CN101088138A - 离子注入机的加速－减速管的聚焦效应的弱化 - Google Patents

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Abstract

一种在减速模式过程中离子注入机的加速－减速管(240)的强聚焦效应的弱化装置及方法。该装置包括一管透镜(250)，围绕离子束(104)，并与加速－减速管(240)的减速透镜(260)相邻。该管透镜使离子束(104)在管透镜(250)的入口处散焦，从而减少由管产生的离子散焦问题。本发明也包括一加速－减速管以及与管透镜成为一体的离子注入机。在管透镜(250)中后续还可添加另外的减速抑制电极(270)，将电子限制在管透镜内。

Description

离子注入机的加速-减速管的聚焦效应的弱化
技术领域
本发明是有关于一种离子注入机(ion implanter)，且特别是有关于一种离子注入机的加速-减速管的强聚焦效应的弱化装置及其方法。
背景技术
增加使用低能束(low energy beam)的离子注入机的生产力一直是离子注入机领域中的一个问题。提高离子束的传输效率是一大家关注的领域。在任何离子束中，正电荷离子会排斥另一个，导致离子损失以及较差的离子束传输。请参考图1，图1说明了一种传统的离子注入机100。离子注入机100产生一离子束104并将其传输至一注入室(impl ant chamber)108中的一目标106上。离子注入机100包括一气流140；一离子源142，包括一源磁铁(source magnet)144以及一源偏压控制器(source bias voltagecontroller)146；一抑制电极(suppression electrode)148，一提取电极(extraction electrode)150；一个或多个操纵电极148、150的马达(未图示)；一过滤磁铁(filter magnet)151；一过滤解析孔隙(filterresolving aperture)152；一加速-减速管200；一分析器磁铁(analyzermagnet)156；一大容量裂缝(mass slit)160；一预扫描抑制电极162；水平扫描盘164；一后扫描抑制电极166；一氮气排放口168；一修正磁铁170；一限制孔隙172；以及一轮廓系统174。以上各部件由系统控制器120监控并对之回应。典型地，目标106包括安装在一圆筒(platen)114上的一个或更多的半导体晶片。
参考图2，离子束加速-减速管200在分析器磁铁156(图1)流量分析之前使离子束104加速或减速。最初，离子束104从一离子源142穿过提取电极150和过滤磁铁151而在过滤解析孔隙202处形成，其将大多数未选择的离子从离子束104(图1)中去除。由于在低能量情况下从离子源142直接获得具有高离子束电流的离子束比较困难，因此最初形成的离子束104具有高能量。因此，一传统的离子注入机100设计成在一相当高的源提取电压下工作，例如，大于40kV，赋予产生的离子一初始溯流速度(upstreamvelocity)。加速-减速管200应用不同的电位梯度赋予离子束其最终的速度，电位梯度根据离子通过时的模式产生使离子束104减速(如图2所示)或加速的电场。加速-减速管200包括终端电极204，将离子束104接入加速-减速管200内。接着，一聚焦电极206提供给离子束104一可调节的聚焦效应，聚焦电极206同样产生一电子穴(electron trap)，防止中性电子在减速模式过程中从位于减速区之前的束线(beam-line)区中被去除。接着，一接地电极208接收具有其最终能量的离子束104。在加速模式(未图示)中，在终端电极204和接地电极208之间产生的电场藉由在终端电极204上施加一正电压来形成一加速透镜，使离子束104的正电荷粒子能量增加并加速。以一负电压使加速-抑制电极210偏压，负电压在加速模式过程中抑制次级电子。在减速模式中，如图2所示，在终端电极204和接地电极208之间产生一电场藉由在终端电极204上施加一负电压来使离子束104中的正电荷粒子惰化(de-energize)并减速，从而形成一减速透镜。
如图2所示，由于加速-减速管200使离子束104减速，并降低其能量，因此加速-减速管200使离子束104快速聚焦。特别是，由于离子离开减速透镜，它们具有一大的会聚角度(convergent angle)，也就是说，它们会以一具有较大垂直速度分量的速度向内移动。较大的会聚角度导致离子束104其后具有较大的发散角度(divergent angle)，也就是说，离子将以同样大小的垂直速度分量向外移动，因此，加剧了分散的问题，并降低了低能量离子束的传输效率，即，当离子束从加速-减速管200射出时，离子损失并扩散。(离子束104经由一耦合元件212射出，耦合元件212使分析器磁铁滑动真空密封)。在离子束104中能量变化越大，聚焦更快，分散问题越严重。应该承认，如图2所示的离子束104包络(envelope)的二维图，聚焦取决于离子束104内的径向位置。也就是说，与电极210的内边缘越靠近，聚焦效应越强。
如上述，业内需要一种能够提高离子束传输效率的离子注入机的加速-减速管。
发明内容
本发明包括一种在一减速模式过程中，使离子注入机的加速-减速管的强聚焦效应弱化的装置及其方法。该装置包括一管透镜，围绕离子束，并与加速-减速管的减速透镜相邻。该管透镜使离子束在管透镜的入口处散焦，这减少由该管产生的离子散焦问题。本发明也包括一加速-减速管以及与管透镜成为一体的离子注入机。在管透镜中后续还可包括一另外的减速-抑制电极，将电子限制在管透镜内。
本发明的第一目的是提供一种离子注入机的离子束加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，该装置包括：一管透镜，围绕离子束，并与加速-减速管的减速透镜相邻。
本发明的第二目的是提供一种离子注入机的离子束加速-减速管，该加速-减速管包括：一使离子束减速的减速透镜，该减速透镜包括多个终端电极、一与终端电极相邻的聚焦电极以及一与该聚焦电极相邻的接地电极；以及一管透镜，围绕该离子束，并与该减速透镜相邻。
本发明的第三目的是提供一种离子注入机，包括：一离子源，产生一离子束；一加速-减速管，使该离子束加速或减速，该加速-减速管包括一减速透镜；一管透镜，围绕离子束并与减速透镜相邻；一管透镜下游的分析器磁铁；以及一注入室，容纳将要被离子束注入的目标。
本发明的第四目的是提供一种离子注入机的离子束加速-减速管的聚焦效应的弱化方法，该方法包括如下步骤：利用加速-减速管使离子束减速；以及，在使离子束散焦的减速步骤中，通过具有一负电势的管透镜传输该离子束。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
本发明的实施例将配合所附图式作详细说明，其中相同的指示代表相同的元件，其中：
图1是一种传统离子注入机的一俯视图。
图2是图1中的离子注入机的加速-减速管在减速模式中的横截面图。
图3是根据本发明一实施例的包括一管透镜的加速-减速管在减速模式中的横截面图。
图4是根据本发明又一实施例的包括一管透镜的加速-减速管在减速模式中的横截面图。
100：离子注入机        104：离子束
106：目标              108：注入室
114：圆筒              120：系统控制器
140：气流              142：离子源
144：源磁铁            146：源偏压控制器
148：抑制电极          150：提取电极
151：过滤磁铁          152：过滤解析孔隙
156：分析器磁铁        160：大容量裂缝
162：预扫描抑制电极    164：水准扫描盘
166：后扫描抑制电极    168：氮气排放口
170：修正磁铁          172：限制孔隙
174：轮廓系统          200：加速-减速管
202：过滤解析孔隙      204：终端电极
206：聚焦电极          208：接地电极
210：加速-抑制电极     212：耦合元件
240：加速-减速管       250：静电管透镜
252：固定座            254：开关
260：减速透镜          262：控制器
270：减速-抑制电极
具体实施方式
下面将参考图3具体说明根据本发明的一加速-减速管240。在下文中，加速-减速管(acceleration-deceleration column)240将称为“加速-减速管”(“accel-decel column”)。除了根据本发明的另外的静电管透镜(electrostatic tube lens)250以外，加速-减速管240具有与传统的加速-减速管相同的结构。虽然除了必要的地方之外并没有清楚的图示，但是各电极与一可控制的电源耦合连接。如图所示，管透镜250是一静电的、大体上圆柱形的管，其围绕离子束104并邻近(没有必要直接接触)减速透镜260，其中减速透镜260由终端电极(terminal electrode)204、聚焦电极(focus electrode)206、以及接地电极(ground electrode)208所形成。管透镜250包括一放射状延伸的固定座252，用来将管透镜250固定在加速-减速管240中的位置。如图3所示，管透镜250与加速-减速管200的加速-抑制电极(acceleration-suppression electrode)210不相接触。
如上述，加速-减速管200具有一使离子束104能量增加并加速的加速模式，以及一使离子束104能量降低并减速的减速模式(图示)。在加速模式(未图示)中，终端电极204被施加一正电压，因此终端电极204、聚焦电极206和接地电极208形成一加速透镜，此加速透镜提供一正的电位梯度(potential gradient)，离子束104通过电位梯度产生一电场，使离子束104中的带正电荷的粒子能量增加并使其加速。施加一负电压使加速-抑制电极210偏压，从而在加速模式过程中抑制次级电子。相反，在减速模式中，如图2所示，对终端电极204施加一负电压，因此终端电极204、聚焦电极206和接地电极208形成一减速透镜260，此减速透镜260提供一负的电位梯度，离子束104通过负的电位梯度产生一电场，使离子束104中的带正电荷的粒子能量降低并使其减速。减速可能是，例如，使能量从高于40kV减到低于40kV，低于40kV的为低能量束。如上述，离开减速透镜260的离子具有较大的会聚角度，即，这些离子会向内聚焦或移动。大的会聚角度导致离子后来具有较大的会聚角度，因此加剧发散问题，并降低低能束的传输效率。
管透镜250作为散焦透镜(defocusing lens)，在减速模式中逐渐弱化减速透镜260的聚焦效应。在加速-减速管200的减速模式中，如图3所示，对管透镜250施加一负电压，从而形成一散焦透镜。在减速模式中，通过一控制器262对加速-抑制电极210也施加一负电压。这样，在一实施例中，在减速模式中，管透镜250通过一开关254而与加速-抑制电极210电性耦接，但是并非必需。也就是说，管透镜250可以具有其自己的电源，可以更好地控制与加速-抑制电极210匹配的电势(potential maching)。
如图3所示，对管透镜250施加负电势，在接地电极210和管透镜250的入口处之间形成一电场。此电场具有向外的垂直分量，其降低离子的会聚角度，因此，当离子束104进入管透镜250时，在管透镜250的入口处，离子束104发生散焦。将管透镜250配置得足够长，从而能够在其长度内产生光散焦效应(optical defocusing effect)，也就是说，离子束104在离开管透镜250之前能够散焦并改变其形状。另外，管透镜250位于减速透镜260的聚焦效应最强的位置，即，正好在加速-抑制电极210之后。管透镜250的电压由控制器262控制(或者，如果管透镜250没有与加速-抑制电极210电性耦接，则由单独的控制器控制)，从而，调整(regulate)离子束104离开管透镜250时的尺寸和角度。
当加速-减速管200处于加速模式中时，管透镜250接地，因此对离子束104没有影响。在一实施例中，在加速模式过程中，管透镜250与一耦合元件212电性耦接，耦合元件212作为管透镜250的接地端，但这不是必需的。
参考图4，图4说明了本发明的另外一实施例。除了一另外的减速-抑制电极270直接位于管透镜250下游以外，此实施例与图3中的实施例十分相似。在此实施例中，在减速模式中，对加速-抑制电极210和减速-抑制电极270施加一比施加到管透镜250的电压更大的负电压。在加速-抑制电极210和管透镜250入口处之间以及减速-抑制电极270和管透镜250出口处之间所产生的电场产生电子穴，以将电子限制在管透镜之内，如此提高了管透镜250内的离子束104的空间电荷的中性化(space chargeneutralization)。与管透镜250的散焦效应相结合，这种电子限制使电子束在分析器磁铁156(见图1)中的传输损失降至最少。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (32)

1.一种离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其包括：
管透镜，围绕离子束，并与加速-减速管的减速透镜相邻。
2.根据权利要求1所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其中选择的管透镜的长度使离子束在其长度内散焦。
3.根据权利要求1所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其中加速-减速管具有使离子束加速的加速模式，以及使离子束减速的减速模式。
4.根据权利要求3所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其中在加速模式中，管透镜接地，因此管透镜对离子束没有影响。
5.根据权利要求3所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其中在减速模式中对管透镜施加负电压，因此该管透镜作为散焦透镜，使加速-减速管的聚焦效应逐渐弱化。
6.根据权利要求5所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其中在减速模式中，管透镜与加速-减速管的加速-抑制电极电性耦接。
7.根据权利要求1所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于更包括直接位于管透镜上游的加速-抑制电极以及直接位于管透镜下游的减速-抑制电极，
其中，在减速模式中，对加速-抑制电极和减速-抑制电极施加比施加到管透镜的电压更大的负电压，将电子限制在该管透镜内。
8.根据权利要求1所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其中所述的管透镜包括放射状延伸的固定座。
9.根据权利要求1所述的离子注入机中离子束的加速-减速管的聚焦效应的弱化装置，其特征在于其中减速透镜包括多个终端电极、聚焦电极以及接地电极。
10.一种离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于其包括：
使离子束减速的减速透镜，该减速透镜包括多个终端电极、与终端电极相邻的聚焦电极以及与该聚焦电极相邻的接地电极；以及
一管透镜，包围离子束，并与减速透镜相邻。
11.根据权利要求10所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于其中选择的管透镜的长度使离子束在其长度内散焦。
12.根据权利要求10所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于其中加速-减速管具有使离子束加速的加速模式，以及使离子束减速的减速模式。
13.根据权利要求12所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于其中在加速模式中，管透镜接地，因此管透镜对离子束没有影响。
14.根据权利要求12所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于其中在减速模式中对管透镜施加负电压，因此该管透镜作为散焦透镜，使加速-减速管的聚焦效应逐渐弱化。
15.根据权利要求14所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于其中在减速模式中，管透镜与加速-减速管的加速-抑制电极电性耦接。
16.根据权利要求10所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于更包括直接位于管透镜上游的加速-抑制电极以及直接位于管透镜下游的减速-抑制电极，
其中，在减速模式中，对加速-抑制电极和减速-抑制电极施加比施加到管透镜的电压更大的负电压，将电子限制在该管透镜内。
17.根据权利要求10所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于更包括耦合元件，与下游的分析器磁铁密封耦合。
18.根据权利要求10所述的离子注入机中离子束的加速-减速管，其特征在于其中所述的管透镜包括放射状延伸的固定座。
19.一种离子注入机，其特征在于其包括：
离子源，产生离子束；
加速-减速管，使离子束加速或减速，该加速-减速管包括减速透镜；
管透镜，围绕离子束并与减速透镜相邻；
位于管透镜下游的分析器磁铁；以及
注入室，容纳将要被离子束注入的目标。
20.根据权利要求19所述的离子注入机，其特征在于其中选择的管透镜的长度使离子束在其长度内散焦。
21.根据权利要求19所述的离子注入机，其特征在于其中加速-减速管具有使离子束加速的加速模式，以及使离子束减速的减速模式。
22.根据权利要求21所述的离子注入机，其特征在于其中在加速模式中，管透镜接地，因此管透镜对离子束没有影响。
23.根据权利要求21所述的离子注入机，其特征在于其中在减速模式中对管透镜施加负电压，因此该管透镜作为散焦透镜，使减速透镜的聚焦效应逐渐弱化。
24.根据权利要求23所述的离子注入机，其特征在于其中在减速模式中，管透镜与加速-减速管的加速-抑制电极电性耦接。
25.根据权利要求19所述的离子注入机，其特征在于更包括直接位于管透镜上游的加速-抑制电极以及直接位于管透镜下游的减速-抑制电极，
其中，在减速模式中，对加速-抑制电极和减速-抑制电极施加比施加到管透镜的电压更大的负电压，将电子限制在该管透镜内。
26.根据权利要求19所述的离子注入机，其特征在于其中所述的管透镜包括放射状延伸的固定座。
27.根据权利要求19所述的离子注入机，其特征在于其中在减速模式中，管透镜与加速-减速管的加速-抑制电极电性耦接。
28.一种离子注入机的离子束加速-减速管的聚焦效应的弱化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
利用加速-减速管使离子束减速；以及，
在使离子束散焦的减速过程中，通过具有负电势的管透镜传输该离子束。
29.根据权利要求28所述的离子注入机的离子束加速-减速管的聚焦效应的弱化方法，其特征在于更包括在减速步骤中，使管透镜与加速-减速管的加速-抑制电极电性耦接的步骤。
30.根据权利要求28所述的离子注入机的离子束加速-减速管的聚焦效应的弱化方法，其特征在于其中选择的管透镜的长度使离子束在其长度内散焦。
31.根据权利要求28所述的离子注入机的离子束加速-减速管的聚焦效应的弱化方法，其特征在于更包括如下步骤：
利用加速-减速管使离子束加速；以及
通过管透镜传输该离子束，在加速步骤中，该管透镜接地，因此管透镜对离子束没有影响。
32.根据权利要求28所述的离子注入机的离子束加速-减速管的聚焦效应的弱化方法，其特征在于更包括对直接位于管透镜上游的加速-抑制电极以及直接位于管透镜下游的减速-抑制电极施加比施加到管透镜的电压更大的负电压，将电子限制在该管透镜内。
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