阅读说明：本技术 等离子体产生装置和离子注入设备 (Plasma generating device and ion implantation apparatus ) 是由 苏恒毅 于 2018-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种等离子体产生装置和离子注入设备。包括激光产生结构、粒子产生腔室和筛选组件：激光产生结构,用于产生符合预定条件的飞秒脉冲激光,预定条件包括预定波长和/或预定能量；粒子产生腔室,用于接收所述飞秒脉冲激光并照射位于所述反应腔室中的靶材以激发形成高能粒子束；所述筛选组件,用于对所述高能粒子束进行筛选,以形成仅包括离子的等离子体束。可以通过使用高功率飞秒脉冲激光辐照靶材,得到强激光高能粒子束,并经过筛选形成等离体子体束,电离率极高,与传统的电离中性气体等离子源相比,可在较短时间内得到较高剂量、高纯度的等离子体束,提高了生产效率。(The invention discloses a plasma generating device and ion implantation equipment. Including laser production structure, particle production chamber and screening subassembly: a laser generating structure for generating a femtosecond pulse laser meeting a predetermined condition including a predetermined wavelength and/or a predetermined energy; a particle generating chamber for receiving the femtosecond pulse laser and irradiating a target material in the reaction chamber to excite and form a high-energy particle beam; the screening assembly is used for screening the high-energy particle beams to form plasma beams only comprising ions. The high-power femtosecond pulse laser can be used for irradiating the target material to obtain a strong laser high-energy particle beam, and the plasma body beam is formed through screening, so that the ionization rate is extremely high, and compared with the traditional ionized neutral gas plasma source, the plasma body beam with higher dose and high purity can be obtained in a shorter time, and the production efficiency is improved.)

等离子体产生装置和离子注入设备

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，具体涉及一种等离子体产生装置和一种包括该等离子体产生装置的离子注入设备。

背景技术

近年来，伴随着半导体工业的发展，等离子体处理技术在大规模集成电路制造领域得到了广泛的应用。各类低温高密度等离子体源，如电容耦合等离子体源、电感耦合等离子体源、电子回旋共振等离子体源和表面波等离子体源等，该些等离子体源在半导体晶片沉积、刻蚀、离子注入等工艺过程中均起到了关键作用。

离子注入是将纯净的具有一定能量的带电离子注入晶片的特定位置的过程，通过离子注入形成掺杂是制作半导体器件的基础。

相关技术中离子注入设备，杂质离子由离子源产生后，经过高压萃取电极的作用，带正电的离子被集中起来形成离子束。经过质量分析器后，需要进行注入的杂质离子被挑选出来，经过传统的高电压加速电极加速后，使用电磁透镜进行聚焦、经过偏束板除去中子，最后经过扫描电极注入至基片中。

但是，相关技术中，使用高压电弧放电或射频耦合放电，电离率低，产生的等离子体密度较低，无法进行短时间高剂量的注入。

此外，为得到高纯度的杂质离子，需使用结构复杂的质量分析器，如操作不当将造成离子损失。

此外，为得到足够能量的杂质离子，需使用高压加速电极，此电极具有一定的长度，意味着离子需要额外经过一定的路程，由于腔室的真空度不可能达到零，因此，仍然可能造成离子的损失。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种等离子体产生装置和一种包括该等离子体产生装置的离子注入设备。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种等离子体产生装置，包括激光产生结构、粒子产生腔室和筛选组件：

所述激光产生结构，用于产生符合预定条件的飞秒脉冲激光；其中，所述预定条件包括预定波长和/或预定能量；

所述粒子产生腔室，用于接收所述飞秒脉冲激光并照射位于所述粒子产生腔室中的靶材以激发形成高能粒子束，所述高能粒子束中的粒子包括离子、中子和电子；

所述筛选组件，用于对所述高能粒子束进行筛选，以形成仅包括离子的等离子体束。

可选地，所述激光产生结构包括依次连接的激光振荡器、再生放大器、多倍频器和激光放大器；其中，

所述激光振荡器，用于产生飞秒脉冲种子光；

所述再生放大器，用于接收所述飞秒脉冲种子光并对其进行再生放大；

所述多倍频器，用于接收再生放大后的所述飞秒脉冲种子光并对其波长进行处理，以获得预定波长的所述飞秒脉冲种子光；

所述激光放大器，用于接收预定波长的所述飞秒脉冲种子光并对其进行放大，以形成符合预定条件的所述飞秒脉冲激光。

可选地，所述激光振荡器和所述再生放大器均连接有泵浦光源，以通过调节泵浦功率改变所述飞秒脉冲激光的功率密度。

可选地，所述粒子产生腔室包括腔室本体、全反镜、介质窗和聚焦器件；

所述全反镜位于所述腔室本体外，以将所述飞秒脉冲激光全反射至所述介质窗；

所述介质窗与所述腔室本体的顶壁密闭连接，以用于将接收到所述飞秒脉冲激光耦合至所述腔室本体内；

所述聚焦器件位于所述腔室本体内且位于所述靶材上方，以对耦合至所述腔室本体内的所述飞秒脉冲激光进行聚焦。

可选地，所述粒子产生腔室还包括：

载片台，用于承载所述靶材；

驱动机构，用于驱动所述载片台移动，以使得所述飞秒脉冲激光能够照射至所述靶材表面的任意处。

可选地，所述驱动机构包括：

驱动电机；

移动台，其一端与所述驱动电机的输出轴固定连接，另一端与所述载片台连接；

控制单元，与所述驱动电机的控制端子电连接，以控制所述驱动电机的工作状态。

可选地，所述筛选组件包括：

萃取电极，与直流偏压电源电连接，以用于对经过所述萃取电极的所述高能粒子束中的电子进行过滤，得到仅包括离子和中子的初级粒子束；

偏转电极，与直流偏压电源电连接，用于对经过的所述初级粒子束中的离子偏转，以得到仅包括离子的所述等离子体束。

本发明的第二方面，提供了一种离子注入设备，包括前文记载的所述的等离子体产生装置，以及用于进行离子注入工艺的工艺腔室。

可选地，工艺腔室还包括扫描电极，用于控制所述等离子体束沿着预定方向对基片的表面进行离子注入。

可选地，所述扫描电极包括：

X方向扫描电极，用于控制所述等离子体束沿着X方向对基片的表面进行离子注入；

Y方向扫描电极，用于控制所述等离子体束沿着Y方向对基片的表面进行离子注入。

本发明的等离子体产生装置和离子注入设备。等离子体产生装置包括激光产生结构、粒子产生腔室和筛选组件，其中的激光产生结构可以产生符合预定条件的飞秒脉冲激光，粒子产生腔室可以接收飞秒脉冲激光并辐照靶材，得到高能粒子束，并经过筛选形成等离子体束，电离率极高，与传统的电离中性气体等离子源相比，可在较短时间内得到较高剂量、高纯度的等离子体束，提高了生产效率。并且，该结构的等离子体产生装置可以省略结构复杂的质量分析器，降低了等离子体束的运输损失。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的

具体实施方式

一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明一实施例中等离子体产生装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中激光电离靶材并加速离子的机制原理图；

图3为本发明一实施例中激光产生结构的示意图。

附图标记说明

100：等离子体产生装置；

110：激光产生结构；

111：激光振荡器；

112：再生放大器；

113：多倍频器；

114：激光放大器；

115：泵浦光源；

120：粒子产生腔室；

121：腔室本体；

122：全反镜；

123：介质窗；

124：聚焦器件；

125：载片台；

126：驱动机构；

126a：移动台；

126b：控制单元；

130：筛选组件；

131：萃取电极；

132：偏转电极；

133：收集板；

134：直流偏压电源；

200：离子注入设备；

210：工艺腔室；

220：扫描电极；

300：靶材；

310：电子；

320：离子；

400：基片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明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发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的第一方面，涉及一种等离子体产生装置100，包括激光产生结构110、粒子产生腔室120和筛选组件130。其中，激光产生结构110用于产生符合预定条件的飞秒脉冲激光A，该预定条件，例如，可以包括预定波长和/或预定能量。粒子产生腔室120用于接收飞秒脉冲激光A，并利用该飞秒脉冲激光A照射位于粒子产生腔室120中的靶材300，以激发靶材300形成高能粒子束B，该高能粒子束B中的粒子包括离子、中子和电子。筛选组件130用于对高能粒子束B进行筛选，从而可以得到仅包括离子的等离子体束。

具体地，如图1和图2所示，激光产生结构110所产生的高功率飞秒脉冲激光A，传输至粒子产生腔室120中，照射靶材300，此时，靶材300中的电子310在激光有质动力势(冲击波)作用下迅速被加速穿透靶材300，而离子320由于质量较大，因惯性仍停留在靶材300内。这样，就在靶材300的后表面(即与图2中所示的激光入射方向相对的表面)与真空交界面上形成一个很薄的鞘层电场E，鞘层厚度约为几个微米。由于飞秒脉冲激光的功率密度极高，在作用的瞬间即可将辐照的区域(面积约为数百微米)瞬间全部电离、汽化，因此产生的靶后高能电子310密度极高，电场极强，可达1012V/m，如此高的静电场使得靶内离子320得到有效的加速。

本实施例中的等离子体产生装置100，包括激光产生结构110、粒子产生腔室120和筛选组件130，其中的激光产生结构110可以产生符合预定条件的飞秒脉冲激光，粒子产生腔室120可以接收飞秒脉冲激光并辐照靶材300，得到高能粒子束，并经过筛选形成等离体子体束，电离率极高，与传统的电离中性气体等离子源相比，可在较短时间内得到较高剂量、高纯度的等离子体束，提高了生产效率。并且，该结构的等离子体产生装置100可以省略结构复杂的质量分析器，降低了等离子体束的运输损失。

此外，上述靶材300可以选用高纯度的固体靶，其一般可以加工成扁平的圆柱体或长方体，厚度为几个微米，由待注入的杂质元素组成，例如硼B、磷P等。这样，通过使用高功率飞秒脉冲激光辐照高纯度的固体薄靶，可以进一步得到高能粒子束，进一步提高电离率，可在较短时间内得到较高剂量、高纯度的等离子体束，提高了生产效率。

需要说明的是，对于激光产生结构110的具体结构并没有作出限定，其只要能够满足产生符合预定条件的飞秒脉冲激光即可。

此外，对于激光传输结构120的具体结构也并没有作出限定，其只要能够满足将激光产生结构110所发出的飞秒脉冲激光传输至反应腔室120内即可。例如，该激光传输结构120可以包括反射片和介质窗，此外，如果期望对飞秒脉冲激光进行聚焦，激光传输结构120还可以包括聚焦器件等等。

为了激发形成高密度的粒子束，需要进行多级的激光能量放大，如图3所示，具体地，激光产生结构110包括依次连接的激光振荡器111、再生放大器112、多倍频器113和激光放大器114。

其中，上述激光振荡器111用于产生飞秒脉冲种子光，该激光振荡器111需要连接有泵浦光源115。种子光的波长一般为700-800nm，重复频率MHz以上，功率为mW量级。

上述再生放大器112用于接收飞秒脉冲种子光并对其进行再生放大。该再生放大器112同样需要连接有泵浦光源115(一般为钕玻璃激光器)进行能量的输送，将再生放大器112内的激光增益介质(一般为掺杂Ti的蓝宝石)中的粒子激发至特定的高能态，使粒子往低能态跃迁时放出光子形成激光的增益能量。

上述多倍频器113，用于接收再生放大后的飞秒脉冲种子光并对其波长进行处理。例如，可以采用三倍频器，将其波长变为原来的三分之一，使得单个光子能量增大，且更易聚焦得到um量级的焦斑。

上述激光放大器114，用于接收预定波长的飞秒脉冲种子光并对其进行放大。例如，激光放大器114可以为放电泵浦的气体激光放大器，其可以通过kV量级的直流放电将泵浦室内的气体增益介质(如KrF等)激发至特定的高能态，对飞秒脉冲种子光进行最后一次放大。这样，激光放大器114所输出的飞秒脉冲激光被引导至粒子产生腔室120中辐照靶材300产生等离子体束。并且，可以通过调节泵浦光源115和放电泵浦的激光放大器114的泵浦功率，可得到一定能量范围的飞秒脉冲激光，如0.1mJ-100mJ，从而可以满足不同深度的离子注入。

如图1所示，粒子产生腔室120包括腔室本体121、全反镜122、介质窗123和聚焦器件124。

其中，全反镜122位于腔室本体121外，例如，位于腔室本体121的上方，并与激光产生结构110之间具有预定夹角，以将飞秒脉冲激光A全反射至介质窗123。介质窗123与腔室本体121的顶壁密闭连接，以用于将接收到飞秒脉冲激光A耦合至腔室本体121内。聚焦器件124位于腔室本体121内且位于靶材300上方，以对耦合至腔室本体121内的飞秒脉冲激光A进行聚焦。

本实施例结构的等离子体产生装置100，其中的聚焦器件124可以将飞秒脉冲激光聚焦为直径几微米到几十微米的圆形焦斑，焦斑功率密度可达10¹⁴W/cm²～10²⁰W/cm²。这样，由于激光焦斑尺寸极小(um量级)，因此得到的等离子体束横向尺寸极小，一般为数百微米，从而可以到横向发散更小的等离子体束，以降低离子注入的横向发散效应。此外，还可以通过调节激光入射能量，可得到能量范围keV-MeV的等离子体束。

如图1所示，粒子产生腔室120还包括载片台125和驱动机构126。其中，载片台125用于承载靶材300。驱动机构126用于驱动载片台125移动，以使得飞秒脉冲激光A能够照射至靶材300表面的任意处。

具体地，如图1所示，驱动机构126包括驱动电机(图中并未示出)、移动台126a和控制单元126b。驱动电机可以是伺服电机或步进电机等。移动台126a的一端与驱动电机的输出轴固定连接，另一端与载片台125连接，移动台126a可以为三维移动台，也就是说，该移动台126a在驱动电机的驱动下可以进行三维空间的移动等。控制单元126b与驱动电机的控制端子电连接，以控制驱动电机的工作状态。

具体地，控制单元126b用于控制移动台126a移动，从而可以使得位于载片台125上的靶材300按照预定的路径进行连续循环移动，使靶材300的各个部分都能被激光照射到，以进行连续的高剂量离子注入。并且，在驱动电机为伺服电机或步进电机时，还可以利用控制单元126b对伺服电机或步进电机进行精密控制，可以使得靶材300被精确置于激光焦斑所在位置处。

如图1所示，筛选组件130可以包括萃取电极131和偏转电极132。萃取电极131与直流偏压电源134电连接，以用于对经过萃取电极131的高能粒子束B中的电子进行过滤，得到仅包括离子和中子的初级粒子束。萃取电极131可以由片状的导电材料构成，其外接直流偏压电源134，通电后负责产生kV量级的直流负偏压，将高能粒子束中的高能电子减速降低至低能态，使其与周围的气体分子或腔室壁碰撞复合，甚至反向加速远离萃取电极131，从而只让带正电的离子及中子通过萃取电极131。通过萃取电极131后，高能粒子束中仅剩下离子和中子。

偏转电极132用于对经过的初级粒子束中的离子偏转，以得到仅包括离子的等离子体束D。该偏转电极132可以由导电的片状材料构成，其外接直流偏压源134，通电后产生直流偏压以控制离子束偏转方向，使其与中子分离。也就是说，经过偏转电极132后，带正电的离子运动方向将发生偏转，得到纯净的等离子体束D，而中子C不受电场偏转的作用，将沿原来的运动方向继续前进，直至到达中子收集板133上，该收集板133使用的材料不限，厚度应为10mm以上。

本发明的第二方面，如图1所示，提供了一种离子注入设备200，包括前文记载的的等离子体产生装置100，以及用于进行离子注入的工艺腔室210。

本实施例中的离子注入设备200，具有前文记载的等离子体产生装置100，其通过使用高功率飞秒脉冲激光辐照靶材300，得到高能粒子束，并经过筛选形成等离体子体束，电离率极高，与传统的电离中性气体等离子源相比，可在较短时间内得到较高剂量、高纯度的等离子体束，提高了生产效率。并且，还可以省略结构复杂的质量分析器，从而可以降低等离子体束的运输损失。

如图1所示，工艺腔室210包括扫描电极211，用于控制等离子体束沿着预定方向对基片400的表面进行离子注入。

具体地，扫描电极211可以包括X方向扫描电极和Y方向扫描电极。其中，X方向扫描电极用于控制等离子体束沿着X方向对基片400的表面进行离子注入。Y方向扫描电极用于控制等离子体束沿着Y方向对基片400的表面进行离子注入。这样，通过两个扫描电极的作用，可以对整个基片400上的二维表面进行注入。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。