CN1500284A - 用于离子注入的混合扫描系统及方法 - Google Patents

Abstract

离子注入系统在离子注入室中包含边垂直扫描边使晶片在离子束中以某个相对于投射轴线偏离垂直取向旋转的旋转角倾斜的工件夹具。在用工件夹具夹持的晶片上进入注入表面的注入角是通过工件夹具围绕着其运动路径有选择地旋转进行调节的。法拉第杯沿着注入表面的预定位置扫描离子束，以形成装置测量平面。离子束质量是为了提高射束均匀性依照这些倾斜角的测量结果沿着装置平面进行调整的。诸如读数电子枪之类电荷中和装置是与工件成一操作直线运动的。

Description

用于离子注入的混合扫描系统及方法

相关的专利申请

这份申请要求在此通过引证如同被完全复制一样并入本文的2000年11月22日申请的临时专利申请第60/252,549号的优先权的利益。

本发明的领域

本发明涉及离子注入设备领域，更明确地说涉及连续的离子注入设备。

本发明的现有技术

在离子注入中，高能离子的射束撞击在材料表面上，使那些离子嵌入或注入材料之中。离子注入过程被分成分批注入过程和连续注入过程。连续过程是离子注入过程中最普通的类型，而且与中等剂量注入相关联。连续过程最经常使用在垂直于射束传播方向的两条轴线上经历静电偏转过程的等离子体离子束。静电偏转过程倾向于在密度和传播方向方面提供均匀的离子分布，但是在实践中离子束在角度方面相对射束的传播方向变化达3°之多。这种变化如同在授权给Pollock的美国专利第4,726,689号中报告的那样在离子注入过程中产生不符合要求的影响。

授权给Brune等人的美国专利第5,406,088和5,229,615号描述一种依据大晶片直径日益增加的商业用途研制的平行射束离子注入装置。在晶片直径方面从4英寸到6英寸、然后到8英寸的增长已产生对能够产生用均匀一致的平行射束撞击晶片表面同时还允许倾斜的射束的连续注入装置和晶片旋转控制的需要。

授权给White等人的美国专利第5,350,926号描述一种强调在单一的横向上传播的大的带状射束上建立均匀性的射束控制的高电流宽射束的离子注入机。该离子注入机使用通过有平行边的凸面狭缝从中引出来自源等离子体的离子束的Freeman、Bernas或微波源。离子束通过一对分析磁铁以使射束在垂直于射束传播方向的两条轴线上变成平行的。授权给Berrian等人的美国专利第4,922,106号同样展示有平行的射束发生器和使均匀注入变得容易的机械和电扫描控制的离子束注入装置。

混合扫描系统是在现代化的连续加工的离子注入设备中最经常使用的类型。加工是一次一个晶片。如同在作为中间截面侧视图的图1中展示的那样，常见的是在一条轴线上借助传送晶片100通过扫描离子束104(即从源102投射出来的离子束104)机械地扫描晶片100。水平的离子束104相对于晶片运动的垂直轴线108有横向轴线106。如图1所示，轴线106是射束轴线的平均表达。离子束104的某些部分可能些微地是由于诸如在授权给White等人的美国专利第5,350,926号中展示的那种射束整形场要素略微偏离轴线。通常，作为使离子束均匀地分布在晶片表面上的方法，晶片100沿着轴线108垂直地穿过水平扫描离子束104平移。必要的是为了用这种扫描方法实现均匀的注入在注入晶片100之前调整离子束104。这些过程都发生在射束注入真空室110中。晶片夹具112可以包括臂、直线运送装置、或任何其它类型的晶片夹具。晶片夹具112提交可通过离子束104的作用供离子注入使用的晶片表面114。

如同在作为中间截面的俯视平面图的图2中展示的那样，用于均匀注入的扫描离子束104的调整是通过用在调整平面202垂直于射束轴线106的方向上横越整个射束宽度W水平移动的法拉第杯200采样完成的。调整平面202理想地位于在表面114上发生晶片注入的地方(看见图1)。法拉第杯200被配置在众多采样站，例如，站204和206，以便在调整平面202上的所有位置提供射束均匀性的合理的表达。用法拉第杯200收集的离子束电流被作为法拉第杯位置的函数进行测量。随后对源102中的离子束光学要素的调整是用传统的方法进行的，以使射束电流统一，例如，如同在授权给White等人的美国专利第5,350,926号中教导的那样。射束电流的测量和离子光学器件的调整是依照传统惯例重复进行的，直到射束电流在可接受的限度内均匀一致。

如图3所示，混合注入系统有这样的加工要求，即如同在授权给Smick等人的美国专利第5,898,179号中描述的那样要求在注入期间控制离子束相对于晶片表面114的入射角300。这种控制通常是通过使晶片100在晶片夹具112内倾斜完成的。倾斜是相对于离子束104的轨道和机械扫描轴线108发生的。这种倾斜在入射的离子束104和晶片表面114之间形成在晶片上处处恒定不变的入射角300。晶片100的机械平移如前所述沿着轴线108在垂直方向上继续。入射角300通常在0°到45°的范围内变动而且是在介于沿着轴线106的离子束轨道和垂直于被注入的晶片表面114的轴线304之间的Y轴平面中测量的。例如，0°注入角发生在晶片注入表面114相对沿着轴线106的离子束轨道以90°定向的时候。

使晶片100相对于机械扫描轴线108倾斜对离子注入的均匀性可能具有有害的影响，因为晶片表面114的一些区域在与调整平面202相同的焦平面中不被注入。这些问题由于目前使用比较大的晶片的趋势而被恶化，所以在装置平面202和表面114的平面之间的距离可能是至关重要的。在晶片100通过相对机械扫描轴线108旋转被倾斜的场合，晶片的一端306朝入射离子束104旋转，而另一端308朝远离的方向旋转。晶片100的中央区域310保留在调整平面中。如果，举例来说，水平的倾斜轴线完全位于晶片100以下，那么整个晶片都移出调整平面202。离子束电流的均匀性除了在它得到精确测量的调整平面202中之外未得到明确的了解。因此，那注入平面和调整平面应该是共面的。

离子束104包括带正电荷的等离子体粒子，它们撞击表面114把净电荷赋予晶片100。这样赋予的电荷的影响依照传统的实践是通过利用读数电子枪312发射电子流314消除的。包括供中和累积的等离子体电荷使用的读数电子枪的示范的离子注入系统是由Varian Semiconductor Equipment of Glouchester MA生产的VIISta80型离子注入机，举例来说，如同Radonov等人在“In SituCharging Potential Monitoring for a High Current Ribbon Beam(aVarian Trade Publication 2001)(对高电流带状射束的原地充电电位的监视)”中所描述的那样。电子流314撞击在晶片100上消除净电荷。当晶片100随着角度300的大小逐渐增加倾斜的时候，表面114愈加暴露在电子流314中，于是在来自电子流314的接触方面随着晶片100上相关的净电荷作用有相应的增加。类似地，依靠这种倾斜，表面114随着晶片104上相关的净电荷作用较少地暴露于离子束104之中。在组合中，这些净电荷作用产生改变随着角度300的大小变化的离子束104的均匀性和在离子束104的传播距离方面相关的差异的棘手的局部的场畸变。

对倾斜-扫描系统的尝试性改进包括对晶片移动系统的调整以致晶片的平移轴线作为角度300的函数移动到新的轴线108′。舱室110中的整个晶片扫描装置在水平轴线上倾斜以实现这种效果。平移轴线108到轴线108′的这种倾斜的位移保证不管角度300的大小离子束104的中心都以恒定不变的焦距撞击表面114上所有的点。因此，该方法以选定的角度300产生平行的扫描注入，而且不在射束的焦平面外面注入。依照这些改进方法，离子束104的调整如图2所示水平地继续。

这些改进与许多问题相关联，例如沿着轴线108′增加的扫描行程长度，这导致大大增加质量、复杂性和在真空室110内构造运动系统的费用。诸如晶片的分送和排列系统之类晶片操纵结构必须能够在以各种不同的角度与倾斜的轴线108′合作中工作。读数电子枪312通常被放在如此接近晶片100的位置，以致读数电子枪干扰晶片操纵和转移系统在注入室110内的运动。系统的可靠性和重复性因这些复杂性而降低，而晶片操作操纵能力也降低。

本发明的概述

本发明的混合扫描系统和方法通过提供在不使整个机械扫描轴线倾斜的情况下使晶片在调整平面外面倾斜时实现均匀性的离子注入系统解决了上面概略说明的问题。扼要地说，该系统故意使晶片在典型的调整法拉第样品平面外面倾斜以便提供注入角。双轴线法拉第以精确的注入角在注入平面中完成射束调整，从而消除超出焦平面的问题。全部系统与现有的系统相比更简单、更小巧、更可靠而且使用费用更低。

该离子注入系统包括沿着产生离子束(例如有垂直于第一轴线并且一个尺寸至少如同另一个尺寸两倍大的二维横截面的平行路径扇形射束)的第一轴线直线扫描的离子源。晶片夹具之类的工件夹具是为了用沿着垂直于第一轴线的运动路径的直线运动完成机械扫描而配置的。例如，这种配置是通过可垂直展开并且能围绕它的展开轴线旋转的第一驱动臂的使用实现的。可有选择地调整的旋转控制结构被利用，用来旋转使用可垂直延伸的运动路径的方向作为旋转轴线的工件，以便当工件被安装在工件夹具中的时候以选定的旋转角度确定工件上的表面的方向。诸如法拉第杯之类射束测量装置是为了沿着注入表面的预定位置扫描以提供与预定位置一致的调整测量而配置的。因此，当工件夹具旋转的时候，射束测量的调整平面并非垂直于离子束的传播方向。

其它的方面和手段包括使用至少一个诸如读数电子枪或等离子桥之类指向工件夹具用于中和累积的射束电荷的电荷中和装置。可旋转的机构是为了维持电荷中和装置与工件夹具成一相应的旋转直线而配置的。例如，电荷中和装置可以安装在可垂直展开并且能围绕其展开轴线旋转的第二驱动臂上。可旋转的机构与电荷中和装置相关联而且这样对准可垂直展开的第一驱动臂，以致可旋转的机构能通过旋转线性对准可有选择地调整的旋转控制结构。这种对准维持角度旋转的取向和电荷中和装置与工件夹具的间隔。

上述系统是在用于工件的离子注入的方法中使用的，该方法包括下述步骤：产生垂直于有X轴和Y轴的第一XY平面的离子束；沿着第一XY平面的X轴横越工件用射束扫描；通过围绕着Y轴旋转第一XY平面识别第二平面；在第二平面中沿着一条直线测量有效的离子束强度，以便提供射束强度信号；根据射束强度信号调节离子束以获得经过调节在第二平面中沿着该直线具有更均匀的离子束强度的离子束；旋转工件以便呈现对准第二平面的注入表面；以及沿着与XY平面相伴的Y轴平移工件以便运送工件通过经过调节的离子束在工件上完成离子注入。该方法可以进一步包括如下步骤：在旋转工件的步骤之前把电荷中和装置放置在旋转对准工件的位置；以及在旋转工件的步骤之后把电荷中和装置再次调整到旋转对准的位置。

上述的系统和方法提供一些优势。注入平面和调整平面是共面的而且不受射束高度和/或注入角的影响。扫描轴线全然不倾斜，所以扫描行程被最小化，而且晶片交换高度是具有代表性的和容易优化的。因为倾斜是通过旋转小得多的惯性质量实现的，所以使晶片生产量增加到最大限度能够被迅速地完成。因为倾斜运动不被用来在注入位置和晶片装载位置之间移动晶片，所以倾斜轴线必要的运动范围仅仅受注入角的要求(45度而不是90度)的驱使。这减少交换晶片所需的时间并因此增加晶片生产量。比较小的惯性质量将被倾斜还意味着这种运动能用比较小而且较廉价的欠强大的动力产生。非必选的读数电子枪容易被放置在晶片附近，读数电子枪-晶片间的几何关系在整个注入角范围内保持不变。这是通过简单地从注入室的天花板架设读数电子枪并且使它围绕着扫描轴线旋转到与注入角相配完成的。

附图简要说明

尽管已经展示和描述了目前考虑到的本发明的优选实施方案，但是对于熟悉这项技术的人显而易见的是不脱离用权利要求书定义的本发明的范围可以作各种不同的变化和修正。

图1是在现有技术中使用的离子注入系统的中间截面的侧视图；

图2是在垂直于扫描离子束的调整平面上使用法拉第杯的现有技术采样系统的中间截面的俯视平面图；

图3是描绘包括用于调整注入角的倾斜晶片系统的现有技术的离子注入装置的中间截面的侧视图；

图4是包括可用来调节注入角的旋转驱动臂的离子注入系统的中间截面的俯视图；

图5是展示可以与图4所示的系统连同使用的离子束调整采样系统的中间截面的俯视图；

图6是图4所示的系统的中间截面的侧视图；而

图7A和7B是图6所示的系统对于不同的工件旋转角的俯视图。

本发明的详细描述

图4是描绘依照本发明的各种不同的实施方案和手段的离子注入系统400的中间截面的俯视图。离子束来源402被用来产生离子束404，该离子束可以是任何类型适合离子注入目的的离子束。例如，离子束404可能是扇形射束或平行射束。离子束来源402非必选地射出作为横越射束宽度W伸展的带状射束的离子束404，即离子束404可能横越射束宽度W进行磁性或静电扫描。通常，离子束404沿着平行于系统400的Z轴408的射束轴线406传播。X轴410与射束宽度W平行。在优选实施方案中，射束来源402有传统的可有选择地调节的射束质量控制系统，该系统臂用来调节诸如离子密度和离子的粒子方向之类的离子射束404的特征。离子束来源402把离子束404射入离子注入室412。

工件夹具414借助内部的真空或夹紧结构(未描绘)夹持晶片416之类的工件。为了离子注入目的，晶片416呈现接受来自的离子束404的撞击离子的注入表面418。线420垂直于注入表面418。当线420平行于射束轴线406的时候，线422平行于X轴410并且代表在旋转零度的情况下注入表面418将占据的位置。工件夹具414能在任何z-x轴平面424内有选择地旋转，以致工件夹具414的顺时针方向或反时针方向的旋转产生旋转角426。当工件414处于未被旋转的状态时，旋转角426是90°，以致线420与射束轴线406平行，而注入表面418对准线416。工件夹具414在z-x平面424中可以有任何自由旋转范围，但是优选有-45°到45°的自由旋转范围，以致旋转角426在从45°到135°的范围内变动。例如，在工件夹具414有0°到45°的自由旋转范围的情况下，旋转角可以从45°变化到90°。当晶片416被放在工件夹具414内的时候，工件夹具414的旋转引起注入表面418相应的旋转。因此，平坦的注入表面418，或者如果需要甚至是弯曲表面，都能依照注入表面418的面积范围沿着代表注入表面418在离子注入操作期间预定或实际位置的线428被照射。

法拉第杯430驻留在离子注入室412内，用于沿着与线428一致的平面测量离子束404的离子密度的目的。诸如马达驱动的线性轴之类的驱动臂432控制法拉第杯430平行于X轴410的平移运动。离子注入室412包括允许驱动臂432连同借助壁436平行于Z轴408的滑动变得容易的驱动臂432的Z轴平移运动一起通过的狭缝434。例如，壁436的平移运动可能通过马达驱动的线性轴438按箭头方向440的伸出或缩进而变得容易。壁436可以用上下轨道组件(未描绘)保持在真空室412上，其中真空密封件442这样围绕着狭缝434，以致离子注入室412内部的真空条件由于真空压力对表面444的作用通过密封件442上的力得到增强。

借助这些手段，法拉第杯430至少有两个平移自由度。即在X轴和Z轴两个方向上的自由度，以致法拉第杯430可以沿着线428建立与线428和注入操作期间注入表面418的预定位置一致的调整平面。工件夹具414可以在装置操作期间被降低，以便给法拉第杯430腾出空位。图5描绘法拉第杯430与线428平行存在的行进线500有这样的关系，以致法拉第杯430的中心横越通常借助臂432和轴438的动作把中心置于线428上的平面行进。法拉第杯沿着行进线500在众多选定的位置(例如位置502和504)获得来自离子束的测量结果。

图6依据中间截面的侧视图展示离子注入系统400。工件夹具414被安装到在Y轴方向602扫描足以使工件416的表面418完全通过离子束404的马达驱动的轴600上。轴600是垂直扫描机构的零部件。伺服控制转向节604允许工件夹具414和工件416围绕着轴线605在图6所示的垂直位置和用于与传统的晶片转移装置(未描绘)相互作用的水平位置之间旋转。马达612适合轴600围绕着平行于系统Y轴602的轴线614旋转。工件夹具414和工件416可以被旋转到各种不同的可有选择地调节的固定位置，从而导致不同的旋转角的426，如图4所示。旋转角426的大小是通过马达612的动作调节的。

读数电子枪618可以通过臂620附着到垂直扫描机构上的套筒622上。读数电子枪618为了中和电荷被定位在工件416的前面而且其位置必须避免阻挡离子束404。臂620和套筒622是这样配置的，以致读数电子枪618围绕着轴线614旋转到与工件夹具414相同的角度。当工件夹具414被轴600垂直扫描的时候，读数电子枪618保持在固定的角度。因此，从读数电子枪618发出的电子相对于工件夹具414和工件416按照旋转程度维持一致的取向。

旋转的这种匹配程度保证来自离子束404的离子注入不受电子发射方面的变化和工件416上相关联的场效应的影响。此外，工件416总是把恒定不变的横截面积呈现给发射电子的读数电子枪618，如图7A和7B所示。这个恒定不变的横截面积避免了针对不同的工件旋转角调节读数电子枪616的电子输出的需要。

控制器634提供对所有系统要素的控制，例如根据来自法拉第杯430的测量结果对离子束404实施质量控制。应该注意：这样的射束控制不同于现有技术的实践，因为离子束404的特征是根据在与垂直于射束轴线406的调整平面相反的包括线428的调整平面(见图4)中的测量结果进行调节的。控制器634还提供控制用于全部依照上述的运动原则操纵晶片搬运和操作轴600、马达612、转向节604和套筒622的指令。

本发明在其更宽广的方面不局限于所展示和描述的这些特定的细节、有代表性的装置和方法和说明性的实例。因此，在不离开用权利要求书及其等价文件定义的一般的发明概念的精神或范围的情况下可以违背这样的细节。

Claims (7)

1.一种用于离子注入的装置，其中包括：

有第一轴线的离子源；

为了沿着垂直于第一轴线的运动路径以直线运动方式机械扫描而配置的工件夹具；

当工件被安装在工件夹具上的时候供使用运动路径作为使工件上的注入表面以选定的旋转角取向的旋转轴线旋转工件时使用的可有选择地调节的旋转控制结构；以及

为了沿着注入表面的预定位置扫描以提供与预定位置一致的装置测量结果而配置的射束测定装置。

2.根据权利要求1的装置，其中离子源包括具有一个尺寸至少是另一个尺寸两倍大的垂直于第一轴线的二维横截面的平行路径扇形射束。

3.根据权利要求1的装置，进一步包括：

至少一个选自读数电子枪和等离子桥指向工件夹具用于中和累积射束电荷的电荷中和构件，以及

为了维持电荷中和构件与工件夹具成一条相应的旋转轴线而配置的可旋转的机构。

4.根据权利要求3的装置，其中可旋转的机构这样对准运动路径，以致可旋转的机构能够通过旋转这样线性地对准可有选择地调节的旋转控制结构，以致它与工件表面的间隔的取向是作为不变的间隔维持的。

5.根据权利要求3的装置，其中可旋转的机构包括适合保持工件夹具和电荷中和构件之间的间隔恒定不变的臂。

6.一种用于工件的离子注入的方法，该方法包括下述步骤：

产生垂直于有X轴和Y轴的第一XY平面的离子束；

通过使第一XY平面围绕着Y轴旋转识别第二平面；

在第二平面中沿着一条直线测量有效的离子束强度，以便提供射束强度信号；

根据射束强度信号调节离子束，以便获得经过调节在第二平面中沿着一条直线具有预期的离子束强度的离子束；

旋转工件使注入表面对准第二平面；以及

沿着Y轴平移经过旋转的工件，使工件通过经过调整的离子束在工件上完成离子注入。

7.根据权利要求6的方法，进一步包括如下步骤：

将电荷中和装置放置在与工件成一条旋转直线的位置上。

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