阅读说明：本技术 离子束能量控制装置 (Ion beam energy control device ) 是由 张劲 陈炯 夏世伟 于 2019-04-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种离子束能量控制装置。其包括：入口端和出口端,所述入口端供离子束射入,所述出口端供离子束射出；若干电极对,每个电极对分别包括相对设置的第一电极和第二电极,所述第一电极和所述第二电极均为棒状,所述第一电极和所述第二电极之间的空间供离子束通过；所述若干电极对中至少一电极对形成第一电极群,施加至所述第一电极群的电压使得离子束向第一方向偏转；所述若干电极对中至少一电极对形成第二电极群,施加至所述第二电极群的电压使得离子束向第二方向偏转,所述第二方向与所述第一方向反向。本发明的离子束能量控制装置在电极形状、电极布局、束流调节等方面均具有较多优点。(The invention discloses an ion beam energy control device. It includes: the ion source comprises an inlet end and an outlet end, wherein the inlet end is used for injecting ion beams, and the outlet end is used for injecting the ion beams; each electrode pair comprises a first electrode and a second electrode which are oppositely arranged, the first electrode and the second electrode are both rod-shaped, and a space between the first electrode and the second electrode is used for ion beams to pass through; at least one electrode pair in the plurality of electrode pairs forms a first electrode group, and the voltage applied to the first electrode group deflects the ion beam to a first direction; at least one electrode pair of the plurality of electrode pairs forms a second electrode group, and the voltage applied to the second electrode group deflects the ion beam in a second direction, which is opposite to the first direction. The ion beam energy control device has more advantages in the aspects of electrode shape, electrode layout, beam regulation and the like.)

离子束能量控制装置

技术领域

本发明属于半导体设备领域，尤其涉及一种离子束能量控制装置。

背景技术

在“低能大束流”离子注入机中，需要实现最终能量极低，束流强度很高的离子束。由于离子束的引出强度和传输效率会随着能量降低而显著降低，因此需要用较高的能量来引出和传输离子束，再通过一个或若干减速装置对离子束进行减速，从而实现低能大束流。在减速过程中，需要避免离子束强度的损失。此外，减速过程中不可避免地产生中间能量的离子，这些与最终能量不同的离子，会对制成的半导体器件造成不良影响，被称为能量污染，也需要最大限度的减少。因此，如何有效地减速光束，减少能量污染是研发的主要方向。现有的装置中，通常设置多种电极，在束流穿过时电极的电场改变束流的方向和速度。目前，市场上可见的装置中存在以下缺陷：

电极的形状各异，不利于电极的制造加工；

电极表面积大，易被束流击中；

束流通道较窄，对束流限制较大；

束流高度不够；

采用大面积的平面电极来屏蔽腔壁对电场的影响，不能有效改变束流边缘角度；

可通过的束流强度有限，垂直均匀性几乎无法调节。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有的装置束流有限、束流高度不够的缺陷，而提供一种离子束能量控制装置。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种离子束能量控制装置，包括：

入口端和出口端，所述入口端供离子束射入，所述出口端供离子束射出；

在所述入口端和所述出口端之间设置的若干电极对，每个电极对分别包括相对设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均为棒状，所述第一电极和所述第二电极之间的空间供离子束通过；

所述若干电极对中至少一电极对形成第一电极群，施加至所述第一电极群的电压使得离子束在通过所述第一电极群形成的束流通道时向第一方向偏转；

所述若干电极对中至少一电极对形成第二电极群，施加至所述第二电极群的电压使得离子束在通过所述第二电极群形成的束流通道时向第二方向偏转，所述第二方向与所述第一方向反向。

较佳地，离子束在通过所述若干电极对形成的束流通道时离子束中心轨迹呈S形弯曲。

较佳地，所述离子束能量控制装置还包括从所述入口端到最靠近所述入口端的电极对之间依次设置的：

入口电极对，所述入口电极对包括相对设置的两个入口电极，所述入口电极与所述入口端有相同的电位；

抑制电极对，所述抑制电极对包括相对设置的两个抑制电极，所述抑制电极有相比所述入口电极更负的电位；

所述离子束能量控制装置还包括从所述出口端到最靠近所述出口端的电极对之间设置的：

出口电极对，所述出口电极对包括相对设置的两个出口电极，所述出口电极的电压等于地电压。

较佳地，所述离子束能量控制装置还包括：

第一纵端电极对，所述第一纵端电极对包括设置于所述第一电极群之间且相对设置的两个第一纵端电极；

第二纵端电极对，所述第二纵端电极对设置于所述第二电极群之间且相对设置的两个第二纵端电极；

所述第一纵端电极对有比所述第一纵端电极对的纵向连线中心电位更正的电位；

所述第二纵端电极对有比所述第二纵端电极对的纵向连线中心电位更正的电位。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极上下相对设置；

所述第一方向为向上，所述第二方向为向下；或，所述第一方向为向下，所述第二方向为向上。

较佳地，所述第一电极群和所述第二电极群中：

施加的电压使得离子束向上偏转的电极群内，设置于上部的电极的电压低于相对设置于下部的电极的电压；

施加的电压使得离子束向下偏转的电极群内，设置于上部的电极的电压高于相对设置于下部的电极的电压。

较佳地，所述第一电极群和所述第二电极群中：

沿束流前进方向，当施加的电压使得离子束向上偏转的电极群设置于施加的电压使得离子束向下偏转的电极群的前方时，后方的第一电极的位置不低于前方的第一电极的位置，后方的第二电极的位置不低于前方的第二电极的位置；

或，沿束流前进方向，当施加的电压使得离子束向上偏转的电极群设置于施加的电压使得离子束向下偏转的电极群的后方时，后方的第一电极的位置不高于前方的第一电极的位置，后方的第二电极的位置不高于前方的第二电极的位置。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极的电压均非正值。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极的高度均大于束流高度。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极的高度的最低值在500～600mm之间。

较佳地，所述离子束能量控制装置还包括：腔体，所述腔体的两端分别形成所述入口端和所述出口端，所述腔体高度的最低值在700～1000mm之间。

较佳地，所述第一电极和所述第二电极的垂直截面为矩形或方形，且直角处有倒角。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的离子束能量控制装置在电极形状方面具有以下优点：电极为棒状，形状简单，方便制造加工，并且由于各电极形状统一，所以即使存在损坏或不能使用的电极也可以采用其它电极相互替换；电机表面积小，减少了束流击中的概率。

本发明的离子束能量控制装置在电极布局方面具有以下优点：电极分布规范，互不干扰；相邻电极之间的间隙较大，减少了束流击中电极的概率；束流通道比较宽敞，对束流路径限制少。

本发明的离子束能量控制装置在束流调节方面具有以下优点；可传输高度300mm左右的束流；可独立控制的电极数量极多，控制更为精细，能够应对各种条件的束流需求；不需要屏蔽腔壁电场，能够更精细的调节束流边缘角度，同时保证垂直束流的均匀性和角度均匀性。

附图说明

图1为离子束经过离子束能量控制装置的过程示意图。

图2为本发明实施例的一种离子束能量控制装置的内部示意图。

图3为图2的侧视图。

图4为本发明其它实施例的另一种离子束能量控制装置的内部示意图。

图5为本发明实施例的一种离子束能量控制装置的束流散度曲线。

图6为本发明实施例的一种离子束能量控制装置的1D束流曲线。

图7为本发明实施例的一种离子束能量控制装置的2D束流曲线。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例

本实施例提供了一种离子束能量控制装置。图1简易地示出了离子束经过所述离子束能量控制装置100的过程，出射离子束与入射离子束的能量可能相同或不同。图2-3示出了所述离子束能量控制装置100的内部结构。所述离子束能量控制装置包括入口端101和出口端102。所述入口端101供离子束200射入，所述出口端102供离子束200射出。

所述离子束能量控制装置还包括若干电极对103。所述若干电极对103设置在所述入口端101和所述出口端102之间。每个电极对103分别包括相对设置的第一电极1031和第二电极1032。所述第一电极1031和所述第二电极1032均为棒状。所述第一电极1031和所述第二电极1032之间的空间供离子束200通过。其中，所述第一电极1031和所述第二电极1032的形状可以相同或不同。所有电极对103的所述第一电极1031和所述第二电极1032之间的空间相互连接形成一条从所述入口端101射入到所述出口端102射出的束流通道，即，所述第一电极1031和所述第二电极1032分别设置于束流通道的两侧。

所述若干电极对103中至少一电极对103形成第一电极群131，施加至所述第一电极群131的电压使得离子束200在通过所述第一电极群131形成的束流通道时向第一方向偏转。本实施例中，形成所述第一电极群131的电极对103优选为所述若干电极对103中相邻设置的电极对103。施加至所述第一电极群131的电压表示所述第一电极群131中的每个电极对103均被施加电压，但是并不限定每个电极对103被施加电压的值均相同，也就是说，所述第一电极群131中的每个电极对103被施加的电压均可以独立设定，可以相同或不同，但需要保证离子束200在通过该电极对103之间的空间时向第一方向偏转。由于所述第一电极群131中的每个电极对103被施加的电压均可以独立设定，且电极对103的电压差与偏转角度之间存在可确定的对应关系，所以离子束200在通过所述第一电极群131中的每个电极对103之间的空间的偏转角度也可以独立设定，可以相同或不同。

所述若干电极对103中至少一电极对103形成第二电极群132，施加至所述第二电极群132的电压使得离子束200在通过所述第二电极群132形成的束流通道时向第二方向偏转。所述第二方向与所述第一方向反向，其中所述的反向并不一定是第一方向和第二方向完全相反(相差180°)，可以是大致上的相反(如相差大于90°且小于180°)。本实施例中，形成所述第二电极群132的电极对103优选为所述若干电极对103中相邻设置的电极对103。施加至所述第二电极群132的电压表示所述第二电极群132中的每个电极对103均被施加电压，但是并不限定每个电极对103被施加电压的值均相同，也就是说，所述第二电极群132中的每个电极对103被施加的电压均可以独立设定，可以相同或不同，但需要保证离子束200在通过该电极对103之间的空间时向第二方向偏转。由于所述第二电极群132中的每个电极对103被施加的电压均可以独立设定，且电压与偏转角度之间存在可确定的对应关系，所以离子束200在通过所述第二电极群132中的每个电极对103之间的空间的偏转角度也可以独立设定，可以相同或不同。

本实施例中，沿束流前进方向，所述第一电极群131可设置于所述第二电极群132的前方，在其他实施例中，所述第一电极群131亦可设置于所述第二电极群132的后方，本发明对第一电极群131和第二电极群132的设置顺序不做限定。

离子束200在通过所述若干电极对103形成的束流通道时离子束中心轨迹呈S形弯曲。本实施例中，所述第一电极群131和所述第二电极群132之间没有设置其它电极对103。当然本发明并不限定于此，在其他实施例中，所述第一电极群131和所述第二电极群132之间可以设置其它电极对103，但是所述第一电极群131和所述第二电极群132之间所设置的电极对103，其电压优选不改变离子束200的前进方向或大致的前进方向，以保证离子束中心轨迹整体上呈S形弯曲。

所述第一电极1031和所述第二电极1032的设置方向、电压差与离子束200通过时的偏转方向有关。本实施例中，所述第一电极1031和所述第二电极1032上下相对设置，具体地，所述第一电极1031设置于上部而所述第二电极1032设置于下部，当然本发明并不局限于此，在其他实施例中，所述第一电极1031也可以设置于下部而第二电极1032设置于上部。离子束200在通过束流通道时可以向上偏转或向下偏转，具体地，所述第一方向为向上，所述第二方向为向下；或，所述第一方向为向下，所述第二方向为向上。

所述第一电极群131和所述第二电极群132中：

施加的电压使得离子束200向上偏转的电极群内，设置于上部的电极的电压低于相对设置于下部的电极的电压；

施加的电压使得离子束200向下偏转的电极群内，设置于上部的电极的电压高于相对设置于下部的电极的电压。

具体到本实施例中，第一电极群131实现离子束200向上偏转，第二电极群132实现离子束200向下偏转。第一电极群131中，第一电极1031的电压应当低于第二电极1032的电压；第二电极群132中，第一电极1031的电压应当高于第二电极1032的电压。

本实施例的所述第一电极群131和所述第二电极群132中，沿束流前进方向，施加的电压使得离子束200向上偏转的第一电极群131设置于施加的电压使得离子束200向下偏转的第二电极群132的后方，即离子束200在通过整个束流通道时先向上偏转再向下偏转。此时，后方的第一电极1031的位置不高于前方的第一电极1031的位置，后方的第二电极1032的位置不高于前方的第二电极1032的位置。

当然本发明并不局限于此，在其他实施例中，如图4所示的另一种离子束能量控制装置中，第一电极群131可以实现离子束200向下偏转，第二电极群132可以实现离子束200向上偏转。相应的，第一电极群131中，第一电极1031的电压应当高于第二电极1032的电压；第二电极群132中，第一电极1031的电压应当低于第二电极1032的电压。所述第一电极群131和所述第二电极群132中，沿束流前进方向，施加的电压使得离子束200向上偏转的电极群也可以设置于施加的电压使得离子束200向下偏转的电极群的前方，即离子束200在通过整个束流通道时先向下偏转再向上偏转。此时，后方的第一电极1031的位置不低于前方的第一电极1031的位置，后方的第二电极1032的位置不低于前方的第二电极1032的位置。该离子束能量控制装置的其它部分结构与本实施例相同。

为了方便加工，本实施例的所述第一电极1031和所述第二电极1032的垂直截面可以为矩形或方形，且直角处有倒角。所述第一电极1031和所述第二电极1032的电压均非正值。

所述第一电极1031和所述第二电极1032的高度均大于束流高度(行业内通常把束流最长方向称为高度，为了保持一致性，将电极与束流最长方向的同向也称为高度)。对于高度300mm左右的束流而言，所述第一电极1031和所述第二电极1032的高度的最低值在500～600mm之间。

所述离子束能量控制装置还包括：腔体109，所述腔体的两端分别形成所述入口端101和所述出口端102。上述的各电极对均设置于所述腔体109内。为了避免腔壁电位对高度300mm左右的束流的影响，所述腔体109高度的最低值在700～1000mm之间。

本实施例中，所述离子束能量控制装置还包括从所述入口端101到最靠近所述入口端101的电极对103之间依次设置的：入口电极对104和抑制电极对105。所述入口电极对104包括相对设置的两个入口电极1041，所述入口电极1041与所述入口端101有相同的电位。所述入口电极对104作为整个装置与上游的一个连接和过渡。所述抑制电极对105包括相对设置的两个抑制电极1051，所述抑制电极1051有相比所述入口电极更负的电位。像所述离子束能量控制装置的这类多电极系统中总是存在着某些电位更正的电极，由于质量非常小，电子很容易在电场中被加速轰击这些电极，这可能会使得与这些电极相连的电源的电压发生变化甚至失控。对于孤立的多电极系统，只要其内部不产生电子，就不必担心这一问题。但实际上，离子束的其他部分中，由于电荷交换作用，离子束轰击产生二次电子等一系列效应，会不断产生大量电子，这些电子会进入多电极系统造成问题。所述抑制电极对105的作用就是阻止这些电子进入多电极系统，通常做法是在系统与外界的交汇处放置比外界电位更低的电极，对电子形成一个势垒，从而阻挡电子。

所述离子束能量控制装置还包括从所述出口端102到最靠近所述出口端102的电极对之间设置的出口电极对106。所述出口电极对106包括相对设置的两个出口电极1061，所述出口电极1061的电压等于地电压。所述地电压等于腔体电压。所述出口电极对106作为整个装置与下游的一个连接和过渡。

本实施例中，所述离子束能量控制装置还包括：第一纵端电极对107和第二纵端电极对108。所述第一纵端电极对107包括设置于所述第一电极群131之间且相对设置的两个第一纵端电极(由于图示角度问题所以图中仅能示出了一个第一纵端电极，另一个第一纵端电极被该第一纵端电极遮挡)。所述第二纵端电极对108设置于所述第二电极群132之间且相对设置的两个第二纵端电极(由于图示角度问题所以图中仅能示出了一个第二纵端电极，另一个第二纵端电极被该第二纵端电极遮挡)。所述第一纵端电极对107有比所述第一纵端电极对107的纵向连线中心电位更正的电位。所述第二纵端电极对108有比所述第二纵端电极对108的纵向连线中心电位更正的电位。所述第一纵端电极对107和所述第二纵端电极对108的设置可以控制束流的两侧角度。

对利用本实施例图2-3所示的离子束能量控制装置实现高度300mm的9mA P+离子束从10keV减速到3keV进行仿真，仿真结果如图5-7：

如图5所示，在平面500mm沿垂直方向发射(横坐标z表示垂直长度(m)，纵坐标表示散度(degrees))：沿着垂直方向，束流在300mm以内逐渐收敛(见图中的矩形区域内的束流)，束流在200mm以内几乎零散度/收敛性(见图中的椭圆区域内的束流)。束流的两端用第一纵端电极对和第二纵端电极对压紧。

如图6所示，在平面500mm沿垂直方向的1D束流曲线(横坐标z表示垂直长度(m)，纵坐标表示相对强度(intensity)(a.u.))：在高度300mm以内，束流弯度有2.5％的不同，曲线成尖锐的阶梯状。

如图7所示，在平面500mm的2D束流曲线(横坐标z表示垂直长度(cm)，纵坐标y表示水平长度(cm))：沿垂直方向，束流很直且均匀。

上述仿真结果表明，本实施例的离子束能量控制装置能够传输高度300mm左右的束流，沿垂直方向，束流具有良好的收敛性和均匀性，能量丢失少。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。