CN112136200B - 致密高能离子植入系统及生成高能离子射束的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种致密高能离子植入系统、生成高能离子射束的设备及方法。所述设备可包括离子源，所述离子源被布置成产生处于第一离子能量的离子射束。所述设备可进一步包括直流加速器柱，所述直流加速器柱设置在所述离子源下游且被布置成将所述离子射束加速到第二离子能量，所述第二离子能量大于所述第一离子能量。所述设备可包括线性加速器，所述线性加速器设置在所述直流加速器柱下游，所述线性加速器被布置成将所述离子射束加速到比所述第二离子能量大的第三离子能量。

Description

致密高能离子植入系统及生成高能离子射束的设备及方法
技术领域
本发明大体来说涉及离子植入设备，且更具体来说涉及高能射束线离子植入机及生成高能离子射束的设备及方法。
背景技术
离子植入是一种通过轰击将掺杂剂或杂质引入到衬底中的工艺。离子植入系统可包括离子源及一系列射束线组件。离子源可包括在其中产生离子的腔室。离子源还可包括设置在腔室附近的电源及抽取电极总成。射束线组件可例如包括质量分析仪、第一加速级或减速级、准直器及第二加速级或减速级。与用于操纵光射束的一系列光学透镜很像，射束线组件可对具有特定物质、形状、能量和/或其他品质的离子或离子射束进行过滤、聚焦及操纵。离子射束穿过射束线组件且可被朝向安装在台板或夹具上的衬底而引导。
能够产生近似1MeV或更大的离子能量的植入设备通常被称为高能离子植入机或高能离子植入系统。一种类型的高能离子植入机采用所谓的串接加速架构，在所述串接加速架构中，离子通过第一柱被加速到高能量，经历电荷交换以改变极性，且接着所述离子在第二柱中被加速到为第一能量的近似两倍的第二能量。另一种类型的高能离子植入机被称为线性加速器(linear accelerator)或LINAC，在所述线性加速器中，一系列被布置为管的电极传导离子射束并沿着所述一连串的管将离子射束加速到越来越高的能量，其中电极接收交流(AC)电压信号。标准LINAC是使用包括线圈及电容器的谐振电路通过13.56MHz(或者可能处于10MHz至20MHz范围中)信号来加以驱动。总的来说，采用13.56MHz谐振器的标准LINAC采用许多加速器级及因此许多谐振器来将最初低能量的离子射束加速到目标离子能量，从而需要相对大的操作占用面积。针对这些及其他考虑因素，提供了本发明。
发明内容
各种实施例涉及新颖的离子植入设备。在一个实施例中，一种设备可包括离子源，所述离子源被布置成产生处于第一离子能量的离子射束。所述设备可进一步包括直流加速器柱(DC accelerator column)，所述直流加速器柱设置在所述离子源下游且被布置成将所述离子射束加速到第二离子能量，所述第二离子能量大于所述第一离子能量。所述设备可包括线性加速器，所述线性加速器设置在所述直流加速器柱下游，所述线性加速器被布置成将所述离子射束加速到比所述第二离子能量大的第三离子能量。
在另一实施例中，一种用于生成高能离子射束的方法可包括：在离子源处产生处于低离子能量的离子射束。所述方法可包括通过直流加速器柱将所述离子射束加速到中间离子能量，所述中间离子能量大于200keV。所述方法可进一步包括在设置在所述直流加速器柱下游的线性加速器中将所述离子射束加速到大于1MeV的高能量。
在又一实施例中，提供一种致密高能离子植入系统，其包括被布置成产生处于第一能量的离子射束的离子源及抽取系统(extraction system)。所述系统可进一步包括直流加速器柱，所述直流加速器柱设置在所述离子源下游且被布置成将所述离子射束加速到中间离子能量，所述中间离子能量大于200keV。所述系统可包括：分析仪，所述分析仪设置在所述直流加速器柱下游且被布置成变更所述离子射束的轨迹；以及线性加速器，设置在所述分析仪下游，所述线性加速器被布置成将所述离子射束加速到大于1MeV的高能量。
附图说明
附图未必是按比例绘制。附图仅为代表性图，而非旨在描绘本发明的具体参数。附图旨在示出本发明的示例性实施例，且因此不应被视为在范围上具有限制性。在附图中，相同的编号代表相同的元件。
图1示出示范根据本发明实施例的设备的示例性实施例。
图2示出根据本发明实施例的线性加速器的示例性加速器级的结构。
图3是示出与图2所示线性加速器的加速器级相关联的各种参数的曲线图。
图4呈现根据本发明实施例布置的LINAC的加速器级的建模结果。
图5示出根据本发明一些实施例的示例性过程流。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图来更全面地阐述根据本发明的设备、系统及方法，在附图中示出所述系统及方法的实施例。所述系统及方法可实施为许多不同的形式，而不应被视为仅限于本文中所述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本发明将透彻及完整起见，且将向所属领域中的技术人员全面地传达所述系统及方法的范围。
相对于在图中出现的半导体制造装置的组件的几何形状及定向而言，本文中可使用例如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“垂直”、“水平”、“横向”及“纵向”等用语来阐述这些组件及其构成部分的相对布局及定向。用语可包括具体提及的词语、其派生词及具有类似含义的词语。
如本文中所使用，以单数形式叙述且跟在词语“一个(a或an)”后面的元件或操作应被理解为也可能包括多个元件或操作。此外，本发明所提及的“一个实施例”并非旨在被解释为排除也并入有所叙述特征的额外实施例的存在。
本文提供用于改善基于射束线架构的高能离子植入系统的方法。为简洁起见，离子植入系统在本文中也可被称为“离子植入机”。各种实施例提供用于提供产生高能离子的能力的新颖配置，其中被递送到衬底的最终离子能量可为1MeV或更大。本发明的实施例的一个方面是两个不同加速子系统的新颖组合，从而提供优于已知射束线架构的各种优点。在示例性实施例中，将直流加速器柱与新颖线性加速器串联地设置，以在致密射束线架构中产生高能离子射束。
现在参照图1，以框形式示出示例性设备。设备100可代表射束线离子植入机，其中为使解释清晰起见而未示出一些元件。设备100可包括如此项技术中已知设置在终端设备104中的离子源102及气箱107。离子源102可包括抽取系统，所述抽取系统包括抽取组件及过滤器(图中未示出)以便产生处于第一能量的离子射束106。适用于第一离子能量的离子能量的实例介于自5keV至100keV的范围内，而各实施例并不限于此上下文。为形成高能离子射束，设备100包括用于将离子射束106加速的各种额外组件。设备100包括直流加速器柱108，直流加速器柱108设置在离子源102的下游且被布置成将离子射束106加速以生成处于第二离子能量的经加速射束109，其中第二离子能量大于由离子源102产生的第一离子能量。直流加速器柱108可如同在已知的直流加速器柱(例如在中等能量离子植入机中使用的那些柱)中那样被布置。
设备100可包括分析仪110，分析仪110用于通过如图所示改变离子射束106的轨迹而如同在已知的设备中那样分析经加速离子射束109。设备100还可包括设置在直流加速器柱108下游的聚束器(buncher)112及线性加速器114(以虚线示出)，其中线性加速器114被布置成将经加速离子射束109加速以形成处于比第二能量大的第三能量的高能离子射束115。线性加速器114可包括如图所示被串联布置的多个加速器级126。在各种实施例中，第三能量可代表离子射束106的最终离子能量或近似代表最终离子能量。在各种实施例中，设备100可包括额外组件，例如过滤磁体116、扫描仪118、准直器120，其中扫描仪118及准直器120的大体功能是众所周知的且本文将不再加以更详细说明。因此，由高能离子射束115代表的高能离子射束可被递送到终点站122以处理衬底124。
设备100的特点是将直流加速器级与线性加速器串联耦合。在各种实施例中，直流加速器级108可将离子射束106加速到200keV或更大的能量。作为实例，离子射束106可从离子源102被抽取且具有处于20keV至80keV范围中的第一能量，其中直流加速器级将离子射束106加速以产生处于500keV的第二能量的经加速离子射束109。能量为500keV的经加速离子射束109接着被传导到线性加速器114中以供进一步加速。以下详述将具有相对高的能量的经加速离子射束109提供到线性加速器114的优点。
根据本发明的各种实施例，线性加速器114可包括多个加速器级，以进一步将经加速离子射束109加速到高能量。在一些实施例中，线性加速器114的加速器级可为双间隙加速器级，而在其他实施例中，线性加速器114的加速器级可为三间隙加速器级。在特定实施例中，线性加速器114可包括至少三个三间隙加速器级。
图2示出根据本发明实施例的线性加速器的示例性加速器级的结构。图3是示出与图2所示线性加速器的加速器级相关联的各种参数的曲线图。更具体来说，图2示出布置为三间隙加速器级的加速器级200的实施例。如已知，线性加速器(LINAC)接收作为经聚束离子射束的离子射束。经聚束离子射束可在双间隙加速器级内的两个间隙中或者在三间隙加速器级内的三个间隙中被加速。
图2所示配置示出三间隙加速器级，其包括：谐振器204；高频产生器202，耦合到谐振器204；以及一系列加速漂移管(drift tube)，被示作漂移管210、漂移管212、漂移管214及漂移管216。已知，用语“漂移管”指示由处于受控电位的导体环绕、因此不使电场穿透到管的内部中而是将电场局限于漂移管的入口区及出口区的射束线腔或区。因此，带电粒子将以恒定速度行进或“漂移”穿过此漂移管。高频产生器202可产生例如20MHz或更大的射频信号，且在一些实施例中，可产生40MHz信号。谐振器204可被配置为升压变压器以充当电压源，从而产生高压高频信号，例如射频电压信号。此高压信号用于控制漂移管的电压且因此界定由加速器级200提供的加速度。大体如图2中所示而布置的一系列加速器级可串联布置，以递增地将离子能量增加到最终目标离子能量。
可根据本发明的实施例将各种考虑因素考虑在内来确定加速器级内的漂移管的长度以及线性加速器(例如线性加速器114)中加速器级的数目。首先，提供对加速器级200的操作原理的简要说明。如图2的配置中所示，第一加速漂移管(即漂移管210)接收具有给定离子能量的离子射束230，所述离子能量由直流加速柱108决定。可将射频(RF)电压提供为图3中所示的交流信号302，其中交流信号302是沿着z轴值示出，所述z轴值对应于离子束位于那个位置处的时间。随着束加速，即使时间频率是固定的，此束的波长也变长。接着，所述束(由离子射束230代表)通过射频信号的施加而被加速穿过加速器级200，所述射频信号被施加到加速器级的漂移管。所述射频信号可具有适合的形状，例如正弦曲线，如图3中的示例性所施加信号(即交流信号302)所示。交流信号302的特征可在于所施加电压的最大振幅Vmax，其中交流信号是在漂移管212与漂移管214之间施加。因此，在漂移管212与漂移管214之间施加的电压的最大值为2Vmax。值得注意地，漂移管210及最终漂移管(即漂移管216)被接地。
如图2中进一步所示，加速器级200的特征在于介于点P1处漂移管210的一端与点P2处漂移管212的开端之间的间隙220。加速器级的特征进一步在于介于点P3处漂移管212的一端与点P4处漂移管214的开端之间的间隙222。加速器级的特征进一步在于介于点P5处漂移管214的一端与点P6处漂移管216的开端之间的间隙224。值得注意地，在给定漂移管内，离子射束230不加速，且仅以给定速度漂移穿过所述给定漂移管。在加速器级200的每一间隙处，交流信号切换以使离子射束230(作为经聚束离子射束)在相邻的漂移管之间加速。
对于具有Vmax的给定交流电压信号，赋予离子射束230的附加能量的最大量可被示出为等于4qVmax，其中q是离子上的电荷。当给定漂移管的管长度与经聚束离子射束的速度匹配时，可对离子射束230赋予此最大能量。如果管长度过长或过短，则跨越给定间隙而赋予离子射束的能量的量小于2Vmax的附加能量。众所周知，离子的速度仅取决于离子能量及离子质量，且与离子的电荷状态无关。因此，对于质量越高的离子，最大能量通常越高。因此，可通过考虑将要在离子射束230中使用的离子的离子能量及离子质量来设计加速器级200的给定漂移管的管长度。作为实例，与质量较低的离子相比，对于质量较高的离子，注入能量将较高。
由于包括加速器级的线性加速器的组件可能不容易进行切换，因此在设计给定加速器级的各种漂移管时可考虑到将要在设备(例如设备100)中采用的各种离子物质及离子能量。作为参考，对于已知的LINAC，产生器通常已被限制于在13.56MHz下运行。原则上，可使用包括40MHz产生器的40MHz电源来驱动LINAC，其中与13.56MHz谐振器相比，可相应地按比例缩小谐振器尺寸。值得注意地，为在给定管中获得最大电压增加，使管长度与离子的能量匹配。因此，随着离子能量增加，管长度沿着射束线增加。如以下所详述，对于越重的离子及越低的能量，需要越短的管长度。举例来说，对于100keV磷离子能量，在40MHz谐振器的情况中，需要近似1cm的管长度。此种小的长度可能与射束控制不兼容，其中离子射束的宽度及因此漂移管的最小内径可大约为一厘米。对于此种短的长度，电场将穿透漂移管的整个“长度”，从而使漂移管变得无效。对于13.56MHz谐振器，在80keV磷的情况中理想的管长度为近似3cm，从而在离子射束进入所述一系列管以经历加速到高能量时为离子射束的传导呈现更兼容的几何性质。此种13.56MHz LINAC系统的缺点是谐振器相对较大且因此LINAC较大，从而使此种离子植入机产生大的占用面积。
表I针对不同的离子物质(即氢、硼及磷)提供依据最高达10MeV的离子能量而示出的一系列理想管长度。此长度是所指定离子在与交流电压的180°或π弧度对应的时间中行进的距离。管长度也随信号频率而变，且是针对在线性加速器中常用的13.56MHz以及针对40MHz的频率而示出，其中本发明实施例可采用40MHz技术。值得注意地，对于160keV或更小(0.16MeV)的离子能量，理想的管长度是相当小的，对于磷为4cm或更小。在40MHz下，针对磷离子，对于160keV或80keV，管长度是近似1cm。在一些实例中，假定离子射束的射束宽度可大约为1cm，用于适当地控制离子射束的光学器件可决定比射束宽度长的管长度，例如至少2厘米或3厘米。因此，表I突出在仅仅采用线性加速器将离子加速且缺乏本发明实施例直流加速器柱的已知射束线离子植入机中使用13.5MHz频率的一个原因。换句话说，已知的线性加速器射束线植入机可为进入线性加速器的离子射束产生大约80keV或更低的离子能量。对于磷，较低频率(13.56MHz)射频产生器容许线性加速器具有大约3cm的管长度，此对于适于1cm离子射束的射束控制是足够的。值得注意地，在40MHz下，如上所述，用于将离子射束加速的理想管长度对于构造恰当的漂移管以控制1cm磷离子射束来说过短(0.6cm)。
鉴于以上内容，设备100的配置提供优于仅仅采用线性加速器将离子射束加速的已知射束线植入机的优点。值得注意地，由于直流加速器柱可将离子加速到例如500keV的能量，因此在此能量下用于将磷离子射束加速的理想管长度大约为2cm，此为足以将漂移管构造成恰当地控制1cm离子射束的长度。
表I
在加速器级中使用40MHz电压信号来将离子射束加速的又一优点是，与13.56MHz谐振器相比，此使得谐振器的尺寸减小。谐振器的尺寸可与穿过谐振器的交流场的频率成反比，从而当在已知的13.56MHz谐振器与40MHz谐振器之间进行按比例缩放时，得到实质上更小的谐振器尺寸。
如所提及，为恰当地耦合供应到由一系列漂移管构成的加速器级的电压，漂移管长度应适于离子物质的离子能量及质量。返回到图3，进一步示出针对所施加射频电压进行建模的结果，其中Vmax是80kV，频率是20MHz，且漂移管被选择成在近似m/q＝15下产生峰值，其中q为电荷且m为质量。假设电压依据V＝Vmax cos(ωt+φ)而变化。随着经聚束离子射束(离子射束230)移动穿过每一漂移管，交流相位改变。曲线304代表沿着漂移管的中心轴的电压，而曲线306代表漂移管的边缘处的电压。曲线308代表离子能量，其中进入加速器级的初始能量为80keV。间隙220具有10mm的长度，间隙222具有20mm的长度，且间隙224具有10mm的长度，漂移管212的长度是12mm，而漂移管214的长度是24mm。假设离子射束230的质量为15amu。如图所示，离子能量在三个间隙内以三个增量增加，其中最终能量为近似330keV，而理论最大值为400keV(假定Vmax为80keV且注入能量为80keV)。
根据各种实施例，可串联布置多个加速器级，以将离子能量提升到目标值，其中每一加速器级均增加能量。尽管第一加速器级的第一电压信号的相位可与第二加速器级的第二电压信号的相位同相，然而在一些实施例中，可耦合至少另一个加速器级以接收相对于第一加速器级的第一电压信号而异相的第二电压信号。
转到图4，示出根据本发明实施例布置的加速器级的随离子质量(表达为m/q)而变的能量提升。曲线402代表由三间隙加速器级产生的能量增加，如以上参照图2及图3所述。曲线404代表由双间隙加速器级产生的能量增加，其中在两种情况中，均假设80kV的Vmax。对于给定Vmax，三间隙加速器级得到在峰值下进行的能量增加的两倍，而双间隙加速器级具有更宽的其中使能量增加保持在峰值附近的范围。值得注意地，在7至25的m/q之间，三间隙加速器级配置的能量提升仍为最大能量提升的80％。
图5示出根据本发明一些实施例的示例性过程流500。在框502处，从离子源产生具有第一离子能量的离子射束。可通过使用已知的抽取设备抽取离子射束来赋予第一离子能量，其中在一些实施例中，能量可在5keV与100keV之间变化。在框504处，通过直流加速器柱将离子射束加速到第二离子能量。在一些实例中，第二离子能量可高达500keV。在框506处，通过聚束器产生经聚束离子射束，其中经聚束离子射束是由从直流加速器柱接收的离子射束形成。因此，经聚束离子射束可保持第二离子能量。在框508处，使用线性加速器将经聚束离子射束加速到第三离子能量。根据各种实施例，线性加速器可将经聚束离子射束加速到1MeV或更大的离子能量。
鉴于上述内容，通过本文中所公开的实施例实现了至少以下优点。通过提供直流加速子系统以注入处于相对高能量的离子，本发明实施例提供使高能离子植入机与已知的线性加速器相比具有更小的整体占用面积的优点。相关优点是用于产生最终射束能量的加速器漂移管更短，此意味着LINAC子系统更短，且整体工具更致密。由本发明实施例提供的额外优点是由于更高的注入能量而能够使用更高频谐振器，此意味着谐振器更小。又一相关优点是能够通过在更高频率下运行而降低击穿风险，从而消除使用笨重的绝缘构件(例如SF6)的需要。
尽管本文中已阐述了本发明的某些实施例，然而本发明并非仅限于此，因为本发明的范围与此项技术将容许的范围一样宽，并且可同样地阅读本说明书。因此，以上说明不应被解释为具有限制性。所属领域中的技术人员将预想出所附权利要求的范围及精神内的其他修改。

Claims (14)

1.一种用于生成高能离子射束的设备，包括：
离子源及抽取系统，被布置成产生处于第一离子能量的离子射束，所述离子射束包含离子物质；
直流加速器柱，设置在所述离子源下游且被布置成将所述离子射束加速到第二离子能量，所述第二离子能量大于所述第一离子能量；以及
线性加速器，设置在所述直流加速器柱下游，所述线性加速器被布置成将所述离子射束加速到比所述第二离子能量大的第三离子能量，其中所述线性加速器包括多个加速器级，
所述线性加速器的所述多个加速器级包括：
多个漂移管，所述多个漂移管中的给定漂移管被耦合以接收具有频率大于20MHz的射频电压信号，
其中所述给定漂移管的特征在于漂移管长度至少等于具有所述第二离子能量的所述离子物质在与所述射频电压信号的180°对应的时间中行进的距离。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述线性加速器包括至少一个三间隙加速器级。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述线性加速器包括至少三个三间隙加速器级。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述射频电压信号包括40MHz的频率。
5.根据权利要求1所述的设备，所述线性加速器进一步包括设置在所述直流加速器柱与所述线性加速器之间的聚束器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个加速器级中的至少一个加速器级耦合到第一电压源以接收第一电压信号，其中所述多个加速器级中的至少另一个加速器级被耦合成接收相对于所述第一电压信号而异相的第二电压信号。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二离子能量是200keV或更大，且其中所述第三离子能量是1MeV或更大。
8.一种用于生成高能离子射束的方法，包括：
在离子源处产生处于低离子能量的离子射束，所述离子射束包含离子物质；
通过直流加速器柱将所述离子射束加速到中间离子能量，所述中间离子能量大于200keV；以及
在设置在所述直流加速器柱下游的线性加速器中将所述离子射束加速到大于1MeV的高能量，其中所述线性加速器包括多个加速器级，
所述线性加速器的所述多个加速器级包括：
多个漂移管，所述多个漂移管中的给定漂移管被耦合以接收具有频率大于20MHz的射频电压信号，
其中所述给定漂移管的特征在于漂移管长度至少等于具有所述中间离子能量的所述离子物质在与所述射频电压信号的180°对应的时间中行进的距离。
9.根据权利要求8所述的用于生成高能离子射束的方法，
其中所述线性加速器包括至少一个三间隙加速器级。
10.根据权利要求8所述的用于生成高能离子射束的方法，其中所述多个加速器级包括谐振器及耦合到所述谐振器的40MHz产生器。
11.根据权利要求8所述的用于生成高能离子射束的方法，所述线性加速器进一步包括设置在所述直流加速器柱与所述线性加速器之间的聚束器。
12.根据权利要求8所述的用于生成高能离子射束的方法，其中在所述线性加速器中将所述离子射束加速包括：将第一电压信号施加到所述线性加速器的第一加速器级；以及将第二电压信号施加到所述线性加速器的第二加速器级，其中所述第二电压信号相对于所述第一电压信号而异相。
13.根据权利要求8所述的用于生成高能离子射束的方法，其中所述多个加速器级分别由多个射频电压信号驱动。
14.一种致密高能离子植入系统，包括：
离子源及抽取系统，被布置成产生处于第一能量的离子射束，所述离子射束包含离子物质；
直流加速器柱，设置在所述离子源下游且被布置成将所述离子射束加速到中间离子能量，所述中间离子能量大于200keV；
分析仪，设置在所述直流加速器柱下游且被布置成变更所述离子射束的轨迹；以及
线性加速器，设置在所述分析仪下游，所述线性加速器被布置成将所述离子射束加速到大于1MeV的高能量，其中所述线性加速器包括多个加速器级，
所述线性加速器的所述多个加速器级包括：
多个漂移管，所述多个漂移管中的给定漂移管被耦合以接收具有频率大于20MHz的射频电压信号，
其中所述给定漂移管的特征在于漂移管长度至少等于具有所述中间离子能量的所述离子物质在与所述射频电压信号的180°对应的时间中行进的距离。
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