CN109643628B - 扫描离子注入系统中原位离子束电流的监测与控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于根据对离子束电流及其均匀性采样而控制离子注入系统的系统和方法。所述离子注入系统包括光学元件，该光学元件配置成传输离子束时选择性转向和/或整形离子束，其中，对离子束进行高频采样以提供离子束电流样本，然后对该离子束电流样本进行分析以检测离子束电流样本当中的波动、不均匀性或不可预测的变化。当检测到的多个离子束电流密度样本中的不均匀性超过预定阈值时，将这些射束电流样本与预定阈值水平和/或预测的不均匀性水平进行比较，以生成控制信号。控制系统生成控制信号，用于互锁射束传输或用于更改至少一个光学元件的输入以控制射束电流的变化。

Description

扫描离子注入系统中原位离子束电流的监测与控制
相关申请的引用
本申请要求名称为“IN SITU ION BEAM CURRENT MONITORING AND CONTROL INSCANNED ION IMPLANTATION SYSTEMS”、申请日为2016年9月7日、专利申请序列号为15/258,723的美国专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明大体上涉及离子注入系统，更具体涉及用于实时进行原位离子束电流采样与检测以对离子注入系统提供控制的系统和方法。
背景技术
在半导体器件的制造中，离子注入用于掺杂工件，通常以如硅或砷化镓晶片的衬底形式提供。用杂质或掺杂剂轰击晶片，以便将这类掺杂剂注入晶片的晶体结构内，以修整电气特性或以其他方式变换衬底。照此，在半导体制造领域中公知离子注入系统用作通过将离子束中的离子注入工件而使工件掺杂离子或者在制造集成电路期间形成钝化层的固定设备。当用于掺杂半导体晶片时，离子注入系统将选定的离子粒种注入工件以产生所需的非本征材料。
典型的离子注入系统包括用于从可电离的源材料中生成带电离子的离子源。所生成的离子成束并借助强电场来加速，以致沿预定射束路径导向注入终端站。例如，注入从锑、砷或磷等源材料生成的离子例如产生“n型”非本征材料晶片，而“p型”非本征材料晶片常由用硼、镓或铟等源材料生成的离子产生。
离子注入系统可以包括定位于离子源与终端站之间的射束形成、转向、偏转、整形、滤波和充电的子系统(例如，射束光学元件或射束光学器件)。射束光学元件沿细长内腔或通路(例如束线)来操纵并维持离子束，离子束途径该内腔或通路传到工件所在的终端站。
在大多数离子注入应用中，注入过程的目标是将精确控制量的掺杂物均匀递送到工件或晶片表面的整个面积上。这一过程最普遍认可的方法体现为所谓的串列型注入架构，其中各个工件被依序提供给终端站以供离子束注入。为了利用尺寸小于工件面积的离子束实现均匀掺杂，离子束与晶片彼此相对移动，以使射束撞击到晶片的整个表面区域上。一种用于完成这项任务的常见系统架构称作“二维(2D)机械扫描”，例如参阅美国专利号6,956,223，其中在相对于静止“点”离子束的两个基本正交的维度扫描晶片。通过使用2D机械扫描，在固定离子束前方，在所谓的“快扫描”方向上的快速扫描晶片，同时在正交的“慢扫描”方向上缓慢扫描，从而通过在离子束前方以大致移动的Z字形图案传输晶片而用离子“涂布”晶片。替代地，离子注入系统中使用的另一种公知的串列型系统架构是所谓的“混合扫描系统”，其中离子束在一个方向上沿轴以类似光栅的方式来回扫掠或扫描，以形成带状射束，并且工件沿正交于扫描离子束轴的方向机械移动。
半导体制造领域中的发展趋势涉及各种半导体工件尺寸，如300mm直径的晶片，外加更高的器件密度。工件尺寸更大将提高各个工件的成本，而器件密度更高将提高处理成本及每个工件的关联值。结果，在避免或减少刮削工件相关的成本方面，相比以往，控制关于离子束的注入均匀性及其他参数变得更加关键。
为保持注入过程的均匀性，常在注入期间测量总离子束电流，其中采样杯(通常是一个或多个法拉第杯)沿离子束的路径放置，通常放置在晶片前方、附近或后方。正如扫描射束的架构，射束扫描宽度大体上由法拉第杯的位置决定，这样离子束完全或至少部分在邻近晶片的所谓侧杯上扫描就足以产生可靠的射束电流测量。一个或多个调谐杯也可以定位在工件典型位置的上游或下游，以便在工件不在或处于使得至少一部分离子束不会撞击晶片的位置时调谐离子束。此外，法拉第杯在工件位置前方从扫描离子束的一端运动到另一端时，能够使用行进法拉第杯或所谓的“仿形”法拉第杯来监测离子束。能够以多杯结构或多法拉第单杯结构的形式提供仿形法拉第。照例，利用这类采样杯中的全部(或某些)来监测进入终端站的离子束的总电流，以便调节注入进给率和工件暴露于离子束的暴露时间。例如，在美国专利号4,922,106中，法拉第检测器缓慢平移以产生积分射束电流或剂量测量作为法拉第检测器位置的函数，从而提供代表离子束强度的信号。该信号可用于调节振荡扫描电压，使得积分束强度均匀。在此专利中，感测的射束电流的时间积分用作反馈信号，该反馈信号应用于剂量控制器以控制射束扫描元件的操作。
目前认识到的一个问题在于射束电流密度或角度经常在注入循环期间不可预测地发生变化，有时在单个离子束扫描经过期间变化，有时在单个扫描经过的过程中多次变化。这些变化可能表现为束线部件随时间的长期磨损或者电源在多个离子注入循环过程中或在单个离子注入循环期间的电压漂移。这类变化也可能表现为因束形和/或角度差异、离子束内的束分布偏移、系统噪声或离子束内的粒子污染引起的电流分布短期波动或“尖峰”以及其他因素。其他因素可能包括束线压力变化、暴露于射束的元素排放以及晶片移动通过射束时与其相互作用。尽管能够预期并容许射束电流的某些变化，称为离子束中的预测不均匀性(PNU)，但许多类型的射束电流变化可能显著影响离子注入均匀性而无法容忍并接受。
发明内容
本发明解决上述问题的方案是经由高频采样来监测离子束电流，以在扫描离子束时生成代表实时原位射束电流的波形。能够实时存储和/或显示所生成的波形，以提供表示射束均匀性的图形形式的离子束电流信息的视觉表示。还能够分析射束电流采样并将其用于生成用于控制离子注入系统的控制信号。在射束电流漂移、变化和/或波动相对于先前电流样本超过预定阈值水平的情况下，或当射束电流超出射束电流的预测不均匀性(PNU)时，一种示范性控制信号能够中止给定的注入循环。此外，收集的样本数据能够用于提供反馈信号，以便更改上游射束光学元件或与其关联的电源中的至少一个，以提供更均匀的递送到工件的射束电流密度。
本发明的实施方案包括用于监测并控制离子注入系统中离子束均匀性的方法，所述方法包括：生成离子束；使离子束输向工件；沿扫描路径扫描离子束，以产生具有时变电位的扫描点束作为扫描波形的函数，其中时变电位值对应于离子束在扫描路径上的位置；提供至少一个射束光学元件，其配置成使离子束输向工件时选择性转向和/或整形离子束，其中至少一个射束光学元件更改离子束的有效横截面形状；与扫描波形同步地对离子束进行采样，以提供多个离子束电流密度样本作为工件上的位置和扫描方向的函数；分析多个离子束电流密度样本，以检测其不均匀性；以及将任何检测到的多个离子束电流密度样本中的不均匀性与预定的阈值不均匀性进行比较。在射束电流漂移、变化和/或波动相对于先前电流样本超过预定阈值水平的情况下，或当射束电流超出射束电流的预测不均匀性(PNU)时，射束电流样本也能够经分析并用来中止给定的注入循环。
在本发明一种实施方案中，提供一种用于控制离子注入系统中离子束均匀性的方法。该方法包括：生成离子束；使离子束输向工件；沿第一轴扫描离子束，以生成经扫描离子束；以及提供至少一个射束光学元件，该射束光学元件配置成使离子束输向工件时选择性转向和/或整形离子束。该方法进一步包括：对离子束进行采样，以提供多个离子束电流样本，以及将离子束电流样本关联到扫描电流，以提供对应于经扫描离子束的位置和方向信息。分析多个离子束电流样本，以检测其中的不均匀性并生成控制信号。
在本发明另一种实施方案中，提出一种离子注入系统和对应的控制系统，其中该离子注入系统包括：用于生成离子束的离子源；束线，该束线配置成使离子束沿射束路径输向配置成保持工件的终端站；沿束线定位的多个射束光学元件，该多个射束光学元件配置成使离子束输向工件时选择性转向、偏转和/或整形离子束；以及射束采样系统，该射束采样系统配置成对离子束进行采样，以提供多个离子束电流样本。控制系统包括控制器，该控制器配置成分析射束电流密度样本，以检测其不均匀性并响应于检测到的不均匀性生成控制信号。
本发明另一种实施方案包括一种使离子均匀注入工件的方法，该方法包括：生成离子束；沿射束路径传输离子束；提供至少一个射束光学元件或与其关联的电源，其配置成沿射束路径传输离子束时作用于离子束上；扫描离子束，以产生经扫描离子束；对经扫描离子束进行取样，以检测射束电流密度的波动，这是通过跨工件表面扫描离子束时，获得多个不同的离子束电流密度样本；以及将多个不同的离子束电流密度样本关联到离子束相对于工件的位置。该方法进一步包括以下步骤：分析离子束电流密度样本和关联的离子束位置，以确定相应关联位置上的离子束电流密度和/或角度；将当前的离子束电流密度样本与先前的离子束电流密度样本进行比较；以及响应于比较步骤，创建控制信号。
在本发明又一种实施方案中，提出一种离子注入系统，其中该离子注入系统包括：束线，该束线配置成使离子束沿射束路径引向配置成保持工件的终端站；扫描系统，该扫描系统配置成在快速扫描方向上跨工件表面扫描离子束；至少一个射束光学元件，该至少一个射束光学元件配置成使离子束引向扫描的终端站时转弯、偏转、聚焦或以其他方式修整离子束。该离子注入系统进一步包括射束采样系统，该射束采样系统配置成在快速扫描方向上扫描离子束时对离子束的射束电流密度进行采样，其中该射束采样系统包括围绕工件周边定位的多个侧法拉第杯以及沿射束路径定位在工件下游的调谐法拉第杯，其中该射束采样系统配置成分析由多个侧法拉第杯和/或调谐法拉第杯生成的输出信号，同时将输出信号关联到扫描系统，以提供与离子束相对于工件的位置相关的射束电流密度值。耦合到射束采样系统的控制器配置成计算离子束的预测剂量均匀性和/或总剂量，其中该控制器进一步配置成：如果采样的离子束值与预测的剂量均匀性不一致，则提供控制信号。
据此，本发明提供跨多个工件对离子注入系统中射束电流密度的连续、实时的原位测量，以便提供用于识别离子束特征变化的更多数据，并进一步提供对离子注入系统的控制。因此，本发明达成前述目的及相关目的的解决方案包括下文完整描述并特别在权利要求书中指出的特征。下列说明及附图详细阐述本发明的某些说明性实施方案。但这些实施方案仅指各种方式中可运用本发明原理的一些实施方案。结合附图并参阅本发明的下列详细描述，本发明的其他目的、优点及新颖性特征将显而易见。
附图说明
图1是根据本发明各方面的示范性离子注入系统的框图；
图2A是如图1所示离子注入系统能够使用的扫描器类型的实施方案；
图2B是用于输入到如图2A所示扫描器线圈的三角形扫描电流波形的实施方案；
图2C是由如图2B所示扫描电流波形产生的如图2A所示扫描器中的合成磁场波形的实施方案；
图2D是示出如图2A所述系统中在几个离散时间点撞击工件的经扫描离子束的透视图；
图3是根据本发明某一实例的撞击工件表面的离子束的平面图；
图4示出根据本发明另一方面的关系侧法拉第杯和调谐法拉第杯测量的射束电流波形；
图5是变化的横截面形状可能影响递送到工件的射束电流均匀性的离子束的说明图；
图6和图7示出离散时间段的示范性单个点束样本，其中射束在其上具有不均匀的电流密度；
图6A和图7A分别示出与如图6和图7所示离子束横截面形状相关联的离子束轮廓；
图8是来自图形用户界面装置的示范性截屏，显示由左侧法拉第杯和右侧法拉第杯产生的波形以及由调谐法拉第杯产生的波形，并且进一步显示输入到扫描器的扫描电流波形；
图9是来自图形用户界面装置的示范性截屏，显示由左侧法拉第杯和右侧法拉第杯产生的波形结合由调谐法拉第杯产生的波形作为晶片上射束电流样本位置的函数；
图10示出根据本发明一方面的用于分析并监测射束电流样本以控制离子注入系统的方法；以及
图11示出根据本发明另一方面的用于分析并监测射束电流样本以及用于在经扫描离子束注入机中均匀注入离子的另一种方法。
具体实施方式
本发明大体上涉及一种用于在离子注入系统中将离子均匀注入工件或基于监测离子束的均匀性为这种离子注入系统提供控制的系统、设备和方法。据此，现将结合附图并参照示范性离子注入系统对本发明予以说明，其中相似的附图标记通篇可指代相似的元素。应当理解，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限定目的。在以下说明中，出于解释目的，阐述许多具体细节，以便提供对本发明的全盘了解。但本领域技术人员显而易见的是，本发明也可在不具备某些这类具体细节的情况下实现。
图1示出示范性离子注入系统110，其中能如本文所述那样控制离子束和/或系统。该系统110旨在说明目的，应当理解，本发明各方面不仅限于所述的离子注入系统，亦可采用其他不同配置的适当离子注入系统。尽管如图1所示的示范性系统表示所谓的“混合”或“扫描点束”离子注入系统架构，但应理解，本发明同样适用于众所周知的“二维机械扫描”离子注入系统架构，例如参阅美国专利号7,701,230，该专利并入本文以供参考。实际上，本发明同样能够适用于单维机械扫描、带状射束系统等。
概括而言，系统110由终端112、束线组件114和终端站116组成。终端112包括由高压电源122供电的离子源120，该离子源120产生离子束124并将其递送到束线组件114。离子源120生成带电离子，将这些离子引出并形成离子束124，该离子束124在束线组件114中沿射束路径导向终端站116。终端112有时能够描述为包括某些束线，其中束线的那一部分处于端电位。
为生成离子，待离子化的掺杂材料(未示出)设置在离子源120的生成室121内。例如，能够从气源(未示出)向腔室121馈入掺杂气。除电源122之外，应当领会，能够使用任意数目的适当机构(均未示出)来激发离子生成室121内的自由电子，如：射频或微波激发源；电子束注入源；电磁源；和/或例如在腔室内产生电弧放电的阴极。激发的电子与掺杂气分子碰撞并由此生成离子。一般生成正离子，但在本文应用的系统中，同样也可生成负离子。
借助离子引出组件123，使腔室121中生成的离子通过孔径或所谓的“弧隙”118可控地从中引出。离子引出组件123通常包括由位于弧隙118相反两侧的大致对称的电极对125a和125b组成的多个引出和/或抑制电极，用于引出密集离子射线或离子束124形式的离子。例如，引出组件123能够包括分立的引出电源(未示出)，用于向引出和/或抑制电极125a和125b施加偏置电压，以诱导离子以离子束124形式从生成室121中引出，并使离子束124在束线组件114的下游加速。
应当领会，离子束124包括相似的带电粒子，因此离子束内相似的带电粒子趋向互相排斥时，射束可能趋于径向向外膨胀或“爆炸”。还应理解，低能量、高电流(高导流系数)射束中可能加剧射束爆炸，其中许多类似带电粒子沿相同方向相对缓慢移动，类似带电粒子当中就存在大量的排斥力，但粒子动量几乎无法使粒子保持沿射束路径方向移动。据此，引出组件123大体上配置成高能引出射束，使得射束不会爆炸(即，使得粒子的动量足以克服可能导致射束爆炸的排斥力)。尽管已知低能漂移应用并能利用本发明，但通常有利地，在整个系统中以相对较高的能量传输离子束124，其中离子束的能量在撞击工件130之前即降低，以致在射束传输期间促进射束容纳性。还能有利地，生成并传输分子或团簇离子，这些分子或团簇离子能以相对较高的能量传输但以较低的等效能量注入，因为分子或团簇的能量被分到分子的掺杂原子中。
从终端112向下游移动，束线组件114大体上包括质量分析器单元126和束导132，在束导132的出口处限定解析孔径134。束线组件通常进一步包括各种射束聚焦和/或转向部件138、扫描系统135、平行化器139和角能量滤波器157(单称为射束光学元件，或统称为射束光学器件)。射束光学器件也能够包括电荷中和子系统160，用于通过使离子束电流与等于工件的电子电流相匹配，向束线和/或待注入工件提供如电子的电荷，以消解束爆和其他充电问题，生成总体电荷中性的离子束。这样的各种束线组件在本文中统称为射束光学器件或射束光学元件。
在所示的实施方案中，质量分析器126包括一个或多个用于建立偶极磁场的磁体。在射束124进入质量分析器126时，经由磁场而相应转弯，从而离子束中不接纳荷质比(charge-to-massratio)不当的离子。更特别地，具有过大或过小荷质比的离子被偏转到质量分析器126的侧壁127中，而射束124中具有预期荷质比的离子则获许穿过其中并通过解析孔径134射出。
在所示的实例中，扫描系统135能够包括静电或磁性扫描元件136和任选的聚焦和/或转向元件138。相应的电源149和150在操作上耦合至扫描元件136和聚焦转向元件138，更特别地耦合至位于其中的相应电极136a、136b和138a、138b。聚焦转向元件138接纳具有相对较窄轮廓的经质量分析的离子束124(例如，所谓的“点束”或“笔束”)，并且由电源150施加到板片138a和138b的电压操作成将射束聚焦并转向到优选预期的扫描点，如扫描元件136的扫描顶点151。由电源149提供给扫描器板片136a和136b的连续可变电流波形使离子束124偏转并来回扫描，产生细长的“带状”离子束(例如，经扫描的点束)，其宽度优选至少与离子束注入的工件130等宽或更宽。
应当领会，聚焦和/或转向元件138能够由一个或多个元件和/或子系统构成并且通常以粒子离子聚焦中常用的四极磁体形式提供。能够结合各种替代元件，例如单透镜或者其他单电位或多电位透镜结构，以提供离子射束光学器件来聚焦或偏转飞行离子，这是通过更改施加到各种射束光学元件的电极的电压而操纵离子路径中的电场或磁场来完成。
一旦射束经过扫描系统136，经扫描的射束124便经过平行化器139，在所示的实施方案中，该平行化器139包括两个偶极磁体139a和139b。在所示的实例中，偶极具有相等的角度和相反的弯曲方向，使得偶极大致呈梯形并定向成彼此呈镜像，以使射束124沿大致“s”形的路径转弯。偶极的主要目的是使源自扫描器136的发散子束变得平行，从而形成具有大致平行子束的带状射束。按照子束路径长度和一阶或高阶聚焦性，使用两个对称的偶极产生跨带状射束的对称性。平行化器139使经扫描的射束124改变其路径，使得射束124平行于束轴行进，而不考虑特定子束射出扫描器的扫描角度，这样子束撞击工件130的注入角度在工件表面上相对均匀。
尽管不要求射束减速，但在本实例中，一个或多个减速级157位于平行化部件139的下游。如前所述，直至系统110中的这一点，射束124一般以较高能量水平传送，以缓解射束爆炸倾向，例如在解析孔径134，射束密度升高的情况下，射束爆炸倾向尤高。减速级157包括一个或多个可操作成使离子束124减速的电极157a和157b。电极157通常是射束行经的孔径，可绘成图1中的直线。应当领会，尽管图示并描述一对电极作为构成减速级157的部件，但构成系统110的射束光学器件的任何部件可以包括任何适当数目的电极，这些电极布置并偏置用来加速和/或减速离子以及聚焦、转弯、偏转、汇聚、发散、扫描、平行化和/或净化离子束124。据此，任何构成射束光学器件的部件均可包括静电偏转板(例如其中一对或多对)以及单透镜(Einzel lens)、四极和/或能够操纵或影响离子束轨迹的其他元件。
离子束线也能够包括电荷中和子系统，如等离子体电子泛流器件160，其在离子束穿过的区域内产生中和电子，以抵消离子束内的电荷累积。因此，通过提供极性与离子束和待注入工件相反的电荷，能够补偿离子束内的电荷。例如，在离子束带正电荷的情况下，通常提供与提供给工件的每单位时间离子量的等量电子，从而使离子束电流与工件上相等的电子流相匹配。这通常是由经如热离子发射、二次发射、放电或射频场等电子生成过程产生电子的装置引发，其中电子被导向离子束或直接导向工件。这类装置通常特指电子枪、二次电子泛流、等离子体电子泛流等。另外，微波和RF放电(例如，RF等离子体电子泛流)能够按比例放大，但尝试维持体积更为复杂又昂贵，这需要匹配的电路和昂贵的高频发电。
进一步向下游移动到终端站116，该终端站116提供处理室，用于接纳离子束124并将离子束引向工件130。应当领会，在注入机110中可以采用不同类型的终端站116。在所示的实例中，终端站116是沿注入用射束路径支承单个工件130的“串列型”终端站。“串列型”终端站沿注入用射束路径支承单个工件130，其中以串列方式每次一个地注入多个工件130，每一工件130完全被注入之后才开始下一工件130的注入。在扫描束的串列型系统中，在第一(Y或慢速扫描)方向机械转换工件130，而在第二(X或快速扫描)方向往返扫描射束，以使射束124传过整个工件130。
在对工件130的离子注入之前和期间，出于过程控制和其他因素，期望监测离子束以确定其各种特性和参数，包括射束电流、射束电流密度、射束电流分布和预期注入工件的大致离子剂量。此外，能够监测如射束的角度和发散度等参数以及尺寸(射束的宽度和高度)。据此，射束采样系统155和其他相关联的硬件部件集成到终端站116中，用于以可能是250KHz量级的预定频率监测并采样离子束，从而提供用于分析的多个离散射束电流样本测量值。在示范性系统中，沿经扫描离子束124的快速扫描轴大致邻近晶片130提供一个或多个侧法拉第杯158A和158B(也称采样杯)，其中随离子束扫描并经过一个或多个侧法拉第杯时，对离子束的一个或多个属性(例如，射束电流)进行采样和测量。例如，射束采样系统155接纳来自一个或多个侧法拉第杯158A和158B的信号164，包括多个顺序射束样本，并且通常将所测量的离子束124的一个或多个属性的样本输出到控制系统154。收集这些样本与向扫描器136提供扫描电流波形以及定位经扫描的工件130同步，以向控制系统提供时间和位置相关的射束电流信息。
在本实例中，跨工件130扫描时，在与工件平面大致相同的平面中，一个或多个侧法拉第杯158A和158B大体上沿经扫描离子束124的路径定位在工件130的附近和外侧(例如工件圆周之外)。因此，经扫描射束优选具有延伸超出工件尺寸的宽度(扫描宽度)并且整形成使整个经扫描离子束124经过定位于工件圆周之外的一个或多个侧法拉第杯158A和158B。
此外，调谐法拉第杯170设置在工件130的下游和“后方”，其中射束采样系统155进一步从调谐法拉第杯170接纳高频样本并且大体上将离子束124的一个或多个属性的测量值输出到控制系统154。例如，当工件130不在时(在离子注入循环之前)，当工件完全处于扫描路径之外时(在慢速扫描序列的任一端)，或者当工件定位成至少部分位于扫描路径之外时，诸如当扫描工件到离子束或其一部分能到达位于工件130下游的调谐杯的位置时，通常使用调谐法拉第杯170。再次重申，这样采样的射束测量大体上与向扫描器136提供扫描电流波形以及定位经扫描的工件130同步，以提供离子束的时间和位置相关的射束电流分布。射束采样系统155能够包括显示屏或图形用户界面，用于显示经扫描离子束的时间和位置相关的射束电流波形以及扫描电流波形和有关系统运算符的其他信息。
除侧法拉第杯158A、158B和调谐法拉第杯170之外，射束采样系统能够包括来自一个或多个行进轮廓仪156的输入。在本实例中，行进轮廓仪156可以包括例如测量经扫描射束电流密度的电流密度传感器，如法拉第杯。行进轮廓仪156的电流密度传感器大体上以正交于经扫描射束的方式移动，因而通常横跨带状射束的宽度。这些轮廓仪的信号通常在注入循环之前或之后生成，其中轮廓仪156在扫描离子束的前方传送，以在离子注入循环期间和/或之后向离子注入系统提供数据和反馈。类似于侧法拉第杯158A、158B和调谐法拉第杯170，由行进轮廓仪提供的经监测并采样的射束电流测量值大体上能够关联到提供给扫描器136的扫描电流波形以及行进轮廓仪的位置，以提供离子束的时间和位置相关的射束电流分布。
控制系统154耦合到射束采样系统155，用于提供对离子注入系统110的各种部件和子系统的通信、控制和/或调节，该离子注入系统110包括：离子源120和与其相关联的电极125；质量分析器127；射束转向聚焦系统138；扫描元件136；平行化器139；能量滤波器157；以及电荷中和系统160(即，统称为任何一个或多个射束光学元件)。控制系统154可包括计算机、微处理器等，并且可操作成存储射束特性的测量值(例如射束电流或密度)并调节施加到任何一个射束光学元件的参数(例如偏置电压、气压)。据此，能够由控制系统154调节这些射束光学元件中的任一元件，从而有助于预期离子束属性。例如，能够调节质量分析器126中产生的场强，诸如通过调控流经其中磁场绕组的电流量来改变预期离子射束路径的曲率。补充地或替代地，能够通过调节施加到转向元件138的电压来进一步控制注入角度，例如应当理解，递送到晶片130的电流密度能够作为注入角度的函数(例如射束与工件的机械表面之间的相对取向和/或射束与工件的晶格结构之间的相对取向)。在又一替代方案中，响应于由射束采样系统155检测到的射束电流波动，能够临时更改施加到任何一个射束光学元件的瞬时电压。因此，根据本发明，射束采样系统155与控制系统154协作以提供原位射束电流采样，由此监测射束电流和/或射束电流密度并进一步提供对离子注入系统的控制。在一种优选实施方案中，射束采样系统155和控制系统154能够协作以产生控制信号，用于在发生显著的射束电流不均匀事件的情况下互锁、中止或停止离子束传输。在另一种优选实施方案中，射束采样系统155和控制系统154能够协作以产生控制信号，用于调节电源输出，以通过迭代或增量手段选择性更改施加到离子注入系统的各种束线部件和射束光学元件的电压和电流。
如前所述，注入机110可以采用不同类型的扫描系统。例如，本发明中能够采用静电扫描或磁性扫描系统。如图2A详细示出，扫描器接纳具有相对较窄轮廓的经质量分析的离子束124(例如，所谓的“点束”或“笔束”)。如图2A所示的示范性扫描系统是磁性扫描系统，其包括具有位于射束124任一侧面上的第一磁极136a和第二磁极136b的扫描器区域。通过包含真空的间隙使这些磁极分开，射束路径124穿过该间隙。在一种实施方案中，磁极136a和136b可以包括电磁线圈。电流波形操作成更改通过线圈136a和136b的电流，使得射束124在X方向(扫描方向)上来回扫描，产生细长的“带状”射束(例如经扫描的点束)，其有效的X方向宽度优选至少与正注入的工件等宽并通常更宽。应当领会，经扫描射束124导向终端站16，使得射束124a撞击晶片以将离子注入其中。经扫描射束也撞击耦合到射束采样系统155的测量传感器(法拉第杯)。出于本文描述的目的，全部不同类型的扫描系统等效，而图2A的磁性扫描系统仅供说明。事实上，本发明能够适用于不同架构的离子注入系统，包括公知的2D机械扫描点束系统以及1D机械扫描带束系统。
应当理解，磁极136a和136b耦合到电流源149，该电流源149配置成向磁极136a和136b提供交流电流，如图2B中的波形图202所示。磁极之间的时变电流形成时变磁场204，如图2C中的波形图所示，从线圈向外延伸跨过射束路径，由此使射束124沿扫描方向(例如图2A中的X方向)转弯或偏转(例如扫描)。当扫描器磁场处于从磁极136a到磁极136b的方向时(例如图2C的时间“g”-“e”)，射束124的离子经受X轴正方向上的侧向力)。磁极136a和136b经受零电流时，在扫描器136中具有零磁场(例如图2C的时间“d”)并且射束124经过未变位的扫描器136。当场处于从磁极136b到磁极136a的方向时(例如图2C的时间“a”-“c”)，射束124的离子经受X轴负方向上的侧向力)。
图2D示出在如图2B至图2C所示的对应时间撞击工件130的经扫描并平行化的射束124。当通过磁极的电流处于最大值和最小值(例如最大负值)时，对应的磁场强度将处于最大值和最小值(例如最大负值)，这样射束就能处于射束路径的极值(例如，超出工件130圆周的最右边和最左边)。图2D中示出经扫描射束124a至124g的离散点，用于在图2B的对应时间“a”至“g”时扫描电流，以便跨工件130在X方向上的单次大致水平扫描。于是，当扫描器磁场处于从磁极136b到磁极136a的方向时，射束124的离子在负X方向上经受侧向力，使得经扫描射束逆向如图2D所示的经扫描射束124g至124a的离散点的方向，以跨工件130在负X方向上产生单次大致水平扫描。
为更清楚地理解本发明，图3和图5示出扫描射束时可能发生的射束电流密度变化，这可能例如因跨工件表面扫描离子束时变化的扫描电流通过线圈诱导的射束横截面形状变化所致。应当领会，离子束横截面形状变化只是离子束的射束电流密度可能变化的一种方式，但这并非旨在作为射束电流密度可能变化方式的限制性实例。还应领会，如本文所述，离子束横截面形状变化可以包括离子束的横截面形状的任何变化。例如，更改射束的横截面形状可以包括使离子束更大、更小、更宽或更窄以及采用对称或不对称的方式。
如图3所示，示范性离子束路径302在工件130上扫描(从离子束124的轨迹观察)，图中示出沿路径302在特定位置的离子束横截面形状变化。特别地，示出离子束的三个不同示范性位置306、308和310，它们分别表示离子束在三个不同时间段相对于工件130的位置。用虚线示出离子束的三个示范性位置中的每一个位置，离子束横截面形状在扫描期间改变，因此表示出三个示范性离子束横截面形状。如图3所示，可以在任何一个或多个方向上发生离子束横截面形状的变化。例如，射束及其轮廓可以在高度和/或宽度上变化。如上所述，离子束124横截面形状的变化导致晶片130上射束电流密度的变化。
更进一步，尽管在一种实施方案中沿快速扫描轴314的快速扫描的扫描速度处于第一扫描频率，但任何一个射束光学元件可以远大于第一频率的第二频率引起离子束横截面形状的变化。在一种实施方案中，离子束横截面形状可以沿着方向与快速扫描方向不同的轴变化，从而生成具有经修整有效高度的离子束，例如，离子束的形状在基本平行于慢速扫描方向的方向上延伸的射束变形。结合图5能最清楚地理解这一特征，其中第一束形308a具有第一尺寸316，而第二束形308b具有更大的第二尺寸318，导致射束的尺寸沿慢速扫描方向312放大。慢速扫描方向312上的有效束形更大。
图3中示出在工件130上扫描的离子束124的平面图。在所示的本实例中，工件配置成沿慢速扫描轴151扫描，以在沿快速扫描轴154扫描时暴露于点状离子束124。控制系统154配置成控制沿慢速扫描轴151扫描工件130时的速度，经扫描离子束沿快速扫描轴154扫描的速度以及经扫描离子束的扫描宽度，使得工件130的整个表面以预定方式(例如预定扫描图案150)暴露于离子束。应当指出，如图3所示的预定扫描图案150例如具有大致恒定的扫描宽度152，而各种其他扫描图案落入本发明的范围内。例如，工件130沿慢速扫描轴151横穿时，经扫描离子束124的扫描宽度152可能变化，使得经扫描离子束在距工件圆周156的预定距离逆转(例如，经扫描离子束遵循工件的几何形状)。另外，经扫描离子束144的扫描宽度152可能因其他目的而变化，例如因经由侧杯158A和158B获得离子束各种属性的测量值，如前所述。
图3示出射束124跨工件130径直扫描，其中机械致动机构(未示出)在扫描器36的X(快速扫描)方向扫描期间在Y(慢速扫描)方向上平移工件130，由此射束24撞击到工件30的整个暴露表面上。离子束124在进入扫描器36之前通常分别具有非零X和Y维度的宽度和高度轮廓，其中射束的X和Y维度中的一个或这两个通常都在传输期间由于空间电荷和其他影响而变化。例如，射束124沿射束路径朝向工件130传输时，射束124遇到各种电场和/或磁场以及可能改变射束宽度和/或高度或其比值的装置。此外，如果不采取措施，空间电荷效应(包括带正电束离子的相互排斥)趋于使射束发散(例如增大X和Y维度)。
而且，扫描器136的几何形状和工作电压相对于实际提供给工件130的射束124提供某些聚焦性质。因此，即使假设完全对称的射束124进入扫描器136，扫描器136使射束124转弯也会改变射束聚焦，其中入射的射束在X方向上通常更多地聚焦于侧边(例如图2D中的124a和124g)，而在X维度上更少地(例如更宽地或更发散地)聚焦于横边之间的点(例如图2D中的124c、124d和214e)。
为更清楚地理解本发明，图4示出单个射束扫描路径程中测量的理想时间(或位置)相关的射束电流波形。图4描绘一种理想情况，图中可以看出，离子束横穿工件130时，由迹线166表示的射束电流保持相对恒定且均匀。射束行进超过相应的侧法拉第杯158A和158B时，射束电流在每次扫描结束时向上或向下倾斜。这种射束电流波形能够通过使离子束暴露于侧法拉第杯158A和158B而表示为预测的射束电流波形的形式，以致提供在给定扫描路径上跨整个工件应可预期的射束电流测度。替代地，能够通过使离子束暴露于行进轮廓仪156或如图1所示的侧调谐法拉第杯170之一来提供射束电流波形。
本发明设想如图4所示的理想射束电流通常不代表典型的离子注入系统工作期间呈现给工件的实际射束电流。例如，如前所述，射束124沿射束路径朝向工件130传输时，射束124遇到各种电场和/或磁场以及可能改变束形或可能以各种方式影响束均匀性的装置。此外，如果不采取措施，空间电荷效应(包括带正电束离子的相互排斥)趋于使射束发散。实践表明，在终端站中的特定位置存在或不存在晶片可能在离子束中产生扰动以及与之相关的电流密度。粒子污染也能在射束轮廓和/或射束电流中产生短期波动。因此，事实上，离子束电流、电流密度和/或电流分布不均匀并且能够在整个注入循环中的给定扫描路径或多个扫描路径上波动，而且也能横跨不同工件的不同离子注入循环。本发明所涉及的用于控制离子束的装置和方法的实施方案考虑将射束采样系统与控制系统整合，以基于检测离子束的多个射束电流测量值并分析多个样本来控制离子注入机中的离子束，以基于多个射束电流测量值来识别离子束电流的变化或波动。识别变化超过某个阈值，无论是绝对值还是相对值，也就是说，与先前的射束电流测量值相比，能够产生用于停止离子注入系统或至少中止离子束传输的控制信号。该系统也可以包括调节部件，用于响应于所识别的射束电流变化来调节离子束以缩小变化，致力于在离子注入过程期间使离子束的变化原位降低到阈值水平以下。因此，控制系统154配置成当离子束变化高于阈值时生成预定的控制信号，用于中止或执行在离子注入机中调节参数。
此外，应当理解，存在许多可能影响目标表面上离子束电流分布的因素。例如，常规设计的离子注入机在低能级下表现出传输不良。这种不良的传输性可能根据掺杂剂而变化。此外，结合离子束光学器件的不同原理能够解决这种低能传输的问题，但又会产生射束均匀性相关的其他问题。在另一实例中，如上所述，高能传输与线路末端减速组合可以使得离子束以更高的能量引出并传输，以缓解空间电荷效应并达成更高的射束电流水平，但可能产生空间不均匀性相关的其他问题，这类问题会导致离子以相对于晶片表面的宽入射角分布撞击衬底。在又一种实例中，注入粒种时用分子离子进行离子注入(对比单体离子)引入其自身独有的一组注入不均匀区。产生射束电流不均匀性的其他实例包括射束占空因数控制、电极弧淬火、电源调制等。
电流不均匀性为离子注入系统中固有的这一事实产生对于特定射束电流或离子注入规范的可预测不均匀性(PNU)规范。因此，能够通过实验、经验数据和其他方式确定一个或多个PNU作为某些离子注入系统和某些注入条件下的整体特征。因此，可能存在射束电流相关的某些可预测不均匀性(PNU)特征，其在某些离子注入系统中和某些注入条件下能识别为可接受。
本发明能够操作成根据这些PNU约束并在这些PNU约束内和/或当射束电流变化或波动被识别为超出预定阈值水平的范围时提供对离子注入系统的控制。图5提供离子束传输通过束线、如本文所述穿过束线的多个光学元件并注入工件表面时由于示范性射束电流变化(可能因离子束横截面形状变化以及其他变量所致)而可能发生的射束电流或密度的变化和波动的简图。如图5所示，可以在任何一个或多个方向上发生离子束横截面形状的变化。如上所述，离子束121横截面形状的变化(例如通过聚焦变化)导致射束电流、电流密度和/或电流分布的波动。这些波动将视为射束电流的不一致性、不均匀性或尖峰，这样相对于如图4所示的时间或位置的理想射束电流波形就包括不均匀性，它会包括指示射束电流中逐步不均匀的向上或向下趋势斜率或者尖锐的向上或向下尖峰，指示影响射束电流的快速脉冲事件，其中可以看出，至少部分地由于总射束电流I的波动，调制异形的射束电流。这些变化可能本身表现为射束电流的不均匀性或波动，这可能归因于注入循环过程中在离子束传输期间可能出现的各种不一致、变化或不规则，范围包括工艺环境中由影响一个或多个沿束线定位的光学元件的温度、真空度、粒子偏移、意外电源输出、硬件中断或故障等变化引起的不受控制的变化，其中任何和全部光学元件都可能在给定时间影响射束电流。这类射束电流变化可能受离子束各种特性的影响，包括但不限于：射束角度；射束形状；射束发散；和射束平行度，这些都可能导致晶片上不一致又不均匀的射束电流密度。
出于讨论和说明目的，已提出射束电流的波动和/或不均匀性，下面将在束形变化的背景下讨论。然而，应当领会，离子束横截面形状变化只是离子束的电流、电流密度和/或分布可能变化的一种方式，但束形并非旨在作为射束电流或者射束电流密度或分布变化或波动方式的限制性实例。还应领会，如本文所述，离子束横截面形状变化可以包括离子束的横截面形状的任何变化。例如，更改射束横截面形状可以包括使离子束以更大、更小、更宽或更窄、以对称方式或不对称方式并且以系统方式或非系统方式变化。
在一种实例中，离子束的横截面形状可能沿着方向基本上横向于离子束的快速扫描方向的轴对称变化，从而生成有效高度经修整的时间平均离子束。例如，在射束聚焦元件无意中使离子束的形状在基本上平行于慢速扫描方向的方向上延伸的情况下，将产生高度更高的时间平均离子束。结合图5能最清楚地理解这一实例，其中第一束形308a具有第一尺寸316，而第二束形308b具有更大的第二尺寸318，导致时间平均射束的尺寸沿慢速扫描方向312放大。相反，在无意中使离子束的形状在基本上平行于慢速扫描方向的方向上截断的情况下，将产生具有高度更低的时间平均离子束，如束形308c所示，这会导致时间平均射束沿慢速扫描方向312具有很小尺寸。回顾在工件130上扫描的示范性离子束路径302(从离子束121观察)，如图3所示，这些可变的束形可能导致沿路径302的特定位置上的离子束横截面形状变化。特别地，示出离子束的三个不同示范性位置306、308和310，它们分别表示离子束在三个不同时间段相对于工件130的位置。用虚线示出离子束的三个示范性位置中的每一个位置，一个或多个射束聚焦/整形元件在扫描期间更改离子束横截面形状，因此表示出三个示范性离子束横截面形状。
进一步讨论，图6至图7示出束形和射束电流密度分布的更真实的非对称的非系统性波动。如上所述，离子束横截面形状变化将提供多个不同的瞬时射束电流密度，它们具有离子束随时间变化的不同射束轮廓。例如，第一射束横截面形状可以具有第一射束轮廓，其在沿射束轮廓的第一位置具有电流“尖峰”，而第二射束横截面形状可以具有第二射束轮廓，其在沿射束轮廓不同于第一位置的第二位置具有电流尖峰。更进一步，第三射束横截面形状可以具有第三射束轮廓，其在沿射束轮廓的多个位置具有多个尖峰。例如，图6和图6A示出与第一离子束形状相关联的射束电流分布408，其包括在位置P1具有振幅A1的电流峰值/尖峰。图7和图7A示出入射到工件上的第二离子束形状，其中与该第二离子束形状相关联的射束电流分布410包括在位置P2具有振幅A2的电流峰值/尖峰。离子束横截面形状的快速变化(可能由与离子注入系统相关联的各种因素引起)可能导致射束电流密度在跨晶片的快速扫描过程中在不同的射束轮廓之间变化。因此，快速变化的离子束横截面形状可能使工件暴露于具有变化的不同射束电流分布的若干变化的不同射束电流密度。
如前所述，期望在离子注入之前和期间监测离子束，以确定用于过程控制的离子束的各种特性和参数以及其他因素，包括射束电流、射束电流密度、射束电流分布和注入工件所预期的大致离子剂量。照此，本发明包括硬件和相关联的电子器件和控制系统，用于以约250KHz的预定频率对离子束进行采样，以在射束扫过工件时提供多个离散射束电流样本测量值。应当指出，不要求这种频率相对较高的采样率，并且低至5Khz或甚至500Hz的采样率在某些应用中可能更加有益，只要与注入期间的射束扫描相比能够测量许多样本即可。在本文所公开的示范性系统中，提供侧采样杯和调谐杯，其中在点状离子束经过这些杯时对射束电流进行采样和测量。来自这些杯的输出测量值被递送到射束采样系统，该射束采样系统大体上包括显示元件155a，用于实时提供射束电流波形的图形表示。这样检测的采样与向扫描器输入扫描电流波形(以及定位经扫描的工件)同步，以提供能够实时查看的离子束的时间和位置相关的射束电流分布。使监视采样与扫描电流波形同步还提供有关扫描方向的信息，这可用于确定规定的控制输出。
图8中提供来自显示元件155a的示范性截屏，示出由左侧法拉第杯和右侧法拉第杯产生的波形(从左到右扫描晶片时的802、806和从右到左扫描晶片时的816、812)结合由调谐杯804、814产生的波形。图8还示出输入扫描器的扫描电流波形820。这些波形以射束从时间0到12500uSec在第一方向上扫描时(当扫描波形具有正斜率时)并且射束从时间12500uSec到25000uSec在与第一方向相反的第二方向上扫描时(当扫描波形具有负斜率时)的波形形式显示射束电流样本。应该理解，本发明同样适用于全部范围内的扫描时间和频率。通过使监测射束样本与扫描电流波形同步，能够显示离子束的时间和位置相关的射束电流波形。根据本发明，使监视采样与扫描电流波形同步还提供有关扫描方向的信息，这可用于确定规定的控制输出。
如图8所示的离子束的射束电流波形展示出由调谐杯804和814捕获的相对稳定的均匀射束电流波形夹在由左侧杯802和812捕获与由右侧杯806和816捕获的相对不均匀的射束电流波形之间。可以看出，如图8所示的离子束的射束电流波形展示出射束沿第一方向并且再沿相反的第二方向扫描时所捕获的相对对称的射束电流波形。例如，右侧杯捕获的波形806和816表明，射束从侧杯的左边行进到右边时，射束电流略微增高，然后射束在其从侧杯右边行进到左边的方向逆转时，射束电流基本上等量地略微降低。在此情形下，即就由右侧杯捕获的波形806和816而言，能够分析射束电流的变化，并且可以确定该变化在预测的均匀性测量值或如上所述的PNU范围内，这样就无需经由控制系统采取校正动作。然而，鉴于电流变化的对称特性，在侧杯的最右侧显示升高的电流密度测量值，控制系统可能识别与限定扫描电流范围(与扫描离子束到扫描范围最右侧相关联的电流范围)内的扫描器操作相关的系统性问题。在此情形下，控制系统能够配置成向其中一个或多个射束光学元件生成校正信号。替代地，控制系统能够生成阻止进一步注入晶片的锁定信号。
在另一实例中，波形802和812表示由左侧杯捕获的电流信号。这些波形区段表明，射束从左侧杯的左边行进到右边(波形802)时，射束电流显示出显著的尖峰，然后在射束在其从左到右转为从右到左的方向逆转(波形812)后，射束电流显示出基本上等量的尖峰。在此情形下，即就由左侧杯捕获的波形802和812而言，能够分析射束电流的变化，并且可以确定电流尖峰超出阈值射束均匀性测量值，这样就需要经由控制系统采取校正动作。在射束电流漂移、变化和/或波动相对于先前的一个或多个电流样本超过作为射束电流的绝对值或作为相对值的预定阈值水平的情况下，射束电流采样也能够经分析并用来中止给定的注入循环。作为说明性实例，控制系统能够配置成：生成锁定信号以阻止进一步注入晶片，或者向一个或多个光学元件提供动态反馈信号以使射束电流波动减小到可接受的范围内。
图9中提供来自显示元件的另一种师范性截屏，图中示出射束在第一方向和第二方向上多次扫描时由左侧法拉第杯和右侧法拉第杯产生的多个波形902和906结合由调谐杯产生的多个波形904。在图9的情形下，射束在第一方向和相反的第二方向上行进时，所捕获的波形显示为彼此重叠和折叠，与图8所示的波形的系列布局相反。多个射束电流测量值与扫描电流波形同步，以便显示离子束电流的时间和位置相关的射束电流波形。此外，通过使这些波形相继重叠，同时使监测的射束样本与扫描电流波形同步，能够产生扫描方向相关的射束电流波形。因此，在示范性实施方案中，显示元件155a优选设置成彩色显示屏的形式，其中与射束从右到左的扫描运动相关联的波形能够显示为第一颜色，而与射束从左到右的扫描运动相关联的波形能够显示为第二颜色。
在图9的代表性截屏中，例如可以看出，在由调谐杯捕获的波形904的中间部分904a附近出现显著的射束电流波动。这可能与所记载的所谓零场异常相关联，并且是与磁性扫描仪系统相关联的公知问题。替代地，部分904a中表示的波动可能关系到与束线中的任何一种射束光学部件相关联的其他因素。此外，图9的代表性截图还表明，例如，与射束电流相关联的波形区段904c在射束横穿调谐杯右侧时的变化显著大于同样与射束电流相关联的波形区段904b在射束横穿调谐杯右侧时的变化。这些不同的波形部分可以表示射束在第二方向上行进与射束在第一方向上行进的时间段对比。波形区段904b与波形区段904c之间的变化可能表明这样的问题：例如，经扫描射束撞击终端站的右侧区域造成脱气(即，射束撞击终端站右侧存在的光致抗蚀剂杂质)。照此，射束逆转方向但尚未延伸到随后射束扫描的时间段内，在短暂的脱气偏移期间，射束电流可能会受到负面影响。这类脱气偏移能够导致终端站内的压力波动或下降，这可能本身表现为从一次扫描过渡到下一次扫描的相对固定时间段内波束均匀性的不一致。应当理解，射束电流的这种不均匀性和/或波动可能关系到与束线中各种射束光学部件、特别是扫描器下游的射束光学部件相关联的其他因素，其中几部分与射束在第二方向上的运动相关联。本发明能够对射束电流进行采样和高级分析，与离子注入系统的控制相结合，包括生成反馈校正信号作为其中一个或多个射束光学元件的输入。替代地，控制系统能够生成阻止进一步注入晶片的锁定信号，以便能够采取补充的校正动作。
应当领会，本发明的检测与采样系统所捕获的射束电流波动和/或射束电流变化能够用作配置成操作离子注入系统的控制系统的输入。如果缺乏控制系统，离子束可能经历由高低射束电流或离子剂量尖峰构成的周期性射束电流变化。这些尖峰可以是偶发性或者是射束电流中的复合性或周期性变化，或者可以由离子注入机内的不同来源产生。例如，颗粒杂质或束形波动可能引起射束电流的意外的快速突发波动(调制)。替代地，如透镜等射束处理部件内的震动等机械震源可能引起射束电流中的系统性反复波动(调制)。特别是，如静电分量、磁性分量或机械分量等束线分量内的波动可能引起衬底处的离子束强度变化。在某些情形下，离子束传播通过束线时，射束位置、射束尺寸和/或射束发散和方向可能波动，这就导致射束电流的波动(调制)。
为解决这类波动，控制系统可以检测射束变化并触发控制信号，该控制信号使离子注入系统互锁和/或关机以中断衬底处理。替选地，为解决这类波动，控制系统还可以检测射束变化并触发控制信号，该控制信号启动诊断路由，其包括调节与一个或多个射束光学组件相关联的一个或多个电源，以免向衬底递送不均匀的离子剂量。特别地，在各种实施方案中，所述系统配置成动态调节离子注入机的参数以减少或取消射束电流调制，从而向衬底递送更均匀的离子剂量。据此，可以将经动态调节的离子束递送到衬底，从而优选产生均匀的离子剂量，其中衬底上每单位面积的离子剂量均匀。
应当理解，例如，图1的控制系统154配置成分析射束电流密度分布和关联的离子束位置，以确定在相应的关联位置递送到衬底的离子束电流密度，以及进一步计算预测的剂量均匀性，其中控制器进一步配置成如果预测的剂量均匀性与注入均匀性标准不一致则执行校正动作。在一种示范性实施方案中，控制器154可以配置成调节其中任何一个射束光学元件，从而在离子注入循环过程中实时或原位动态地修整离子束电流或电流密度。同样，控制器可以进一步配置成：如果对射束光学器件的调节未能按注入均匀性标准校正所识别的不一致性或不均匀性，则停止注入。
据此，如图10所示，本发明进一步提供一种将离子均匀注入工件的方法。应当指出，尽管本文用一系列动作或事件来例示并描述这些示范性方法，但本发明不限于这些动作或事件的例示顺序，因为根据本发明，某些步骤可以不同的顺序进行和/或与本文例示并描述的其他步骤同时进行。除此之外，并非所有例示的步骤皆需用来实施根据本发明的方法。此外还应领会，所述方法可结合本文所述的系统并结合本文未示的其他系统来实施。本领域技术人员应当理解，方法能够替代性表示为一系列相互关联的状态或事件，如在状态图中。
图10描绘根据本发明的离子注入系统控制和射束电流均匀性控制的第一种示范性流程图1000。该流程图始自框1002，其中生成离子束。在框1004，通过多个射束光学元件传输离子束，这些射束光学元件包括(静电或磁性)扫描器并可以进一步包括离子源引出和抑制电极、质量分析器、解析孔径、射束聚焦元件、扫描器电极或其他偏转系统、平行化系统、角能量滤波器和/或电荷中和系统。在框1006，对多个射束电流测量值进行采样，以提供多个离散射束电流测量值。在一种示范性实施方案中，可以约250KHz或更高的速率执行射束电流测量。在步骤1008，将这些多个离散射束电流测量值关联到扫描电流，以提供每个离散射束电流测量值的位置信息。收集该射束电流样本作为扫描电流的函数，以提供射束电流和位置。例如，动作1006与扫描离子束同时发生，以便基于离子束的位置和工件的物理维度，使侧法拉第杯和调谐法拉第杯暴露于离子束。照此，在动作1008中，将射束电流密度分布关联到离子束相对于工件、多个侧法拉第杯和调谐法拉第杯的位置。
然后，流程进行到框1010，其中执行对离子束样本测量值的分析。在步骤1012，判定当前的电流样本是否相对于先前的电流样本超过阈值。如果判定为否并尚未超过该阈值，则流程继续进行并对后续射束电流测量值进行采样和分析。如果判定为是并已经超过该阈值，则流程进行到框1014，其中使离子注入过程互锁或停止。
图11描绘根据本发明的离子注入系统控制和射束电流均匀性控制的一种替代示范性流程图1100。类似于如图10描绘的流程图，流程始自框1102，其中生成离子束。在框1104，采用与参照图10所述的相同方式，使离子束传输通过多个射束光学元件。在框1106，与扫描系统的扫描电流(框1108)同步地对多个射束电流测量值进行采样，以便能够确定射束电流样本的位置。然后，流程进行到框1110，其中能够执行对离子束样本测量值的分析。在步骤1112，基于在框1110执行的分析，判定当前的电流样本是否相对于先前的电流样本超过阈值。如果判定为是并已经超过该阈值，则流程进行到框1114，其中生成控制信号，以更改施加到束线上至少一个光学元件的偏置电压。照此，根据该工艺流程，如果剂量均匀性与预定的注入均匀性标准不一致，则能够动态地修整离子束。如图11所示，应当理解，继续进行离子不均匀性阈值判定，具体方式是，在生成控制信号之后，循环回到步骤1112并在某些情况下回到步骤1106，重新测量并且再重新分析信号，这样如果射束光学器件的调节未能校正违反注入均匀性标准，则采用参照图10所述的方式停止注入。因此，能够进行多次尝试来生成适当的控制信号，以适当地调节离子注入机的参数，如果尝试次数超过预定次数，则流程可以进行到使离子注入过程互锁或停止的步骤。
应当理解，本发明能够用于分析多个工件上的离子束的射束电流密度分布和关联位置，以确定相应的关联位置上的离子束的射束电流均匀性，其中控制器进一步配置成：如果剂量均匀性违反注入均匀性标准，则执行校正动作。本发明可以进一步用于调节各种射束光学元件，从而如果剂量均匀性违反注入均匀性标准，则动态地修整离子束。同样，本发明能够进一步用于：如果对光学元件的调节未能校正注入均匀性标准，则停止注入过程。
尽管本发明的内容已就某一或某些优选实施方式得以阐明，但基于对本发明说明书及附图的阅读和理解，等效变化及修改对于本领域的技术人员而言显而易见。特别是关于上文所述构件(组件、器件、电路等)所执行的各种功能，用来描述这类构件的术语(包含引用“手段”)旨在对应于执行上述构件具体功能(即在功能上等效)的任何构件，但在结构上并未等效于本发明示范性实施方案中例示的执行本文所述功能的披露结构，除非另作说明。此外，虽仅就几种实施方案之一揭示本发明的具体特征，但若适于或利于任何给定或特定的应用，则这一特征可结合其他实施方案中的一个或多个其他特征。

Claims (23)

1.一种控制离子注入系统中离子束均匀性的方法，所述方法包括：
生成离子束；
使所述离子束输向工件；
沿第一轴在第一扫描方向和第二扫描方向上扫描所述离子束，以响应扫描电流波形生成经扫描离子束；
提供至少一个射束光学元件，所述至少一个射束光学元件配置成使所述离子束输向工件时选择性转向和/或整形所述离子束；
在扫描所述离子束时对所述离子束进行采样，以提供多个离子束电流样本；
使所述多个离子束电流样本与扫描电流波形同步，以提供与所述经扫描离子束相对应的位置和扫描方向信息，以产生时间、位置和扫描方向相关的射束电流波形；以及
分析所述多个离子束电流样本，以检测其中的不均匀性；以及
响应于分析步骤，生成控制信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制信号包括用于互锁所述离子注入系统中离子束传输的信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制信号包括用于更改向至少一个射束光学元件的输入的信号，以控制所述离子束的有效横截面形状的变化。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，
所述分析步骤包括将所述多个离子束电流样本中的至少一个与先前的离子束电流样本进行比较；以及
当所述多个离子束电流样本中检测到的不均匀性超过预定阈值时，启动生成步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述分析步骤包括
将所述多个离子束电流样本中的至少一个与预测的不均匀性规范进行比较；以及
当所述多个离子束电流样本中检测到的不均匀性超过所述预测的不均匀性规范时，启动生成步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括步骤：
存储所述多个离子束电流样本和所述离子束的位置，以便跨多个工件进行多次扫描。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个射束光学元件更改所述离子束的有效横截面形状。
8.一种离子注入系统，包括：
用于生成离子束的离子源；
束线，所述束线配置成使所述离子束沿射束路径输向配置成保持工件的终端站；
沿所述束线定位的多个射束光学元件，所述多个射束光学元件配置成使所述离子束输向所述工件时选择性转向、偏转和/或整形所述离子束；
扫描器，所述扫描器配置成接收扫描电流波形，用于沿第一轴在第一扫描方向和第二扫描方向上扫描所述离子束，以响应所述扫描电流波形生成经扫描离子束；
射束采样系统，所述射束采样系统配置成在扫描离子束时对所述经扫描离子束进行采样，以提供多个离子束电流样本；
控制器，所述控制器配置成使所述多个离子束电流样本与扫描电流波形同步，以提供与所述经扫描离子束相对应的位置和扫描方向信息，以产生时间、位置和扫描方向相关的射束电流波形，并且进一步分析所述多个离子束电流样本，以检测其不均匀性并响应所述不均匀性生成控制信号。
9.根据权利要求8所述的离子注入系统，其中，所述射束采样系统进一步包括配置成与所述离子束相交的多个法拉第杯。
10.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中，所述多个法拉第杯包括定位在所述工件周边附近的至少一个侧法拉第杯。
11.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中，所述多个法拉第杯包括沿所述射束路径定位在所述工件下游的至少一个调谐法拉第杯。
12.根据权利要求8所述的离子注入系统，其中，所述控制器进一步配置成关联所述离子束相对于所述工件的位置。
13.根据权利要求12所述的离子注入系统，进一步包括存储装置，所述存储装置配置成存储与所述离子束相对于所述工件的位置相关联的射束电流密度分布。
14.根据权利要求8所述的离子注入系统，其中，所述控制器进一步配置成响应于所述多个离子束电流样本中检测到的不均匀性超过预定阈值而生成所述控制信号。
15.根据权利要求14所述的离子注入系统，其中，所述控制信号包括用于中断所述离子注入系统中离子束传输的互锁信号。
16.根据权利要求14所述的离子注入系统，其中，所述控制信号包括用于更改所述多个射束光学元件中的至少一个的输入的信号，以控制所述离子束的有效横截面形状的变化。
17.根据权利要求8所述的离子注入系统，其中，所述多个射束光学元件更改所述离子束的有效横截面形状。
18.一种使离子均匀注入工件的方法，所述方法包括：
生成离子束；
沿射束路径传输所述离子束；
提供至少一个射束光学元件，所述至少一个射束光学元件配置成沿所述射束路径传输所述离子束时作用于所述离子束；
沿第一轴在第一扫描方向和第二扫描方向上扫描所述离子束，以响应扫描电流波形产生经扫描离子束；
当跨所述工件的表面扫描所述离子束时，通过获得多个不同的离子束电流密度样本，对所述经扫描离子束进行采样，以检测射束电流密度的波动；
使所述多个不同的离子束电流密度样本与所述扫描电流波形相关联，以提供所述离子束相对于所述工件的位置和扫描方向，以产生时间、位置和扫描方向相关的射束电流波形；
利用所述离子束的所述位置和扫描方向，分析所述多个不同的离子束电流密度样本，以确定相应关联的位置和扫描方向上的所述离子束电流密度；
将在其相应位置和扫描方向上的当前的离子束电流密度样本与在其相应位置和扫描方向上的先前的离子束电流密度样本进行比较；以及
响应于比较步骤，创建控制信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，如果所述比较步骤产生当前的离子束电流密度样本值超过阈值，则所述控制信号包括用于停止注入的信号。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述控制信号包括用于调节施加到至少一个射束光学元件的偏置电压的信号，所述至少一个射束光学元件配置成沿所述射束路径传输所述离子束时作用于所述离子束。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，如果所述比较步骤产生离子束电流密度样本值与预测的离子束电流密度波形不一致，则所述控制信号包括用于停止注入的信号。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述控制信号包括用于调节施加到至少一个射束光学元件的偏置电压的信号，如果所述比较步骤产生离子束电流密度样本值与预测的离子束电流密度波形不一致，则所述至少一个射束光学元件配置成沿所述射束路径传输所述离子束时作用于所述离子束。
23.一种离子注入系统，包括：
束线，所述束线配置成使离子束沿射束路径引导到配置成保持工件的终端站；
扫描系统，其响应于扫描电流波形输入，所述扫描系统配置成沿第一轴在第一快速扫描方向和第二快速扫描方向上跨所述工件的表面扫描所述离子束，以生成经扫描离子束；
至少一个射束光学元件，所述至少一个射束光学元件配置成在所述离子束被引导向所述终端站时修整所述离子束，其中，所述修整包括转弯、偏转或聚焦；以及
射束采样系统，所述射束采样系统配置成在所述第一快速扫描方向和所述第二快速扫描方向上扫描所述离子束时对所述离子束的射束电流密度进行采样，所述射束采样系统包括：
多个侧法拉第杯，所述多个侧法拉第杯定位在所述工件周边附近；
调谐法拉第杯，所述调谐法拉第杯沿所述射束路径定位在所述工件下游；以及
控制器，所述控制器配置成：
分析所述射束采样系统的输出并使所述输出关联到扫描系统，以提供与所述离子束相对于所述工件的位置和扫描方向相关的射束电流密度值；
计算预测的所述离子束的剂量均匀性；以及
如果采样的离子束值与所述预测的剂量均匀性不一致，则提供控制信号。
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