CN204834561U - 一种离子注入装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电子器件领域，公开了一种离子注入装置，包括：离子源，其用于产生并发射离子束；以及第一电极装置，其设置在离子源到样品的路径上，用于产生沿所述离子源的中轴线方向分布的锥形电场，并使所述离子束中不沿离子源的中轴线方向运动的离子在该锥形电场的作用下沿垂直于所述中轴线的方向偏转而不注入样品。此外，还在所述第一电极装置的下游设置有第二电极装置，用于产生辅助离子偏转的电场，该电场被施加时，沿中轴线方向的离子发生偏转而不注入样品，而该电场不被施加时，沿中轴线方向的离子穿过第二电极装置并注入到样品。本实用新型通过锥形电场进行离子束稀释，通过横向电场形成离子闸门，以实现少量离子甚至单离子的注入。

Description

一种离子注入装置

技术领域

本实用新型涉及电子器件领域，具体地，涉及一种离子注入装置。

背景技术

随着集成电路的集成度的进一步提高，微电子器件的尺寸从微米尺寸进一步缩小到纳米尺寸，甚至到几个纳米的大小。随之而来的是，制作器件的相关技术和工艺也必须发生变化，而离子注入就是其中的一种关键技术。本领域公知的是，在微小的器件纳米尺寸里，以特定的空间分布注入有限个数的离子，才能形成器件的合理特性。而注入少量离子，甚至几个离子是无法用单纯的场发射技术来实现的，因此需要考虑每次只注入几个甚至是单个离子的单离子注入技术。然而实现单离子注入还是很困难，如何改进单离子注入技术也已经成为迫切的技术需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种离子注入装置，用于解决少量离子甚至是单个离子的注入问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种离子注入装置，用于将离子注入样品中，包括：

离子源，其用于产生并发射离子束；以及第一电极装置，其设置在所述离子源到所述样品的路径上，用于产生沿所述离子源的中轴线方向分布的锥形电场，并使所述离子束中不沿离子源的中轴线方向运动的离子在该锥形电场的作用下沿垂直于所述中轴线的方向偏转而不注入所述样品。

优选地，所述第一电极装置包括：带有小孔的上电极板，其设置在所述离子源到所述样品的路径上，并靠近所述离子源；带有小孔的下电极板，其设置在所述离子源到所述样品的路径上，并靠近所述样品；以及第一偏压电源，其用于向所述上电极板及所述下电极板供电，以使所述上电极板与所述下电极板间形成沿所述离子源的中轴线方向分布的锥形电场；其中，所述上电极板与所述下电极板尺寸不相同，且所述上电极板与所述下电极板上的小孔的中心均在所述离子源的中轴线上，所述离子源发射的离子束经所述上电极板上的小孔进入所述锥形电场，沿离子源的中轴线方向运动的离子经下电极板上的小孔离开所述锥形电场。

优选地，所述上电极板与所述下电极板为互相平行的平面电极板。

优选地，所述上电极板与所述下电极板为曲面电极板。

优选地，所述上电极板与所述下电极板为环形电极圈。

优选地，所述上电极板与所述下电极板互相平行，且所述上电极板为平面电极板，所述下电极板为针尖中心带小孔的悬臂梁。

优选地，所述第一电极装置包括：带有针尖小孔的第一悬臂梁，且该第一悬臂梁的上下表面均镀有环形电极；以及第一偏压电源，其用于向第一悬臂梁的上下表面供电，以使第一悬臂梁的上下表面间形成沿所述离子源的中轴线方向的锥形电场；其中，所述针尖小孔的中心在所述离子源的中轴线上，所述离子源发射的离子束经针尖小孔的上端进入所述锥形电场，沿离子源的中轴线方向运动的离子经针尖小孔的下端离开所述锥形电场。

优选地，所述离子注入装置还包括：第二电极装置，其设置在所述第一电极装置的下游，用于产生辅助离子偏转的电场，该电场被施加时，沿中轴线方向进入第二电极装置的离子发生偏转而不注入所述样品，而该电场不被施加时，沿中轴线方向进入第二电极装置的离子穿过第二电极装置并注入到所述样品。

优选地，所述第二电极装置包括：电极对，其设置在所述第一电极装置的下游，用于产生辅助离子偏转的电场；第二偏压电源，其于向所述电极对供电，以使所述电极对之间形成所述辅助离子偏转的电场；以及带有小孔的阻挡部，其设置在所述辅助离子偏转的电场的下端，并靠近所述样品，且该阻挡部上的小孔的中心位于所述离子源的中轴线上。

优选地，所述第二电极装置包括：针尖带小孔的第二悬臂梁，且针尖上的小孔的中心位于所述离子源的中轴线上；以及第二偏压电源，其用于为所述第二悬臂梁供电，以使第二悬臂梁的针尖的上下两个顶端之间形成辅助离子偏转的电场。

通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过锥形电场进行离子束稀释，大大减少了通过相应小孔的离子数目，增加了实现少数离子甚至是单离子通过小孔的可能性，与此同时也对离子束作了准直。此外，还在锥形电场的下游设计了离子闸门，利用产生的辅助离子偏转的电场及阻挡部使一个或者数个离子通过，并阻断后来离子的通过，进一步实现了少量离子甚至单离子的注入。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是本实用新型中离子源发射离子束的出射路径示意图；

图2是本实用新型的实施例一中离子注入装置的结构示意图；

图3是本实用新型的实施例二中离子注入装置的结构示意图；

图4是本实用新型的实施例三中离子注入装置的结构示意图；

图5是本实用新型的实施例四中离子注入装置的结构示意图；

图6是本实用新型的实施例四中环形电极圈的俯视图；

图7是本实用新型的实施例五中离子注入装置的结构示意图；

图8是本实用新型的实施例六中离子注入装置的结构示意图；

图9是本实用新型的实施例六中悬臂梁的俯视图；

图10是本实用新型的实施例六中悬臂梁的仰视图；

图11是本实用新型的实施例七中离子注入装置的结构示意图；

图12是本实用新型的实施例八中离子注入装置的结构示意图。

附图标记说明

1、离子源，2、离子束，3、中轴线，4、样品，5、第一电极装置，6、锥形电场，7、离子偏转路径，8、样品台，9、真空腔体，10、第二电极装置；

501、上电极板，502、下电极板，503、第一偏压电源，504、第一悬臂梁；

5041、针尖根部，5042、针尖小孔，5043、悬臂梁顶端环形电极，5044、针尖顶端环形电极，5045、电极引线；

101、电极对，102、第二偏压电源，103、阻挡部、104、第二悬臂梁。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指相应轮廓的上、下、左、右，“内、外”是指相应轮廓的内和外，“远、近”是指相应轮廓的远和近。

一般情况下，离子源发射出的离子个数是巨大的，不利于实现少量离子甚至是单个离子的注入。因此，需要考虑如何从离子源发射出的离子中选取非常少量的离子。

一般的离子束发射出来后并非是平行的，如图1所示，从离子源1发射出的离子束2并非全部沿着离子源的中轴线3(以下所述的中轴线均指离子源的中轴线)出射，而是有一定的发散角度和直径。具体地，出射的离子束的直径可由离子源出口的大小调控，由于出射的离子束是有一定直径的，则离子束的方向也一定会有不同，即离子束存在一定程度的发散。

据此，可考虑使从离子源发射出来离子束沿中轴线的方向飞入一个沿中轴线方向的锥形电场，在该锥形电场中只有沿中轴线运动的离子将不受到锥形电场的横向分量的作用。对于不是沿中轴线运动的离子，如运动方向偏离中轴线一定角度的离子，或与中轴线平行但偏离中轴线中心的离子，将受锥形电场的横向分量作用沿垂直于轴线方向偏转。

因此，考虑到锥形电场对离子的影响，本实用新型给出了以下的实施例，以实现少量离子甚至是单个离子的注入。

实施例一

本实施例给出了一种用于将离子注入样品4中的离子注入装置，如图2所示，包括：离子源1，其用于产生并发射离子束2；以及第一电极装置5，其设置在所述离子源1到所述样品4的路径上，用于产生沿所述离子源的中轴线方向分布的锥形电场6，并使所述离子束2中不沿中轴线3方向运动的离子在该锥形电场6的作用下沿垂直于中轴线3的方向偏转而不注入所述样品。

本实施例中，所述第一电极装置5包括：带有小孔的上电极板501，其设置在所述离子源1到所述样品4的路径上，并靠近所述离子源1；带有小孔的下电极板502，其设置在所述离子源1到所述样品4的路径上，并靠近所述样品4，以及第一偏压电源503，其用于向所述上电极板501及所述下电极板502供电，以使所述上电极板501与所述下电极板502间形成沿中轴线方向分布的锥形电场6。该锥形电场6优选为以中轴线为对称轴的锥形分布电场。

其中，所述上电极板501与所述下电极板502尺寸不相同，且所述上电极板501与所述下电极板502上的小孔的中心均在所述离子源的中轴线3上，小孔的尺寸可以调节，以使出射方向接近中轴线的离子通过，而偏离中轴线较远的离子则无法通过小孔，直接被两个电极板所阻挡。所述离子源1发射的离子束2经所述上电极板501上的小孔进入所述锥形电场6，并在所述锥形电场6的横向分量的作用下，使离子束中不沿中轴线运动的离子沿垂直于该中轴线的方向偏转，而沿中轴线运动的离子则通过所述下电极板502上的小孔离开锥形电场6，而能注入到所述样品4。如图2所示，示意了不沿中轴线运动的离子的离子偏转路径7。

本实施例中，所述上电极板501与所述下电极板502为互相平行的平面电极板，且下电极板502的尺寸比上平板电极501小。

另外，通过调节第一偏压电源503可以调节锥形电场的产生以及电场强度，如相应的第一偏压电源503的开关断开，使两个电极板间无法产生锥形电场，则离子源发射的离子束不发生偏转。此外，本实施例中还设置了具备高精度XY位移功能的样品台8，用于放置样品4。

本实施例中，整个离子注入装置处于真空腔体9中，以最大程度保证离子束的纯度，并能减少离子束与其他粒子的散射。同时，因为离子的注入需要较高的定位精度，所以整个真空腔体都需要处于减震环境下。

本实施例中，离子束2沿中轴线3进入锥形电场6后，不是沿中轴线运动的离子，如运动方向偏离中轴线一定角度的离子，或与中轴线平行但偏离中轴线中心的离子，会被锥形电场的横向分量加速或者减速偏转，从而更加偏离中轴线，而沿中轴线3运动的离子则通过该下电极板502上的小孔注入所述样品4，从而达到稀释离子束的效果。

实施例二

相对于实施例一，如图3所示，本实施例中下电极板502的尺寸比上平板电极501大，并相应的改变了第一偏压电源的电流方向，从而形成的锥形电场的电场线方向与实施例一相反，通过该锥形电场，也能达到稀释离子束的效果。

实施例三

相对于实施例一，如图4所示，本实施例中的上电极板501与所述下电极板502为尺寸不相同的曲面电极板，通过这两个曲面电极板形成沿所述离子源的中轴线方向的锥形电场，而通过该锥形电场，也能达到稀释离子束的效果。

实施例四

相对于实施例一，如图5所示，本实施例中的上电极板501与所述下电极板502为尺寸不相同的环形电极圈，该环形电极圈的结构如图6所示，通过这两个环形电极圈形成沿所述离子源的中轴线方向的锥形电场，而通过该锥形电场，也能达到稀释离子束的效果。

实施例五

相对于实施例一，如图7所示，本实施例中的上电极板501与所述下电极板502互相平行，且所述上电极板501为平面电极板，所述下电极板502为针尖中心带小孔的悬臂梁，以使所述上电极板与所述下电极板间形成沿所述离子源的中轴线方向的锥形电场，而通过该锥形电场，也能达到稀释离子束的效果。

实施例六

如图8至图10所示，本实施例中所述第一电极装置5包括：带针尖小孔5042的第一悬臂梁504，且该第一悬臂梁504的上下表面(包括针尖顶端)均镀有环形电极；以及第一偏压电源503，其用于向第一悬臂梁的上下表面供电，以使第一悬臂梁的上下表面间形成沿所述离子源的中轴线方向的锥形电场，即在悬臂梁顶端环形电极5043与针尖顶端环形电极5044间形成沿所述离子源的中轴线方向分布的锥形电场。其中，针尖根部5041示意了针尖与悬臂梁下表面的平面板之间的界线，从而易知锥形电场是在悬臂梁顶端环形电极5043与针尖顶端环形电极5044间产生的。

其中，所述针尖小孔5042的中心在所述离子源的中轴线上，所述离子源1发射的离子束2进入所述锥形电场，所述离子源发射的离子束2经针尖小孔5042的上端进入所述锥形电场6，沿离子源的中轴线3方向运动的离子经针尖小孔5042的下端离开所述锥形电场6。在该锥形电场的横向分量的作用下，离子束中不沿离子源的中轴线运动的离子沿垂直于所述离子源的中轴线的方向偏转，而沿离子源的中轴线运动的离子则可以通过针尖小孔注入到样品。

如图9与图10所示，悬臂梁顶端环形电极5043与针尖顶端环形电极5044上设置有电极引线5045，通过电极引线5045可连接第一偏压电源503，该第一偏压电源503为两个环形电极供电，通过调节该偏压电源可以调节两个环形电极间的形成的锥形电场。其中，对于针尖顶端环形电极5044，其可根据针尖曲率半径进行选择。另外，本实施例中也设置了具备高精度XY位移功能的样品台8，用于放置样品4。

本实施例中，利用悬臂梁的两个环形电极形成锥形电场，通过该锥形电场，能达到稀释离子束的效果。

实施例七

在实施例一至实施例六的任一实施例中，随着锥形电场的电场强度增加，通过小孔的离子束束流将减少，随着锥形电场的两个电极板间的距离增加，通过小孔的离子束束流将减少。通过对锥形电场电压的调节可使得离子束减少到在一定时间内仅单个离子通过的状态，实现对离子束的稀释。

但是在形成这些少量离子束甚至是单个离子后，如果没有相应的离子闸门，使一个或者数个离子通过，并阻断后来离子的通过，则在连续发射离子束的情况下，仍可能导致多个离子在不同时间点注入样品，从而无法实现少量离子或单离子注入。

因此，在上述实施例一至实施例六中的任一离子注入装置的基础上，如图11所示，本实施例在锥形电场的下端小孔出口外，还设置了第二电极装置10。所述第二电极装置设置在所述第一电极装置5的下游，用于用于产生辅助离子偏转的电场，该电场被施加时，沿中轴线3方向进入第二电极装置10的离子发生偏转而不注入所述样品4，而该电场不被施加时，沿中轴线3方向进入第二电极装置10的离子穿过第二电极装置10并注入到所述样品4。

本实施例中，所述第二电极装置10包括：电极对101，其设置在所述第一电极装置的下游，用于产生辅助离子偏转的电场；第二偏压电源102，其用于向所述电极对供电，以使所述电极对之间形成辅助离子偏转的电场；以及带有小孔的阻挡部103，其设置在所述横向电场的下端，并靠近所述样品4，且该阻挡部上的小孔的中心位于所述离子源的中轴线3上。

本实施例中，电极对101优选采用沿中轴线方向布置的平行板电极对，以使产生的辅助离子偏转的电场为垂直于中轴线方向的横向电场。而所述第二偏压电源102为电极对101供电，当电源接通时，辅助离子偏转的电场被施加，反之辅助离子偏转的电场不被施加。

因此，通过第二偏压电源102控制电极对101产生辅助离子偏转的电场，使第二电极装置成为一个离子闸门，当辅助离子偏转的电场不被施加时，沿中轴线方向进入第二电极装置的离子不发生偏转，并穿过所述阻挡部103上的小孔注入到样品中，而辅助离子偏转的电场被施加时，沿中轴线方向进入第二电极装置的离子发生足够的偏转，被所述阻挡部103阻挡，从而无法注入样品。因此，通过第二电极装置对第一电极装置进行配合，可以实现使一个或者数个离子通过，并阻断后来离子的通过。

本实施例中，所述阻挡部103优选为带孔的负偏压电极板，其连接有负偏压电源，可以辅助离子偏转，更精确地操控离子的出射情况，以实现单粒子注入。

因此，本实施例形成了一个只要施加足够强度的电场，即可使得沿中轴线方向出射的离子偏离而无法穿过阻挡部上的小孔，从而形成了一个可控的微量离子注入装置或单离子注入装置。

实施例八

如图12，本实施例相对于实施例七，其第二电极装置的结构不同，其中所述第二电极装置10包括：针尖带小孔的第二悬臂梁104，且针尖上的小孔的中心位于所述离子源1的中轴线3上；以及第二偏压电源102，其用于为所述第二悬臂梁104供电，以使第二悬臂梁104的针尖的上下两个顶端之间形成辅助离子偏转的电场。该辅助离子偏转的电场的作用与实施例七相同，不再累述。

本实施例中，所述第二偏压电源优选为负偏压电源，该负偏压电源用于向悬臂梁供电以产生横向电场，并且悬臂梁因针尖带有小孔，能同时起到对偏转的离子的阻挡作用。

综上所述，本实用新型的实施例一至实施例六考虑到离子源发射的离子束有一定的发散角度和直径，使离子束飞入一个锥形电场，从而只有沿中轴线运动的离子将不受到锥形电场的横向分量的作用，对于不是沿中轴线运动的离子，如运动方向偏离中轴线一定角度的离子，或与中轴线平行但偏离轴线中心的离子，将受锥形电场的横向分量作用沿垂直于轴线方向偏转，当离子到达底部时，就产生了横向位移，从而不能穿过底部位于中轴线正中心的小孔。这样就大大减少了通过小孔离子数目，大大增加了实现少数离子甚至是单离子通过小孔的可能性，与此同时也对离子束作了准直。在实施例一至实施例六的离子注入装置的基础上，实施例七和实施例八进行了离子闸门的设计，利用产生的辅助离子的电场及阻挡部，使一个或者数个离子通过，并阻断后来离子的通过，进一步实现了少量离子甚至单离子的注入。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种离子注入装置，用于将离子注入样品中，其特征在于，包括：

离子源(1)，其用于产生并发射离子束(2)；以及

第一电极装置(5)，其设置在所述离子源(1)到所述样品(4)的路径上，用于产生沿所述离子源的中轴线(3)方向分布的锥形电场(6)，并使所述离子束(2)中不沿离子源的中轴线(3)方向运动的离子在该锥形电场(6)的作用下沿垂直于所述中轴线(3)的方向偏转而不注入所述样品(4)。

2.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于，所述第一电极装置(5)包括：

带有小孔的上电极板(501)，其设置在所述离子源(1)到所述样品(4)的路径上，并靠近所述离子源(1)；

带有小孔的下电极板(502)，其设置在所述离子源(1)到所述样品(4)的路径上，并靠近所述样品(4)；以及

第一偏压电源(503)，其用于向所述上电极板(501)及所述下电极板(502)供电，以使所述上电极板(501)与所述下电极板(502)间形成沿所述离子源(1)的中轴线(3)方向分布的锥形电场(6)；

其中，所述上电极板(501)与所述下电极板(502)尺寸不相同，且所述上电极板(501)与所述下电极板(502)上的小孔的中心均在所述离子源(1)的中轴线(3)上，所述离子源(1)发射的离子束(2)经所述上电极板(501)上的小孔进入所述锥形电场(6)，沿离子源的中轴线(3)方向运动的离子经下电极板(502)上的小孔离开所述锥形电场(6)。

3.根据权利要求2所述的离子注入装置，其特征在于，所述上电极板(501)与所述下电极板(502)为互相平行的平面电极板。

4.根据权利要求2所述的离子注入装置，其特征在于，所述上电极板(501)与所述下电极板(502)为曲面电极板。

5.根据权利要求2所述的离子注入装置，其特征在于，所述上电极板(501)与所述下电极板(502)为环形电极圈。

6.根据权利要求2所述的离子注入装置，其特征在于，所述上电极板(501)与所述下电极板(502)互相平行，且所述上电极板(501)为平面电极板，所述下电极板(502)为针尖中心带小孔的悬臂梁。

7.根据权利要求1所述的离子注入装置，其特征在于，所述第一电极装置(5)包括：

带有针尖小孔(5042)的第一悬臂梁(504)，且该第一悬臂梁(504)的上下表面均镀有环形电极；以及

第一偏压电源(503)，其用于向第一悬臂梁(504)的上下表面供电，以使第一悬臂梁(504)的上下表面间形成沿所述离子源(1)的中轴线(3)方向的锥形电场(6)；

其中，所述针尖小孔(5042)的中心在所述离子源(1)的中轴线(3)上，所述离子源(1)发射的离子束(2)经针尖小孔(5042)的上端进入所述锥形电场(6)，沿离子源的中轴线(3)方向运动的离子经针尖小孔(5042)的下端离开所述锥形电场(6)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的离子注入装置，其特征在于，所述离子注入装置还包括：

第二电极装置(10)，其设置在所述第一电极装置(5)的下游，用于产生辅助离子偏转的电场，该电场被施加时，沿中轴线(3)方向进入第二电极装置(10)的离子发生偏转而不注入所述样品(4)，而该电场不被施加时，沿中轴线(3)方向进入第二电极装置(10)的离子穿过第二电极装置(10)并注入到所述样品(4)。

9.根据权利要求8所述的离子注入装置，其特征在于，所述第二电极装置(10)包括：

电极对(101)，其设置在所述第一电极装置(5)的下游，用于产生辅助离子偏转的电场；

第二偏压电源(102)，其于向所述电极对(101)供电，以使所述电极对(101)之间形成所述辅助离子偏转的电场；以及

带有小孔的阻挡部(103)，其设置在所述辅助离子偏转的电场的下端，并靠近所述样品(4)，且该阻挡部(103)上的小孔的中心位于所述离子源(1)的中轴线(3)上。

10.根据权利要求8所述的离子注入装置，其特征在于，所述第二电极装置(10)包括：

针尖带小孔的第二悬臂梁(104)，且针尖上的小孔的中心位于所述离子源(1)的中轴线(3)上；以及

第二偏压电源(102)，其用于为所述第二悬臂梁(104)供电，以使第二悬臂梁(104)的针尖的上下两个顶端之间形成辅助离子偏转的电场。