CN100583375C - 用于离子束的静电平行透镜 - Google Patents

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Abstract

一种用在离子束注入机上的透镜结构。该透镜结构包括沿离子运动方向间隔开的第一和第二电极。该透镜结构跨过离子束的宽度而在离子束路径的相对侧上延伸，以偏转进入该透镜结构的离子。该透镜结构包括用于减速离子的第一电极和用于加速离子的第二电极，以使进入透镜结构的离子以大约相同的离开轨道离开所述透镜结构，而与离子进入透镜结构时的轨道无关。在一种可选构造中，该透镜结构包括用于加速离子的第一电极和用于减速离子的第二电极。

Description

用于离子束的静电平行透镜
技术领域
本发明涉及离子束注入机，更特别涉及具有透镜的离子束注入机，组成离子束的离子穿过透镜以在离子和工件之间形成一受控撞击角度。
背景技术
本发明的受让人Axcelis Technologies公司销售用于在集成电路制造过程中处理硅晶片的产品。一种这样的产品或工具可产生离子束，该离子束能改变置于离子束内的晶片的物理性质。这种过程例如可用于对制成未处理晶片的硅进行掺杂，以形成半导体材料。在进行离子注入之前以及在晶片内形成不同掺杂图案的叠层之前，按受控方式用抗蚀材料进行掩模以制成适用于各种用途之一的集成电路。
现有技术中King等人的美国专利No.5177366和Dykstra等人的美国专利No.5091655讨论了使用两对静电扫描电极来产生平行离子束的方法。该’366号专利涉及一种离子束注入系统，其中当离子束通过由控制电路施加偏压的间隔平行板时，离子束可控地偏转出初始轨道。一旦偏转后，该离子束穿过沿离子束行进路径设置的电极，该电极不但再次偏转该已偏转的离子束，而且将离子加速至预期的最终能量。该离子束中的离子离开加速器，并且由于离子聚焦在一扫描平面以及一正交交叉平面内，而以相同的受控撞击角度撞击工件。
该’655号专利涉及一种离子束，当该离子束通过由控制电路施加偏压的间隔平行板时，该离子束可控地偏转出初始轨道。一旦偏转后，该离子束进入加速器，该加速器不但再次偏转该已偏转的离子束，而且将离子加速至预期的最终能量。当离子束离开加速器时，它沿着会撞击工件的轨道移动。组成离子束的离子均以相同的受控撞击角度撞击工件。
Nagai等人的题为“The Nissin NH-20SP medium-current ionimplanter”的印刷出版物描述了一种中度电流离子注入机。该注入机具有一对所谓的回扫(kickback)电极H2，其可补偿由一组初始电极所引入的逐侧扫描。施加到H1和H2电极的扫描电压波形是由数字波形发生器或波形控制器产生。
发明内容
一种离子注入机包括用于发射从源材料产生的离子的离子源，以及用于使离子离开该离子源的结构。扫描电极按照一控制方式逐侧扫描离子，以形成具有一宽度的离子束。透镜结构限定了离子经过的区域，以便在离子进入该透镜结构时将离子偏转出处于扫描电极下游处的初始轨道。
该透镜结构包括沿离子运动方向间隔开的第一和第二电极，该第一和第二电极跨过离子束的宽度而在离子束路径的相对侧上延伸，以偏转进入该透镜结构的离子。在该透镜结构的一个实施例中，离子首先遇到用于减速离子的第一电极，然后遇到用于加速离子的第二电极。这些电极的组合作用使得进入该透镜结构的离子以大约相同的离开轨道离开该透镜结构，而与离子进入该透镜结构时的轨道无关。在一种可选构造中，该透镜结构包括沿着离子束路径用于加速离子的第一电极，以及在第一电极下游处用于减速离子的第二电极。这种可选实施例也使得进入透镜结构的离子以大约相同的离开轨道离开该透镜结构，而与离子进入该透镜结构时的轨道无关。
下面参考附图更加详细地描述本发明的这些和其他目的、优点和特征，其中附图用于描述本发明的示例性实施例。
附图的简要说明
图1是应用本发明的离子注入机的总体示意图；
图2是用在本发明示例性实施例中的透镜结构的平面图；
图3是用在本发明可选示例性实施例中的可选透镜结构的平面图；
图4是图2透镜结构的剖面图，其示出了透镜结构的垂直聚焦效果。
本发明的示例性可选实施例
图1是离子注入机10的示意性描述，诸如由本发明受让人销售的Axcelis型MC-3中度电流离子注入机。这种离子注入机用于诸如硅晶片工件的离子束处理，以对那些晶片进行选择性掺杂。在这种离子注入机中，正离子在经过从离子源到离子注入机台的粒子束路径后撞击工件。尽管图1描述的该离子注入机10是中电流离子注入机，但是本发明也能使用其他类型的离子注入机，包括带有用于加速离子束中离子的直线加速器的高能离子注入机。
该离子注入机10包括离子源12，其用于发射由源材料产生的离子。典型的源材料是注入源室14中的气体，或是在源室中被气化以产生等离子体离子的固体。正如现有技术中众所周知的，该源12典型地包括引出电极，其使得离子沿着一离子束路径离开该室14而远离该源。
图1所描述的离子注入机10还包括质量区分磁体20，以使离子沿着处于离子源下游的离子行进路径而偏转出一轨道。在源12中产生相同离子的不同种类，且该磁体可区分这些种类。不合需要的质量的离子被该磁体过滤，使得离开该质量分析磁体20的离子是应用在工件的离子束处理中的单一种类离子。
该离子注入机10还包括离子束扫描结构30，其放置在质量区分磁体20之后以拦截离子，并按照一控制方式逐侧地扫描离子以形成具有一宽度的离子束。扫描电极30具有两个长约20厘米且间隔2.5厘米的扫描板。在这两个扫描电极的出口端，这种间隔向外扩张至约7.5厘米的间隔。受控幅度高达+/-20千伏的电压被施加到各个板所联接的适当放大器，以获得总量为40千伏的板间电压差。
在图2中更详细示出的透镜结构40设在这两个扫描电极的下游。该透镜结构40接受沿发散路径移动的离子，并偏转离子以便为离开透镜结构40的离子形成平行的离子轨道。正如图2和图3所示，该透镜结构限定了一区域42，离子在离开扫描电极30的区域之后进入该区域42。离子在进入透镜结构时沿着初始轨道移动，而由透镜结构40所建立的电场将离子从其初始轨道偏转到一最终轨道。
图2的透镜结构40包括沿离子运动方向间隔开的第一和第二电压间隙44和46。这些间隙由在第一间隙上的电极61和62与第二间隙上的电极63和64之间形成。这些电极具有槽状开口以允许粒子束通过。电极62和63在电性方面是相同结构的部件，并且处于由电源110确定的相同电位。电极61和64可以处于接地电位。在该示例性实施例中，电极由铝构成。图2中示出了x-y坐标系统以帮助描述透镜结构的构造。每个电极都在中央离子束路径48的相对侧的y方向上延伸，并跨过扫描离子束的宽度。在所述实施例中，每个电极都在扫描平面(即纸张平面)上方和下方的z方向上延伸。电极里的槽状开口(z方向窄而y方向宽)允许扫描离子束穿过这四个电极。电极61至64关于离子束中心线48对称。图2的透镜结构包括使离子减速的第一间隙44和使离子加速的第二间隙46。这四个电极所建立的电场的组合作用使得进入透镜结构40的离子以这样的方式离开该透镜结构，即所有轨道都基本上平行于该中心线48。
图3的透镜结构40’包括沿离子运动方向间隔开的第一和第二电压间隙44’和46’。每个间隙在离子束路径的相对侧延伸并跨过该离子束的宽度，以偏转进入透镜结构的离子。图3的透镜结构包括用于加速离子的第一间隙44’和用于减速离子的第二间隙46’。在该实施例中，离子束中的离子在遇到激励电极之后经过间隙44’的接地电极，以便在正x方向上具有产生正电场(用于加速离子)的部件。若入射轨道起始于扫描顶点的近似位置，则由这两个间隙建立的电场的组合作用使得进入透镜结构40的离子近似平行于中心线48而离开该透镜结构。
在离开图2和图3的透镜结构40、40’之后，组成离子束的离子以基本平行的方向移动，并进入离子注入室50。封装在离子注入室50里的是晶片支架52。晶片借助装载锁(load lock)54插入室52中。在室50的外部，晶片由机械臂56操作，该机械臂从存储盒58中抽取未处理的晶片，并将处理过的晶片返送到第二盒60，或者可替代地将已处理的晶片返送到与取出时相同的盒。
在图2的实施例中，第一电极或入口电极为进入该透镜结构的离子产生第一区域的电场。该入口电极从进入透镜的离子区域观察是凹入的。第二电极或出口电极为已经穿过入口电极的离子产生第二电场。该出口电极从入口电极包围的区域观察是凸出的。
该透镜结构40能改变离子离开该结构的角度而不会改变离子束能量。每个电极62和63联接到共同的电源110，该电源110具有联接到导体112和114的输出端，这些导体穿过相对于离子束而支撑电极62和63的绝缘体116和118，并且联接到电极62和63上以便电激励该电极。借助由低于150千伏的电源所施加的直流信号，该透镜结构40能够来校正经扫描的600keV的离子束的扫描角度。在本发明的示例性实施例中，从扫描结构的中心到第一或入口电极的距离大约是97厘米。两个间隙44、46的形状粗略地为抛物线形，且接近于2*S焦距的两个薄透镜的形状，其中S是到扫描顶点的距离，在这个例子中对第一电极62而言S是97厘米。由电极61、62和63、64构成的减速和加速间隙的理想形状依电场和轨道的静电模型而定，以获得最佳的离子束方向校正。在每个间隙中沿离子束中心线的电极间隔大约为5厘米的，而在中心线上电极62和63之间的间隔大约为10厘米。
117千伏的透镜电极电压适合于600keV的离子束。对减速间隙而言，Ep＝Ein-R*Ein，其中Ep是在间隙之间的能量，R*Ein是穿过该间隙后的能量变化，在本例中R＝0.195＝117/600。对加速间隙而言，Ein＝Ep+R*Ein。从交汇于电极61前缘的点到电极64的后缘而经过该透镜结构的路径长度在25到43厘米之间改变，这取决于离子束内的离子的y方向位置。z方向上由电极构成的垂直开口约5厘米。在扫描板和透镜结构的进入端和输出端上需要抑制器(未示出)，以使施加在这些装置上的正电位不会从离子束中取走电子，这将导致增强的空间电荷效应。
在图3的实施例中，第一电极或入口电极62与接地电极61组合起来为进入该透镜结构的离子产生第一区域的电场。从进入透镜的离子的区域观察，该进入电极是凸出的。第二电极63或出口电极为已经穿过入口电极的离子产生第二区域的电场。从入口电极所包围的区域观察，该出口电极是凹入的。
应当注意，有可能利用两个或更多串连的如图2或图3的组件，以便在每个间隙处以较小的校正(用该间隙上较小的电压)来实现角度校正，从而在透镜结构上用适度电压上为较高能量离子束实现平行轨道。
也应该注意，当离子束穿过这些电极时，它将由于电极的边缘场而聚焦在正交于扫描平面的平面中。参考图4。该焦距由间隙上相对于离子束能量的电压、开口的高度(z方向上)、间隙的宽度(沿行进方向，x方向)来决定。该结构的静电模型能用于实现垂直聚焦，这在透镜后所有的y向位置处都是大约相同的。也应该注意，对于电极61、62和63、64基本彼此平行的间隙来说，也会产生垂直聚焦。这将为扫描离子束或带状离子束形成具有垂直聚焦的透镜。
两个可选实施例的每个都是用两个激励电极和两个接地电极来描述，这些电极沿离子束的行进路径放置，以构成供离子穿过的加速和减速间隙。也可能使用更多较低电压的电极来形成两个以上的间隙。因此，例如该结构可以这样实现，即，由一较低电压的电极限定一加速间隙，沿该离子束路径而紧随其后的是限定了一减速间隙的电极，随后是第二加速间隙，再后为第二减速间隙，这些间隙是用具有类似抛物线形状的适当电极来实现。在此虽然按照某种程度的特性来描述本发明的示例性实施例，然而本发明意欲涵盖落入所附权利要求的精神或范围内的对所公开示例性设计进行的所有变型和改造。

Claims (20)

1.一种离子注入装置，包括：
离子源，用于发射从源材料产生的离子；
质量区分磁体，用于使离子沿着处于离子源下游的离子行进路径而偏转出一轨道；
扫描电极，其放置在质量区分磁体之后以拦截离子，以便按照一控制方式逐侧扫描离子以形成具有一宽度的离子束；以及
透镜结构，其限定了离子经过的区域，以便在离子进入该透镜结构时将离子偏转出初始轨道，该初始轨道是沿着离子行进路径处于扫描电极下游；所述透镜结构包括沿离子运动方向间隔开的第一和第二电极，该第一和第二电极跨过离子束的宽度而在离子束路径的相对侧上延伸，以偏转进入该透镜结构的离子；所述透镜结构包括一个用于加速离子的电极和一个用于减速所述离子的电极，使得进入透镜结构的离子以大约相同的离开轨道离开所述透镜结构，而与离子进入透镜结构的轨道无关。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括电源，其施加静电压给第一和第二电极中的每一个。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，该电源给第一和第二电极中的每一个供应相同的电压。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，第一电极包括用于为进入该透镜结构的离子产生第一区域电场的入口电极，并且其中，从进入该透镜的离子区域观察时，该入口电极是凹入的，再其中，所述第二电极包括用于为已经穿过入口电极的离子产生第二区域电场的出口电极，并且其中，从入口电极所包围的区域观察时，该出口电极是凸出的。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，第一电极包括用于为进入该透镜结构的离子产生第一区域电场的入口电极，并且其中，从进入该透镜的离子区域观察时，该入口电极是凸出的，再其中，所述第二电极包括用于为已经穿过入口电极的离子产生第二区域电场的出口电极，并且其中，从入口电极所包围的区域观察时，该出口电极是凹入的。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，沿离子束路径运动的离子所遇到的第一电极是加速电极，而该离子所遇到的第二电极是减速电极。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，沿离子束路径运动的离子所遇到的第一电极是减速电极，而该离子所遇到的第二电极是加速电极。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，该第一和第二电极相对于与第一和第二电极间隔开的第一和第二固定的低电位的电极而设置，以产生限定了间隙的第一和第二电场，离子穿过该间隙移动。
9.一种透镜结构，其用在具有离子束的离子注入机上，该离子束在处理工件之前先被逐侧偏转，该透镜结构限定了离子经过的区域，以便在离子进入该透镜结构时将离子偏转出初始轨道；所述透镜结构包括沿离子运动方向间隔开的第一激励电极和第二激励电极，该第一和第二激励电极跨过离子束的宽度而在离子束路径的相对侧上延伸，以偏转进入该透镜结构的离子；其中，所述第一激励电极和第二激励电极中的一个电极加速离子，所述第一激励电极和第二激励电极中的另一个电极减速所述离子，使得进入透镜结构的离子以大约相同的离开轨道离开所述透镜结构，而与离子进入透镜结构的轨道无关。
10.根据权利要求9所述的透镜结构，还包括第一和第二参考电极，该第一和第二参考电极保持在比第一和第二激励电极低的电位，并且与该激励电极间隔开，以产生限定了间隙的电场。
11.根据权利要求9所述的透镜结构，包括电源，其用于将第一激励电极和第二激励电极激励到相同的电位。
12.一种用于形成在离子注入机上使用的离子束的方法，包括：
将源材料所产生出的离子加速，以形成离子束；
按照一控制方式逐侧扫描所述离子束中的离子，以形成具有一宽度的薄离子束；以及
通过沿离子运动方向间隔设置第一和第二激励电极以形成一透镜，并且激励该电极从而产生电场来偏转进入偏转区域的离子，使得组成薄离子束的离子进入该偏转区域时被偏转出初始轨道；其中，由所述第一和第二激励电极中的一个电极产生的电场加速离子，由所述第一和第二激励电极中的另一个电极产生的电场减速离子，使得进入该偏转区域的离子以大约相同的离开轨道离开所述偏转区域，而与离子进入该偏转区域的初始轨道无关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，第一和第二激励电极在跨过薄离子束的宽度的方向上是弯曲的，以产生跨过所述离子束宽度的非均匀电场。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括相对于每个所述第一和第二激励电极设置的第一和第二参考电极，以产生间隙，该间隙在离子移动经过间隙时加速或减速离子。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，第一和第二激励电极被激励到相同的静电位，以在所述间隙中产生加速和减速电场。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，第一和第二激励电极与第一和第二参考电极之间的相对偏压是受控制的，使得离子在所述间隙中首先经历一加速过程，随后又经历一减速过程。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，第一和第二激励电极与第一和第二参考电极之间的相对偏压是受控制的，以便离子在所述间隙中首先经历一减速过程，随后又经历一加速过程。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括沿离子束路径设置另外的激励电极，以在离子束中加速和减速离子。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，每个第一、第二和另外的激励电极都具有相关参考电极，这限定了离子通过的相关间隙。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，就离子束而言，该另外的激励电极的构造与第一和第二激励电极相同，以提供多个成组构造的透镜部分，并且其中，耦合到该另外的激励电极以及第一和第二激励电极的激励电压比仅仅具有所述第一和第二激励电极的单个透镜部分所需的电压水平降低了。
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