具有增強(qiáng)低能離子束傳送的離子注入機(jī)的制作方法

專利名稱：具有增強(qiáng)低能離子束傳送的離子注入機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離子注入系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種向如半導(dǎo)體晶片等離子注入靶輸送低能、單能離子束的方法和裝置。
背景技術(shù)：
離子注入技術(shù)已經(jīng)成為一種向半導(dǎo)體晶片引入改變導(dǎo)電性能的雜質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。將預(yù)期的雜質(zhì)材料在離子源中進(jìn)行電離，離子被加速，形成具有預(yù)定能量的離子束，并將離子束指引向晶片的表面。離子束中的高能離子穿入半導(dǎo)體材料并被埋入半導(dǎo)體材料的晶格，形成具有預(yù)期導(dǎo)電性的區(qū)域。
離子注入系統(tǒng)通常包括將氣體或固體材料轉(zhuǎn)化為精確離子束的離子源。對(duì)離子束進(jìn)行質(zhì)量分析以去除非預(yù)期的離子種類，加速到預(yù)期能量并將離子束指向靶平面。借助射束掃描、靶移動(dòng)或結(jié)合射束掃描和靶移動(dòng)，使離子束分布在靶區(qū)上。
1994年9月27日授權(quán)給White等人的美國專利第5,350,926號(hào)揭示了一種高電流寬束離子注入機(jī)，采用高電流密度離子源、分析磁鐵引導(dǎo)預(yù)期的離子種類穿過解析孔隙和角度校正器磁鐵使結(jié)果離子束偏轉(zhuǎn)，同時(shí)使其沿其寬度成為平行并且均勻的。將帶狀離子束輸送到靶上，靶垂直于帶狀離子束的長度方向移動(dòng)，使離子束分布到靶上。
眾所周知，半導(dǎo)體工業(yè)正朝著越來越小型和高速器件的趨勢(shì)發(fā)展。半導(dǎo)體器件在平面尺寸和深度特性上都在減少。最新工藝水平的半導(dǎo)體器件要求結(jié)面深度小于300埃，并且最終可能會(huì)要求結(jié)面深度在大約100?；蚋?。
攙雜材料的注入深度至少部分地是由注入半導(dǎo)體晶片的離子的能量決定。采用低注入能量就可得到淺的結(jié)面。但是，典型的離子注入機(jī)是為了在相對(duì)較高注入能量下有效工作而設(shè)計(jì)的，例如，在20keV到400keV的范圍內(nèi)，而在淺結(jié)面注入所要求的能量下，可能不能有效工作。在如2keV及更低的注入能量下，送到晶片的電流大大低于預(yù)期值，在某些情況下可能會(huì)接近于零。因而要達(dá)到規(guī)定的劑量就要求很長的注入時(shí)間，造成對(duì)生產(chǎn)能力的負(fù)面影響。生產(chǎn)能力的降低提高了制造成本，對(duì)于半導(dǎo)體元件制造商來說是無法接受的。
在一現(xiàn)有的低能量離子注入技術(shù)方案中，離子注入機(jī)在漂移模式(drift mode)下工作，并且加速器關(guān)閉。離子在低壓下由離子源中引出并由離子源漂移到半導(dǎo)體靶晶片上。然而，被送到晶片上的離子流很小，因?yàn)殡x子源在低引出電壓下工作效率低下。此外，離子束在離子注入機(jī)中傳送的過程中會(huì)發(fā)生發(fā)散，離子可能會(huì)沿著離子束線擊中離子注入機(jī)上的部件而非半導(dǎo)體靶晶片。
低能離子束采用減速模式的離子注入機(jī)使用單獨(dú)一塊彎轉(zhuǎn)磁鐵進(jìn)行質(zhì)量分析，或者使用兩塊磁鐵。對(duì)于使用兩塊磁鐵的情況來說，第一塊磁鐵用于質(zhì)量分析，第二塊磁鐵用于使離子束平行。由于空間電荷中和損耗和離子束爆發(fā)效應(yīng)，離子輸送在高能量下效率高，而在低能量下效率偏低。在電場(chǎng)區(qū)域，這些效應(yīng)尤為嚴(yán)重，例如需要減速間隙以使離子束從初始離子束產(chǎn)生能量減速并且傳送到預(yù)期的最終較低能量。
沿單一磁鐵的減速通常伴有一定程度的離子束污染，離子束污染源自在減速其最終能量之前在殘留氣體中中和或通過自表面小角度散射而中和的離子束。中和后的離子束的能量高于預(yù)期最終離子束能量，并且可能具有到達(dá)所注入晶片的視覺路徑(sight path)直達(dá)線。結(jié)果導(dǎo)致使用該注入機(jī)所制造的器件的電性能減退。
第二塊磁鐵的使用可實(shí)現(xiàn)在最終彎曲之前達(dá)到大量減速，借此消除在減速場(chǎng)或減速場(chǎng)上游中和的離子的視覺路徑直達(dá)線。離子束可漂移過第二塊磁鐵而到達(dá)晶片，或者在第二塊磁鐵之后可使用第二次減速。在第一種情況下，幾乎完全消除能量污染，但是離子束必須以其最低能量傳送一較長距離而達(dá)到晶片。在第二種情況下，可通過低得多的場(chǎng)與極低的能量污染達(dá)到最終減速。良好性能的主要障礙是在離子束第一次減速之后其通過第二塊磁鐵并到達(dá)晶片的傳送效率。由于在第一塊磁鐵中傳送，經(jīng)優(yōu)化以用于此系統(tǒng)的離子束通常可能具有嚴(yán)重偏差，在能量較低并且在磁鐵之間使用減速臺(tái)(deceleration stage)時(shí)，很難使脫軌離子束匹配入第二塊磁鐵的入口孔。
中心(位于垂直于分析磁鐵正中面的平面中)內(nèi)的小角度誤差加劇了此失配，此小角度誤差是由離子源中的磁場(chǎng)產(chǎn)生。使用引出操縱器偏移離子源的引出場(chǎng)來修正這些誤差只能近似地修正角度。離子束在誤差方向上較小時(shí)，在高能量下的此缺陷較小。但是，在低能量下，同樣在減速且傳送較長距離時(shí)，角度誤差能夠阻止完全傳送通過第二塊磁鐵。此外，來自減速區(qū)內(nèi)空間電荷擴(kuò)張的離子束爆發(fā)可導(dǎo)致第二塊磁鐵的極隙(pole gap)的過充滿。因此，降低了離子束效率。
因此，需要一種用以增強(qiáng)低能離子束傳送的改良方法和裝置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種離子注入機(jī)。所述離子注入機(jī)包括一用于生成離子束的離子源；一用于支撐離子注入靶的靶標(biāo)部位；一用于在所述離子源與靶標(biāo)部位之間界定離子束路徑的束線；以及一配置在所述離子源與靶標(biāo)部位之間的磁性操縱器，用于至少部分地修正離子束自離子束路徑的有害偏移。
所述磁性操縱器可包括一閉環(huán)磁框，其具有一用于通過離子束的開口，并且在磁框上具有一或多個(gè)線圈，用于在所述開口內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁框可包括頂段、底段、左側(cè)段和右側(cè)段。磁性操縱器可包括位于磁框頂段和底段的線圈或位于磁框左側(cè)段和右側(cè)段的線圈，或其兩者。線圈被賦能，使得磁框材料中的由相反線圈感應(yīng)的場(chǎng)彼此對(duì)抗，并且使得磁框中心的磁場(chǎng)由各個(gè)線圈提供。通過調(diào)節(jié)水平線圈電流與豎直線圈電流的比率，可獨(dú)立調(diào)節(jié)x和y方向上的操縱。
束線可包括一位于磁性操縱器上游的分析磁鐵，用以在分析平面上分離不同的離子種類；以及一位于磁性操縱器下游的具有解析孔隙的解析幕罩。磁性操縱器可改變離子束的角度，從而可使偏離束線中軸的離子束回到位于預(yù)期點(diǎn)上的軸或調(diào)節(jié)偏離束線中軸的離子束以使其與該軸平行。結(jié)合分析磁鐵，可在解析平面上實(shí)現(xiàn)所有兩個(gè)目的。當(dāng)使用第二操縱元件時(shí)，可在此磁鐵之前或之后使離子束進(jìn)入正中解析平面并且平行于預(yù)期軸。束線還可包括一位于解析幕罩下游的減速臺(tái)以及一位于減速臺(tái)下游的角度校正器磁鐵。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種離子注入機(jī)。所述離子注入機(jī)包括一用于生成離子束的離子源；一用于從離子束中分離出有害成分的分析儀，其中所述離子束以第一傳送能量傳送通過該分析儀；一位于分析儀下游的減速臺(tái)，用于使離子束從第一傳送能量減速到第二傳送能量，所述減速臺(tái)包括一上游電極和一減速電極，其中至少一個(gè)電極包括一位于離子束路徑中的柵極；以及，一用于支撐離子注入靶的靶標(biāo)部位。
柵極可包括多個(gè)彼此隔開的導(dǎo)體，這些導(dǎo)體界定了用于使離子束通過的開口。在一些實(shí)施例中，柵極包括第一組彼此隔開的平行導(dǎo)體和第二組彼此隔開的平行導(dǎo)體，其中第一組中的導(dǎo)體正交于第二組中的導(dǎo)體。在另一實(shí)施例中，柵極包括彼此隔開的平行導(dǎo)體。在又一實(shí)施例中，柵極包括一具有多個(gè)使離子束通過的開口的導(dǎo)體。
在一實(shí)施例中，減速電極包括一柵極。在另一實(shí)施例中，減速臺(tái)還包括一位于上游與減速電極之間的抑制電極，而該抑制電極包括一柵極。在又一實(shí)施例中，減速臺(tái)的各個(gè)電極均包括一柵極。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種離子注入機(jī)。所述離子注入機(jī)包括一用于生成離子束的離子源；一用于支撐離子注入靶的靶標(biāo)部位；以及一配置于所述離子源與靶標(biāo)部位之間的柵極，其用于改變離子束的至少一個(gè)參數(shù)，所述柵極具有多個(gè)用于使離子束通過的開口。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種將離子注入靶內(nèi)的方法。所述方法包括生成離子束；將靶支撐在用于離子注入的靶標(biāo)部位；沿離子源與靶標(biāo)部位之間的離子束路徑傳送該離子束；以及使用配置在離子源與靶標(biāo)部位之間的磁性操縱器至少部分地修正離子束自離子束路徑的有害偏移。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種將離子注入靶內(nèi)的方法。所述方法包括生成離子束；在分析儀中從離子束分離出有害成分；使離子束以第一傳送能量傳送通過所述分析儀；使離子束在包括兩個(gè)或兩個(gè)以上電極的減速臺(tái)中從第一傳送能量減速到第二傳送能量，其中至少一個(gè)電極包括一配置在離子束路徑中的柵極；以及將減速后的離子輸送到靶標(biāo)部位。


為了更好地理解本發(fā)明，參考如下附圖。
圖1是離子注入機(jī)一實(shí)施例的簡化示意圖。
圖2是離子束能量圖，其為沿圖1的離子注入機(jī)中束線的距離的函數(shù)。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的離子注入機(jī)束線的部分的頂視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的離子注入機(jī)束線的部分的頂視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的離子注入機(jī)束線的部分的頂視圖。
圖6是在離子束傳送方向上所觀察到的磁性操縱器以及相關(guān)系統(tǒng)元件之一實(shí)施例的示意圖。
圖7是采用柵極的減速臺(tái)的第一實(shí)施例的示意圖。
圖8是采用柵極的減速臺(tái)的第二實(shí)施例的示意圖。
圖9是在離子束傳送方向上所觀察到的柵極的第一實(shí)施例的示意圖。
圖10是在離子束傳送方向上所觀察到的柵極的第二實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是一個(gè)離子注入機(jī)實(shí)例的原理圖。離子源10生成離子并提供離子束12。如此項(xiàng)技術(shù)中所知，離子源10可包括電離室和裝有待電離氣體的氣箱。氣體提供給離子室進(jìn)行電離。所形成的離子由電離室中引出并形成離子束12。離子束12具有細(xì)長橫截面并且呈帶狀，并且離子束橫截面長度最好具有水平朝向。第一電源14連接到離子源10的引出電極并提供正第一電壓V0。第一電壓V0可以是可調(diào)的，例如，由大約0.2到80kv。這樣，來自離子源10的離子被第一電壓V0加速到大約0.2到80keV的能量。離子源的構(gòu)造和操作是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員所熟知的。
離子束12經(jīng)過抑制電極20和接地電極22到達(dá)質(zhì)量分析儀30。離子源10可能會(huì)利用磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的邊緣區(qū)能夠延伸到電極20與分析儀30之間的區(qū)域。該磁場(chǎng)能夠?qū)е虏活A(yù)期的離子束偏轉(zhuǎn)，使離子束從其在磁鐵30中預(yù)期的彎曲平面移開及/或使離子束相對(duì)于預(yù)期的離子束路徑中心產(chǎn)生位移。在某些情況下，電極20和22被設(shè)置為活動(dòng)的或被有意地由其對(duì)正位置位移，以便部分地補(bǔ)償不預(yù)期的偏轉(zhuǎn)。單一的補(bǔ)償不足以同時(shí)校正已經(jīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的離子束的角度和位置。質(zhì)量分析儀30包括分析磁鐵32和具有解析孔隙36的解析幕罩34。分析磁鐵32將離子束12中的離子偏轉(zhuǎn)，使預(yù)期的離子種類通過解析孔隙36，不預(yù)期的離子種類不能通過解析孔隙36而是被解析幕罩34阻擋。在一較佳實(shí)施例中，分析磁鐵32將預(yù)期種類的離子偏轉(zhuǎn)90°。
預(yù)期離子種類的離子通過解析孔隙36到達(dá)位于質(zhì)量分析儀30下游的第一減速臺(tái)50。減速臺(tái)50可以包括上游電極52、抑制電極54和下游電極56。如下所述，離子束中的離子被減速臺(tái)50減速，然后通過角度校正器磁鐵60。角度校正器磁鐵60將預(yù)期離子種類的離子偏轉(zhuǎn)并將離子束由發(fā)散離子束轉(zhuǎn)換為具有基本上平行離子軌跡的帶狀離子束62。帶狀離子束62的橫截面寬度相對(duì)較大，高度相對(duì)較小，因此呈帶狀。在較佳實(shí)施例中，角度校正器磁鐵60將預(yù)期離子種類的離子偏轉(zhuǎn)70°。
終端臺(tái)70將一個(gè)或多個(gè)工件，如晶片72，支承在帶狀離子束62的路徑中，從而使預(yù)期種類的離子被注入半導(dǎo)體晶片。終端臺(tái)70可包括冷卻靜電臺(tái)板形式的靶點(diǎn)和用以垂直于帶狀離子束62橫截面長度方向而移動(dòng)晶片72的掃描儀，從而將離子分布到晶片72的表面上。離子注入機(jī)可包括位于角度校正器磁鐵60下游的第二減速臺(tái)80。減速臺(tái)80可包括上游電極82、抑制電極84和下游電極86。
離子注入機(jī)可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的附加組件。典型的例子如終端臺(tái)70包括自動(dòng)化晶片搬運(yùn)設(shè)備，用來將晶片送入離子注入機(jī)并在注入完成后將晶片移走。終端臺(tái)70還可包括劑量測(cè)量系統(tǒng)、泛射式電子槍和其他組件。應(yīng)該理解在離子注入期間離子束經(jīng)過的全部路徑都被抽為真空。離子源10和靶點(diǎn)之間的注入機(jī)組件構(gòu)成了確定離子源與靶點(diǎn)之間離子束路徑的束線。
束線模塊100包括質(zhì)量分析儀30、接地電極22和減速臺(tái)50的電極52，并耦接到第二電源102。抑制電極20和接地電極22可以作為一個(gè)單元移動(dòng)。電源102產(chǎn)生的第二電壓V1被耦接到束線模塊100的組件并將離子束12的能量在離子束沒有過度擴(kuò)展的情況下加速到足夠用來輸送。典型地，電源102被調(diào)節(jié)成相對(duì)于地電勢(shì)最高達(dá)-30kV的負(fù)輸送電壓。電源103以電源102為參照，其藉由負(fù)電壓VS0將抑制電極20負(fù)偏置為大于束線模塊100電勢(shì)V1(電極22電勢(shì))，電壓VS0的負(fù)性足以抑制離子束中的電子由一個(gè)能區(qū)流向另一個(gè)能區(qū)。電源104以電源102為參照，其藉由負(fù)電壓VS1將抑制電極54負(fù)偏置為大于束線模塊100電勢(shì)V1(電極52電勢(shì))，電壓VS1的負(fù)性足以抑制離子束中的電子由一個(gè)能區(qū)流向另一個(gè)能區(qū)并提供使離子束通過束線下游元件的傳送最大化所需的離子束光學(xué)聚焦。
第二束線模塊120包括減速臺(tái)50的下游電極56、角度校正器磁鐵60和減速臺(tái)80的電極82，并耦接到第三電源122。電源122產(chǎn)生負(fù)電壓V2，通常高達(dá)-5kV。電源124以電源122為參照，藉由負(fù)電壓VS2將抑制電極84負(fù)偏置為大于束線模塊120電勢(shì)V1(電極82電勢(shì))，電壓VS2的負(fù)性足以抑制離子束中的電子由一個(gè)能區(qū)流向另一個(gè)能區(qū)并優(yōu)化離子束向靶晶片72的傳送。施加在束線模塊120的組件上的電源電壓V2使離子束12從束線模塊100所建立的能量減速到束線模塊120所建立的第二輸送能量。減速臺(tái)80的下游電極86接地，使離子束在離子被注入晶片72前進(jìn)一步減速到電源14所建立的最終能量EF＝qi(V0)。
圖2是離子束能量圖，其為沿束線的距離的函數(shù)。曲線130代表離子注入機(jī)中的離子束能量，參考標(biāo)號(hào)20、22、52、54、56、82、84和86表示對(duì)應(yīng)電極沿束線的位置。電源14、102和103所提供的合成電勢(shì)V0+V1+VS0分別從離子源10中引出離子束12。然后離子束12在進(jìn)入質(zhì)量分析儀30之前被減速到第一輸送能量E1T＝qi(V0+V1)。從線束模塊100中引出離子束12之后，通過抑制電極54上的偏壓將其加速到能量E＝qi(V0+V1+Vs1)，如能量增加132所指示。然后離子束在電極56處被減速到第二輸送能量E2T＝qi(V0+V2)，V2由電源122決定。離子束以第二輸送能量E2T輸送到角度校正器磁鐵60。從束線模塊120中引出離子束之后，通過抑制電極84上的偏壓將其加速到E＝qi(V0+V2+Vs2)，如能量增加134所指示。然后離子束12在電極86處被減速到最終能量EF＝qi(V0)，并且將離子束以最終能量EF輸送到終端臺(tái)70內(nèi)的晶片72。輸送到晶片72的最終注入能量為離子電荷qi乘以引出電源14所建立的離子源電勢(shì)V0。
總之，第一電源14提供第一電壓V0，第二電源102提供第二電壓V1，第三電源122提供第三電壓V2。離子束12以第一輸送能量E1T＝qi(V0+V1)輸送通過分析儀30，以第二輸送能量E2T＝qi(V0+V2)輸送通過角度校正器磁鐵60，并以最終能量EF＝qi(V0)輸送到晶片72。
離子注入機(jī)還可包括用來將帶狀離子束62調(diào)節(jié)為在寬度上(在圖1所示的平面中)大體上均勻的離子束感測(cè)和控制總成。該離子束感測(cè)和控制總成包括多極元件106、離子束斷面測(cè)量儀108和多極控制器110。多極元件106根據(jù)多極控制器110發(fā)出的控制信號(hào)對(duì)帶狀離子束62的均勻性進(jìn)行調(diào)節(jié)。離子束斷面測(cè)量儀108被置于截取帶狀離子束62的位置，對(duì)帶狀離子束62的均勻性進(jìn)行感測(cè)并向多極控制器110提供感測(cè)信號(hào)。
如上所述，離子束的空間電荷擴(kuò)張?jiān)诘湍芰侩x子束的情況下特別嚴(yán)重。限制離子束的空間電荷擴(kuò)張的一個(gè)辦法是提供電子，其形成電子云以將離子束的通過區(qū)域大量中和并借此減小傾向于產(chǎn)生空間電荷擴(kuò)張的電場(chǎng)。在離子注入機(jī)中可使用呈電子源或泛射式等離子槍(PFG)形式的一個(gè)或多個(gè)電子發(fā)生器，用以降低空間電荷引發(fā)的離子束擴(kuò)張效應(yīng)。如圖1所示，泛射式等離子槍112可被置于晶片72之前以便限制空間電荷擴(kuò)張并限制晶片72表面的電荷堆積?？蓪⒎荷涫降入x子槍114定位在分析磁鐵32的入口處，及/或可將泛射式等離子槍116定位在分析磁鐵32的出口處?？蓪⒎荷涫降入x子槍118定位在角度校正器磁鐵60的入口處。
圖2所示且上文所述的離子注入機(jī)的運(yùn)行模式稱為“雙重減速”模式。在另一種稱為“增強(qiáng)式漂移”模式的運(yùn)行模式中，關(guān)閉及/或斷開電源122和124，并且將束線模塊120和抑制電極84接地。因?yàn)殡x子束12是以相對(duì)較高的能量傳送通過束線模塊100，因此限制了離子束擴(kuò)張。另一種運(yùn)行模式為圖1所示且上文所述的構(gòu)造的一個(gè)特例，在此運(yùn)行模式中，將束線模塊100和束線模塊120電連接到一起以形成單級(jí)減速系統(tǒng)。在稱為“處理腔減速”的運(yùn)行模式中，通過電源102和122之一對(duì)束線模塊100和120進(jìn)行偏置，且在減速臺(tái)80處對(duì)離子束進(jìn)行減速。在稱為“漂移”模式的又一運(yùn)行模式中，束線模塊100和120兩者都被接地。因而，離子束12以由電源14所建立的最終能量EF＝qi(V0)傳送通過束線組件，并且以最終能量EF輸送到晶片72。
圖3展示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的離子注入機(jī)束線的一部分。磁性操縱器200位于解析孔隙36的上游并且經(jīng)配置以執(zhí)行對(duì)離子束12的磁性操縱。磁性操縱器200可至少部分地修正離子束12自離子束路徑的有害偏移。當(dāng)離子注入機(jī)在可接收的界限內(nèi)運(yùn)行時(shí)，離子束路徑為離子束12自離子源10開始通過離子注入機(jī)的離子光學(xué)元件到達(dá)晶片72的標(biāo)稱路徑。磁性操縱器200以沿離子束路徑的相對(duì)較小的嵌入長度為特征，并且取決于其構(gòu)造，可執(zhí)行豎直操縱、水平操縱或其兩者。例如，磁性操縱器200可操縱離子束12通過解析孔隙36、通過減速臺(tái)50的電極52、54和56，以及在角度校正器磁鐵60的極片(polepiece)之間操縱離子束12(圖1)。在垂直于磁鐵內(nèi)彎曲角的平面中的操縱修正通常是通過離子源附近的引出操縱器結(jié)合部分修正來實(shí)施。離子束發(fā)散方向上的修正是結(jié)合與質(zhì)量解析縫隙(mass resolving slit)接受角一致的彎轉(zhuǎn)磁鐵強(qiáng)度的較小變化而實(shí)施。下文詳細(xì)描述磁性操縱器200。
圖4展示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的離子注入機(jī)束線的一部分。在圖4所示的實(shí)施例中，減速臺(tái)50配置有至少一個(gè)柵極。圖4所示的減速臺(tái)50包括一上游電極210、一抑制電極212以及一減速電極214，其均配置成柵極。通常，柵極為沿離子束路徑具有相對(duì)較小尺寸且具有用以使離子束12通過的多個(gè)開口的導(dǎo)體。各個(gè)柵極電連接到適當(dāng)?shù)钠珘骸?br> 柵極具有若干優(yōu)點(diǎn)。由于可將電勢(shì)限定在基本上零長度電極中，因此可將總有效透鏡長度和非中和區(qū)的減至最小。柵極可消除間隙透鏡場(chǎng)的發(fā)散部分，因此可將透鏡轉(zhuǎn)換成強(qiáng)聚焦，使得透鏡能夠更有效的工作以克服由空間電荷代償失調(diào)區(qū)所產(chǎn)生的發(fā)散。當(dāng)不要求聚焦時(shí)(由于其它元件提供足夠聚焦)，可通過對(duì)間隙的外部電極進(jìn)行布網(wǎng)格來關(guān)閉透鏡系統(tǒng)的任一間隙的聚焦。通過改變外部電極的孔徑可在單一柵極系統(tǒng)中提供進(jìn)一步的聚焦控制，因?yàn)榫劢箯?qiáng)度與基本孔徑尺寸成比例?？墒箚我换螂p柵極形成三維形狀以補(bǔ)償注入離子束的部分偏差，因?yàn)閷?duì)小于間隙間距的柵極開口而言，電勢(shì)必須符合柵極形狀而不考慮離子束能量和電流。在給定的最終并行化磁鐵極點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)的情況下，此種類型的透鏡的使用可最大化匹配能力。
圖5展示根據(jù)第三實(shí)施例的離子注入機(jī)束線的一部分。在圖5所示的實(shí)施例中，磁性操縱器200位于解析孔隙36的上游，并且減速臺(tái)50包括柵極210、212和214。因此，在通過離子注入機(jī)獲得低能離子束傳送時(shí)組合了磁性操縱器200與柵極210、212以及214的益處。
圖6展示磁性操縱器200以及相關(guān)系統(tǒng)元件的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。在圖6中，于離子束傳送方向上觀察磁性操縱器200。磁性操縱器200包括一個(gè)磁框250以及一或多個(gè)繞在磁框250周圍的線圈。圖6所示的實(shí)施例包括用于產(chǎn)生x-方向磁場(chǎng)Bx的線圈252和254，以及用于產(chǎn)生y-方向磁場(chǎng)By的線圈256和258。
磁框250可為由鋼或其它磁性材料制成的閉環(huán)片(closed loop band)，其具有使離子束通過的中心開口260。在圖6所示實(shí)施例中，磁框250為矩形，包括頂段262、底段264、左側(cè)段266以及右側(cè)段268。線圈252繞在頂段262周圍；線圈254繞在底段264周圍；線圈256繞在左側(cè)段周圍；而線圈258繞在右側(cè)段268周圍。
線圈252和254可連接到電源270，而線圈256和258可連接到電源272。將線圈252與254連接以在開口260中產(chǎn)生x-方向磁場(chǎng)Bx，并且將線圈256和258連接以在開口260中產(chǎn)生y-方向磁場(chǎng)By。具體地說，將線圈252和254纏繞并通過電源270賦能以在磁框250中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)。該反向磁場(chǎng)具有通過開口260的返回路徑。類似地，將線圈256與258纏繞并通過電源272賦能以在磁框250中產(chǎn)生反向磁場(chǎng)，而該反向磁場(chǎng)具有通過開口260的返回路徑。合成磁場(chǎng)Br為磁場(chǎng)Bx與磁場(chǎng)By的向量和。如此項(xiàng)技術(shù)中所知，x-方向磁場(chǎng)Bx產(chǎn)生對(duì)離子束的y-方向操縱，而y-方向磁場(chǎng)By產(chǎn)生對(duì)離子束的x-方向操縱。
圖6所示且上文所述的磁性操縱器可產(chǎn)生x-方向磁場(chǎng)Bx和y-方向磁場(chǎng)By。在一些應(yīng)用中僅需x-方向操縱，因此可從磁性操縱器中省略線圈252和254。在其它應(yīng)用中，僅需y-方向操縱，因此可省略線圈256和258。在單向磁場(chǎng)足以滿足要求的情況下，磁框250可具有永磁極以改善線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的均勻性和強(qiáng)度。
在一實(shí)施例中，磁框250具有7.5英寸(in.)×7.5in.×2in.外部尺寸，厚度為0.75in，且由1018型鋼制成。線圈252、254、256以及258各自具有300匝的16#AWG線，而電源270和272具有0到15A的輸出電流。磁性操縱器200沿離子束路徑具有約3英寸的尺寸，且通過1.2A線圈電流使12keV B+離子束產(chǎn)生約0.64°的偏轉(zhuǎn)。應(yīng)理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可使用各種不同的磁框尺寸和材料以及線圈構(gòu)造。在一實(shí)施例中，磁框250的段262、264、266和268是獨(dú)立制造，其上安裝各自的線圈，且隨后通過螺栓連接在一起，形成磁性操縱器200。
取決于運(yùn)行條件，磁性操縱器200可能要求主動(dòng)式冷卻。在圖3、5和6所示的實(shí)施例中，磁框250具有流體通道280(圖3和5)，通過流體導(dǎo)管282和284(圖6)連接到冷卻液供應(yīng)源286。在運(yùn)行期間，例如水等冷卻液可通過流體通道280循環(huán)以限制磁性操縱器200的溫升。也可通過使冷卻劑在空心線圈線內(nèi)流動(dòng)或通過將冷卻管纏繞在線圈繞組附近而實(shí)現(xiàn)冷卻。
應(yīng)理解，磁性操縱器200經(jīng)配置以至少部分地修正離子束12自離子束路徑的有害偏移。磁性操縱器200通常不用于掃描離子束12或產(chǎn)生離子束12的較大偏轉(zhuǎn)。舉例而言，離子束12的有害偏移可能源自離子源10中的磁場(chǎng)或源自分析磁鐵32中的偏差。磁性操縱器200可用于使離子束12相對(duì)于解析孔隙36、減速臺(tái)50中的間隙及/或角度校正器磁鐵60的入口孔而集中。磁性操縱器200可經(jīng)配置以修正垂直于分析磁鐵32分析平面的離子束、平行于該分析平面離子束或兩者的有害偏移。
在不同的時(shí)間，通常要求離子注入機(jī)能夠以不同的離子種類、不同的離子能量以及不同的離子束電流來運(yùn)行。對(duì)于不同的離子束參數(shù)，離子束12的有害偏移可能不同。因而，當(dāng)離子束參數(shù)改變時(shí)，可調(diào)節(jié)電源270和272中的一個(gè)或兩個(gè)以產(chǎn)生對(duì)離子束方向的預(yù)期修正。在運(yùn)行期間，通過所選組的離子束參數(shù)，電源270和272的輸出可保持固定。
已將磁性操縱器200展示且描述為位于解析孔隙36的上游。在另一實(shí)施例中，磁性操縱器可位于沿離子束路徑的任何點(diǎn)處，至少部分地修正離子束自離子束路徑的有害偏移。磁性操縱器可位于具有入口孔的離子光學(xué)元件的上游?？烧{(diào)節(jié)操縱器的磁場(chǎng)以相對(duì)于入口孔定位離子束。例如，磁性操縱器可相對(duì)于如角度校正器磁鐵60(圖1)等磁鐵的極片之間的間隙而集中離子束。
圖7展示減速臺(tái)50的第一實(shí)施例的示意圖。減速臺(tái)50包括柵極210(上游電極)、柵極212(抑制電極)以及柵極214(減速電極)。柵極210連接到電源102(圖1)，電源102產(chǎn)生電壓V1。電源104參考電源102，且可通過等于或大于約-1kV的電壓VS1將柵極212負(fù)偏置為大于電壓V1。柵極214連接到電源122(圖1)，電源122產(chǎn)生負(fù)電壓V2。在一典型構(gòu)造中，柵極210與212之間的間距S1可在約0.2in.到2in.的范圍內(nèi)，而柵極212與214之間的間距可在約0.5in.到3in.的范圍內(nèi)。
圖8展示減速臺(tái)50的第二實(shí)施例的示意圖。在圖8所示的實(shí)施例中，減速臺(tái)50包括習(xí)知上游電極300、柵極抑制電極302以及習(xí)知減速電極304。上游電極300連接到電壓V1，柵極連接到電壓VS1，而減速電極304連接到電壓V2。在圖8所示的實(shí)施例中，柵極302的優(yōu)點(diǎn)為可提供電子保留障蔽，從而最小化空間電荷剝離區(qū)并且還強(qiáng)系統(tǒng)的加速和減速間隙的聚焦。通常，可將減速臺(tái)50中的一或多個(gè)電極配置成柵極。
圖9展示沿離子束傳送方向所觀察到的柵極的第一實(shí)施例。柵極350可包括彼此隔開的x-方向?qū)w352、354、356等，以及彼此隔開的y-方向?qū)w362、364、366等，其界定用于使離子束12通過的一系列開口370、372、374、376等。x-方向?qū)w352、354、356等可彼此平行。y-方向?qū)w362、364、366等可彼此平行并且可正交于x-方向?qū)w。應(yīng)理解，柵極非局限于此構(gòu)造。柵極350的導(dǎo)體可由導(dǎo)電框380支撐，從而使整個(gè)電極處于同一電勢(shì)。柵極350的參數(shù)包括導(dǎo)體直徑和導(dǎo)體間的間距。這些參數(shù)確定開口370、372、374和376的尺寸以及柵極的導(dǎo)體阻斷離子束12的程度。
通常，導(dǎo)體尺寸和導(dǎo)體間距的選擇是在填充盡可能多的離子束12所經(jīng)過的區(qū)域而導(dǎo)體處于單一電勢(shì)這一期望與避免阻斷離子束這一期望之間進(jìn)行折中。離子束阻斷減少了輸送到靶的總電流。此外，導(dǎo)體導(dǎo)致可潛地在輸送到靶的離子束中產(chǎn)生空間不均勻性的屏蔽(shadowing)。此外，柵極的導(dǎo)體可能被高能離子束濺射，且應(yīng)具有足夠大的尺寸以限制對(duì)頻繁移位的需要。柵極導(dǎo)體的濺射可產(chǎn)生一些離子束污染。但是，在通過角度校正器磁鐵60(圖1)時(shí)，可從離子束中分離出污染物。
對(duì)于諸多應(yīng)用，柵極導(dǎo)體352、354、356、362、364、366等的厚度可在約0.001in.到0.02in.的范圍內(nèi)，且導(dǎo)體間的間距在約0.02in.到0.5in.的范圍內(nèi)。合適的材料包括鎢、碳和鉭。
圖10展示沿離子束傳送方向所觀察到的柵極的第二實(shí)施例。柵極400包括由導(dǎo)電框420所支撐的彼此隔開的導(dǎo)體402、404、406等。導(dǎo)體402、404、406等可為x-方向?qū)w或y-方向?qū)w，并且可彼此平行。圖10所示的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)為與圖9所示且上文所述的柵極350相比，可在靶處產(chǎn)生較小的非均勻性。在一應(yīng)用中，電極402、404、406等平行于帶狀離子束橫截面的長度。上文關(guān)于導(dǎo)體直徑和間距的選擇所描述的考慮事項(xiàng)適用于圖10所述的實(shí)施例。
在一些實(shí)施例中，柵極是平面的且垂直于離子束傳送方向安裝。在另一實(shí)施例中，改變柵極的形狀以產(chǎn)生預(yù)期結(jié)果。例如，柵極可為圓柱形或球形，或者可為任意非平面形。非平面形通過對(duì)離子束的不同區(qū)域應(yīng)用不同的聚焦強(qiáng)度可用于修正離子束中的不對(duì)稱偏差。柵極的外形可垂直于發(fā)散或會(huì)聚離子軌跡。
在一些實(shí)施例中，如前述，柵極可包括多個(gè)導(dǎo)體。例如，柵極可具有編織構(gòu)造，且可呈屏幕形態(tài)。在另一實(shí)施例中，柵極可包括具有多個(gè)開口的單一導(dǎo)體。
已結(jié)合在減速臺(tái)50中的使用對(duì)柵極進(jìn)行了描述。在另一實(shí)施例中，可在沿離子束路徑的其它位置使用一或多個(gè)柵極。應(yīng)謹(jǐn)慎地將靶污染、離子束電流減小以及劑量均勻性的減小控制在可接受的界限內(nèi)。
所述柵極的優(yōu)點(diǎn)為在減小了的離子束爆發(fā)下可獲得強(qiáng)聚焦，這是源自空間電荷中和。沿離子束路徑的電極間的間距可相對(duì)較小。因此，可減小與離子束相互作用的電場(chǎng)的區(qū)域，并且可減小空間電荷中和。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種離子注入機(jī)，其包括一用于生成離子束的離子源；一用于支撐離子注入靶的靶標(biāo)部位；一用于在所述離子源與所述靶標(biāo)部位之間界定離子束路徑的束線；以及一配置在所述離子源與所述靶標(biāo)部位之間的磁性操縱器，用于至少部分地修正離子束自離子束路徑的有害偏移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入機(jī)，其中所述磁性操縱器包括一閉環(huán)磁框，所述閉環(huán)磁框具有一用于使離子束通過的開口，并且在所述磁框上具有一或多個(gè)線圈以在所述開口中產(chǎn)生磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子注入機(jī)，其中所述磁框通常為矩形。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子注入機(jī)，其中所述磁框包括頂段、底段、左側(cè)段和右側(cè)段。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子注入機(jī)，其中所述磁性操縱器包括位于所述磁框頂段和底段的線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子注入機(jī)，其中所述磁性操縱器包括位于所述磁框的左側(cè)段和右側(cè)段的線圈。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子注入機(jī)，其中所述磁性操縱器包括位于所述磁框的頂段、底段、左側(cè)段和右側(cè)段的線圈。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入機(jī)，其中所述磁性操縱器包括由磁性材料形成的矩形框，其具有一用于使離子束通過的開口以及位于所述矩形框的至少兩個(gè)相反側(cè)上線圈。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入機(jī)，其中所述束線包括一位于所述磁性操縱器的上游的質(zhì)量分析磁鐵，用于在分析平面內(nèi)分離不同的離子種類；以及一位于所述磁性操縱器的下游的具有一解析孔隙的解析幕罩，用于選擇所述種類中的一種，其中所述磁性操縱器引導(dǎo)離子束通過所述解析孔隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的離子注入機(jī)，其中所述磁性操縱器經(jīng)配置以修正垂直于所述分析平面的離子束的有害偏移。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的離子注入機(jī)，其中所述束線還包括一位于所述解析幕罩的下游的減速臺(tái)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的離子注入機(jī)，其中所述束線還包括一位于所述減速臺(tái)的下游的角度校正器磁鐵。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的離子注入機(jī)，其中所述離子束的所述有害偏移是由所述離子源中的磁場(chǎng)產(chǎn)生。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的離子注入機(jī)，其中所述離子束的所述有害偏移是由所述質(zhì)量分析磁鐵中的偏差產(chǎn)生。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入機(jī)，其中所述束線包括一具有一入口孔的離子光學(xué)元件，且其中所述磁性操縱器經(jīng)配置以相對(duì)于所述入口孔定位所述離子束。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子注入機(jī)，其中所述離子源包括一產(chǎn)生所述離子束自所述離子束路徑的有害偏移的元件。
17.一種離子注入機(jī)，其包括一用于生成離子束的離子源；一用于從所述離子束中分離出有害成分的分析儀，其中所述離子束以第一傳送能量傳送通過所述分析儀；一位于所述分析儀的下游的減速臺(tái)，用于將所述離子束從所述第一傳送能量減速到第二傳送能量，所述減速臺(tái)包括一上游電極和一減速電極，其中所述電極中的至少一個(gè)包括一位于離子束路徑中的柵極；以及一用于支撐離子注入靶的靶標(biāo)部位。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述柵極包括多個(gè)彼此隔開的導(dǎo)體，其界定用于使所述離子束通過的開口。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述柵極包括第一組彼此隔開的平行導(dǎo)體以及第二組彼此隔開的平行導(dǎo)體，其中所述第一組中的導(dǎo)體正交于所述第二組中的導(dǎo)體。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述柵極大體上是平面的并且垂直于所述離子束而定向。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述柵極為非平面的并且經(jīng)配置以調(diào)節(jié)進(jìn)入所述減速臺(tái)的離子束中的偏差。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述減速電極包括一位于離子束路徑中的柵極。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述減速臺(tái)還包括一位于所述上游與減速電極之間的抑制電極，且其中所述抑制電極包括一位于離子束路徑中的柵極。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的離子注入機(jī)，其中所述減速臺(tái)的各個(gè)所述電極包括一柵極。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述柵極包括一具有多個(gè)用于使所述離子束通過的開口的導(dǎo)體。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其還包括一位于所述減速臺(tái)下游的離子束過濾器，用于從所述離子束中分離中性粒子。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的離子注入機(jī)，其中所述離子束過濾器包括一角校正磁鐵。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述分析儀包括一分析磁鐵以及一具有一解析孔隙的解析幕罩，所述離子注入機(jī)還包括一位于所述分析磁鐵與所述解析孔隙之間的磁性操縱器，用于至少部分地修正離子束自離子束路徑的有害偏移。
29.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述柵極包括一屏幕。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的離子注入機(jī)，其中所述柵極包括多個(gè)配置在所述離子束路徑中的彼此隔開的平行導(dǎo)體。
31.一種離子注入機(jī)，其包括一用于生成離子束的離子源；一用于支撐離子注入靶的靶標(biāo)部位；以及一配置在所述離子源與所述靶標(biāo)部位之間的柵極，用于改變所述離子束的至少一個(gè)參數(shù)，所述柵極具有多個(gè)用于使所述離子束通過的開口。
32.一種將離子注入靶內(nèi)的方法，其包括生成離子束；將靶支撐在用于離子注入的靶標(biāo)部位；沿離子源與靶標(biāo)部位之間的離子束路徑傳送所述離子束；以及使用配置在所述離子源與所述靶標(biāo)部位之間的磁性操縱器，至少部分地修正所述離子束自所述離子束路徑的有害偏移。
33.一種將離子注入靶內(nèi)的方法，其包括生成離子束；在分析儀中從所述離子束中分離出有害成分；將所述離子束以第一傳送能量傳送通過所述分析儀；在包括兩個(gè)或兩個(gè)以上電極的減速臺(tái)中，使所述離子束從第一傳送能量減速到第二傳送能量，其中至少一個(gè)電極包括一配置在所述離子束路徑中的柵極；以及將所述減速后的離子束輸送到靶標(biāo)部位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種離子注入機(jī)，其包括一用于生成離子束的離子源；一用于支撐離子注入靶的靶標(biāo)部位；以及一用于在所述離子源與靶標(biāo)部位之間界定離子束路徑的束線。一方面，將一磁性操縱器配置在所述離子源與靶標(biāo)部位之間，用于至少部分地修正離子束自離子束路徑的有害偏移。磁性操縱器可相對(duì)于離子光學(xué)元件的入口孔定位離子束。另一方面，所述束線包括一減速臺(tái)，其用于將離子束從第一傳送能量減速到第二傳送能量。所述減速臺(tái)包括兩個(gè)或兩個(gè)以上電極，其中至少一個(gè)電極為定位在離子束路徑中的柵極。
文檔編號(hào)H01J37/317GK1830054SQ200480021575
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2004年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月10日
發(fā)明者瑞爾·B·李伯特, 哈勒德·波辛, 詹姆士·貝福 申請(qǐng)人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備公司