CN117936340A - 离子加速装置及离子注入机 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种离子加速装置，其包括第一加速电极和第二加速电极；第一加速电极包括弧形的第一加速面板，第一加速电极上形成有可供离子束穿过的第一豁口，第一豁口构成于第一加速面板内；第二加速电极包括弧形的第二加速面板，第二加速电极上形成有可供离子束穿过的第二豁口，第二豁口构成于第二加速面板内；当离子束穿过第一豁口而经由第二豁口离开时，第一加速电极和第二加速电极之间形成的电位对离子束进行加速；第一加速面板和第二加速面板的弧心均背离离子束的射入点，其中，第一加速面板的曲面斜率和第二加速面板的曲面斜率不同。上述设置的离子加速装置结构简单，解决了离子束发散角度过大的问题同时，对离子束的能量损耗较小。
Description
技术领域
本申请涉及半导体器件制造控制***，尤其是指一种离子加速装置及离子注入机。
背景技术
在半导体晶圆制造过程中，需要通过离子注入机进行掺杂，以实现导电能力的精准控制。离子注入机中，离子束的能量由两级加速控制，其后加速极通常采用静电加速筒。传统离子注入机中，其加速筒多采用双单元、单间隙平行电极板进行加速。此类加速筒虽然结构简单、控制难度低，但无法聚焦发散角过大的束流。
为解决发散角过大问题，在加速模块前后设计了一系列电透镜、磁透镜以约束束流形貌。该方案虽可有效实现束流整形、准直，但会导致束流在长距离传输下逐步损耗，大大降低了束流的利用率。现有的离子加速方法中存在束流运动距离长、损耗大、易发散的问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种离子加速装置及离子注入机，其结构简单，损耗较小。
为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：
第一方面，本申请提供了一种离子加速装置，其包括第一加速电极和第二加速电极，第一加速电极包括弧形的第一加速面板，第一加速电极上形成有可供离子束穿过的第一豁口，第一豁口构成于第一加速面板内；
第二加速电极包括弧形的第二加速面板，第二加速电极上形成有可供离子束穿过的第二豁口，第二豁口构成于第二加速面板内，且第二豁口与第一豁口沿离子束的加速方向对齐；当离子束穿过第一豁口而经由第二豁口离开时，第一加速电极和第二加速电极之间形成的电位对离子束进行加速；
第一加速面板和第二加速面板的弧心均背离离子束的射入点，其中，第一加速面板的曲面斜率和第二加速面板的曲面斜率不同。
进一步地，第一豁口在离子加速装置的纵向方向的宽度由中心向两侧增加，以使第一加速面板上形成呈弧状的边缘，第二豁口在纵向方向的宽度由中心向两侧增加，以使第二加速面板上形成呈弧状的边缘，第一加速面板的边缘的斜率与第二加速面板的边缘的斜率一致。
进一步地，第一加速面板与第二加速面板之间具有供离子束加速并改变离子束的加速方向的间隙，在间隙的宽度确定的情况下，离子束的散布角度与施加在第一加速电极和第二加速电极上的电压呈正相关。
进一步地，离子加速装置还包括绝缘环和保护衬板，第一加速电极通过绝缘环与第二加速电极固定，保护衬板固定设置在第二加速电极上，并位于第二加速电极和绝缘环之间，以防止绝缘环与第二加速电极之间产生的电弧击穿绝缘环。
进一步地，离子加速装置还包括若干结构相同的异形电极，相邻异形电极之间通过绝缘衬套连接，若干异形电极形成的电位对离子束进行加速或减速；异形电极向背离或靠近第二加速电极的方向翘曲。
进一步地，离子加速装置还包括卡箍结构，异形电极与绝缘衬套之间通过卡箍结构可拆卸连接。
进一步地，任一异形电极上配置有一可调电阻，各个异形电极通过各自配置的可调电阻连接至同一或不同电源，以单独调节各个异形电极的电压而改变异形电极所形成的电场。
进一步地，离子加速装置围绕形成一腔体，以提供离子束加速的真空环境，离子加速装置还包括磁性件，磁性件在纵向方向上分布在腔体的两侧，磁性件可拆卸地装设于异形电极上。
进一步地，离子束经过第二加速电极后的加速方向基本平行于离子加速装置的轴向，磁性件的充磁面垂直于离子加速装置的轴向。
第二方面，本申请还提供了一种离子注入机，其包括如第一方面所述的离子加速装置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：第一加速电极和第二加速电极在对离子束进行加速的同时，将扇形散布的离子束中的离子通过电场力聚焦，进而使离子向同一方向加速，降低了离子束加速过程的损耗。此外，相较于现有技术设计了一系列电透镜、磁透镜以约束离子束的形貌，本发明的离子加速装置的整体结构简单，生产和维护成本较低。
附图说明
图1为本申请实施例中离子加速装置的示意图。
图2为本申请实施例中离子加速装置的第一部分的剖视图。
图3为本申请实施例中离子加速装置的第一视角的示意图。
图4为本申请实施例中离子加速装置的第二视角的示意图。
图5为本申请实施例中离子加速装置的第二部分的剖视图。
图6为本申请实施例中离子加速装置的第一种电源连接示意图。
图7为本申请实施例中离子加速装置的第二种电源连接示意图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。“第一”、“第二”、“第三”、“第四”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”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
如图1所示，本申请提供了一种离子加速装置，该离子加速装置围绕形成有一腔体11，以提供离子束加速的真空环境。由射入点射出的离子束通过离子加速器的入口以一定的散布角度进入腔体11，并在腔体11内完成加速、聚焦，离子加速装置将离子束加速至目标能量后，离子束由离子加速器的出口离开腔体11。为了清楚的说明本申请的离子加速装置，还提供了如图1所示的上下、左右、前后方向作为该离子加速器的上下、左右、前后方向。
如图1和图2所示，作为一种实现方式，离子加速装置包括第一加速电极12、第二加速电极13和绝缘环14，第一加速电极12通过绝缘环14与第二加速电极13固定连接。第一加速电极12上形成有可供离子束穿过的第一豁口121，第二加速电极13上形成有可供离子束穿过的第二豁口131，其中，第一豁口121和第二豁口131沿离子束的加速方向对齐。
当离子束穿过第一豁口121而经第二豁口131离开时，第一加速电极12和第二加速电极13之间形成的电位对离子束进行加速。
如图3所示，具体地，第一加速电极12包括弧形的第一加速面板122，第一加速面板122的弧心朝向背离离子束的射入点。第二加速电极13包括弧形的第二加速面板132，第二加速面板132的弧心朝向背离离子束的射入点。
在本实施方式中，从离子加速装置的上下方向观察，第一加速面板122的曲面斜率与第二加速面板132的曲面斜率不同。
优选的，第一加速面板122的曲面斜率大于第二加速面板132的曲面斜率。
可以理解的，通过在第一加速电极12上施加电压，以使第一加速面板122上形成迫使离子束中的离子改变加速方向的电场，进而使离子束向法向偏移，最终使离子束中各离子的加速方向平行于离子加速装置的轴向。其中，离子加速装置的轴向平行于离子加速装置的前后方向。同样的，通过在第二加速电极13上施加电压，以使第二加速面板132上形成迫使离子束中的离子改变加速方向的电场，进而使离子束向法向偏移，最终使离子束中各离子的加速方向平行于离子加速装置的轴向。
需要说明的是，由于离子束具有一定的散布角度，从离子加速装置的上下方向观察，由射入点射出的离子束近似呈如图3所示的扇形。不同位置的离子在通过电场后偏转角度不同，两侧离子的偏转角度远大于中心离子的偏转角度。
通过上述设置，在对离子束加速的同时，改变离子束的加速方向。相较于现有技术来说，无需设置用于改变离子束加速方向的一系列电透镜、磁透镜，通过在第一加速电极12和第二加速电极13上所施加的电压，以形成约束离子束形貌的电场，以使离子加速装置的整体结构更加简单，制造成本更低，且离子加速装置的维护成本更低。
作为一种实现方式，从离子加速装置的前后方向观察，第一豁口121和第二豁口131基本重叠。
如图4所示，具体地，第一豁口121在离子加速装置的纵向方向的宽度由中心向两侧增加，其中，纵向方向为离子加速装置的上下方向。第一加速面板122与第一豁口121相交的边缘呈弧形。
进一步地，由于第一豁口121和第二豁口131沿离子加速装置的轴向基本重叠，因此，第二豁口131在离子加速装置的纵向方向的宽度由中心向两侧增加，第二加速面板132与第二豁口131相交的边缘呈弧形。
在本实施方式中，第一加速面板122的边缘的斜率与第二加速面板132的边缘的斜率一致。以使第一加速电极12和第二加速电极13的电场在纵向方向上对离子束施加的电场力保持一致，以控制离子束在纵向方向的过度发散，实现离子束的聚焦。
如图4所示的第一加速面板122的示意图中，位于腔体11上方的第一加速面板122的边缘与位于腔体11下方的第一加速面板122的边缘具有相同的斜率。
当第一加速电极12上施加电压，并在第一加速面板122上形成约束离子束形貌的电场，由于腔体11上下两侧的加速面板具有相同的斜率，能够避免离子束在纵向方向的聚焦方向不对称的问题，确保离子束在穿过第二豁口131后均沿离子加速装置的轴向加速。
如图3所示，作为一种实现方式，第一加速面板122和第二加速面板132之间具有供离子束加速并改变离子束的加速方向的间隙15。在第一加速面板122和第二加速面板132的间隙15的宽度确定的情况下，离子束的散布角度与施加在第一加速电极12和第二加速电极13上的电压呈正相关。
具体地，若由射入点射出的离子束存在较大的散布角度，通过调节施加在第一加速电极12和第二加速电极13上的电压，以使第一加速电极12和第二加速电极13之间形成较大的电场力，从而实现约束离子束形貌的目的，以使离子束具有平行于离子加速装置轴向的加速方向。
可以理解的，若由射入点射出的离子束的散布角度较小，降低施加在第一加速电极12和第二加速电极13上的电压，以实现约束离子束形貌的目的。
如图2所示，作为一种实现，离子加速装置还包括保护衬板16，保护衬板16固定设置在第二加速电极13上，且保护衬板16至少部分设置于第二加速电极13和绝缘环14之间。
由于施加在第一加速电极12和第二加速电极13上的电压较大。示例性的，第一加速电极12和第二加速电极13之间的电压差大于200KV。为了避免第二加速电极13和绝缘环14之间产生电弧击穿绝缘环14，上述设置中的保护衬板16延长了绝缘环14的使用寿命。
此外，离子束在传输过程中，绝缘环14不仅会受到发散的离子轰击、也会在表面沉积一些导电物质，出现打火现象，当表面距离降低至安全爬电距离后，将出现击穿。因此，本方案在绝缘环14与第二加速电极13之间设计了保护衬板16，延长了气体沉积路径，气体在沉积过程中，将优先沉积在保护衬板16，延长了绝缘环14工作寿命。
如图5所示，作为一种实现方式，离子加速装置还包括若干数量的异形电极17，相邻异形电极17之间通过绝缘衬套18连接，其中，若干数量的异形电极17结构基本一致。若干数量的异形电极17沿离子加速装置的轴向依次排列。通过在异形电极17上施加电压，以使异形电极17上形成用于对离子束加速的电场，离子束经过异形电极17的加速或减速后达到目标能量，并离开腔体11。
具体地，异形电极17向背离或靠近第二加速电极13的方向翘曲。
在离子加速过程中，腔体11内具有空气(氮气、氧气等)和工艺气体，上述气体在真空的腔体11中扩散，并在异形电极17的表面沉积。若在异形电极17上施加电压，沉在在异形电极17表面的气体沉积层上形成电弧，导致绝缘衬套18被击穿，从而影响绝缘衬套18的使用寿命。
在本实施方式中，通过设置表面翘曲的异形电极17，以使相邻异形电极17之间所形成的气体沉积路径增加，以此减小相邻异形电极17之间出现电弧的可能，从而提升异形电极17和绝缘衬套18的使用寿命。
作为一种实现方式，离子加速装置还包括卡箍结构19，异形电极17和绝缘衬套18之间通过卡箍结构19可拆卸连接。
相较于现有技术中，为延长离子加速装置的轴向长度，一般通过焊接多个加速电极，以使离子加速装置能够将离子束加速到目标能量。
在本申请实施例中，异形电极17与绝缘衬套18之间通过卡箍结构19连接，一旦离子加速装置内出现局部击穿，通过拆卸卡箍结构19并将被击穿的局部更换，大大降低了维保难度。
此外，上述设置，也缩短了相邻异形电极17之间沿离子加速装置轴向的间隔，提高了束流传输效率(离子束在加速过程中，传输距离越长、传输效率越低)。
如图6和图7所示，作为一种实现方式，离子加速装置还包括至少一个可调电阻和至少一个电源。
具体地，各个异形电极17通过各自配置的可调电阻连接至同一电源。通过改变可调电阻的阻值大小，进而调节各个异形电极17上的电压，以此实现腔体11内电场大小的调节，进而保证离子束的聚焦效果一致，以使离子束的加速方向平行于离子加速装置的轴向。
示例性的，离子加速装置包括如图6所示的异形电极1、异形电极2……异形电极n。第一加速电极12、第二加速电极13和任一异形电极17配置有相应的可调电阻，分别对应于图6中的可调电阻R1、可调电阻R2、可调电阻R3……可调电阻Rn。通过改变可调电阻R1、可调电阻R2、可调电阻R3……可调电阻Rn的阻值大小，进而调节第一加速电极12、第二加速电极13和各个异形电极17上的电压，以此实现腔体11内电场大小的调节。
可选的，各个异形电极17均配置有一电源，通过调节电源的输出电压，以此实现腔体11内电场大小的调节，进而保证离子束的聚焦效果一致，以使离子束的加速方向平行于离子加速装置的轴向。
示例性的，离子加速装置包括如图7所示的异形电极1、异形电极2……异形电极n，第一加速电极12、第二加速电极13和任一异形电极17配置有相应的电源，分别对应于电源1、电源2、电源3、电源4，通过调节电源的输出电压，以此实现腔体11内电场大小的调节。
如图5所示，作为一种实现方式，离子加速装置还包括磁性件21，磁性件21在纵向方向上分布在腔体11的两侧。
具体地，磁性件21可拆卸地设置在异形电极17上。
离子束在腔体11内中进行传输中，边缘发散的离子束必然会撞击到异形电极17表面，导致大量的二次电子溢出，二次电子又会在电场的加速到上千EV后撞击到其他异形电极17表面，产生大量的射线污染。
在本申请实施方式中，磁性件21的充磁面与离子束的加速方向垂直，通过上述设置，可大大提高表磁强度，并将产生的磁场可有效覆盖至异形电极17表面，实现二次电子的抑制。
综上，本申请提供了一种离子加速装置，其主要通过第一加速电极12和第二加速电极13在对离子束加速的同时，对发散的离子束聚焦，以使离子束达到目标能量，并沿离子加速装置的轴向离开腔体11。此外，上述设置，能够有效实现二次电子的抑制。
本申请还提供了一种离子注入机，该离子注入机包括前述的离子加速装置。
离子注入机还包括离子源、引出电极、质量分析器、质量分析光阑、能量分析器、能量分析光阑和注入靶室中的至少一种设备。通过上述设备筛选所需的离子，并将离子加速到目标能量后注入到半导体器件的表面，以在半导体器件的表面形成离子沉积层。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种离子加速装置，其特征在于，包括：
第一加速电极(12)，包括弧形的第一加速面板(122)，所述第一加速电极(12)上形成有可供离子束穿过的第一豁口(121)，所述第一豁口(121)构成于所述第一加速面板(122)内；
第二加速电极(13)，包括弧形的第二加速面板(132)，所述第二加速电极(13)上形成有可供所述离子束穿过的第二豁口(131)，所述第二豁口(131)构成于所述第二加速面板(132)内，且第二豁口(131)与所述第一豁口(121)沿所述离子束的加速方向对齐；当所述离子束穿过所述第一豁口(121)而经由所述第二豁口(131)离开时，所述第一加速电极(12)和所述第二加速电极(13)之间形成的电位对所述离子束进行加速；
所述第一加速面板(122)和所述第二加速面板(132)的弧心均背离所述离子束的射入点，其中，所述第一加速面板(122)的曲面斜率和所述第二加速面板(132)的曲面斜率不同。
2.根据权利要求1所述的离子加速装置，其特征在于，
所述第一豁口(121)在所述离子加速装置的纵向方向的宽度由中心向两侧增加，以使所述第一加速面板(122)上形成呈弧状的边缘，所述第二豁口(131)在所述纵向方向的宽度由中心向两侧增加，以使所述第二加速面板(132)上形成呈弧状的边缘，所述第一加速面板(122)的边缘的斜率与所述第二加速面板(132)的边缘的斜率一致。
3.根据权利要求1所述的离子加速装置，其特征在于，
所述第一加速面板(122)与所述第二加速面板(132)之间具有供所述离子束加速并改变所述离子束的加速方向的间隙(15)，在所述间隙(15)的宽度确定的情况下，所述离子束的散布角度与施加在所述第一加速电极(12)和所述第二加速电极(13)上的电压呈正相关。
4.根据权利要求1所述的离子加速装置，其特征在于，
所述离子加速装置还包括绝缘环(14)和保护衬板(16)，所述第一加速电极(12)通过所述绝缘环(14)与所述第二加速电极(13)固定，所述保护衬板(16)固定设置在所述第二加速电极(13)上，并位于所述第二加速电极(13)和所述绝缘环(14)之间，以防止所述绝缘环(14)与所述第二加速电极(13)之间产生的电弧击穿所述绝缘环(14)。
5.根据权利要求2所述的离子加速装置，其特征在于，
所述离子加速装置还包括若干结构相同的异形电极(17)，相邻所述异形电极(17)之间通过绝缘衬套(18)连接，若干所述异形电极(17)形成的电位对所述离子束进行加速或减速；所述异形电极(17)向背离或靠近所述第二加速电极(13)的方向翘曲。
6.根据权利要求5所述的离子加速装置，其特征在于，
所述离子加速装置还包括卡箍结构(19)，所述异形电极(17)与所述绝缘衬套(18)之间通过卡箍结构(19)可拆卸连接。
7.根据权利要求5所述的离子加速装置，其特征在于，
任一所述异形电极(17)上配置有一可调电阻，各个所述异形电极(17)通过各自配置的所述可调电阻连接至同一或不同电源，以单独调节各个所述异形电极(17)的电压而改变所述异形电极(17)所形成的电场。
8.根据权利要求5所述的离子加速装置，其特征在于，
所述离子加速装置围绕形成一腔体(11)，以提供所述离子束加速的真空环境，所述离子加速装置还包括磁性件(21)，所述磁性件(21)在所述纵向方向上分布在所述腔体(11)的两侧，所述磁性件(21)可拆卸地装设于所述异形电极(17)上。
9.根据权利要求8所述的离子加速装置，其特征在于，
所述离子束经过所述第二加速电极(13)后的加速方向基本平行于所述离子加速装置的轴向，所述磁性件(21)的充磁面垂直于所述离子加速装置的轴向。
10.一种离子注入机，
其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项的所述离子加速装置。
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| CN202311863659.5A CN117936340A (zh) | 2023-12-29 | 2023-12-29 | 离子加速装置及离子注入机 |
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