用于宽带离子束的质量分析磁铁及注入机系统的制作方法

专利名称：用于宽带离子束的质量分析磁铁及注入机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及宽带离子束的注入领域，特别涉及一种用于宽带离子束的质量分析
磁铁及注入机系统。
背景技术：
现有技术中，从离子源生产的离子束通常包含一个或多个不需要的离子，这些 离子来源于离子源的离子室材料和为产生所需要的离子所提供的工作气体分子或固体分 子。因此，多年来的标准的做法是使用磁场质量分析器把上述不需要的离子从离子束中 分离出去。然而，对于宽带离子束来说，特别是对那些大宽高比和大束流的宽带离子束 来说，这种类型的磁场质量分析器已变得越来越困难和昂贵。研究者们开发了不同的离 子注入系统以产生宽带离子束。然而，由于分析磁铁的性能不够满意，这些类型的离子 注入系统不是单片大束流离子注入机的最好的解决办法。因此，有必要提供一个新的系 统，产生高均匀性大束流宽带离子束，同时降低了生产成本，简化制造工艺。

发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种用于宽带离子束的质量分析磁 铁及注入机系统，解决目前在磁铁的设计中不能提供一种具有适当的质量分辨率、系统 像差小以及传输大束流的宽带离子束的问题。 本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是设计和制造一种用于宽带离子 束的质量分析磁铁，包括磁体以及连有电源的线圈；所述磁体包括磁极、磁轭以及磁屏 蔽板；所述磁轭和所述磁屏蔽板连接所述磁极；所述磁极包括上磁极和下磁极；所述磁 屏蔽板包括上磁屏蔽板以及下磁屏蔽板；所述上磁极与下磁极间设有供宽带离子束以一 定路线通过的磁场空间；所述线圈包括上线圈和下线圈；所述线圈生成让宽带离子束偏 转的磁场；所述上线圈和下线圈分别缠绕在所述上磁极和下磁极上；所述磁体设有质量 选择狭缝；所述质量选择狭缝位于所述磁体的中部并让其所期望的离子通过。
本发明进一步的改进是所述磁极包括前半部和后半部；所述前半部和后半部 连接在一起；所述前半部和后半部以它们的连接面对称或不对称；所述前半部让离子束 从其一边进入磁体并从所述后半部的一边出去。 本发明进一步的改进是所述磁屏蔽板与所述磁极相连接；所述线圈环绕所述 磁极部分；所述磁极的表面设计为可产生均匀磁场分布或非均匀磁场分布的表面；所述 均匀磁场分布将引导离子以相等偏转半径的曲线轨道运动；所述非均匀磁场分布将引导 离子以不相等偏转半径的曲线轨道运动。 本发明进一步的改进是所述磁体的内部设有焦斑区，所述焦斑区为通过的宽 带离子束在所述磁体的中部被聚焦而形成，所述质量选择狭缝设置在焦斑区。
本发明进一步的改进是所述磁极与所述磁屏蔽板相应的边为宽带离子束的进 入边或出去边，其为平面或曲面形状；所述曲面为凸表面或凹表面形状；所述一定路线
4为类似圆形或类似椭圆形路线。 本发明进一步的改进是所述磁极的端部设有活动旋转磁极头，所述活动旋转 磁极头可旋转一定的角度。 本发明为了将该质量分析磁铁应用于实践，特制造一种用于宽带离子束的注入 机系统，包括离子源、引出电极单元、质量分析磁铁、偏转减速单元、目标工件和工件 传送单元、束流测量诊断单元以及控制单元；所述引出电极单元和所述离子源位于所 述质量分析磁铁的一侧，所述引出电极单元位于所述离子源和所述质量分析磁铁间，所 述偏转减速单元、目标工件和工件传送单元以及束流测量诊断单元位于所述质量分析磁 铁的另一侧，所述偏转减速单元、目标工件和工件传送单元、束流测量诊断单元顺次连 接；所述引出电极单元用来从所述离子源中获取宽带离子束；宽带离子束在所述质量分 析磁铁内聚焦集中到一个狭窄的质量分析狭缝，所述质量分析狭缝设有合适的开口宽度 以便让具有预先设定质量的离子通过，并在该磁铁出口处形成宽带束；所述束流测量诊 断单元测量宽带离子束的电流密度和角度，并通过所述校正单元调节局部的电场或磁场 以改变离子束的局部电流密度和角度；所述偏转减速单元用来生产具有极低能量污染的 离子束；所述控制单元分别与所述离子源、引出电极单元、偏转减速单元、质量分析磁 铁、目标工件和工件传送单元以及束流测量诊断单元相连接。 本发明进一步的改进是所述用于宽带离子束的注入机系统还可包括校正单 元；所述校正单元通过局部的电场或磁场来调整宽带束中的每一个束团的角度和位置。
本发明进一步的改进是所述用于宽带离子束的注入机系统还可包括两个角度 装置；所述角度装置将从所述质量分析磁铁内出来的宽带离子束进行扩大或压縮以达到 期望的宽度。 本发明进一步的改进是所述质量分析磁铁上还可以设有活动旋转磁极头，所 述活动旋转磁极头可偏转一定的角度，所述活动旋转磁极头可将产生的出口束流变换成 为聚焦束或发散束；所述宽带离子束的注入机系统还可包括一个角度装置；所述角度装 置和所述活动旋转磁极头相对应；所述角度装置将对所述活动旋转磁极头内出来的聚焦 束或发散束的角度进行校正以获得平行束，从而对宽带离子束进行扩大或压縮以达到期 望的宽度。 本发明进一步的改进是所述离子束进入所述质量分析磁铁后并以一定的偏转 角度出来，所述偏转角度在90度到200度之间。 本发明进一步的改进是所述质量分析磁铁包括磁体以及连有电源的线圈；所 述磁体包括磁极、磁轭以及磁屏蔽板；所述磁轭和所述磁屏蔽板连接所述磁极；所述磁 极包括上磁极和下磁极；所述磁屏蔽板包括上磁屏蔽板以及下磁屏蔽板；所述上磁极 与下磁极间设有供宽带离子束以一定路线通过的磁场空间；所述线圈包括上线圈和下线 圈；所述线圈生成让宽带离子束偏转的磁场；所述上线圈和下线圈分别缠绕在所述上磁 极和下磁极上；所述磁体设有质量选择狭缝；所述质量选择狭缝位于所述磁体的中部并 让其所期望的离子通过。 本发明进一步的改进是所述磁极包括前半部和后半部；所述前半部和后半部 连接在一起；所述前半部和后半部以它们的连接面对称或不对称；所述前半部让离子束 从其一边进入磁体并从所述后半部的一边出去；所述磁屏蔽板与所述磁极相连接；所述线圈环绕所述磁极部分；所述磁极的表面设计为可产生均匀磁场分布或非均匀磁场分布 的表面；所述均匀磁场分布将引导离子以相等偏转半径的曲线轨道运动；所述非均匀磁 场分布将引导离子以不相等偏转半径的曲线轨道运动；所述磁体的内部设有焦斑区，所 述焦斑区为通过的宽带离子束在所述磁体的中部被聚焦而形成，所述质量选择狭缝设置 在焦斑区；所述磁极与所述磁屏蔽板相应的边可为平面或曲面形状；所述曲面为凸表面 或凹表面形状；所述磁极的端部设有活动旋转磁极头，所述活动旋转磁极头可旋转一定 的角度。 本发明的有益效果是本发明具有高质量分辨率和几乎为零系统像差；可以提 高通过减速器产生的超低能量离子束的品质，减小超低能量离子束的角度离散；离子束 的流强均匀度和角度均匀度易于控制；制造具有优越的控制能力可靠的单片大电流注入 机；本发明特别是为低能量束流，300毫米的应用和未来450mm的应用提供了一个卓越 的产品。


图l转自美国专利号5834786，单磁铁宽带注入机并具有质量分辨率2 ; 图2转自美国专利号5350926，双磁体系统并具有质量分辨率60 ; 图3a转自美国专利号6160262，窗框型磁铁系统，其具有合理的质量分辨率； 图3b转载自美国专利号6160262，显示窗框型磁铁的横断面； 图4转载自美国专利号7112789，窗框型磁铁和床腿线圈，具有高质量分辨率，
使用开放式潘诺夫斯基四极透镜以产生竖直的宽带束流； 图5表示出宽带束的不同位置上的两个微束团； 图6转载自美国专利号6885014，双磁铁系统，具有高分辨力，用宽带离子源提
供的平行带离子束做为输入； 图7a是常规扇形磁铁的示意图； 图7b是常规质量分析磁铁工作在点对点传输的示意图；
图7c是常规质量分析磁铁工作在平行对点传输的示意图； 图8是本发明180度磁铁的概念的示意图，磁场是均匀磁场，离子走圆形轨 道； 图9是一个图表，显示图8中的磁铁的色散D、焦斑大小dw与偏转半径R及宽 带束宽度W的关系； 图IO显示本发明180度磁铁的概念。磁场强度逐渐沿z变化，离子走椭圆轨 道； 图11显示比较了半径a的圆形轨道和短轴a和伸长因子b/a = 1.2的椭圆形轨道 的焦斑尺寸； 图12显示了一个设计实例，色散D和焦斑大小dw与离子轨道的关系，短轴a和 延伸因子b/a = 1.2 ; 图13显示了本发明的180度的磁铁的另一个概念。磁场强度逐渐沿z变化，离 子走椭圆轨道。通过改变磁场的边界形状，以减少焦斑尺寸； 图14显示显示了本发明的180度的磁铁的另一个概念，磁铁的偏转角度在90至200度。宽带束相对于磁铁边界有入射角和出射角； 图15表示了一个倾向性的本发明的质量分析磁铁的侧视图； 图16表示了磁场分量By和Bz的沿z的分布； 图17表示了一个倾向性的本发明的质量分析磁铁的横截面图，磁极头呈长方 形，离子轨道也表示出； 图18表示了另一个倾向性的本发明的质量分析磁铁的横截面图，磁极头的形状 根据束流包络进行优化以减轻重量； 图19a和19b表示了一个倾向性的本发明的图18的质量分析磁铁的三维透视 图； 图20显示了在宽带束流的长轴平面上的离子轨道，宽带束流在磁铁内形成焦 斑； 图21显示了离子轨道在磁铁内的三维透视图； 图22表示了另一个倾向性的本发明的质量分析磁铁的三维透视图，以实现图14 中一般偏转角度在90至180度； 图23是采用本发明磁铁的一个宽带束流离子注入机系统的示意图，其采用了 180度偏转； 图23a是图23的侧视图，并表示了偏转减速器偏转了束流轨道； 图24是采用本发明磁铁的另一个宽带束流离子注入机系统的示意图，其采用了
非180度偏转； 图25是采用本发明磁铁的另一个宽带束流离子注入机系统的示意图，其采用了 潘诺夫斯基四级磁铁扩大束流以形成一个更宽的宽带束； 图26表示了在图25的系统中，如何利用潘诺夫斯基四级磁铁压縮束流以形成一 个较窄的束流； 图27是采用本发明磁铁的又一个宽带束流离子注入机系统的示意图，其采用可 旋转磁极头和一个潘诺夫斯基四级磁铁扩大束流以形成一个更宽的宽带束；
图28表示了在图27的系统中，如何利用可旋转磁极头和一个潘诺夫斯基四级磁 铁压縮束流以形成一个较窄的束流。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
以下先对现有技术的一些说明 如图1中，转载自美国专利号5834786，日本三井造船公司生产的用于平板显示 器的宽带束流离子束注入机系统，其系统包含有磁场质量分析器，虽然只有微弱的质量 分辨能力(质量分辨率为2)，但对于平板显示器来说，这已经足以消除某些恶劣的污染物 离子。 与上述不同的是，美国瓦里安半导体公司生产的用于半导体硅晶片注入的宽带 束流离子注入机系统。系统利用两种不同的磁铁产生一个适用的宽带离子束。第一块磁 铁进行离子束的质量分析，第二块磁铁使离子束平行。瓦里安的双磁铁系统的质量分辨 率和其他任何商用离子注入机可以提供的一样好，通常超过50。出于这个原因，这种双
7磁铁系统结构所能提供的离子束均匀性和纯洁度已成为事实上的宽束离子注入机系统标 准。可惜的是，这个双磁铁系统有严重的缺点它复杂和昂贵，束流光学像差大，只适 用于300毫米离子束等，详见图2。由于磁场和离子束之间复杂的相互作用，这双磁铁的 技术路线会引起一些严重的技术上的，实用上的和半导体制程上的有关的问题，从而增 加了这一设备的运行成本。特别是，离子束通过该系统的路程比较长，对于某些半导体 制程上需要的低能量高电流离子束来说，其束流均匀度和角度均匀度越来越难以控制。
日新离子设备有限公司(日本京都)开发另一个磁体系统提供宽带束流用于平 板显示器的离子注入，该系统使用一个单一的大弯曲半径磁铁，相比以前的系统实现了 较高的质量分辨率。在这个目新系统中，宽带束流的长轴与磁铁磁场的方向一致，宽带 束的宽度是由宽带离子源的尺寸和分析磁铁的开放空间(从南磁极到北磁极)所决定的。 磁铁的磁场空间必须很大才能容下更宽的宽带束流。在结构上，日新的分析磁铁有一个 接近长方形的磁轭，线圈环绕着长方形磁轭的边柱，线圈分组绕制，线圈电流可分组控 制，从而控制磁场区内的磁场分布。见图3A和3B，转载自美国专利号6160262。
美国AIBT公司开发另一个磁铁系统来产生宽带离子束。 一个离子源产生一个 扩散的窄带离子束， 一个磁铁偏转这个离子束并在离子束的短轴方向提供聚焦力，但在 离子束的长轴方向不提供聚焦力。磁铁类似于图3的磁铁，但其线圈采用所谓的床腿线 圈，以减少边缘场区域。因此，离子束离开磁铁后形成在焦点处形成宽带离子束。在焦 点位置设置一个类似于四极磁场透镜，这个四极磁场透镜在离子束的长轴方向提供聚焦 力，从而把扩散束流聚成平行的宽带束流。详见图4，转载自美国专利号7112789。
2002年，本韦尼斯特披露了一个系统，详见图6，转载自美国的专利号 6885014。这个系统也用了两个磁铁，第一块磁体实现宽带离子束的质量分析，第二块磁 铁把离子束还原成平行宽带离子束。宽带离子束的短轴与磁场方向一致。这个系统有一 个显著的特点，它使用宽带离子源提供的平行带离子束作为磁体系统输入束流。
常规的质量分析磁铁通常采用扇形二极磁铁，FIG 7a显示了扇形磁铁和在内的 离子束。磁场是在磁铁的两个磁极1和2之间的空间产生的，离子束3，通常是圆形或椭 圆形，由离子源产生并被传送到磁铁；Fig7b显示了一个典型的束流光学，严格地说，是 质量分析系统的点到点的物象转换；FIG7c显示另一个典型的束流光学，严格地说，是 质量分析系统的平行到点的物象转换。 磁铁两极1和2的入口边缘和出口边缘可以设计成具有小角度a和13 。束流的 中央轨道标记为6。 7和8代表两个典型移动离子轨迹，他们通常从物点4出发，离子源 通常放置在物点4。质量选择狭缝9通常放置在象点5处。描述质量分析系统的坐标系 (x， y， s)也显示在图7b和图7c中，x和y是通常的水平方向和竖直方向坐标，但s被 定义成沿着中央轨道6。为了提高分析系统的质量分辨率，通过选择漂移空间L1(物点4 到磁铁入口)，漂移空间L2(磁铁出口到像点5)，磁铁偏转半径R和偏转角度给出最大的 色散。有时为了减少像差，磁极的入口和出口设计成半径分别为rl和r2的曲面。
传统的质量分析磁铁的焦点5位于磁铁之外，而焦点是做质量分析所必需的。 然而，为了形成宽带束，需要用第二块磁铁把束流从焦点扩展成平行的宽带，图2和图6 的系统就是这样做的。这样的安排就是所谓的双磁体系统。对于宽带束来说，传统的质 量分析磁铁具有固有的大像差。对于图7b所示的点对点传输，像差随束流发散角e的增加而增加。对于图7c所示的平行到点传输，像差随束流的宽度w的增加而增加。大 像差将导致由第二块磁铁所形成的宽束的束流密度沿宽束长轴方向的变化，而且将导致 宽带束的角度(不平行度)的变化。 基于上述不同的质量分析磁铁，研究者们开发了不同的离子注入系统以产生宽 带离子束。然而，由于分析磁铁的性能不够满意，这些类型的离子注入系统不是单片大 束流离子注入机的最好的解决办法。因此，有必要提供一个新的系统，产生高均匀性大 束流宽带离子束，同时降低了生产成本，简化制造工艺。
对于本发明中用于宽带离子束的质量分析磁铁 如图8，离子103从零场区域102进入均匀磁场区域101，磁场区域的边界是 112。 103离子以垂直磁场区域边界112的角度进入，在均匀磁场内，不同质量的群众离 子将在不同半径的环形轨道上运动， 这里r是圆形运动轨道的半径，m是离子的半径，q是离子的电荷数，v是离子 的运动速度，B是磁场强度。离子103将运动半圈然后出到零场区域102，离子103的偏 转角度正是180度。同样， 一个输入宽带束108，此宽带束的中心离子是103，它的边界 离子是105和106， 105和106对103中心对称。此平行宽带束108进入磁场区101后， 它所有的离子在磁场区都将通过类似的相同半径r的圆形轨道，输入平行宽带束108将被 偏转180度后，再形成一个平行的输出宽带束109。输出宽带束109是输入宽带束108在 长轴方向的的一对一变换。如果输入束是平行宽带束，输出束也将是平行宽带束，磁场 没有增加任何的像差。 在磁场区域的中部，即在圆形轨道的顶部，宽带束会形成一个小的焦斑110，这 个焦斑的几何宽度是dw。这个焦斑的大小可以用基本几何计算出来； * =卜一 —(*)2 (2》 其中w是输入带束的宽度。对具有不同质量(m-dm)的离子来说，它的中心轨 道是104。色散Dlll的定义是不同质量的离子的不同轨道的半径的差别，D可从式(l) 得出， JX).5K，) 《3》
附 为了能够把离子质量为m的宽带束与离子质量为(m-dm)的宽带束分开，色散D 需要大于几何焦斑dw。质量分析狭缝107可以设置在形成的焦斑位置附近，狭缝的开口 可被设定为dw并且小于D，这样，如果离子的质量超出(m士dm)的范围，这些离子将被 狭缝107阻挡。 因此，这个180度的磁铁满足基本的要求 l)接受输入宽带束流；2)形成一个小焦斑，以便可以做宽带束的质量分析；3) 在经过质量分析后，离子束在出口恢复成宽带束，没有像差畸变。 不同于传统的质量分析磁铁，这个180度磁铁的特点是l)宽带束的聚焦焦斑 在分析磁铁内部；2)宽带束里的所有的离子受到完全相同的磁场的作用，它们的轨道是 完全相同，但根据注入离子的位置一个位置平移；3)磁铁没有引起像差，如果下游采用
9减速系统产生低能量离子束，此功能将变得极为重要。 图9是一组曲线，显示图8中的磁铁的色散D、焦斑大小dw与偏转半径r及宽 带束宽度w的关系，色散D是对应于质量分辨率IO。结果发现，焦斑dw随束宽的增加 而增加的很快，为了使这一磁铁能够适用于更宽的宽带束，磁铁的偏转半径r必须增加。 很明显，对非常宽的束流，磁铁将变得非常大。在现实中，这将限制这个180度磁铁的 应用。因此，为了使小尺寸的磁铁能够做更宽的宽带束的质量分析，有必要做更为精密 的设计。 如果可以增加色散D或者减小焦斑dw大小，就可以提高质量分辨率。
图IO说明了增加质量分辨率的技术。在磁场区域120，让磁场强度分布沿着z 变化，这个例子中，假B(z)在磁场开始段是均匀的，然后沿z方向逐渐变弱。输入宽带 束108从零场区102进入磁场区域120，磁场区域的边界是112。
在这样的场分布B(z) 下，离子的运动轨道将变成椭圆轨道。 输入宽带束108具有质量m， 103是其中心离子的轨道，105和106是其边界离 子的轨道，宽带束的其他离子的轨道都是类似的椭圆轨道。这些轨道是相同的形状，只 是有位置平移。椭圆形轨道的定义是两个参数长轴b和短轴a。输入平行宽带束108 将偏转180度，在出口形成一个平行的宽带束109。输出宽带束109是输入宽带束108在 长轴方向的的一对一变换。磁场没有增加任何的像差。 椭圆形轨道可以由其长轴b和短轴a来代表，其比例b/a被定义成延伸因子。延 伸因子b/a主要取决于磁场的分布B(z)。通过改变磁场分布B(z)，可以调整b/a。出于实 用的原因，延伸因子b/a通常是在l和3之间。在轨道的顶部，宽带束会形成一个小的焦斑110，这个焦斑的几何宽度是dw。 这个焦斑的大小可以用基本几何计算出来， 椭圆轨道形状是由场分布B(z)决定的，它的形状可大大降低几何焦斑dw大小。 图11显示比较了半径a的圆形轨道和短轴a和伸长因子b/a = 1.2的椭圆形轨道的焦斑尺 寸。显然，椭圆形轨道大大减小了 dw，对b/a二1.2，减少因子约为1.5，对b/a二1.4， 减少因子约为2。对于不同的a，减少因子略有不同。 由场分布B(z)确定的椭圆轨道也能大大提高色散。为便于理解，这里只是说明 色散增加的原因。由于磁场的变化，离子运动的曲率半径也随之变化，在磁铁入口处， 轨道的曲率半径为a，在质量分析狭缝107附近，曲率半径可以计算出， <formula>formula see original document page 10</formula> 根据定义式(l)，色散将是， <formula>formula see original document page 10</formula>
对于一个设计实例，b/a = 1.2，色散增加的因子约为1.44。为了增大色散D和 减小焦斑dw，可以使轨道具有较大的延伸因子b/a。 图12显示了一个设计实例，对于不同的束宽度w，色散D和焦斑大小dw与离子轨道的关系，短轴a和延伸因子b/a二 1.2。与图9的结果相比较，非常清楚地表明，相 比园形轨道，具有延伸因子b/a的的椭圆轨道，其色散D是远远大于几何焦斑大小dw。 这一改进将给磁铁设计带来两个重要的结果 l)为达到相同的质量分辨率，磁铁的尺寸可以大大减少。例如，如果需要质量 分辨率设定为IO，在b/a二 1.2的设计中，对于300毫米宽的宽带束，所需磁铁的特征尺 寸a可从50厘米降低至35厘米；对于450毫米宽带束，所需磁铁的特征尺寸a可从75 厘米降低至50厘米。 2)对于相同尺寸的磁铁，质量分辨率可以大大增加。例如，如果让磁铁的特征 尺寸a = 60厘米，对于b/a = 1.2，质量分辨率可以达到30 ;而对于b/a = 1(b/a = 1是 指圆形轨道)，其质量分辨率只有15。 图12还显示产生更宽的宽带束的可行性。例如，对于600毫米宽带束，磁铁特 征尺寸a = 70厘米可给出质量分辨率大于10。甚至对1000毫米宽带束，通过仔细设计 而采用较大的b/a，可以用特征尺寸a二90厘米的磁铁，即可满足质量分辨率大于10的 要求。这样的磁铁尺寸与1000毫米宽带束相比是非常合理的。 逐渐变化的磁场分布B(z)还给采用本发明磁铁的离子注入机的系统设计带来了 另外两个重要功能。 第一个功能是，由于是椭圆形轨道，输入束和输出束之间的间隔可以大大增 加。对于磁铁的特征尺寸a，如果轨道伸长因子b/a二1.2，则间距可以从2a增加至2.4a。 增加的间距将给周围的硬件提供更多的空间，例如，更多的空间将使得离子源和工件处 理靶室的设计更方便。 第二个功能是，逐渐变化的B(z)还提供给宽带束在短轴方向上的聚焦力，此功 能将会在图21中详细说明。 在一般情况下，逐渐变化的磁场分布B(z)，可通过设计不同的磁极表面形状来 实现，这将在图16中详细解释。 如果焦斑尺寸dw可进一步减少，则质量分辨率还可以进一步提高。图13表示了 本发明的另一个增加质量分辨率的技术通过改变磁场的边界形状，以减少焦斑尺寸。 在磁场中的区域120，磁场强度可以沿z轴而变化。在这个例子中，设B(z)是开始时是 常量，然后沿z轴逐渐下降。输入宽带束108从零场区102进入磁场区域120。磁场区 域的边界是131。在这样的磁场分布B(z)下，离子走椭圆形轨道。 磁场边界131不同于图10中的直线场边界112，磁场边界131在局部已经经过 适应的裁剪。在这个图13的设计例子中，入口边界已被裁剪成凸曲线132，出口边界也 已被裁剪成另一个凸曲线133。宽带束108的中心轨道103是的中心离子的。中心轨道 103与图10的中心轨道相同，中心轨道103将偏转180度。然而，宽带束其他位置的离 子，它们的轨道将不同于图10所表示的轨道。例如，对于两个边界离子的105和106，因 为磁场边界的裁剪，他们将比中心离子103在略微不同的地点开始受到磁场的作用。因 此，轨道105和106将会向内移动一些。因此，从几何学的角度来看，在聚焦束斑处， 将形成一个非常小的束斑130。模拟计算也得到了同样的结论，经过剪裁的磁场边界可以 大大地减小束斑。 这样的磁场边界的裁剪，可通过裁剪磁极的入口面和出口面的形状来实现，这将在图17的三维透视图中再次说明。这种方式的边界裁剪将会增加束流光学像差，但由 于边界的裁剪量非常小，增加的像差将会小。 对于本发明磁铁的偏转角度的选择，180度是倾向性的偏转角度。然而，取决于 系统设计的要求和系统装配的要求，本发明的磁铁的偏转角度可以在90至200度之间。
在图10的偏转角度为180度的磁场中，宽带束以垂直角度穿过边界112进入和 走出磁场区域，在这里，被定义为零角度的入射角和出射角。 图14说明了本发明的磁铁可以工作在偏转角度在90至200度之间，如果这样 做，需要对系统做一些修改。首先，原来的磁场边界112将向内移动至新的边界231，边 界231 —般来说并行于原边界112。输入宽带束208将从零场区域202开始，然后将通 过磁场边界231进入磁场区域220，宽带束的中心离子为203。其次，输入宽带束208以 入射角al进入磁场区域，中心离子为203与边界的法向夹角是入射角al。宽带束208 受磁场偏转运动至边界234，然后穿出边界234再回到零场地区202。输出端边界234 — 般来说并行于原边界112，取决于输出端边界234的位置，输出束的中心离子203与边界 234的法向夹角是出射角a 2。角度a 1和a 2是指宽带束的入射角和出射角，宽带束 208被磁场偏转的角度是(180-a 1-a 2)。 正如图14所示的，231和234是没有必要在同一直线，但他们一般都平行于最初 的边界112。为了有更大的角度a l或a2，边界231或234需要更多向内偏离原来的边 界112。 a l可以等于或不等于a2，这种左右对称或不对称的磁场区域，可以用左右对 称或不对称的磁极来实现，这将在图22中详细说明。 输入宽带束208将在轨道的顶部形成焦斑130，质量为m的离子将通过质量 选择狭缝137。经过狭缝137，将在出口恢复成一个宽带束209。输入束208将偏转 (180-a l-a2)度，在出口形成一个带状输出束209。如果输入束是平行的宽带束，输出 束也将是一个平行的宽带束。根据不同的角度al和a2，输出带束的宽度w2可以等于 或不等于输入带束的宽度wl。 基于同样的原则，也可以设计大于180度的偏转角度。在这种情况下，磁场的 边界231或234将向外偏离原来的边界112，其中的一个或两个角度将被设置为负值。但 是，系统整体设计可能不喜欢大于180度的偏转角度。 因此一般来说，al， a2是在45度到-45度之间。当al二a2二0时，变 成180度偏转的特殊情况。 图15表示了一个倾向性的本发明的质量分析磁铁的侧视图。 一般来说，磁铁对 其中间面310镜像对称，其上半部和下半部一般是相同的。磁铁包括磁体320，上线圈 305的下线圈306。磁体由上磁极301、下磁极302、返回磁轭307、上磁屏蔽板303和下 磁屏蔽板304构成，磁体320是用铁磁材料，例如，IOIO号钢制造的。磁间距330磁铁 两极301和302之间的空间，离子束340从这里通过。离子束340从上下磁屏蔽板303 和304之间的开口进入磁间距330。偏转离子束的磁场由电流通过线圈而产生，磁场的 方向通常是沿着垂直方向坐标y。磁间距330通常是在一个真空室内(未显示)。上线圈 303是预先设定的多层导电线绕组，线圈通常具有长方形横截面，通常是围绕磁极301绕 制，成形的线圈通常是由树脂浸渍形成刚体。下线圈304以同样制造。这两个线圈可串
12联到一个电源，或两个电源，每个线圈一个电源。电流通过线圈在磁间隙330内产生定 向垂直的磁场。 上下磁屏蔽板303和304分别部分包围上下线圈，它们连接到磁铁两极，也是由 铁磁材料制成的。在其他的结构中，上下磁屏蔽板也可以与磁铁两极相分离。磁屏蔽板 的采用是为了减少线圈的电流所引起的边缘场区域的范围，磁屏蔽板的存在，使得磁场 在沿坐标z方向上迅速下降到接近零值，磁场接近零值的位置大约是在上下磁屏蔽板311 和312的位置处。 图16表示了磁场分量By和Bz的沿z的分布，可以很清楚地看到，因为磁屏蔽 板的存在，磁场迅速下降到接近零。 磁场分布主要是由磁极301和302的形状所确定的，两磁极301和302 —般是 对中间面310镜像对称。改变磁极301和302的表面形状，提供了一个便捷有效的手段 以改变形成的磁场的发布。磁极表面316通常是非平面，以改变磁场的分布从而达到控 制束流轨道的目的。如图16所示，极面316是由极面曲线316沿x方向平直扩展而得到 的。通过对这个曲线的调整，可以实现磁场分量By沿z方向任何形状的分布，从而满足 束流轨道控制的要求。在这个倾向性的结构中，极表面向上弯曲从而使磁场分量By沿z 下降，这样的场分布将使离子以椭圆轨道通过磁铁。 图16还显示了磁场分量Bz在偏离中间面310处的分布，要注意的是，By禾PBz 在图16中不是同样比例。磁场分量Bz也是有由于磁极表面316的形状决定的。磁场分 量Bz提供离子束在垂直y坐标方向的聚焦力， 一般来说，从离子源出来的离子束在这个 方向上是发散的，这个聚焦力对于减少离子束在磁铁内的传输损失是至关重要的。磁场 分量Bz提供在垂直y坐标方向的聚焦力的作用还将在图22中得到进一步解释。
图17表示了该磁铁一优选实施例的横截面图，磁极头呈长方形，离子轨道也表 示出。磁极302的边界包括磁极前边311和312，磁极侧边321和323，和磁极后边322， 线圈306沿着环绕磁极302周边的路径绕制。在这一优选实施例中，宽带束340垂直进 入磁铁，被偏转180度后，形成输出宽带束341。图18显示出9个在不同位置的离子的 轨迹，在磁铁的中部接近轨道顶部出，宽带束被聚集成一个想束斑342，在此处可以安置 质量分析狭缝318从而可以质量分析宽带数束。 磁极302的表面316已经被设计成一定的曲面形状以产生期望的磁场沿z方向的 分布。磁极的前边311和312也可被设计成一定的曲面形状，以进一步降低焦斑342的 大小。可以精心设计311和312的形状，以限制因此带来的系统像差的增长的。在这一 倾向性结构中，磁极的前边311和312是凸表面的形状。当然，磁极的前边311和312 也可以是凸表面的形状。 图18表示了另一个倾向性的本发明的质量分析磁铁的横截面图，磁极头的形状 根据束流包络进行优化以减轻重量。图18的磁极302可以被縮减到图19的磁极352， 352是根据宽带束流包络的在磁铁内的形状而定的。磁极352包括磁极前边311和312， 磁极内极边327，磁极侧边325和326，磁极后边322。 磁极352比磁极302更有效，磁 极352的总磁场区域约比磁极302的总磁场区低25% 。线圈356沿着环绕磁极352周边 的路径绕制，线圈356如下路径周围磁极352。线圈352的总长小于线圈302的总长，这 将减少线圈的欧姆损耗。因此，可以在很大程度上减少磁极的总重量和耗电量。
图19a和19b表示了一个倾向性的本发明的图19的质量分析磁铁的三维透视图。 图19a显示了完整的磁铁，图19B显示了下一半的磁铁。
一般情况下，上下半磁铁镜像 对称。磁铁包括上线圈355和下线圈356、 一个上磁极351和下磁极352，磁铁返回磁轭 307、以及上磁屏蔽板303和下磁屏蔽板304。
351、 352、 307、 303和304都是铁磁材 料，例如，1010号钢制成的。向上下磁极的磁极间隔是让离子束通过。在这个结构中， 输入离子束将被偏转180度，因此，左半和右半磁铁一般是镜像对称的。
磁极表面316的形状已经经过仔细的设计，以引导离子以椭圆轨道运动，并给 予离子束以垂直方向的聚焦。磁极355和356已被根据束流包络的形状而裁剪，以减少 整体磁铁重量和耗电量。磁极前边311和312可采用曲面形状，以进一步减少束斑的大 小。 图20显示了在宽带束流的长轴平面上的离子轨道，宽带束流在磁铁内形成焦 斑。图中显示了9个在400毫米宽的宽带束的不同位置上的离子的轨迹。细线401是质 量为m的离子轨道，粗线402是质量为0.9m的离子的轨道，可以明显看出，具有不同质 量的离子形成自己的焦斑，它们可被质量分析狭缝完全地分离。 图21显示了离子轨道在磁铁内的三维透视图。从离子源出来的离子束通常在y 坐标方向，也就是在宽带束的短轴方向发。输入光束411代表了宽带束中某个位置的一 个束团，它在垂直的y坐标方向有一个角度分布，图21显示了七个具有不同角度y'的 离子的运动轨迹。由于角度发散，离子束团411在y方向上逐渐扩大，同时，它又受到 了磁场的聚焦力的作用，这个聚焦力是由磁场分量Bz产生的。如图16所示，Bz是由于 磁极表面316的形状产生的。随着离子的运动，累积的聚焦力的效果逐渐克服了角度发 散，在磁铁的下半段，离子束团在y方向开始收縮。最终，在磁铁的出口，输出离子束 团412成为在y方向的聚焦束。 磁铁在垂直y方向的聚焦特性可以在设计阶段的通过对磁极表面316的改变而调 整。值得指出的是，y方向聚焦和椭圆形轨道都要求磁极表面形状按一定的方式变化， 他们都要求磁极表面按同样的方式变化如图16所示，都要求磁极间距逐渐增大。
图22表示了又一个优选实施例的三维透视图，以实现图14中一般偏转角度在90 至180度之间。在图19a和图19b中，磁铁设计的偏转角度是180度，磁铁的左半部和 右半部同样大小并镜像对称。然而，取决于系统的设计和系统布局的要求，磁铁的偏转 角度的可能将介于90至200度之间。这种一般性偏转角度的要求，可以通过取消磁铁的 左右镜像对称来实现。因为磁铁的上下对称性，图22只显示下一半的磁铁。磁极352 包括左磁极371和右磁极372，左磁极371和右磁极372在连接表面378处连接。 一般来 说，左磁极和右磁极不同大小，相对于连接表面378也不对称。特殊的情况是，左磁极 和右磁极大小相同，并相对于连接表面378左右对称。线圈376环绕着左磁极371和右 磁极372的形状绕制。磁屏蔽板304和304a将部分环绕线圈376，以减少边缘场区域。 对于非180度偏转角度的磁铁，输入束将以角度进入磁铁，输出束也以另一个角度出射 磁铁。 为了将本质量分析磁铁应用于实践，特制造了一种用于宽带离子束的注入机系 统，图23是采用本发明磁铁的一个宽带来流离子注入机系统的方块图，其采用了180度 偏转。此离子注入系统包括一个离子源500，引出电极单元501，第一个均匀度和角度校正单元502，质量分析仪磁铁单元512，质量分析狭缝504，第二个均匀度和角度校正 单元505， 一个可选择的减速器单元506，目标工件和工件传送单元507，束流测量诊断 单元508，这些单元都设置在真空室(未显示)中。离子注入系统还包括一个控制单元 520。离子源500可以是Bemas贝纳斯型离子源或射频型离子源，出于为宽带离子束所需 而要产生大面积的等离子体的考虑，射频型离子源也许是倾向性的选择。射频型离子源 包括射频激励源，射频天线，拉长了的等离子体室和通进其中的产生等离子体所用的的 气体。关于离子源的细节将不会在这里说明，但美国专利号6664548可以作为一个设计 这种类型的离子源例子。离子源500的离子源室有一个拉长的开口，这个开口的x方向 的宽度比其在y方向高度要大得多。引出电极装置501是用来从离子源室的拉长开口获 取离子束，引出电极装置通常包括2个或更多个的电极，引出电极都有与离子源室的拉 长开口相类似的拉长开口。引出电极装置一般都与高电压电源连接，通过电场从离子源 室的拉长开口获取离子束，引出的离子束一般是平行引出电极开口的垂直方向，如图23 的z方向。由此，产生宽带束510，宽带束通常具有矩形截面，其长轴方向在图23的x 方向。引出的宽带束的宽度通常大于目标工件的直径。 在进入质量分析磁铁503之前，带束将通过第一个均匀度和角度校正单元502。 这个单元位可以通过局部的电场或磁场来调整宽带束中的每一个束团的角度和位置。
宽带束将继续前行进入质量分析磁铁503，磁铁采用本发明的磁铁，磁铁在前述 章节中已有详细的描述，倾向性的偏转角度为180。宽带束在质量分析磁铁内聚焦集中 到一个狭窄的质量分析狭缝504， 一个机械安装调整装置调节狭缝的开口宽度，具有预先 设定质量的离子才能通过狭缝。通过狭缝的离子然后扩张，在磁铁出口处形成宽带束。 511表示宽带束的中心，512和513表示宽带束的边界。 从质量分析磁铁出来后的，宽带来将通过第二个均匀度和角度校正单元505。这 个单元位可以通过局部的电场或磁场来调整宽带束中的每一个束团的角度和位置。局部 的电场或磁场可以通过束流测量诊断单元508来控制。束流测量诊断单元508测量宽带束 的电流密度和角度，测量结果被用来调节均匀度和角度校正单元505或502的局部的电场 或磁场。这样，宽带束在目标工件507处的电流密度和角度的均匀度就可以得到纠正， 以达到期望的低的水平。美国专利号7078713号给出几个关于均匀度和角度校正单元设 计例子。 宽带束继续前行的过程中， 一直保持其宽带形，当宽带离子束514达到目标工
件507时，它有足够的宽度能覆盖整个目标工件的直径或宽度。目标工件然后沿着一个
路径一次或多次地通过这一宽带离子束，均匀剂量的离子就能进入工件表面。 目标工件(通常是硅晶片)和传送单元507(未显示)通常包括静电夹头和注入
台。注入台携带硅晶片做两个方向的运动，这些运动通常是向上和向下的运动(即相对
于进出纸面的方向)。传送单元507还包括硅晶片交换室和机器人手臂，机器人手臂移动
硅晶片从硅晶片交换室到注入台。 束流测量诊断单元508包括若干仪器。 一台仪器是目标工件后的束流垃圾杯， 它吸收不再需要的离子束；其他仪器如法拉第束流剖面测量设备，位于靠近目标工件的 位置，它扫描整个离子束横向层面以测量宽带束的均匀性，并提供测量数据回到束流密 度控制器520。另一个仪器是一个多个法拉第杯，位置靠近目标工件，它扫描通过宽带束，检测宽带束实际的密度分布。另一个仪器是测量离子束流角度分布。还有其它的仪 器，用以监测束流变化，目的是控制离子注入的过程。 控制单元520控制运作每个单元的系统，它还根据束流诊断单元508的测量结果 来调节每个单元。 该系统可进一步包括一个可选的偏转减速单元506用以生产低能量离子束，例 如，从0.1KeV到5KeV的硼离子束。在这里不会说明减速单元的细节，但美国专利号 6441382是一个这种类型的偏转减速器的设计实例。所谓的偏转减速单元是同时完成两个 功能偏转和减速。通常，低能大电流离子束是通过减低高能离子束的能量来获得的， 比如，低能量离子束(例如0.1到5keV)是从高能量离子束(例如5到20KeV)减速得到 的。然而，正常的直线减速高能束流会产生高能中性粒子。采用偏转减速单元，离子束 在减速的过程中一次或两次地改变运动方向，这样，高能量中性粒子可以与离子束分离 过滤掉。图23a表明了偏转减速单元的作用，系统的中心束轨道511已经被偏转减速单 元506在y方向偏转了一个角度。目标工件507和束流诊断单元508已根据偏转减速器 引入的偏转角度重新定位。 对于极低能量离子束来说，小像差的质量分析磁铁是极其宝贵的。在减速装置 运行时，磁铁系统的像差会被减速系统放大增加，这是目前的商品宽束高电流离子注入 机不能有效地产生低能量宽带束的原因之一。本发明的磁铁使产生几乎为零像差的离子 束，因此，减速单元将被采用并生产高质量的低能量宽带离子束。 图24是采用本发明磁铁的另一个宽带束流离子注入机系统的示意图，其采用了 非180度偏转。质量分析磁铁可以是180度偏转，也可以是非180度偏转。对于180度 的偏转角度，离子源和目标工件设置成平行于磁铁。对于非180度的偏转角度，离子源 和目标工件设置成不平行于磁铁。从离子源出来的宽带束，以角度al进入磁铁，宽带 束以另一个角度a 2从磁铁出来。a 1和a 2分别被定义为束入射角和出射角。其余各 系统单元与图23的各系统单元类似。 在有些应用的场合，希望离子注入设备被设计成既能够提供宽带束，还能够提
供圆点束，并能在宽带束和圆点束之间切换。在这里的定义是，宽带束的宽度大于工件
的特征尺寸(直径或宽度)，圆点束的宽度小于工件的特征尺寸(直径或宽度)。 图25是采用本发明磁铁的另一个宽带束流离子注入机系统的示意图，其采用了
潘诺夫斯基四级磁铁扩大束流以形成一个更宽的宽带束。图26表示了在图25的系统中，
如何利用潘诺夫斯基四级磁铁压縮束流以形成一个较窄的束流。 图25中，其离子源500的宽度相对于目标工件的特征尺寸来说较窄，离子源可 以是间接加热式热阴极离子源，或称作Bemas贝纳斯型离子源，引出的离子束是平行束 510。平行束510通过本发明磁铁503，经过质量分析，在磁铁503的出口又形成平行束 802。在磁铁503的下游，设置有两个角度装置801和805，这个角度装置可以是，例 如，潘诺失斯基四极磁铁。第一个四极磁铁801可以工作在散焦模式，它可以增加离子 束的发散角，其发散角的大小与离子与束流中心511的距离成正比，平行束802变成发 散束803。经过一段距离后，发散束803的宽度增加到期望的宽度，达到第二个四极磁 铁805，第二个四极磁铁805工作在聚焦模式，它校正离子束的发散角，并把离子束转变 成为一个平行束804，平行束804的宽度超过目标工件507(硅晶片或玻璃板)的特征尺寸(直径或宽度)。这个离子注入机系统还可进一步包括一个可选择的偏转减速单元506生 产低能量离子束。 图26表示了在图25的系统中，如何利用潘诺夫斯基四级磁铁压縮束流以形成 一个较窄的束流。第一个四极磁铁801可以工作在聚焦模式，它可以增加离子束的聚焦 角，其聚焦角的大小与离子与束流中心511的距离成正比，平行束802变成聚焦束813。 经过一段距离后，聚焦束803的宽度减小到期望的宽度，达到第二个四极磁铁805，第二 个四极磁铁805工作在散焦模式，它校正离子束的聚焦角，并把离子束转变成为一个圆 点束814，圆点束814的宽度远小于目标工件507(硅晶片或玻璃板)的特征尺寸(直径或 宽度)。 图27是采用本发明磁铁的又一个宽带束流离子注入机系统的示意图，其采用可 旋转磁极头和一个潘诺失斯基四级磁铁扩大束流以形成一个更宽的宽带束。图28表示了 在图27的系统中，如何利用可旋转磁极头和一个潘诺夫斯基四级磁铁压縮束流以形成一 个较窄的束流。 图27中，其离子源500的宽度相对于目标工件的特征尺寸来说较窄，离子源可 以是间接加热式热阴极离子源，或称作Bemas贝纳斯型离子源，引出的离子束是平行束 510。平行束510通过本发明磁铁503，经过质量分析，在磁铁503的出口又形成宽带束 620。本发明的磁铁有另一个特点，它的出口半部的磁极的一部分601， 601称作活动旋 转磁极头，它可以相对于出口磁极620旋转(旋转机械结构未显示)。当旋转磁极头601 与磁极620的夹角为0度时，出口束流620是平行宽带束。当旋转磁极头601与磁极620 的夹角为非零度时，出口束流620将不是平行束，其发散角或扩散角的大小与离子与束 流中心511的距离成正比。 在图27中，旋转磁极头610的设置角度工作在散焦模式，它使得出口束620成 为发散束602，其发散角的大小与离子与束流中心511的距离成正比，经过一段距离后， 发散束602的宽度增加到期望的宽度603，达到在磁铁503的下游设置的一个角度装置 605，这个角度装置可以是，例如，潘诺夫斯基四极磁铁。这个四极磁铁605工作在聚焦 模式，它校正离子束的发散角，并把离子束转变成为一个平行束604，平行束604的宽度 超过目标工件507(硅晶片或玻璃板)的特征尺寸(直径或宽度)。这个离子注入机系统还 可进一步包括一个可选择的偏转减速单元506生产低能量离子束。 图28表示了在图27的系统中，如何利用可旋转磁极头和一个潘诺夫斯基四级磁 铁压縮束流以形成一个较窄的束流。旋转磁极头610的设置角度工作在聚焦模式，它使 得出口束620成为聚焦束702，其聚焦角的大小与离子与束流中心511的距离成正比，经 过一段距离后，聚焦束702的宽度减小到期望的宽度703，达到在磁铁503的下游设置的 一个角度装置605，这个角度装置可以是，例如，潘诺夫斯基四极磁铁。这个四极磁铁 605工作在聚焦模式，它校正离子束的发散角，并把离子束转变成为一个窄平行束704， 窄平行束704的宽度远小于目标工件507(硅晶片或玻璃板)的特征尺寸(直径或宽度)。
本发明的离子注入系统，与已经有的大电流离子注入系统相比，具有明显的优 势。本发明的离子注入系统的系统像差很小，本发明为半导体产业，特别是为低能量离 子束注入在300毫米的应用和未来450毫米的应用提供了一个卓越的产品。除离子注入 之外，本发明也可用于镀膜或进行其他类型的表面处理应用。此外，可以产生1000毫米或更宽的宽带束，因此，该发明还可用于其他的应用，例如，表面镀膜形成光学滤波器 涂层或不同类型的表面处理如玻璃，金属或者其它材料等 本发明的磁铁系统提供离子源到目标工件(如硅晶片)l比l物象转换成像，从而 促进工艺参数如剂量均匀性和注入角的一致性的控制。该发明可提供横向宽度约400毫 米或以上(例如，550毫米)的密度分布均匀的宽带离子束，这样通过硅晶片(如300毫米 或450毫米)的一维扫描即可实现均匀注入。此外，该发明提供了一个比较大的离子束截 面通过磁铁的大部分区域，这样，空间电荷密度小，这非常有利于低能离子束的传输。 另一个优势是离子从离子源到目标工件的传输距离总路径长度几乎是恒定的。此外，每 个离子轨道几乎是完全相同的，因此，宽带束流的运输在每一点都是相同的，因而不会 产生离子注入的一致性。此外，该发明可以帮助预防从注入机上游达到目标工件的微尘 污染物。 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认 定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于 本发明的保护范围。
权利要求
一种用于宽带离子束的质量分析磁铁，其特征在于，包括磁体以及连有电源的线圈；所述磁体包括磁极、磁轭以及磁屏蔽板；所述磁轭和所述磁屏蔽板连接所述磁极；所述磁极包括上磁极和下磁极；所述磁屏蔽板包括上磁屏蔽板以及下磁屏蔽板；所述上磁极与下磁极间设有供宽带离子束以一定路线通过的磁场空间；所述线圈包括上线圈和下线圈；所述线圈生成让宽带离子束偏转的磁场；所述上线圈和下线圈分别缠绕在所述上磁极和下磁极上；所述磁体设有质量选择狭缝；所述质量选择狭缝位于所述磁体的中部并让其所期望的离子通过。
2. 根据权利要求1所述用于宽带离子束的分析磁铁，其特征在于所述磁极包括前半部和后半部；所述前半部和后半部连接在一起；所述前半部和后半部以它们的连接面对称或不对称；所述前半部让离子束从其一边进入磁体并从所述后半部的一边出去。
3. 根据权利要求1所述用于宽带离子束的分析磁铁，其特征在于所述磁屏蔽板与所述磁极相连接；所述线圈环绕所述磁极部分；所述磁极的表面设计为可产生均匀磁场分布或非均匀磁场分布的表面；所述均匀磁场分布将引导离子以相等偏转半径的曲线轨道运动；所述非均匀磁场分布将引导离子以不相等偏转半径的曲线轨道运动。
4. 根据权利要求l-3任一所述用于宽带离子束的分析磁铁，其特征在于所述磁体的内部设有焦斑区，所述焦斑区为通过的宽带离子束在所述磁体的中部被聚焦而形成，所述质量选择狭缝设置在焦斑区。
5. 根据权利要求4所述用于宽带离子束的分析磁铁，其特征在于所述磁极与所述磁屏蔽板相应的边为宽带离子束的进入边或出去边，其为平面或曲面形状；所述曲面为凸表面或凹表面形状；所述一定路线为类似圆形或类似椭圆形路线。
6. 根据权利要求5所述用于宽带离子束的分析磁铁，其特征在于所述磁极的端部设有活动旋转磁极头，所述活动旋转磁极头可旋转一定的角度。
7. —种用于宽带离子束的注入机系统，其特征在于包括离子源、引出电极单元、质量分析磁铁、偏转减速单元、目标工件和工件传送单元、束流测量诊断单元以及控制单元；所述引出电极单元和所述离子源位于所述质量分析磁铁的一侧，所述引出电极单元位于所述离子源和所述质量分析磁铁间，所述偏转减速单元、目标工件和工件传送单元以及束流测量诊断单元位于所述质量分析磁铁的另一侧，所述偏转减速单元、目标工件和工件传送单元、束流测量诊断单元顺次连接；所述引出电极单元用来从所述离子源中获取宽带离子束；宽带离子束在所述质量分析磁铁内聚焦集中到一个狭窄的质量分析狭缝，所述质量分析狭缝设有合适的开口宽度以便让具有预先设定质量的离子通过，并在该磁铁出口处形成宽带束；所述束流测量诊断单元测量宽带离子束的电流密度和角度，并通过所述校正单元调节局部的电场或磁场以改变离子束的局部电流密度和角度；所述偏转减速单元用来生产具有极低能量污染的低能量离子束；所述控制单元分别与所述离子源、引出电极单元、偏转减速单元、质量分析磁铁、目标工件和工件传送单元以及束流测量诊断单元相连接。
8. 根据权利要求7所述用于宽带离子束的注入机系统，其特征在于所述用于宽带离子束的注入机系统还可包括校正单元；所述校正单元通过局部的电场或磁场来调整宽带束中的每一个束团的角度和位置。
9. 根据权利要求7所述用于宽带离子束的注入机系统，其特征在于所述用于宽带离子束的注入机系统还可包括两个角度装置；所述角度装置将从所述质量分析磁铁内出来的宽带离子束进行扩大或压縮以达到期望的宽度。
10. 根据权利要求7所述用于宽带离子束的注入机系统，其特征在于所述质量分析磁铁上还可以设有活动旋转磁极头，所述活动旋转磁极头可偏转一定的角度，所述活动旋转磁极头可将产生的出口束流变换成为聚焦束或发散束；所述宽带离子束的注入机系统还可包括一个角度装置；所述角度装置和所述活动旋转磁极头相对应；所述角度装置将对所述活动旋转磁极头内出来的聚焦束或发散束的角度进行校正以获得平行束、从而对宽带离子束进行扩大或压縮以达到期望的宽度。
11. 根据权利要求8或9或10所述用于宽带离子束的注入机系统，其特征在于所述离子束进入所述质量分析磁铁后并以一定的偏转角度出来，所述偏转角度在90度到200度之间。
12. 根据权利要求11所述用于宽带离子束的注入机系统，其特征在于所述质量分析磁铁包括磁体以及连有电源的线圈；所述磁体包括磁极、磁轭以及磁屏蔽板；所述磁轭和所述磁屏蔽板连接所述磁极；所述磁极包括上磁极和下磁极；所述磁屏蔽板包括上磁屏蔽板以及下磁屏蔽板；所述上磁极与下磁极间设有供宽带离子束以一定路线通过的磁场空间；所述线圈包括上线圈和下线圈；所述线圈生成让宽带离子束偏转的磁场；所述上线圈和下线圈分别缠绕在所述上磁极和下磁极上；所述磁体设有质量选择狭缝；所述质量选择狭缝位于所述磁体的中部并让其所期望的离子通过。
13. 根据权利要求12所述用于宽带离子束的注入机系统，其特征在于所述磁极包括前半部和后半部；所述前半部和后半部连接在一起；所述前半部和后半部以它们的连接面对称或不对称；所述前半部让离子束从其一边进入磁体并从所述后半部的一边出去；所述磁屏蔽板与所述磁极相连接；所述线圈环绕所述磁极部分；所述磁极的表面设计为可产生均匀磁场分布或非均匀磁场分布的表面；所述均匀磁场分布将引导离子以相等偏转半径的曲线轨道运动；所述非均匀磁场分布将引导离子以不相等偏转半径的曲线轨道运动；所述磁体的内部设有焦斑区，所述焦斑区为通过的宽带离子束在所述磁体的中部被聚焦而形成，所述质量选择狭缝设置在焦斑区；所述磁极与所述磁屏蔽板相应的边可为平面或曲面形状；所述曲面为凸表面或凹表面形状；所述磁极的端部设有活动旋转磁极头，所述活动旋转磁极头可旋转一定的角度。
全文摘要
本发明涉及宽带离子束的注入领域，其公开了一种用于宽带离子束的质量分析磁铁，包括磁体以及连有电源的线圈；所述磁体包括磁极、磁轭以及磁屏蔽板；所述磁极包括上磁极和下磁极；所述磁屏蔽板包括上磁屏蔽板以及下磁屏蔽板；所述上磁极与下磁极间设有供宽带离子束以一定路线通过的磁场空间。本发明又公开了一种注入机系统，包括离子源、引出电极单元、偏转减速单元、质量分析磁铁、目标工件和工件传送单元、束流测量诊断单元以及控制单元。本发明的有益效果是本发明具有高质量分辨率和几乎为零系统像差；可以产生300毫米，450毫米，甚至1000毫米的纯净宽带离子束；可以提高通过减速器产生的超低能量离子束的品质，减小超低能量离子束的角度离散。
文档编号H01J37/317GK101692369SQ20091006009
公开日2010年4月7日 申请日期2009年7月23日 优先权日2009年7月23日
发明者胡新平, 胡爱平, 黄永章 申请人:胡新平;胡爱平;黄永章