具有非对称轮廓的共振器线圈的制作方法

1.本发明大体上涉及高能离子注入机，且更确切地说，涉及一种具有非对称轮廓的螺旋形共振器线圈。


背景技术：

2.用于例如汽车应用、高分辨率光传感器以及其它复杂的3d半导体结构的电力电子装置的制造需要对半导体材料进行深度掺杂。此需求转化成待注入物质的极高能量。举例来说，为了以5微米深度掺杂到硅中，b、p以及as的能量可分别为4.2兆电子伏特、10.5兆电子伏特以及14兆电子伏特。即使使用多电荷离子种类，但由于真空击穿限制，这些能量在常规直流电压加速器中是不可实现的。
3.获得此高离子能量的一个方法是射频(radio frequency,rf)加速。举例来说，直线加速器使用一系列rf共振腔，rf共振腔将离子能量从数万电子伏特增大到数兆电子伏特。在共振rf腔中，rf能量从rf产生器转移到由线圈和空腔构成的rlc电路。由于空腔的质量因数(q)升高，可获得的加速电压也随之升高。然而，质量因数受系统的电阻(主要受线圈的电阻)限制。
4.在一些情况下，可通过增大限定rf腔的腔室的大小来减小rf共振腔的电阻。然而，增大腔室大小也将增大空腔容量且更改共振频率。此外，结的渐减接地电阻和间隙电阻通常难以修改。
5.因此需要一种解决方案来减小系统电阻且增大质量因数。


技术实现要素：

6.在一个方法中，共振器可包含外壳以及设置在外壳内的至少一个线圈。所述至少一个线圈可包含：耦接到电极的第一端，所述电极可操作以使离子加速；以及连接到第一端的中心区段，所述中心区段围绕中心轴螺旋状延伸。中心区段的内侧可具有平坦化表面，且中心区段的外侧可具有弯曲轮廓。所述至少一个线圈可还包含连接到中心区段的第二端，所述第二端耦接到外壳。
7.在另一方法中，离子注入机的共振器可包含：界定内腔的外壳；以及部分地设置在内腔内的第一线圈。第一线圈可包含：耦接到第一电极的第一端，所述第一电极包含用于接收离子束的第一开口；以及与第一端连接的第一中心区段，其中第一中心区段包含围绕中心轴螺旋状延伸的第一多个环，且其中第一多个环中的每一个具有第一平坦化表面。共振器可还包含与第一线圈相邻的第二线圈，第二线圈包含耦接到第二电极的第二端，第二电极包含用于接收来自第一电极的离子束的第二开口。第二线圈可还包含与第二端连接的第二中心区段，其中第二中心区段包含围绕中心轴螺旋状延伸的第二多个环，且其中第二多个环中的每一个具有第二平坦化表面。
8.在又一方法中，离子注入机的共振器可包含界定内腔的外壳以及部分地设置在内腔内的第一中空线圈。第一中空线圈可包含在外壳外部延伸且耦接到第一电极的第一端，
第一电极包含用于接收离子束的第一开口。第一线圈可还包含与第一端连接的第一中心区段，其中第一中心区段包含围绕中心轴螺旋状延伸的第一多个环，且其中第一多个环中的每一个具有第一平坦化表面。共振器可还包含内腔内与第一线圈相邻的第二中空线圈，第二中空线圈包含在外壳外部延伸且耦接到第二电极的第二端，第二电极包含用于接收来自第一电极的离子束的第二开口。第二线圈可还包含与第二端连接的第二中心区段，其中第二中心区段包含围绕中心轴螺旋状延伸的第二多个环，且其中第二多个环中的每一个具有第二平坦化表面。
附图说明
9.图1a描绘根据本发明实施例的共振器的透视图。
10.图1b描绘根据本发明实施例的共振器的透视图。
11.图2a描绘根据本发明实施例的图1b的共振器的线圈组合件的透视图。
12.图2b描绘根据本发明实施例的图1b的共振器的电极组合件的透视图。
13.图3描绘根据本发明实施例的图1b的共振器的电路图。
14.图4描绘根据本发明实施例的集总元件电路。
15.图5描绘根据本发明实施例的图1b的共振器的线圈的端部横截面图。
16.图6描绘根据本发明实施例的图1b的共振器的线圈组合件的侧面横截面图。
17.图7描绘根据本发明实施例的线圈的端部横截面图。
18.附图并不一定按比例绘制。附图仅为表示图，并不意图描绘本发明的具体参数。附图意图描绘本发明的示例性实施例，且因此不应被视为在范围上受到限制。在附图中，相似标号表示相似元件。
19.此外，为了说明清楚，可省略或不按比例示出一些附图中的某些元件。为了说明清楚，横截面图可呈“切片”或“近视的”横截面图的形式，从而省略在“真实”横截面图中另外可见的某些背景线条。此外，为了清晰起见，可在某些附图中省略一些参考标号。
具体实施方式
20.现将在下文中参考示出方法实施例的附图更全面地描述根据本发明的离子注入机和共振器。离子注入机和共振器可以许多不同形式体现且不应解释为受限于本文中阐述的实施例。替代地，提供这些实施例是为了使得本发明透彻且完整，且将向本领域的技术人员充分传达系统和方法的范围。
21.本文中的实施例描述适用于能够以预定频率共振的直线加速器共振器的紧密、非对称线圈设计。共振器可包含彼此相邻设置且围绕同一中心轴螺旋状设置的第一线圈和第二线圈。第一线圈和第二线圈中的每一个可为中空的，沿其内部侧面具有平坦化表面。本实施例的线圈设计减小线圈电阻且因此增大共振腔的质量因数。
22.现在转向图1a，将描述根据本发明的实施例的离子注入机的共振器10。如所示出，共振器10可包含界定内腔14的外壳12。外壳12可为围绕射频(rf)共振内腔的电接地导电外壳(例如，铝)。外壳12内为包含线圈15的线圈组合件25。第一端18可耦接到电极13，所述电极具有穿过其而形成的缝隙或开口16。在使用期间，离子束17可穿过开口16。可选择例如沿着电极13的x方向的长度，使得离子束17在进入电极13时加速横跨第一间隙，且接着在离开
电极13时再次加速。在离子束17横穿开口16的中心部分期间，rf电压从负变为正。此布置有时被称为双间隙加速器。
23.如进一步示出，线圈15的第一端18可连接到中心区段21，其中中心区段21包含围绕中心轴30螺旋状延伸的第一多个区段或环23。在此实施例中，中心轴30可大体上垂直于离子束17的行进方向延伸。线圈15的第二端32可连接到处于接地电势的外壳12。如将在下文中更详细地描述，线圈15由具有近似圆形横截面的中空管制成，所述中空管包含具有平坦化表面(图中未示)的中心区段21的内侧。
24.现在转向图1b，将描述根据本发明实施例的离子注入机的共振器100。如所示出，共振器100可包含界定内腔104的外壳102。外壳102内为包含第一线圈105和第二线圈106的线圈组合件115。第一端108可耦接到第一电极112，而第二端110可耦接到第二电极114。第一电极112可包含第一缝隙或开口116，且第二电极114可包含第二缝隙或开口118。在使用期间，离子束117可穿过第一开口116和第二开口118。
25.如进一步示出，第一线圈105的第一端108可连接到第一中心区段121，其中第一中心区段121包含围绕中心轴120螺旋状延伸的第一多个区段或环123。在此实施例中，中心轴120可大体上平行于离子束117的行进方向延伸。第二线圈106的第二端110可连接到第二中心区段125，其中第二中心区段125包含围绕中心轴120螺旋状延伸的第二多个区段或环127。如所示出，第一多个环123通常可与第二多个环127端对端布置。
26.第一线圈105和第二线圈106可相对于外壳102的壁且相对于彼此对称地布置。如所示出，第一线圈105和第二线圈106为以相同方向缠绕且共享中心轴120的螺旋。第一线圈105和第二线圈106的相应第二端133、135可通过耦接到外壳102的板122连接，所述外壳可为接地的。在其它实施例中，第一端133和第二端135可直接耦接到外壳102。
27.如将在本文中进一步详细地描述，第一线圈105和第二线圈106可进一步共享沿着中心轴120直线穿过的同一/单个磁场。在此布置中，离子束117可加速三次，即，首先是离子束117进入第一电极112时，接着是离子束117从第一电极112传输到第二电极114时，最后是离子束117离开第二电极114时。这是通过rf电压在第一间隙加速期间从第一电极112上的负值以及第二电极114上的正值改变，且接着在离子束117进入第一电极112和第二电极114之间时反转极性来实现的。接着，离子束117可在离开第二电极114时再次反转极性。此布置有时被称为三间隙加速器。
28.在一些实施例中，第一线圈105和第二线圈106为具有内部通道以容许冷却流体流动穿过的铜管。举例来说，第一线圈105和第二线圈106内的内部流动水可有助于消散由沿着第一线圈105和第二线圈106的导电材料行进的电流产生的热量。如将在下文中更详细地描述，第一多个环123和第二多个环127中的每一个具有面向中心轴120的平坦化内表面。
29.图2a中描绘了共振器100的工作原理。在此实施例中，rf能量可从能量源(例如，rf产生器)穿过励磁线圈(图中未示)转移进入线圈组合件115内。以如下得出的磁能的形式将能量存储在线圈组合件115中：
[0030][0031]
其中b表示磁通量140，且μ0表示内腔104内的真空磁导率。
[0032]
由于内腔104形成rlc电路，所述内腔将以某一频率f0振动，所述频率在共振时如
下得出：
[0033][0034]
其中l为线圈组合件115的电感，且c为共振器100的电容。在共振条件下，能量将周期性地从磁能(其显示为线圈组合件115中的磁通量140)转换成静电能。
[0035]
图2b展现根据本发明实施例的可与线圈组合件115一起操作的电极组合件138。在此实施例中，电极组合件138的静电能可显示为第一电极112与第二电极114的激励开口之间的静电势差(展现为等高线144)。在一些实施例中，静电势差w
elec
通过下式得出：
[0036][0037]
其中e表示电场强度，且ε0表示内腔104内的真空介电常数。
[0038]
更确切地说，假设离子在图2b中从左到右行进，且振动静电势的振幅为v
max
，线圈组合件115的三间隙加速如下起作用。当第一接地电极156的出口处的离子具有合适相位时，离子将具有电势降[0-(-v
max
)]且将加速横跨第一间隙154且朝向激励的第一电极112。离子可获得的最大能量等于离子输送的电荷(q)乘以电压v
max
。如果合并第一电极112的出口处的电极长度计算第一间隙154与第二间隙155(其设置在第一电极112与第二电极114之间)的距离，那么离子将具有2v
max
电势降[vmax-(-v
max
)＝2v
max
]。因此，离子将横跨第二间隙155获得的能量将为横跨第一间隙154所获得的能量的两倍。最后，对于位于第二电极114与第二接地电极160之间的第三间隙158，离子具有的电势降将为v
max
，且离子将获得额外qv
max
能量，因此在第二接地电极160的入口处产生4qv
max
总能量。
[0039]
对于理想情况(即，无损耗)，磁能将全部转换成静电能，从而引起从线圈组合件115(磁能)到加速离子(动能)的1:1能量转换。然而，在真实系统中，存在限制此能量转换的损耗。在此情况下，能量转移可由共振器100的质量因数q量化，所述质量因数通过下式得出：
[0040][0041]
存储在共振器100中的总能量将等于存储在线圈组合件中的总能量，所述总能量通过下式得出：
[0042][0043]
其中i表示流动穿过线圈组合件115的电流的rms值。另一方面，共振器100中所消耗的电力通过下式得出：
[0044]
p
diss
＝r
echiv
i2ꢀꢀꢀ
(6)
[0045]
其中r
echiv
表示共振器电路的等效电阻。在共振条件下，这使得
[0046][0047]
其中x
lcoil
为线圈组合件115的感抗。
[0048]
方程式(7)表明：为了增大质量因数q，可增大x
lcoil
和减小r
equiv
。然而，共振腔配置
成以给定共振频率操作。因此，改变线圈电感将改变共振频率。
[0049]
用于减小根据本发明实施例的r
equiv
的一个方法通过图3的共振rf腔来展现。如所示出，共振器100还可在内腔104内包含励磁线圈124。励磁线圈124可定位成极为接近线圈组合件115以转移来自能量源128的能量(例如，rf能量)。在一些实施例中，能量源128包含rf产生器130，其中阻抗(z0)132为rf产生器130的阻抗，所述阻抗可等于50欧姆。
[0050]
在一个实例中，为了寻找q的解析式，内腔104可模型化为图4中所示出的集总元件电路170。在此实例中，r
coil
为线圈组合件115的电阻，r
junc
为线圈组合件115与外壳102之间的结147的电阻，r
can
为外壳102的电阻，且r
gap
为第二间隙155的电阻。基于电路分析，可示出等效电阻可写成
[0051]requiv
≈2(r
coil
r
junc
r
can
) λr
gap
ꢀꢀꢀ
(8)
[0052]
其中λ为0与1之间的数值。
[0053]
可通过增大外壳102的大小(较小的感应镜像电流)来减小rf共振腔的电阻，但这将增大电容c
can
且更改共振频率。结的接地电阻和间隙电阻难以修改。因此，增大质量因数的有效方式是减小线圈电阻，所述线圈电阻通过下式得出：
[0054][0055]
其中ρ为线圈材料的电阻率，l为线圈管的长度，且a为电流流动穿过线圈组合件115所通过的横截面面积。因此，总线圈长度将不会被影响，但电流将具有更宽的横截面且线圈电阻将因此减小。
[0056]
现在转向图5的端部横截面图，将更详细地描述根据本发明实施例的第一线圈105和第二线圈106。如所示出，第一线圈105和第二线圈106可具有非对称轮廓，其中第一内侧134具有平坦化表面185且第二外侧166具有弯曲表面168。在此实施例中，内部通道161由第一线圈105和第二线圈106的内部表面162界定。虽然展示为具有圆形轮廓，但应了解，内部通道161可以采用任何种类的形状。
[0057]
如所描绘，第一线圈105和第二线圈106可沿着径向方向而从圆形轮廓164(如由虚线所示出)平坦化或减小距离
‘
d’。不同于直流电流，rf电流不流动穿过第一线圈105和第二线圈106的整个径向横截面，而是穿过内侧134的较小表层148。表层148的厚度可通过下式定义：
[0058][0059]
其中f为rf频率，且其中μ0＝4π
×
10-7
亨利/米，且μr为第一线圈105和第二线圈106的真空磁导率和材料的相对磁导率。如果将铜材料用于第一线圈105和第二线圈106，那么在22兆赫兹下，表层148的厚度/深度为近似15微米。
[0060]
此外，电流流动穿过的横截面积(阴影区域)可通过下式定义：
[0061]
a2；
[0062]
与圆形轮廓164相比，将第一线圈105和第二线圈106平坦化例如大约1毫米的距离可使表层148的横截面积增大16倍。这将引起第一线圈105和第二线圈106的等效电阻减小。同时，使外侧166具有弯曲表面或弯曲轮廓可减小电应力量(例如矩形形状的电极由于小曲
率半径而存在电应力)，所述电应力增大次级电子倍增以及介电击穿风险。
[0063]
现在转向图6的侧面横截面图，将更详细地描述根据本发明实施例的包含第一线圈105和第二线圈106的线圈组合件115的简要描绘。如所示出，第一线圈105包含第一多个环123a至第一多个环123c，且第二线圈106包含第二多个环127a至第二多个环127c。为便于说明，虽然仅为第一线圈105和第二线圈106中的每一个示出三(3)个环，但应了解，更少或更多的环数是可能的。
[0064]
第一多个环123a至第一多个环123c以及第二多个环127a至第二多个环127c可围绕中心轴120以相同方向缠绕。如所示出，第一多个环123a至第一多个环123c以及第二多个环127a至第二多个环127c通常可具有相同或类似半径。第一多个环123a至第一多个环123c可包含与第二轴向端129相对的第一轴向端126，且第二多个环127a至第二多个环127c可包含与第四轴向端139相对的第三轴向端137。第一轴向端126和第三轴向端137对应于整个线圈组合件115的相对端，而第二轴向端129和第四轴向端139沿着由第一线圈105和第二线圈106界定的内部141彼此直接相邻地定位。在一些实施例中，第一多个环123a至第一多个环123c以及第二多个环127a至第二多个环127c中的每一个可例如沿着中心轴120彼此等距间隔开。
[0065]
如所示出，第一多个环123a至第一多个环123c中的每一个具有对应的第一平坦化表面171a至第一平坦化表面171c，而第二多个环127a至第二多个环127c中的每一个具有对应的第二平坦化表面173a至第二平坦化表面173c。第一平坦化表面171a至第一平坦化表面171c以及第二平坦化表面173a至第二平坦化表面173c中的每一个界定对应的平面。举例来说，第一平坦化表面171a可界定相对于中心轴120以非零角度φ设置的第一平面150。第一平坦化表面171b可界定相对于中心轴120以非零角度β设置的第二平面151。在一些实施例中，φ》β。同时，第一平坦化表面171c可界定大体上平行于中心轴120的第三平面152。
[0066]
类似地，第二平坦化表面173a可界定相对于中心轴120以非零角度ρ设置的第四平面174。在一些实施例中，第一平面150的非零角度φ可与第四平面174的非零角度ρ相同。第二平坦化表面173b可界定相对于中心轴120以非零角度α设置的第五平面175。在一些实施例中，第二平面151的非零角度β可与第五平面175的非零角度α相同。在一些实施例中，ρ》α。同时，第二平坦化表面173c可界定大体上平行于中心轴120且平行于第三平面152的第六平面176。在一些实施例中，第一多个环123a至第一多个环123c以及第二多个环127a至第二多个环127c可具有大体上d形轮廓。
[0067]
如所展示，第一平坦化表面171a和第二平坦化表面173c分别在第一轴向端126和第三轴向端137处向外张开。因此，载送电流的线圈表面的面积大大增加，从而显著地减小rlc电路的电阻且增大q。
[0068]
现在转向图7的端部横截面图，将描述根据本发明实施例的替代线圈205。如所示出，线圈205可具有非对称轮廓，其中第一内侧234具有平坦化表面235且第二外侧236具有弯曲表面238。在此实施例中，内部通道240由内部表面242界定。虽然示出为具有圆形轮廓，但应了解，内部通道240可以采用任何种类的形状。
[0069]
如所示出，线圈205可包含沿着其长度轴向地延伸的平面组件210。可提供平面组件210以进一步增加表层248可用来载送电流的面积且因此进一步减小线圈205的等效电阻。虽然并非限制，但平面组件210可包含与第二主表面262相对的第一主表面260。表层248
可沿着第一主表面260延伸。
[0070]
鉴于前述内容，通过本文中公开的实施例实现至少以下优点。第一优点包含通过减小线圈组合件的电阻来提升质量因数。第二优点包含由于较高质量因数而使可用加速电压增大。
[0071]
出于说明和描述的目的，已呈现先前述论述且不意图将本发明限于本文中所公开的一或多种形式。举例来说，出于简化本发明的目的，本发明的各种特征可一起集合在一或多个方面、实施例或配置中。然而，应理解，本发明的某些方面、实施例或配置的各种特征可组合在替代性方面、实施例或配置中。
[0072]
如本文中所使用，以单数形式叙述并以词语“一(a/an)”为前缀的元件或步骤应理解为不排除复数个元件或步骤，除非明确地叙述此排除。此外，对本发明的“一个实施例”的参考并不意图解释为排除同样并入所叙述特征的额外实施例的存在。
[0073]
本文中使用“包含”、“包括”或“具有”以及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及额外项目。因此，术语“包含”、“包括”或“具有”以及其变化形式为开放式表述且可在本文中可互换地使用。
[0074]
如本文中所使用，短语“至少一个”、“一或多个”以及“和/或”是在操作中具有连接性和分离性的开放式表述。举例来说，表达“a、b以及c中的至少一个”、“a、b或c中的至少一个”、“a、b以及c中的一或多个”、“a、b或c中的一或多个”以及“a、b和/或c”意指仅a、仅b、仅c、a与b一起、a与c一起、b与c一起，或a、b与c一起。
[0075]
所有方向性参考(例如近端、远端、上部、下部、向上、向下、左侧、右侧、橫向、纵向、正面、背面、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、径向、轴向、顺时针以及逆时针)仅用于识别目的以辅助读者对本发明的理解，且并不造成尤其本发明的位置、定向或使用的局限性。除非另有指示，否则连接参考(例如，附接、耦接、连接以及接合)应广泛地解释，且可包含一系列元件之间的中间构件以及元件之间的相对移动。因而，连接参考不一定推断两个元件直接连接且彼此成固定关系。此外，识别参考(例如初级、次级、第一、第二、第三、第四等等)并不意图暗示重要性或优先级，而是用于区分一个特征与另一特征。
[0076]
此外，术语“实质上”或“基本上”以及术语“大约”或“大致地”可在一些实施例中可互换地使用，且可使用由本领域的一般技术人员可接受的任何相对度量标准来描述。举例来说，这些术语可充当与参考参数的比较，以表明能够提供期望函数的偏差。虽然并非限制，但参考参数的偏差可为例如小于1％、小于3％、小于5％、小于10％、小于15％、小于20％等等的量。
[0077]
再者，虽然上文将说明性方法描述为一系列动作或事件，但除非确切陈述，否则本发明不限于此类动作或事件的所示次序。举例来说，根据本发明，除本文中所示出和/或描述的那些次序之外，一些动作可以不同的次序和/或与其它动作或事件同时地进行。举例来说，本文中所描述的执行注入制程的制程顺序、应力膜的形成、退火以及应力膜的去除可重复多次以形成多个应力记忆层或区域。
[0078]
另外，实施根据本发明的方法可能并不需要所有所示动作或事件。此外，可以结合在本文中示出且描述的结构的形成和/或处理以及结合并未示出的其它结构来实施方法。
[0079]
本发明的范围不受本文所描述的具体实施例的限制。实际上，本领域的一般技术人员根据前述描述和附图将明白(除本文所描述的那些实施例和修改之外)本发明的其它
各种实施例和对本发明的修改。因此，此类其它实施例和修改意图属于本发明的范围。此外，已在用于特定用途的特定环境中的特定实施的上下文中描述本发明。本领域的一般技术人员将认识到，有用性不限于此，且本发明可有利地实施于用于多种用途的多种环境中。因此，上文阐述的权利要求应鉴于如本文中所描述的本发明的完全广度和精神来解释。