CN1089186C - 重离子束的快速磁扫描 - Google Patents

Abstract

在所选表面上进行离子束扫描的磁偏转装置(34)，包括：一个具有带各自扫描线圈(58)和各自极面(52)的磁极的磁扫描结构(50)，该磁极面限定了离子束通过(13)其间的一个缝隙(54)；一个与扫描线圈(58)耦合的初级电流源用于向扫描线圈(58)施加一个激励电流，以在所述缝隙(54)中产生一极性交替变化为时间的函数的、单极的振荡磁场(56)，以进行离子束扫描(13)，该单极磁场(56)具有大于零的强度，以便当离子束(13)扫描过所选表面时，防止离子束(13)的横截面在尺寸上出现波动。

Description

重离子束的快速磁扫描

本发明涉及磁装置，诸如扫描元素的原子和分子的重离子束的离子注入器。

在许多工业和科学应用方面需要用离子束对某些表面进行均匀地辐射。例如，诸如硅晶片的半导体的整形(modification)经常是通过离子注入器来实现，利用一特定种类和能量的离子或分子束对表面进行均匀地辐射。因为晶片或基片的物理尺寸(例如，直径约5英寸或更大)大于辐射束的横截面积(例如，直径约2英寸或更小)，所以所需的均匀辐射通常用离子束对晶片进行扫描或使晶片通过离子束的扫描，或这两种技术的结合来实现。

由于以下原因，其显著的优点是在整个基片上具有高的束扫描速率：辐射均匀大大地避免了离子束通量的变化；在低辐射量等级上，较高的晶片通过量是可能的；和对于高辐射量应用，大大减小了因局部表面带电、热波动，和诸如溅射的局部粒子感应现象引起的溅射和辐射危害。

仅以往复机械运动为基础的扫描技术在速度上很受限制。晶片按弧线通过离子束的运动大大改进了扫描速度，但需要将许多晶片或基片同时装入一个旋转的转盘传送带，以便获得离子束的充分利用。

在一个通常的技术中，用一个时变电场使离子束来回地以一个方向进行扫描，而晶片在另一方向往复地运动。在这种混合型的注入器中，离子束以及对晶片进行处理的速率分别受到在该时变电偏转场的区域中起作用的空间电荷力的限制。这些力使得离子束中的离子向外散射，产生了一个难以处理的大离子束包络。这种空间电荷限制也发生在使用时变电场以双向扫描离子束的注入器中。

空间电荷散开(space-charge blow-up)是离子束的横向速率沿该离子束轴随距离增加的速率。它正比于质量规一化离子束导流系数 $\mathrm{\ζ}=I{M}^{\frac{1}{2}}{E}^{-\frac{3}{2}}$

其中I是离子束流，M是离子质量，而E是离子能量。(见The Physics andTechnology of Ion Sources，Ed.lan G.Brown，John Wiley & Sons，NewYork1989).对于离子束注入器中遇到的典型离子束构形来说，空间电荷作用变得限制在这样的一个导流系数下，即ζ＝0.02[mA][amu]^1/2[keV]^-3/2。于是，一个80keV砷离子束变成限于在-1.7mA的空间电荷，而一个5keV离子束变成限于在-0.03mA的空间电荷。因而，利用振荡的电场进行离子束扫描是不适用于需变效率的商用离子注入器的，在这种离子注入器中，离子束流最好大于几个毫安，即使在能量如10keV那么低时。

在注入器中产生用于高频时变磁场用于扫描的离子束的扫描磁体由美国专利5,311,028号中发明人之一进行了描述，在该专利中，呈轭状并由相对薄的电绝缘材料分离的高导磁率叠片构成的扫描磁体能被用来以直至1000Hz的频率扫描高导流系数重离子束。

本发明针对能够发生并在磁离子束扫描中已观测到的、所不希望的等离子体情况，提供了增强离子束扫描的辐射均匀性、精度和可重复性的技术。当用于扫描离子束的扫描磁场经过或接近于零时，这种效果表现为离子束发射中的一种突然变化(即，当显示在离子角对位置的曲线(a plot of ion angle versus position)上时由所有离子占据的面积)。

根据本发明的一个方面，发明了一种磁偏转装置，它基本上消除或补偿了上述不希望出现的效果，用于产生一个以至少20Hz的基础频率调制的强磁场，以便均匀地进行离子束扫描，该磁装置包括：一个具有带各自极面的磁极的磁扫描结构，该磁极面限定了离子束通过其间的一个缝隙，所述磁扫描结构至少部分地包括高导磁率材料的叠片，每片的厚度在0.2和1毫米之间的范围，所述叠片通过薄的电绝缘层隔开，所述叠片为强磁场的基频和较高次谐波成分提供了低磁阻磁性导磁通路，这些叠片用于将感应的涡流限制在各自叠片中局部通路内的限制值内；和与所述磁扫描结构相关联并由一扫描电流源供能的扫描线圈，选择所述扫描电流源为所述扫描线圈施加一激励电流，在所述缝隙中产生一单极的、强度在一预选的最小值之上为时间的函数的扫描磁场，使得以20Hz的频率进行离子束的扫描，所述最小值是大于零的值，以便当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现起伏。

一个与时变磁扫描场相关联的感应电场根据该扫描磁场强度的相对变化感应地加速或减速离子束中的起中和作用的电子。当该扫描磁场减小到一个小的强度时，离子束内的起中和作用的电子将扩展超过一相当于或大于该离子束横截面的区域。相反，当该磁扫描磁场强度增加到大于例如约50高斯时，该起中和作用的电子被压缩到小于该离子束的横截面的区域内。本发明人相信，由于上述感应电场引起的电子密度的再分布产生了一种等离子效应，这种效应使得离子束的发射以已知的方式波动。

根据本发明的新颖的扫描装置提供一种磁回路，该磁回路使在所述缝隙中的磁场强度保持在一充足的水平，以便当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现相当大的起伏。

因此，本发明人发现了一种均匀扫描离子束的磁装置，它使得离子束在尺寸方面的变化或波动最小化，并能够以高速、高精度和改进的导磁率重复地进行扫描。

本发明的优选实施例包括一个或多个下列特征。

在所述缝隙中的磁场强度最好是至少50高斯，最佳为至少200高斯。提供有一个包括上述偏转装置的设备，该设备最好包括一个离子束源，用于将离子束引入所述缝隙。该装置最好还包括一个安排用于对具有接受离子束扫描的所选面的半导体基片进行定位的末端部件。

在某些实施例中，所述源被定位将离子束引入紧紧接近于由两极面所限定的缝隙的一侧。在某些其他实施例中，离子束沿一第一束路径进入磁体，时变磁场使该离子束在一扫描平面中发生偏转。

在某些优选实施例中，离子束沿一第一束路径通过所述缝隙，且设置有一个直流扇形准直仪磁体，用以在离子束已通过所述缝隙和由于单极扫描磁场的影响的结果其已被偏转到第一束路径的一侧之后接收该离子束，该扇形磁体被安排成向该扫描离子束施加一静态磁场，该磁场以一远离第一束路径的方向在所述扫描平面中偏转该扫描离子束，以便在所有时刻该离子束都相对于第一束路径的方向成一角度，以使得可能存在于该离子束内的中性粒子的大部分在该离子束向该所选面辐射之前从该离子束中除去。该直流扇形磁体最好包括按照大于二阶多项式描述的形状成型的轮廓，最好该多项式为四阶。一个重要的实施例包括一个在临近于该离子束的地方设置用于检测离子束的横向位置的束收集杯，和与该收集杯耦合的装置，该装置用于根据由收集杯检测的离子束位置，将所述直流扇形磁体之静态磁场的强度调整到所选值，以便基本上控制该离子束以此射到所选面上的角度。

在另一重要的方面中，本发明的特征在于一个在该磁装置范围内从离子源向末端部件延伸的真空壳体，由此，当在真空状态下离子束从离子源移动到末端部件时，该离子束被直接暴露在偏转系统的表面中。

在又一个方面中，本发明提供一种离子注入装置，包括一个磁偏转装置，用于产生一个以至少20Hz的基础频率调制的强磁场，以在一所选表面上用离子束进行扫描；一个离子源，用于在离子束中提供一所选离子形式；一个安排在扫描离子束的路径中用于对具有接受所述离子束扫描的所选面的半导体基片进行定位的末端部件；和一个围绕所述磁偏转装置从所述离子源向末端部件延伸的真空壳体，其中当在真空状态下离子束从所述离子源移动到所述末端部件时，所述离子束被直接暴露在所述偏转系统的极面中；所述磁偏转装置安排成使所述离子束均匀地扫描位于所述末端部件上的所述基片；所述磁偏转装置包括：一个具有带各自极面的磁极的磁扫描结构，该磁极面限定了离子束通过其间的一个缝隙，所述磁扫描结构至少部分地包括高导磁率材料的叠片，每片的厚度在0.2和1毫米之间的范围，所述叠片通过薄的电绝缘层隔开，所述叠片为强磁场的基频和较高次谐波成分提供了低磁阻磁性导磁通路，这些叠片用于将感应的涡流限制在各自叠片中局部通路内的限制值内；和与所述磁扫描结构相关联并由一扫描电流源供能的扫描线圈，选择所述扫描电流源为所述扫描线圈施加一具有约20Hz或更高基频以及相当高阶谐波的激励电流，在所述缝隙中产生一单极的、强度在一预选的最小值之上为时间的函数的扫描磁场，使得以至少20Hz的频率进行离子束的扫描，所述最小值是大于零的值，以便当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现起伏。

根据该方面的优选实施例包括至少一个扇形磁体，该扇形磁体被设置在离子束的路径中，用于在中性粒子射到所选表面之前以一种使中性粒子从离子束中分离的方式，以朝着所选表面的方向偏转离子束。

在另一个方面中，本发明提供一种在整个所选面中进行离子束扫描的方法，该方法包括下列步骤：提供一个具有带有各自扫描线圈和各自极面的磁极的磁扫描结构，该磁极面限定了离子束通过的其间的一个缝隙；沿一第一路径把离子束送入所述缝隙；在所述扫描线圈中产生一激励波形，以在所述缝隙中生成一个单极的、强度在一预定的最小值之上为时间的函数的扫描磁场，使离子束扫描到第一束路径的方向的一侧，所述最小值是大于零的值，以便当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现起伏；和在所述离子束已通过所述缝隙之后，进一步偏转所述离子束离开所述第一束路径，以便该离子束相对于所述第一束路径的方向成一角度，以使得可能存在于该离子束内的中性粒子在该离子束辐射到该所选面之前从该离子束中除去。

通过下面的描述和权利要求，本发明的其他特征和优点将变得更明显。

图1是一个包括扫描器磁体的优选离子束装置的示意图，该磁体作用于离子束上，以对晶片的表面进行辐射。

图2是图1所示离子束装置的透视图。

图3是图1离子束装置中使用的磁体的透视图。

图4是一个具有束集中电极的束收集杯的透视图。

图5是设置在一磁体的极面上的硅衬板的透视图。

图6是通过扫描线圈的激励电流作为时间的函数的变化示意曲线。

图7是在所述晶片表面上氧离子束流作为扫描磁场强度的函数的变化曲线。

图8是电子回转半径作为磁场强度和电子能量的函数的曲线。

图9是作为时间函数的振荡磁场的曲线，该曲线示出了感应电场加速或减速电子的方式。

图10是说明当磁场强度随时间降低时，感应减速如何使离子束中电子轨道向外旋转的示意图。

图10A是说明当磁场强度随时间降低时，感应加速如何使离子束中电子轨道向内旋转的示意图。

图11是一个包括扫描器磁体的替代的离子束装置的示意图，所述磁体作用于离子束上，以对晶片的表面进行辐射。

参考图1和2，离子注入器2包括一个扫描器磁体34和一个准直仪磁体80，它们被用于以一种根据本发明的方式传输和扫描高导流系数的重离子束。通过一个在扫描器磁件34中的工作缝隙54中产生的时变磁场用该离子束进行扫描。该扫描器磁体这样定向，即磁场是在垂直的X方向上，该磁场作为时间的函数使得离子束在YZ平面中来回地偏转。利用该扫描器偏转该离子束，以在整个时间上描述出一个扇形包络40，如图2所示。准直仪磁体80向设置在该准直仪的极片87之间工作缝隙88的离子束施加一个基本上与时间无关的磁场。

由该准直仪产生的磁场进一步使离子束在YZ平面内以离开通过该扫描器的原来束轴的方向偏转(即，与由扫描器磁体产生的偏转有着相同的意义)。该准直仪的入口极边缘84和出口极边缘86有特定的轮廓以对离子束进行偏转，以便从该准直仪中射出的离子束的主轴基本上是横定的，与由扫描器磁体产生的偏转角无关。因此，作为时间的函数，离子束对定位在100和101之间的晶片35的表面执行并行扫描。

所述晶片被安装在台板42上，并在X方向沿直线或弧线路径机械地上下移动89，使离子束32以每秒最多一或两次的通过速率进行离子束扫描。通过使用高的磁扫描频率，最好至少20Hz，最佳为100至500Hz，相对于机械上下移动的频率来说，仅使晶片通过离子束一次，就使晶片表面的大部分得到辐射。这样，在仅通过离子束几次以后就完成了该晶片整个表面的均匀辐射。

我们业已发现，如果扫描磁场通过零或小于约50至200高斯，则在晶片表面的横向束尺寸方面发生显著的波动。这种波动(如果留下未被校正)能降低辐射的均匀性。本发明通过使用产生时变、单极磁场的电流波形激励扫描器的线圈58，实现了表面辐射均匀性的大大改进，所述时变、单极磁场具有一最小的强度，它大得足以当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现相当大的起伏。

产生诸如那些从硼、氮、氧、磷、砷、或锑的元素中得到的重离子，并构成由离子源4(见，例如，The Physics and Technology of Ion Source，Ed.Ian G.Brown，John Wiley & Sons，New York 1989)提供的离子束6。该离子源产生如等式1限定的很高导流系数的离子束，和一个可调整电压电源5被用于将该离子束加速到一个可调能量，直至约每个电荷状态80千电子伏特(keV)。通过离子束6的激励产生的电子被俘获或被吸持在该离子束内。这样，在没有外部电场和绝缘面时，离子束变得接近于电中性。在上述的情况下，离子束可在离子注入器2中的高真空区域中传输，而不会由于推斥空间电荷力的作用呈现出束扩散。

通过一个扇形弯曲的磁体8共同作用对离子束中的原子或分子形式提纯，该磁体8包括有极片9，和一个分解狭缝10。所述极片限定了它们之间的接收离子束6的工作缝隙7。一个在X方向的静态磁场使离子束在YZ平面内偏转，并根据离子动量与电荷之比率(即，Mv/q，其中v是该离子的速度，q是离子的电荷，而M是前面等式1所限定的离子质量)对通过狭缝10传送的离子形式进行提纯。该离子形式可以被正地或负地充电。我们注意到，利用典型的离子源可很容易地产生大量的充有正电的离子。该扇形磁体8具有适于使从该磁体中射出的离子束12聚集成或多或少呈带状束的极帽，在所述带状束中，窄的宽度与分解狭缝10相对应(见，例如H.A.Enge，″deflecting Magnets，″公开于Focusing ofcharged particles，vol.III，Ed.A.Septier，Academic Press，New York 1967)。

在许多应用中，需要一个后加速器14获得最终所需的能量。通常，这是通过利用一个合适极性的高电压电源分别沿第一和最后电极18、16之间的离子束路径生成的电势差静电地实现，以使该第一和最后电极之间的电场朝着最后电极的方向加速重离子。利用绝缘环24使两电极彼此相互电绝缘。通过反向电源20的极性能够实现减速。可以对一个中间电极22的电势差进行调整，以便通过改变电源23的电势差聚集离子束。一个抑制器电极26被安装在后加速器的负端，以防止起中和作用的电子从由于空间电荷效应趋于引起束散射的离子束中泄露出。

一个最终能量弯曲磁体36被设置在扫描器磁体34的上游。弯曲磁体36具有曲极片31所限定的工作缝隙37。弯曲磁体36在X方向产生一个在YZ平面中使束弯曲的静态磁场。一个第二分解狭缝11进一步对离子束中的离子形式进行提纯。

离子束在真空腔44中从源4被传送到晶片35，通过真空泵46使该真空腔被保持在高真空条件下。

扫描器磁体34的基本结构被显示在图3中。磁轭50由薄的强磁性叠片51构成，该叠片最好具有0.2至1mm的厚度，具有相对更薄的中央叠片绝缘材料(例如，0.03mm的环氧浸渍式纤维素)。极面52限定了其间的工作狭缝54，在该狭缝中，通过用具有叠加在如图6所示的与时间有关的振荡成分上的充足直流成分的电流激励扫描线圈产生的时变磁场，允许并在一个与极面52平行的平面中对高导流系数、重离子束来回扫描，以确保当该离子束正对极片进行辐射时，复合时变磁场决不改变极性，和决不变得太小。如前所述，对弱时变磁场的避免消除了在晶片上横向离子束尺寸方面的波动，其依次改善了整个晶片的辐射均匀性。作为用根据图6的偏置三角波电流激励扫描线圈的结果，使得离子束做出偏移扫描，即总是偏转向束进入方向的一侧，如图1和2所示。

离子注入器被设计的使产生偏移扫描所需的激励功率需求最小化。正如图6所示，为了产生偏移扫描，磁场强度必须是要求产生类似于由同等地将离子束偏转到进入束方向两侧的相当大的振荡磁场实现的偏转范围所需最大场强的两倍以上。对于在Y方向上不变的扫描器工作缝隙宽度，加倍的最大场强导致了激励功率的成比例加倍。为了避免由于使用大的缝隙宽度所导致的过高的功率，扫描器磁体这样设置，即对于该工作缝隙的一侧和相对侧，离子束的入射轴更靠近于该工作缝隙的一侧。以离开所述缝隙该侧的方向偏转该离子束靠近该束的入射轴，并朝向该缝隙的相对侧，如图1中所示。

正如图1中所示，扫描器磁体被整体设置在真空腔44中。除了中间叠片绝缘材料的边缘的很小区域外，面对离子束的极面是电导通的并被保持在地电位，以避免在该束的附近产生电场，这是为防止空间电荷力影响高导流系数重离子通过该扫描器磁体缝隙的传输所必须的。出于相同的原因，通过电接地屏蔽59使离子束不被所述线圈的绝缘表面和到达与来自该线圈的电导线所察觉。如果该真空腔通过工作缝隙和扫描器磁体的极面之间，则对于一个其中允许束通过的任意工作缝隙，该磁场强度和此后功率需求将会大大增加。为了避免在真空壁中感应出大的涡流，真空壁自身必须由半导体材料制成，或是类似于除非强磁性叠片外的扫描器磁体的叠层结构。

以上描述的叠层结构是一种用于在所述工作缝隙中产生具有最小功率需求和最小涡流阻抗损失的强磁场的方法。其他详细描述，和该扫描器磁体之基本结构的替换形式由H.F.Glavish在1994年5月10日的美国专利5,311,028中，和由H.F.Glavish与M.A.Guerra，在Nucl.Instr.& Methods，B74(1993)397进行了描述。

上述参考资料还描述了铁氧体而不是叠片的使用，用于避免大的涡流的目的。铁氧体材料比叠片贵的多。而且，当今的材料还不能支持这样的强磁场。铁氧体材料是一种电绝缘体。因此，如果它被用于所述的极片或面对离子束的表面的任何部分，则必须或使用如图5所示的硅屏蔽罩、或使用被构造以消除涡流效应的电导线丝网或网格使这些表面与离子束屏蔽开。

参考图5，图5示出了将离子束132与极面130屏蔽开的薄的硅衬垫131。纯硅被用作衬垫有两个原因。第一，因为该衬垫由硅做成，所以由该衬垫导致的任何被溅射的粒子将至少是与例如硅晶片衬底相一致的，不会损害和降低在该被辐射晶片上构成的器件的质量。第二，因为硅是电导体，它在该束的周围限定了一个横定电势，此外硅的电导率很低，因此硅能被使用在具有可接受小涡流效应的扫描磁体中。硅可被用作诸如准直仪80的直流磁体的衬垫，以便避免晶片的溅射损害。

几个电子伏特能量的电子由在真空系统中离子束中的离子与残留气体分子的相互作用来产生(见，例如见A.J.T.Holmes，Beam Transport of the Physics andTechnology of Ion Sources，Ed.Ian G.Brown，John Wiley & Sons，New York1989)。在离子束附近，这些电子在中和所有(而不是少量)与该离子束的离子相关的正电荷中起着一个重要的作用。在一些实例中，起中和作用的电子也可由热灯丝或等离子枪直接产生，但这对于典型的高导流系数重离子束通过磁体和在典型的离子注入器中找到的场自由区的传输来说通常不是必须的。以在离子注入器中使用的大约10-6乇的真空度，利用该离子束在几分之一毫秒内产生充足数量的电子，以保持该离子束的电中性。

由于相对于离子束的横向位置变化速率来说，有着很高的电子产生速率，所以，迄今人们一直认为有害的与时间有关的空间电荷效应在离子注入器中使用的离子束的磁体扫描中是不存在的。确实，对于本领域的技术人员来说，相对于空间电荷效应来说，该扫描器的磁场通常被认为是准静态的。

然而，我们已经发现，当在缝隙中的磁场强度通过或接近于零时，等离子效应将表现为一种离子束中的突然改变。在图7中示出了我们实验数据的一个例子，其中，生动地说明了一个高导流系数178kev，150Hz扫描氧离子束流是如何经历一个接近于零场强的≌0.7％的突然波动的。所示数据所采用的扫描频率f＝150Hz，相位范围φ＝-70°至φ＝60°，其中φ＝360ft。随相位变化的振荡磁场(以高斯为单位)由下列等式描述

B＝706.5(φ/90)-61.28(φ/90)²-123.7(φ/90)³+22.4(4/90)⁵

                     (-90°≤φ≤90°)    (2)

图7中所示的接近于零场强的波动是只有一次扫描扫过的情况，但它以连续的扫描精确地重现了其自身。由于一个有限孔径被设置在离子束流测量装置之前，所以，在图7所示数据中的被测离子流对于在束的相位空间辐射中出现的变化是敏感的。如果上述效应不被大大地消除，或通过激励波形的适当校正进行补偿，则可能会导致1％或更大的辐射不均匀性。

在有磁场B存在的情况下，离子束的起中和作用的电子将受到洛伦兹力和以如下角频率绕该磁场回旋：

             ω＝E/mB             (3)

其中，B＝|B|是该磁场的强度，m是电子的质量，而e是电子的电荷。当投射到与B成直角的一个平面上时，这些电子描绘了一个半径如下的圆： $r=\frac{\mathrm{mvt}}{\mathrm{eB}}--\left(4\right)$ 其中，Vt是指向磁场B方向的电子速度水平分量。与轨道运动相关的能量为 $U=\frac{1}{2}m{v_t}^2--\left(5\right)$

因为电子回转频率的大小(w＝17.6MHz每高斯)大大于该磁场的扫描频率(约1KHz或更小)，所以，在对于发生在半径r内的小波动变化的意义上，该电子轨道运动是不传热的，围绕B电子将做出多次回转。参考图8，绘出了该电子回转半径作为电子能量和磁场的函数的曲线。在小于几十高斯的场中，回转半径增加到其变得可以与该离子束大小相比较的程度。然而，这种孤立的现象并不表明解释了所观测到的在离子束流中的与时间有关的波动，因为当没有强的磁场存在时，电子运动基本由与粒子电荷相关的力确定。此外，如前所述，相对于波动出现的时间间隔(约1毫秒)，束中和发生在很短的时间中。

为了更好地说明所观测到的现象，我们知道到，根据麦克斯韦的描述古典电磁场现象的方程，其与扫描器磁场B的时间变量相关，电场E由下式给出： $\▿\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}---\left(6\right)$

并且这样的一个场必须根据B的强度是正在增加或是减小来感应地对电子加速或减速，如图9中所示。确实，每次回转轨道能量中的变化为

如果我们现在引用所述不传热的条件，即对于一次回转其半径基本是不变的，则我们从等式3，4，和5获得 $\mathrm{\δ}\left(\frac{U}{B}\right)=0$ δ(r²B)＝δ(r²U)＝0                          (8)

这些等式中的第一个表示电子旋转能量与磁场强度成正比地变化。第二等式表示角动量守恒，和表示电子轨道的面积与磁场强度的大小成反比的变化。由于感应电场所产生的影响是很大的。例如，当场从比方说5到50高斯时，电子密度被压缩10倍。电子能量也增加10倍，并且在该磁场存在的情况下，电子被束缚在该离子束附近的区域上。当磁场强度增加时产生的新电子也经受由感应加速导致的压缩。在这种状态下，电子空间的分布是通过磁场的作用而不是通过离子束中离子电荷的系统作用来进行调节。

当场增加超过50高斯时，压缩继续发生，但影响不是如此显著，因为该电子的回转半径已大大小于束的典型横向尺寸。

当磁场幅度减小到零时，电子轨道按照等式8扩展。当该磁场强度小于约50高斯时，在各电子轨道中被事先压缩的电子此时被迅速减速，并在与该离子束跨过部分相差不大或比其大的整个区域扩展。所产生的新电子已具有低的能量，且不大受感应电场的影响。

在扫描器中随着逝去的时间发生的事件序列在图10和10A中示意性地示出。

参考图10，当磁场123接近于零时，感应减速导致电子轨道描绘出一个向外呈螺旋形的包络121，由此减少了离子束124中的电子密度。在该磁场通过零之后，它具有相反的方向，且电子轨道120的旋转方向被反向，如10A所示。当该磁场在幅度上增加时，感应加速使得各电子轨道不传热地向内螺旋，由此增加了离子束124中的电子密度。由磁场通过零所导致的迅速改变电子密度为在离子束的相位空间辐射中所观测到的波动提供了清楚的解释。

这里仅对磁扫描的高导流系数正重离子束做了实验观测。然而，由于电子是由负离子束以非常高的速率产生和在负和正电位的等离子状态下作为整个束中和现象的一部分，所以类似的波动将是可能发生的，对于高导流系数负离子束的扫描，本发明也将具有重要应用。

参考图1和2，本发明的一个重要方面涉及了扇形准直仪磁体80与扫描器磁体34关于离子束在扫描周期中以不同时间到达晶片所采取的不同路径的协作。进口和出口磁极边缘84，86的轮廓是具有所选系数的四次多项式，以便当该离子束正射到晶片上时实现下列的光传输和聚焦条件：

1.把如前所述的并行扫描维持在好于±0.5°和最好±0.2°的精度。

2.把规定的离子束的最大角误差变化(典型地约0.5°至1.2°)基本维持在±0.5°的限制内。

3.把规定的横向束尺寸(典型地为30至50mm)基本维持在±5mm的限制内。

4.产生足够的束偏转(例如，至少约30°，最好大于约45°)以使在离子束进入扇形准直仪磁体之前通过该离子束与在真空系统中的残留气体分子相互作用形成的轰击晶片的中性粒子39的数量最小。

总之，具有在进口和出口极边缘上限于二阶曲率的极边缘轮廓的常规扇形磁体不能同时实现上述的所有要求(见例如H.A.Enge，″deflecting Magnets，″公开于Focusing of Charged Particles，vol.III，Ed.A.Septier，Academic Press，New Youk 1967)。如果该准直仪偏转变得大于约30°，最好是大于约45°，则强调二阶曲率的限制。在扇形准直仪的进口和出口极边缘上的四阶轮廓能够使大的角偏转得以实现，这样就实现了与中和离子的满意绝缘，也使得上述的离子光传输和聚焦约束得以实现。

参考图1和2，本发明的另一重要方面涉及了束收集杯104和105的使用，以分别将在最终能量磁体36和扇形准直仪磁体80中的磁场强度设定在确保离子据此射在晶片35上的角度为所规定的值，与知道和测量确切离子能量无关。参考图4，束收集杯可以通过对来自在小电极107上收集的离子束流进行测量，其与在大电极106中收集的离子流相关联。通过保持电极108在一相对负的电位上对次生电子随意地进行压缩。在实际中，为了设定在最终能量磁体36中的磁场，扫描器和扇形准直仪磁体80中的磁场被设定为零。然后对最终能量磁体36中的磁场进行调整，直到该离子束是处在束收集器104的中央。接着，对准直仪磁体中的磁场进行调整，直到该离子束是处在束收集杯105的中央。此时可对该扫描器供能，以生成以所规定角度横跨晶片表面的并行扫描，该规定角度是由与该扇形准直仪磁体的位置有关的所述两个束收集杯的位置限定的。

在另一优选实施例中(其不是具有垂直通过如图2所示的扫描束的单一晶片)，几个晶片可被设置在如图11中所示的一个旋转圆盘上。在很高离子束流的情况下，该实施例是较佳的，因为在实施期间此时该高离子束功率被分布在几个晶片上。

虽然在一些附图中示出了特定的特征而不是其他的特征，但这仅仅是为方便起见，因为根据本发明每个特征都可以与任何或所有其他特征相组合。本领域的技术人员将可实现其他实施例，且这些实施例是在本申请所附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种磁偏转装置，用于产生一个以至少20Hz的基础频率调制的强磁场，以在一所选表面上对离子束进行扫描，该磁偏转装置包括：

一个具有带各自极面的磁极的磁扫描结构，该磁极面限定了离子束通过其间的一个缝隙，所述磁扫描结构至少部分地包括高导磁率材料的叠片，每片的厚度在0.2到1毫米的范围之间，所述叠片通过薄的电绝缘层隔开，所述叠片为强磁场的基频和较高次谐波成分提供了低磁阻磁性导磁通路，这些叠片用于将感应的涡流限制在各自叠片中局部通路内的限制值内；和

与所述磁扫描结构相关联并由一扫描电流源供能的扫描线圈，选择所述扫描电流源为所述扫描线圈施加一激励电流，在所述缝隙中产生一单极的、强度在一预选的最小值之上为时间的函数的扫描磁场，使得以20Hz的频率进行离子束的扫描，所述最小值是大于零的值，以便当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现起伏。

2.根据权利要求1的磁偏转装置，其中当离子束扫描所选表面时，在所述缝隙中的所述磁场强度是至少50高斯。

3.根据权利要求2的磁偏转装置，其中当离子束扫描所选表面时，在所述缝隙中的所述磁场强度是至少200高斯。

4.根据权利要求1的磁偏转装置，其中所述离子束沿一第一束路径进入所述缝隙，所述装置还包括一个直流扇形磁体，被设置用以在所述离子束已通过所述缝隙和由于所述单极扫描磁场的影响的结果其已被偏转到第一束路径的一侧之后接收该离子束，所述扇形磁体安排成向该扫描离子束施加一静态磁场，该磁场以一远离第一束路径的方向在所述扫描平面中偏转该所述扫描离子束，以便在所有时刻该离子束都相对于第一束路径的方向成一角度，以使得可能存在于该离子束内的中性粒子在该离子束向该所选面辐射之前从该离子束中除去。

5.根据权利要求4的磁偏转装置，其中所述直流扇形磁体具有按照大于二阶的多项式描述的形状成型的轮廓。

6.根据权利要求5的磁偏转装置，其中所述直流扇形磁体具有按照四阶多项式描述的形状成型的轮廓。

7.根据权利要求4的磁偏转装置，进一步包括一个用于检测离子束位置的束收集杯，和与该收集杯耦合的装置，该装置用于根据由收集杯检测的离子束位置，将所述直流扇形磁体之静态磁场的强度调整到所选值，以便控制该离子束以此射到所选面上的角度。

8.一种包括权利要求1的磁偏转装置的设备，进一步包括一个装有多个基片的转盘，该基片将由离子束辐射，所述转盘设置在所述离子束路径中并绕着一个轴旋转。

9.一种包括权利要求1的磁偏转装置的设备，进一步包括一个离子束源，用以将离子束引入所述缝隙。

10.根据权利要求9的设备，其中把所述源设置成将离子束引入紧靠近由所述极面限定的缝隙的一侧。

11.根据权利要求9的设备，其中进一步包括一个在扫描离子束的路径中被安排用于对具有一用于接收扫描离子束的所选面的半导体基片进行定位的末端部件。

12.根据权利要求11的设备，其中进一步包括一个从所述离子源向末端部件延伸的真空壳体，由此当在真空状态下离子束从所述离子源移动到所述末端部件时，所述离子束被直接暴露在所述偏转系统的极面中。

13.一种离子注入装置，包括一个磁偏转装置，用于产生一个以至少20Hz的基础频率调制的强磁场，以在一所选表面上用离子束进行扫描；一个离子源，用于在离子束中提供一所选离子形式；一个安排在扫描离子束的路径中用于对具有接受所述离子束扫描的所选面的半导体基片进行定位的末端部件；和一个围绕所述磁偏转装置从所述离子源向末端部件延伸的真空壳体，其中当在真空状态下离子束从所述离子源移动到所述末端部件时，所述离子束被直接暴露在所述偏转系统的极面中；

所述磁偏转装置安排成使所述离子束均匀地扫描位于所述末端部件上的所述基片；

所述磁偏转装置包括：

一个具有带各自极面的磁极的磁扫描结构，该磁极面限定了离子束通过其间的一个缝隙，所述磁扫描结构至少部分地包括高导磁率材料的叠片，每片的厚度在0.2到1毫米的范围之间，所述叠片通过薄的电绝缘层隔开，所述叠片为强磁场的基频和较高次谐波成分提供了低磁阻磁性导磁通路，这些叠片用于将感应的涡流限制在各自叠片中局部通路内的限制值内；和

与所述磁扫描结构相关联并由一扫描电流源供能的扫描线圈，选择所述扫描电流源为所述扫描线圈施加一具有20Hz或更高基频以及相当高阶谐波的激励电流，在所述缝隙中产生一单极的、强度在一预选的最小值之上为时间的函数的扫描磁场，使得以至少20Hz的频率进行离子束的扫描，所述最小值是大于零的值，以便当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现起伏。

14.一种用于在一所选表面上进行离子束扫描的方法，包括下列步骤：

提供一个具有带有各自扫描线圈和各自极面的磁极的磁扫描结构，该磁极面限定了离子束通过其间的一个缝隙；

沿一第一路径把离子束送入所述缝隙；

在所述扫描线圈中产生一激励波形，以在所述缝隙中生成一个单极的、强度在一预定的最小值之上为时间的函数的扫描磁场，使离子束扫描到第一束路径的方向的一侧，所述最小值是大于零的值，以便当离子束扫描所选表面时，防止离子束的横截面在尺寸上出现起伏；和

在所述离子束已通过所述缝隙之后，进一步偏转所述离子束离开所述第一束路径，以便该离子束相对于所述第一束路径的方向成一角度，以使得可能存在于该离子束内的中性粒子在该离子束辐射到该所选面之前从该离子束中除去。

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