TW441226B - Compact helical resonator coil for ion implanter linear accelerator - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 kr 44 12 2 6 a： _____B7__ 五、發明說明（i ) 發明範疇 本發明關於高能離子植入系統，特別是用於離子植入 器線性加速器之小型螺旋狀共振線圈 發明背景 離子植入已爲工業界在大量製造積體電路時，以雜質 摻入半導體時所樂用之技術。高能離子植入係用以深植入 基體中。此種深植須要建立逆行井。ETON GSD/HE及 GSD/VSE離子植入器爲髙能離子植入器之一例。此等植 入器可提供高至5eV(百萬電子伏特)能位準之離子束。授 與本發明之受讓人ETON公司，美國專利號碼4,667，111 中揭示此種高能離子植入器，該文以參考方式倂入此間。 圖1顯示一典型高能植入器10之方塊圖。植入器1〇 包括此等部份或子系統：一終端12包括一離子源14由一 高壓供應16供電，以產生理想電流及能童之離子束17 ; 及一端站18含一載負晶圖W之轉盤20以備由離子束植入 :及一束線總成22，位於端點12及端站18之間，其包含 一質量分析磁鐵24及一射頻(RF)線性加速器(UnaC)26。一 最後能童磁鐵(未示於圖1)可配置在線性加速器與旋轉磁碟 之間。

RF疲性加谏器26句,含一系列共振器模組30a-30n，每 一模組之功能爲連一步i卩速離子以達到以往模組可達之能 量。圖2顯示一已知型式共振器模組30，其包含一大電感 線圈L，其具有一圓切面及包含在共振器空腔外殻31(即一 “槽”電路）。一射頻信號由電容器Cc電容耦合至電感器L 3 ^紙張尺度適用令國國家標準（CNS>A4規格（210 κ 297公« ) -------------^------rl 訂--------線-) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 441226 五、發明說明（2·) 之高壓端。一加速電極32直接耦合至電感器L之高壓端 。每一加速電極32安裝在二接地電極34及36之間’由間 隙38及40分別隔開。 圖3顯示圖2之共振器型式之簡單集總等値電路。電 容C包括對地之高壓電極之電容，線圈及電極管座之雜散 電容與內繞組線圈電容。 電路之C及L之値需加以選擇以達共振狀態’俾大波 幅之正弦電壓可在加速電極32達成。加速電極32及接地 電極34及36以已知“推挽”方式操作，以加速離子束通過 ，稱爲“聚束”進入“封包”中•在RF正弦電極電壓之負半週 ，電極32爲中性，封包以恆速漂移經電極32 (亦稱“漂移 管”）β 在RF正弦電極電壓之正半週期間，正充電之離子封 包進一步被加速(被加速電極32所推進)趨向跨間隙40之 第二接地電極36。推挽加速機構在隨後之共振器模組重複 ，該模組具有加速電極，亦在高壓射頻共振，因此，進一 步由所加之能量使離子束包封加速》模組中之連續加速電 極之RF相位單獨調整，以保證離子之每一封包在RF週期 中之某一時間到達適當間隙，俾達到最大加速。 參考圖3，將三電路値R，L及C以參數w(共振頻率）， 〇^卷賓^數），Z(特性阻抗）代替，可便於分析，其中 :w=(LC> ,Q=R/(wL)，及 Z=wL=l/(wC)=(L/C) » 注意 w 爲徑 向頻率"，等於傳統頻率(赫茲)之2ττ倍。 爲獲得固定電極電壓所需之電源最小，品質因數Q及 4 I -----------!^-------.--'訂---------線 (請先閱讀背面之注意^項再填寫本頁) 經濟部智慧財彦局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中0國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 441226 五、發明說明（）） 持性阻抗Z之乘積最大。圖4所示之利 用高Q共振器之原理而鞺計。此種設計利用圓形剖面導體 供線圈之用。本發明擬利用矩形剖面導體，其短尺寸與線 圈軸47平行，可利用較高阻抗線圈但仍能維持高品質因數 之與線圏鈾革行夕遵體尺寸可使繞間距較小 較短之線圈，萁31)之電容較小。因 此’線圈電感與線圈雷g fch値可以增加。 發明之槪述 備有一種小線圈設計供能以預定頻率共振之線形加速 器共振器。此線圈包含複數個圓形線圈片段，每一線圏片 段具有多角剖面，其中之相鄰線圈片段之平表面彼此相對 。多邊剖面之形式可爲矩形，具有尺寸長度X，寬度Y，其 中X部份限定相鄰線圈片段之平表面。鏟凰皮段備有一雙 痕道結構以提供引入之洽卻媒體進入線圈。一雙溝道結構 包含一A口诵道孖一出门涌道，其具有分別之入口及出口 ，暮中之入口及出口通道相萆’及在線圈 之蓋通。 圖式簡略說明 圖1爲具有包括一共振線圈之線性加速器的以往技術 離子植入器之簡略方塊圖； 圖2爲用於圖1之之離子植入器以往技術之共振器線 圈總成； 圖3爲圖2之以往技術之共振器線圈總成之簡圖； 圖4爲圖2所示之以往技術之共振器線圈總成之剖面 5 ------J I -----illr^illl — 1!^ (锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用令國國家螵準<CNS)A4规格（210*297公* ) 441 226 A7 ___B7_ 五、發明說明（斗） 圖， 圖5爲一離子植入器之剖面圖，其具有線性加速器包 括依照本發明原理構造之共振器線圈總成； 圖6爲圖5之線性加速器放大剖面圖： 圖7爲圖6之線性加速器之線性加速器中四個共振器 模組略圖： 圖8爲取自圖7之線8-8之共振器之剖面圖； 圖9僅顯示圖8之一共振器模組線圏； 圖10爲取自圖9之線10-10之線圈之剖面圖；及 圖10A爲圖10之線圈之剖面圖之部份的放大圖。 元件符號說明 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 10 離子植入器 12 終端 14 離子源 16 高壓電源 17 離子束 18 終端站 20 轉盤 22 束線總成 24 分析磁鐵 26 線性加速器 30a-30n 共振器模組 31 共振器空腔外殼 32 加速電極 本紙狀度適H) + SB家標準（CNS)A4規格⑽χ297公爱） --------- ------Ifi r 訂---------線 y (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 441226 A7 B7 五、發明說明（？） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 34,36 接地電極 38,40 間隙 47 線圈軸 60 植入器 62 終端 64 離子源 66 分析磁鐵 68 線性加速器 70 共振器模組 72 最後能量磁鐵 74 終端站 70a-70d 共振模組 90 感應線圈 92 外殻 92A-92B 上板，下板 94 第一端 96 第二端 97 漂移管 98,99 軸 100 線圈入口 102 出口 104 弓形部 106 對應部份 108 線形驅動機構 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） ^----訂---------線- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) B7 經濟部智慧財彦局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 110 弓形板 112 對應部份 114 連接器 116 可滑稱合柱 118,120 入口通道，出口通道 122 平面表 本發明較佳實施例之詳細說明 參考圖5，其中顯不禹能離子植入器60。植入器6〇包 括三部份或子系統:一端點62包括離子束產生離子源64及 質量分析磁鐵66 ;射頻(RF)線性加速器(linac)68其含複數 個共振器模組70，一最後能量磁鐵(FEM)72 ;及一般包括 載負待離子束植入之晶圓之轉盤的端站74。 質量分析磁鐵66之功能爲僅讓由離子源64產生之具 有適當之電荷質量比之離子通至RF linac 68。此置量分折 暇鑑之所以需要，係因爲雕子源6七，除產生適當之電荷質 量比之離子i，亦產生所望之較大或較小電荷質量比之離 子。具有不_適當之簞椅質量比之離子不谪於植入晶圓中。 通過質量分析磁鐵66之離子束進入RF linac 68，其將 額外的能量分授至通過之離子束·> RF linac產生隨時間週 期變化之粒子加速場，其相位可調整以適應不同原子數粒 子及有不同速度之粒子》RF linac 68包括一亭列共振器模 組70a-70d ’每一模組之功能爲使雛子淮一步加速，使可 達超過從先前模組達到之能量》 圖6顯示圖5之RF linac 68之放大剖面圖。如圖6所 8 本紙張尺度適用1^國國家標準（^sfS>A4規格<210x297公爱) " ------------ ---—I 訂- — -線" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 川226 A7 經濟部智慧財彦局員工消费合作社印裝 87 五、發明說明（1 ) 示，RF linac 68包括四個共振器模組70a-70d,但僅完全示 出二個，即70b及70c。離子束被加速通過RG linac 68並 在一位置以箭頭72方向退出。四共振器模組70a-7〇d之上 游爲“聚束”共振器，其將離子聚束成封包。 圖7及8顯示圖6之RF linac中之四個共振器模組70 之一個之細節。每一共振器模組70包括電感L之電感器 龜黡_3〇，其包含在電接地共振器鋁屏蔽或外殼92之內， f有一蓝圓剖面(例如多角形)（导.圖10及10A) »外殻92包 括一上板92Α及下板92Β及一導管(未示出），在上板及下 板間延伸以完成殻罩。線圈90形成一小SJ女體S圓筒狀， 墓第二端_9_4接,地、，在下外殻板92Β終止，第二端96延伸 至外殻92之外，而在筒狀之鋁高壓電極或漂移管97終止 °漂移管97之軸98與圓筒狀線圈90之軸99平行。 ^ 以下係關於圖1〇及10Α之進一步說明，鬣感器綠圈 @由銅構成，並提供內部雙溝道機構以#萁內部流通冷卻 水_.。提供之冷卻水通過線圈之入口 100並由出口 102排出 °內部之水冷郤可使雷流p渦埶迪_ » 本發明之共振器模組70可提供改進之調諧及匹配之機 構。調諧機構係以調諧電容器Cs構成，其由銅製之電接地 之弓形板1〇4及銅線圈90之對應部106構成，其間之空氣 作爲電介質之用。弓形板104提供之調諧機構可提供共振 器之調諧’而不致沿其軸99使伸展或壓縮線圈。 當弓形板104移向線圏90,共振器（圖2)之總雜散電容 Cs降低，因而增加共振器7〇之共振頻率。反之，當弓形 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規烙（21〇 χ 297公迓） ------------^---------- 訂---------線 WI (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財彦局員工消費合作社印製 * 441226 A7 B7 五、發明說明（/ ) 板104離開線圈90，共振器之雜散電容cs增加，因而共 振器70之共振頻率降低。以此方式，爲維持共振器70之 共振狀態，LxCs之乘覆藍由更Cs以谪應作華苴問 之漂移及L之變化而保持倚帘。 備有一線性驅動機構108以雙向移動弓形板向線 圈90及離開線圈90。一調諧伺服馬達(未示出)之功能爲操 作此線性驅動機構1〇8» 馬達係調諧控制迴;去 宋出彳夕一部份’ I自共振装捽制電路接收一誤差倩號jJN 改正共振器之共振_頻率之漂移，其方式與以往技術中線圈 展延/壓縮伺服馬達功能相同。諷諧控制迴路可句.括總丨生仿 置加區翌以橾供弓娘板」_04位置夕回持。 共振器70之匹配機構係以匹配電容器Cc之形式提供 ，其包含銅製之弓形板110,及銅線圈90之對應部112，及 空氣於其間作爲電介質。一RF信號經連接器114，RF滑 動耦合柱116及電容器Cc電容耦合至線圈。電容器Cc之 功能爲變壓器以將RF源之阻抗(典型爲50歐姆)$電路心 之阻抗(典型爲1M歐姆)匹配，以使自電路反射$之輸入 信號爲最小。弓形板110可移向或移開線圈90以降低或增 加電容器Cc之電容。以電容耦合RF信號至線圈90之圖7 及8所示之位置，電容器Cc及高眍端96間靈狐危機可 圖9顯示圖8之線圈90，圖10顯示取自圖9之線10-1〇之線圈之剖面圖。共振器70設計在13.56(MHz)共振， 或27.12MHz共振。共振時，加速器電極97可產生 10 本紙張尺度適用t國囷家標準（CNS)A4規格（210*297公 I------.^4 ----. --------訂---------線 W1 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Irr 441 22 6 A7 五、發明說明（4 ) 80,0〇¥80KV)之電壓。產生如此高壓’需要高電流通過線 圈，共振器作業時會產生高熱。如此’本發明供水冷卻裝 置以冷卻共振器線圈。 如圖10A所示，線圈90有一雙溝道結構’其有一入 口通道118直接連接至線圈入口 1〇〇 ’以及一出口通道120 直接與線圈出口 102連接。在線圈？〇__之高壓端96 ’入口 '口通道1U及120相會，__並在一培點（去示，屮,）相满-' ^如水之冷郤媒體之津繙流動可以建立。以此方式，由線 圈入口 100引進之水可進入入口通道118 ’通過接點再由 出口通道120及線圏出口 102排出。 經濟邨智慧財J居員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -|線，^. 如圖10A所示，線圈之切面爲矩形，其長度爲X，寬度 爲y。在一較佳實施例中，x=5cm ; y=2.4cm ;分隔各線圈 片段90a-90n間之距離爲z=.5em。剖面之尺寸限定線圈90 之各相鄰段90a-90n之平表面122，並彼此相對。因此， 線圈載負之電流將分布在表面122,而非集中於圖2之圓 切面之線圈之切線部。如此，線圏片段90a-90n之切面可 爲有平表面122之任何多角形，如正方形。但製成矩形切 面二！左^真度y ’線$更能壓縮一起)，使複合阻 抗Ζ(ω)增加而不降低共振器之品質因數Q。 因此’可達虚較小之線圈設計及提供高品質因數Q荩 效率之共振器，广fe前共振器較低功銮捐牛> 與圓剖面之線 /圈比箜’本發明之設計可有一較小之節距（即更i線圈段) ，，因此’有舞線圈單位度^1：高電導。此結果之較短蘼圈 設計展現較少之電容至地。較少電夸及較高電導可使共振 11 本紙張尺度適用中困國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱）

Claims (1)

1. A8 441226 六、申請專利範圍 1. 一種用於共振器(70)之小型線圈(90) ’其能以預定之 頻率共振，包含： 一電感線圏（90)由複數個圓形線圈片段(90a_90n)組成 ，每一線圈片段有一多角剖面’剖其中之相鄰線圏片段之 平表面（122)彼此面對。 2. 如申請專利範圍第1項之小型線圈(90) ’其中該多角 形剖面大體爲矩形，其有一長度χ及一寬度y，其中g 寸X部份限定相鄰線圏片段(9〇a-9〇n)之該平面（122)。級利 3. 如申請專利範圍第2項之小型線圈(90) ’其中該jfe: ϋ理 定頻率爲至少27百萬赫茲(MHz)。 & 4. 如申請專利範圍第2項之小型線圏(90)，其中線圈片 段(90a-90n)備有雙溝道結構用以提供線圈冷卻媒體，其含 一入口通道（U8)及出口通道（120)，並有分別之入口（100) 及出口（102)，在線圈之第一端(94) ’該入口及出口通道 (118,120)連接並在線圈之第二端(96)相通° 5. 如申請專利範圍第2項之小型線圈(90)，其中之線圈 由銅構成。 6. —種用以在一線性加速器(68)中以預定頻率共振之共 振器(7〇)，包括： ⑴一固定位置電感線圈(90)具有一縱軸(99)，該線圈具 有第一低壓端(94)，及第二高壓端(96); (ii) —射頻(RF)輸入耦合至該電感線圈： (iii) 一電容器(Cs)與該電感線圈成並聯；及 (iv) —筒狀漂移管(97)有一縱軸（98)，及位於線圈（90) 私紙張尺度適用中國困家襟準（CNS)A4现格（210 * 297公;t {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) y------Γ—訂.·--------線 _r. 媒濟部智慧財產扃貝工消费合作杜印製 441226 滢 D8 六、申請專利範圍 之高壓端（96)，該漂移管之縱軸（98)及該線圈（90)之縱軸 (99)之方向爲實質上彼此平行。 7. 如申請專利範圍第6項之共振器(70)，其中該低壓端 (94)爲電接地。 8. 如申請專利範圍第6項之共振器(70)，該RF輸入係 經由一第二電容器(Cc)電容耦合至電感線圈(90)。 9. 如申請專利範圍第6項之共振器(70)，其中該預定頻 率爲至少27百萬赫茲(MHz)。 10. 如申請專利範圍第6項之共振器(70)，其中該線圈 (90)由銅構成。 -------------^------：—訂---------線 _r (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智¾財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公* )