CN1809910B - 离子注入系统中用于等离子体发生的薄磁控管结构 - Google Patents

Abstract

一种用于离子束的空间电荷中和的等离子体发生器被披露且置于可操作以产生离子束且沿射束线路径引导所述离子束的离子注入系统内。所述等离子体发生器包括可操作以在一部分所述射束线路径中产生电场的电场发生系统和可操作以在所述射束线路径的所述部分中产生磁场的磁场发生系统，其中所述磁场垂直于所述电场。所述等离子体发生器进一步包括可操作以将气体引入由所述电场和所述磁场占据的区域中的气体源。所述区域中的电子分别由于所述电场和所述磁场而在所述区域中移动，且至少一些所述电子与所述区域中的所述气体碰撞以使一部分所述气体离子化，由此在所述区域中产生等离子体。

Description

离子注入系统中用于等离子体发生的薄磁控管结构

技术领域

本发明主要涉及离子注入系统，且更具体而言涉及等离子体发生系统和与其相关联的用以使与离子束相关联的空间电荷中和的方法。

背景技术

离子注入系统被用以在集成电路制造过程中以杂质对半导体进行掺杂。在这种系统中，离子源使所需的掺杂剂元素离子化，所述所需掺杂剂元素以离子束的形式从源中被提取出来。离子束通常进行质量分析以选择具有所需荷质比的离子且随后被引导在半导体晶片的表面处以便以掺杂元素对晶片进行掺杂。例如在晶片中晶体管装置的制造过程中，射束离子穿透晶片表面以形成具有所需传导率的区域。典型的离子注入器包括用于产生离子束的离子源、包括用于利用磁场对离子束进行质量分辨(resolving)的质量分析设备的射束线组件和包含要进行离子束注入的半导体晶片或工件的标靶腔。

典型的离子束注入器包括用于由可离子化的源材料产生带正电离子的离子源。产生的离子形成射束且沿预定射束路径被引导至注入站。离子束注入器可包括在离子源和注入站之间延伸的射束形成和成形结构。射束形成和成形结构保持离子束且限制细长内部空腔或通道的范围，射束通过所述细长内部空腔或通道到达注入站。

离子质量相对于其上的电荷(即荷质比)影响离子被静电场或磁场轴向和横向加速的程度。因此，到达半导体晶片或其它标靶的所需区域的射束可被制得很纯，这是因为具有不希望分子质量的离子将偏转至远离射束的位置且可避免不需要材料的注入。选择性分离具有所需和不希望荷质比的离子的工艺已公知为质量分析。质量分析仪通常采用质量分析磁体，所述质量分析磁体产生偶极磁场以通过拱形通道中的磁偏转使离子束中的各种离子偏转，所述磁偏转将有效地分离具有不同荷质比的离子。

为了实现给定应用的所需注入，注入离子的剂量和能量可改变。离子剂量控制给定半导体材料的注入离子浓度。通常情况下，高电流注入器被用于高剂量注入，而中电流注入器被用于更低剂量的应用。离子能量被用以控制半导体装置中的结深，其中射束离子的能级确定了离子注入的程度或半导体或其它基体材料内的注入离子深度。向更小半导体装置继续的趋势需要足以在低能量下释放高射束电流的机构。高射束电流提供了需要的剂量水平，而低能量允许浅注入。

对于浅深度离子注入而言，所希望的是高电流低能量的离子束。在这种情况下，由于具有相似电荷的离子的互斥性，因此离子能量的降低导致在保持离子束聚敛性方面存在一些困难。高电流离子束通常包括由于互斥而倾向于发散的高浓度相似带电离子。为了在低压下保持低能量高电流离子束的完整性，可产生围绕离子束的等离子体。高能离子注入射束通常传播通过弱等离子体，所述弱等离子体是射束与残余或背景气体相互作用的副产品。该等离子体倾向于中和由离子束导致的空间电荷，由此大大消除要不然将使射束分散的横向电场。然而，在低离子束能量下，与背景气体的离子化碰撞的可能性更低。此外，在质量分析仪的偶极磁场中，穿过磁场线的等离子体扩散大大降低，而沿场方向的扩散则不受限制。因此，引入附加等离子体以改进质量分析仪中的低能射束含量是徒劳的，这是因为引入的等离子体沿偶极磁场线迅速转向至通道腔壁部。

与等离子体用于空间电荷中和相关联的另一个问题在于等离子体源有争议地占据了光学元件内的空间，所述光学元件随后必须被构造得足够大以用于等离子体源和离子束。这种附加的空间就光学元件的功耗而言是昂贵的，且还增加了实施的困难。

在离子注入系统中，保持了对于与包括高能系统以及高电流低能离子束的离子注入系统一起使用的射束包含设备以及方法学的需要，所述射束包含设备可在低压下操作且沿质量分析仪的射束导引装置或系统的其它部分的整个长度提供了均匀的射束含量。

发明内容

下面示出了简要概括以提供对本发明的一个或多个方面的基本理解。本概要不是本发明的广泛综述，且既不旨在确定本发明的关键或重要元件，也不旨在描述本发明的范围。本概要的主要目的而是在于以简化形式示出本发明的一些概念作为随后示出的更详细说明的前言。

本发明针对一种用于离子注入系统中的等离子体发生系统。根据本发明的一个典型方面，所述等离子体发生系统包括电场发生系统和磁场发生系统。所得的电场和磁场具有相互垂直的部分，从而导致这种区域中的离子被捕集在其中或在其中循环。至少一些移动的离子与所述区域中的气体碰撞从而导致所述气体离子化，由此产生等离子体。

根据一个实例，通过在质量分析仪系统中形成电极，所述等离子体发生系统占用所述离子注入系统中很少的空间。所述电极被构造以使得一旦加以偏压，则产生具有垂直于已置于所述质量分析仪系统中的所述偶极磁场的方向的电场。通过上述方式，磁场发生系统简单地为质量分析仪，这允许在所述质量分析装置中产生等离子体所需的空间最小化。

根据本发明的另一个方面，离子束注入系统具有质量分析仪系统，所述质量分析仪系统被构造用以对铅笔形或带形离子束进行质量分析。在带状射束的一个实例中，所述质量分析仪包括沿所述射束的宽度方向延伸的一对横向延伸的线圈，且其中所述线圈的横向端限定出所述质量分析仪的相对侧部。当电流传导通过线圈时，产生了垂直于所述带状射束通过所述质量分析仪射束导引装置的传播方向的磁场。本发明进一步包括设置在所述质量分析仪的一个所述侧部上，且大体上设置在所述线圈之间的一对电极。所述电极被构造以在其间产生电场，所述电场大体上垂直于在所述质量分析仪内由所述线圈产生的所述偶极场，由此形成磁控管型效应并在区域中就地捕集一些电子。所述捕集的电子在所述区域中移动，且至少一些所述离子与所述区域内的气体碰撞，导致所述气体的离子化从而产生等离子体。

根据本发明的又一个方面，带状射束型质量分析仪在其相对侧部的一个侧部上具有电场发生系统。所述电场发生系统包括两个拱形延伸的传导部段，其中每个所述部段具有与所述部段相关联且沿所述拱形通道延伸的多个电极，且其中所述两个部段相互电绝缘。与所述相应部段相关联的所述两个电极组相对于彼此加偏压以在其间产生电场。

在一个实例中，所述产生的电场被取向垂直于所述质量分析仪内的所述偶极磁场。在另一个实例中，通过沿所述分析仪侧壁上的所述拱形通道延伸的多个多尖端磁体产生了与所述电场相关联的所述磁场。所述磁体沿所述侧部的所述通道就地产生多个多尖端磁场，且至少一部分所述多尖端磁场垂直于所述电场。在又一个实例中，所述多个传导电极沿所述传导部段拱形延伸且本身是用于产生多尖端磁场的磁体。

根据本发明的另一个方面，提供了一种沿离子注入系统中的射束线路径的一部分产生等离子体的方法。所述方法包括产生具有大体上相互垂直的取向的电场和磁场。所述垂直的场倾向于在区域中就地捕集电子，这导致离子在所述区域中移动，在所述区域中所示电子与其中的气体碰撞用以使其离子化。

为了完成上述和相关目的，下列描述和附图详细地阐明了本发明的某些示例性方面和实施例。这些仅说明了本发明的原理可采用的多种方式中的一些。当结合图考虑时，将易于从对本发明的下列详细描述中理解本发明的其它方面、优点和新颖特征。

附图说明

图1是示出了根据本发明的一个或多个方面的典型离子注入系统的部件的示意框图；

图2是低能型离子注入系统的示意图，其中可实施本发明的多个方面；

图3是中电流型离子注入系统的示意图，其中可实施本发明的多个方面；

图4是根据本发明的一个方面的典型质量分析仪的射束导引装置的俯视图；

图5是根据本发明的另一个方面的具有用于产生偶极磁场的磁体的图4所示典型质量分析仪的端视图；

图6是沿图4的线6-6截取的典型质量分析仪的平面剖视图；

图7是沿图4的线7-7截取的典型质量分析仪的侧视剖视图；

图8是沿图7的线8-8截取的典型质量分析仪的侧视剖视图；

图9A是示出了利用多尖端场的本发明原理的延伸的简化示意图；

图9B是示出了根据本发明的一个典型方面使用磁体作为电极的简化示意图；

图10是根据本发明的另一个方面的用于带状射束的典型质量分析仪的透视图；

图11是图10所示典型质量分析仪的第一横向侧部的侧视剖视图；

图12是图10所示质量分析仪的第二横向侧部的侧视剖视图；

图13A是沿图12的线13A-13A截取的用于带状射束的典型质量分析仪的横截面图；

图13B是沿图10的线13B-13B截取的用于带状射束的典型质量分析仪的横截面图；和

图14是示出了根据本发明的又一个方面的产生等离子体以中和离子注入系统中的空间电荷的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行描述，在所述图中相似的附图标记始终被用以表示相似的元件。阐述和下列描述本质上是典型的而不是限制性的。因此应该意识到，所述系统和方法的变型以及除在此所述的那些实施例之外的其它这种实施例被视为落入本发明和所附权利要求的范围内。

本发明涉及在离子注入系统中形成等离子体的系统和方法。该系统和相关方法包括产生垂直的磁场和电场，导致在限定区域内产生移动电子。所述移动的电子与区域内的气体碰撞且导致气体的离子化，导致产生用于离子束的空间电荷中和中的等离子体。根据下面的详细描述，将进一步理解本发明的进一步认知及其各个方面。

初始参见图1，以框图形式示出了适用于实施本发明的一个或多个方面的离子注入系统10。系统10包括用于沿射束路径产生离子束14的离子源12。离子束源12例如包括具有相关联电源18的等离子体源16。等离子体源16可例如包括等离子体限制腔，从所述等离子体限制腔中提取出离子束。提取的射束可以是铅笔或带型离子束。于2002年5月1日申请且转让给本发明的受让人的美国申请序列no.10/136,047中披露了可与本发明结合采用的一个典型带状射束，所述美国申请序列的整体在此作为参考被引用。

射束线组件11被设置在离子源12下游以从其中接收射束14。射束线组件11可包括质量分析仪22、扫描仪24、减速系统26和偏转器系统28。射束线组件11沿路径设置以接收射束14。质量分析仪22包括场发生部件，例如磁体(未示出)，且操作以提供穿过射束路径的场以便根据荷质比使来自离子束14的离子以不同轨迹偏转。行进穿过磁场的离子受到一定的力，所述力引导具有所需质量的个别离子沿射束路径且使具有不希望质量的离子偏转远离射束路径。

扫描仪24可操作以调整射束线轴线的方向以便以受控方式引导或“扫描”射束穿过空间。扫描仪可以是静电或磁以及任何这种扫描机构或其它类型的系统可结合本发明使用。射束线组件11进一步包括减速模组26，所述减速模组可受控且可选择性操作以改变与射束相关联的能量。例如，在中等能量的情况下，射束能量可大体上不需要变化，且模组允许射束通过其中而大体上没有变化。另一种可选方式是，在低能应用中(例如用于在半导体本体中形成浅结)，射束能量可需要减速。在这种情况下，减速模组26可操作以通过使射束减速而将射束能量降至所需能级。

射束线组件可进一步包括例如用于在注入工件内之前采用减速的低能系统中的偏转系统28。偏转系统28例如包括用于使离子束偏转远离射束线轴线从而由此除去可要不然用作能量污染物的中性微粒的偏转电极。

继续参见图1，在系统10中还设置了终端站30以从射束线组件11中接收已进行质量分析且大体上去污染的离子束14。终端站30沿射束路径(然而，由于偏转器28偏离原始射束线轴线)支承一个或多个工件例如半导体晶片(未示出)以利用带状离子束14进行注入。

此外参见图2，更详细地示出了典型低能离子注入器100以便意识到本发明的各个方面。注入器100具有离子源112、质量分析磁体114、射束线组件115和标靶或终端站116。允许终端站116相对于射束线组件115移动的波纹管组件118使终端站116和射束线组件115相连。尽管图2示出了超低能(ULE)离子注入器，但应该意识到，本发明也应用于其它类型的注入器中。

离子源112包括等离子体腔120和离子提取器组件122。能量被施加到可离子化掺杂剂气体上以在等离子体腔120内产生离子。通常情况下，产生的是正离子，尽管本发明可应用于其中通过源112产生负离子的系统。借助包括多个电极127的离子提取器组件122通过等离子体腔120中的狭缝提取出正离子。因此，离子提取器组件122作用以从等离子体腔120中提取出正离子射束128且使提取的离子加速进入质量分析磁体114内。

质量分析磁体114作用以仅使具有适当荷质比的离子通过到达包括分解器壳体123和射束中和器124的射束线组件115。质量分析磁体114包括由具有侧壁130的射束导引装置限定出的通道139内的弯曲射束路径129，所述路径的抽空由真空泵131提供。沿该路径129传播的离子束128受到质量分析磁体114产生的磁场的影响以抛弃具有不适当荷质比的离子。该偶极磁场的强度和取向受到电子控制装置132的控制，所述电子控制装置通过磁体连接器133调整通过磁体114的场绕组的电流。

偶极磁场导致离子束128沿弯曲射束路径129从离子源112附近的第一或入口轨迹134移至分解壳体123附近的第二或出口轨迹135。包括具有不适当荷质比的离子的射束128的部分128′和128″偏转远离弯曲轨迹且进入铝射束导引装置130的壁部内。通过这种方式，磁体114仅使射束128中具有所需荷质比的那些离子通过达到分解壳体123。

分解器壳体123包括终端电极137、用于使离子束128聚焦的静电透镜138和剂量测定指示器例如法拉第指示装置142。射束中和器124包括根据本发明的等离子体喷淋器145或等离子体发生器(下文将更详细地描述)用以中和要不然将作为标靶晶片被带正电离子束128注入的结果而积聚在标靶晶片上的正电荷。射束中和器和分解器壳体通过真空泵抽空。

射束中和器124下游为终端站116，所述终端站包括圆盘形晶片支承装置114，要进行处理的工件例如晶片被安装在所述晶片支承装置上。晶片支承装置114被置于具有大体上垂直于注入射束方向的取向的标靶平面中。通过马达146使在终端站116处的圆盘形晶片支承装置144旋转。因此当晶片沿圆形路径移动时，离子束撞击安装在支承装置上的晶片。终端站116在点162周围枢转，所述点是离子束的路径164和晶片W的交点，以使得标靶平面可在该点周围调整。尽管图2示出了分批型加工系统，但是应该理解本发明还可应用于单晶片型加工系统。

图3示出了又一种离子注入系统262，例如适用于实施本发明的一个或多个方面的中电流系统。系统262包括模组气体箱264、辅助气体箱266和气体箱吹扫遥控面板268。气体箱264、268尤其包括一种或多种掺杂剂物质气体，且箱264、268有利于将气体选择性地释放进入系统262内的延长寿命离子源282内，其中气体可被离子化以产生适用于注入选择性带入系统262内的晶片或工件内的离子。在需要或所需的基础上，气体箱遥控面板268有利于将气体或其它物质排放或吹扫出系统262。

尤其包括高压终端配电装置272和高压绝缘变压器274以电激发能量并将能量施加到掺杂剂气体上从而从气体中产生离子。离子束提取组件276被包括以从离子源282中提取离子并使它们加速进入射束线装置278内，所述射束线装置包括质量分析磁体280。质量分析磁体280可操作以拣出或抛弃具有不适当荷质比的离子。具体而言，质量分析磁体280包括具有弯曲侧壁的射束导引装置，当具有不希望质荷比的离子通过质量分析磁体280的磁体产生的一个或多个磁场而传播通过射束导引装置时，所述离子碰撞进入所述弯曲侧壁内。

可包括部件284以帮助控制扫描电子束的角度。这可尤其包括扫描角度校正透镜。加速/减速柱筒部286有利于控制和调整离子束内的离子的速度和/或聚焦所述离子。部件288可操作以过滤出污染物微粒，例如还可包括最终能量过滤器以减轻能量污染微粒对晶片或工件的撞击。

晶片或工件290被载入终端站腔292内以利用离子进行选择性注入。机械扫描驱动器294操纵腔292内的晶片以有利于与射束的选择性撞击。通过晶片操控系统296使晶片或工件290移动进入终端站腔292内，所述晶片操控系统可例如包括一个或多个机械或机器人臂297。操作员控制台298允许操作员通过选择性控制系统262的一个或多个部件而调整注入工艺。最后，包括配电箱299以为整个系统262供电。

图4示出了用于离子注入系统(例如图1所示分析仪12、图2所示分析仪114或图3所示分析仪280)中的典型质量分析仪射束导引装置300，所述射束导引装置具有沿离子束路径308分别由内部和外部拱形侧壁304和306限定出的拱形纵向通道302。射束导引装置300沿路径308从入口端310纵向延伸至出口端312，例如通过了可大约为135度的弧角。射束导引装置300进一步包括质量分析磁体，所述质量分析磁体可包括两个拱形磁极或一对线圈(图4中未示出)以在通道302中提供偶极磁场，所述偶极磁场允许具有选定荷质比的离子沿路径308到达出口端312。注意到根据离子注入系统的类型，射束导引装置300可使铅笔型射束或带型射束偏转，正如下面将进一步意识到地。

图5和图6分别示出了图4所示的典型质量分析仪射线导引装置300的端视图和平面剖视图，根据本发明的一个方面，所述质量分析仪射线导引装置具有与其相关联的线圈用以在通道302中产生偶极磁场330。线圈以拱形方式沿路径308纵向延伸，如图所示。然而，在一些情况下采用磁体320。另一种可选方式是，正如可需要地，射束导引装置可采用永磁体和线圈的组合，且本发明预想了这种变型。拱形通道302进一步分别由顶壁和底壁322和324限定出来。

注意到图5和图6所示的质量分析仪射束导引装置300可优选与铅笔型离子束结合使用，这是因为磁极件之间的间隙不需要太大。正如将意识到地，对于不同类型的离子束，例如带形离子束，质量分析仪导引装置可具有不同构造。

现在转到图7，在至少一部分射束导引装置300内采用两个或多个电极340。电极340被耦接到偏压源342，例如射频(RF)源上，如图所示。射频源可操作以在电极340之间产生电压差从而由此在其间产生电场344。电场344至少使其一部分具有垂直于通道302内的磁场330的取向。通过上述方式，电极340作为电场发生器操作，而磁体320作为磁场发生器操作。交叉的场形成了磁控管效应，其中存在电子被捕集且沿大体上摆线方式移动的区域。在区域内移动的电子继续移动直至它们与气体碰撞，且至少一些电子具有足以使部分气体离子化由此产生等离子体的能量。在上述实例中，通过使用已存在用于质量分析的背景磁场330，通过添加电极340且构造所述电极以使得所得电场至少具有垂直于所述磁场的一部分而以相对简单的方式设置了等离子体发生器。

图8是示出了沿图7所示线8-8截取的通道302内的内部平面剖视图。注意到在图8中，电极340被构造以形成一对指状交叉型电极340a和340b。上述布置允许电源342具有更为简化的耦接布置。图8所示的典型构型还允许电子的捕集区域沿通道302被分布至各个区域。进一步地，图8所示构型可延伸以横穿拱形通道302，其中电极对340a和340b还可具有拱形构造以便沿射束路径308的整个长度提供等离子体发生。

上面披露的等离子体发生器结构与常规等离子体源相比具有多个优点。一个优点在于电极340沿分析仪的壁部占据了很少的空间。因此发生器可被制造成磁间隙的一小部分，这对于间隙开始相对较小的铅笔型射束高度有利。保持小的间隙帮助减少了光学元件中需要的动力。此外，本发明的等离子体发生器可有利地操作，以通过沿射束线长度产生等离子体以及使等离子体沿磁场线扩散穿过所示射束线长度而提供遍及射束导引装置的等离子体。正如通常意识到地，等离子体穿过磁场线受到较大的阻力，但可易于沿这种场线扩散。因此沿导引装置壁部产生的等离子体可易于扩散穿过到达相对导引装置，由此提供相对均匀的等离子体。

尽管上面结合质量分析仪系统对本发明的等离子体发生器进行了描述，但应该理解本发明不限于此。而是本发明可用在射束线装置的各个部分内，其中空间电荷中和可以是有利地。例如在低能离子注入系统的减速部分中，为了传输效率目的通常在相对高能的情况下进行射束传输，且随后在工件处进行注入之前使射束减速。通过这种减速，射束导流系数增加且该处的空间电荷中和可有利地防止射束放大。本发明的等离子体发生器可用于该背景下或在沿射束线的其它区域中使用，且这种可选方式被预想落在本发明的范围内。

正如上面讨论地，本发明可用于质量分析仪外的区域中，例如沿射束路径的漂移区域。在这种情况下，等离子发生器可采取类似于图9A所示的形式，其中已经没有为光学目的而存在的磁场。在该区域中，可利用多个具有相对极的磁体产生多尖端磁场。例如，如图9A所示，第一磁体370可具有第一极和第二极，而相邻的磁体374则具有反转的第二极和第一极。这种布置导致产生多个多尖端磁场378，如图所示。

再次参见图9A，多尖端磁体与电极380交错，一旦如上面所讨论地加以偏压，所述电极产生电场382，其中磁场和电场378、382的至少一部分相互垂直。由于由磁体产生的多尖端磁场378在远离磁体一定距离处迅速衰退或衰减，因此磁场不会影响离子束轨迹。

图9A所示的实例被示出具有处于不同平面中的电极和磁体，然而，这种阐述仅是典型的。另一种可选方式是，磁体和电极可沿与射束路径相关联的壁部以交替方式形成。在另一种可选方式中，磁体本身还可以是电极并被采用，正如在下文结合图9B的讨论中将进一步意识到地。最后，尽管上面提供的实例仅通过多尖端磁场以及垂直电场提供等离子体发生，但应该理解，本发明预想了将多尖端磁场以及偶极磁场一起用于磁场发生器。

在图9B中，射束线部件390使用多尖端磁体392作为电极，由此导致产生磁场394和电场396，如图所示。在所述结构中，石英盖398被置于磁体/电极392上且部件被嵌在介电材料内，正如可需要地。这种布置对于产生等离子体并不是必要的，然而，该布置在一些方面中是有利地，这是因为其提供了改进的射束导引装置寿命且帮助减少了其中的污染。

现在转到图10-图13B，示出了质量分析仪系统400，其中该系统被构造以对带形离子束进行质量分析。在一个实例中，从离子源例如上文提到的离子源中接收带状射束。本实例的质量分析仪400被构造以对用于300mm半导体晶片的带状射束进行质量分析，且因此带状射束可具有约400mm的宽度且质量分析仪可具有约600mm的宽度。

本实例的质量分析仪包括一对线圈402，其中第一线圈(或顶部线圈402a)被置于第二线圈(或底部线圈)402b上，且射束路径404分别被设置在其间且从入口端403a延伸通过其中至出口端403b。每个线圈402沿宽度方向406至少与带状射束延伸得一样远，且优选比带状射束宽度更远。参见图11和图13A-图13B，每个线圈402可包括拱形轭部408，所述拱形轭部具有例如在纵向方向上沿轭部的拱形形状且大体上平行于射束路径404缠绕在其周围的一个或多个导体。一旦电流传导通过线圈402，沿大体上垂直于带状射束传播方向(所述方向与拱形射束路径404大体上一致)的方向在线圈之间的间隙412中产生偶极磁场410。

参见图10和图11，横向延伸的线圈402限定出质量分析仪400的横向相对侧部414。拱形延伸的电绝缘侧壁420被设置在一个侧部414a上且被放置在线圈402和402b之间。两个拱形延伸的传导部段422a和422b在侧壁420上。尽管部段422本身具有传导性，但部段相互电绝缘。在每个部段422上，多个电极424a、424b沿拱形路径纵向延伸，其中电极424沿所述路径串连。尽管电极424被示作通过相应的部段422电连接在一起的多个独立元件，但应该理解每个电极424可包括单个拱形延伸的传导元件以及其它构型，且这种可选方式被预想落入本发明的范围内。

电极424a和424b被耦接到电源(未示出)例如射频电源上以使得一旦加偏压，沿大体上垂直于射束路径404的方向在电极424a和424b之间形成电场。在一个实例中，电极424可与间隙414内的偶极磁场410(所述偶极磁场垂直于电场)结合使用以在其中形成类似于磁控管结构的电子捕集区域。正如上面讨论地，移动的电子与气体(残余源气体或输入源气体例如氙)碰撞以使其离子化从而产生等离子体。

在本发明的另一个方面中，电极424还是磁体(参见图11)，其中每个磁体424具有北极和与其相关联的南极。例如，在放大区域423的第一部段422a中，磁体使它们的极对齐以使得每个磁体的北极面向内朝向另一个传导部段422b上的磁体424b，且具有面向外远离另一个磁体424b的南极。进一步地，在第二部段422b中，磁体相似地使它们的极对齐，然而，每个磁体424b的北极面向内朝向第一传导部段422a上的磁体424a，且具有面向外远离磁体424a的南极。通过这种构型，磁体用作可操作以产生朝向射束路径404延伸进入拱形通道内的多尖端场的多尖端磁体。尽管图11中示出了一种构型，但应该理解，另一种可选方式是，磁极取向可反转，其中南极面向内且北极面向外，且本发明预想了这种变型。

由磁体424产生的多尖端磁场具有垂直于由电极424产生的电场的部分。通过将电极用作磁体且将多尖端场用作磁场发生器，多尖端场可适于使离子化效率最大化，而不会影响偶极磁场410的质量分析功能，正如可意识到地。此外，通过使用电极作为磁体(对于电场发生器和磁场发生器具有相似的结构)，可使设计简化。

质量分析仪400内产生的等离子体可易于沿磁场线，例如与偶极场410相关联的场线流动，所述场线在图11中指向页面内且垂直于带状射束。因此，产生的等离子体沿拱形通道以相对均匀的方式被形成且随后可易于沿偶极场线扩散穿过射束导引装置的宽度406，以提供穿过带状射束宽度的大体上均匀的等离子体。因此可穿过带状射束的宽度有利且均匀地产生带状射束的空间电荷中和。

现在参见图10和图12，在与第一侧壁414a相对的射束导引装置400的侧部上，电绝缘第二侧壁414b在第一和第二线圈402a、402b之间延伸。第二侧壁414包括拱形延伸的部段430，所述部段具有沿其安放的多个磁体432。以使得磁体相对于第一侧壁420上的部段422的磁体424旋转约90度的构型沿部段430布置磁体432。此外，磁体432被布置以使得一个磁体的北极被取向与相邻磁体的南极相邻，如图12所示。使第二组磁体432相对于磁体424旋转有利地改变了多尖端场在相对侧部上的相位。当等离子体沿偶极场线410朝向通过磁体432形成的多尖端场扩散穿过带状射束时，侧部之间的相位变化防止或显著减轻了死区的形成，在所述死区中可发生等离子体的不均匀性。因此图10-图13B所示的本发明的布置有利地提供了在遍及射束导引装置400的范围内均匀的等离子体以对带形离子束进行空间电荷中和。

根据本发明的又一个方面，提供了一种在离子注入系统中产生等离子体的方法，所述方法如图14所示且由附图标记500表示。尽管下文将方法学500阐述和描述为一系列行为或事件，但应该意识到本发明并不受到这种行为或事件的所示顺序的限制。例如，根据本发明的一个或多个方面，一些行为可以不同顺序发生和/或与除了在此阐述和/或描述的那些行为或事件以外的其它行为或事件同时发生。此外，实施根据本发明的方法学并不需要所有所述步骤。此外，可结合在此阐述和描述的结构的形成和加工以及结合未示出的其它结构实施根据本发明的方法学。

方法500在502中始于沿射束线在一个区域中产生磁场，随后在504中，产生垂直于该区域中磁场的电场。方法在506中终止，其中气体被供应至该区域，其中由于垂直的磁场和电场而被捕集在该区域中的电子与气体碰撞，导致气体的离子化且在该区域内产生等离子体。

可采用任何形式的磁场发生系统和电场发生系统以在本发明的502和504中产生磁场和电场。例如，射束线的区域可包括质量分析仪。在这种实例中的磁场发生器可包括被用以产生偶极场的质量分析磁体。另一种可选方式是，可利用多个多尖端磁体产生磁场，所述多尖端磁体被构造以产生上文所述的多尖端磁场。相似地，可使用任何形式的电场发生器以产生电场。例如，电极可与耦接到其上的电源一起使用以对电极加偏压并在其间产生电场。进一步地，磁体还可以是电极，以使得相同的结构分别被用作磁场发生器和电场发射器。

沿射束线的区域可包括质量分析仪或位于质量分析仪下游的漂移区域。最后，区域中提供的气体可以是残余源气体或可通过孔口(未示出)有意输入至区域。所采用的气体优选易于离子化并产生高离子化效率，例如氙。然而，可采用其它气体且这种可选方式被预想落入本发明的范围内。

尽管上面已经结合某些方面和实施例对本发明进行了阐述和描述，但应该意识到，在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域的技术人员将易于想到等效变化和变型。具体就上述部件(组件、装置、电路、系统等)执行的各种功能而言，除非要不然指出，用以描述这种部件的术语(包括对“意味着(means)”的参考)旨在对应于即使结构上与所披露的结构不等效，但执行所述部件的特定功能(即，功能上等效)，且执行在此所述的本发明的典型实施例的功能的任何部件。此外，尽管已经仅结合多个实施例中的一个对本发明的具体特征进行了披露，但是正如可需要地，这种特征可与其它实施例的一个或多个其它特征结合且对于任何给定或具体应用而言是有利的。此外，在术语“包括(includes)”、“包括(includlng)”、“具有(has)”、“具有(haying)”、“具有(with)”及其变型用于具体实施方式或权利要求的程度上，这些术语旨在以类似于术语“包括(comprising)”的方式具有包含性。此外，在此使用的术语“典型的”仅意味着实例而不是最好的执行者。

Claims (46)

1.一种用于离子束的空间电荷中和的等离子体发生器，包括：

可操作以产生离子束且沿射束线路径引导所述离子束的离子注入系统；

可操作以在一部分所述射束线路径中产生电场的电场发生系统，所述电场具有沿第一方向取向的部分；

可操作以在所述射束线路径的所述部分中产生磁场的磁场发生系统，所述磁场具有沿垂直于所述第一方向的第二方向取向的部分；和

可操作以将气体引入所述电场和所述磁场占据的区域中的气体源，其中所述区域中的电子由于所述电场和所述磁场而在所述区域中移动，且其中至少一些所述电子与所述区域中的所述气体碰撞以使一部分所述气体离子化，由此在与所述射束线路径的所述部分相关联的所述区域中产生等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其中所述电场发生系统包括耦接到射频电源上的一对或多对电极，由此在所述区域中的所述电极之间产生交变电场。

3.根据权利要求2所述的等离子体发生器，其中所述一对或多对电极包括指状交叉型电极。

4.根据权利要求2所述的等离子体发生器，其中所述一对或多对电极中的每对分别具有相对侧部、顶面和底面，且其中所述一对或多对电极的所述相对侧部和所述底面被介电材料围绕，且其中所述电极之间的所述交变电场从所述电极的所述顶面延伸出来。

5.根据权利要求4所述的等离子体发生器，进一步包括覆在所述一对或多对电极的所述顶面上的石英层。

6.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其中所述射束线路径的所述部分包括质量分析系统。

7.根据权利要求6所述的等离子体发生器，其中所述质量分析系统进一步包括一对线圈，所述一对线圈具有设置在其间的射束线路径，其中当电流传导通过所述一对线圈时，所述一对线圈可操作以产生大体上垂直于带状离子束的传播方向的磁场，且其中所述一对线圈包括所述磁场发生系统。

8.根据权利要求7所述的等离子体发生器，其中所述电场发生系统包括一对偏压电极，所述一对偏压电极可操作以在其间产生所述电场。

9.根据权利要求8所述的等离子体发生器，其中所述电场发生系统进一步包括耦接到所述一对偏压电极上的射频源。

10.根据权利要求8所述的等离子体发生器，其中所述一对线圈沿所述带状离子束的宽度方向延伸且在线圈的任一端上限定出所述质量分析系统的第一相对侧部和第二相对侧部，且其中所述一对偏压电极被置于所述第一相对侧部上。

11.根据权利要求10所述的等离子体发生器，其中所述一对偏压电极中的每个包括大体上沿所述质量分析系统的轮廓延伸的拱形传导部段和沿所述拱形传导部段电耦接和连接的多个传导构件。

12.根据权利要求11所述的等离子体发生器，其中所述多个传导构件进一步包括磁体，其中每个所述磁体具有与第一端相关联的北极和与其第二端相关联的南极。

13.根据权利要求12所述的等离子体发生器，其中一个所述传导部段上的磁体被布置以使得所述北极和南极具有第一取向，其中磁体的北极面向内朝向另一个所述传导部段上的磁体，且南极面向外远离所述另一个传导部段上的所述磁体，且另一个所述传导部段上的磁体被布置具有第二取向，其中磁体的北极面向内朝向所述一个传导部段上的所述磁体，且南极面向外远离所述一个传导部段上的所述磁体。

14.根据权利要求12所述的等离子体发生器，其中一个所述传导部段上的磁体被布置以使得所述北极和南极具有第一取向，其中磁体的南极面向内朝向另一个所述传导部段上的磁体，且北极面向外远离所述另一个传导部段上的所述磁体，且另一个所述传导部段上的磁体被布置具有第二取向，其中磁体的南极面向内朝向所述一个传导部段上的所述磁体，且北极面向外远离所述一个传导部段上的所述磁体。

15.根据权利要求12所述的等离子体发生器，其中所述磁体可操作以沿所述质量分析系统的所述第一相对侧部产生多尖端场，且其中所述多尖端场可操作以与所述电场相互作用从而使电子移动进入到所述多尖端场中的区域中，且其中至少一些移动电子可操作以使其中的气体离子化，由此产生所述等离子体。

16.根据权利要求15所述的等离子体发生器，进一步包括在与所述第一相对侧部上的所述拱形传导部段相对的所述质量分析系统的第二相对侧部上沿所述射束线路径延伸的多个磁体，且每个所述磁体具有与其相关联的北极和南极，其中所述多个磁体相对于所述拱形传导部段上的所述磁体具有约九十度的取向且可操作以沿所述质量分析系统的所述第二相对侧部产生多尖端磁场。

17.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其中所述射束线路径的所述部分包括质量分析系统下游的漂移区域，其中所述射束线路径部分中的所述等离子体为通过所述射束线路径部分的所述离子束提供了空间电荷中和。

18.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其中所述离子注入系统包括可操作以产生带状离子束的离子源。

19.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其中所述离子注入系统包括可操作以扫描射束用以产生带状离子束的扫描系统。

20.一种离子注入系统，包括：

可操作以产生离子束的离子源；

可操作以接收所述离子束且使所述离子束内具有所需荷质比的离子沿预定路径偏转的质量分析系统，所述质量分析系统进一步包括可操作以在其中产生等离子体用以中和与所述离子束相关联的空间电荷的等离子体发生器，其中所述等离子体发生器包括：

可操作以在所述质量分析系统中产生电场的电场发生系统，所述电场具有沿第一方向取向的部分；

可操作以在所述质量分析系统中产生磁场的磁场发生系统，所述磁场具有沿垂直于所述第一方向的第二方向取向的部分，其中所述部分中的电子由于所述电场和所述磁场而移动，且其中至少一些所述电子与其中的残余气体碰撞以使一部分所述气体离子化；和

所述质量分析系统下游的终端站，所述终端站可操作以支承工件用以通过所述离子束对所述工件进行注入。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述电场发生系统包括耦接到射频电源上的一对或多对电极，由此在所述区域中的所述电极之间产生交变电场。

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述一对或多对电极包括指状交叉型电极。

23.根据权利要求21所述的系统，其中所述一对或多对电极中的每对分别具有相对侧部、顶面和底面，且其中所述一对或多对电极的所述相对侧部和所述底面被介电材料围绕，且其中所述电极之间的所述交变电场从所述电极的所述顶面延伸出来。

24.根据权利要求23所述的系统，进一步包括覆在所述一对或多对电极的所述顶面上的石英层。

25.根据权利要求20所述的系统，其中所述离子束包括带形离子束。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述质量分析系统进一步包括一对线圈，所述一对线圈具有设置在其间的射束线路径，其中当电流传导通过所述一对线圈时，所述一对线圈可操作以产生大体上垂直于所述带状离子束的传播方向的磁场。

27.根据权利要求26所述的系统，其中所述一对线圈包括所述磁场发生系统。

28.根据权利要求26所述的系统，其中所述电场发生系统包括一对偏压电极，所述一对偏压电极可操作以在其间产生所述电场。

29.根据权利要求28所述的系统，其中所述电场发生系统进一步包括耦接到所述一对偏压电极上的射频源。

30.根据权利要求28所述的系统，其中所述一对线圈沿所述带状离子束的宽度方向延伸且在线圈的任一端上限定出所述质量分析系统的第一相对侧部和第二相对侧部，且其中所述一对偏压电极被置于所述第一相对侧部上。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述一对偏压电极中的每个包括大体上沿所述质量分析系统的轮廓延伸的拱形传导部段和沿所述拱形传导部段电耦接和连接的多个传导构件。

32.根据权利要求31所述的系统，其中所述电场发生系统进一步包括耦接到所述拱形传导部段上的射频源，由此分别在置于一个所述拱形传导部段上的所述传导构件和另一个所述拱形传导部段上的所述传导构件之间产生射频电场，且其中所述射频电场的方向大体上垂直于所述射束线路径内的磁场。

33.根据权利要求31所述的系统，其中所述多个传导构件进一步包括磁体，其中每个所述磁体具有与第一端相关联的北极和与其第二端相关联的南极。

34.根据权利要求33所述的系统，其中一个所述传导部段上的磁体被布置以使得所述北极和南极具有第一取向，其中磁体的北极面向内朝向另一个所述传导部段上的磁体，且南极面向外远离所述另一个传导部段上的所述磁体，且另一个所述传导部段上的磁体被布置具有第二取向，其中磁体的北极面向内朝向所述一个传导部段上的所述磁体，且南极面向外远离所述一个传导部段上的所述磁体。

35.根据权利要求33所述的系统，其中一个所述传导部段上的磁体被布置以使得所述北极和南极具有第一取向，其中磁体的南极面向内朝向另一个所述传导部段上的磁体，且北极面向外远离所述另一个传导部段上的所述磁体，且另一个所述传导部段上的磁体被布置具有第二取向，其中磁体的南极面向内朝向所述一个传导部段上的所述磁体，且北极面向外远离所述一个传导部段上的所述磁体。

36.根据权利要求33所述的系统，其中所述磁体可操作以沿所述质量分析系统的所述第一相对侧部产生多尖端场，且其中所述多尖端场可操作以与所述电场相互作用从而使电子移动进入到所述多尖端场中的区域中，且其中至少一些移动电子可操作以使其中的气体离子化，由此产生所述等离子体。

37.根据权利要求36所述的系统，进一步包括在与所述第一相对侧部上的所述拱形传导部段相对的所述质量分析系统的第二相对侧部上沿所述射束线路径延伸的多个磁体，且每个所述磁体具有与其相关联的北极和南极，其中所述多个磁体相对于所述拱形传导部段上的所述磁体具有约九十度的取向且可操作以沿所述质量分析系统的所述第二相对侧部产生多尖端磁场。

38.一种在离子注入系统中产生等离子体的方法，包括：

在一个区域中产生电场和具有大体上垂直于一部分所述电场的部分的磁场以使电子在所述区域内移动；以及

在所述区域中提供气体，其中至少一些移动的电子与部分所述气体碰撞以使所述气体离子化，由此在所述区域中产生所述等离子体，

其中产生所述大体上垂直的电场和磁场包括：

将一对电极安放在具有取向大体上垂直于离子束在所述离子注入系统中的传播方向的磁场的质量分析导引装置中；以及

对所述一对电极加偏压，由此在其间产生所述电场，其中所述一对电极被放置以使得所述电场的方向大体上垂直于所述质量分析系统中的所述磁场。

39.根据权利要求38所述的方法，其中产生所述大体上垂直的电场和磁场包括：

沿两个传导、电绝缘部段构造多个传导磁体构件，其中每个所述传导磁体构件具有与其相关联的北极和南极，其中所述传导磁体构件可操作以在其间产生多尖端磁场；以及

对一个部段上的多个所述传导磁体构件以及另一个部段上的多个所述传导磁体构件加偏压，由此在其间产生电场。

40.根据权利要求39所述的方法，其中在所述离子注入系统内的质量分析系统中产生所述等离子体，且所述质量分析系统包括拱形通道，所述拱形通道具有沿所述拱形通道延伸的第一相对侧部和第二相对侧部，且其中所述两个传导、电绝缘部段相互间隔一定距离地沿第一相对侧部延伸。

41.根据权利要求40所述的方法，其中与一个传导部段相关联的所述传导磁体构件被构造以沿所述拱形通道延伸，其中每个构件的南极面向外远离所述拱形通道的中心部分，且每个构件的北极面向内朝向所述拱形通道的所述中心部分。

42.根据权利要求41所述的方法，其中与另一个传导部段相关联的所述传导磁体构件被构造以沿所述拱形通道延伸，其中每个构件的南极面向外远离所述拱形通道的中心部分，且每个构件的北极面向内朝向所述拱形通道的所述中心部分。

43.根据权利要求38所述的方法，其中产生所述电场包括：

沿所述离子注入系统的射束线路径构造一对指状交叉型电极；以及

对所述一对指状交叉型电极加偏压以在其间产生所述电场。

44.根据权利要求43所述的方法，其中所述一对指状交叉型电极位于质量分析系统内，且其中所述指状交叉型电极被构造以在其间产生所述电场，所述电场具有大体上垂直于所述质量分析系统内的磁场的取向，所述磁场被用以使传播通过所述质量分析系统中的离子束偏转。

45.根据权利要求44所述的方法，其中所述质量分析系统包括具有第一相对侧部和第二相对侧部的拱形通道，且其中所述指状交叉型电极位于所述第一相对侧部和第二相对侧部中的一个侧部上。

46.根据权利要求38所述的方法，其中提供气体包括采用所述区域内的任何残余气体。

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