CN1295754C - 用于单离子注入的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于单离子掺杂和处理的方法和系统检测衬底中的单离子的注入、穿透以及终止。这种检测对于将可数数量的31P离子成功地注入到用于构成凯恩量子计算机的半导体衬底内很必要。该方法和系统特别涉及衬底(20)的表面上两个电极(22，23)上的电位(24)的应用，以产生电场将衬底(20)内形成的电子空穴对分开并清除。然后使用检测器(30)检测电极中的瞬时电流，由此决定衬底(20)中单离子的到达。

Description

用于单离子注入的方法和系统
技术领域
本发明涉及在衬底中通过检测单离子的注入、穿透以及终止进行单离子掺杂和加工的方法和系统。这种检测对于将可数数量的31P离子成功地注入到用于构成凯恩量子计算机的半导体衬底内很必要。
离子为已电离的原子。当原子处于运动状态时，不管其电离状态，本发明使用术语“离子”。离子静止之后，我们称之为“原子”。
背景技术
凯恩计算机1需要单施主31P原子以有序的1D或2D阵列设置在晶体硅中。原子必须相互隔开20nm或更小。备选的结构为Vrijen等人2提出的异质结构中的31P原子阵列，在该异质结构中原子间距可以大于凯恩计算机的，但仍然在100nm的数量级。现已证实使用常规的光刻和离子注入技术，或使用聚焦淀积非常难以实现这种精确定位。这种困难不仅在于需要以足够的精度形成施主原子的阵列，而且还需要确保仅单施主原子引入到阵列的每个单元内。
半导体产业已利用光刻技术制造高精度的集成电路。光刻系统包括曝光工具、掩模、抗蚀剂以及冲洗步骤，以实现图形从掩模转移到抗蚀剂，然后转移到器件。然而，使用抗蚀剂层限制了将掩模中的图形转移到抗蚀剂上使用的辐射物的波长的分辨率。目前约100nm。
使用细微聚焦的电子束将图形直接写入抗蚀剂内的电子束光刻可以得到好于20nm的分辨率。此外，在最近的专利申请3中介绍的“上-下工艺”使用电子束光刻在抗蚀剂中构成纳米级沟槽的阵列。然后用离子束照射抗蚀剂，由此离子随机地撞击表面，使沟槽的随机阵列指引一个或多个原子穿入到衬底内构成纳米级的结构。
然而，在所有这些光刻技术中，不可能控制到达衬底的原子数量。
Lüthi等人4介绍了能够制造线宽在100nm以下的金属线的非抗蚀性的光刻技术。该技术基于超高分辨率扫描遮光板，称为纳米模版。通过原子力显微镜(AFM)悬臂中的一个或多个孔，可移动的样品暴露到平行的原子或分子束。使用具有弹性系数为0.1Nm-1的一体端头的标准V形Si3N4。根据需要的掩模结构，孔径从50～250nm变化，。有关纳米模版的样品的扫描，允许将结构放置在样品的表面上。形成纳米结构之后，用AFM的端头检查结构。
前面的方法允许精确地定位大量的原子，而不能注入和检测单离子。
Shinada等人5已发展了由Koh等人6开发的使用单离子注入组件的单离子检测技术。单离子注入组件包括一对偏转板、目标狭缝、精确的四极(quadropole)磁铁、靶、电子倍增管(EMT)以及连接到偏转板和EMT的斩波控制电路。离子束被成对的偏转板斩切，偏转板可以改变电位差。通过调节离子束电流、目标狭缝直径以及施加到偏转板的电位差的转换时间，从连续的离子束中一个接一个地提取出每个单离子。
接下来，提取的单离子利用四极磁铁透镜聚焦并撞击在靶上。使用EMT通过检测离子入射时发射的二次电子可以控制入射离子的数量。来自EMT的信号输送到斩波控制电路，该电路不断将束切断信号发送到偏转板，直到检测到需要数量的单离子。
Shinada等人5强调了Koh6发现控制入射离子数量的关键是检测入射时从靶发射的二次电子。
二次电子检测效率Pd定义如下：
Pd＝NSE/NEXT
其中，NSE为通过单次斩切检测到的二次电子的平均数量，NEXT为单次斩切检测到的提取出离子的平均数量，其中NEXT正比于离子束电流和束斩切的时间。
要确定测定二次电子时的效率，用100kHz的频率斩切60keV Si2+离子束。通过用每秒钟的二次电子数量除以105可以估算NSE。要估算NEXT，使用标准的裂变径迹检测器。
二次电子检测器包括具有闪烁体和光导的光电倍增管。使用栅极以将二次电子引导至闪烁体的敏感部分。
用于Pd的实验结果为90％。误差在某种程度上是由于二次电子检测系统的局限。此外，结果显示单离子入射的位置可以被成功地控制在小于300nm的误差。
对由于离子撞击而引起的从表面发射的二次电子脉冲的撞击的检测，不能从掩模下露出衬底的离子撞击中区分出具有掩模的离子撞击。
发明内容
本发明的第一方面是提供一种通过在衬底中检测单离子的注入、穿透以及终止进行单离子掺杂和处理的方法，该方法包括以下步骤：
用单离子撞击电激活衬底以产生电子空穴对；
在衬底的表面的两个电极上施加电位产生电场，将衬底内形成的电子空穴对分开并清除；以及
检测电极中的瞬变电流并由此确定衬底中单离子的到达。
本发明的一个优点在于使用低能量(KeV)离子撞击可以按比例产生单原子的阵列。同样，它仅对到达衬底的离子敏感而忽略撞击表面掩模的离子。它对每个离子撞击产生一个记录，用于核对和进一步的分析。离子检测的效率接近100％。而且，可以使用MeV离子探测从单离子到纳米敏感材料的路径的潜在损伤。
衬底可以是纯半导体衬底，如高电阻率的硅衬底。然而就衬底可电离以形成具有有效寿命的电子空穴对的意义而言，可以使用能电激活的任何衬底。
可以使用来自产生亚20nm离子束探针的场电离离子源的聚焦离子束施加离子。备选地，可以使用宽束注入器。可以将离子束电流调节到低至足以在截止(gate off)束需要的时间期间，使多离子撞击的可能性最小。需要的电流将取决于离子撞击检测和束选通(gating)电路的响应速度。通常电流为每秒钟一百个原子。在带或不带掩模的情况下，可以采用这种束探针将单离子注入到需要的位置。通过使用入射到衬底周边区域上而不是要制备器件需要的那部分衬底上的单离子监测器信号，可以调节需要的束电流。
我们现在介绍使用本发明检测离子的技术。注入的离子终止在衬底中由初始离子能量和衬底的终止功率所确定的深度。有两种确定终止功率的能量损失过程。首先是核过程，其中轰击粒子和衬底原子核之间发生近距离碰撞产生反冲和离散。其次为电子过程，其中离子动能转移为衬底电离，并伴随产生电子空穴对。应该理解仅电子过程能产生本方法可检测的信号。
通过靠近要注入区域放置的电极检测电离。根据应用，电极可以都在正表面上，或者一个在正表面上，另一个在背面上。偏置电压可以施加在电极上，以检测离子撞击。这样象离子撞击与正或负电极间远近的测量方法一样，导致测量离子撞击感应信号极性的可能性。由此，在用宽束注入的衬底中可以有两个纳米处理的孔，然后可以由两个电极收集的信号的相对强度和极性确定实际上接收离子撞击的孔。
需要衬底冷却系统将衬底保持在足够低的温度(77K数量级)，允许足够的信号/噪声比以检测keV(对于MeV离子，衬底可以保持在室温)。
原型系统显示给出很少的错误信号，例如随机的噪声或来自不能穿透到衬底内足够远的离子。脉冲形状识别可以消除这些情况。
可接收的检测信号用于借助计算机产生选通信号到反馈电路，然后反馈电路可以截止离子束。这种控制信号同样将掩模移动(step)到衬底上的新位置，用于束再次选通时的再次注入。
通过使用已处理显示单离子的撞击位置的薄的离子敏感的抗蚀剂，提高了系统。入射的离子穿过薄抗蚀剂并进入衬底留下潜在损伤的迹线，该迹线可以通过标准的技术显影显露出可用原子力显微镜(AFM)成像的凹坑。
通过使用厚抗蚀剂层作为纳米处理的掩模也可以改进系统，除了露出了衬底中要注入单离子的需要区域的掩模中的开口区域之外，厚抗蚀剂层阻挡了离子进入衬底内。
为了构成两原子器件，可以在掩模中开出两个孔。使用已经完成的器件中的金属电极可以实现。此时，使用常规的电子束光刻(EBL)制造金属电极，然后淀积抗蚀剂层。用EBL系统在线形电极上划出交叉线，显影时开出了到表面的路径使衬底露出。现在掩模由厚金属电极和抗蚀剂层组成。离子可以被注入沿着电极旁边的路径。一些离子将停止于电极的金属中，但由于离子撞击金属产生很少的电荷，因此这不会在离子检测系统中产生信号。
在每个孔中产生具有单离子器件的几率近似50％。由于横向离子离散，这种几率实际上大于50％。例如，15keV31P离子注入到用于凯恩量子计算机硅片的横向离散约7nm7。通过相同的孔进入衬底内的离子将导致注入的原子终止于不同的位置的可能性很大。因此可以用量子计算机的A和J栅电极分别解决。由于离子离散一种或两种离子将终止于A栅电极自身下面最理想的位置中的可能性很大。在任何一种情况中，适当地调节栅极电位仍能引导(address)原子，即使没有精确地位于电极下面。技术计算机辅助设计(TCAD)计算显示只要两个原子处于不同的位置，它们就可以被单独寻址。
通过使用由AFM悬臂中的纳米孔组成的可移动掩模，系统可以按比例增加提高注入离子的阵列，AFM悬臂可以精确地定位在原子的需要位置上然后用离子束照射。
可以用抗蚀剂层中的EBL制造纳米处理孔。备选地，可以在标准的悬臂中钻出纳米处理孔。并且可以形成扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜(AFM)的一部分。可以使用聚焦离子束(FIB)制造纳米处理孔，聚焦离子束自身通常使用Ga离子的直径小于20nm的聚焦束来成像和处理样品。通过用FIB首先将悬臂端头成像，可以在相对于悬臂端头的已知位置精确地钻出纳米处理孔的位置。
通过使用STM或AFM采用含有纳米处理的孔的相同悬臂，可以在样品上将纳米处理的孔精确地定位到衬底上的第一位置和图像对准标记，并由此有效地将用于一个离子的孔对准，以穿过孔，将离子注入到衬底内。
在每个注入步骤之间，悬臂可用于成像离子撞击点以反映出由于离子撞击化学或形貌的变化，以检验单离子已成功地输送到衬底。
可移动的掩模可以控制到小于约1nm的精度。可移动的掩模厚度足以终止入射离子束，由此除了穿过孔没有离子穿透。
通过直接使用FIB注入离子，系统同样可以按比例提高阵列的比例。FIB中的聚焦探针为亚20nm点。此时，扫描在衬底上聚焦的探针并停留在离子要注入的位置上。根据离子注入信号选通束消隐和扫描进展。通过在离子源中使用适当的共晶合金，配置FIB产生特定应用需要的离子束。如果FIB探针尺寸大于掩模中的孔，那么可以结合使用纳米处理的掩模和扫描的FIB。此时，探针扫描停留在掩模中的孔上。
现在介绍测试监测器的方法。该方法同样可以用在应用如X射线或电子的其它电离辐射线以产生可检测的电离的测试模式中。在离子注入之前，这种测试将确认衬底被电激活，以及系统正在工作并能够充分有效地检测离子撞击。
这可以用摆动到要注入的衬底正面位置内的小辐射源(或其它合适的X射线源)完成。根据源X射线在衬底内淀积固定数量的能量，同时没有产生任何损伤。X射线穿透表面层，因此甚至可以使用在完全用抗蚀剂膜覆盖的器件中。
可调整能量的电子源或不同能量的X射线源都可以为脉冲高度光谱的能量校准提供多能量颗粒。
对于所有这些方法，必须对衬底中离子引入的损伤进行退火。离子注入之后，聚焦的激光束可以用于将由于单离子撞击离子束引入的损伤进行退火。我们发现用金刚石8，9很有成效，在没有显著加热样品的其余部分，金刚石可以退火局部区域(直径小于10微米)。备选的措施是使用加热整个衬底的快速热退火，但这会对现有的结构造成损伤。
在第二方案中，本发明涉及在衬底中检测如20keV以下的31P的单离子的撞击、穿透以及终止进行单离子掺杂和处理的系统，该系统包括：
电激活的衬底，在衬底中离子或电子撞击产生电子空穴对；
施加到衬底的至少两个电极；
施加在电极上的电位，产生电场以将衬底内产生的电子-空穴对分开并清除；以及
瞬变电流传感器，检测电极中的瞬变电流并由此确定衬底中单离子的到达。
在其它应用中，本发明可高精度地利用单离子到纳米光纤或其它材料的路径。在本申请中，加工的目标是定位在有源衬底(可以是可买到的颗粒监测器)的顶部。通常可以使用100微米数量级范围的MeV离子。有源衬底产生信号，记录单离子穿过要加工目标的路径，允许离子束通过介绍过的其中一种方法分级(stepped)。在需要的位置中曝光之后，由单离子的路径产生的潜在损伤产生纳米处理的结构。
本发明可用于控制集成电路部件中的掺杂剂注入，以便例如产生晶体管栅极中掺杂剂原子的规则阵列。掺杂剂的有序阵列为器件提供了需要的电性质，减少了电子散射。
附图说明
下面参考附图介绍本发明的一个例子，其中：
图1为离子检测系统的示意图。
图2为这种系统的X射线光谱的曲线图。
图3a为这种系统的14keV31P离子撞击的脉冲高度光谱的曲线图；图3b为一次这种撞击产生的瞬变电流的曲线图。
图4为这种系统的两个14keV31P离子撞击的曲线图。
具体实施方式
本例利用能量低于20keV以下的31P离子的凯恩量子计算机的结构的内容介绍本发明。
首先参考图1，系统10用于检测如能量低于20keV以下的31P的单离子的撞击、穿透以及终止进行单离子掺杂和处理的系统。衬底20为0.2mm厚且大于100Ω·cm电阻率的硅晶片，安装在金属接触器上并接地。整个衬底为电激活的硅并且31P的注入将产生电子空穴对。存在5nm厚的氧化物层21和衬底表面上的两个电极22和23。电位24施加在电极上产生与表面平行的电场，将衬底内形成的电子空穴对分开并清除。电流传感器30用于检测电极中的瞬变电流，由此确定单离子到达衬底。
由于器件10在表面没有金属层或掺杂层，因此不工作(dead)层21的厚度可以制得比具有p-n结或肖特基结构的器件内的层薄。
当用MeV离子撞击进行测试，硅的电阻率由1000增加到5000～7000Ω·cm时，在衬底中测量的电荷收集效率的结果提高约10％，达到至少96％。因此，用高电阻率的硅衬底制成的衬底最适合于使用检测由离子撞击产生的衬底中的瞬变电流的方法来制造单离子阵列。将衬底和相关的离子检测电路冷却到低温并在电极下使用肖特基势垒时效率进一步提高。
当离子穿透衬底时，它将电子激发到它们的能量级别之外，结果电子离开空穴。施加到电极的电场将这些电荷载流子分开。负电荷载流子朝正电极漂移，正电荷载流子朝负电极漂移，速度取决于电场强度。检测出所得瞬间电流产生离子撞击信号。
如果高电场没有完全穿过衬底延伸，那么在对应于低电场的区域的电极之间会存在一个不工作区。进入该不工作区的任何电荷载流子将具有接近零的速度，并且仅漂移最小的距离，从而将复合。因此电极结构必须达到不工作区尽可能小。其余电荷载流子的移动构成用瞬变电流表示的小电流。
瞬变电流的检测表明单原子已注入到希望位置处的衬底。然后使用来自离子检测系统的信号偏转离子束，由此防止了其它离子穿透。
现已使用数字仿真已优化电极位置使该信号最大。对于能量高达几10’s的keV，沉积在有源层下仅约剩余动能的15％产生电子空穴对并因此产生信号。原子核碰撞对称为脉冲高度缺陷的其余部分没有影响。
将高纯度衬底冷却到液氮温度，对检测器电极进行适当的热处理以允许施加大的偏置电压提高了系统性能。
瞬变电流传感器30包括能够识别脉冲形状的检测器前置放大器和放大器系统。使用将离子撞击产生的全部瞬变或噪声信号数字化的数字存储示波器可以实现脉冲形状识别。与期望的离子撞击产生的形状不符的瞬态形状会被滤除掉。
通过用于产生电荷瞬态信号的放大器中的专用电子装置可以进行识别。可以买到分光镜放大器，该分光镜放大器具有当检测脉冲堆积时产生滤除信号的内置脉冲形状识别电路(如ORTEC型572)。当短时间周期内两个离子信号达到而导致一个失真形状的脉冲时称为脉冲堆积。虽然对于这里简述的措施来说，脉冲堆积不是问题，但是根据这样的脉冲形状，可以采用类似的电路来消除大的随机噪声脉冲。
在检测器系统中的任何离子束引入电荷的电脉冲高度用于记录一个单离子注入事件。为防止离子多次注入衬底中的相同位置，检测一个离子的注入之后，利用位于离子束靶室上游的快速静电偏转单元来偏转该入射离子束。
通过用来自如55Fe或57Co的辐射源40的X射线照射首先检测衬底和系统。X射线穿入衬底并以可逆的方式产生电离，同时没有产生任何损伤。图2为结果的曲线图。主尖峰50由5.989keV处的信号尖峰51以及噪声信号52组成，信号尖峰51代表55Mn Kα的x射线，为55Fe的衰变产物。同样存在集中在6.4keV处Mn Kβ的x射线的另一个较小尖峰。尖峰50显示已检测出了X射线。
对于具有高达几个10’s keV的31P离子，沉积在氧化物下面有源层中仅约15％的剩余动能产生电子空穴对并因此产生信号。然而，图3所示的噪声尖峰表明系统在起作用，光谱显示检测了17,000次离子撞击。1keV的噪声信号61电平将降低到0.5keV以下，进一步改善了离子检测电路的屏蔽。用于该用途的可买到的电子产品为0.2keV噪声电平，该噪声电平适合于凯恩装置。
利用系统进行更进一步的工作，在该系统中硅衬底被含有用15keV的31P照射的两个纳米处理孔的60nm厚的抗蚀剂覆盖。该试验已检测到正注入的两个单31P离子。图4示意出通过光谱显示该依据。
在图4中，噪声信号71比以前大约7keV的噪声电平，因此将触发电平设置在约3.4keV以上。试验涉及利用截止束测试噪声信号，以将触发电平设置在期望的噪声计数以上，然后仅照射短时间以降低计数的可能性。50秒之后检测出第一离子撞击信号80，68秒之后检测出另一撞击信号81。这些结果分别在3.55keV和3.71keV处，表示深撞击的原子，这些原子和平均水平相比，经历了更大的电子终止和更少的原子核终止。通过减小噪声级别来改善该结果。
虽然参考具体的例子介绍了本发明，但是应该理解可以有许多变形和明确表达。所以对于系统和方法可以有许多应用。
其它的器件可以用不同的结构；这里介绍的5nm的表面氧化物可以不是必须的，并且离子束能量和种类可以不同。
由原子核终止过程产生的离散将在31P原子位置中引入横向和纵向余量。同样，Koiller等人的计算提示硅基质中电子之间的能量耦合是分离的强大作用。这些效应的补偿需要将合适的电位施加到与每个量子位(qubit)相关的栅极上。这些栅极允许qubit的环境改变，允许各qubit被NMR脉冲或其它信号寻址。该操作的保真度将取决于qubit位置的误差，以及来自特定栅极电场的qubits之间的串扰量。栅极电场已由TCAD计算，TCAD同样提供了用于Schrdinger方程解法的电位，该方程计算了qubit波函数。用小于每个电极1～2V的电位可以获得操作器件需要的、好于104中一份的保真度，每个电极1～2V小于氧化物阻挡层的击穿电场。
需要15keV左右的离子能量以确保离子范围在衬底中需要的深度处，对于凯恩装置衬底约20nm。原型量子计算机元件目前在2种施主组成的结构下，这2种施主通过含有两个孔的掩模被注入。当记录两种离子撞击时，每个孔含有一种施主的可能性为50％。将来的器件将使用根据离子记录信号选通的单元到单元步进的聚焦31P束制造，离子记录信号提供了按比例提高许多qubit器件的途径。
我们同样开发了与AFM悬臂成一体的可移动纳米处理掩模，作为按比例提高器件的另一途径。
可以用记录标记构图衬底的表面，以使单原子阵列所在的区域能够使用。然后使用AFM扫描表面，以便将记录标记设置在表面上。然后利用位于注入第一原子的需要位置处上面设置的纳米处理孔，悬臂端头和纳米处理的孔之间的已知偏移用于重新定位悬臂，。
粗定位系统用于将AFM镜台移动到离子束平行光管下面的位置内，以至于离子束可以照射悬臂仪的背面并照射纳米处理孔。
使用上游法拉第杯(cup)，将来自离子源的束电流调节到几十pA的束电流。通过接通偏转单元可以防止该束到达悬臂。然后使用单离子检测系统，该束指向衬底的不重要的角部，以将束电流调节到每秒钟几百个原子。
切断偏转单元允许离子束照射悬臂。
通过移动AFM镜台43，衬底移动到下一个位置。有时可以使用AFM 32将离子撞击的位置成像显示离子撞击所造成的表面形貌的变化。这种情况由MeV重离子造成。
要提高性能，必须高效率地收集衬底中引入的电荷。器件必须具有低密度的自由电荷载流子和低密度的缺陷，即电荷载流子俘获中心。冷却衬底用于降低自由载流子，以及来自热电离过程的噪声。没有自由的载流子，当高电场施加在敏感区中以确保有效的电荷分离时，可以保持低漏电流。低密度的电荷载流子俘获中心和高载流子漂移速度将减少电荷收集期间俘获中心的损失。此外，需要衬底具有高击穿电场，所以在偏置器件中可以得到高速度的载流子。
由于以下三个原因器件中的脉冲高度经常减小或显示出对离子能量的非线性响应：
1、离子能量损失与电离过程中没有包含的原子核终止成正比导致产生e-h对(脉冲高度缺陷-PHD)；
2、电荷漂移或扩散期间在俘获中心产生电荷损失。当重离子产生的致密等离子体屏蔽了电场时，该损失增加；以及
3、在不工作层的能量损耗。当利用keV离子时，不工作层必须尽可能薄。
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Claims (38)

1、一种通过检测衬底中的单离子的注入、穿透以及终止进行单离子掺杂和处理的方法，该方法包括以下步骤：
用单离子撞击电激活衬底，产生电子空穴对；
在衬底的表面的两个电极上施加电位产生电场，将衬底内形成的电子空穴对分开并清除；以及
检测电极中的瞬变电流，并由此确定衬底中单离子的到达。
2、根据权利要求1的方法，其中衬底为高电阻率衬底，并且离子为31P。
3、根据权利要求1或2的方法，包括从产生亚20nm离子束探针的场电离离子源产生聚焦离子束的步骤。
4、根据权利要求3的方法，包括在检测出单离子到达之后截止该束的步骤。
5、根据权利要求1的方法，包括施加电离辐射物，产生可检测的电离的预备步骤。
6、根据权利要求5的方法，其中电离辐射物为X射线或电子。
7、根据权利要求1的方法，包括测量离子撞击感应信号的极性的步骤。
8、根据权利要求1的方法，包括：在检测单离子到达之后，将掩模移动到衬底上的新位置，用于进一步的注入。
9、根据权利要求1的方法，包括：将薄且离子敏感的抗蚀剂施加到衬底，之后处理抗蚀剂，显示单离子的撞击位置。
10、根据权利要求1中任何一个的方法，包括：将厚抗蚀剂层施加到衬底表面，在抗蚀剂中开孔用于单离子注入。
11、根据权利要求10的方法，其中，通过电子束光刻和随后的处理在掩模中开出两个孔。
12、根据权利要求11的方法，包括：使用EBL在衬底表面上制备线形金属电极，淀积抗蚀剂层，用EBL系统在线形电极上划交叉线，在显影后开出到表面的路径露出衬底，以及沿着电极旁边的路径将离子注入。
13、根据权利要求8的方法，其中，可移动的掩模为可以在衬底表面上精确定位的AFM悬臂中的纳米处理孔。
14、根据权利要求13的方法，其中使用聚焦离子束(FIB)制造纳米处理孔。
15、根据权利要求14的方法，其中聚焦离子束(FIB)具有小于20nm的直径。
16、根据权利要求15的方法，包括：用FIB将悬臂端头成像，然后在相对于悬臂端头的已知位置处钻出纳米处理孔的步骤。
17、根据权利要求16中任何一个的方法，包括使用STM或AFM将纳米处理孔定位到第一位置，以及使用悬臂在衬底上成像记录标记的步骤。
18、根据权利要求17中任何一个的方法，包括在每个注入步骤之间，使用悬臂成像离子注入位置并检验单离子已成功地输送到衬底的步骤。
19、根据权利要求18的方法，包括FIB停留在要注入离子的衬底表面上一个位置处，直到检测单离子注入，然后FIB在衬底扫描到一个新位置，并重复停留步骤。
20、根据权利要求19的方法，其中FIB为亚20nm的点。
21、根据权利要求20的方法，包括使用纳米处理孔并将FIB停留在掩模中的孔上的步骤。
22、根据权利要求1的方法，包括使用聚焦的激光束将由单离子注入造成的离子束引起的损伤退火的步骤。
23、根据权利要求1的方法，包括冷却衬底，允许足够的信号/噪声比来检测单keV离子。
24、一种在衬底中检测单离子的注入、穿透以及终止进行单离子掺杂和处理的系统，包括：
电激活的衬底，在衬底中离子或电子撞击产生电子空穴对；
施加到衬底的至少两个电极；
施加在电极上的电位，用于产生电场，将衬底内产生的电子空穴对分开并清除；以及
瞬变电流传感器，用于检测电极中的瞬变电流，并由此确定衬底中单离子的到达。
25、根据权利要求24的系统，其中衬底为高电阻率衬底，并且离子为31P。
26、根据权利要求24或25的系统，包括在检测出单离子到达之后，用于截止束的选通子系统。
27、根据权利要求24的系统，包括在与衬底相邻以产生可检测电离的第一位置和没有照射衬底的第二位置之间可移动的电离辐射物源。
28、根据权利要求27的系统，其中电离辐射物为X射线或电子。
29、根据权利要求28中任何一个的系统，包括：衬底上可移动的掩模，用于将单离子注入到不同的位置中。
30、根据权利要求29中任何一个的系统，包括具有两个孔的掩模。
31、根据权利要求29的系统，其中，掩模为精确地定位在衬底表面上的AFM悬臂中的纳米处理孔。
32、根据权利要求31的系统，其中使用聚焦离子束(FIB)制造纳米处理孔。
33、根据权利要求31的系统，其中聚焦离子束(FIB)具有小于20nm的束直径。
34、根据权利要求1或24的系统，包括冷却系统，用于冷却衬底，允许足够的信号/噪声比以检测单keV离子。
35、使用权利要求1～23中任何一个的方法制造的量子计算机。
36、使用权利要求1～23中任何一个的方法制造的纳米处理的光纤。
37、使用权利要求1～23中任何一个的方法制造的具有控制的掺杂剂注入的集成芯片。
38、使用权利要求1～23中任何一个的方法制造的具有控制的掺杂剂注入的抗蚀剂结构。
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