CN101849275A - 用于离子束注入机的等离子体电子流 - Google Patents

Abstract

一种等离子体电子流系统，包括构造为包含气体的壳体，并包括位于其中的细长引出缝、阴极和多个阳极，并且其中所述细长引出缝与离子注入机直接连通，所述阴极丝发射电子，所述电子通过所述阴极和多个阳极之间的电势差被吸引至所述多个阳极，其中所述电子通过所述细长引出缝被释放，作为电子带用于中和在离子注入机内行进的带状离子束。

Description

用于离子束注入机的等离子体电子流

技术领域

本发明整体上涉及离子注入系统，更具体地涉及在离子注入系统中所利用的离子束的均匀的电荷中和。

背景技术

离子注入系统用来在集成电路制造中用杂质掺杂半导体。在这种系统中，离子源使期望的掺杂元素离子化，该期望的掺杂元素被以具有期望能量的离子束的形式从该离子源引出。随后离子束被引向半导体工件的表面，以用掺杂元素注入该工件。例如在该工件或晶片中制造晶体管器件时，束的离子穿过工件的表面，用于形成具有期望电导率的区域。典型地注入工艺在高真空工艺腔中进行，该高真空工艺腔防止由与残留气体分子的碰撞引起的离子束的分散，并最小化由空中的粒子造成的对工件的污染的风险。典型的离子注入机包括用于产生离子束的离子源、包括用于采用磁场对离子束进行质量分辨的质量分析装置的线束系统、以及包含将要由离子束注入的半导体工件的靶腔。对于高能注入系统，加速装置设置在质量分析磁铁和靶腔之间，用于将离子加速到高能量。

为了获得用于给定应用的期望的离子注入，可以改变被注入离子的剂量和能量。所运送的离子剂量控制了对于给定的半导体材料的被注入的离子的浓度。

典型地，大电流注入机用于高剂量注入，而中等电流注入机用于小剂量应用。离子能量用来控制半导体器件中的结深度，其中束离子的能级决定了被注入离子的深度的程度。半导体器件越来越小的持续的趋势需要用于以低能量运送大束电流的线束构造。大束电流提供了必需的剂量水平，而低能量允许浅的注入。此外，半导体工件上的器件密度不断变高的持续趋势要求细致地控制跨过工件所扫描的注入束的均匀性。

在对具有由栅氧化层与体半导体隔离的电极的半导体晶片进行离子注入期间，一个效应是由束离子的电荷引起对隔离特征的充电。如果隔离特征(例如栅电极)的电压超过隔离体(例如栅氧化层)的击穿电压使得发生对栅氧化层的最终的损坏，那么通常称为充电的这种效应可能对半导体电路是有害的。可以认识到，充电率和电压随着束电流增加而增加，并且具有不断增加的束电流的离子注入呈现出了不断增加的加工挑战。

为了抵制充电问题，通过向将要注入的工件提供相反符号的电荷，可以补偿离子束的充电。对于正离子束，一般惯例是向工件提供等于每单位时间的离子量的量的电子(即对于工件使离子束电流与相等的电子电流相匹配)。通常这会通过诸如热电子发射、二次发射或放电的电子产生过程由产生电子的装置来实现，并将电子直接引向工件。这些装置通常为指定的电子枪、二次电子流、等离子体电子流等。

另一种持续的趋势是朝向更大的半导体工件尺寸，如300mm直径的晶片。与较高的器件密度一起，更大的工件尺寸增加了单个工件的成本。结果，为了避免或降低与废弃工件相关的成本，相对于离子束和其它参数，对注入均匀性的控制比以往更关键。根据离子源引出口和例如包括质量分析装置、分辨孔、四极磁铁和离子加速器的随后的成形设备使离子束成形，通过其将离子束提供至目标工件或晶片。束和/或目标工件被彼此相对平移，以实现工件的离子束扫描。

另一种用来限制离子束中的束放大的技术是利用被释放到离子束中的电子进行的均匀电荷中和。关于电荷降低，电子放电装置通常涉及利用电离过程形成电子、激发这些电子并使它们与气体碰撞。激发可以由直流电场(例如用于直流电弧放电)或随时间变化的电场(例如用于交流电弧放电、射频放电、微波放电等)来进行。所使用的放电类型通常基于所期望的电特性(例如密度分布、所达到的密度等)。而且，微波和射频放电(例如射频等离子体电子流)可以调整尺寸成大体积，但设法维持更复杂且昂贵，从而要求匹配电路和昂贵的高频发电(power generation)。

图1-3、4A、4B和5-7显示出在美国公开专利2006/0113492中所描述的现有技术的晶片电荷补偿装置。在该例子中，这种现有技术的装置在束处理系统中特别适用于单晶片离子注入系统，其中每个采用带电的粒子束。图1和2分别为示出单晶片离子注入系统的示意性结构的平面视图和侧视图。

图示的现有技术的离子注入系统包括离子源单元11(包括离子源和引出电极)、质量分析磁铁装置12、束成形装置13、用于扫描的偏转装置14、P(即使平行化的)透镜15、加速/减速电极16、偏转能量过滤器17和工艺腔18。

在这种现有技术的离子注入系统中，离子源单元11中所产生的离子通过引出电极(未图示)引出，作为离子束(以下称为“束”)。引出束在质量分析磁铁装置12中经受质量分析，以便仅选择需要的离子种类用于注入。仅由需要的离子种类构成的束由束成形装置13在截面上进行成形。束成形装置13由Q型(四分体或四极)透镜等形成。具有成形的横截面的束由用于扫描的偏转装置14沿图1的向上/向下方向偏转。偏转装置14具有至少一个上游屏蔽电极14-1和至少一个下游屏蔽电极14-2，它们分别设置在偏转装置14的上游侧和下游侧且靠近偏转装置14。虽然在该实施例中偏转扫描电极用作进行扫描的偏转装置14，但是可以用偏转扫描磁铁来代替它们。

由电极或磁铁形成的P透镜15使由用于扫描的偏转装置14偏转的束平行化，以平行于0度偏转角的轴线。在图1中，通过由偏转装置14往复摆动束的扫描范围由粗黑线和双虚线表示。来自P透镜15的束由一个或更多的加速/减速电极16加速或减速，并发送至偏转能量过滤器17。偏转能量过滤器17进行对束的能量分析，从而仅选择具有需要能量的离子种类。如图2所示，仅所选择的离子种类在偏转能量过滤器17中被稍微向下偏转。仅由所选择的离子种类构成的束注入到晶片19中，所述晶片为被引入工艺腔18中的将要被照射的目标。从工件19偏离的束入射到设置在工艺腔18中的束停止器18-1上，以便消耗掉其能量。束的传输路径都保持在高真空状态中。

在图1中，邻近晶片19所示出的箭头表示束沿这些箭头方向偏转，用于扫描，而在图2中邻近晶片19所示出的箭头表示晶片19沿这些箭头的方向移动。具体地，假设束例如沿x-轴方向往复偏转用于扫描，则晶片19由驱动机构(未示出)驱动，以沿垂直于x-轴方向的y-轴方向往复运动。这使得能够由束在晶片19的整个表面上进行照射。

以上述方式，在图1和2中示出的现有技术的离子注入系统中，具有在一个方向很长的椭圆或卵形连续横截面的束可以通过下述方式获得，即偏转具有圆形横截面或椭圆或卵形横截面的束，且随后使用用作后期能量分析装置的偏转能量过滤器在其扫描区域中的任何位置以均一的角度弯曲；最后将束注入到晶片19中。

根据这种现有技术的电荷补偿装置30设置在偏转装置14的下游侧上，且具体地设置在偏转能量过滤器17的下游侧。电荷补偿装置也称为等离子体淋浴装置。电荷补偿装置30位于图1和2中的工艺腔18的外面，但可以位于工艺腔18的内部。

参照现有技术的图3、4A和4B，将描述现有技术的离子源或电荷补偿装置30。现有技术的电荷补偿装置30包括设置有丝31、气体引入口32和一个或更多的第一引出孔33的第一电弧腔34、以及第二电弧腔35。第二电弧腔35具有第二引出孔36，并连接至管状或中空圆筒形或矩形构件(流箱体)40，使得第二引出孔36暴露至中空圆筒形或矩形构件40的内部空间50，并面向扫描区域的往复摆动束。中空圆筒形或矩形构件40可以为位于工艺腔(未示出)入口侧上的工艺腔的一部分，或者可以设置在工艺腔中。在任何情况中，第二电弧腔35具有大约延伸超过中空圆筒形或矩形构件40的整个宽度的长度。

在图5中，符号SA表示在中空圆筒形或矩形构件40中由束进行的扫描范围或区域50(偏转范围或区域)。在这种实施例中，第二引出孔36由在扫描区域SA中的沿第二电弧腔35的长度方向间隔设置的多个孔36实现。

可替换地，第二引出孔36可以由延伸超过扫描区域SA的单个缝实现。在多个孔或单个缝的情况中，第二引出孔36的开口分布或形状被构造为对应于第二电弧腔35中的第二等离子体密度分布。也就是说，期望是开口密度在等离子体密度低的部分处高，而开口密度在等离子体密度高的部分处低。具体地，当第二引出孔36由多个孔实现时，孔的间距在等离子体密度低的部分处被缩短，孔的间距在等离子体密度高的部分处被增加。另一方面，当第二引出孔36由单个缝实现时，缝的宽度在等离子体密度低的部分处被增加，缝隙的宽度在等离子体密度高的部分处被减小。

第一电弧腔34连接至第二电弧腔35的壁上，使得第一引出孔33在靠近第二电弧腔35的长度方向的中间部分的位置处暴露于第二电弧腔35或朝向第二电弧腔35打开。在第一电弧腔34和第二电弧腔35之间的边界部分处，设置有在对应于第一引出孔33的位置处具有孔的第一引出电极37。然而，可以省略第一引出电极37。在这种情况中，随后将要描述的第二电弧电压在第一电弧腔34和第二电弧腔35之间被供给，用于在第二电弧腔35中产生第二等离子体。

多个永磁铁38设置在第二电弧腔35的除分别设置第一电弧腔34和第二引出孔36的区域外的壁表面上。也就是说，永磁铁38间隔设置在第二电弧腔35的上下壁表面、左右壁表面和两侧端壁表面中的每一个上。永磁铁38用来在第二电弧腔35中形成约束磁场(用于约束的尖端磁场)。因此，所有的永磁铁38都设置成，它们的磁极指向第二电弧腔35的内部并且相邻的永磁铁38的磁极彼此相反。在图5中，形成约束磁场的磁通量由箭头部分地示出。

图6和7示出了位于第二电弧腔35的两侧端壁表面中的一个上的永磁铁38的配置。在此处，由于端壁表面的形状为正方形，具有不同尺寸的多个正方形框形状的永磁铁38同心设置，并且正方形永磁铁38设置在最内侧框形状的永磁铁38中。这些永磁铁38还被设置成，它们的磁极指向第二电弧腔35的内部，并且相邻的永磁铁38的磁极彼此相反。永磁铁38可以具有另外的多边形形状，包括三角形。如果端壁表面的形状为圆形，则永磁铁38可以具有环形形状。

注意到第一电弧腔34和第二电弧腔35由电弧腔支撑件39(图3)支撑。电力通过连接至电弧腔支撑件39的丝馈给装置41供给至丝31。在图1和2中，电荷补偿装置30设置在束被稍微向下偏转的位置处。另一方面，在图5中，中空圆筒形或矩形构件40图示为处于水平状态。为了如图1和2所示的那样设置电荷补偿装置30，整个装置被倾斜，以匹配束的偏转角度。

诸如氩之类的气体通过气体引入口32被引入到第一电弧腔34。电力从丝电源42供给至设置在第一电弧腔34中的丝31，以将丝31加热至高温，由此经由热电子发射产生电子。热电子发射的电子由来自第一电弧电源43的在丝31和第一电弧腔34之间供给的第一电弧电压加速。加速的电子与引入的气体碰撞，以便在第一电弧腔34中产生第一等离子体。第一电弧腔34设置有一个或更多的第一引出孔33，并且第一引出电极37设置在其外部。通过从第一引出电源44在第一引出电极37和第一电弧腔34之间供给第一引出电压，第一电子被从第一电弧腔34引出。

具有对应于扫描区域SA的长度的第二电弧腔35引入在第一电弧腔34中未电离的从第一引出孔33射出的中性气体和从第一电弧腔34引出的第一电子。即使丝31的材料由于蒸发等被散射，这是因为第一引出孔33的尺寸小，被散射的材料保留在第一电弧腔34内，且因此未被引入第二电弧腔35中。

引入第二电弧腔35的第一电子由来自第二电弧电源45的在第二电弧腔35和第一引出电极37之间供给的第二电弧电压加速。被加速的电子与从第一电弧腔34引入的气体碰撞，以便在第二电弧腔35中产生密集的第二等离子体。

由于多个永磁铁38设置在第二电弧腔35的壁表面上用于形成约束磁场，因此可以抑制电子在这些壁表面上的损耗，并改善第二电弧腔35中的沿扫描方向的等离子体的均匀性。

为了将永磁铁38的温度保持低于它们的居里温度，即防止永磁铁38的热退磁，第二电弧腔35由水冷等来冷却。第二电弧腔35在朝向束经过区域的位置处设置有第二引出孔36。在这个实施例中，如前所述，第二引出孔36为对应于束的扫描区域SA设置的多个孔的形式。可替换地，第二引出孔36可以由前面已经描述的、延伸超过扫描区域SA的单个缝的形式的开口实现。第二电弧腔35构造为，除了第二引出孔36之外，不允许气体从其它地方泄露，由此防止第二电弧腔35内的气压下降，以增强等离子体的产生效率。

当束经过第二引出孔36的附近区域时，第二电子被束的正电位从第二电弧腔35引出。引出的第二电子与在第一电弧腔34和第二电弧腔35中未电离的从第二引出孔36射出的中性气体碰撞。结果，在束(往复摆动束)和第二电弧腔35(精确地讲是第二引出孔36)之间形成等离子体(等离子体桥)。第二电弧腔35中的第二电子通过等离子体桥自发供给至束。由于第二引出孔36设置于对应于扫描区域SA的区域中，即使束的位置为了扫描而通过偏转移动，也在束和第二电弧腔35之间恒定地形成等离子体桥，由此实现自发的电子供给。第二电弧腔35被构造，以便被供给有来自第二引出电源46的在它本身和接地电位之间的第二引出电压。采用这种结构，可以调整供给至束的电子的量和能量。

可以测量第二电弧电源45和第二引出电源46之间的电流值(电弧电流)，并反馈，以便控制电力供给，用于实现恒定的电弧电流。

第二引出孔36和束进行的扫描区域的附近由中空圆筒形或矩形构件40覆盖。中空圆筒形或矩形构件40的电位可以设置为与第二电弧腔35的电位不同，以能够调整从第二电弧腔35引出并供给至晶片的第二电子的量，或者可以设置为等于第二电弧腔35的电位，以实现简单的结构。

中空圆筒形或矩形构件40的内壁50(与束接触的表面)形成为锯齿状，由此防止绝缘污点粘附到内壁的整个表面上。而且，设置在中空圆筒形或矩形构件40的束上游侧的是偏压电极48，其可以施加有来自偏压电源47的负电压。这使得可以防止束上游方向的电子的扩散，并有效地将电子向下游侧(向晶片)运送。中空圆筒形或矩形构件40还设置有磁屏蔽，由此屏蔽外部磁场，例如来自偏转能量过滤器17的磁场。这是因为当外部磁场强时，电子环绕其磁场线吹动，使得电子在到达晶片之前被损失掉。

在前述结构的情况下，第二引出孔36设置于对应于扫描区域SA的区域中。因此，当等离子体在第二电弧腔35中被产生时，即使束的位置为了扫描而通过偏转移动，也在束和第二电弧腔35之间恒定地形成等离子体桥，由此进行均衡的电子供给。此外，由于约束磁场在第二电弧腔35内产生，电子在第二电弧腔35的内壁表面上的损失被减少。这使得可以改善第二电弧腔35内的等离子体的均匀性和等离子体的产生效率，由此某种程度上不管束的扫描位置而能够将电子有效地供给至束。

然而，这种等离子体源配置依赖于扩散，并且不能保证在第二电弧腔的等离子体具有相等的等离子体特性；由于磁铁的使用和配置以及设计细节，它还可能是相对昂贵的。因此，期望提供充电防护和改善的均匀的电荷中和装置和方法，由此可以提供用于注入半导体工件的均匀的离子束，其成本低且不难制造。

发明内容

以下呈现出简化的概要，以提供对本发明的一个或更多的方面的基本理解。这种概要不是对本发明的详尽概括，并且不是要识别本发明的主要或关键元件，也不是要描绘本发明的范围。更确切地说，概要的主要目的是以简化的形式提出本发明的一些概念，作为随后呈现的更详细的描述的前序。本发明涉及用于采用离子束注入工件的方法和设备，由其可以克服或减轻与现有技术相关的上述和其它不足。特别地，本发明提供了一种注入系统，其中相对宽的离子束(如带状束或扫描成时间平均的带状束的笔束)由离子源产生，其随后被带电电荷中和。

根据本发明的一个方面，一种等离子体电子流系统，包括具有放电腔的壳体，所述放电腔被构造为包含气体，并且等离子体电子流系统包括位于其中的细长引出缝、阴极和多个阳极。所述细长引出缝与离子注入系统直接连通，其中所述阴极发射电子，所述电子通过所述阴极和多个阳极之间的电势差被吸引到所述多个阳极上。一部分发射的电子通过所述细长引出缝释放，作为电子带，用于中和在所述离子注入系统内行进的离子束。

本发明的另一种实施方式涉及一种离子注入系统，包括：离子源，产生沿着纵向路径的相对宽的离子束；质量分析装置，提供跨过所述路径的磁场，以便根据质量以变化的轨迹偏转所述束的离子。终端站接收来自所述线束系统的经质量分析的离子束，并沿着所述路径支撑至少一个工件，用于采用经质量分析的离子束进行注入。壳体内的放电腔包括多个阳极、阴极和细长引出缝，并且所述阴极发射电子，所述电子通过所述多个阳极和阴极之间的电势差被吸引到所述多个阳极。所述细长引出缝将所述电子的一部分作为细长带发射到所述离子束中。

本发明的又一方面提供了一种将电子引入到离子束中的方法，包括下述步骤：给放电腔内的阴极通电；偏压所述阴极、放电腔壳体和阳极；以及通过细长引出缝将电子发射到所述带状离子束中。

本发明的另一方面提供了在离子注入系统中采用静态或时间平均的带状离子束进行工件注入的方法，包括产生带状离子束和对所述带状离子束进行质量分析。该方法还包括将细长电子带提供给所述带状离子束和将经质量分析的带状离子束提供至至少一个工件，以便用来自所述带状离子束的离子注入所述至少一个工件。

在本发明的另一种实施方式中，涉及一种用于采用离子束注入工件的离子注入系统，包括：用于产生带状离子束的装置；用于对所述带状离子束进行质量分析的装置；用于将细长电子带提供给经质量分析的带状离子束的装置；用于将经质量分析的带状离子束提供至工件，以便用来自所述带状离子束的离子注入所述工件的装置。

为了实现前述和相关的目的，下述描述和附图用于详细阐述本发明的细节的特定的说明性方面和实施方式。这些只是可以采用本发明的原理的多种方式中的少数几个的代表。在结合附图考虑时，本发明的其它方面、优点和新颖特征将从本发明的下述详细描述中变得清楚。

附图说明

图1和2分别为示出离子注入系统的示意性结构的现有技术的平面视图和现有技术的侧视图；

图3为用于说明电荷补偿装置的结构的现有技术的垂直剖视图；

图4A为图3中示出的装置的现有技术的横截面透视图；

图4B为图3中示出的装置的现有技术的部分透视图；

图5为示出在图3中示出的第二电弧腔的两个端表面中的一个上永磁铁形成的约束磁场的配置的现有技术视图；

图6为示出在图5中示出的第二电弧腔的两个端表面中的一个上永磁铁形成的约束磁场的配置的现有技术视图；

图7为示出在图3中示出的第二电弧腔的上、下、左和右壁表面上永磁铁形成的约束磁场的另一配置的现有技术视图；

图8为示出根据本发明的一个方面的等离子体电子流系统(PEF)的部分透视分解视图；

图9A为根据本发明的又一实施例的穿过图8中示出的壳体的横截面；

图9B为根据本发明的另一个方面的进一步示出穿过图8的细长引出缝的电子流到带状离子束中的局部透视图；

图10为进一步示出涉及本发明的另一种使用的方法的示意图；和

图11为示出本发明的另一方法的方块图。

具体实施方式

现在将参照附图描述本发明，全文中相同的附图标记用来表示相同的元件。本发明提供了为了提供用于诸如半导体工件的工件的离子注入的等离子体充有电子的离子束的方法和系统。以下参照附图图示并描述本发明的一种实施方式。这些图示和随后的描述本质上是示例性的，而不是限制性的。因此，将会认识到，所图示的系统和方法的变形例和除了此处所图示的这些实施方式之外的其它的这样的实施方式也认为是落入本发明和随附的权利要求的保护范围之内。

首先参照图8，该图示出了提供等离子体电子流系统(PEF)800的本发明的分解部分视图，该等离子体电子流系统(PEF)800包括构造为包含如由放电腔816内的阀(未示出)引入的气体的壳体802。PEF系统800的壳体802具有包括期望的切块(例如内直径822)的尺寸为818×820的横截面，其可以挤压成任何期望的挤压长度824，例如300或450毫米。应当认识到，壳体802还可以被机加工、激光切削等。

等离子体电子流系统800还包括位于其中的细长引出缝806、阴极组件808、多个阳极810和细长阴极丝814。在这种实施例中，细长引出缝806形成在缝板812中，且细长引出缝806可以与离子注入机(未示出)直接连通。阴极组件808被通电，以从阴极丝814发射电子，所述电子通过阴极丝和多个阳极之间的电势差被吸引到多个阳极上。电子通过细长引出缝806被释放，作为大致的电子带，用于中和在离子注入机内行进的带状离子束。发明人认识到，通过以这种方式引入电子，与点源型技术的不相等的路径长度相比较，电子将具有相等的路径长度，用于到达铅笔状、宽的或带状的离子束，并认识到例如电荷中和在离子束的宽度上将更均匀。

为了最小化放电腔816内的污染并且因此最小化带状离子束内的污染，阴极丝814和多个阳极810可以包括石墨。将会认识到，也可以使用通常用在这种技术中的钨(W)、钼(Mo)和钽((Ta)以及其它难熔材料。

在一个实施例中，参照图8和9A，通过采用折回(reflex)的几何构型(即相对小的阳极面积)构造多个阳极810(图8和9A)，使得被朝阳极810加速的电子具有低的拦截阳极810的可能性。从阴极丝814到阳极810的初级电子的飞越时间被增加，其提高了电子中和碰撞的数量，因此提高了等离子体的放电密度和电子产生，这使得等离子体电子流系统800以低压在放电腔816内操作。放电腔816可以具有大直径822(例如100mm或更大)，其中阴极丝814例如具有0.9mm的直径。阴极丝814的电流可以设定为40A，且获得的阴极丝814温度约为2500℃，和相对低的自磁化(例如小于100高斯)。可以有三个阳极810，例如，每个阳极具有3mm的直径，因此阳极110直径足够小，以形成折回的几何构型，且阳极110还足够大以确保等离子体放电的稳定性。气体例如包括氙，并且其以约5×10-5至1×10-4托的分压在等离子体电子流系统100的放电腔116内操作。可代替地对于氙，气体还可以包括氩。例如，在阴极810处于与壳体102相同的静电势时，初级电子被静电限制，这又增加了等离子体约束，并且因此增加了等离子体密度。

等离子体电子流系统800可以在汤森放电模式下以低压操作，作为直流放电，其中电子从阴极丝814射出，用于维持正在进行的放电。因此，氙气的压力可以保持较低(例如小于5e-5托)，例如这可以降低系统中的氙的分压，并可以使离子束在较高压力(例如大于5e-6托)下经历的电荷交换的一些负面作用最小化。在电学上正向偏压阳极810并使阴极丝814和壳体802电接地，提供了电子能量过滤，使得仅碰撞的或热能化的电子可以通过例如细长引出缝口806离开放电腔816。

现在参照图9B(未按比例绘制)，壳体802(图1)可以被构造，使得电子细长引出缝806横向于离子束802的传播方向，例如如图所示，以便横向于带状离子束的长度将被引出的电子的细长带提供到带状离子束中，如图9B所示。这确保了电荷中和的均匀性，从而允许电子902全都沿缝板812中的细长引出缝806从等离子体电子流系统(PEF)950出去。应当认识到，缝板812中的细长引出缝806例如可以为PEF 900的组成部分(图9)，而不是图示的那样。缝916的长度可以被使得匹配带状离子束904的宽度910，例如有助于离子束的均匀性。此外，例如通过采用掩模或本领域技术人员公知的其它技术，使得缝隙916的长度可以基于晶片尺寸被使得是可自动调节的。

参照图10，本发明提供了一种离子注入系统1000，其包括用于沿着纵向束路径产生细长(例如铅笔状离子束、带状形状等)的离子束1004的离子源1002。离子束源1002包括具有相关联的电源1008的等离子体源1006和引出设备1010，其例如可以为引出大纵横比的细长带状离子束1004的任何设计。提供下面的例子以更全面地说明本发明，但不是要解释成限制本发明的保护范围。例如，等离子体源1006可以包括相对长的等离子体约束腔，通过使用引出设备1010中的大纵横比的引出缝可以从等离子体约束腔中引出带状束1004。带状束1004包括限定第一纵横比的横向宽度和横向高度，其中横向宽度比横向高度大很多。例如，从等离子体源1006引出的细长离子束1004的宽度例如可以为约400mm，且高度例如可以为10mm。带状离子束和其它类型的离子束的形成是本领域普通技术人员公知的。

线束系统1012设置在离子源1002的下游，以从离子源1002接收束1004，该线束系统包括沿着接收束1004的路径定位的质量分析装置1014。质量分析装置1014操作以提供跨过该路径的磁场，以便根据质量(例如荷质比)以变化的轨迹偏转来自离子束1004的离子，用于提供细长的经质量分析的离子束1004，其具有第二纵横比和基本类似于第一纵横比的轮廓。终端站1022设置在系统1000中，该终端站接收来自线束系统1012的经质量分析的离子束1004，且沿着该路径支撑一个或多个工件(例如半导体工件)，用于使用经质量分析的离子束1004进行注入。终端站1022包括目标扫描系统1020，用于彼此相对地平移或扫描一个或更多的目标工件和细长离子束1004。目标扫描系统1020可以设置为用于成批或连续注入。

根据本发明的另一方面，图11示出了与等离子体流电子系统100(图1)相关联的、用于将在等离子体腔内产生的多个电子传移到带状离子束中的示例性的方法1100。图1中图示的系统100例如可以根据图11的方法1100进行操作。注意到在等离子体流电子系统100(图1)内进行的动作可以同时(并行地)或连续进行。还应当注意到，虽然在此处作为一系列动作或事件示出并描述了示例性的方法，但是将会认识到，本发明不受这种动作或事件的示出的顺序限制，这是因为一些步骤可以以不同的顺序发生，和/或与除根据本发明在此示出并描述的步骤之外的其它步骤同时发生。此外，并不是要求所有图示的步骤都用于实施根据本发明的方法。而且，将会认识到，可以结合在此图示并描述的系统100以及结合未示出的其它系统来实施所述方法。

如图11所示，该方法1100以步骤1102开始，通过使用本领域技术人员公知的技术产生带状离子束。本发明提供了用于沿着纵向束路径产生细长(例如带状形状等)离子束1004(图10)的离子源1002(图10)。离子束源1002(图10)包括具有相关联的电源1008(图10)的等离子体源1006(图10)和引出设备1010(图10)，其例如可以为引出大纵横比的细长带状离子束1004的任何设计。如前所述，提供下面的例子以更全面地说明本发明，但不是要解释成限制本发明的保护范围。例如，等离子体源1006可以包括相对长的等离子体约束腔，采用引出设备1010中的大纵横比引出缝可以从等离子体约束腔中引出带状离子束1004。带状束1004包括限定第一纵横比的横向宽度和横向高度，其中横向宽度比横向高度大很多。例如，从等离子体源1006引出的细长离子束1004的宽度例如可以为约400mm，且高度例如可以为10mm。

在步骤1104，带状束被质量分析，以选择期望荷质比的离子。用于对离子束进行质量分辨的质量分析装置使用磁场。离子的质量相对于其上的电荷(例如荷质比)影响离子由静电或磁场轴向和横向加速的程度。因此，到达半导体晶片或其它目标的期望区域的束可以被使得很纯净，这是因为不希望的分子重量的离子将被偏转至离开该束的位置，且可以避免除期望材料之外的材料的注入。质量分析装置可以利用质量分析磁铁，其产生偶极子磁场以经由磁偏转将离子束中的各种离子偏转到弓形通道中，这将有效地将不同荷质比的离子分开。质量分析技术是本领域技术人员公知的。

接下来，在步骤1106等离子体流电子系统800(图8)的放电腔内的多个阳极和阴极被通电。阴极810的电流可以设定为40A，且获得的阴极810的温度约为2500℃，且自磁化相对较低(例如小于100高斯)。多个阳极810(例如三个)中的每一个阳极例如可以具有3mm的直径。等离子体腔816内的气体例如可以包括氙，并且它可以在约5×10-5至1×10-4托的压力下在等离子体电子流系统800(图8)的等离子体腔116(图1)内操作。

部件810、802和814被静电偏压，以提供对放电等离子体的静电约束，和对通过引出缝806离开的电子进行能量过滤；例如，阴极810(图8)和放电腔壳体802可以偏压至接地电位，且阳极810(图1)可以偏压到100伏特。离开阴极810(图8)的电子将具有接近零电子伏特的初始动能，当它到达阳极110(图1)时，它将获得100电子伏特的动能(100eV)。如果电子在到阳极的路径上与原子碰撞，则它最多可以获得100eV的动能加原子的能量(例如1eV)；因此将具有101eV的总的最大能量。这种电子或任何获得大于100eV的总能量的电子可以通过引出缝离开放电腔，释放掉100eV的能量，并且例如通常具有1eV的动能。在步骤1106，许多这种电子(通常称为碰撞的、热能化的或二次的电子)可以以这种方式传递到带状离子束202(图2)中。碰撞的电子对中和注入工件之前的离子束202是特别有用的。因此，在放电腔内产生的电子可以作为穿过细长缝的细长电子带，被引入到带状离子束中。

因为阳极和阴极都会遭受溅射和蒸发，因此阴极丝814可以包括石墨，且例如钨(W)、钼(Mo)和钽((Ta)是可选择的材料。因此可以最小化晶片被阴极材料污染的风险。阳极810可以包括石墨或铝(Al)，这两种材料都对硅晶片具有小的污染风险，或者阳极810可以包括钼(Mo)、钨(W)等。

在步骤1108，经质量分析的带状离子束被提供至至少一个工件，以便用离子注入至少一个工件，且该方法结束。

虽然上文已经相对特定方面和实施方式图示并描述了本发明，但将会认识到，在阅读并理解本说明书和附图时，本领域的其它技术人员将想到等同改变和修改。特别地关于由上述部件(组件、装置、电路、系统等)执行的各种功能，除非另外地给出指示，用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的参考)是要对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件(即，功能等同物)，即使结构上不等同于所公开的结构(其执行本发明的在此处图示的示例性实施方式中的功能)。在这点上，还将认识到，本发明包括具有用于执行本发明的各种方法的步骤的计算机可执行指令的计算机可读媒介。此外，虽然仅相对于几个实施方式中的一个公开了本发明的特定特征，但这种特征可以在对任何给定或特定应用是期望的和有利的时与其它实施方式的一个或更多的其它特征结合。另外，对于用在详细描述或权利要求中的术语“包括”、“具有”及其变形的范围，这些术语是要以类似于术语“包括”的方式是包括性的。

Claims (24)

1.一种等离子体电子流系统，所述等离子体电子流系统包括：

具有放电腔的壳体，所述放电腔构造为包含气体，并且

所述等离子体电子流系统包括位于其中的细长引出缝、阴极丝、阴极组件和多个阳极；并且

其中所述细长引出缝与离子注入系统直接连通；

其中所述阴极丝发射电子，所述电子通过所述阴极丝和所述多个阳极之间的电势差被吸引到所述多个阳极；

其中所述电子的一部分通过所述细长引出缝引出，作为电子带用于中和在所述离子注入系统内行进的离子束。

2.根据权利要求1所述的等离子体电子流系统，其中所述阴极丝的直径约为0.5至2毫米；

其中所述阴极丝具有240至500毫米的长度；

其中每个阳极的直径约为1至10毫米；并且

其中每个阳极具有240至500毫米的长度。

3.根据权利要求1所述的等离子体电子流系统，其中所述放电腔为圆筒形，并具有约30至200毫米的内直径。

4.根据权利要求1所述的等离子体电子流系统，其中所述放电腔为圆筒形，并具有约30至200毫米的内直径；并且

其中所述放电腔具有240至500毫米的长度；

其中所述引出缝为约1至50毫米宽和约200至450毫米长。

5.根据权利要求1所述的等离子体电子流系统，其中所述阴极丝由包括石墨、钨、钼和钽的材料制造；并且

其中所述多个阳极由包括石墨、铝、钨和钼的材料制造。

6.根据权利要求1所述的等离子体电子流系统，其中所述放电腔内的氙气的分压约为5×10^-5至1×10^-4托；并且

其中所述放电腔内的气体包括氙、氩或氙和氩的混合物。

7.根据权利要求1所述的等离子体电子流系统，其中所述阴极和所述壳体处于大约相同的电势，并且所述阳极相对于所述阴极和所述壳体被以正电压偏压。

8.一种离子注入系统，所述离子注入系统包括：

离子源，所述离子源产生沿着纵向路径的离子束；

线束系统，所述线束系统提供跨过所述路径的磁场，以便根据质量以变化的轨迹偏转所述离子束中的离子；

等离子体电子流系统，所述等离子体电子流系统用于向所述离子束提供电子，并且

其中所述等离子体电子流系统包括位于壳体内的放电腔，包括多个阳极、阴极丝、阴极组件和细长引出缝；

其中所述阴极丝发射电子，所述电子通过电势差被吸引到所述多个阳极；

其中所述细长引出缝将所述电子的一部分作为细长带发射到所述离子束中，

终端站，所述终端站接收来自所述线束系统的经质量分析的且被中和的离子束，并沿着所述路径支撑至少一个使用所述经质量分析的且被中和的离子束进行注入的工件。

9.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中所述阴极丝的直径约为0.9毫米，且

其中所述阳极的直径约为3毫米。

10.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中所述离子束构成具有宽度和高度的带状离子束；

其中所述宽度大于所述高度。

11.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中所述电子的细长带被设置到横向于所述离子束的所述长度的所述离子束中。

12.根据权利要求9所述的离子注入系统，所述放电腔内的氙气的分压约为5×10^-5至1×10^-4托；

其中所述放电腔内的气体包括氙和氩；

其中所述阴极丝由包括石墨、钨、钼和钽的材料制造；并且

其中所述多个阳极由包括石墨、铝、钨和钼的材料制造。

13.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中阴极丝电流约为15至80安培。

14.一种将电子引入带状离子束的方法，所述方法包括下述步骤：

给放电腔内的阴极丝通电；

偏压所述阴极、放电腔壳体和阳极；以及

通过细长引出缝将电子发射到所述带状离子束中。

15.根据权利要求15所述的方法，其中所述阴极电压和所述放电腔壳体电压被偏压至低于所述阳极电压的电压。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述放电腔包含气体；

其中所述放电腔内的压力约为5×10^-5至1×10^-4托；并且

其中所述气体包括氙和氩。

17.根据权利要求15所述的方法，其中该方法在汤森放电模式下操作。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述阴极电流约为40安培；并且

其中所述阴极和放电腔壳体的电压相对于周围环境在-20和20伏特之间；

其中所述阳极电压在30和100伏特之间。

19.一种在离子注入系统中使用带状离子束注入工件的方法，所述方法包括下述步骤：

产生带状离子束；

对所述带状离子束进行质量分析；

将细长电子带提供给所述带状离子束；以及

将所述经质量分析的带状离子束提供给至少一个工件，以便用来自所述带状离子束的离子注入所述至少一个工件。

20.根据权利要求20所述的方法，其中所述提供细长电子带的步骤包括：

提供等离子体电子流系统，所述等离子体电子流系统包括具有放电腔的壳体，所述放电腔构造为包含气体，且所述等离子体电子流系统包括位于其中的细长引出缝、阴极组件、阴极丝和多个阳极；并且

其中所述细长引出缝与所述离子注入系统直接连通；

其中所述阴极丝发射电子，所述电子通过所述阴极丝和所述多个阳极之间的电势差被吸引到所述多个阳极；

其中所述细长电子带通过所述细长引出缝被释放，用于中和在所述离子注入系统内行进的所述带状离子束。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述阴极电压和所述放电腔壳体电压被偏压至低于所述阳极电压的电压；

其中所述放电腔内的压力约为5×10^-5至1×10^-4托；

其中所述气体包括氙；

其中所述系统在汤森放电模式下操作。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述阴极电流约为40安培；并且

其中所述阴极和放电腔壳体被设定为零伏特；

其中所述阳极电压被设定为100伏特。

23.一种用于使用离子束注入工件的离子注入系统，所述离子注入系统包括：

用于产生带状离子束的装置；

用于对所述带状离子束进行质量分析的装置；

用于将细长电子带提供给所述经过质量分析的带状离子束的装置；

用于将所述经质量分析的带状离子束提供给工件以便用来自所述带状离子束的离子注入所述工件的装置。

24.根据权利要求24所述的离子注入系统，其中所述用于提供细长电子带的装置包括：

提供具有细长电子缝的放电腔，该放电腔构造为包含位于其中的至少一种气体、阴极组件、阴极丝和多个阳极；并且

其中所述细长引出缝与所述离子注入系统直接连通；

其中所述阴极丝发射电子，所述电子通过所述阴极丝和所述多个阳极之间的电势差被吸引到所述多个阳极；

其中所述阴极电压和所述放电腔壳体电压被偏压至比所述阳极电压低的电压；

其中所述放电腔内的压力约为5×10^-5至1×10^-4托；并且

其中该系统在汤森放电模式下操作。

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