CN104662637A - 具增加的自然频率的混合式静电透镜 - Google Patents

具增加的自然频率的混合式静电透镜 Download PDF

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Abstract

一种复合式静电杆(302a)可包括具有长度L及截面积A的本体。所述本体可包括具有第一材料的外部部分以及具有不同于第一材料的第二材料的核心部分，且所述核心部分被所述外部部分包围，其中复合式静电杆的自然频率大于具有长度L及截面积A的石墨杆的自然频率。

Description

具增加的自然频率的混合式静电透镜
技术领域
本发明是有关于一种离子射束布植系统，且特别是有关于一种射束线布植系统中的静电透镜以及用于所述静电透镜中的复合式静电杆。
背景技术
静电透镜应用于像是离子布植，以控制于其他操作中的射束能、聚焦、方向。图1显示现有的一种离子布植设备(离子布植器)100，所述离子布植设备包括离子源102、提取电极104、90°磁铁分析器(magnet analyzer)106、第一减速(D1)平台108、磁铁分析器110以及静电透镜112。D1减速平台(又可称为“减速透镜(deceleration lens)”)是由多个具有预定的孔径(aperture)的电极构成，以让离子射束114通过。通过施加不同组合的电压电位至所述电极，因而D1减速透镜能够控制离子能，并让离子射束在所需的能量下撞击目标晶片(target wafer)116。静电透镜112可具有多个杆状的电极，当离子射束114通过时，对所述电极施加不同组合的电压电位以操控离子射束114。上述减速平台108以及静电透镜112为典型的静电减速透镜。
图2a显示依照本发明的实施例现有的一种使用杆状电极的静电透镜200的侧视图。使用杆状电极的静电透镜200的透镜结构也可包括多组的电极，例如是一组入口电极202、一组或多组抑制(suppression)/聚焦(focusing)电极204以及一组出口电极206。各组的电极可具有空间/间隙，以让离子以离子射束210的中心射线轨迹(central ray trajectory；简称c.r.t.或是crt)并于偏向角95通过。杆状电极可由无污染(non-contaminating)材料制成，例如是石墨(graphite)、玻璃碳(glassy carbon)和/或其他无污染的材料。应理解的是，电极也可由具有低的热膨胀系数(thermal expansion coefficients)的材料所制成。
如图2a所示，使用杆状电极的透镜200中的电极可为″喇叭状″(flared)，以致于用于离子射束210的出口电极206处的开口大于用于离子射束210的入口电极202处的开口。因此，各组抑制/聚焦电极204处的开口可逐渐地增加或″喇叭状″地展开。此外，在离子射束210的crt周围可保持对称。杆状的电极杆能够在离子布植过程中有效率地提供偏向、减速和/或聚焦的独立控制。更如图2a所示，泵(pump)212可直接地或非直接地连接至外壳(housing)214。在一实施例中，泵212可为真空泵，以提供高真空环境或是其他经控制的环境。在另一实施例中，外壳214包括一个或多个套管(bushings)216。此些套管216可用以将外壳214与其他元件电性隔离。
在操作中，独立地对入口电极202、抑制/聚焦电极204以及出口电极206施加偏压，以致于离子射束20的能量和/或形状操控于接下来的方式。离子射束210可穿过入口电极202并以初始能量(例如是10至20千电子伏特(keV))进入静电透镜200。在入口电极202与抑制/聚焦电极204之间可加速离子射束210中的离子。在离子射束210到达抑制电极204时，离子射束210可具有例如是约为30keV或更高的能量。当离子射束210传播(propagate)于抑制/聚焦电极204与出口电极206之间时，离子射束210中的离子会减速至通常是接近于用于目标晶片的离子布植的能量。在一例子中，当离子射束210离开静电透镜200时，离子射束210可具有约为3至5keV或更低的能量。
在某些应用方面，特别是那些需要大型工件的布植，例如是300微米(mm)或是更大的晶片作为布植目标，有利于产生具有高纵横比(high aspect ratio)的杆状射束形式的离子射束，以致于射束的横截面在一维度(W)远大于其他维度(H)，如图2b所示。这些带状射束普遍使用于离子布植设备及布植系统中，其中移动单一工件(像是硅晶片或是平板显示器)以单一维度通过离子射束而移动。在本例子中，带状离子射束宽度W的横截面，也就是离子射束横截面的较长维度，远大于长度H。
为了制造稳定的离子射束，射束线元件(像是静电透镜)操作于稳定方式的是很重要的。传统的静电透镜元件由像是石墨的材料所构成，所述材料提供低污染至通过静电透镜的射束。然而，在此情况下，石墨杆会以自然频率震动，也就是材料的长度的特性。自然频率是指一旦元件(例如是杆或射束)被设定为动作时的震动频率。
请再次参照图2a，在电极204为石墨杆的情况下，震动造成于与在电极202至206之间通过的离子射束210的传播方向(Z)垂直的方向(Y)中电极204的间隔S的变动(fluctuation)dS。间隔dS的变动进而导致由通过静电透镜的离子射束210感应到的电场强度的变动。特别的是，静电透镜中的电场变动会根据静电透镜电极的振动频率而产生。请也参照图2b，此电场变动可能会干扰(pertub)离子射束210，从而引起在Y方向上的离子射束210的空间变动而导致不均匀的离子射束。
在离子布植过程中，可关于离子射束而移动晶片，并平衡由变动所造成离子射束中的任何非均匀性，而造成一个均匀布植的晶片。然而，偶尔地，由静电透镜震动造成的离子射束的非均匀性可能将其本身表示为晶片上形成微条带(micro-striping)，其表示在晶片上产生的非均匀的离子剂量，而每个条带表示一个区域的离子剂量不同于邻近区域。请参照图2b以及2c，假若晶片关于离子射束210沿着Y轴方向且沿路径220移动，微条带会形成条带222，其中于不同条带之间的离子剂量也不同。如图2c所示，条带的长轴可平行于离子射束210的长轴，也就是平行于X轴方向。特别是当电极的振动频率为相对低且晶片移动的速率为相对高时能够观察到此效果。原则上，通过以足够低的速度(如同在布植的基板的各区域中允许离子射束变动以彼此消除)关于离子射束来移动晶片，从而可降低或消除微条带效应。然而，需要消除微条带而减少晶片移动速度会造成基板的生产率减少。此外，当基板的大小增加，则可助于提供更宽的射束带，以及助于提供更宽的静电透镜来处理离子射束，此导致杆的长度延长超过一公尺。在此大小下，杆振动所造成的微条带问题会因为低振动频率和/或更大的杆的变动dS而更为加重。综上所述，静电透镜的结构上尚需要显著的改良。
发明内容
在一实施例中，复合式静电杆包括具有长度L及横截面A的主体。所述主体可包括具有第一材料的外部部分，以及具有不同于第一材料的第二材料并被所述外部部分围绕的核心，其中复合式静电杆的自然频率大于具有长度L及截面积A的石墨杆的自然频率。
在另一实施例中，静电透镜可包括第一组静电杆以及第二组静电杆。所述第一与第二组静电杆可定义出间隔，以在其间传送离子射束。所述第一与第二组静电杆的一个或多个静电杆可为复合式静电杆，所述复合式静电杆具有包括第一材料的核心，以及包括不同于第一材料的第二材料并围绕核心的外部部分。复合式静电杆的自然频率可大于具有长度L及截面积A的石墨杆的自然频率。
附图说明
为让本发明能更明显易懂，下文特举实施例并配合附图作详细说明如下。
图1显示现有的一种离子布植系统的示意图。
图2a显示现有的一种静电透镜的侧视图。
图2b显示图2a的静电透镜的端视图。
图2c显示根据图2a的静电透镜的基板处理的示意图。
图3显示本发明的一种静电透镜的示意图。
图4a显示本发明的另一种静电透镜的示意图。
图4b显示本发明的再另一种静电透镜的示意图。
图5显示复合式静电杆的一种实施例的示意图。
图6显示复合式静电杆的另一种实施例的示意图。
图7a显示根据一实施例的复合式静电杆的分解透视图。
图7b显示图7a中的组装的复合式静电杆的横截透视图。
图7c显示图7a中的组装的复合式静电杆的横截端视图。
图7d显示图7a中的组装的复合式静电杆的透视横截端视图。
图8显示复合式静电杆的示范性配置图。
具体实施方式
本发明揭示多种改良的静电透镜。在一些实施例中，所述静电透镜部署(deployed)于射束线布植器中，其中所述静电透镜定义一个孔洞或间隔，当离子源产生离子射束时用以供离子射束可通过。在一些实施例中，所述静电透镜用以提供静电场至带状离子射束。
在不同实施例中，提供一种静电透镜的改良的杆元件。改良的杆元件(或是称为静电杆)为细长(elongated)结构，其包括导电性的材料，例如是石墨。根据不同的实施例，静电透镜的静电杆包括复合式结构，其中石墨或其他合适材料形成环绕由金属材料制成的内部部分的外部部分。在不同实施例中，所述静电透镜杆包括也由所述外部部分环绕的中空部分。所述复合式静电透镜杆可具有相较于传统石墨杆大的比刚性(specific stiffness)。
在不同的实施例中，提供一种复合式静电透镜杆，其相较于具有相同于复合式静电透镜杆的大小及形状的传统石墨杆具有较高的自然频率(naturefrequeny)。在特定的实施例中，所述自然频率大于75赫兹(Hz)。较高的自然频率导致施加更快速的电场的变动到穿过由多个复合式静电透镜杆的组件(assembly)构成的静电透镜的离子射束。
图3显示本发明的一种静电透镜300的透视图。所述透镜300包括多个静电杆302，其被配置为上杆组件304以及下杆组件306。此处使用关于透镜的杆组件的术语“上”以及“下”为随意的且用以区分杆组件，其经配置以至于离子射束308(又称为中心射线轨迹(central ray trajectory))通过杆组件之间。具体而言，各静电杆302可耦接至独立于其他杆的电压源。然而，在某些情况下，大致彼此相对且相互设置于不同的杆组件中的一对静电杆可耦接至共同电压。提供至各对或静电杆302的电压可根据待提供至离子射束的所需场(filed)而不同于提供至其他的静电杆对的电压。
在本发明的实施例中，一个或多个静电杆302可为相较于传统静电杆具有较高自然频率的复合式静电杆，将在下文进行更进一步的讨论。在此方式下，静电杆在Y方向(也就是大致垂直于离子射束的传播(propagation)方向)的振动频率可足够高以减少离子射束的非均匀性(non-uniformities)，否则可能造成在工件(基板)上非均匀的布植，特别是当工件以预设方向进行扫描(例如可参见图2c，其中晶片沿Y方向移动导致不同离子剂量的条纹)同时暴露于离子射束308。
在特别显示于图3的本实施例中，一对静电杆302a显示为复合式静电杆。然而，其他静电杆302可以是(但不一定是)复合式静电杆。在一实施例中，基于提供至静电杆的电压，一对或多对的静电杆302可为复合式静电杆。举例而言，在减速透镜中，施加至连续的静电杆对组的电压会从位置1至位置5减少。因此，可施加相对高的电压至静电杆302a(配置于位置2，可为第一抑制电极)。由于施加至静电杆302a的相对高电压，任意空间的位移(特别是Y方向)相较于例如是在位置4(可提供较低的电压)上的相似空间的位移对于通过静电透镜300的离子射束308可具有较大的影响。因此，静电杆302a选择为具有高自然频率的复合式静电杆。在此情况下，即使静电杆302a的振动造成离子射束308明显的变动，此振动的频率可足够高以致于在工件表面上的离子射束变动被平均以提供均匀的离子剂量于工件上。来自其他对静电杆302(其被施加较低的电压，例如是位置3-5)的射束变动可产生较低的离子射束干扰。因此，配置于位置3-5的静电杆可为具有较低的自然频率的传统的静电杆。
各静电杆302可包括延伸于支撑结构310之间具有长度L的细长的结构，其中长度L大约为20公分(cm)至30cm。虽然并未明确显示，静电杆302可延伸通过支撑结构310，且可延伸超过支撑结构310的面向外部的表面312。各个杆的横截面可大致为椭圆形，或是可具有更复杂的横截面。在一些实施例中，外部大小及横截面形状可相似于传统的静电透镜杆的外部大小及横截面形状，除非此处另有揭示。举例而言，静电杆302在Y与Z方向的大小可介于传统静电杆的各别尺寸的二分之一至二倍的范围中。静电杆302沿着X方向的长度约可为传统静电杆的相对长度的10％以下，以致于静电杆302可替换于传统静电透镜组件中的一个或多个位置中。
图4a显示另一实施例的静电透镜400的侧视图。在本实施例中，静电杆402经配置使得于当施加电压至静电杆402时离子射束404的方向可如图示偏转。除了入口电极402a以及出口电极402b外，静电杆402的上组406可大致配置于平面中，而静电杆402的下组408沿着弧形配置。在图4的实施例中，静电杆对402c经架构为复合式静电杆以提供较高的自然频率。然而，在不同的实施例中，任何或全部的静电杆402可架构为复合式静电杆。
图4b显示另一实施例的静电透镜450的侧视图。在本实施例中，在电极的各个上组454以及下组456中的静电透镜的群组配置为复合式静电杆452，除了入口电极402a以及出口电极402b之外。所述复合式静电杆452的功能例如是可作为抑制电极。
在不同实施例中，一对相对的静电杆之间的间隔(其中一静电杆位于上杆组件中，且与其对应的静电杆位于下杆组件中)约为5至30cm。因此，对于长度L等于或大于30cm的静电杆，静电杆的长度可远长于介于相对的静电杆之间的间隔。沿着Y方向在此相对长的静电杆中的振动可足以造成相对的静电杆的间隔显著改变，且因此可显著地影响在操作期间由静电杆所定义的静电场。基于这个原因，本实施例中提供改良的复合式静电杆而没有消除震动，增加了静电杆的自然频率以增加电场变动的频率，从而增加离子射束的干扰频率。
复合式结构包括用以赋予强度至静电杆的内部部分，以及大致环绕且包住所述内部部分的外部部分。内部部分(或称为核心)可由材料像是赋予刚性至静电杆而足以增加其自然频率大于相同大小的石墨静电杆的特性的金属所构成。
图5显示根据实施例的一种复合式静电杆500的透视图。静电杆500包括核心502以及外部部分或外壳504。在不同实施例中，外部部分504可经选择以提供材料在静电杆500的外部部分表面506上，其提供低污染(contamination)源至离子射束。在一些实施例中，外部部分504由石墨制成，例如是传统静电杆所使用的石墨材料。在一些实施例中，外部部分504为硅材料。
在不同实施例中，核心502包括例如是铝(aluminum)、钢(steel)、碳(carbon)复合物或其他复合物的材料、或适用于赋予相较于大小相同的石墨杆更大的刚性至静电杆500的电极的其他结构材料。在此情况下，静电杆500的自然频率会增加，将在下文进行更进一步的讨论。
图6显示另一种实施例的静电杆。静电杆包括石墨外壳604以及金属核心602。静电杆600还包括中空部分606，其大致配置介于石墨外壳604与金属核心602之间。静电杆600可包括连接器部分608，所述连接器部分608延伸于石墨外壳604与金属核心602之间。连接器部分608接触并支持金属核心602，以对于静电杆600产生单一刚性结构(single rigid structure)。在不同的实施例中，连接器部分608可广泛地加大以提供中空部分606的大空间。在此情况下，基于静电杆600预设的整体大小和金属核心602预设的整体大小，可将静电杆600的整体重量最小化。由于静电杆600的重量最小化，静电杆600的自然频率会最大化，详述如下。
在一些实施例中，复合式静电杆可包括多个部分，所述部分可为可逆组装或不可组装的，而在其他实施例中，所述多个部分在初始组装后可保持其组装配置。图7a显示额外实施例的一种静电杆700的分解透视图。图7b显示一种组装的静电杆700的沿A′-A′的横截透视图，而图7c显示一种组装的静电杆700的沿B-B′的横截视图。
静电杆700包括上外壳702、下外壳704以及核心706，其中，术语“上”与“下”仅是用以区别外壳704、706。上外壳702与下外壳704可由石墨所制成。在图7a的实施例中，上外壳702、下外壳704以及核心706可使用扣件(fastener)708与710(可以是螺钉(screw)和垫圈(washer))结合以形成单一杆。在一些实施例中，核心706可包括孔洞712，且所述核心可具有大写字母“I”形状的横截面(垂直于由长度L所定义的长度方向)，如图7c与7d所示。当组装后，上外壳702与下外壳704环绕核心706。组装的结构定义出介于核心706与环绕的上外壳702、下外壳704之间的多个中空区域710。只要维持核心706的形状和整体大小，则静电杆700的三个部分结构允许核心706使用不同的核心材料。因此，为了改变核心706的属性，铝制杆可以改用钢制杆或是复合材料杆。
根据不同的实施例，静电杆的自然频率通过增加相较于传统石墨杆的静电杆的特定强度比例而增加。如图所示，静电透镜的静电杆固定于两端，以致于其行为可近似于长度L及横截面积A的柱(固定于两端并支撑重量m)的行为，也如图7a所显示。此柱的振动的自然频率F可表示为F＝(k/m)1/2，其中k为柱的刚性。参数k可等于AE/L，其中E为包括柱的材料的弹性系数(elastic modulus)。因此，与纯石墨柱的弹性系数相比，具有强度大于石墨的核心材料的复合柱的制作可倾向于增加复合柱的平均弹性系数EAV。换句话说，假使在复合柱中的柱的质量增加，则自然频率会减少。
因此，在一些实施例中，可选择核心材料，以致于所述核心材料具有由E/m表示的较高弹性系数对重量的比率(相较于石墨)。在其他实施例中，复合式静电杆的核心材料可具有相较于石墨高的弹性系数，但并不一定具有相较于石墨高的E/m比。相反而言，复合式静电杆可被提供足够的中空部分，以提供整体相较于体积相同的石墨高的E/m比。
根据不同的实施例，复合式静电杆的长度L可约为60至90公分，而静电杆的横截面在垂直于射束行进方向的方向上可为细长的，如图4(a)与图7(c)所示。在一些实施例中，复合式静电杆的高度t可约为3至5公分，而横截面可包括具有半径约1至2公分的弯曲部分，以致于宽度D约为2至4公分，如图7c所示。此可致使复合式静电杆的整体自然频率等于或大于70Hz。
在一实施例中，具有石墨外部部分以及铝核心的复合式静电杆基于75公分的杆长显示出的自然频率为至少75至80Hz。在其他实施例中，核心可包括铝合金(aluminum alloy)、钢(steel)或提供更高强度重量比的复合物，且因此具有较高的自然频率。在一实施例中，复合式静电杆可包括由具有硅的薄外部部分包住的金属核心。举例而言，外部硅部分可以是硅的涂层，其通过任何便利的技术应用至金属核心。
与本实施例一致，离子布植系统可采用复合式静电透镜以改良离子布植过程的均匀性。特别是，复合式静电透镜可显示出增加的自然频率，导致比传统使用石墨静电杆的静电透镜所显示的电场变动更快速至少20％。其结果是，通过静电透镜的离子射束的离子密度中的变动更为快速，导致在工件表面处的更快速的离子射束变动。在工件表面处的离子射束的更快速的变动可表现如同在工件表面的射束电流(离子)密度的更快速的变动。当离子射束(像是带状(ribbon)离子射束)在晶片上扫描时，更快速的离子密度变化可将扫描于离子射束下的晶片的各区域处接收到的离子通量(ion flux)平均，以致于来自离子射束的晶片微条带可减少或消除。通过本实施例提出的减少基板的微条带的结果为扫描速度增加，也因此基板的生产率会增加。
图8显示一实施例的部分的静电透镜800的透视图。静电透镜800包括上述的静电杆600，所述静电杆可配置于上静电杆组件802与下静电杆组件804二者中。在操作中，为了定义电场以操控离子射束806，从而施加电压电位于各静电杆600。各静电杆600可振动于一个或多个振动模式的自然频率特性。一种模式可由沿着Z方向的频率FZ所定义，而另一种模式可由沿着Y方向的频率FY所定义。发生于Y方向的振动对于离子射束的均匀性会特别有问题，如前文所述。然而，发生于Z方向的振动也会干扰控制离子射束806的电场。在本实施例中，静电杆600用以提供于Y方向的振动高于石墨杆的自然频率的自然频率FY。在特别是采用铝核心的实施例中，自然频率FY与FZ大于70Hz，而在一些实施例中大于100Hz，其可提供相较于石墨静电杆所提供的自然频率高约20至50％的自然频率。
增加静电透镜杆的自然频率的结果与增加离子射束806的变动的频率成比例。当以相同于由复合式静电杆所提供的自然频率增加的比例增加扫描速度时，将可维持于工件处的离子剂量的均匀性。对于其中通过仅具有传统石墨静电杆的静电透镜的离子射束于工件处产生微条带的扫描速率而言，通过本发明的复合式静电杆提供的增加的自然频率可降低或消除微条带。
本发明不限制在此处介绍的特殊具体实施例的范围内。实际上，其他不同实施例和目前揭示的改良方法(除了此处所述外)由前面叙述和附图，对于此领域的现有技术人员是显而易见的。
因此，这些其他实施例及改良方法将倾向于落入本发明的范畴内。此外，虽然本发明已叙述于本文的用于特殊目的的特殊环境的特殊落实方法的上下文中，对那些本技术领域的技术人员而言，将理解本发明的用处将不限制于此且本发明可有效益地落实于任何数量的目的的任何数量的环境中。因此，应该以本文所叙述的本发明的完整广度及灵感的观点来解释以上阐述的申请专利范围。

Claims (15)

1.一种复合式静电杆，包括：
主体，包括长度L以及截面积A，所述主体还包括：
外部部分，包括第一材料；以及
核心，包括不同于所述第一材料的第二材料，且被所述外部部分环绕，其中复合式静电杆的自然频率大于具有所述长度L以及所述横截面积A的石墨杆的自然频率。
2.根据权利要求1所述的复合式静电杆，其中所述复合式静电杆的强度重量比大于具有所述长度L以及所述横截面积A的所述石墨杆的强度重量比。
3.根据权利要求1所述的复合式静电杆，包括中空部分，所述复合式静电透镜杆的强度重量比大于具有所述长度L以及所述横截面积A的所述石墨杆的强度重量比。
4.根据权利要求1所述的复合式静电杆，其中所述外部部分包括石墨，且还包括配置介于所述核心与所述外部部分之间的中空部分。
5.根据权利要求4所述的复合式静电杆，其中所述核心包括铝，且还包括多个扣件，所述扣件从所述外部部分延伸至所述核心，并可操作地以固定所述核心至所述外部部分。
6.根据权利要求1所述的复合式静电杆，其中所述外部部分包括两个子部分，所述核心与所述子部分可操作地以可逆地组装为复合式静电透镜杆，当组装时，所述子部分的定义于静电杆中的一个或多个中空区域。
7.根据权利要求1所述的复合式静电杆，包括细长横截面，所述细长横截面具有彼此相对配置的弯曲部分且分别具有半径1至2公分。
8.根据权利要求1所述的复合式静电杆，其中所述核心包括“I”型横截面以及多个空洞。
9.一种静电透镜，包括：
第一组电极，包括第一组电极杆；以及
第二组电极，包括第二组电极杆，
其中所述第一组电极杆及所述第二组电极杆定义出间隔，用以传递离子射束于所述间隔；
所述第一组电极杆及所述第二组电极杆的一个或多个电极杆包括复合式静电杆，所述复合式静电杆包括：核心，包括第一材料；以及外部部分，包括不同于所述第一材料的第二材料，并环绕于所述核心，其中所述复合式静电杆包括主体，所述主体包括长度L以及横截面积A，且其中所述复合式静电杆的自然频率大于具有所述长度L以及所述横截面积A的石墨杆的自然频率。
10.根据权利要求9所述的静电透镜，其中所述复合式静电杆包括中空部分，配置于石墨外部部分中。
11.根据权利要求9所述的静电透镜，其中所述外部部分包括金属，所述金属的强度重量比高于具有所述长度L以及所述横截面积A的所述石墨杆的强度重量比。
12.根据权利要求9所述的静电透镜，其中所述复合式静电杆具有以第一长度定义的长轴，各复合式静电杆具有自然频率高于具有所述第一长度的石墨杆的自然频率。
13.根据权利要求9所述的静电透镜，其中所述间隔定义用以传递带状离子射束的空间。
14.根据权利要求9所述的静电透镜，其中所述复合式静电杆包括第一外壳部分、第二外壳部分及核心，所述第一与第二外壳部分用以在组装后包住所述核心。
15.根据权利要求9所述的静电透镜，其中所述复合式静电杆包括铝核心以及石墨外部部分。
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