征在于上下磁极的出射面由 ${(z+\frac{\mathrm{kR}}{\sqrt{1+k^2}})}^2+{(x-\frac{R}{\sqrt{1+k^2}})}^2=M^2=L^2+R^2$ 确定，式中k＝-tgβ。

5.根据权利要求1所述的均匀磁场平行束透镜系统，其特征在于上线包、下线包串连。

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