CN115053321A - 使用电荷剥离机制的离子注入系统中金属污染控制的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将高电荷态离子注入到工件中同时减轻痕量金属污染的方法包括从离子源中的所需物质产生处于第一电荷状态的所需离子，以及在第一离子束中产生污染物质的痕量金属离子。所需离子和痕量金属离子的荷质比相等。从离子源中提取所需离子和痕量金属离子。从所需离子中剥离至少一个电子以限定处于第二电荷状态的所需离子和痕量金属离子的第二离子束。仅来自第二离子束的所需离子选择性地仅穿过电荷选择器以限定处于第二电荷状态的所需离子的最终离子束并且没有痕量金属离子，并且将第二电荷状态的所需离子注入到工件中。

Description

使用电荷剥离机制的离子注入系统中金属污染控制的装置和 方法
相关申请的引用
本申请要求2020年2月7日提交的美国临时申请62/971,473的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及离子注入系统，更具体地，涉及一种用于控制污染并以高能量增加离子束电流以获得所需的电荷状态的系统和方法。
背景技术
在半导体器件的制造中，离子注入用于利用杂质对半导体进行掺杂。离子注入系统通常用于利用来自离子束的离子对诸如半导体晶圆的工件进行掺杂，以便在集成电路的制造期间产生n型或p型材料掺杂或形成钝化层。这种射束处理通常用于：在集成电路的制造期间，以预定能级和受控浓度，利用特定掺杂剂材料的杂质选择性地对晶圆进行注入，以生产半导体材料。当用于对半导体晶圆进行掺杂时，离子注入系统将选定的离子物质注入到工件中以生产所需的非本征材料。例如，注入由锑、砷或磷等源极材料产生的离子会产生“n型”非本征材料晶圆，而“p型”非本征材料晶圆通常由利用硼、镓或铟等源极材料产生的离子产生。
典型的离子注入机包括离子源、离子提取设备、质量分析设备、具有或不具有后加速部分、射束传输设备和晶圆处理设备。离子源产生期望的原子或分子掺杂剂物质的离子。这些离子由离子提取设备从离子源中提取，提取设备通常是一组电极，这些电极激励并引导来自离子源的离子流，从而形成离子束。在质量分析设备中，所需的离子从离子束分离，质量分析设备通常是对所提取离子束进行质量分散或分离的磁偶极子。射束传输设备通常是包含一系列聚焦设备的真空系统，其将经分析离子束传送至晶圆处理设备，同时保持离子束的期望性质。最后，通过晶圆处理系统将半导体晶圆传送至晶圆处理设备以及从晶圆处理设备传送出，晶圆处理系统可以包括一个或多个机械臂，用于将待处理的晶圆放置在经分析离子束的前面以及从离子注入机移除经处理的晶圆。
可以在离子注入机中应用基于RF的加速器和基于DC的加速器，由此离子可以通过加速器的多个加速级重复加速。例如，基于RF的加速器可以具有电压驱动的加速间隙。由于RF加速场的时变特性和多个加速间隙，有大量参数会影响最终射束能量。因为离子束的电荷状态分布可以改变，所以付出大量努力来将离子束中的电荷值保持在最初预期的单一值。
发明内容
本发明认识到，对高能级的注入配方(例如，离子束能量、质量、电荷值、射束纯度、射束电流和/或注入的总剂量水平)的显著需求需要在不会不必要地损害离子源的情况下提供更高的射束电流和射束纯度。因此，本文提供了用于增大具有高纯度的射束电流的系统或方法。
相应地，以下呈现了本发明的简要说明，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。该简要说明不是本发明的广泛概述。它既不旨在指示本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。其目的是以简化形式呈现本发明的一些构思，作为稍后呈现的具体实施方式的序言。
本发明的各方面促进用于将离子(例如砷离子)注入到工件中的离子注入工艺。根据一个示例性方面，提供了一种离子注入系统，该系统具有配置成形成离子束的离子源、配置成选择性地传输离子束的束线组件、以及配置成接收离子束以将离子注入到工件中的终端站。
根据一个示例性方面，离子源配置成产生所需物质的所需离子和污染物质的痕量金属离子。例如，所需物质的所需离子处于第一电荷状态，其中所需离子和痕量金属离子的荷质比相等。提取装置配置成从离子源中提取所需离子和痕量金属离子以限定第一离子束，并且质量分析器配置成从第一离子束中选择所需离子和痕量金属离子，从而限定经质量分析的离子束。加速器配置成将经质量分析的离子束从第一能量加速到第二能量，并且电荷剥离装置配置成从所需离子剥离至少一个电子，从而限定包含处于第二电荷状态的所需离子和痕量金属离子的第二离子束。此外，电荷选择器位于电荷剥离装置的下游，其中电荷选择器配置成选择性地仅使处于第二电荷状态的所需离子通过。因此，限定了最终离子束，其中最终离子束包括处于第二电荷状态的所需离子并且不包括痕量金属离子。终端站可进一步配置成接收最终离子束以将所需离子注入工件中。
根据一个示例，电荷选择器包括位于电荷剥离装置附近的电磁质量分析器。在另一个示例中，电荷剥离装置位于加速器内。
例如，加速器可以包括多个加速器级，其中电荷剥离装置位于该多个加速器级的至少两个之间。例如，加速器可以包括具有一个或多个谐振器的RF加速器，该谐振器配置成产生加速RF场。例如，在RF加速器中，该多个加速器级分别包括一个或多个谐振器，该谐振器配置成产生加速场。
在另一个示例中，加速器包括DC加速器，该DC加速器配置成通过稳恒DC高电压加速所需离子。在又一个示例中，电荷选择器包括能量过滤器。此外，可以提供扫描仪并将其配置成往复扫描最终离子束以限定经扫描离子束。例如，扫描仪可以包括静电扫描仪或电磁扫描仪，该静电扫描仪或电磁扫描仪配置成分别以静电方式或电磁方式扫描最终离子束以限定经扫描离子束。在另一示例中，提供角度校正透镜并将其配置成将经扫描离子束平行化和偏移以注入到工件中。
根据又一个示例，电荷剥离装置包括泵和气体源，其中泵配置成从气体源泵送气体并控制气体流入加速器，其中气体的流动配置成从所需物质的离子中剥离电子。例如，该气体包括六氟化硫。
例如，所需离子可以包括砷离子，而痕量金属离子可以包括钛或铁。例如，第一电荷状态的所需离子可以包括75As 3+离子，而痕量金属离子包括50Ti 2+离子。在另一个示例中，第一电荷状态的所需离子可以包括75As 4+离子，而痕量金属离子包括56Fe 3+离子。
根据另一个示例方面，提供了一种离子注入系统，包括配置成沿着束线产生离子束的离子源，其中所述离子束包括第一电荷状态离子和痕量金属离子。提供质量分析器用于沿束线对离子束进行质量分析，并且加速器沿着束线设置并且配置成将离子束从第一能量加速到第二能量。
例如，在系统中提供电荷剥离装置并且配置成沿着束线从第一电荷状态离子剥离至少一个电子，从而限定包括第二电荷状态离子和痕量金属离子的经剥离离子束。例如，电荷选择器装置沿着束线位于电荷剥离装置的下游并且配置成选择在经剥离离子束中的第二电荷状态离子以限定沿着束线的最终离子束，其中最终离子束包括第二电荷状态离子和大约为零的痕量金属离子。此外，可以提供终端站并且将其沿着束线定位，并且配置成支撑将被注入第二电荷状态离子的工件。
在一个示例中，加速器包括多个加速器级，其中电荷剥离装置位于该多个加速器级中的至少一个的下游。例如，该多个加速器级可以包括限定在单独的加速器装置内的多个加速级。或者，该多个加速器级可以由多个单独的加速器装置限定或在多个单独的加速器装置内限定。例如，电荷选择器装置可以进一步位于该多个加速级中的至少两个之间。例如，离子注入系统可以进一步包括位于加速器下游的能量过滤器，其中能量过滤器进一步配置成过滤最终离子束。
在另一个示例中，在系统中提供扫描仪并将其配置成往复扫描最终离子束以限定经扫描离子束。扫描仪可以包括静电扫描仪或电磁扫描仪，该静电扫描仪或电磁扫描仪配置成分别以静电方式或电磁方式扫描最终离子束以限定经扫描离子束。
根据又一方面，提供了一种用于将高电荷状态离子注入到工件中同时减轻痕量金属污染的方法。例如，该方法包括在离子源中产生所需物质的所需离子，其中所需离子处于第一电荷状态，并且其中产生所需离子进一步产生污染物质的痕量金属离子，其中所需物质和污染物质的荷质比相等。从离子源中提取所需离子和痕量金属离子，从而限定第一离子束。在一个示例中，对第一离子束进行质量分析，从而限定经质量分析的离子束。在一个示例中，加速经质量分析的离子束。例如，经质量分析的离子束穿过电荷剥离元件，其中电荷剥离元件从所需离子剥离至少一个电子，从而限定包括处于第二电荷状态的所需离子和痕量金属离子的第二离子束。第二离子束穿过电荷选择器元件，从而限定包括处于第二电荷状态的所需离子且不包括痕量金属离子的最终离子束。此外，将第二电荷状态的所需离子注入到工件中。
附图说明
图1A是示出根据本发明的一个方面的离子注入系统的简化俯视图；
图1B是示出根据本发明的一个方面的在加速器之后具有电荷剥离器的离子注入系统的简化俯视图；
图2是根据本发明的至少一个方面的离子注入系统的一部分；
图3示出了砷射束通过氩和六氟化硫的电荷状态分布；
图4示出了在剥离电荷中使用的各种介质；
图5是示出根据本发明另一示例减少金属污染的方法的流程图；
图6是示出根据本发明又一示例减少金属污染的方法的流程图；
图7是根据本发明又一示例的离子注入系统的示例布置图；
图8是根据本发明另一示例的离子注入系统的简化示意图。
具体实施方式
与作为化学过程的扩散相反，离子注入是一个物理过程，其是在半导体设备制造中采用的，用以选择性地将掺杂剂注入半导体工件和/或晶圆材料中。因此，注入动作不依赖于掺杂剂与半导体材料之间的化学相互作用。对于离子注入，掺杂剂原子/分子被离子化并被隔离，有时会被加速或减速，形成为射束，然后扫过工件或晶圆。掺杂剂离子物理轰击工件、进入表面并通常停留在工件表面之下的晶格结构中。与Satoh共同享有的美国专利8,035,080描述了用于增大射束电流的各种系统和方法，其内容通过引用整体并入本文。
本发明认识到高能注入应用(例如，用于形成图像传感器)可能对金属污染非常敏感。高能应用通常需要使用较高电荷状态的离子(例如砷离子)，例如三重电荷离子(例如As3+)、四重电荷离子(例如As 4+)，甚至更高的电荷离子以获得更高的最终能量注入。然而，产生和提取这种较高电荷状态的离子会增加在提取的离子束中形成痕量金属离子的风险。
例如，离子注入用于制造某些器件的集成电路(IC)，例如CMOS图像传感器(CIS)，这些器件对金属污染非常敏感，而这种污染会影响器件性能，例如所谓的白色像素和暗电流性能问题。用于CIS器件制造的高能离子注入越来越需要更低水平的金属污染，例如表面金属污染和高能金属污染。在高能离子注入系统中，例如采用多电荷状态离子，通过加速级获得更高的最终注入能量。然而，从离子源中提取较高电荷状态的离子用于注入会导致潜在的“高能金属污染风险”，即从离子源产生的少量但可追踪的一种或多种污染离子可以获得能量并通过分析磁体、电过滤器和速度过滤器，最终注入工件中。
本发明认识到，离子束中的这种痕量金属离子在这种注入中可能是不合需要的，因为痕量金属离子与所需的较高电荷离子一起被注入到工件中，从而在所得IC中引起潜在问题。迄今为止，其中有些痕量金属污染离子不能从所需的高电荷状态离子束中过滤掉。例如，在从离子源提取的砷离子束中，离子源内部产生的砷三重电荷(75As 3+)离子和钛双电荷(50Ti 2+)离子通常无法通过下游分析磁体、电过滤器和速度过滤器来区分，因为它们都具有相同的磁刚度、能量电荷比和速度。因此，两种离子都会到达工件，从而导致高能金属离子(例如钛污染)被注入到工件中。另一个类似的例子是，当下游分析磁体配置成选择四重砷(75As 4+)离子时，通常无法将三重电荷(56Fe3+)铁离子分离。
本发明提供了一种痕量金属污染的解决方案，所述解决方案从提取的离子束(例如，75As 3+)中所选的较低电荷状态离子开始，然后在离子束传输期间剥离例如一个电子以产生所需的较高电荷状态的离子束(例如，75As 4+)。例如，通过从较低电荷状态离子开始并在电荷剥离过程之后选择所需的较高电荷状态离子，可以将最初伴随所选较低电荷状态离子的痕量金属污染离子与所需较高电荷状态离子分离，同时较高电荷状态的离子可视需要进一步加速，达到注入的最终能量。通过这样做，本发明例如可以减少由于可用于产生较低电荷状态离子的较低电弧功率而在离子源中最初形成的痕量金属离子的量，同时还提供了一种过滤机制，以在注入工件之前从所需的较高电荷状态离子中移除痕量金属离子，从而减少工件中的痕量金属污染。
为了减轻这种污染，本发明提供了一种电荷剥离器，该电荷剥离器配置成获得所需离子的电荷状态，从而可以通过在电荷剥离后沿束线下游选择所需离子来分离污染离子(例如，上述Ti或Fe离子)。
现在参考附图，为了更好地理解本发明，图1A-1B示出了根据本发明的各个示例性方面的示例离子注入系统100。例如，离子注入系统100有时可称为后加速注入机，如下文所述。
例如，图1A的离子注入系统100包括源腔室组件102，源腔室组件102包括离子源104和提取电极106，提取电极106用于提取和加速离子到中级能量并且通常形成离子束108。例如，质量分析器110从离子束108中移除不需要的离子质量和电荷物质以限定经分析离子束112，由此加速器114配置成将经分析离子束加速以限定经加速离子束116。根据本发明的一个示例，例如，加速器114包括RF线性粒子加速器(LINAC)，在其中离子被RF场反复加速。或者，加速器114包括DC加速器(例如，串列静电加速器)，在其中离子被固定的DC高压加速。
例如，离子注入系统100还包括位于加速器114下游的能量过滤器118，其中能量过滤器配置成从加速器114输出端出射的经加速离子束116中去除不需要的能谱以限定最终能量离子束120。例如，射束扫描器122配置成扫描从能量过滤器118射出的最终能量离子束120，由此以快速频率来回扫描最终能量离子束以限定经扫描离子束124。例如，射束扫描器122配置成以静电方式或电磁方式扫描最终能量离子束120以限定经扫描离子束124。
经扫描离子束124进一步通过角度校正透镜126，其中角度校正透镜配置成将扇形射出经扫描射束124转换成最终离子束128。例如，角度校正透镜126可以配置成将经扫描离子束124平行化和偏移以限定最终离子束128。例如，角度校正透镜126可以包括配置成限定最终离子束128的电磁或静电装置。
例如，最终离子束128随后被注入到工件130(例如，半导体晶圆)中，该工件130可以选择性地定位在处理腔室或终端站132中。例如，在混合扫描方案中，工件130可以正交于最终离子束128移动(例如，移入和移出纸面)以均匀地照射工件130的整个表面。应当注意，本发明认识到用于对工件130扫描最终离子束128的各种其他机制和方法，并且所有这样的机制和方法被认为落入本发明的范围内。
例如，图1A-1B的离子注入系统100可以配置成混合并行扫描单工件离子注入系统。例如，注入系统100也可以称为后加速注入器134，因为主加速器114位于质量分析器110的下游和能量过滤器118的上游。例如，这种类型的离子注入机在加速器114之后提供能量过滤器118，以移除加速器输出中不需要的能谱。然而，应当注意，本发明认识到本发明的各个方面可以结合任何类型的离子注入系统来实施，包括但不限于图1A-1B的示例性系统100。
在一个示例中，穿过加速器114的离子粒子的最终动能可以通过增大离子电荷值(q)而增大。在一个实施例中，可以通过在如图1A所示的加速器114内或如图1B所示的两个加速器114A和114B之间提供电荷剥离器136来增大离子电荷状态(q)。例如，加速器114可以采取多种形式并且可以包括由单个加速器设备定义或在单个加速器设备内定义的任意数量的加速器级，例如在图1A中所示的示例中所示，或者由多个加速器设备定义或在多个加速器设备内定义，例如在图1B中所示的示例中所示。例如，在作为RF加速器的加速器114中，如图1A所示，多个加速器级(例如，六个或更多个)可以包括用于产生加速场的谐振器(未示出)，并且至少一个加速器级可以包括电荷剥离器136，以代替该加速器级处的谐振器。
在另一个示例中，离子粒子的加速可以在位于加速器114内的电荷剥离器136之前、例如通过加速器内的第一多个加速级而发生。加速也可以在电荷剥离器136之后、例如通过加速器114内的第二多个加速级而发生。或者，第一多个加速级可以在加速器114的外部。例如，虽然未示出，但第一多个加速级可以与质量分析器110相关联，因此，离子束108在进入电荷剥离器136之前既被加速又被质量分析。
在另一个示例中，电荷剥离器136可以位于第一加速器114A的下游或之后，如图1B所示。例如，电荷选择器138位于电荷剥离器136之后，以便在剥离过程之后选择具有较高电荷状态的所需离子。所选的较高电荷状态的离子因此可以进入第二加速器114B以获得高于原始电荷状态离子的最大能量。在比较图1A和图1B的配置时，例如，图1B中所示的电荷选择器138可以配置成仅选择所需离子物质的特定离子电荷状态，同时防止其他电荷状态离子进入第二加速器114B。因此，在某些情况下，与图1A中所示的配置相比，图1B中所示的系统100的配置可以在完全加速之后显著地净化所需离子的能谱。
在一个示例中，图1A的经质量分析的离子束112包括具有第一电荷状态的正离子(例如，75As 3+)，其中离子的净电荷可以是正的。在进入电荷剥离器136之后，一部分第一电荷状态的正离子可以转化为第二电荷状态的更正的正离子(例如，75As 6+)。因此，离开加速器114的经加速离子束116包括更低浓度的第一电荷状态的正离子和一定浓度的能量高于利用第一电荷状态可得的最大动能水平的第二电荷状态的离子。例如，与从离子源104直接提取这样的第二电荷状态离子相比，在电荷剥离器136中从电荷剥离过程转化的第二电荷状态离子的浓度可以更高。例如，从离子源104提取的离子束108可以包括任何射束物质，例如砷、硼、磷或其他物质。
图2图示了根据本发明一个方面的离子注入系统的示例加速器200的一部分的一个示例。例如，加速器200可以包括RF加速器，并且可以包括任何数量的加速器级，在本示例中示出为加速器级202、204、205、206、208、210和212。加速器级202、204、205、206、208、210和212可以分别包括至少一个加速器电极214，该加速器电极214由例如RF谐振器驱动，用于在其两侧产生RF加速场(未示出)。具有电荷状态(例如净电荷或价数)的带电粒子的入站离子束216可以顺序穿过加速器电极的孔。加速原理是本领域中熟知的。
可由结合在加速器200内的透镜217(例如静电四极)提供射束聚焦。在一个实施例中，加速器200可以将单电荷离子加速至第一电荷状态的最大动能水平。在一个实施例中，可以使用具有较高第二电荷状态的离子来达到比较低第一电荷状态的最大动能水平更高的能级。因此，包括第一电荷状态的离子的入站离子束216可以进入加速器200，作为进入射束，并被转化为具有更高或更低净电荷价数的第二电荷状态的离子。通过移除其中的电子，例如通过结合在加速器200内的电荷剥离器220移除，入站离子束216可以转化为包括更高的第二电荷状态的离子(例如，75As 3+转换为75As 6+)的出站离子束218，从而将射束能量增大至超过第一电荷状态的最大动能水平。
例如，一旦提取出并形成入站离子束216，入站离子束就可以被加速器200(例如，13.56MHz十二谐振器RF线性加速器)加速。本发明不限于一种特定的加速器或直线加速器(LINAC)类型。在一个实施例中，加速器200可以包括：第一多个加速器级230，其集成在加速器200中用于加速其中的入站离子束216，以及第二多个加速器级232，其集成在加速器200中用于进一步加速入站离子束216以作为出站离子束218离开加速器200。虽然在图2所示示例中第一多个加速器级集成在加速器200中并处于电荷剥离器220的上游，但是第一多个加速器级230可以可选地位于质量分析器(例如图1的质量分析器110)之前。因此，例如，电荷剥离器220可以位于加速器200的加速级中任何加速级处，只要第一多个加速器级向第一电荷状态的离子提供足够的能量，使得能量足够高以产生高剥离效率，该高剥离效率用于产生浓度比离子源处可得到的量更大的第二电荷状态离子。
例如，可以在任何加速级处用电荷剥离器220替换RF加速器的谐振器。在一个实施例中，例如，电荷剥离器220可以沿入站离子束216方向设置在加速器的第一多个加速器级230中的至少一个的下游，并且在加速器200的第二多个加速器级232中的至少一个的上游。在其他实施例中，例如，加速器200的第一多个加速器级230可以包括比第二多个加速器级232更多或更少的加速器级。或者，加速器200的第一多个加速器级230可以包括与第二多个加速器级232相同数量的加速器级。级数不限于图2所示的示例。
在进一步的实施例中，进入加速器200的入站离子束216包括第一电荷状态的正离子束，并且出站离子束218包括第二电荷状态的正离子束，该第二电荷状态包括比第一电荷状态更正的电荷状态。入站离子束216可以进入电荷剥离器220，电荷剥离器220例如包括剥离器管234(例如填充有重分子量气体的细管)。例如，电荷剥离器220还可以包括泵236(例如差动涡轮泵)，用于从气体源238泵送气体以减少或控制流入相邻加速器部分的气流的量。例如，该气体包括六氟化硫(SF6)或另一种高分子量气体，用于有效地从入站离子束216中剥离电子并在出站离子束218内产生包括更高的正电荷状态的更高浓度的离子。例如，电荷剥离器220和/或泵236可以包括控制装置240，该控制装置240被配置成调节气体从气体源238进入电荷剥离器220的流速。气体的流速可以在功能上基于入站离子束216的能量、电流和/或物质中的至少一种。电荷剥离器220还可以包括在电荷剥离器220两侧的泵送挡板242(例如差动泵送挡板)。例如，泵送挡板242可以与差动泵236一起用于最小化泄漏到相邻加速器级(例如加速器级205和206)中的气体。
例如，由第一线性加速器(LINAC)加速的离子束被引导至气体层，该气体层配置成剥离电荷剥离器220中离子周围的电子，以增大离子的电荷状态，以通过第二LINAC实现更高的能量增益。例如，对于砷(As)的最高能量范围，通过第一LINAC加速的3+砷离子被电荷剥离器220剥离为6+砷离子。因此，例如大约8％的7MeV 3+砷离子转化为6+砷离子。然而，如果转换效率更高，则可以实现更多的6+射束电流。
串列高能加速器通常依靠电荷剥离来产生高能离子，由此这种串列高能加速器通常使用氩气进行这种电荷剥离。在所谓的“超高能”串列加速器上，极薄的碳箔也被用作电荷剥离器，但碳箔的寿命短，这限制了其在离子注入的任何工业应用中的适用性，目前已知仅用于学术研究加速器。例如，图3中所示的图表300提供了与使10MeV碘离子束穿过各种气体和箔片相关的电荷剥离能力。
迄今为止，离子的剥离一般限于如图4中的图表400所示的那些气体，并且主要限于使用氩气。例如，六氟化硫(SF6)气体可有利地用于在气体剥离器中剥离砷离子，由此电荷状态分布趋向于转移到更高的电荷状态，因此，6+离子的产率例如几乎是传统上使用氩气的产量的两倍。
例如，图3中所示的图表300示出了根据本发明的一个示例在7200KeV下3+砷离子束通过包含SF6的气体剥离器的电荷状态分布与通过包含氩气的气体剥离器之后的电荷状态分布的比较。如图所示，使用SF6使5+和6+离子产量加倍，从而使5+和6+离子束的最终射束电流增加了两倍。这种效率的提高是明显的，当在剥离器中使用氩气处理6+离子时，可实现约8％的转化率，而使用SF6可提供约16％的转化率或约6+离子束的量的两倍。
例如，气体剥离器的工作原理是让离子通过一种材料，如果离子以足够快的速度通过该材料，与剥离器中的背景气体或固体薄膜原子的相互作用会导致离子束失去电子。因此，取决于离子进入剥离器的速度，离子束以更高的电荷从剥离器出射。虽然在某些情况下可能需要气体剥离器，但本发明进一步设想使用采用非常薄的碳膜的薄膜剥离器来提供更多数量的更高电荷的离子。然而，与气体剥离器相比，薄膜剥离器可能具有更短的寿命，这取决于工艺要求。
在示例气体剥离器中，一般而言，在气体剥离器内提供管，由此剥离气体被供给到管的中心，其中气体具有比周围真空更高的气体密度。在管的末端，(例如通过真空泵)提供真空，使得最少量的剥离气体传播到系统的其余部分。因此，在剥离器内提供高压区域，由此经加速砷离子通过高压区域并与剥离气体原子相互作用，从而从离子中剥离电子并产生从剥离器射出的较高电荷的离子。这种较高电荷的离子也有利地用于串列加速器中。
例如，氩的分子量约为40，而SF6要重得多，其分子量约为146。因此，一种理论是：剥离器中使用的气体越重，从离子束剥离电子的效率越大。SF6是更容易用于商业用途的更重气体分子中的一种，且因此被认为优于其他更重气体。然而，其他重分子量气体(例如，比氩气重)可类似地用于电子剥离。例如，SF6可以是有利的，因为它是有效抑制高压电弧的气体。
迄今为止，SF6并未被认为是用于气体剥离器或束线中其他地方的理想气体。例如，SF6对环境有毒，如果气体被泵出到大气中，或者以其他方式从气体剥离器内逸出，就会成为问题。因此，本发明进一步考虑将SF6分解成其毒性较小和/或挥发性较小的成分。或者，可以回收再利用SF6。
可以理解的是，SF6的常规用途是抑制高压绝缘罐中束线外部的电弧，而本发明在束线内使用SF6来剥离电子，其中，束线提供与SF6的先前使用显著不同的环境和应用。常规地，普通技术人员不会在束线真空中的高压区域使用SF6，因为这样做会使电压难以保持。例如，可以理解的是，当SF6被提供于真空中时，往往会产生火花，从而使得在气体剥离器中使用SF6是反常的，因为普通技术人员不希望存在SF6。在束线中，这是由于SF6被假定会引起有害的电弧或火花。
SF6有利地在气体剥离器中提供额外的有益效果，因为SF6是比在常规气体剥离器中使用的氩气更重的气体，由此由于SF6有利地有助于因通过管的较低传导率而局部化出高压区域，该传导率与气体分子量的平方根成反比。例如，可以将SF6供给到气体剥离器的管的中部以产生局部高压区域。如果在气体剥离器中使用较轻的气体，例如氢气，它会迅速扩散并且难以限制在局部区域。
根据一个或多个示例，本文提供了各种系统和方法以增大在电荷状态的最大动能下可用的射束电流，而无需在离子源处使用较高或不同的电荷状态。例如，离子注入系统的离子源可以包括特定电荷状态(例如75As 3+)的离子(例如砷离子)以从中产生离子束。离子注入系统内(例如位于沿射束路径的加速器内)的处理可以引起离子改变其初始电荷值(例如电荷交换反应)。例如，在一个实施例中，包含三个净正电荷的砷离子可以被选择至加速器中并通过包括气体源和涡轮泵的电荷剥离器而剥离电子。根据本公开，气体源包括高分子量气体，例如六氟化硫(SF6)。
在一个实施例中，加速器可以包括多个加速器级和其中的电荷剥离器。当高速离子靠近电荷剥离器内的另一气体分子或原子时，该离子可以从该分子或原子中获得一个电子(即电子捕获反应)，或者可以将电子丢失至该分子或原子(即电荷剥离反应)。前一反应使离子电荷的值减一；例如，单电荷离子可以变成中性，即电中性的原子。后一反应使离子电荷的值加一(例如，单电荷离子变成双电荷离子)。
在一个实施例中，包含第一正电荷状态(例如+3净正电荷或价数)的正离子(例如砷离子)被引入包含电荷剥离器和多个加速级的加速器中。各个加速级可以包括RF谐振器，用于产生RF加速场以沿着射束路径加速离子。电荷剥离器可以包括：用于将高分子量气体(例如SF6)排放到加速器中的气体源，以及用于产生真空以排出气体并防止气体流入加速级的涡轮泵。电荷剥离器可以代替加速器内的加速级之一来剥离电子的离子，从而使进入加速器的正离子转化为射出加速器的第二电荷状态(例如+6净正电荷或价数)的更正的正离子。
现在参照图5和图6，提供了各种方法500、600用于控制污染并以相当高的能量增加离子束电流以获得所需的电荷状态。应当注意，虽然示例性方法500和600在本文中被图示和描述为一系列动作或事件，但是应当理解，本公开不受这些动作或事件的图示顺序的限制，因为，根据本公开，一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与除本文中所示和所述的步骤之外的其他步骤同时发生。此外，实现根据本公开的方法时并非示出的所有步骤都是必须的。此外，应当理解，这些方法可以与本文所示出和描述的系统和装置相关联地实现，也可以与未示出的其他系统相关联地实现。
图5的方法500开始于502。在动作504中，离子源产生第一电荷状态离子和痕量金属离子，由此在动作506中，提取或以其他方式形成包括第一电荷状态离子和痕量金属离子的第一离子束。例如，在动作506中形成的第一离子束可以被引导到质量分析器中，由此对第一离子束进行质量分析。可以根据荷质比选择质量分析器的磁场强度。在一个示例中，质量分析可以在离子源的下游。
在一个实例中，具有相同磁刚度的第一电荷状态离子及痕量金属离子可经选择(例如，经由质量分析仪)进入加速器中。所选第一电荷状态离子经加速至一能量，该能量相比于离子源处可获得的能量产生对更高电荷状态的更高剥离效率。在动作508中，在加速到更高能量后，经由电荷剥离器从第一电荷状态离子剥离至少一个电子，因此限定包含第二电荷状态离子及痕量金属离子的第二离子束。在动作510中，从第二离子束中选择第二电荷状态离子，以形成主要包括第二电荷状态离子和大约为零的痕量金属离子的最终离子束。应注意，与第一或第二离子束中的痕量金属离子的量相比，“大约为零”的痕量金属离子表示最终离子束中的痕量金属离子显著减少。因此，“大约为零”可解释为零痕量金属离子或相当小数量的痕量金属离子，从而可以认为它对离子注入无关紧要。在一个实例中，第二正电荷状态的正离子可在动作512处进一步被加速至最终能量。因此，本发明提供了，在动作514中，在最终离子束将第二电荷状态离子注入工件之前，从第二离子束中移除大约50％至100％的痕量金属离子。
参照图6，图6的方法600开始于602。在动作604中，离子源产生包括第一电荷状态的离子以及痕量金属离子的离子束。例如，第一电荷状态的离子可包括75As 3+离子，其中痕量金属离子包括50Ti 2+。应注意，本发明认识到第一电荷状态的各种其他离子可与各种其他痕量金属离子一起产生，且所有这些组合进一步落入本发明的范围内。例如，第一电荷状态的离子可以包括75As 4+离子，由此痕量金属离子包括56Fe 3+离子。
例如，离子束可以是各种射束物质(例如砷)。在动作606中，可以加速离子束并对其进行质量分析，无特定操作顺序。在动作608中，可以将第一电荷状态的离子连同离子束中的痕量金属离子同时选择到加速器中。在动作610中，通过使离子束穿过电荷剥离器以将第一电荷状态离子转化为第二电荷状态(例如As 4+)，可将第一电荷状态离子进一步加速至最终能量并剥离电子。在动作612中，可以从离子束中选择第二电荷状态的离子，由此在将第二电荷状态的离子注入工件之前从离子束中移除基本上所有的痕量金属离子。
应当理解，本文讨论的示例性污染情况(例如，As离子束中的Fe污染)只是一个示例，并且本发明进一步考虑以类似原理减轻所有其他金属污染。
一般来说，从离子源中提取的所需离子可以记为mXa，嵌入在提取离子束中的杂质离子为nyb，其中“m”为离子X的原子质量，“a”为离子X的电荷状态，“n”为污染离子Y的原子质量，“b”是离子Y的电荷状态。该原理适用于以下情况：当所需离子的能量为“a*E”而污染离子的能量为“b*E”时，并且当原子质量比“m/n”等于电荷比“a/b”时，其中污染离子Y不能通过磁性过滤器、静电过滤器和速度过滤器分离(例如区分)。
当将掺杂剂气体材料引入离子源的电弧腔室以产生离子时，在等离子体形成过程中会产生多种电荷状态的掺杂剂物质，以及可能的痕量金属离子。例如，当将包含AsH3的掺杂剂气体材料送入离子源的电弧腔室以进行等离子体点火来获得As离子时，许多不同电荷状态的75As离子(例如As+、As 2+、As 3+、As 4+等)和一种或多种诸如50Ti 2+、56Fe 3+等的痕量金属离子在离子源中产生。例如，离子源的电弧腔室可以包括由诸如钨(W)、钼(Mo)和其他金属等金属构成的各种金属部件。电弧腔室还可以包括可能含有诸如钛(Ti)、铁(Fe)和/或其他金属的痕量金属的其他部件。
通常，将提取电压V施加到提取电极以从离子源的电弧腔室提取离子，从而形成离子束并将离子束引到质量分析器中。然而，在某些情况下，可以选择不同离子物质从质量分析器中输出，因为它们的质荷比基本相似或相同。例如，当质量分析器配置成从离子束中选择75As 3+离子时，质量分析器同样可以选择具有与75As 3+相同的质荷比的诸如50Ti 2+的离子(例如，Ti的50/2等于质荷比25，这与As的75/3相同)。因此，在本示例中，50Ti2+和75As3+离子都将通过质量分析器进入下游束线组件以进一步加速。应当注意，在这种进一步加速之前，示例75As 3+离子与50Ti 2+离子的能量比(例如EAs/ETi)是3∶2，这是由于所施加的提取电压和离子各自的电荷状态所致。此外，75As 3+离子(vAs)和50Ti2+离子(vTi)的速度也基本相似或相同，因为它们的质量比也是3∶2，这可以通过利用动能公式E＝(1/2)mv2得出。
例如，当包括第一电荷状态的离子(例如75As 3+离子)和痕量金属离子(例如，50Ti2+痕量金属离子)的离子束由下游RF线性加速器(LINAC)进一步加速时，这两种离子由于各自进入RF LINAC的速度基本相同，都会与加速电极处的RF相位变化同步。因此，各别离子会以基本相同的最终速度及能量比(例如，3∶2)离开RF LINAC。因此，各个离子将以基本相同的最终速度和能量比(例如3∶2)离开RF LINAC。在提供加速度的同时，RF LINAC还可用作速度过滤器；然而，由于速度相同，RF LINAC无法区分75As 3+离子和50Ti 2+离子。
在离子束由基于DC的加速器而不是上面讨论的RF LINAC加速的情况下，离子的能量增益基于它们各自的电荷状态和为加速提供的电压。因此，以类似的方式，75As 3+离子与50Ti 2+离子的最终能量比也将相同(例如3∶2)。
例如，由于与上述类似的原因，即使在由基于RF或DC的加速器进行最终加速后，下游电磁体也无法分离离子。另一方面，可以在离子注入系统中使用静电能量过滤器来分离具有不同能量电荷比选择的离子。但是，在这种情况下，静电能量过滤器也无法将它们分开；因为在最终加速后，75As3+离子与50Ti 2+的能量比为3∶2，电荷比也为3∶2。
因此，当需要高电荷状态离子以获得用于注入工件的高能量时，需要一种针对来自离子源的这种特殊痕量金属污染机制的过滤解决方案，而无需增加大量束线长度来加速低电荷状态离子。
因此，本发明描述了包括电荷剥离器和电荷状态选择器的示例装置，其中电荷状态选择器是位于电荷剥离器下游且紧邻该电荷剥离器的电磁质量分析器。例如，当电荷状态选择器设定为在75As 3+离子经历电荷剥离过程后从离子束选择75As 4+离子(例如第二电荷状态)而非75As 3+离子(例如第一电荷状态)时，这种组合设备可以立即从上述离子束中移除诸如50Ti2+的痕量金属离子。75As 4+离子的质荷比为75/4(即18.75)，而50Ti 2+离子的质荷比仍为50/2(即25)，因此可以移除痕量金属离子，即使它们的速度相似。
因此，例如，当位于电荷剥离器之后的电荷状态选择器被设置为选择75As 4+离子而不是75As 3+离子时，痕量金属50Ti 2+离子不会被选择，因此被从离子束中移除。实际上，在电荷剥离后将没有其他Ti电荷状态离子可以被选择以与75As 4+一起通过电荷状态选择器磁体。因此，所选的75As 4+离子可以通过额外的基于RF或DC的加速器进一步加速，以便在离子束中没有痕量金属50Ti 2+污染的情况下达到所需的更高注入能量，从而为工件提供所需的注入。
在另一个实施例中，电荷状态选择器可以包括静电过滤器，由此静电过滤器在电荷剥离过程之后基于能量电荷比选择所需的第二电荷状态离子。例如，如上所述，75As 3+的第一电荷状态离子与50Ti 2+的痕量金属离子的能量比为3∶2，它们的电荷比也是3∶2。因此，由于离子的能量电荷比相同(即1)，静电过滤器无法分离这些离子。经过电荷剥离过程后，静电过滤器可配置成选择能量电荷比为3∶4的75As 4+的第二电荷状态离子，而50Ti 2+的痕量金属离子由于其2∶2的不同能量电荷比而被过滤掉。同样，在电荷剥离后将没有其他可能的50Ti电荷状态离子可以选择以与75As 4+一起穿过静电过滤器。所选的75As 4+离子可以通过额外的基于RF或DC的加速器进一步加速，以便在离子束中没有痕量金属50Ti 2+污染的情况下达到所需的更高注入能量，从而为工件提供所需的注入。
本发明认识到，当质量分析磁体配置成从离子源中选择75As 4+离子时，上述描述的痕量金属污染的类似机制也可能发生，其中来自离子源的56Fe3+痕量金属离子变成污染物并可与75As 4+离子一起穿过质量分析器。类似地，也可以使用结合上述电荷剥离器和下游电荷状态选择器的过滤解决方案。
本发明进一步提供选择电荷状态与特定掺杂剂和/或加速水平的组合。图7进一步示出了根据本发明的又一示例的简化系统700。例如，离子束702在离子源704处形成，由此离子束从离子源中被提取，由质量分析器705进行质量分析，并穿过第一加速器706(例如，线性加速器或LINAC)和电荷剥离器708。如上所述，在第一加速器706的出口处的离子束702可以包括来自离子源704的第一电荷状态离子(例如75As 3+)和痕量金属离子(例如56Ti 2+)。本示例中的电荷剥离器708位于第一加速器706和第一磁体710之间，配置成将第一电荷状态离子转化为其他电荷状态离子，包括所需的第二电荷状态离子(例如75As 4+)。第二加速器712(例如，所谓的能量增强器或E-增强器)可以进一步设置在第一磁体710和第二磁体714之间以将由第一磁体710选择的第二电荷状态离子加速到更高能量。在穿过第二磁体714之后，离子束702被引导到终端站716以注入到工件。例如，第一磁体710可以用作电荷状态选择器。
例如，第一磁体710可以包括设置在第一加速器706和E-增强器712之间的第一60度磁体，并且第二磁体714可以包括设置在E增强器之后的用于能量过滤的120度磁体。应当注意，虽然本文描述了第一磁体710和第二磁体714的特定角度，但也存在各种替代方案，这些替代方案也被认为落入本发明的范围内。
上述示例的一个有利方面是：通过设置位于电荷剥离器708下游的第一磁体710从在电荷剥离器708处经历剥离过程后的第一电荷状态离子中选择所需的第二电荷状态离子，第一磁体710大体上去除了所有其他电荷状态和痕量金属离子。
在替代实施例中，如图8所示，可以省略图7所示的第二加速器712和第二磁体714。在图8的电荷剥离器708处的电荷剥离之后，例如，可在不进一步加速的情况下在终端站716中将由第一磁体710选择的处于第二电荷状态下的没有痕量金属离子污染的第二电荷状态离子束702注入到工件。
尽管相对于某些应用和实施方式示出和描述了本发明，但是应当理解，在阅读和理解本说明书和附图后，本领域的其他技术人员会想到等效的改变和修改。特别地，对于由上述部件(组件、设备、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行上述部件的指定功能的任何部件(即功能上等同的部件)，即使在结构上不等同于执行本文所示的本发明的示例性实施方式中的行所述功能的所公开的结构，亦是如此。
此外，虽然可能仅针对若干实施方式中的一个实施方式公开了本发明的特定特征，但是，对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的情况下，这样的特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合。此外，对于说明书或权利要求书中使用的术语“包括”、“具有”，这些术语旨在以类似于术语“包含”的方式为包括性的。

Claims (20)

1.一种离子注入系统，包括：
离子源，配置成产生所需物质的所需离子和污染物质的痕量金属离子，其中所述所需物质的所需离子处于第一电荷状态，并且其中所述所需离子和所述痕量金属离子的荷质比相等；
提取装置，配置成从所述离子源中提取所述所需离子和痕量金属离子以限定第一离子束；
质量分析器，配置成从所述第一离子束中选择所述所需离子和痕量金属离子，从而限定经质量分析的离子束；
加速器，配置成将所述经质量分析的离子束从第一能量加速到第二能量；
电荷剥离装置，配置成从所述所需离子剥离至少一个电子，从而限定包含处于第二电荷状态的所述所需离子和所述痕量金属离子的第二离子束；和
电荷选择器，位于所述电荷剥离装置的下游，其中所述电荷选择器配置成选择性地仅使处于所述第二电荷状态的所述所需离子穿过，从而限定包括处于所述第二电荷状态的所述所需离子而不包括痕量金属离子的最终离子束。
2.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述电荷选择器包括位于所述电荷剥离装置附近的电磁质量分析器。
3.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述电荷剥离装置位于所述加速器内。
4.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述加速器包括多个加速器级，并且其中所述电荷剥离装置位于所述多个加速器级的至少两个之间。
5.根据权利要求4所述的离子注入系统，其中所述加速器包括RF加速器，并且其中所述多个加速器级分别包括一个或多个谐振器，所述谐振器配置成产生加速场。
6.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述加速器包括DC加速器，所述DC加速器配置成通过稳恒DC高电压加速所述所需离子。
7.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述加速器包括RF加速器，并包括一个或多个谐振器，所述谐振器配置成产生加速RF场。
8.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中电荷选择器包括能量过滤器。
9.根据权利要求1所述的离子注入系统，进一步包括扫描仪，所述扫描仪配置成往复扫描所述最终离子束以限定经扫描离子束。
10.根据权利要求9所述的离子注入系统，其中扫描仪包括静电扫描仪或电磁扫描仪，所述静电扫描仪或电磁扫描仪配置成分别以静电方式或电磁方式扫描所述最终离子束以限定经扫描离子束。
11.根据权利要求9所述的离子注入系统，进一步包括角度校正透镜，所述角度校正透镜配置成将所述经扫描离子束平行化和偏移。
12.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述电荷剥离装置包括泵和气体源，其中所述泵配置成从气体源泵送气体并控制所述气体流入所述加速器，其中所述气体的流动配置成从所述所需物质的所述离子中剥离电子。
13.根据权利要求12所述的离子注入系统，其中所述气体包括六氟化硫。
14.根据权利要求1所述的离子注入系统，其中所述所需离子包括砷离子，而其中痕量金属离子包括钛或铁中的一种或多种。
15.根据权利要求14所述的离子注入系统，其中当所述第一电荷状态的所述所需离子包括75As3+离子时，所述痕量金属离子包括50Ti2+离子，而当所述第一电荷状态的所述所需离子包括75As4+离子时，所述痕量金属离子包括56Fe3+离子。
16.一种离子注入系统，包括：
离子源，配置成沿着束线产生离子束，其中所述离子束包括第一电荷状态离子和痕量金属离子；
质量分析器，用于沿着所述束线对所述离子束进行质量分析；
加速器，其沿着所述束线设置并且配置成将所述离子束从第一能量加速到第二能量；
电荷剥离装置，配置成沿着所述束线从所述第一电荷状态离子剥离至少一个电子，从而限定包括第二电荷状态离子和所述痕量金属离子的经剥离离子束；
电荷选择器装置，其沿着所述束线位于所述电荷剥离装置的下游并且配置成选择在所述经剥离离子束中的所述第二电荷状态离子以限定沿着所述束线的最终离子束，其中所述最终离子束包括所述第二电荷状态离子和大约为零的痕量金属离子。
17.根据权利要求16所述的离子注入系统，其中所述加速器包括多个加速器级，其中所述电荷剥离装置位于所述多个加速器级中的至少一个的下游。
18.根据权利要求17所述的离子注入系统，进一步包括能量过滤器，所述能量过滤器位于所述加速器下游，其中所述电荷选择器装置位于所述多个加速器级的至少两个之间，并且其中所述能量过滤器进一步配置成过滤所述最终离子束。
19.一种用于将高电荷状态离子注入到工件中同时减轻痕量金属污染的方法，所述方法包括：
在离子源中产生所需物质的所需离子，其中所需离子处于第一电荷状态，并且其中产生所述所需离子进一步产生污染物质的痕量金属离子，其中所述所需物质和所述污染物质的荷质比相等；
从所述离子源中提取所述所需离子和痕量金属离子，从而限定第一离子束；
对所述第一离子束进行质量分析，从而限定经质量分析的离子束；
使所述经质量分析的离子束穿过电荷剥离元件，其中所述电荷剥离元件从所述所需离子剥离至少一个电子，从而限定包括处于第二电荷状态的所述所需离子和所述痕量金属离子的第二离子束；以及
将所述第二电荷状态的所述所需离子注入到所述工件中。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括加速所述经质量分析的离子束。
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