CN1149623C - 用于离子注入机中离子束可变聚焦和质量分辨的加速器-减速器静电透镜 - Google Patents
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Abstract
提供用于离子注入系统(10)中的静电三极管透镜(36)。该透镜包括终端电极(37)和可调节透镜子组件(40)，该透镜子组件包括各具有匹配的弯曲表面(108、110)的抑制电极(38)和分辨电极(39)。该透镜子组件位于终端电极附近，在那里束在第一(分散)平面中具有最小的腰。这种定位使要求的电极之间的间隙最小，并因此有助于使减速工作模式中的束扩张和电子耗尽区最小。
Description
技术领域
本发明概括地说涉及离子注入机领域，更具体地说涉及在离子注入机中以加速和减速两种工作方式对离子束进行可变聚焦和质量分辨的静电透镜。
背景技术
离子注入已成为在集成电路的大规模制造中用杂质进行半导体掺杂的工业的优选技术。离子剂量和离子能量是用来确定注入步骤的两个最重要的参数。对于给定的半导体材料，离子剂量与注入的离子浓度有关。一般将高电流注入机(通常离子束流大于10毫安(mA))用于高剂量注入，而将中等电流注入机(通常能达到约1mA束电流)用于较低剂量的应用情况。
离子能量被用来控制半导体器件中的结深度。构造离子束的离子的能量水平决定注入离子的纵深程度。诸如用来在半导体器件中形成逆行阱(retrogradewell)这样的高能处理要求高达几百万电子伏(MeV)的注入，而浅结可能只要求低于1千电子伏(1keV)的能量。
典型的离子注入机包括三部分或子系统：(i)用于输出离子束的终端，(ii)用于质量分辨和调节离子束的聚焦及能量水平的束线，及(iii)用于容纳要用离子束注入的半导体晶片的靶室。束线一般包括固定尺寸的质量分辨孔和用于聚焦离子束的加速/减速透镜。持续的半导体器件越来越小的趋势要求适合于以低能量提供高束流的束线构造。高束流提供必要的剂量水平，而低能量水平允许浅注入。例如，半导体器件中的源/漏结需要这种高电流、低能量的应用情况。
经过给定的束线构造传输的低能离子束会出现被称作“扩张”的情况，这是指离子束中带同种电荷的离子相互排斥的趋势(也即空间电荷效应)。这种相互排斥引起非所需形状的束偏离预定的束线路径。束扩张在高电流、低能量的应用情况下尤其成问题，因为束(高电流)中离子的高浓度增大了离子的相互排斥力，并且离子的传输势能(propagation potential)(低能量)不足以抵消这些相互排斥力。束扩张的问题随着束线长度的增大而增大。因此，优选的束线构造的设计目的是尽可能减小束线长度。
用于使离子束中的离子加速和减速以达到合适的能量水平，以及用于使离子束聚焦以抵消引起束扩张现象的相斥电荷的静电透镜是已知的。一般这种透镜包括多个电位越来越大或越来越小的电极。束内单个离子的加速或减速的速率取决于这一电位的梯度，而聚焦是通过所获得的由电极发射的电场来实现的。
加速/减速聚焦静电透镜的一个例子示于King等共同转让给本发明的受让人的U.S.专利No.5177366，在此作为参考文献编入，并作完整的说明。在King的专利中，用一对偏转电极将质量分辨孔和静电透镜分隔开。质量分辨孔将荷质比不合适的离子从束中排除。静电透镜连同紧接着的下游加速器一起使用，用来：(i)将已被一对偏转电极初步偏转的离子束在正交的平面中聚焦，及(ii)使束中离子加速，以达到需要的注入能量水平。通过改变下面任何一项，可调节由透镜完成的聚焦：电极之间的间隙、电极厚度、电极曲率、电极电位或第一电极中离子束穿过的狭缝的尺寸。
然而改变电极中狭缝的尺寸需要将部分地限定狭缝结构的板移动和替换。但为提供不同类型的注入操作(即不同电流或能量水平)而移动和替换束线部件是不希望的，因为在其中放置元件的真空室必须打开。打开真空室需要加压到环境气压，并随后再抽气，而且还使室的内部受到污染。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于根据离子束流或能量水平，在第一平面中可调节地进行质量分辨，及在第一平面和第二相垂直或正交的平面中可调节地聚焦离子束的静电透镜组件，它特别适用于高电压、低能量离子注入机中。
本发明还有一个目的是提供一种有这样的电极的可调节静电透镜子组件，该电极之间的间隙在一定范围内无限可调，便于离子束聚焦；而不需移动和替换透镜元件。
本发明再一个目的是尽可能减小离子注入机中的束线长度，从而防止束扩张情况。
本发明又一个目的是提供将可变地可调节静电透镜与可变地可调节分辨孔结合起来的可调节透镜子组件，该子组件提供在减速工作模式下的可变聚焦，而仍允许在加速工作模式下的可变质量分辨。
根据本发明的一个方面，一种离子注入系统，包括：用于发射离子束的终端；用于引导由终端发射的离子束的束线部分；以及用于接收由所述束线部分引导的离子束的靶台，所述束线部分包括用于在第一平面中对离子束进行可调节质量分辨，和在第一平面及正交的第二平面中对离子束进行可调节聚焦的静电透镜，所述透镜包括：(i)终端电极，具有第一和第二部分，它们之间有离子束穿过的间隙；(ii)分辨电极，具有第一和第二部分，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙；以及(iii)其上可加可变电压的抑制电极，设置在所述终端电极和分辨电极之间，并具有第一和第二部分，该第一和第二部分之间限定了一个离子束穿过的间隙；(iv)移动机构，用于使所述抑制电极和分辨电极的所述第一部分能够分别朝着和远离所述抑制电极和分辨电极的所述第二部分同时移动。
根据本发明的另一个方面，用于在第一平面中对离子束进行可调节质量分辨，和在第一平面及正交的第二平面中对离子束进行可调节聚焦的静电三极管透镜，所述透镜包括：(i)终端电极，具有第一和第二部分，它们之间有离子束穿过的间隙；(ii)分辨电极，具有第一和第二部分，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙；以及(iii)其上可加可变电压的抑制电极，设置在所述终端和分辨电极之间，并具有第一和第二部分，该第一和第二部分之间限定了一个离子束穿过的间隙；(iv)移动机构，用于使所述抑制电极和分辨电极的所述第一部分能够分别朝着和远离所述抑制电极和分辨电极的所述第二部分同时移动。
根据本发明的又一个方面，一种可调节透镜子组件，在离子注入系统中用于终端和目标台中间的束线组件中，并且用来在第一平面中对离子束进行可调节质量分辨，和在第一平面及正交的第二平面中对离子束进行可调节聚焦，所述透镜子组件处于贴近所述终端的位置，并包括：(i)其上可加可变电压的抑制电极，具有第一和第二部分，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙；(ii)分辨电极，具有第一和第二部分)，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙；以及(iii)移动机构，用于使所述抑制电极和分辨电极的所述第一部分能够分别朝着和远离所述抑制电极和分辨电极的所述第二部分同时移动。
根据本发明的再一个方面，一种在正交平面中聚焦离子束的方法，使用可调节透镜子组件，该子组件包括抑制电极和分辨电极，该方法包括下面步骤：(i)在所述抑制电极的第一和第二部分)之间设置第一间隙，所述第一间隙具有第一间距；(ii)在所述分辨电极的第一和第二部分之间设置第二间隙，所述第二间隙具有第二间距；(iii)引导离子束穿过所述第一和第二间隙；(iv)改变加到所述抑制电极上的电压量，以便在第一平面中聚焦离子束；以及(v)同时改变所述第一和第二间距，以便在第二平面中聚焦离子束，所述第二平面与所述第一平面垂直。
提供用于离子注入系统的静电三极管透镜。该透镜包括终端电极和可调节透镜子组件，该透镜子组件包括抑制电极和分辨电极。透镜子组件定位于终端电极附近，在这里束在第一(分散)面中具有最小的“腰”。这种定位使所要求的电极间间隙最小，并因此有助于使减速工作模式中的束扩张和电子耗尽区最小。
抑制电极和分辨电极各具有被各自的间隙分开的第一和第二部分。移动机构同时使抑制电极和分辨电极的第一部分分别朝着或远离抑制电极和分辨电极的第二部分移动，从而调节它们之间的间隙。可调节透镜子组件通过(i)在减速工作模式下(其中质量分辨较不重要)对相互正交的(分散和非分散)平面中的束进行可变聚焦，同时(ii)允许在加速工作模式下(其中聚焦较不重要)在分散平面中进行可变质量分辨，从而调整从终端电极输出的束。
通常，在加速工作模式中，调节分辨电极对之间的间隙使得能够在分散平面中进行可调节的质量分辨。在加速工作模式中，由于束的稳定性(stiffness)和降低的束扩张趋势使透镜子组件的聚焦效赢可忽略。但在加速模式中通过调节分辨电极对之间的间隙实现可变质量分辨。通过提供同时调节抑制电极间隙以及分辨电极间隙的能力，尽管在终端设备电极处存在大的正电压，也仍然能以适当的小抑制电极电压在间隙轴上保持负抑制电压，而同时还允许可变质量分辨。
在减速工作模式中，透镜子组件起在相互正交(分散平面和非分散平面)的面中聚焦离子束的作用。分辨电极间隙的调节提供可调节的分散平面聚焦。通过减小分辨电极的间隙在分散平面中实现增强的聚焦。抑制电极上电压的调节使得能够进行可调节的非分散平面束聚焦。通常，通过增大加到抑制电极上的负电压的幅度来实现更多的非分散平面聚焦。
附图说明
图1是使用根据本发明原理构造的静电三极管透镜一个实施例的离子注入系统的平面图；
图2是展示用于给图1的系统的各部件提供电压的电源的示意图；
图3是图1的三极管透镜的可调节透镜子组件部分的透视图；
图4是图3的可调节透镜子组件的部分的分解图；
图5是图1的离子注入系统的三极管透镜的更详细的平面图；
图6是沿图5的6-6线作出的、图5的三极管透镜的可调节透镜子组件部分的剖视图；
图7是沿图5的7-7线作出的、图5的三极管透镜的电极部件的剖视图；
图8是图5的三极管透镜的电极部件的平面图；
图9是图8的电极部件的平面图，进一步展示了在离子束所穿过的分散平面中电极的聚焦效应；
图10是图7的电极部件的剖视图，进一步展示了在离子束所穿过的非分散平面中电极的聚焦效应。
具体实施方式
现参看附图，图1示出的离子注入机，概括地用10代表，它包括离子源12，质量分析磁铁14，束线组件15和靶或目标台16。离子源12和质量分析磁铁14与它们各自的电源一起共同作为终端17(也见图2)。本发明的一个应用是在低能量注入机中，如在图1中所示的束线组件15因低能量束在其传输过程中扩散(即扩张)的趋势而较短。
离子源12包括限定了一个等离子体室20的外壳18，和离子提取组件22。束线组件15包括分辨器外壳23和束中和器24。如下面要进一步说明的，分辨器外壳23包含了发明主题。束中和器24起使束扩张最小化的作用。束中和器24的下游是目标台16，该目标台16包括一个在其上安装要处理的晶片的盘形晶片支承件25。晶片支承件25放置在(通常)按垂直于注入束的方向取向的靶面中。
离子源12固定在L形框架26上。直接以压缩气体的形式或间接由已被汽化的固体形式获得的可电离掺杂气体被注入到等离子体室20中。通常源的元素是硼(B)、磷(P)、镓(Ga)、铟(In)、锑(Sb)和砷(As)。这些源元素大部分是以固体形式提供的，除了一般以气体三氟化硼或乙硼烷形式提供的硼之外。
将能量赋予可电离掺杂气体以在等离子体室20中产生离子。通常产生正离子，尽管本发明也可用于由源产生负离子的系统中。借助包括多个电极27的离子提取组件22可通过等离子体室20中的狭缝提取正离子。电极带有负电位电压，随离开等离子体室狭缝距离的增加其幅度也增加。因此，离子提取组件起从等离子体室提取正离子束28和将提取的离子加速使其进入由框架26支承的质量分析磁铁14中的作用。
质量分析磁铁14起只使荷质比合适的离子通过，从而到达分辨器外壳23的作用。需要质量分析磁铁14是因为离子源12除产生荷质比合适的离子外，还产生荷质比大于或小于需要值的离子。荷质比不合适的离子不适于注入到晶片中。
质量分析磁铁14包括由铝制束导轨30限定的弯曲的束路径29，对质量分析磁铁14的抽气由真空泵31提供。沿这一路径传输的离子束28受质量分析磁铁14产生的磁场的影响(affected)。磁场的强度和方向由控制电子装置32控制，该装置32通过磁连接器33调节流过磁铁14的场绕组(field windings)的电流。由磁铁14进行的离子束部分聚焦只借助于在磁场中建立梯度(即“指数(indexing)”)，或旋转磁铁14的入口或出口磁极，在“分散”平面(弯曲的束路径29的平面)中实现。
磁场使得离子束28从离子源12附近的第一或入口轨迹34沿弯曲的束路径29移动到分辨器外壳23附近的第二或出口轨迹。由荷质比不合适的离子构造的束28的28’和28”部分从弯曲的轨迹上偏离，并打到铝制束导轨30的壁上。以这种方式，磁铁14只使具有需要的荷质比的束28中的离子通过，到达分辨器外壳23。
位于弯曲束路径29的平面中的离子束28的入口和出口轨迹34、35处于分散平面中。这里“非分散”平面定义为与分散平面和靶面二者都垂直的面。因此，磁铁14如此在分散平面中进行质量分析，即通过从束中去除荷质比不合适的离子，并使束方向从入口轨迹34到出口轨迹35再朝向晶片所在的靶面。
分辨器外壳23含有静电透镜36，该透镜36按照本发明原理构造，对由磁铁14输出的离子束28进行质量分辨和聚焦。静电透镜36按三电极(三极管)结构构造，包括终端电极对37，抑制电极对38和地或分辨电极对39。终端电极对固定地接到终端17，并在其电压下(加速模式时为正，减速模式中为负)工作。如下面将参照图3进一步说明的，成对的抑制电极38的每一个与地电极39的每一个一样，可彼此移近和移远，以便调整它们之间的间隙。抑制电极38在负电位下工作，分辨电极39在地电位(零伏)下工作。
抑制和分辨电极对38、39共同称作可调节透镜子组件40。分辨器外壳23限定了一个室41，该室41中有静电透镜36，以及诸如法拉第指示器42(它不够成本发明的任何一部分)这样的剂量显示器。用真空泵43将室41抽真空。旁边的束中和器24限定了一个室44，该室44包括一个电子簇射45。电子簇射45对正电荷进行中和，否则会因由带正电的离子束28的注入而在靶片上聚积正电荷。
用电动机46来旋转在目标台16处的盘形晶片支承件25。这样当离子束在环形路径中运动时就会轰击安装在支承件上的晶片。目标台16可绕轴47转动，该轴通常与离子束路径平行，从而可绕该轴调节靶面。按这种方式可将离子注入角度从标准值处稍作改变。
可调节透镜子组件40起对离子束进行聚焦(特别是在减速模式中)和质量分辨(特别是在加速模式中)的作用。子组件40位于紧接着终端电极37的下游的位置，因为在分散平面中离子束在此位置具有最小的尺寸(即“腰”)。这种定位使所需的电极间间隙最小，从而有助于在减速模式中使束扩张和电子耗尽区域最小。
在加速工作模式，透镜35主要起质量分辨器(聚焦较不重要)的作用，在减速工作模式中透镜35主要起聚焦元件(质量分辨较不重要)的作用。因此同一透镜35既可用于离子注入系统10的加速工作模式(从10-30千伏(kV)提高到90kV，25mA)，也可用于减速工作模式(从2-5kV下降到0.5kV，2mA)。
通过调节安装在系统10中的高压电源，如图2所示，使两种工作方式都是可能的。第一电源PS1给源12提供电源(+V1)，第二电源PS2给终端17提供电源(-V2)，第三电源PS3给静电透镜36的抑制电极38提供电源(-V3)。仅作为例子，PS1工作在约0.5到90kV，PS2工作在约-2kV到-30kV，PS3工作在约-5kV到-25kV。
仍然作为例子，在加速工作模式中，PS1工作在90kV，该电压直接加到源12上。PS2工作在-30kV，它与PS1相连，给磁铁14加60kV(90kV-30kV)。因此，终端工作在60kV，该电压是终端电极37的电压。电隔离器套垫48将终端17与系统外壳(大地)隔开，电隔离器套垫49将终端17与分析外壳23(也为大地)隔开。从而由从源12到磁铁14的30kV电位降初步加速的离子束在到目标台中的靶片去的过程中被进一步加速，其中该靶片相对于终端有更负的电位(大地)。
在减速工作模式，PS1工作在0.5kV，该电压直接加到源12上。PS2工作在-5kV，它与PS1相连，给磁铁加-4.5kV(0.5kV-5kV)的电压。因此，终端工作在-4.5kV，该电压是终端电极37的电压。然后由从源12到磁铁14的5kV电位降初步加速的离子束在它到目标台中的靶片去的过程中被减速，该靶片相对于终端为正电位(大地)。
图3-4更详细示出可调透镜子组件40，该子组件40包括抑制电极对38A、38B和分辨电极对39A、39B，但不包括终端电极对37A、37B(它们固定地接到终端17上)。如图3所示，电极对38和39设置成使得从质量分析磁铁14和终端电极37A、37B出来的经过第二轨道35的离子束依次穿过抑制电极对38(38A和38B)和分辨电极对39(39A和39B)之间的间隙。
如图4所示，分辨电极39A和39B分别用诸如螺钉(未示出)这样的固定物直接安装到水冷钢块50A和50B上。抑制电极38A和38B分别用绝缘器52A和52B直接安装到分辨电极39A和39B上。分别固定中间块50A和分辨电极39A及中间块50B和分辨电极39B的L形支架54A和54B带有端板56和58，它们有封闭电极39A和39B之间间隙的作用(也见图7和10)。
调节抑制电极对38A和38B之间间隙d38及分辨电极39A和39B之间间隙d39(见图8)的装置通过可滑动轴60和62提供，该可滑动轴60和62沿其轴向相互独立地移动。由此使抑制和分辨电极对之间的各间隙可有选择地调节。所需的间隙距离的选择取决于所需的透镜聚焦和质量分辨效应和所需的离子束的能量水平。
轴60直接连接到水冷钢块50B的孔64的位置上，从而与分辨电极39B和抑制电极38B间接相连。轴62直接连接到水冷钢块50A的孔66的位置上，从而与分辨电极39A和抑制电极38A间接相连。尽管可使用任何合适的机构如伺服电机，但使轴60和62能够沿其轴向可滑动地移动的机构未示出。在优选实施例中，一对位于分辨器外壳23外部的伺服电机分别连接到轴60和62上。这种机构提供了同时调节间距d38和d39的装置，在给定范围内无限可调。
图5和6提供对把三极管静电透镜36连接到分辨器外壳23上并定位于分辨室41内的方式的更详细说明。如图5所示，用螺栓68将分辨器外壳23固定到将外壳23与终端17隔离的套垫49上。设置密封垫70以保持外壳23内稳定的真空度。
由石墨制备的终端电极37A和37B用多个拉线钉72固定到终端17上，该拉线钉72包括涂敷有石墨76的铝杆74。屏蔽材料78包围多个拉线钉72，使拉线钉与分辨器外壳电屏蔽开，特别是在减速工作方式下。绝缘挡板80A和80B分别使终端电极37A和37B与分辨器外壳23电隔离开。保持部件82和84位于绝缘挡板80A和80B的两侧，并保持绝缘挡板80A和80B的位置。
利用牢固地固定到外壳23上的托架86将可调节透镜子组件40固定到分辨器外壳23上。托架86包括尼龙轴承88，该尼龙轴承88使得可滑动杆60和62能够沿其轴作滑动移动。设置密封垫90以保持外壳23内稳定的真空度。可延伸的真空密封垫92使得在允许杆60和62进入分辨室41和从分辨室41出来的滑动运动的同时仍能保持真空。支承件94和96分别在分辨室41内支承可滑动杆60和62。支承件98和100分别在分辨室41外支承可滑动杆60和62。对准连接器101使得轴60和62能够适当对准。
图7示出三极管透镜36的电极部件之间的空间，图8示出三极管透镜中同一部件电极对之间的间隙，该电极对包括终端电极37和可调节透镜子组件40(包括抑制电极38和分辨电极39)。图7示出终端电极37B、抑制电极38B和分辨电极39B，它们全部由石墨制备以减小溅射效应。空间104将电极37B和38B分开，空间106将电极38B和39B分开。端板56和58出现在电极39B的上端和下端。空间104和106及端板56和58延伸到图7的平面内，因此对于相应的电极37A、38A和39A情况是一样的。
在所披露的实施例中，空间104和106的宽度W1和W2分别为15毫米(mm)和5mm。宽度W2用分别在抑制电极和分辨电极38B和39B上相应的面对的弯曲表面108B和110B来限定。抑制电极和分辨电极38A和39A类似地分别具有弯曲表面108A和110A。电极37B的宽度(W3)、38B的宽度(W4)和39B的宽度(W5)分别为2mm、20mm(在中心)和30mm(在中心)。电极37A、38A和39A的宽度相同。
图8示出形成每个电极对37、38和39的各电极之间的间隙。每对中的各电极部件之间的间距分别表示为d37、d38和d39。在优选实施例中，终端电极37A和37B之间的固定间距d37大致为66mm。但如上所述抑制电极38A和38B之间的间距d38及分辨电极39A和39B之间的间距d39独立地可调。
为减少电极38和39上交叉污染物的沉积和溅射，凹槽112A和112B分别切入抑制电极38A和38B，而凹槽114A和114B分别切入分辨电极39A和39B。凹槽112和114使限定分别用间距d38和d39表示的间隙的表面区域减至最小，而不对三极管透镜36的聚焦能力产生不良影响。
三极管透镜36的终端电极37与质量分析磁铁14相连，有从离子束中消除不需要的离子种类的作用，这些离子已逃过了磁力，但具有与要求的荷质比接近但不相同的荷质比。因此，终端电极37对分散平面中的离子束进行进一步分辨，并进一步限定处于终端17电位的离子束28的形状。可调节透镜子组件40通过(i)在减速工作模式下既对分散平面又对非分散平面中的束进行可变聚焦，(ii)同时允许在加速工作模式下在分散平面中进行质量分辨，从而调整来自终端的这一已被限定的束。通常，调节分辨电极对39之间的间隙d39，使得能够在其中束聚焦较不重要的加速工作模式下，在分散平面中进行可调节质量分辨。在质量分辨较不重要的减速工作模式下，对间隙d39的调节提供可调节的分散平面聚焦，同时调节抑制电极38的电压，以允许可调节的非分散平面束聚焦。
在加速工作模式下，在三极管透镜36的入口附近等位线的曲率最初使进入的离子束在分散平面中聚焦(等位线垂直于从电极发出的电力线(electric fieldlines)，而电场与电位梯度相反)。但是，在透镜出口附近相反的等位线的曲率引起相反的散焦效应。因相反的曲率(以及场强)在间隙轴上小于在电极附近，并且因进入的离子束已被更多地朝着这一中心的间隙轴聚焦，所以这种相反的散焦效应小于聚焦效应。总之，由于离子束的稳定性(stiffness)和减小的束扩张的趋势，在加速工作模式下，在分散平面(以及非分散平面)中透镜36的这种聚焦和散焦效应可忽略。
但在加速模式中可变质量分辨是通过调节分辨电极对39之间的间隙d39达到的。通过提供同时调节抑制电极间隙d38以及分辨电极间隙d39的能力，尽管在终端电极37存在大的正电压，但仍能以适当小的抑制电极电压(-10kV到-15kV)在轴上保持负抑制电压，而同时还允许可变质量分辨。例如，当只向抑制电极38加-12kV时，通过同时调节间距d38和d39，在透镜的中心轴可获得-165V的分散平面场电位。
在减速工作模式，三极管透镜36起既在分散平面(图9)也在非分散平面(图10)中聚焦离子束的作用。参照图9，沿入射束路径35传输的进入的离子束116最初在分散平面中被可调节透镜子组件40入口附近的等位线118的曲率散焦。但在透镜的出口附近，相反的等位线曲率引起更大的相反的聚焦效应。这种相反的聚焦效应大于最初的散焦效应，因为相反的曲率(以及场强)在距电极较近处大于在轴上，并且因为进入的离子束已被朝着这些电极散焦。此时，离子束已被减速到约0.5kV，并因此既对等位线曲率高灵敏，又极易受束扩张的影响。通过减小分辨电极39的间隙d39，使场强和等位线曲率增加，因而使分散平面聚焦的强度增加，从而实现在分散平面中增强的聚焦。
参照图10，在减速模式中非分散平面聚焦是通过抑制电极38和分辨电极和39各自的弯曲表面108和110(图7)实现的。加到抑制电极38的电压相应地造成弯曲的等位线118(图10)。非分散聚焦对分辨电极39的宽度W5或其最终的出口结构不敏感，因为它是处于地电位(零场)。但分辨电极39有第二弯曲表面120，该表面120防止由透镜36输出的聚焦离子束122的不必要的削减。
端板56和58起增加电极间隙内非分散平面中等位线118的曲率的作用，由此通过造成与分散平面内的位置无关的一致的非分散平面聚焦，而有效地去除聚焦像差。通过改变加到抑制电极38的电压，一般在-10到-25千伏(kV)范围内，来调节非分散平面中的聚焦。一般，通过增加负电压幅度，使透镜出口附近等位线118的曲率增加，从而实现更多的非分散平面聚焦。
使用本发明，在减速工作模式中可相当容易地实现对分散平面和非分散平面聚焦的控制。首先，通过改变抑制电极的电压调节非分散平面聚焦。然后，通过调节分辨电极间隙d39(即通过同时改变间距d38和d39)，实现分散平面聚焦的调节。将抑制电极38和分辨电极39一起移动不会妨碍减速工作模式中的聚焦效应。最初，可调节间距d38被设置为约50mm，可调节间距d39被设置为小于10mm或约40mm。
这样，尽管这种富有创造性的三极管透镜36对高电流(15-20毫安)、低能量(低到0.5kV)的应用情况(减速模式)特别有用，它在更高能量应用情况(加速模式)中也仍然是有用的。在两种类型的应用中，离子束宽度在分散平面中约为4cm，在非分散平面中为10cm。对于分散平面聚焦，离子束的聚焦在下游10cm处，对于非分散平面聚焦是在上游5米(m)处。
这样，已描述了用于对离子束进行可变聚焦和可变质量分辨的可调节静电透镜的优选实施例。但是，在已有上述说明的情况下，应明白该说明只是作为例子，本发明并不局限于在此所描述的实施例，对上述说明可进行各种再设计、修改和替换而不脱离如权利要求及其等同方案限定的本发明的范围。
Claims (30)
1.一种离子注入系统(10)，包括：
用于发射离子束的终端(17)；
用于引导由终端发射的离子束的束线部分(15)；以及
用于接收由所述束线部分引导的离子束的靶台(16)，所述束线部分(15)包括用于在第一平面中对离子束进行可调节质量分辨，和在第一平面及正交的第二平面中对离子束进行可调节聚焦的静电透镜(36)，所述透镜(36)包括：
(i)终端电极(37)，具有第一和第二部分(37A、37B)，它们之间有离子束穿过的间隙(d37)；
(ii)分辨电极(39)，具有第一和第二部分(39A、39B)，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙(d39)；以及
(iii)其上可加可变电压的抑制电极(38)，设置在所述终端电极和分辨电极之间，并具有第一和第二部分(38A、38B)，该第一和第二部分之间限定了一个离子束穿过的间隙(d38)；
(iv)移动机构(60，62)，用于使所述抑制电极和分辨电极的所述第一部分(38A、39A)能够分别朝着和远离所述抑制电极和分辨电极的所述第二部分(38B、39B)同时移动。
2.如权利要求1的离子注入系统(10)，其特征在于所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)的第一部分(38A、39A)分别具有对应的相互面对的弯曲表面(108A、110A)，并且所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)的所述第二部分(38B、39B)分别具有对应的相互面对的弯曲表面(108B、110B)。
3.如权利要求1的离子注入系统(10)，其特征在于所述抑制电极(38)的所述第一和第二部分(38A、38B)具有相互面对的带槽表面(112A、112B)，并且离子束由此经过。
4.如权利要求1的离子注入系统，其特征在于由所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)限定的所述间隙在给定范围内无限可调。
5.如权利要求1的离子注入系统(10)，其特征在于所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)具有相互面对的带槽表面(114A、114B)，并且离子束由此经过。
6.如权利要求5的离子注入系统(10)，其特征在于，还包括设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第一端之间的第一端板(56)，和设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第二端之间的第二端板(58)，从而所述第一和第二端板(56、58)和所述带槽表面(114A、114B)形成离子束穿过的通道。
7.如权利要求5的离子注入系统(10)，其特征在于所述分辨电极(39)被保持在地电位，并且所述终端电极(37)或者在系统(10)的加速工作模式期间被保持在正电压，或者在系统的减速工作模式期间被保持在负电压。
8.如权利要求5的离子注入系统(10)，其特征在于所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)带有平行于所述第一弯曲表面(110A、110B)延伸的第二弯曲表面(120A、120B)。
9.用于在第一平面中对离子束进行可调节质量分辨，和在第一平面及正交的第二平面中对离子束进行可调节聚焦的静电三极管透镜(36)，所述透镜(36)包括：
(i)终端电极(37)，具有第一和第二部分(37A、37B)，它们之间有离子束穿过的间隙(d37)；
(ii)分辨电极(39)，具有第一和第二部分(39A、39B)，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙(d39)；以及
(iii)其上可加可变电压的抑制电极(38)，设置在所述终端和分辨电极之间，并具有第一和第二部分(38A、38B)，该第一和第二部分之间限定了一个离子束穿过的间隙(d38)；
(iv)移动机构(60，62)，用于使所述抑制电极和分辨电极的所述第一部分(38A、39A)能够分别朝着和远离所述抑制电极和分辨电极的所述第二部分(38B、39B)同时移动。
10.如权利要求9的三极管透镜(36)，其特征在于，所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)的第一部分(38A、39A)分别具有对应的相互面对的弯曲表面(108A、110A)，并且其中所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)的所述第二部分(38B、39B)分别具有对应的相互面对的弯曲表面(108B、110B)。
11.如权利要求9的三极管透镜(36)，其特征在于，所述抑制电极(38)的所述第一和第二部分(38A、38B)具有相互面对的带槽表面(112A、112B)，并且离子束由此经过。
12.如权利要求9的三极管透镜(36)，其特征在于由所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)限定的所述间隙在给定范围内无限可调。
13.如权利要求9的三极管透镜(36)，其特征在于所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)具有相互面对的带槽表面(114A、114B)，并且离子束由此经过。
14.如权利要求13的三极管透镜(36)，其特征在于，还包括设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第一端之间的第一端板(56)，和设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第二端之间的第二端板(58)，从而所述第一和第二端板(56、58)和所述带槽表面(114A、114B)形成离子束穿过的通道。
15.如权利要求13的三极管透镜(36)，其特征在于所述分辨电极(39)被保持在地电位，并且所述终端电极(37)在系统(10)的加速工作模式期间被保持在正电压，或者在系统的减速工作模式期间被保持在负电压。
16.如权利要求13的三极管透镜(36)，其特征在于所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)带有平行于所述第一弯曲表面(110A、110B)延伸的第二弯曲表面(120A、120B)。
17.一种可调节透镜子组件(40)，在离子注入系统中用于终端和目标台中间的束线组件中，并且用来在第一平面中对离子束进行可调节质量分辨，和在第一平面及正交的第二平面中对离子束进行可调节聚焦，所述透镜子组件(40)处于贴近所述终端的位置，并包括：
(i)其上可加可变电压的抑制电极(38)，具有第一和第二部分(38A、38B)，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙(d38)；
(ii)分辨电极(39)，具有第一和第二部分(39A、39B)，它们之间限定了一个离子束穿过的间隙(d39)；以及
(iii)移动机构(60，62)，用于使所述抑制电极和分辨电极的所述第一部分(38A、39A)能够分别朝着和远离所述抑制电极和分辨电极的所述第二部分(38B、39B)同时移动。
18.如权利要求17的透镜子组件(40)，其特征在于，所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)的第一部分(38A、39A)分别具有对应的相互面对的弯曲表面(108A、110A)，并且所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)的所述第二部分(38B、39B)分别具有对应的相互面对的弯曲表面(108B、110B)。
19.如权利要求17的透镜子组件(40)，其特征在于，所述抑制电极(38)的所述第一和第二部分(38A、38B)具有相互面对的带槽表面(112A、112B)，并且离子束由此经过。
20.如权利要求17的透镜子组件(40)，其特征在于由所述抑制电极(38)和所述分辨电极(39)限定的所述间隙在给定范围内无限可调。
21.如权利要求17的透镜子组件(40)，其特征在于所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)具有相互面对的带槽表面(114A、114B)，并且离子束由此经过。
22.如权利要求21的透镜子组件(40)，其特征在于，还包括设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第一端之间的第一端板(56)，和设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第二端之间的第二端板(58)，从而所述第一和第二端板(56、58)和所述带槽表面(114A、114B)形成离子束穿过的通道。
23.如权利要求21的透镜子组件(40)，其特征在于所述分辨电极(39)被保持在地电位。
24.如权利要求21的透镜子组件(40)，其特征在于所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)带有平行于所述第一弯曲表面(110A、110B)延伸的第二弯曲表面(120A、120B)。
25.一种在正交平面中聚焦离子束的方法，使用可调节透镜子组件，该子组件包括抑制电极(38)和分辨电极(39)，该方法包括下面步骤：
(i)在所述抑制电极(38)的第一和第二部分(38A、38B)之间设置第一间隙，所述第一间隙具有第一间距(d38)；
(ii)在所述分辨电极(39)的第一和第二部分(39A、39B)之间设置第二间隙，所述第二间隙具有第二间距(d39)；
(iii)引导离子束穿过所述第一和第二间隙；
(iv)改变加到所述抑制电极(38)上的电压量，以便在第一平面中聚焦离子束；以及
(v)同时改变所述第一和第二间距(d38、d39)，以便在第二平面中聚焦离子束，所述第二平面与所述第一平面垂直。
26.如权利要求25的方法，其特征在于所述第一间距(d38)大于所述第二间距(d39)。
27.如权利要求25的方法，其特征在于还包括在所述抑制电极(38)的所述第一和第二部分(38A、38B)上弯曲表面(108A、108B)，以及在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)上弯曲表面(110A、110B)的步骤，所述弯曲的表面(108、110)相互面对。
28.如权利要求25方法，其特征在于所述离子束在被引导穿过所述间隙时减速。
29.如权利要求25的方法，其特征在于还包括在所述抑制电极(38)的所述第一和第二部分(38A、38B)上设置相互面对的带槽表面(112A、112B)，并且在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)上设置相互面对的带槽表面(114A、114B)的步骤。
30.如权利要求29的方法，其特征在于还包括提供设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第一端之间的第一端板(56)，和设置在所述分辨电极(39)的所述第一和第二部分(39A、39B)的第二端之间的第二端板(58)的步骤，从而引导离子束穿过由所述第一和第二端板(56、58)和所述带槽表面(114A、114B)形成的通道。
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