CN101901734B - 多模式离子注入机系统及注入调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宽带离子束的注入领域，其公开了一种多模式离子注入机系统，包括用于产生发散离子束的离子源室以及目标工件扫描单元，其特征在于：还包括引出电极单元(11)、质量分析磁铁(12)、校正单元(41)(42)、束流诊断单元(51)、质量分析狭缝(13)以及角度校正磁铁(15)；所述引出电极单元(11)调整通过其的离子束的发散角。本发明又提供了一种多模式离子注入机系统的注入方法。本发明的有益效果是：该多模式离子注入机系统能够提供宽带束、圆形束和扫描束三种工作模式；其既能保持在能量大于5keV时的宽带束的产能优势，又能在能量小于5keV时，提供具有剂量均匀度和角度均匀度的大电流的离子束注入。

Description

多模式离子注入机系统及注入调节方法

技术领域

本发明涉及离子束的注入领域，特别涉及一种多模式离子注入机系统及注入方法。

背景技术

离子注入是一种把原子或分子引入目标工件衬底的制程，此制程通常被称为掺杂，它能改变材料的属性。离子注入是一个在大规模集成电路的制造中常见的制程，离子注入也可用于薄膜沉积等与制造光学仪器或显示仪器(如平板显示器)等相关的制造工艺。一个典型的离子注入机包括一个产生离子束的离子源；一个离子束传输系统，它包括使用磁场的离子束质量分析系统；以及一个靶室，用于处理将植入离子束的半导体硅晶片。而对于低能量注入系统，在质量分析磁铁和靶室之间还增加减速装置以减低离子束能量。

在离子束系统领域中，有的场合希望产生单一离子的宽带离子束。这些宽带离子束通常用于离子注入机设备中，注入系统的工件(如硅晶片或平板显示器)多次扫描通过离子束。在这些情况下，宽带离子束将最好有一个大宽高比，它的宽度比注入工件的尺寸还宽。这样当工件通过离子束时，均匀的离子就可被植入到工件的表面和进入工件的内部。在这些应用中，非常希望宽带离子束中的离子轨迹是平行的，离子密度是均匀的。因此，在设备设计和运行中需要控制宽带离子束的平行度和均匀度。

美国瓦里安半导体公司生产的用于半导体硅晶片注入的宽带束流离子注入机系统，如图1，其美国专利号5350926。该系统利用两种不同的磁铁产生一个适用的宽带离子束。第一块磁铁进行离子束的质量分析，第二块磁铁使离子束平行。由于瓦里安的双磁铁系统的质量分辨率(通常超过50)和其它任何商用离子注入机可以提供的一样好，因此这种双磁铁系统结构所能提供的离子束的均匀性和纯洁度已成为事实上的宽带束离子注入机系统的标准。但是、这个双磁铁系统有严重的缺点：它复杂和昂贵，束流光学像差大，只适用于300毫米离子束等；同时，由于磁场和离子束之间复杂的相互作用，这种双磁铁的技术路线会引起一些严重的技术上的、实用上的和半导体制程上的有关的问题，从而增加了这一设备的运行成本。特别是，离子束通过该系统的路程比较长，对于某些半导体制程上需要的低能量高电流离子束(如获得能量为200eV电流达1毫安量级的离子束)来说，其束流均匀度和角度均匀度越来越难以控制。

另外，美国AIBT公司开发了一种双模式离子注入系统，它可以产生宽带束流和园形束流，如图2a及图2b，详见美国专利号7326941。该系统包括一个离子源，它产生一个带状离子束，一个质量分析磁铁，一对磁透镜系统以改变离子束的宽度，和一个目标工件(硅片或平板玻璃)处理站，该处理站可机械移动工件一次或多次通过离子束。当离子束离开质量分析磁铁后，进入第一个磁透镜，它可以是分别绕在一对铁磁材料长柱上的多个线圈绕组组成，磁透镜可以工作在两种模式。第一个模式下，各组线圈的电流通过离子束截面测量仪的控制下分别产生局部的磁场，这个多极磁场可以改变束流截面的电流密度。离子束继续作为一个宽带束前进直到达到工件表面，宽带束的宽带超过工件的直径或宽度，工件然后沿着一路径一次或多次通过这一宽带离子束，均匀的剂量离子就可以注入其表面。此第一模式称作宽带束模式。在第二个模式下，各组线圈的电流协调地产生一个四极磁场，此四级磁场使得宽带离子束受到聚焦力，从而在下游的工件位置产生一个小于工件的两个横向尺寸的窄光斑。工件然后在两个互相垂直的路径来回多次通过离子束，均匀的剂量离子就可以注入其表面。此第二模式称作园形束模式。

第二个模式对于使用低能量高电流离子束(例如电流大于1mA能量低于3KeV)很可能是有利的，在这个模式下，注入的剂量均匀性和角度均匀性可以得到改善，这个模式通常用于用于注入能量低于5KeV的离子束。第一个模式的宽带束通常用于注入能量高于5KeV的离子束，但对于图2所采用的纵向磁场磁铁，用其产生300毫米或更宽的宽带束是比较困难的。

因此，有必要给大规模集成电路的制造提供一个新的离子注入系统，这个系统既能保持在能量大于5keV时的宽带束的产能优势，又能在能量小于5keV时，提供具有剂量均匀度和角度均匀度的大电流的离子束注入。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种多模式离子注入机系统，解决目前在离子注入系统中不能提供一种既能保持在能量大于5keV时的宽带束的产能优势，又能在能量小于5keV时，提供具有剂量均匀度和角度均匀度的大电流的离子束注入的问题。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计和制造一种多模式离子注入机系统，包括用于产生发散离子束的离子源、离子束传输系统以及目标工件扫描单元，还包括引出电极单元、质量分析磁铁、校正单元、束流诊断单元、质量分析狭缝以及角度校正磁铁；所述引出电极单元调整引出的离子束的发散角；所述校正单元位于所述角度校正磁铁的上游和下游，所述校正单元为剂量和角度均匀度校正单元，其通过改变局部的电场或磁场来调整离子束的角度和位置；所述质量分析磁铁让通过其的离子束在其下游形成焦点区，所述质量分析狭缝设置在所述焦点区并纯化和选择所述离子束；所述角度校正磁铁校正通过其的离子束的发散角；所述束流诊断单元吸收离子束并监控测量离子束注入过程状态；发散离子束通过所述引出电极单元、所述质量分析磁铁、所述质量分析狭缝、所述校正单元以及所述角度校正磁铁产生一定模式的离子束。

本发明进一步的改进是：所述引出电极单元包括成套引出开口狭缝，所述开口狭缝可相互切换，其一开口狭缝用以产生大发散角的离子束流，其另一开口狭缝用以产生小发散角的离子束流、其另一开口狭缝用以产生具有汇聚角的离子束流；所述引出电极单元增加和减少引出的发散离子束的发散角。

本发明进一步的改进是：所述多模式离子注入机系统还包括四极磁铁单元；所述四极磁铁单元调节离子束的发散角，所述四极磁铁单元调节离子束的发散角以调节离子束的宽度；发散离子束通过所述引出电极单元、所述质量分析磁铁、所述质量分析狭缝、所述校正单元、所述四极磁铁单元以及所述角度校正磁铁可产生宽带束或/和园形束。

本发明进一步的改进是：所述质量分析磁铁和所述引出电极单元间设有至少一个所述四极磁铁单元，所述四极磁铁单元调节从所述引出电极单元输送来的离子束的发散角并将改变角度的离子束送入所述质量分析磁铁；所述质量分析磁铁和所述质量分析狭缝间设有至少一个所述四极磁铁单元；所述四极磁铁单元调节从所述质量分析磁铁输送来的离子束的发散角并将改变角度的离子束送入所述质量分析狭缝。

本发明进一步的改进是：所述多模式离子注入机系统还包括电磁扫描单元，所述电磁扫描单元位于所述质量分析狭缝的下游，所述电磁扫描单元包括电场扫描器或磁场扫描器，所述电磁扫描单元通过随时间变化的电场或磁场对离子束在角度校正磁铁的偏转平面上以角度扫描。

本发明进一步的改进是：发散离子束通过所述引出电极单元、所述质量分析磁铁、所述质量分析狭缝、所述校正单元、所述四极磁铁单元、所述电磁扫描单元以及所述角度校正磁铁产生宽带束、园形束或/和扫描束；所述电磁扫描单元可不调节通过其的离子束的偏转角，所述电磁扫描单元可调节通过其的园形束的偏转角以产生扫描束。

本发明进一步的改进是：所述引出电极单元上抑制电极开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度小于、等于或大于离子源室上等离子体电极的开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度，或者相对于离子源室上等离子体电极的开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度，所述引出电极单元上抑制电极开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度是负的。

本发明进一步的改进是：所述多模式离子注入机系统还包括偏转减速单元；所述偏转减速单元改变通过其的离子束的轨道并对该离子束进行减速；所述偏转减速单元提供高电流低能离子束，并筛选掉高能量的中性粒子。

本发明进一步的改进是：所述一定模式的离子束由宽带束、园形束以及扫描束组成；所述目标工件扫描单元在一维方向多次扫描通过其的宽带束和扫描束获取均匀的离子注入剂量；所述目标工件扫描单元在二维方向多次扫描通过其的园形束获取均匀的离子注入剂量；所述校正单元校正宽带束的均匀度；所述电磁扫描单元通过调节其扫描速率来调节扫描束的均匀度。

本发明同时提供了一种多模式离子注人机系统的注入调节方法，包括如下步骤：S1调节离子源室产生发散离子束；S2调节离子束传输系统将发散离子束改变成平行的离子束；S3调节引出电极单元改变引出的离子束的发射角产生宽带束或/和园形束；S6调节偏转减速单元减小离子束的能量；S7目标工件扫描单元携带目标工件通过宽带束、园形束或/和扫描束进行离子注入。

本发明进一步的改进是：所述多模式离子注入机系统的注入调节方法还包括步骤：(S4)调节四极磁铁单元改变通过其的离子束的发射角产生宽带束或/和园形束。

本发明进一步的改进是：所述多模式离子注入机系统的注入调节方法还包括步骤：(S5)调节电磁扫描单元改变通过其的离子束的扫描角产生扫描束，扫描束的宽度由扫描角决定。

本发明的有益效果是：该多模式离子注入机系统能够提供宽带束、圆形束和扫描束三种工作模式；对于稍高能量的离子注入，该系统可以采用宽带束模式，对于极低能量的离子注入，该系统既可采用扫描束模式，又可以采用圆形束模式，从而使其既能保持在能量大于5keV时的宽带束的产能优势，又能在能量小于5keV时，提供具有剂量均匀度和角度均匀度的大电流的离子束注入；同时，通过增加偏转减速单元便可产生无能量污染的低能离子束。

附图说明

图1转载自美国专利号5350926，显示了一个宽带束注入机，目标工件一维运动通过宽带束；

图2a转载自美围专利号7326941，显示了双模式注入机的一工作方式；

图2b转载自美国专利号7326941，显示了双模式注入机的另一工作方式；

图3是本发明多模式离子注入机系统宽带束模式示意图；

图3a本发明多模式离子注入机系统宽带束A-A截面示意图；

图4a和图4b是本发明具有两套开口狭缝的引出电极的截面图；

图4c及4d是本发明具有两套开口狭缝的引出电极的在一方向截面图；

图5为本发明中采用四极磁铁减少离子束发散角的示意图；

图6为本发明园形束模式示意图；

图7为本发明电磁扫描单元扫描园形束以增加园形束的发散角示意图；

图8为本发明扫描束模式示意图；

图9为本发明多模式离子注入机系统的注入方法的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图3中，一种多模式离子注入机系统，包括用于产生发散离子束的离子源室、离子束传输系统以及目标工件扫描单元，其特征在于：还包括引出电极单元(11)、质量分析磁铁12、校正单元41  42、束流诊断单元51、质量分析狭缝13以及角度校正磁铁15；所述引出电极单元11引出的离子束的发散角；所述校正单元位于所述角度校正磁铁15的上游和下游，所述校正单元41 42为剂量和角度均匀度校正单元，其通过改变局部的电场或磁场来调整离子束的角度和位置；所述质量分析磁铁12让通过其的离子束在其下游形成焦点区，所述质量分析狭缝13设置在所述焦点区并纯化和选择所述离子束；所述角度校正磁铁15校正通过其的离子束的发散角；所述束流诊断单元51吸收离子束并监控测量离子束注入过程状态；发散离子束通过所述引出电极单元11、所述质量分析磁铁12、所述质量分析狭缝13、所述校正单元41 42以及所述角度校正磁铁15产生一定模式的离子束。

所述引出电极单元11包括成套引出开口狭缝，所述开口狭缝可相互切换，其一开口狭缝用以产生大发散角的离子束流，其另一开口狭缝用以产生小发散角的离子束流；还可以有另一开口狭缝用以产生具有汇聚角的离子束流；所述引出电极单元增加和减少引出的发散离子束的发射角。

所述多模式离子注入机系统还包括四极磁铁单元；所述四极磁铁单元调节离子束的发散角，所述四极磁铁单元调节离子束的发散角以调节离子束的宽度；发散离子束通过所述引出电极单元11、所述质量分析磁铁12、所述质量分析狭缝13、所述校正单元4142、所述四极磁铁单元以及所述角度校正磁铁15可产生宽带束或/和园形束。

所述质量分析磁铁12和所述引出电极单元11间设有至少一个所述四极磁铁单元，所述四极磁铁单元调节从所述引出电极单元11输送来的离子束的发散角并将改变角度的离子束送入所述质量分析磁铁12；所述质量分析磁铁12和所述质量分析狭缝13间设有至少一个所述四极磁铁单元；所述四极磁铁单元调节从所述质量分析磁铁12输送来的离子束的发散角并将改变角度的离子束送入所述质量分析狭缝13。

所述多模式离子注入机系统还包括电磁扫描单元33，所述电磁扫描单元33位于所述质量分析狭缝13的下游，所述电磁扫描单元33包括电场扫描器或磁场扫描器，所述电磁扫描单元33通过随时间变化的电场或磁场对离子束在角度校正磁铁15的偏转平面上以角度扫描。

发散离子束通过所述引出电极单元11、所述质量分析磁铁12、所述质量分析狭缝13、所述校正单元41 42、所述四极磁铁单元、所述电磁扫描单元33以及所述角度校正磁铁15产生宽带束、园形束或/和扫描束；所述电磁扫描单元33可不调节通过其的离子束的偏转角，所述电磁扫描单元33可调节通过其的园形束的偏转角以产生扫描束。

所述引出电极单元11上抑制电极开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度小于、等于或大于离子源室上等离子体电极的开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度，或者相对于离子源室上等离子体电极的开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度，所述引出电极单元11上抑制电极开口狭缝的外轮廓曲面的弯曲度是负的。

所述多模式离子注入机系统还包括偏转减速单元34；所述偏转减速单元34改变通过其的离子束的轨道并对该离子束进行减速；所述偏转减速单元34提供高电流低能离子束，并筛选掉高能量的中性粒子。

所述一定模式的离子束由宽带束、园形束以及扫描束组成；所述目标工件扫描单元在一维方向多次扫描通过其的宽带束和扫描束获取均匀的离子注入剂量；所述目标工件扫描单元在二维方向多次扫描通过其的园形束获取均匀的离子注入剂量；所述校正单元41 42校正宽带束的均匀度；所述电磁扫描单元33通过调节其扫描速率来调节扫描束的均匀度。

本发明同时提供了一种多模式离子注入机系统的注入调节方法，如图9，包括如下步骤：S1调节离子源室产生发散离子束；S2调节离子束传输系统将发散离子束改变成平行的离子束；S3调节引出电极单元改变引出的离子束的发射角产生宽带束或/和园形束；S4调节四极磁铁单元改变通过其的离子束的发射角产生宽带束或/和园形束；S5调节电磁扫描单元改变通过其的离子束的扫描角产生扫描束，扫描束的宽度由扫描角决定；S6调节偏转减速单元减小离子束的能量，离子束一般通过偏转减速单元改变其弯曲的轨道并减速；S7目标工件扫描单元携带目标工件通过宽带束、园形束或/和扫描束进行离子注入。根据实际需要，以上步骤或可省略其中的某一、二个步骤，如通过步骤S1、S2、S3、S6以及S7即可实现宽带束模式，通过步骤S1、S2、S3、S4、S6以及S7即可实现园形束模式，通过上述S1-S7个步骤能实现扫描束模式。

在一实施例中，该质量分析磁铁12的束流光学特性是点到点传输，离子源产生的离子束是发散的离子束；离子注入设备被设计成能够产生宽带束，宽带束的宽度大于目标扫描工件的特征尺寸(直径或宽度)，如300mm或450mm。宽带束的宽度是由上游离子束的发散角所决定的。大发散角的束流产生宽带束，小发散角的束流产生窄带束(即所谓的园形束)。

该系统能够提供三种不同模式的离子束：宽带束模式，园形束模式，扫描束模式。宽带束的束宽度大于目标扫描工件的特征尺寸(直径或宽度)，园形束的束宽度小于或远小于该工件的特征尺寸(直径或宽度)，扫描束是通过扫描圆形束以产生准宽带束，准宽带束的束宽度大于工件的特征尺寸(直径或宽度)。在某些应用场合，扫描束的宽度也可以小于目标扫描工件的特征尺寸(直径或宽度)。

本发明提供了一些方法来调节上游离子束的发散角。

该系统的离子束引出电极单元的至少包括两套引出开口狭缝，两套引出开口狭缝可以互相切换；其中的一套狭缝用以产生大发散角的束流，其中的另一套狭缝用以产生小发散角的束流。

在另一个实施例中，该系统包括至少三个四极磁铁，在离子源和质量分析磁铁之间有两个四极磁铁，在质量分析磁铁和质量分析狭缝之间有一个四极磁铁。四极磁铁用于调节离子束的发散角。四极磁铁可以增加离子束束发散角，从而增加了宽带束的宽度。同样，四极磁铁也可以减少离子束发散角，从而减小宽带束的宽度，这样就能形成园形束。通过引出电极狭缝和四极磁铁的调节，该系统能够产生圆形束。

通过在这个系统中再增加一个电磁扫描单元，电磁扫描单元在质量分析狭缝的下游，电磁扫描单元可以调整园形束的偏转角，用以产生扫描束。

而对于宽带束和园形束模式，该电磁扫描单元设置成零，即不对上游来的离子束进行偏转，让其保持原来的束状通过电磁扫描单元；

可以在系统中增加一个偏转减速单元，该偏转减速单元通过一边改变离子束弯曲的道路一边减速的方法，提供高电流低能离子束，并筛选掉高能量的中性粒子。此偏转减速单元可同时应用于宽带束、园形束和扫描束中。

对于宽带束和扫描束模式，工件在一维方向多次扫描通过宽带束从而获得均匀的离子注入剂量。

对于园形束模式，工件在二维方向多次扫描通过园形束从而获得均匀的离子注入剂量。

在一种多模式离子注入机系统中，如图3，为该系统工作在宽带束时的示意图。其离子源产生发散的离子束；离子源可以是间接加热式热阴极离子源，离子源的离子源室10有一个拉长的开口，这个开口的x方向的宽度比其在y方向高度要大得多。引出电极装置11是用来从离子源室的拉长开口获取离子束，引出电极装置通常包括2个或更多个的电极，引出电极都有与离子源室的拉长开口相类似的拉长开口。引出电极装置11一般都与高电压电源连接，通过电场从离子源室的拉长开口获取离子束，在这个系统中，引出的离子束是发散的离子束，发散角约+/-5度。引出的离子束可以由其中心离子20和边界离子21和22代表，引出的离子束然后进入质量分析磁铁12。质量分析磁铁12的束流光学是点到点传输。磁铁12的磁极形状通过精心设计以减少各种像差畸变。从质量分析磁铁出来的离子束在下游形成了一个焦点23，质量分析狭缝13被设置在焦点处以纯化离子束。质量分析狭缝13的开口宽度可以通过一个机械调整装置来调节，只有那些具有与设计期望值相同的质量和电荷的离子才可以通过该狭缝13。在离子束通过狭缝13后，离子束将有约+/-5度的发散角，正是由于这个发散角，离子束将会逐渐扩张，扩张的离子束由它的中心离子20和边界离子24和25代表，这个离子束然后进入角度校正磁铁15。角度校正磁铁15将逐渐校正离子束的发散角，并在校正磁铁的出口把离子束转变成为一个平行的宽带束，这个平行的宽带束由其中心离子20和边界离子26和27代表，宽带束的宽度超过目标工件(硅晶片或玻璃板)的特征尺寸(直径或宽度)。角度校正磁铁15的磁极形状经过精心设计以减少各种像差畸变。

同时，该离子注入系统100还包括宽带束剂量和角度均匀度校正单元41和42，校正单元41设置在角度校正磁铁15的上游，校正单元42设置在角度校正磁铁15的下游。校正单元可以通过局部的电场或磁场来调整宽带束中的每一个束团的角度和位置。这样，宽带束在目标工件16处沿x方向的电流密度和角度的均匀度就可以得到校正，以达到期望的水平。

宽带束在继续前行的过程中，一直保持其宽带形，当宽带离子束达到目标工件16时，它的宽度能覆盖整个目标工件的直径或宽度。当目标工件沿着一个路径一次或多次地通过这一宽带离子束，均匀剂量的离子就能进入工件表面，而目标工件16(通常是硅晶片)被固定在目标工件扫描单元上，目标工件扫描单元通常包括静电夹头和注入台。注入台携带目标工件16如硅晶片做两个方向的运动，包括向上和向下的运动(即相对于进出纸面的方向)。工件扫描单元还包括硅晶片交换室和机器人手臂，机器人手臂移动目标工件如硅晶片从交换室到注入台。目标工件将在y方向(垂直纸面方向)多次扫描通过的宽带束16从而获得在y方向上均匀的离子注入剂量，从而达到一维扫描。

该系统100还可进一步包括一个可选择的偏转减速单元34用以生产低能量离子束，例如，产生从0.1KeV到5KeV的硼离子束。该偏转减速单元是同时完成两个功能：偏转和减速。通常，低能大电流离子束是通过减低高能离子束的能量来获得的，比如，低能量离子束(例如0.1到5keV)是从高能量离子束(例如5到20KeV)减速得到的。然而，正常的通过直线减速的高能束流会产生高能中性粒子。采用偏转减速单元，离子束在减速的过程中一次或多次次地改变运动方向，这样，高能量的中性粒子可以与离子束分离而被过滤掉，因此，该偏转减速单元能够产生无能量污染的低能离子束。

图3a的A-A剖面表明了偏转减速单元的作用，系统的中心束轨道被偏转减速单元34在y方向偏转了一个角度，偏转角度大约20度。目标工件16和束流诊断单元51需要根据偏转减速器引入的偏转角度重新定位。束流测量诊断单元51主要吸收离子束并监控测量离子束注入过程状态。其包括若干仪器，在实际应用中时，一台仪器是目标工件后的束流垃圾杯，它吸收不再需要的离子束；其他仪器如法拉第束流剖面测量设备，其位于靠近目标工件的位置，它扫描整个离子束横向层面以测量宽带束的均匀性，另一个仪器是一个多法拉第杯，位置靠近目标工件，它扫描通过宽带束，检测宽带束实际的密度分布。另一个仪器是测量离子束流角度分布。当然，束流诊断单元51还可以有其它的仪器，用以监测采流变化，目的是控制离子注入的过程。

图3中同时显示了五条离子轨迹，这五条轨迹在离子源出口处有不同的发散角，在目标工件处占有不同的位置，所以，在目标工件处的宽带束的宽度是由离子束在上游的发散角所决定的。在一种实施例中，一个多模式离子注入机系统100工作在宽带束模式，离子束在上游的发散角至少大于+/-5度。

当减少上游离子束的角度时，在下游目标工件处的离子束的宽度就可以被减小到小于目标工件的宽度。这样，该系统100就可以工作在园形束模式。

图4a-4b、4c-4d说明了减少上游离子束的角度的一些方法，图4a-4b、4c-4d显示了具有两套开口狭缝的引出电极的截面图，两套开口狭缝分别产生具有不同的发散角的离子束。

图4a显示了其中一套开口狭缝的引出电极的截面图，图4a是图3所示的的离子源10和引出电极11的在水平方向的剖面图，一共采用三个电极101，102和103，每个电极都与高压电源相连接，在每个电极之间形成电场，电场引出和加速离子束，每个电极都有狭长的开口狭缝以便让离子束通过。如图3a所示，离子源室110产生等离子体，等离子体电极101是离子源室的一部分，101的开口狭缝105向外凸出，105的外轮廓曲面是111。抑制电极102由石墨或金属制成，抑制电极102设有开口狭缝106，106的外轮廓曲面116与105的外轮廓曲面111基本平行，这样的安排使得引出的离子束的加速沿着垂直于外轮廓曲面111和116的轨道向外放射散开。接地电极103设有开口狭缝107，107的外轮廓曲面基本平行于106的外轮廓曲面116。开口狭缝105，106和107的设计使得引出离子束126在水平面的发散角大于+/-5度，发散角度的大小主要是由外轮廓曲面111和116所决定的，产生一定角度的发散角是为了在宽带束模式下使用。

图4b显示了另一套开口狭缝的引出电极的截面图。抑制电极102和接地电极103分别设有另外的开口狭缝108和109。108的外轮廓曲面118的弯曲度小于等离子体电极的开口狭缝105的外轮廓曲面110的弯曲度；也可采用更进一步的方式，相对于等离子体电极的开口狭缝105的外轮廓曲面110的弯曲度，108的外轮廓曲面118的弯曲度是负的，即108的外轮廓曲面118向内弯曲。由于这样的安排，引出的离子束127的发散角将会小于引出离子束束126的发散角。这个小发散角的离子束是为了在园形束模式下使用。

图4c和4d是离子源和引出电极在垂直方向的剖面图，如图所示，抑制电极102设有两个开口狭缝106和108，接地电极设有两个开口狭缝107和109。狭缝106和狭缝107配合使用，狭缝108和狭缝109配合使用。一套机械调节装置120自动选择使用电极102和103的的某一套开口狭缝。对于宽带束模式，如图4c所示，开口狭缝106和107的中心被定位到105的等离子体狭缝105的中心104。对于园形束模式，如图4d所示，开口狭缝108和109的中心被定位到等离体体狭缝105的中心104。

离子注入机系统100还包括了至少一个四极磁铁来调节上游离子束的发散角。图5说明了一个优选实施例，使用三个四极磁铁来调节上游离子束的发散角。

图5说明了如何用四极磁铁来减少上游的离子束的发散角。为了描述方便起见，质量分析磁铁12、三个四极磁铁30，31和32以及质量分析狭缝13被拉直在一条直线上。四极磁铁30和31设置在磁铁12的上游，四极磁铁32设置在磁铁12的下游，该系统中心线是131。在没有四极磁铁的作用时，从离子源引出电极出来的发散离子束130进入质量分析磁铁12，离子束130的边界离子是132，磁铁将离子束130在质量分析狭缝处汇聚成焦点23，离子束130通过质量分析狭缝后就再发散，其发散角141由其边界离子轨道132的发散角表示。

三个四极磁铁均采用潘诺夫斯基四极磁铁，由于四极磁铁30，31和32的作用，离子束的发散角可以被减少。跟随着边界离子轨道132，经过四极磁铁30的聚焦作用，边界离子轨道变成133，然后经过四极磁铁31的发散作用，边界离子轨道变成134。由于四极磁铁30和31的共同作用，使得轨道134的角度减少，而且也使轨道134和轨道132几乎具有同一个虚拟出发点。经过质量分析磁铁12，边界离子轨道变成轨道135，再经过四极磁铁32的作用，轨道135变成轨道136，通过质量分析磁铁后，离子束的发散角减少到142，角度142远远少于角度141。

同理，三个四极磁铁30、31、和32也可以用于增加上游离子束的发散角。

图6说明了本发明的离子注入机系统100工作在园形束模式。对于园形束模式，引出电极11采用其小发散角开口狭缝，调节四极磁铁30和31以减小离子束进入质量分析磁铁12的发散角，这个离子束由边界离子轨道221和222来表示。通过调节四极磁铁32以进一步减小从磁铁12出来的离子束的发散角，经过质量分析狭缝后，离子束220的发散角远远小于宽带束模式的发散角，这个小发散角离子束220由其边界离子轨道224和225表示。小发散角离子束进入角度调整磁铁15后，角度校正磁铁15将完全或部分校正离子束的发散角，通过磁铁15后，离子束220为具有边界226和227的窄离子束。离子束220或是平行束，或是具有很小角度的发散束或汇聚束。由于离子束220的宽度远小于目标工件16的特征尺寸，这样就形成了园形束。

对于园形束模式，由于离子束的宽度小于工件16的两个横向尺寸，工件16需要在两个互相垂直的方向来回多次通过离子束，这样，其表面才可以获得均匀剂量的离子注入。这两个互相垂直的方向，一个沿着x方向，另一个沿着y方向，从而达到二维机械扫描。

在0.1-5KeV的低能量下，对于宽带束模式来说，是非常难以满足离子束的剂量均匀度和其角度均匀度的要求的。而对于园形束来说，虽然，园形束本身不能提供均匀的剂量和角度的分布，但由于工件的二维机械扫描，可以在工件的表面达到均匀的剂量和角度分布。有鉴于此，还可以通过扫描束来实现低能量的离子注入。

本发明同时也提供了通过扫描束模式来进行低能量的离子注入的方式。

在上述离子注入机系统100中增加一个电磁扫描单元33，它可以是电场扫描器，也可以是磁场扫描器。它主要是利用随时间变化的电场或磁场给与离子束在角度校正磁铁15的偏转平面上以角度扫描，从时间平均的效果来说，相当于增加离子束的发散角。

图7为电磁扫描单元扫描园形束以增加园形束的发散角的示意图。在随时间变化的电场或磁场的作用下，离子束220获得角度偏转。角度偏转的范围在图7所示的231和232之间，231的偏转角度可以等于或不等于232的偏转角度。这样，离子束220就变成了扫描发散束，由其中心离子束220和其边界离子束231和232表示。电磁扫描单元造成的时间平均效果是，大大增加了离子束的有效发散角。电或磁扫描器的扫描频率可以是几十至几千赫兹。电扫描器通常是两个电极板产生时变电场，离子束从两个电极板之间的空间通过，如图7所示；磁扫描器通常是框型铁磁材料和绕在其上的线圈产生时变磁场，离子束从框形中间的空间通过。

图8说明了本发明离子注入机系统100工作在扫描束模式。对于扫描束模式，引出电极11采用其小发散角开口狭缝，调节四极磁铁30和31以减小离子束进入质量分析磁铁12的发散角，可以调节四极磁铁32以进一步减小从磁铁12出来的离子束的发散角，经过质量分析狭缝13后，离子束300的发散角远远小于宽带束模式的发散角。电磁扫描单元33安置在质量分析狭缝的下游，离子束330通过电磁扫描单元33后被扩展成扫描束，扫描束由其中心束300和边界束324和325表示。扫描束然后进入角度调整磁铁15，角度校正磁铁15被设计成能够接受扫描离子束，并能校正每一个被扫描的离子束的偏转角度，同时，角度校正磁铁15的磁极形状经过精心设计以减少各种像差畸变。在角度校正磁铁15的出口，扫描发散束被转变成了平行扫描束320，由其中心离子束300和其边界离子束326和327表示。

扫描宽带离子束320沿长轴x方向的宽度超过目标工件(硅晶片或玻璃板)的特征尺寸(直径或宽度)，而且，扫描宽带离子束沿长轴x方向的均匀度可以由调节电磁扫描单元的扫描速率来实现。因此，对于低能量离子束注入来说，扫描束模式解决了注剂量均匀度的问题，同时提供了一种进行低能量离子注入的方式。

对于扫描束模式，目标工件将在y方向(垂直纸面方向)多次扫描通过扫描束从而获得在y方向上的均匀的离子注入剂量，达到一维扫描。

本发明的离子注入机系统100能够工作在宽带束、圆形束和扫描束三种模式。该系统既能保持在能量大于5keV时的宽带束的产能优势，又能在能量小于5keV时，提供具有剂量均匀度和角度均匀度的大电流的离子束注入。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种多模式离子注入机系统，包括用于产生发散离子束的离子源、离子束传输系统以及目标工件扫描单元，其特征在于：还包括引出电极单元(11)、质量分析磁铁(12)、校正单元(41)(42)、质量分析狭缝(13)、角度校正磁铁(15)以及束流诊断单元(51)；所述引出电极单元(11)调整引出离子束的发散角；所述质量分析磁铁(12)让通过其的离子束在其下游形成焦点区，所述质量分析狭缝(13)设置在所述焦点区并纯化选择所述离子束；所述角度校正磁铁(15)校正通过其的离子束的发散角；所述校正单元位于所述角度校正磁铁(15)的上游和下游，所述校正单元(41)(42)为剂量和角度均匀度校正单元，其通过改变局部的电场或磁场来调整离子束的角度和位置；所述束流诊断单元(51)吸收离子束并监控测量离子束注入过程状态；发散离子束通过所述引出电极单元(11)、所述质量分析磁铁(12)、所述质量分析狭缝(13)、所述角度校正磁铁(15)以及所述校正单元(41)(42)产生一定模式的离子束；所述引出电极单元(11)包括成套引出开口狭缝，所述开口狭缝可相互切换，第一开口狭缝用以产生大发散角的离子束流，第二开口狭缝用以产生小发散角的离子束流，其另一开口狭缝用以产生具有汇聚角的离子束流；所述引出电极单元增加和减少其引出的离子束的发射角。

2.根据权利要求1所述多模式离子注入机系统，其特征在于：所述多模式离子注入机系统还包括四极磁铁单元；所述四极磁铁单元调节离子束的发散角，所述四极磁铁单元调节离子束的发散角以调节离子束的宽度；发散离子束通过所述引出电极单元(11)、所述质量分析磁铁(12)、所述质量分析狭缝(13)、所述校正单元(41)(42)、所述四极磁铁单元以及所述角度校正磁铁(15)可产生宽带束或/和园形束。

3.根据权利要求2所述多模式离子注入机系统，其特征在于：所述质量分析磁铁(12)和所述引出电极单元(11)间设有至少一个所述四极磁铁单元，所述四极磁铁单元调节从所述引出电极单元(11)输送来的离子束的发散角并将改变角度的离子束送入所述质量分析磁铁(12)；所述质量分析磁铁(12)和所述质量分析狭缝(13)间设有至少一个所述四极磁铁单元；所述四极磁铁单元调节从所述质量分析磁铁(12)输送来的离子束的发散角并将改变角度的离子束送入所述质量分析狭缝(13)。

4.根据权利要求2所述多模式离子注入机系统，其特征在于：所述多模式离子注入机系统还包括电磁扫描单元(33)，所述电磁扫描单元(33)位于所述质量分析狭缝(13)的下游，所述电磁扫描单元(33)包括电场扫描器或磁场扫描器，所述电磁扫描单元(33)通过随时间变化的电场或磁场对离子束在角度校正磁铁(15)的偏转平面上以角度扫描。

5.根据权利要求4所述多模式离子注入机系统，其特征在于：发散离子束通过所述引出电极单元(11)、所述质量分析磁铁(12)、所述质量分析狭缝(13)、所述校正单元(41)(42)、所述四极磁铁单元、所述电磁扫描单元(33)以及所述角度校正磁铁(15)产生宽带束、园形束或/和扫描束；所述电磁扫描单元(33)可不调节通过其的离子束的偏转角，所述电磁扫描单元(33)可通过其的园形束的偏转角以产生扫描束。

6.根据权利要求1或2或4任一所述多模式离子注入机系统，其特征在于：所述多模式离子注入机系统还可进一步包括偏转减速单元(34)；所述偏转减速单元(34)改变通过其的离子束的轨道并对该离子束进行减速；所述偏转减速单元(34)提供高电流低能离子束，并筛选掉高能量的中性粒子。

7.根据权利要求1所述多模式离子注入机系统，其特征在于：所述一定模式的离子束由宽带束、园形束以及扫描束组成；所述目标工件扫描单元在一维方向多次扫描通过其的宽带束和扫描束获取均匀的离子注入剂量；所述目标工件扫描单元在二维方向多次扫描通过其的园形束获取均匀的离子注入剂量；所述校正单元(41)(42)校正宽带束的均匀度；所述电磁扫描单元(33)通过调节其扫描速率来调节扫描束的均匀度。

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