CN101584017B - 离子注入机中束缚电子的技术 - Google Patents

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Abstract

揭示离子注入机中束缚电子的装置与方法。所述装置与方法包含：沿离子束路径(30)的至少一部分来定位的磁体的第一阵列(31)以及磁体的第二阵列(32)，所述第一阵列位于所述离子束路径的第一侧上且所述第二阵列位于所述离子束路径的第二侧上，所述第一侧与所述第二侧相反。所述第一阵列中的至少一磁体(302)可具有面向所述第二阵列中的相应磁体(302)的相反磁极的磁极，磁体的所述第一与第二阵列可在所述离子束路径中或附近共同产生勾形磁场以束缚电子。

Description

离子注入机中束缚电子的技术 
技术领域
本发明涉及离子注入(ion implantation)，且特别涉及离子注入机(ionimplanter)中束缚电子的技术。 
背景技术
离子注入机被广泛使用于半导体制造中，以选择性地改变材料的传导性。在典型的离子注入机中，将离子源(ion source)所产生的离子通过一系列束线组件(beamline component)而向下游传输，所述束线组件可包括一或多个分析器及/或校正器磁体(corrector magnet)以及多个电极。可使用分析器磁体来选择所要的离子种类，且滤除污染物或具有不合需要的能量的离子。可使用校正器磁体以在离子束(ion beam)到达目标晶圆之前操纵离子束的形状或以其他方式调节离子束品质。可使用适当定形的电极来修改离子束的能量以及形状。当离子束通过所述系列束线组件而传输之后，其可被引入终端站(end station)以执行离子注入。 
图1描绘现有离子注入机系统100。如同大多数的离子注入机，系统100设置在高真空环境(high-vacuum environment)中。离子注入机系统100可包含离子源102以及一系列束线组件，离子束10经过所述系列束线组件。所述系列束线组件可包括(例如)撷取操纵器(extraction manipulator)104、过滤器磁体(filter magnet)106、加速或减速柱(acceleration ordeceleration column)108、分析器磁体110、旋转质量隙缝(rotating massslit)112、扫描器114(scanner)以及校正器磁体116。与操纵光束的一系列光学透镜十分类似，离子注入机组件在将离子束10导向目标晶圆118之前，其过滤并聚焦离子束10。 
由于半导体工业持续缩小电子设备的特征尺寸，因此，为了达成浅掺质分布(shallow dopant profile)以及浅p-n接面(shallow p-n junction)，需要具有较低能量的离子束。同时，为了达到合理的产量，希望能保持相当高的离子束电流(beam current)。归因于空间电荷(space charge)所产生的局限性，可能难以在典型的离子注入机内传输此等低能量、高电流离子束。为防止正离子束“爆炸(blow-up)”，可引入诸如电子或负离子等带有负电荷的粒子来中和空间电荷。保持空间电荷中和的一种方式是对带有负电荷的粒子进行磁性束缚(magnetic confinement)。然而，现有的磁性束缚方法容易引入会导致离子束变形的额外磁场分量。 
举例而言，图2说明藉由永磁体(permanent magnet)202来束缚电子的现有方法。永磁体202可配置为两组，一组位于与离子束20相关的离子束路径(beam path)的上方，且另一组位于与离子束20相关的离子束路径的下方。利用电子吸附至磁场线且绕磁场线盘旋的趋势，永磁体202可将电子(或其他带电粒子)束缚在离子束路径中或附近的勾形磁场(cusp magneticfield)中。一般而言，永磁体202所产生的磁场强度弱到不会影响离子束20的传输。然而，值得注意的是，现有磁性束缚方法中的永磁体202通常配置成“极性对称”，也就是在离子束路径上，相同的磁极彼此相对。即，一组中的磁体的北磁极面向另一组中的相应磁体的北磁极。一组中的磁体的南磁极面向另一组中的相应磁体的南磁极。永磁体202的极性对称配置可在两组永磁体202之间的中间平面上产生非零磁场分量(Bz)。非零磁场分量Bz可导致离子束20中未完全沿着Z方向行进的任何部分在垂直(±Y)方向上发生偏斜，从而导致离子束20的垂直不对称(vertical asymmetries)。通常难以藉由其他束线组件来校正此等垂直不对称性。 
鉴于上文所述，需要提供一种在离子注入机中束缚电子的技术，以克服上文所述的不足以及缺点。 
发明内容
本文中揭示在离子注入机中束缚电子的技术。在一例示性实施例中，所述技术可实现为在离子注入机中束缚电子的装置。装置可包含：沿离子束路径的至少一部分来定位的磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列，第一阵列位于离子束路径的第一侧上且第二阵列位于离子束路径的第二侧上，第一侧与第二侧相反。第一阵列中的至少一磁体可具有面向第二阵列中的相应磁体的相反磁极的磁极。 
根据一例示性实施例，磁体的第一阵列与磁体的第二阵列可在离子束路径中或附近共同产生勾形磁场以束缚电子，其中勾形磁场的与第一阵列与第二阵列之间的中间平面相平行的分量小于勾形磁场的与中间平面相垂直的分量。可在第一阵列以及第二阵列中的每一者内交替磁体的磁极，以导致勾形磁场的与中间平面相垂直的分量具有交替的极性。 
根据一例示性实施例，磁体的第一阵列或第二阵列中的至少一者可为永磁体。 
根据一例示性实施例，第一阵列中的至少一磁体以及第二阵列中的相应磁体可沿离子束路径进行定向。或者，第一阵列中的至少一磁体以及第二阵列中的相应磁体可垂直于离子束路径。 
根据一例示性实施例，第一阵列中的至少一磁体以及第二阵列中的相应磁体可经设定形状以减小与离子束路径垂直且与第一阵列与第二阵列之间的中间平面平行的磁场分量。 
根据一例示性实施例，磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列中的至少一部分可以径向场型配置，以覆盖通过束线磁体对的离子束路径的部分。所述束线磁体对可为质量分析器(mass analyzer)的部分。或者，所述束线磁体对可为离子束准直仪(ion beam collimator)的部分。此外，径向配置的磁体中的至少一些可经弯曲以减小径向磁场分量。 
根据一例示性实施例，装置可还包含磁体的第三阵列以及磁体的相应第四阵列，其沿离子束路径的至少一部分的第三侧以及第四侧定位。装置也可 包含在离子束路径中或附近供应电子的电子源。 
在另一例示性实施例中，技术可实现为一种在离子注入机中束缚电子的方法。方法可包含：沿离子束路径的至少一部分来定位磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列，第一阵列位于离子束路径的第一侧上且第二阵列位于离子束路径的第二侧上，第一侧与第二侧相反。方法也可包含配置磁体以使得第一阵列中的至少一磁体具有面向第二阵列中的相应磁体的相反磁极的磁极。磁体的第一阵列与磁体的第二阵列可在离子束路径中或附近共同产生勾形磁场以束缚电子，其中勾形磁场的与第一阵列与第二阵列之间的中间平面相平行的分量小于勾形磁场的与中间平面相垂直的分量。 
根据一例示性实施例，方法可还包含在第一阵列以及第二阵列中的每一者内交替磁体的磁极以导致勾形磁场的与中间平面相垂直的分量具有交替的极性。 
根据一例示性实施例，磁体的第一阵列或第二阵列中的至少一者可为永磁体。 
根据一例示性实施例，可沿离子束路径对第一阵列中的至少一磁体以及第二阵列中的相应磁体进行定向。或者，第一阵列中的至少一磁体以及第二阵列中的相应磁体可垂直于离子束路径。 
根据一例示性实施例，方法可还包含设定第一阵列中的至少一磁体以及第二阵列中的相应磁体的形状以减小与离子束路径垂直且与中间平面平行的磁场分量。 
根据一例示性实施例，方法可又包含以径向场型来配置磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列中的至少一部分，以覆盖通过束线磁体对的离子束路径的部分。所述束线磁体对可为质量分析器或离子束准直仪的部分。径向配置的磁体中的至少一些可经弯曲以减小径向磁场分量。 
根据一例示性实施例，方法可还包含沿离子束路径的至少一部分的第三侧以及第四侧来定位磁体的第三阵列以及磁体的相应第四阵列。 
根据一例示性实施例，方法可还包含在离子束路径中或附近供应电子。 
在又一例示性实施例中，技术可实现为在离子注入机中束缚电子的装置。装置可包含沿离子束路径的至少一部分定位的磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列，第一阵列位于离子束路径的第一侧上且第二阵列 
位于离子束路径的第二侧上，第一侧与第二侧相反，其中磁体的第一阵列与磁体的第二阵列在离子束路径中或附近共同产生勾形磁场以束缚电子。第一阵列以及第二阵列中的每一磁体可经单独设定形状以减小与离子束路径垂直且与第一阵列与第二阵列之间的中间平面平行的磁场分量，以及其中磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列中的至少一部分以径向场型配置，以覆盖通过束线磁体的离子束路径的部分，且径向场型配置的磁体中的至少一些以相对于离子束轨道呈弯曲来减小径向磁场分量。 
现将参看附图所示的本揭示内容的例示性实施例来更为详细地描述本揭示内容。虽然下文中参看例示性实施例描述了本揭示内容，然而应了解，本揭示内容不限于此。得益于本文中的启示的一般本领域技术人员将认识到额外实施、修改以及实施例，以及其他使用领域，其属于本文所描述的本揭示内容的范畴内，且本揭示内容对于其可具有显著可用性。 
附图说明
为有助于更充分地理解本揭露内容，现参看附图，其中以相似数字来指代相似组件。不应将此等图式理解为限定本揭露内容，而仅希望为例示性的。 
图1展示现有离子注入机系统。 
图2说明藉由永磁体的极性对称配置来束缚电子的现有方法。 
图3展示根据本揭示内容的实施例的用于束缚电子的磁体的例示性配置。 
图4展示根据本揭示内容的实施例的用于束缚电子的磁体的另一例示性配置。 
图5说明根据本揭示内容的实施例的藉由径向勾形磁场来束缚电子的例示性方法。 
图6说明根据本揭示内容的实施例的藉由弯曲勾形磁场来束缚电子的例示性方法。 
图7展示根据本揭示内容的实施例的具有弯曲勾形磁场配置的一组束线磁体的透视图。 
具体实施方式
本揭示内容的实施例藉由提供在离子注入机中束缚电子或其他带电粒子的改良技术，来克服现有用于离子注入机中的磁性束缚方法的不足之处以及缺点。可使用磁体的轴向对称配置，以在不使离子束过度变形的情况下束缚电子，从而取代现有方法中所常用的磁体的极性对称配置。束缚磁体(confinement magnet)可经进一步定向以及设定形状以减小或消除使离子束变形的不当磁场分量。 
应注意，虽然下文中的描述将电子称作磁性束缚的主体，然而本揭示内容的实施例不限于电子，而是可用以束缚包括负离子以及正离子在内的其他带电粒子。下文中，若出于磁性束缚的目的来使用磁体(无论是永磁体还是其他磁体)，则所述磁体有时被称作“束缚磁体。” 
参看图3，其为根据本揭示内容的实施例的用于束缚电子的磁体的例示性配置。磁体302可配置为两个阵列，其中一阵列31位于离子束30的离子束路径的上方且另一阵列32位于所述离子束路径的下方。根据一些实施例，两个阵列可实质上相互平行。磁体302可为永磁体，其磁性定向与离子束30的传播方向大致对准。在每一阵列内，磁体302的极性可交替以使得可在两个阵列之间的空间中形成勾形磁场(即，在离子束30的离子束路径中或附近)。根据一些实施例，也可使用载流金属线圈(current-carrying metalcoil)来替代永磁体302，以在需要时产生勾形磁场。 
与多勾形磁性束缚的现有方法的一显著差别在于两个阵列31与32之间的对称性。两个阵列(31与32)以其之间的中间平面(mid-plane)为轴向对 称(axi-symmetry)比现有方法中所采用的极性对称(polar symmetry)更有利于保持离子束30的垂直对称(vertical symmetry)。即，磁体302的两个阵列可配置成横跨离子束路径为相反磁极彼此面对，而不是相同磁极面对相同磁极。举例而言，阵列31中的一磁体302的北磁极可面向阵列32中的相应磁体302的南磁极。由于此轴向对称配置，磁场分量Bz以及Bx在中间平面上处处为零(或小至可以忽略)。因此，离子束30可能存在少量或不存在垂直偏斜。另一方面，在位于离子束路径中或附近的不同Z位置上，垂直磁分量By可能不为零。然而，如图3所示，By的振荡(±)值可导致水平离子偏斜(在X-Z平面上)的集体效应相对较小。即使垂直磁分量By确实导致离子束30在水平方向上显著发散或变形，相较于垂直不对称性，这样的水平不对称性可容易地藉由(例如)静电或电磁透镜(electromagnetic lenses)而校正。 
图4为根据本揭示内容的一实施例的用于束缚电子的磁体的另一例示性配置。在此实施例中，同样的，沿着离子束40的离子束路径而将磁体402配置为两个阵列。与图3所示不同之处在于，每一磁体402可垂直而非水平定向，即，其连接北磁极与南磁极的中心线与离子束路径垂直。在每一阵列内，磁体402的极性可交替以产生勾形磁场。注意，磁体402的配置仍为轴向对称，也就是横跨离子束路径为相反磁极彼此相对。因此，在两个阵列之间的中间平面上，水平磁场分量可能小至可以忽略，因而离子束40发生少量或不发生垂直偏斜。 
上文所描述的磁体轴向对称的配置可应用于离子注入机内的离子束路径的任何部分。根据一些实施例，可用诸如校正器磁体及/或分析器磁体等的现有束线组件来实施磁体的此种轴向对称配置。 
图5说明根据本揭示内容的实施例的藉由径向勾形磁场(radial cusps)来束缚电子的例示性方法。在此实施例中，可沿通过点至平行(point-to-parallel)校正器的离子束路径来设置多个束缚磁体502。类似 于上文所述，可相对于两个阵列之间的中间平面呈轴向对称地将束缚磁体502沿离子束路径配置为两个阵列。为了方便说明，图5中仅展示束缚磁体502的一阵列以及一校正器磁体504。校正器磁体504可将离子束50自在第一方向上行进的发散离子束转换为在第二方向上行进的平行离子束。为了覆盖离子束50的轨道，可沿离子束路径置放束缚磁体502，且在离子束50转弯处，使束缚磁体502为径向定位。 
如上文所描述，磁体的轴向对称配置有助于减小离子束的垂直不对称性。若离子束为带状离子束且沿笔直的离子束路径行进，则束缚磁体可为直条且相互平行。如图5中已示，为了与穿过一对校正器磁体的弯曲的离子束轨道相符，每一阵列中的束缚磁体可不再相互平行，而可以径向场型来定向。对磁场分量对于离子束形状的影响做进一步的分析，可发现使磁场的径向分量最小化(即，使Br接近于零或小至可以忽略)的好处。为了最小化磁场的径向分量，束缚磁体可经单独设定形状以使每一磁体的中心线与磁体所在之处的离子轨道垂直。换言之，根据离子轨道，至少有一些束缚磁体可弯曲，或在由许多较小的磁体装配而成的情况下，可布置为弯曲场型。 
图6说明根据本揭示内容的实施例的用于藉由弯曲勾形磁场(curvedcusps)来束缚电子的例示性方法。类似于图5，仅展示了束缚磁体602的一阵列以及一校正器磁体604。为确保离子束60中的每一小离子束(beamlet)的轨道与其通过的每一磁体602垂直，束缚磁体602中的许多者可弯曲至不同程度。举例而言，沿离子轨道，束缚磁体602一开始为弯曲并定位为同心场型。当离子束60通过校正器时，离子束60的外部部分可比内部部分弯曲的程度大，因而束缚磁体602的一侧(外侧)须比另一侧(内侧)更为弯曲。当离子束60在通过校正器之后变为平行时，相应磁体602的弯曲程度可变得愈来愈小。 
图7展示根据本揭示内容的实施例的具有弯曲勾形磁场(curved cusps)配置的一组束线磁体的透视图。一组束线磁体704可为一对校正器磁体或一 对分析器磁体。为了清楚说明的目的，图7中仅展示了束缚磁体702的一阵列。如图所示，可沿着在束线磁体704之间通过的离子束70的离子束路径来定位束缚磁体。每一束缚磁体702可具有根据其所在位置的离子轨道而选择的特定曲率。沿离子束路径，磁体702的阵列可延伸而远远超出束线磁体704。此外，可经由束线磁体704中的至少一者或在沿着离子束路径的其他位置处将电子或等离子体注入离子束70中。 
虽然以上描述仅涉及使用两个束缚磁体阵列(即，一阵列位于离子束路径上方且另一阵列位于离子束路径下方)，然而本揭示内容的实施例不限于仅使用两个束缚磁体阵列。举例而言，除了图3中所说明的两个束缚磁体阵列以外，可沿离子束路径的任一侧定位两个额外的束缚磁体阵列。此两个额外的束缚磁体阵列可配置成极性对称或轴向对称。本揭示内容的范畴也不限于束缚磁体的垂直相对磁极。即，可将此两个阵列沿离子束路径的任一侧定位或以其他方式围绕离子束路径置放，而不是将两个束缚磁体阵列定位在离子束路径的上方以及下方。 
本揭示内容的范畴不由本文中所描述的特定实施例来限定。事实上，除了本文中所描述的实施例以外，一般本领域技术人员将根据以上描述以及附图而显见本揭示内容的其他多种实施例以及修改形式。因此，此等其他实施例以及修改形式皆属于本揭示内容的范畴内。此外，本文中是以在特定目的的特定环境下的特定实施例来描述本揭示内容，然而本领域技术人员应当理解，其实用性不限于此，且可在任意多种目的以及在任意多种环境下有利地实施本揭示内容。因此，应鉴于本文中所描述的本揭示内容的整个广度以及精神来理解本文中所提出的权利要求范围。 

Claims (19)

1.一种在离子注入机中束缚电子的装置，所述装置包含：
沿离子束路径的至少一部分定位的磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列，所述第一阵列位于所述离子束路径的第一侧上且所述第二阵列位于所述离子束路径的第二侧上，所述第一侧与所述第二侧相反；
其中所述第一阵列中的至少一磁体具有面向所述第二阵列中的相应磁体的相反磁极的磁极，以及其中磁体的所述第一阵列以及磁体的所述第二阵列中的至少一部分以径向场型配置，以覆盖通过一束线磁体的所述离子束路径的部分，且所述径向场型配置的磁体中的至少一些以相对于离子束轨道呈弯曲来减小径向磁场分量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中磁体的所述第一阵列与磁体的所述第二阵列在所述离子束路径中或附近共同产生勾形磁场以束缚电子，且其中所述勾形磁场的与所述第一阵列与所述第二阵列之间的中间平面相平行的分量小于所述勾形磁场的与所述中间平面相垂直的分量。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述磁体的磁极在所述第一阵列以及所述第二阵列中的每一者内被交替，使得所述勾形磁场的与所述中间平面相垂直的所述分量具有交替的极性。
4.根据权利要求1所述的装置，其中磁体的所述第一阵列与所述第二阵列中的至少一者为永磁体。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一阵列中的所述至少一磁体以及所述第二阵列中的所述相应磁体对准所述离子束路径。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一阵列中的所述至少一磁体以及所述第二阵列中的所述相应磁体垂直于所述离子束路径。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一阵列中的所述至少一磁体以及所述第二阵列中的所述相应磁体定形成可减小与所述离子束路径垂直且与所述第一阵列与所述第二阵列之间的中间平面平行的磁场分量。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述束线磁体为质量分析器的部分。 
9.根据要求要求1所述的装置，其中所述束线磁体为离子束准直仪的部分。
10.一种在离子注入机中束缚电子的方法，所述方法包含以下步骤：
沿离子束路径的至少一部分来定位磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列，所述第一阵列位于所述离子束路径的第一侧上且所述第二阵列位于所述离子束路径的第二侧上，所述第一侧与所述第二侧相反；
配置所述磁体，使得所述第一阵列中的至少一磁体具有面向所述第二阵列中的相应磁体的相反磁极的磁极；以及
其中磁体的所述第一阵列与磁体的所述第二阵列在所述离子束路径中或附近共同产生勾形磁场，以束缚电子，且其中所述勾形磁场的与所述第一阵列与所述第二阵列之间的中间平面相平行的分量小于所述勾形磁场的与所述中间平面相垂直的分量，以及其中磁体的所述第一阵列以及磁体的所述第二阵列中的至少一部分以径向场型配置，以覆盖通过一束线磁体的所述离子束路径的部分，且所述径向场型配置的磁体中的至少一些以相对于离子束轨道呈弯曲来减小径向磁场分量。
11.根据权利要求10所述的方法，其还包含：
在所述第一阵列以及所述第二阵列中的每一者内交替所述磁体的磁极，以导致所述勾形磁场的与所述中间平面相垂直的所述分量具有交替的极性。
12.根据权利要求10所述的方法，其中磁体的所述第一阵列与所述第二阵列中的至少一者包括永磁体。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一阵列中的所述至少一磁体以及所述第二阵列中的所述相应磁体对准所述离子束路径。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一阵列中的所述至少一磁体以及所述第二阵列中的所述相应磁体垂直于所述离子束路径。
15.根据权利要求10所述的方法，其还包含：
设定所述第一阵列中的所述至少一磁体以及所述第二阵列中的所述相应磁体的形状，以减小与所述离子束路径垂直且与所述中间平面平行的磁场分量。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述束线磁体为质量分析器的部分。
17.根据权利要求10所述的方法，其中所述束线磁体为离子束准直仪的部分。
18.根据权利要求10所述的方法，其还包含：
在所述离子束路径中或附近供应电子。
19.一种在离子注入机中束缚电子的装置，所述装置包含：
沿离子束路径的至少一部分定位的磁体的第一阵列以及磁体的第二阵列，所述第一阵列位于所述离子束路径的第一侧上，且所述第二阵列位于所述离子束路径的第二侧上，所述第一侧与所述第二侧相反，其中磁体的所述第一阵列与磁体的所述第二阵列在所述离子束路径中或附近共同产生勾形磁场以束缚电子；
其中所述第一阵列以及所述第二阵列中的每一磁体各自定形以减小与所述离子束路径垂直且与所述第一阵列与所述第二阵列之间的中间平面平行的磁场分量，以及其中磁体的所述第一阵列以及磁体的所述第二阵列中的至少一部分以径向场型配置，以覆盖通过束线磁体的所述离子束路径的部分，且所述径向场型配置的磁体中的至少一些以相对于离子束轨道呈弯曲来减小径向磁场分量。 
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