CN1132227C - 离子束中和方法及设备 - Google Patents

Abstract

离子束中和的方法和设备。离子束中和器(44)位于离子处理台上游，包括约束离子束路径的密封结构(120)。电子源(126)位于密封结构内，向离子束发射电子。由密封结构支承的磁体阵列(124)产生用于把电子约束密封结构内运动的磁场。在密封结构内由多个轴向细长过滤杆(208)产生内过滤磁场，该杆具有约束离子束的封装磁体(224)并平行于离子束路径取向。此内磁场约束脱离离子束路径的高能电子(300)并使低能电子(301)随离子束漂移。

Description

离子束中和方法及没备

技术领域

本发明涉及工件的来处理所用的离子束中和方法及设备。

背景技术

离子束注入机用来采用离子束处理硅晶片。这种处理在集成电路制造期间可以产生n或P型非本征材料掺杂或者用来形成钝化层。

用于掺杂半导时，离子注入机注入选择的离子产物，产生期望的非本征材料。注入从源材料例如锑、砷或磷产生的离子形成“n型”非本征材料晶片。如果需要“P型”非本征材料晶片，则注入从源材料例如硼、镓或铟产生的离子。

离子束注入机包括离子源，用于从可离子化源材料产生带正电离子。产生的离子形成束并加速，沿预定束通路到达注入台。离子束注入机包括在离子源与注入台之间延伸的束形成和整形结构。束形成和成形结构保持离子束并限定一个细长内腔或区域，束通过该区域经一条路线到达注入台。注入机工作时，此内区域必须抽真空，减少因与空气分子碰撞而引起的离子子偏离预定束路径的可能性。

本发明的受让人Eaton公司目前销售强电流注入机，产品牌号为NV10，NV-GSD/200，NV-GSD/160和NV-GSD/80。这些已有的注入机的一个问题是晶片带电。离子束与晶片接触时，带正电的离子撞击晶片表面时晶片被充电。充电往往是非均匀的并能在晶片表面产生大电场，从而损坏晶片，使其无法用做半导体材料。

在某些已有的注入系统中，采用电子簇射装置束中和离子束的空间电荷。现有的电子簇射装置利用高能电子撞击金属表面时产生的二次电子发射。从金属表面发射的低能电子或者被俘获在离子束中，或者与晶片表面碰撞，从而使直接中和晶片。

通过来自金属表面的二次发射而获得的电子的电流密度受到离子束与发射表面之间电位差的限制。现有的离子注入机中和器依靠电场把来自离子束之外的电子迁移至束内，电子在那里被离子束俘获。一旦被离子束俘获，电子便可以随束自由移动，到达抵消正电离子束流的目标。

使电子迁移至离子束的电场还令人遗憾地使束离子向外偏离其聚焦的束路径。为了使电子被束俘获，需要在电子与束等离子体颗粒(中性和离子化的)之间的碰撞。如果不发生这种碰撞，则电子以弹道式运动在束之中及周围振荡。离子与电子之间的碰撞率受到决定碰撞可能性的电子密度的限制。通常，电子与离子之间的碰撞率导致不完全中和，保留明显的带正电离子束的剩余空间电荷效应。

一种称为“等离子体桥”的电子流尤其涉及这些制约。在与离子束相邻的空腔产生离子和电子的等离子体。空腔通常与离子束分开，以使在空腔内使用的高密度气体促使等离子体的发生。允许等离子体经过小孔从空腔“漏出”。大电子流从该孔流向离子束等离子体。由于在等离子体桥中的适当电荷中和，大电子流从空腔流向束。

即使使用等离子体桥，也需要沿桥的电场来保持电流。当等离子体桥从产生等离子体的空腔的孔扩展时，电子扩散被作为电子迁移的主要模式的弹道运动所代替。

就现有的离子束中和系统而言，采用从产生电子的区域到电子注入束的区域的电场，这些电场也提高了电子的动能，因而促使电子碰撞，避免被俘获在离子束之内。

发明内容

本发明目的在于提供一种离子注入机，用于对一个或多个工件采用带正电的离子进行处理。

根据本发明的一种用于离子注入机的离子束中和器，其特征在于，包括：

a)金属密封体，与离子束迁移路径相关地支承，并具有沿离子束迁移路径的长度延伸的侧壁，包括具有可使离子束进入由金属密封体限定的中和区的入口开孔的入口盖板，还包括具有可使离子束从中和区穿过、离开密封体的出口开孔的出口盖板，使离子束撞击一个或多个工件；

b)多个磁体，分别安装在约束板和盖板之间，由密封体支承并相对于入口盖板、出口盖板和密封体的侧壁隔开，在中和区建立起约束磁场；还包括安装在各入口和出口盖板的入口约束板和出口约束板；所述入口和出口约束板板具有与所述入口和出口盖板的开口实质上同轴的开口，具有朝内表面并使磁体保持在入口和出口盖板的向外表面上，协助限定约束磁场；

c)支承在中和区内的装置，用于在中和区聚集高密度中和电子，在束穿过中和区时供离子束俘获；

其中入口盖板支承过滤杆组合，包括具有开孔的金属法兰，和靠近所述开孔周边设置的多个轴向延伸的金属过滤杆，该杆沿离子束路径延伸并支承径向朝向于由密封体的侧壁支承的磁体的多个磁体。

根据本发明的优选实施例，离子注入机包括离子源，束形成结构，离子束中和器，和离子处理台。离子源发射带正电离子，由束形成结构将其形成为离子束。离子处理台将一个或多个工件定位，当工件进入离子处理台时截取来自离子束的离子。

离子束中和器沿离子束路径位于离子处理台的上游。根据本发明，离子中和器包括密封结构，限定离子束路径。该结构限定入口板和出口板，以使离子束在处理台撞击一个或多个工件之前穿过中和区。等离子体源位于密封结构内，在中和区内提供电子。密封体还支承磁体阵列，在中和区产生磁场对从电子源发射的电子进行约束，从而增强电子在中和区内的聚集。

在中和区内，电场通常较弱，电子主要通过扩散从高密度区向低密度区位移。如此在离子束本身之内产生自由电子或者不依靠任何电场从周围区域扩散进来。一旦电子被束俘获，大电子流沿离子束流向离子处理台的一个成多个工件，而对离子束轨迹无电场负效应。

离子束中和器所具有的等离子体密度必须实际大于扩散处理所用的离子束的等离子体密度，以便支配电子运动。离子束中和器还必须在低气压下工作，以避免离子束的过度衰减。

根据本发明的另一特征，离子束中和器包括具有多根轴延伸的金属过滤杆的过滤杆组合，在密封结构内支承多个磁体。过滤杆构成过滤磁场，整体约束离子束并沿离子束路径延伸。过滤杆组合约束来自现有的离子束的更高能量，并使低能电子随离子束等离本漂移。过滤杆组合有利于离子束中和。过滤杆限制了一个或多个目标工件的最大可能的负带电。此外，过滤杆组合使靠近离子束中和器的上游部位的离子束等离子体的发热减至最小。

电子流的性能测量是在绝缘目标的离子束上游中心的电压。低电压对应于因不完全中和引起的离子束中较低的剩余空间电荷。已经发现，本优选实施例所公开的离子束中和器产生约5～7伏的束电压，而采用相同离子束的其它传统电子流则具有约15～60伏的束电压。

附图说明

图1是离子注入机的示意图，用于例如安装在旋转支架上的硅晶片的工件的离子束处理。

图2是根据本发明优选实旋例构成的离子束中和器的分解透视图。

图3是根据本发明优选实施例构成的密封体的正视图。

图4是由图3中的线4-4所确定的平面图。

图5是由图3中的线5-5所确定的剖面图。

图6是根据本发明优选实施例构成的密封体第一盖板的前视图。

图7是图6盖板的后视图。

图8是图6中的线8-8所确定的平面图。

图9是图6中的线9-9所确定的剖面图。

图10是图6中的线10-10所确定的剖面图。

图11是根据本发明优选实施例构成的密封体第二盖板的后视图。

图12是图11的盖板的前视图。

图13是图11中的线13-13所确定的平面图。

图14是图11中的线14-14所确定的剖面图。

图15是图11中的线15-15所确定的剖面图。

图16是安装在密封体上的磁体的透视图。

图17是安装在第一和第二盖板的磁体的透视图。

图18是根据本发明优选实施例构成的包括多个磁过滤杆的过滤杆组合的正视图。

图19是图18中的线19-19所确定的平面图。

图20是从图19中的线20-20所确定的平面来看的一个过滤杆的剖面图。

图21是用于把磁体保持在密封体上的护杆。

图22是出口法兰的后视图。

图23A-23B是展示约束磁场和磁场过滤器的离子束中和器的实施例的示意图。

图23C-23D是展示约束磁场的离子束中和器的另一实施例的示意图。

具体实施方式

参看图1，该图展示了离子束入机，整体用10表示，其包括安装在“L”状支架15的离子源12，用于提供形成经过束通路到达注入台16的离子束14的离子。在注入台16设置控制电子仪器(未示出)，监视及控制在注入室17内的晶片(未示出)所接收的离子剂量。离子束中的离子流过预定的期望束通路，当束经过离子源12与注入台16之间的距离时趋于发散。

离子源12包括等离子体室18，限定出源材料注入其中的内部区域。源材料可包括离子化气体或者汽化源材料。固态源材料淀积进汽化器，然后注入等离子体室18。如果期望n型非本征晶片材料，则将使用硼、镓或铟。镓和铟是固态源材料，而把硼注入等离子体室18作为气体时，通常是指氟化硼或乙硼烷，这是因硼的汽化压强过低，以致通过对其简单加热即可产生适用的压强。如果准备生产P型非本征材料，则将选取锑、砷或磷作为固态材料。对源材料施加能量，在等离子体室18内产生带正电荷的离子。带正电的离子经过在覆盖等离子体室18的开口侧的盖板中的椭圆弧形狭缝脱离等离子体室。

离子束14经过真空通道从离子源12行进至注入室17，注入室也是真空的。由真空泵21提供束通道的真空。根据本发明构成的离子源12的一种应用是用于“低”能量注入机。此种注入机的离子束14趋于在其通道上扩散，因而已经把注入机设计成具有从源12至注入室17的相当“短”的通道。

等离子体室18中的离子经过等离子体室盖板中的弧形狭缝被引出，并被靠近等离子体室的一组电极24加速，朝向固定子支架15的质谱分析磁体22。此组电极24把离子从等离子体室内引出，并加速离子使其进入由质谱分析或解析磁体22界定的区域。经过磁体的离子束能道由铝制束波导26限定。

构成离子束14的离子从离子源12运动进入由质谱分析磁体22建立的磁场。由磁体22产生的磁场的强度和取向由与磁体连接器P₀耦合的控制电子仪器80所控制，调节经过磁体的场绕组的电流。

质谱分析磁体22仅使那些具有适于荷质比的离子到达离子注入台16。在等离子体室18中的源材料的离子化产生具有期望的原子质量的带正电离子的产物。但是，除了期望的离子产物之外，离子化过程还会产生适宜的原子质量之外的部分离子。原子质量超过或低于适宜原子质量的离子不适用于注入。

由质谱分析磁体22产生的磁场使得离子束中的离子以曲线轨迹运动。由控制电子仪器80建立的磁场，仅使原子质量等于期望的离子产物的原子质量的那些离子沿曲线的束通道行进至注入台室17。

位于磁体下游的是解析板40。解析板40由透明石墨构成并限定出离子束14中的离子通过的细长通孔。在解析板40处，离子束的分散、束包线宽度最小。

解析板40的作用是与质谱分析磁体22一起从离子束14中消除其原子质量接近但不等于所需离子产物的不期望的离子产物。如上所述，质谱分析磁体的磁场强度和取向由控制电子仪器80建立，以使仅有那些其原子质量等于所需产物的原子质量的离子会沿预定的期望束通道行进至注入台16。原子质量比所需离子的原子质量大得多或小得多的那些不期望的离子产物被急剧地偏转并撞击在束波导26或者由解析板40确定的狭缝边界。

可调节的解析狭缝41和法拉第遮光器42位于解析孔40和离子束中和器44之间。法拉弟遮光器42可移动地连接于同束来路线的盒50上。法拉弟遮光器42可以线性地移至横切离子束14的位置，测量束特性，当测量满足条件时，遮光器从束路线摇摆开，从而对注入室17内的晶片注入无影响。

束形成结构还包括束中和器44，通常称为电子簇射。1992年11月17日授予Denveniste的美国专利5164599公开了一种离子束注入机中的电子簇射设备，这里将其整体引作参考。从等离子体室18引出的离子带电。如果在晶片注入之前未使离子的正电荷中和，则掺杂后的晶片将带负电。如美国专利-5164599所述，这种在晶片上的净负电荷具有不期望的特性。

中和器44的下游端与其中晶片被注入离子的注入室17相邻。一个盘状晶片支架60支承在注入室之内。待处理的晶片位于靠近晶片支架的外边缘之处，支架由电机62旋转。电机62的输出轴通过皮带66与支架驱动轴64耦合。离子束14在晶片在环形通道旋转时撞击晶片。注入台16可相对于中和器44转动，并通过柔性波纹管70与盒50连接(图1)。

图2-23展示了根据本发明构成的离子束中和器44的优选实施例。图2是束中和器44的分解透视图。束中和器44包括第一金属盖板100，金属密封体120，和在图1所示位置与注入机10连成一体并安装于其上的第二金属盖板140，以使束140通过密封体120。密封体120支承一个围绕其圆周按均匀间距相隔的细长外磁体阵列124。盖板100、140分别包括通常为拉长的矩形开口105、145，可使离子束14通过盖板100、140和密封体120。盖板100、140支承多个均匀间隔的外磁体164、密封体120、盖板100、140和磁体124、164构成约束磁场，把电子约束在由盖板100、140和密封体120界定的区域内运动，使得这些电子可被离子束的电位所俘获。

参看优选实施例的图3，金属(一般是铝)密封体120是具有内区130的圆筒结构。在该优选实施例中，密封体120围绕其圆周限定出脊条122阵列。脊条122由设置细长磁体124的槽123隔开(如图16所示)。如图23A概念性地所示，磁体124的取向是使其磁极交替地围绕密封体120的圆周。所得的约束磁场191整体由图23A中的虚线所示。长度大致与磁体124相等的护杆127(图21所示)与磁体124相邻地安装。杆127的端限定出螺纹孔129，与穿过位于盖板100、140圆周的通孔121的紧固件128配合。紧固护杆127避免相邻磁体124径向向外移动。

如图4和5所示，密封体120限定出一对开口125a、125b，容纳一对电子源126(图23C)或者电子激发源199(图1仅示出其中之一)。电子源或激发源径向向内伸入由金属密封体120界定的中和区130。在优选实施例中，电子激发源包括谐振频率天线199，如图23B示意性所示，和发射电磁能的电源199a，对被离子束等离子体14的电位所俘获在中和区130内的自由电子加速。

另一实施例概念性地示于图23C和23D，其中密封体120一般为矩形。此实施例中，电子源126包括灯丝阴极299，和电源299a，把电子注入离子束14经过的中和区130。第二电源299b连接地的中和体120与灯丝阴极299之间保持偏置电压。如图23D概念性所示，磁体124的取向是使其磁极交替围绕体120的周边。所得约束磁场291整体由图23C和23D的虚线所示。约束磁场291约束高能电子300，并可使低能电子301沿离子束14漂移。

密封体120还限定出前后表面120a、120b，分别具有槽135，用于容纳O形环136(图2仅示出其中一个)，并具有螺纹孔139，用于容纳多个紧固件138。金属盖板100、140分别利用插入位于盖板100、140的直径上的通孔131的紧固件138与密封体120的表面120a、120b连接。如图1概括所示，密封体120的外表面和离子束中和器44的至少一个盖板100、140暴露于空气中。在此优选实施例中，O形环136压在体120与盖板100、140之间，使大气压与离子束中和器44内的真空分开。

图6-10是入口金属盖板100，图11-15是出口金属盖板140。入口盖板100和出口盖板140由密封体120轴向隔开并呈同轴关系。盖板100、140分别包括多个规则隔开的长方形孔108、148，其尺寸设计成形成与磁体164的配合关系。如图6概括所示，根据长方形孔108在入口盖板100上的位置和磁体164的尺寸，长方形孔108可以支承一个或多个磁体164。对于出口盖板140与图11所示类似。如图23B概念性所示，磁体164的取向是使其磁极从一个磁体164到相邻磁体164交替。长方形孔108、148和磁体164的定位，是以使由图23B中的虚线所概括示出的约束磁“壁”201实现对电子源126发射的或者激发源199提供的高能自由电子的约束。

如图2所示，利用插入盖板100、140上的螺纹孔169的紧固件168，磁体约束板111安装在入口盖板100上，第二磁体约束板151安装在盖板140上。板111、151使磁体164保持在盖板100、140内。在磁体164的外表面上安装铜带条165，消除或减少磁体164在长方形孔108内的移动，提供热量从磁体164传输。盖板100、140包括分别限定冷却剂通道114、154(如图8和13所示)的凸缘结构，围绕盖板100、140的圆周确定冷却液体的路线。在优选实施例，冷却液体通过盖板100、140和密封体120散发由高能离子振荡产生的热量。

入口盖板100还包括支承过滤杆组合200的开口105。利用插入盖板100的螺纹孔179的紧固件，过滤杆组合200安装在盖板100上。在此优选实施例中，O形环236压在盖板100与过滤杆组合200之间，使大气压与离子束中和器44内的真空分开。如图18、19和20所示，过滤杆组合200包括具有孔205的金属法兰202和位于孔205周边附近的多根轴向延伸的金属过滤杆208。在此优选实施例中，法兰202和过滤杆208由导电材料例如铝制成。过滤杆208伸过密封体120的长度，在其下游端呈锥形并由盖板140的镗孔149(图12)支承。过滤杆208从电子发射源126向内径向隔开，通常平行于离子束通道14的方向取向。如图20所示，对过滤杆208钻孔，使其包括约束细长磁体224(通常由钐钴制成)的内通道206。如23A所示，磁体224自对准，以使围绕过滤杆组合200的周边，一个磁体224的磁极趋向于其相邻磁体224的相反磁极。过滤杆208中的螺纹孔229容纳紧固件228(图2所示)，使磁体224保持在杆208内。孔205和过滤杆208构成限定离子束14的过滤磁场181(由图23A中虚线所示)。过滤磁场181约束高能电子不脱离离子束区，而使低能电子在密封体120内沿离子束14漂移。对此现象在“在磁多极电弧放电中经过横向磁场的电子流”一文有详细解释，见A.J.T.Holmes，Rev.Sci.Instrum.53(10)，Oct.1982，P1517，这里引证作为参考。

过滤杆限制了一个或多个目标工件的可能的最大负带电。此外，过滤杆组合200使靠近离子束中和器44上游部位的离子束等离子体14的发热减至最小。高能电子通过“库仑”碰撞与束等离子体电子碰撞，交换功能。结果，束等离子体电子具有了高的平均能量。

参看图22，利用插入出口盖板140上的通孔251插入出口法兰250上的螺纹开孔259的紧固件(未示出)，把出口法兰250安装在出口盖板140上。出口法兰250(通常由透明石墨制成)限定个孔255，以使离子束14穿过出口盖板140，同时保护盖板140不受离子撞击。

根据上述本发明的优选实施例，本领域的技术人员可以得出各种改进、变化和变型。所有这些改进、变化和变型均被认定为落入本发明的精髓或范围之内。

Claims (16)

1、一种用于离子注入机的离子束中和器(44)，其特征在于，包括：

a)金属密封体(120)，与离子束迁移路径相关地支承，并具有沿离子束迁移路径的长度延伸的侧壁，包括具有可使离子束进入由金属密封体限定的中和区的入口开孔的入口盖板(100)，还包括具有可使离子束从中和区穿过、离开密封体的出口开孔的出口盖板(140)，使离子束撞击一个或多个工件；

b)多个磁体(124、164)，分别安装在约束板(111，151)和盖板(100，140)之间，由密封体支承并相对于入口盖板(100)、出口盖板(140)和密封体的侧壁隔开，在中和区建立起约束磁场；还包括安装在各入口和出口盖板的入口约束板(111)和出口约束板(151)；所述入口和出口约束板板具有与所述入口和出口盖板的开口实质上同轴的开口，具有朝内表面并使磁体(164)保持在入口和出口盖板(100、140)的向外表面上，协助限定约束磁场；

c)支承在中和区内的装置(126)，用于在中和区聚集高密度中和电子，在束穿过中和区时供离子束俘获；

其中入口盖板(100)支承过滤杆组合，包括具有开孔的金属法兰，和靠近所述开孔周边设置的多个轴向延伸的金属过滤杆(208)，该杆沿离子束路径延伸并支承径向朝向于由密封体的侧壁支承的磁体(124)的多个磁体(224)。

2、根据权利要求1的离子束中和器，其特征在于，密封体基本上是圆筒形。

3、根据权利要求2的离子束中和器，其特征在于，至少某些磁体(124)围绕所述基本上为圆筒形密封体的圆周轴向地设置。

4、根据权利要求1的离子束中和器，其特征在于，过滤杆被钻孔，用以容纳过滤杆磁体(224)。

5、根据权利要求4的离子束中和器，其特征在于，过滤杆(208)基本上延伸于密封体的长度。

6、根据权要求1的离子束中和器，其特征在于，磁体(124、164)是永久磁体。

7、根据权利要求1的离子束中和器，其特征在于，每个所述盖板(100、140)限定冷却剂通道，用于冷却液体路径，消散高能离子与盖板和密封体碰撞所产生的热量。

8、根据权利要求1的离子束中和器，其特征在于，密封体的壁限定至少一个开口，使电子聚集在中和区内的装置(126)包括至少一个载流电子源，直接安装在密封体中和区内，直接向中和区注入电子。

9、根据权利要求8的离子束中和器，其特征在于，电子源包括灯丝阴极和用于在灯丝阴极中通过电流的电源(299a)。

10、根据权利要求1的离子束中和器，其特征在于，密封体的壁限定至少一个开口，使电子聚集在中和区内的装置包括谐振频率天线(199)和电源(199a)，在密封体的中和区提供自由电子。

11、根据权利要求1的离子束中和器，其特征在于，包括：

a)多个轴向细长磁体(124)，按规则间隔支承在一般为圆筒形金属体(120)的圆周上；

b)一对轴向隔开的金属盖板(100，140)，具有通常与该体同轴的开口，其尺寸可使离子束穿过盖板和体；

c)多个由金属盖板支承的规则隔开的磁体(164)。

d)多个约束离子束的轴向细长金属过滤杆(208)，通常与离子束路径方向平行地取向。

12、根据权利要求11的离子束中和器，其特征在于，过滤杆基本延伸于金属体的长度。

13、根据权利要求11的离子束中和器，其特征在于，过滤杆被乱孔用于密封至少一个过滤磁体(224)。

14、根据权利要求11的离子束中和器，其特征在于，金属板限定一个确定冷却剂通路的法兰结构，用于散发离子与盖板的体碰撞产生的热量。

15、根据权利要求11的离子束中和器，其特征在于，金属体限定一个具有径向向内延伸的电子源的开口(125a)，在金属体内提供高能电子。

16、一种向离子束注入中和电子的方法，在具有如下装置的离子注入机中：从源位置发射带正电的离子的离子源(12)，从脱离源的带正电离子形成离子束(14)的结构，和使一个或多个工件定位的离子处理台(16)，当工件进入离子处理台时截取离子束中的离子，该方法是沿离子束路径在一个或多个工件的束处理位置的上游注入中和电子，

其特征在于，该方法包括以下步骤：由密封结构(120)约束离子束路径，所述密封结构包括入口和出口，可使离子束(14)在处理台撞击一个或多个工件之前穿过中和区；当离子束穿过密封结构时在中和区内提供电子；把来自电子源(126)的电子约束在密封结构内。

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