CN1210750C - 用于离子源的磁性过滤器 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于离子源(26)的磁性过滤器(90)。离子源包括限定等离子体约束室(76)的外壳，其中通过使源材料离子化产生包括离子的等离子体。该外壳包括一般是平面的壁(50)，其中形成有可以经其从等离子体提取离子束(84)的多个细长开口(64)。多个细长开口基本上相互平行地定向，并且与位于平面壁内的第一轴(66)基本平行，第一轴与也位于平面壁内的第二轴(68)基本正交。磁性过滤器(90)设置在等离子体约束室(76)内。磁性过滤器把等离子体约束室分隔成第一区(86)和第二区(88)。磁性过滤器包括多个平行的细长磁体(90a-90n)，与第二轴(68)成夹角θ地定向，并且位于通常与一般是平面的壁(50)平行的平面内。

Description

用于离子源的磁性过滤器
技术领域
本发明一般地讲涉及用于离子注入设备的离子源，更具体地讲涉及用于离子源的磁性过滤器。
背景技术
离子注入是一种工业上公认的标准技术，在大规模制造例如集成电路和平板显示器的产品制造中，用于对工件例如硅晶片或玻璃衬底进行掺杂。传统的离子注入系统包括离子源，使期望的掺杂元素离子化，然后被加速形成预定能量的离子束。该离子束被引导至工件表面，对工件注入掺杂元素。离子束的高能离子渗透进工件表面，从而嵌入工件材料的晶格，形成具有要求的导电性的区域。一般在高真空处理室中进行注入处理，避免与残余气体分子的碰撞而使离子束散射，使因空气中悬浮的粒子而沾污工件的危险降到最低。
传统的离子源包括可以由石墨形成的室，具有用于把待离子化的气体引入等离子体的进口和等离子体通过其被抽出形成离子束的出口。通常，等离子体包括要求注入工件的离子，以及不期望注入的离子，这是离子化处理的副产品。此外，等离子体包括不同能量的电子。
这种输入气体的一个例子是磷化氢(PH3)，用于产生掺杂工件所用的带正电的磷(P+)离子。可以在源室中用氢气稀释磷化氢，从源室中的激励灯丝发射的高能电子轰击混合物。作为此离子化处理的结果，通过出口产生的氢离子与要求的P+离子一起被提取进入离子束。这样，氢离子将与要求的离子一起被注入。如果存在足够的氢离子电流密度，这些离子将导致工件温度不期望地上升，这实际上会损坏衬底表面上的光刻胶。
为了减少可提取进入离子束的不需要的离子数量，已知在源室中设置磁体，使离子化的等离子体分流。磁体把不需要的离子和高能电子约束在远离出口的源室部位，把需要的离子和低能电子约束在靠近出口的源室部位。这种磁体设置如转让给本发明的受让人的U.S.申请号08/756970所示，这里引证为参考文献。离子源室内的磁体构型的另一相关例子如授权给Leung等的美国专利4447732，授权给Haraichi的日本专利8-209341。这两个参考文献展示的磁性过滤器由相互平行定向的纵向延伸的多个磁体组成。
在用于注入大表面面积的应用中，例如平板显示器，可以采用带状束离子源。采用在源室内的多个细长出口形成带状束，如U.S.专利申请08/756970所示。多个出口提供调节带状束宽度的能力，还提供比单出口所能提供的更大的束电流密度的可变性和能量。多个出口的每一个输出由离子源输出的总离子束的一部分。由位于周边各出口之间的出口输出的束部分，与由这些周围出口输出的束部分叠加。
但是，在多口带状束离子源中使用例如美国专利4447732或日本专利8-209341所示的磁性过滤器，会导致不期望的离子束电流特性。具体地讲，与离子源的细长出口正交的纵向延伸(柱状)磁体的定向，会使束电流沿带状束长度非均匀分布。这种电流非均匀性产生于电流增大的区域，这是从每个最靠近磁体位置的出口输出的。采用多个出口，并且采用磁体与这些出口正交的定位，每个出口累计这种效应，结果总束电流沿带状束长度产生明显的变化。电流非均匀性可以导致工件的非均匀离子注入。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于带状束离子源的磁性过滤器，可以提供沿其整个长度具有均匀电流密度的带状离子束。
本发明的另一目的在于提供一种用于离子源的磁性过滤器，其不存在已有的离子源磁性过滤器所固有的不期望的束电流特性问题。
本发明提供了一种用于离子源的磁性过滤器。离子源包括限定等离子体约束室的外壳，其中通过使源材料离子化产生包括离子的等离子体。该外壳包括一般是平面的壁，其中形成有可以经其从等离子体提取离子束的多个细长开口。多个细长开口基本上相互平行地定向，并且与位于平面壁内的第一轴基本平行，第一轴与位于平面壁内的第二轴基本正交。磁性过滤器设置在等离子体约束室内。磁性过滤器把等离子体约束室分隔成第一区和第二区。磁性过滤器包括多个平行细长磁体，与第二轴成夹角θ地定向，并且位于通常与一般是平面的壁平行的平面内。
附图说明
图1是离子注入系统的透视图，其中内置有根据本发明的原理构成的离子源。
图2是根据本发明的原理构成的离子源透视图。
图2A是图2的离子源的前壁的另一实施例，展示了另一开口布置。
图3是图2的离子源侧视剖面图，沿图2的线3-3剖取的。
图3A和3B是图3所示离子源的外磁体放大图。
图4是图2的离子源侧视剖面图，沿图2的线4-4剖取的。
图5是图2的离子源端面剖视图，沿图2的线5-5剖取的。
图5A是图5所示离子源内磁体的放大图。
图6是由带状束离子源磁体构型产生的离子源输出束电流的曲线示意图。
图7是由本发明的离子源磁体构型产生的离子源输出束电流的曲线示意图。
具体实施方式
以下参见附图，图1展示了其中内置有本发明的离子源磁性过滤器的离子注入系统10。采用所示的注入系统10对大面积衬底例如平面显示器P进行注入。
系统10包括一对屏盘盒12和14、加载锁定组件16、用于在加载锁定组件和屏盘盒之间输送屏盘的自动操纵臂或端部操作装置18、提供处理室22的处理室外壳20、和提供离子源26的离子源外壳24(见图2-5)。在处理室22中利用从离子源发射的离子束对屏盘连续处理，离子束穿过处理室外壳20的开口28。绝缘衬圈30使处理室外壳20与离子源外壳24之间相互电绝缘。
按如下方式通过系统10处理屏盘P。端部操作装置18从盒12取出待处理的屏盘，使其旋转180°，把取出的屏盘装入在加载锁定组件16中选择的位置。加载锁定组件16提供多个可以装入屏盘的位置。处理室22设置有平移组件，包括与端部操作装置18设计类似的拾取臂32。
由于拾取臂32从相同位置移动屏盘，所以加载锁定组件应可以相对于拾取臂，在垂直方向移动到在多个存储位置中的任一个容纳的被选择屏盘的位置。针对此目的，马达34驱动螺杆36使加载锁定组件垂直移动。设置在加载锁定组件上的直线轴承38，沿固定圆柱轴40滑动，保证加载锁定组件16相对于处理室外壳20的适当定位。虚线42表示当拾取臂32从加载锁定组件中的最低位置取出屏盘时，加载锁定组件16到达的最高垂直位置。在加载锁定组件16和处理室外壳20之间设置滑动真空密封装置(未示出)，在加载锁定组件的垂直移动过程中和之间，在各个装置中保持真空条件。
拾取臂32在水平位置P1(亦即，与屏盘位于盒12和14中时以及屏盘被端部操作装置18操纵时相同的相对位置)从加载锁定组件16取出屏盘P。然后拾取臂32从此水平位置P1，在箭头44所指方向把屏盘移动至图1虚线所示垂直位置P2。然后平移组件在扫描方向上，把垂直定位的屏盘从图1左侧移动到右侧，经过离子源产生的并且从开口28发射出的离子束路径。
离子源输出带状束。这里所用的术语“带状束”是指细长的离子束，其长度沿细长轴延伸，宽度小于长度并且沿与细长轴正交的轴延伸。这里所用的术语“正交”是指基本垂直。带状束已被证实有利于对大表面面积工件注入，因为其仅需工件在单一方向通过离子束，即可注入整个表面积，只要带状束的长度至少超过工件的一个尺寸。
在图1的系统中，带状束具有的长度至少超过待处理平面屏盘的最小尺寸。使用这种带状束并结合图1的离子注入系统，除了可以提供单一扫描完全注入的能力之外，还有几个优点。例如，带状束源具有使用同一系统中的相同源处理不同尺寸的屏盘的能力，通过根据取样的离子束电流控制屏盘的扫描速度，可以均匀地注入杂质。
图2-5更具体地展示了离子源26。图2提供了位于图1的离子源外壳24内的离子源26的透视图。如图2所示，离子源26的形状通常是平行六面体，分别具有前壁50、后壁52、顶壁54、底壁56、和侧壁58和60。从图2提供的透视图来看，后壁52、底壁56和侧壁60从图中隐去。各壁具有外表面(图2中可见)和内表面(图2中未示出)，一起形成等离子体约束室76(见图3)。离子源26的后壁、顶壁、底壁和侧壁可以由铝或其它适合的材料构成。石墨或其它适合的材料可以排列在这些壁之内，以及构成前壁50的整体。
在离子源26的前壁50设置多个细长开口64。在所示实施例中，展示了三个这种开口64a-64c，相互平行地定向。每个开口输出由源26输出的总离子束的一部分。位于周边开口之间的开口(亦即中间开口)输出的束部分与由这些周边开口(亦即外侧开口)输出的束部分重叠。因此，通过选择开口的数量和构型，可以调节离子源输出的离子束宽度。
每个细长开口64具有大的长宽比，亦即开口或槽沿纵轴66的长度远远超过开口沿正交轴68(垂直于轴66)的宽度。两个轴66和68位于与前壁50相同的平面，即与细长开口64相同的平面内。通常，开口(沿轴66)的长度至少是开口(沿轴68)的宽度的50倍。这种大的长宽比(例如超过50∶1)形成带状离子束，特别适用于注入大表面积工件。图2A展示了离子源26的前壁50的另一实施例，其中每个细长开口64包括一系列直线排列的小圆形开口70。
离子源设置有分别与外表面54和58邻接定位的细长条形磁体72和74。条形磁体72一般平行于纵轴66延伸，并且一般与正交轴68垂直。条形磁体74一般平行于正交轴68延伸，并且一般垂直于纵轴66。虽然图2中未示出，但是在后壁52和底壁56上设置有相同形状和构型的条形磁体72，平行于顶壁54上的条形磁体72延伸。而且在图2中也未示出，相似形状和构型的条形磁体74设置在侧壁60上，平行于侧壁58上的条形磁体74延伸。这些磁体如图3-5所示，以下将更具体地说明其目的。
如图3所示，离子源的各壁形成室76，其中按如下方式产生等离子体。正如在已有技术中所公知的，通过进口(未示出)把源气体引入室76，利用经由电引线80电激励的一对线圈状灯丝或激励器78使气体离子化。每个激励器由钨灯丝构成，当加热到适当温度时按热离子方式发射电子。也可以使用射频(RF)激励装置、例如RF天线产生离子化电子。电子与源气体相互作用并且使其离子化，在等离子体室内形成等离子体。
等离子体被约束在等离子体室76内，被条形磁体72推向其中心，条形磁体平行于细长槽64的纵轴66定向。如图3A和3B所示，条形磁体72被极化，每个磁体的北极和南极在磁体长度上延伸(而不是端对端地极化)。所产生磁力线82从相邻磁体72的北极延伸到南极，产生多交点形磁场，把等离子体推向室76的中心。
位于等离子体室76之外的提取电极(未示出)经过细长开口64提取等离子体，正如已有技术中所公知的。此被提取的等离子体形成被调整引导向靶盘的离子束84。如上所述，由位于周边开口之间的开口输出的束部分与由那些周边开口输出的束部分重叠，形成整个束输出。
在室76中被离子化的源气体的一个例子，是可以由氢稀释的磷化氢(PH3)。所得磷化氢等离子体包括PHn +离子和P+离子。除了PHn +离子和P+离子之外，在等离子体室76内发生的离子化过程产生了氢(Hn +)离子和高能电子。在注入进靶盘时氢离子有时是不期望的，因为它们会使靶盘加热从而损坏靶盘。
等离子体室76分成由磁性过滤器90分隔的第一区86和过滤区或第二区88。如图4所示，磁性过滤器90包括多个条形磁体90a-90n。磁性过滤器90(i)改善了等离子体在第一区86的约束，提高了等离子体密度，(ii)防止高能电子从第一区流向第二区88，降低了第二区中的电子能量(因而降低了温度)。这两个效果对在各个区中的PHn +和Hn 1的相对比例有影响，提高了等离子体约束室的第二区中的PHn +离子和P′离子比例。
如图5A所示，磁体90按照与磁体72相同的方式和定向磁化，亦即被极化成每个磁体的北极和南极延伸于磁体长度(而不是端对端地极化)。磁体在相同方向极化，以使相反的磁极相互面对。这样，磁力线92在相邻定位的各磁体的相反磁极之间延伸，如图5所示。磁力线产生多交点型磁场，用于在等离子体室内把等离子体分成第一区和第二区。这样，磁体90起到过滤器作用，阻止高能电子从室76的第一区86流向第二区88。这样从第二区88中抽取离子束。
再次参见图5A，磁体90位于填充了适当冷却流体96例如水的细长管94中。如图4和5所示，磁体90布置在室76内，以使它们相互平行，与轴68成角度θ。平行于轴66测量的距离L分开平行相邻的磁体90。距离D(见图4和6)分开平行相邻的细长开口64。以下参考图6和7说明这些尺寸的关系。
如图6和7所示，每个细长开口64a-64c输出电流各部分(分别是Ia-Ic)，它们组合形成沿轴66的离子束84的纵电流分布(I总＝Ia+Ib+Ic)。在带状束构型的注入系统中，沿轴66的束电流分布是关键的，因为其直接确定在正交于扫描方向的工件的注入剂量分布。由条形磁体90a-90n构成的磁性过滤器发出的磁场，使从任何一个细长开口提取的离子电流分布产生变化。图6中，条形磁体90a-90n的带状束磁体与细长槽64a-64c正交定向设置，各个电流输出分布Ia-Ic沿纵轴66相同地排列。这些各个分布中的每一个在沿轴66的位置具有电流输出变化，这根据磁体产生的磁场，而对应于条形磁体90a-90n的轴。由于总离子束电流I总是各个电流Ia-Ic的累积，所以这些各个排列的变化叠加产生沿纵轴66的非均匀电流密度的离子束。
但是在图7中，磁体与轴68和66成角度θ地定向，位于等离子体室76中平行于前壁50的平面中。角度θ是从轴66或68两者测量的锐角。如图6所示，每个电流分布保持沿轴66的位置的电流变化，这是根据磁体产生的磁场而对应于条形磁体90a-90n的轴。但是，由于磁体与轴68成角度θ地定向，从条形磁体90a-90n组成的磁性过滤器发出的磁场，使各个电流输出分布Ia-Ic与图6相比，沿纵轴66相移距离L/3。结果，作为相移波形Ia-Ic的累积的总离子束电流I总，沿纵轴66的密度更为均匀(亦即每个电流输出分布的“峰”趋于填充其它两个电流输出分布的“谷”)。为了使电流密度均匀性最佳化，选择变量N(细长槽64的数量)、D(相邻槽64之间的距离)、L(平行于轴66测量的相邻条形磁体90之间的距离)、和角度θ(从轴68测量的)以便满足以下公式：
L/D＝N×(tanθ)
在公开的实施例中，L/D比大约是1.4，N＝3，θ＝25°(tanθ＝0.466)。但是，应该知道，此公式仅是针对示例性目的而说明的，在本发明的实施中对这些变量可以置换为其它值。特别重要的是条形磁体90a-90n与轴66和68倾斜地排列，或者横交，不与这些轴正交排列。
这样，说明了用于离子源的改善的磁性过滤器的优选实施例。但是，在记住上述说明时，应该知道上述说明仅是举例而言，本发明并不限于这里说明的特定实施例，在不脱离由以下权利要求书及其等同物确定的本发明范围的条件下，参考上述说明可以做出各种调整、改进和置换。

Claims (17)

1.一种用于离子源(26)的磁性过滤器(90)，离子源包括限定等离子体约束室(76)的外壳，其中通过使源材料离子化产生包括离子的等离子体，该外壳包括平面的壁(50)，其中形成有可以经其从等离子体提取离子束(84)的多个细长开口(64)，多个细长开口相互平行地定向，并且与位于平面壁内的第一轴(66)平行，第一轴与位于平面壁内的第二轴(68)正交，所述磁性过滤器包括：
设置在等离子体约束室(76)内的至少一个细长磁体(90a)，用于把等离子体约束室分隔成第一区(86)和第二区(88)，所述至少一个磁体按照与所述第二轴(68)成锐角θ地定向，并且位于与是平面的壁(50)平行的平面内。
2.根据权利要求1的磁性过滤器(90)，其中所述至少一个细长磁体(90a)包括在所述平面内相互平行排列的多个细长磁体(90a-90n)。
3.根据权利要求2的磁性过滤器(90)，其中所述细长磁体(90a-90n)位于填充有冷却流体(96)的细长管(94)内。
4.根据权利要求3的磁性过滤器(90)，其中所述冷却流体(96)是水。
5.根据权利要求2的磁性过滤器(90)，其中所述多个细长开口(64)等于N个开口，所述多个细长开口中的相邻开口均隔开距离D，所述多个细长磁体(90a-90n)中的相邻磁体均隔开距离L，所述距离是平行于所述第一轴(66)测量的，所述角度θ由下式确定：
L/D＝Nx(tanθ)
6.根据权利要求5的磁性过滤器(90)，其中L/D大约是1.4，N＝3，θ＝25°。
7.根据权利要求1的磁性过滤器(90)，其中所述多个细长开口(64)中的每一个包括多个直线排列的小圆开口。
8.一种离子源(26)，包括：
限定等离子体约束室(76)的外壳，其中通过使源材料离子化产生包括离子的等离子体，所述外壳包括平面的壁(50)，其中形成有可以经其从等离子体提取离子束(84)的多个细长开口(64)，所述多个细长开口相互平行地定向，并且与位于所述平面壁内的第一轴(66)平行，所述第一轴与位于所述平面壁内的第二轴(68)正交；
设置在所述等离子体约束室内的磁性过滤器(90)，用于把所述等离子体约束室(76)分隔成第一区(86)和第二区(88)，所述磁性过滤器包括至少一个细长磁体(90a)，按照与所述第二轴(68)成锐角θ地定向，并且位于与平面的壁(50)平行的平面内。
9.根据权利要求8的离子源(26)，其中所述至少一个细长磁体(90a)包括在所述平面内相互平行排列的多个细长磁体(90a-90n)。
10.根据权利要求9的离子源(26)，其中所述细长磁体(90a-90n)位于填充有冷却流体(96)的细长管(94)内。
11.根据权利要求9的离子源(26)，其中所述多个细长开口(64)等于N个开口，所述多个细长开口中的相邻开口均隔开距离D，所述多个细长磁体(90a-90n)中的相邻磁体均隔开距离L，所述距离L是平行于所述第一轴(66)测量的，所述角度θ由下式确定：
L/D＝Nx(tanθ)
12.根据权利要求11的离子源(26)，其中L/D大约是1.4，N＝3，θ＝25°。
13.根据权利要求9的离子源(26)，其中所述等离子体约束室(76)的内表面排列有石墨。
14.根据权利要求9的离子源(26)，其中所述等离子体约束室(76)设置有多个细长条形磁体(72)，与其外表面相邻定位，用于把其中所含的等离子体推向其中心。
15.根据权利要求9的离子源(26)，其中离子源输出带状离子束。
16.根据权利要求16的离子源(26)，其中通过选择开口(64)的数量和宽度，调节由离子源输出的离子束宽度。
17.根据权利要求17的离子源(26)，其中每个所述细长开口(64)具有的长宽比至少是50∶1。
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