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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich Allgemein auf das Gebiet der
Ionenimplanter und mehr im Speziellen auf eine elektrostatische
Linse zum variablen bzw. einstellbaren Fokussieren und Massenauflösen eines
lonenstrahls in einem lonenimplanter, sowohl in den Beschleunigungs-
als auch den Verzögerungsbetriebsarten
bzw. Beschleunigungs- und Verzögerungsmoden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ionenimplantation
ist die von der Industrie bevorzugte Technologie geworden, um Halbleiter
bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen im großen Stil
mit Verunreinigungen zu dotieren. Ionendosis und Ionenenergie sind
die zwei wichtigsten Variablen die benutzt werden, um einen Implantationsschritt
zu definieren. Ionendosis bezieht sich auf die Konzentration von
implantierten Ionen für
ein gegebenes Halbleitermaterial. Typischerweise werden Hochstrom-Implanter
(im Allgemeinen mehr als 10 Milliampere (mA) Ionenstrahlstrom) für Hochdosis-Implantationen
benutzt, während
Mittelstrom-Implanter (im Allgemeinen fähig bis zu etwa 1 mA Strahlstrom)
für Anwendungen
niedrigerer Dosis benutzt werden.
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Die
Ionenenergie wird benutzt, um die Grenzzonen- bzw. Verbindungstiefe
Qunction depth) in Halbleitergeräten
bzw. -vorrichtungen zu steuern. Die Energieniveaus der Ionen, welche
den Ionenstrahl darstellen, bestimmen den Grad der Tiefe der implantierten
Ionen. Hochenergieprozesse, so wie diejenigen, welche benutzt werden,
um retrograde Wannen (retrograde wells) in Halbleitervorrichtungen zu
formen, erfordern Implantationen von bis zu einigen wenigen Millionen
Elektronenvolt (MeV), während
flache Verbindungen nur Energien unterhalb 1tausend Elektronenvolt
(1 KeV) verlangen können.
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Ein
typischer Ionenimplanter umfasst drei Sektionen oder Untersysteme:
(i) einen Anschluss zur Ausgabe eines Ionenstrahls, (ii) eine Strahllinie zum
Massenauflösen
und Einstellen des Fokus und des Energieniveaus des Ionenstrahls
und (iii) eine Target- bzw. Zielkammer, welche die Halbleiterschei be
bzw. den Halbleiterwafer enthält,
der durch den Ionenstrahl implantiert werden soll. Die Strahllinie
umfasst typischerweise eine massenauflösende Apertur fester Dimension
und eine Beschleunigungs/Verzögerungslinse
zum Fokussieren des Ionenstrahls. Der sich fortsetzende Trend zu
kleineren und kleineren Halbleitervorrichtungen erfordert eine Strahllinienkonstruktion,
welche dazu dient, hohe Strahlströme bei kleinen Energien zu
liefern. Der hohe Strahlstrom sieht die notwendigen Dosisniveaus
vor, während
die niedrigen Energieniveaus flache Implantationen gestatten. Source/Drain-Verbindungen
in Halbleitervorrichtungen erfordern zum Beispiel solch eine Hochstrom-Niederenergieanwendung.
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Niederenergieionenstrahlen,
welche sich durch eine gegebene Strahllinienkonstruktion fortpflanzen,
leiden unter einer Bedingung, welche bekannt ist als Strahl-"Aufblähung bzw.
Aufweitung", welche
sich auf die Tendenz gleich geladener Ionen innerhalb des Ionenstrahls
bezieht, sich gegenseitig abzustoßen (auch als Raumladungseffekt
bekannt). Eine solche gegenseitige Abstoßung bewirkt, dass ein Strahl
von andernfalls erwünschter
Form weg vom beabsichtigten Strahllinienpfad divergiert. Strahlaufweitung
ist insbesondere problematisch in Hochstrom-Niederenergieanwendungen,
weil die hohe Konzentration von Ionen im Strahl (hoher Strom) die
Kraft der gegenseitigen Abstoßung
der Ionen übertreibt
und die Fortpflanzungspotenziale (niedrige Energie) der Ionen unzureichend
sind, um diesen gegenseitig abstoßenden Kräften entgegen zu wirken. Das
Problem der Strahlaufweitung wächst mit
wachsender Strahllinienlänge.
Daher ist es ein Designziel von bevorzugten Strahllinienkonstruktionen,
die Länge
der Strahllinie zu minimieren.
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Elektrostatische
Linsen sind bekannt sowohl für
das Beschleunigen als auch das Verlangsamen der Ionen in einem Ionenstrahl,
um geeignete Energieniveaus zu erreichen, ebenso wie für das Fokussieren
des Ionenstrahls, um den gegenseitig abstoßenden Ladungen entgegenzuwirken,
welche für
das Strahlaufweitungsphänomen
verantwortlich sind. Typischerweise umfasst solch eine Linse eine
Vielzahl von Elektroden von anwachsend größerem oder geringerem elektrischen
Potenzial. Die individuellen Ionen innerhalb des Strahls werden
bei Raten beschleunigt oder verzögert,
welche von diesem Potienzialgradienten abhängen und Fokussieren wird durch
die resultierenden elektrischen Felder erreicht, welche von den
Elektroden ausgehen.
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Ein
Beispiel einer beschleunigenden/verzögernden fokussierenden elektrostatischen
Linse ist im U.S. Patent Nr. 5,177,366 an King et, al. gezeigt, welches
gemeinschaftlich zuerkannt ist dem Inhaber der vorliegenden Erfindung.
Im King Patent sind eine massenauflösende Apertur und eine elektrostatische Linse
durch ein Paar von Ablenkelektroden getrennt. Die massenauflösende Apertur
weist Ionen aus dem Strahl zurück,
welche ein nicht passendes Ladungs-zu-Masse Verhältnis haben. Die elektrostatische
Linse wird in Verbindung mit einem unmittelbar strahlabwärts befindlichen
Beschleuniger benutzt (i), um einen ionenstrahl, welcher anfangs
durch ein Paar von Ablenkelektroden abgelenkt worden ist in orthogonalen
Ebenen zu fokussieren und (ii) die Ionen im Strahl zu beschleunigen,
um ein erwünschtes Implantationsenergie-Niveau zu erreichen.
Die Fokussierung, die durch die Linse zu Stande gebracht wird, wird
durch Variieren einer beliebigen der folgenden Größen eingestellt:
der Spalt zwischen Elektroden, die Dicke der Elektroden, die Krümmung der Elektroden,
das elektrische Potenzial der Elektroden oder die Dimensionen eines
Schlitzes in einer ersten Elektrode, durch welchen der lonenstrahl
passiert.
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Variierung
der Dimension des Schlitzes in einer Elektrode erfordert nichts
desto weniger die Entfernung und Ersetzung von Platten, welche teilweise die
Schlitzkonfiguration definieren. Entfernung und Ersetzung von Strahllinienkomponenten,
um unterschiedliche Typen von Implantationsoperationen (d. h. verschiedene
Strom- oder Energieniveaus) unterzubringen ist nichts desto weniger
nicht wünschenswert,
da die evakuierte Kammer, in welcher die Komponenten angeordnet
sind, geöffnet
werden muss. Das Öffnen
der evakuierten Kammer erfordert unter Druck setzen auf Atmosphärendruck
und nachfolgende erneute Evakuierung ebenso wie das Aussetzen des
Inneren der Kammer gegenüber
Kontamination..
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Dementsprechend
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung einen elektrostatischen
Linsenaufbau zum einstellbaren Massenauflösen in einer ersten Ebe ne und
einstellbaren Fokussieren eines Ionenstrahls in der ersten Ebene
und einer zweiten gegenseitig senkrechten oder orthogonalen Ebene
vorzusehen, abhängig
von Ionenstrahlstrom oder Energieniveaus, wobei dieser Aufbau insbesondere
Anwendungen in Hochstrom-Niederenergie-Ionenimplantern hat.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine einstellbare elektrostatische
Linsenunteranordnung vorzusehen, welche Elektroden hat, bei denen
die Spalte, welche sich dazwischen befinden innerhalb eines Bereichs
unendlich einstellbar sind, um Ionenstrahlfokussieren zu erleichtern,
ohne Entfernung und Ersetzung von Linsenkomponenten zu erfordern.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, Strahllinienlänge in einem
Ionenimplanter zu minimieren, um Strahlaufweitungsbedingungen bzw.
-zustände zu
verhindern.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine einstellbare Linsenunteranordnung
vorzusehen, welche eine variabel einstellbare elektrostatische Linse
mit einer variabel einstellbaren auflösenden Apertur kombiniert,
welch selbige Unteranordnung variables bzw. einstellbares Fokussieren
in Verzögerungsbetriebsarten
vorsieht, jedoch noch variables bzw. einstellbares Massenauflösen in Beschleunigungsbetriebsarten
gestattet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
elektrostatische Triodenlinse ist zur Benutzung in einem Ionenimplantationssystem
vorgesehen. Die Linse umfasst eine Anschlusselektrode und eine einstellbare
Linsenunteranordnung, welche eine Unterdrückungselektrode und eine Auflösungslektrode
umfasst. Die Linsenunteranordnung ist nahe der Anschlusselektrode
angeordnet, wo der Strahl eine minimale "Taille" in einer ersten (dispersiven) Ebene
hat. Eine solche Anordnung minimiert die erforderten Spalte zwischen
Elektroden und hilft dadurch, die Strahlaufweitung und die Elektronen-Verarmungsregion
in der Verzögerungsbetriebsart
zu minimieren.
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Die
Unterdrückungs-
und Auflösungslektroden
haben jeweils erste und zweite Teile, welche durch jeweilige Spalte
getrennt sind. Ein Bewegungsmechanismus bewegt gleichzeitig die
ersten Teile der Unterdrückungs-
und Auflösungslektroden
auf die zweiten Teile der Unterdrückungs- und Auflösungselektroden
zu und respektive davon weg, um die Spalte dazwischen einzustellen.
Die einstellbare Linsenunteranordnung konditioniert die Strahlausgabe durch
die Anschlusselektrode, in dem sie (i) den Strahl variabel in gegenseitig
orthogonalen (dispersiven und nicht-dispersiven) Ebenen in einer
Verzögerungsbetriebsart
(wo Massenauflösung
weniger kritisch ist) fokussiert, während sie (ü) variable bzw. einstellbare
Massenauflösung
in der dispersiven Ebene in einer Beschleunigungsbetriebsart (wo
Fokussieren weniger kritisch ist) erlaubt.
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Im
Allgemeinen wird der Spalt zwischen dem Auflösungselektrodenpaar eingestellt,
um einstellbare Massenauflösung
in der dispersiven Ebene in der Beschleunigungsbetriebsart zu erlauben.
In der Beschleunigungsbetriebsart ist der fokussierende Effekt der
Linsenunteranordnung wegen der "Steifigkeit" des Strahls und
der reduzierten Tendenz zur Strahlaufweitung vernachlässigbar.
Nichts desto weniger wird variable bzw. einstellbare Massenauflösung in der
Beschleunigungsbetriebsart erreicht, in dem der Spalt zwischen dem
Auflösungselektrodenpaar
eingestellt wird. Indem die Fähigkeit
gleichzeitiger Einstellung des Unterdrückungselektrodenspalts zusammen
mit dem Auflösungselektrodenspalt
vorgesehen wird, wird eine negative Unterdrückungsspannung auf der Spaltachse
mit einer vernünftig
kleinen Unterdrückungselektrodenspannung
aufrecht erhalten, trotz der Existenz einer großen, positiven Spannung an
der Anschlusselektrode, während
variable bzw. einstellbare Massenauflösung noch erlaubt wird.
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In
der Verzögerungsbetriebsart
funktioniert die Linsenunteranordnung so, dass sie den Ionenstrahl
in gegenseitig orthogonalen (dispersiven und nichtdispersiven) Ebenen
fokussiert. Einstellung des Auflösungselektrodenspalts
sieht einstellbares Dispersiv-Ebenen-Fokussieren vor. Erhöhtes Fokussieren
in der dispersiven Ebene wird durch Verringerung des Spalts der
Auflösungselektrode
erreicht. Einstellung der Spannung an der Unterdrückungselektrode gestattet
einstellbares Nicht-Dispersiv-Ebenen-Strahlfokussieren. Im Allge meinen
wird mehr Nicht-Dispersiv-Ebenen-Fokussieren erreicht, indem die
Größe der negativen
Spannung, welche an die Unterdrückungselektrode
angelegt wird, erhöht
wird.
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Aspekte
der Erfindung werden in den begleitenden Ansprüchen dargelegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Draufsicht eines
Ionenimplantationssystems, welches ein Ausführungsbeispiel einer elektrostatischen
Triodenlinse gemäß der vorliegenden
Erfindung inkorporiert;
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2 ist ein schematisches
Diagramm, welches die Leistungsversorgungen zeigt, die benutzt werden,
um Spannung für
verschiedene Elemente des Systems aus 1 zu
liefern;
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3 ist eine perspektivische
Ansicht eines einstellbaren Linsenunteranordnungsteils der Triodenlinse
aus 1;
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4 ist eine explodierte Ansicht
eines Teils der einstellbaren Linsenunteranordnung aus 3;
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5 ist eine detailliertere,
Draufsicht der Triodenlinse des lonenimplantationssystems aus 1;
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6 ist eine Schnittansicht
des einstellbaren Linsenunteranordnungsteils der Triodenlinse aus 5, welcher Längs der
Linien 6–6
von 5 genommen ist;
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7 ist eine Schnittansicht
der Elektrodenkomponenten der Triodenlinse von 5, welche Längs der Linien 7–7 von 5 genommen ist;
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8 ist eine Draufsicht der
Elektrodenkomponenten der Triodenlinse aus 5;
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9 ist die Draufsicht der
Elektrodenkomponenten aus 8,
welche weiterhin den fokussierenden Effekt der Elektroden in der
dispersiven Ebene eines Ionenstrahls zeigt, welcher hindurch passiert;
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10 ist die Schnittansicht
der Elektrodenkomponenten von 7,
welche weiterhin den fokussierenden Effekt der Elektroden in der nicht-dispersiven
Ebene eines Ionenstrahls zeigt, welcher hindurch passiert.
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Detaillierte
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels Bezugnehmend
auf die Figuren offenbart 1 nun
einen allgemein mit 10 bezeichneten Ionenimplanter, welcher
eine Ionenquelle 12, einen Massen-Analysemagneten 14, einen Strahllinienaufbau 15 und
eine Target- bzw. Ziel- oder Endstation 16 umfasst.
Auf die Ionenquelle 12 und den Massen-Analysemagnet 14 wird gemeinsam
mit ihren jeweiligen Leistungsversorgungen kollektiv als ein Anschluss
bzw. Terminal 17 (siehe auch 2) Bezug
genommen. Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist in einem
Niederenergieimplanter, so wie beispielsweise demjenigen, welcher
in 1 gezeigt ist, worin
die Strahllinienanordnung 15 wegen der Tendenz eines Niederenergiestrahls
während
der Propagation bzw. Fortpflanzung desselben zu diffundieren (d.
h. "aufzuweiten") relativ kurz ist.
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Die
Ionenquelle 12 umfasst ein Gehäuse 18, welches eine
Plasmakammer 20 definiert und einen Ionenextraktoraufbau 22.
Der Strahllinienaufbau 15 umfasst ein Auflöser- bzw.
Resolvergehäuse 23 und einen
Strahlneutralisierer 24. Wie unten weiter erklärt wird,
enthält
das Auflösergehäuse 23 den
Gegenstand der Erfindung. Der Strahlneutralisierer 24 funktioniert
so, dass er die Strahlaufweitung minimiert. Strom abwärts vom
Strahlneutralisierer 24 ist die Endstation 16,
welche einen scheibenförmigen
Waferträger 25 einschließt, auf
welchem Wafer, die behandelt werden sollen, montiert werden. Der
Waferträger 25 befindet
sich in einer Targetebene, welche (im allgemeinen) senkrecht zur
Richtung des Implantationsstrahls orientiert ist.
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Die
Ionenquelle 12 ist an einem L-förmigen Rahmen 26 montiert.
lonisierbares Dotiersubstanzgas, welches entweder direkt in Form
von komprimiertem Gas oder indirekt aus einer festen Form, welche
verdampft worden ist, erhalten wird, wird in die Plasmakammer 20 eingesprüht bzw.
eingespritzt. Typische Quellenelemente sind Bor (B), Phosphor (P),
Gallium (Ga), Indium (In), Antimon (Sb) und Arsen (As). Die meisten
dieser Quellenelemente werden in fes ter Form vorgesehen, mit Ausnahme
von Bor, welches typischerweise in Form von gasförmigem Bor-Trifluorid oder
Diboran vorgesehen wird. Energie wird in das ionisierbare Dotiersubstanzgas gegeben,
um Ionen innerhalb der Plasmakammer 20 zu erzeugen. Im
allgemeinen werden positive Ionen erzeugt, obwohl die vorliegende
Erfindung auf Systeme anwendbar ist, in denen negative Ionen von
der Quelle erzeugt werden. Die positiven Ionen werden durch einen
Schlitz in der Plasmakammer 20 vom Ionenextraktoraufbau 22 extrahiert,
welcher eine Vielzahl von Elektroden 27 umfasst. Die Elektroden
werden mit negativen Potenzialspannungen geladen, welche in ihrer
Größe anwachsen,
wenn die Entfernung vom Plasmakammerschlitz anwächst. Dementsprechend funktioniert
der Ionenextraktoraufbau so, dass er einen Strahl 28 von
positiven Ionen aus der Plasmakammer extrahiert und die extrahierten
Ionen in den Massen-Analysemagneten 14 beschleunigt, welcher
vom Rahmen 26 getragen wird.
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Der
Massen-Analysemagnet 14 funktioniert so, dass er nur Ionen
eines passenden Ladungs-zu-Masse Verhältnisses zum Auflöser- bzw. Resolvergehäuse 23 passieren
lässt.
Der Massen-Analysemagnet 14 wird benötigt, weil die Ionenquelle 12 zusätzlich zur
Erzeugung von Ionen von passendem Ladungszu-Masse Verhältnis auch
Ionen von größerem oder
kleinerem Ladungs-zu-Masse Verhältnis als
denjenigen das erwünscht
ist, erzeugt. Ionen von nicht passendem Ladungs-zu-Masse Verhältnis sind
für die
Implantation in einen Wafer nicht geeignet.
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Der
Massen-Analysemagnet 14 schließt einen gekrümmten bzw.
gekurvten Strahlpfad 29 ein, welcher durch eine Aluminium-Strahlführung 30 definiert
ist, deren Evakuierung durch eine Vakuumpumpe 31 vorgesehen
ist. Der Ionenstrahl 28, welcher sich längs dieses Pfades fortpflanzt,
wird vom magnetischen Feld, welches vom Massen-Analysemagneten 14 erzeugt
wird, beeinflusst. Die Stärke
und Orientierung dieses Magnetfeldes wird durch Steuerelektronik 32 gesteuert,
welche den elektrischen Strom durch die Feldwindungen des Magneten 14 durch
den Magnetconnector bzw. Magnetanschluss 33 steuert. Teilweises
Fokussieren des Ionenstrahls durch den Magneten 14, wird
in der "dispersiven" Ebene (die Ebene
des gekrümmten
Strahlpfades 29) nur erreicht, in dem ein Gradient im magnetischen Feld
(d. h., "Indizierung") erzeugt wird, oder
indem die Eingangs- oder Ausgangspole des Magneten 14 gedreht
werden.
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Das
magnetische Feld bewirkt, dass der Ionenstrahl 28 sich längs eines
gekrümmten
Strahlpfades 29 von einer ersten oder Eingangs-Trajektorie 34 nahe
der Ionenquelle 12 zu einer zweiten oder Ausgangs-Trajektorie 35 nahe
dem Auflösungsgehäuse 23 bewegt.
Teile 28' und 28" des Strahls 28,
welche zusammengesetzt sind aus Ionen, welche ein nicht passendes
Ladungs-zu-Masse
Verhältnis
haben, werden von der gekrümmten
Trajektorie weg und in die Wände
der Aluminiumstrahlführung 30 abgelenkt. Auf
diese Weise lässt
der Magnet 14 nur diejenigen Ionen im Strahl 28 zum
Auflösungsgehäuse 23 passieren,
welche das erwünschte
Ladungs-zu-Masse Verhältnis
haben.
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Die
Eingangs- und Ausgangs-Trajektorien 34, 35 des
Ionenstrahls 28, welche in der Ebene des gekrümmten Strahlpfades 29 sind,
liegen in der dispersiven Ebene. Die "nicht-dispersive" Ebene ist hierin definiert, als die
Ebene, welche sich sowohl senkrecht zur dispersiven Ebene als auch
zur Targetebene befindet. Dementsprechend führt der Magnet 14 Massenanalyse
in der dispersiven Ebene durch, in dem er Ionen von nicht passendem
Ladungs-zu-Masse Verhältnis
aus dem Strahl entfernt und den Strahl von der Eingangstrajektorie 34 zur Ausgangstrajektorie 35 und
auf die Targetebene, in welcher der Wafer liegt, umlenkt.
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Das
Auflösungsgehäuse 23 enthält eine elektrostatische
Linse 36, welche gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, welche den Ionenstrahl 28,
der vom Magneten 14 ausgegeben wird, massenmäßig auflöst und fokussiert.
Die elektrostatische Linse 36 ist als eine Triple- bzw.
Dreifachelektroden- (Trioden-) Konfiguration konstruiert, welche
ein Anschlusselektrodenpaar 37, ein Unterdrückungselektrodenpaar 38 und
ein Erd- oder Auflösungselektrodenpaar 39 umfasst.
Das Anschlusselektrodenpaar ist fest am Terminal bzw. Anschluss 17 angebracht,
und operiert bei dessen Spannung (positiv in der Beschleunigungsbetriebsart
und negativ in der Verzögerungsbetriebsart).
Jede von dem Paar der Unterdrückungselektroden 38,
so wie je de von dem Paar der Erdelektroden 38 (39)
ist aufeinander zu und voneinander weg bewegbar, um den Spalt dazwischen
einzustellen, wie unten mit Bezug auf 3 weiter
erklärt
ist. Die Unterdrückungselektrode 37 operiert
bei einem negativen Potenzial und die Auflösungselektrode 39 ist
bei Erdpotenzial (Null Volt).
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Auf
die Unterdrückungs-
und Auflösungselektrodenpaare 38, 39 wird
kollektiv Bezug genommen als die einstellbare Linsenunteranordnung 40. Das
Auflösungsgehäuse 23 definiert
eine Kammer 41, in welcher sich die elektrostatische Linse 36 befindet,
ebenso wie ein Dosimetrieanzeiger, so wie zum Beispiel eine Faraday-Fahne
bzw. ein Faraday flag 42 (welcher keinen Teil der vorliegenden
Erfindung darstellt). Die Kammer 41 wird durch eine Vakuumpumpe 43 evakuiert.
Der benachbarte Strahlneutralisierer 24 definiert eine
Kammer 44, welche eine Elektronendusche 45 einschließt. Die
Elektronendusche 45 neutralisiert die positive Ladung,
welche sich andernfalls auf dem Targetwafer als ein Ergebnis des Implantiertwerdens
durch den positiv geladenen Ionenstrahl 28 ansammeln würde.
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Der
scheibenförmige
Waferträger 25 an
der Endstation 16 wird vom Motor 46 gedreht. Der
Ionenstrahl schlägt
daher auf Wafern auf, welche an dem Träger montiert sind, während sie
sich in einem kreisförmigen
Pfad bewegen. Die Endstation 16 ist längs einer Achse 47 schwenkbar,
welche im allgemeinen parallel zum Pfad des Ionenstrahls ist, so
dass die Targetebene um diese Achse einstellbar ist. Auf diese Weise
kann der Winkel der Ionenimplantation leicht aus der Normalen modifiziert
werden.
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Die
einstellbare Linsenunteranordnung 40 funktioniert so, dass
sie den Ionenstrahl (speziell im Verzögerungsmodus) fokussiert und
den Ionenstrahl (speziell im Beschleunigungsmodus) massenmäßig auflöst. Die
Unteranordnung 40 ist unmittelbar stromabwärts von
der Anschlusselektrode 37 angeordnet, weil der Ionenstrahl
an diesem Ort eine minimale Dimension (d. h. eine "Taille") in der dispersiven
Ebene hat. Eine solche Positionierung minimiert die erforderten
Spalte zwischen Elektroden und hilft daher, die Strahlaufweitung und
die Elektronen-Verarmungsregion in der Verzögerungsbetriebsart zu minimieren.
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In
der Beschleunigungsbetriebsart funktioniert die Linse 35 hauptsächlich als
Massenauflöser (Fokussieren
weniger kritisch) und in der Verzögerungsbetriebsart funktioniert
die Linse 35 hauptsächlich
als ein fokussierendes Element (Massenauflösung weniger kritisch). Dementsprechend
kann die Linse 35 sowohl im Beschleunigungsmodus (von 10 – 30 Kilovolt
(kV) bis zu 90 kV bei 25 mA) als auch in der Verzögerungsbetriebsart
(von 2 – 5
kV bis hinab zu 0.5 kV bei 2 mA) des Ionenimplantationsystems 10
benutzt werden.
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Beide
Betriebsarten werden möglich
gemacht durch Einstellung variabler bzw. einstellbarer Hochspannungs-Leistungsversorgungen,
welche in das System 10 inkorporiert sind, wie in 2 gezeigt. Eine erste Leistungs-
bzw. Spannungsversorgung PS1 (Power Supply) liefert Leistung bzw.
Spannung (+V1) an die Quelle 12, eine zweite Leistungs-
bzw. Spannungsversorgung PS2 liefert Leistung bzw. Spannung (-V2)
an den Anschluss bzw. Terminal 17, und eine dritte Leistungs-
bzw. Spannungsversorgung PS3 liefert Leistung bzw. Spannung (-V3)
an die Unterdrückungselektrode 38 der
elektrostatischen Linse 36. Nur als Beispiel operiert PS1
von etwa 0.5 bis 90 kV, PS2 operiert von etwa –2 kV bis –30 kV und PS3 operiert von
etwa –5
kV bis –25
kV.
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Wiederum
als Beispiel operiert PS1 in der Beschleunigungsbetriebsart bei
90 kV, welche direkt an die Quelle 12 angelegt werden.
PS2 operiert bei –30
kV, was, gekoppelt mit PS1 60 kV (90 kV – 30 kV) an den Magneten 14 anlegt.
Dementsprechend operiert der Anschluss bzw. Terminal bei 60 kV,
welches die Spannung der Anschlusselektrode 37 ist. Elektrische
Isolatorbuchsen 48 isolieren den Anschluss 17 von
der Systemeinfassung (Erd-Erdung bzw. Erdpotenzial) und die elektrische
Isolatorbuchse 49 isoliert den Anschluss 17 vom Auflösungsgehäuse 23 (ebenfalls
Erdpotenzial). Der Ionenstrahl, welcher anfänglich durch den Abfall im
Spannungspotenzial von 30 kV von der Quelle 12 zum Magneten 14 beschleunigt
wird, wird auf seinem Weg zum Targetwafer bzw. Zielwafer in der
Endstation, welche bei einem weiteren negativen Poten zial (Erdpotenzial)
bezüglich
des Terminals bzw. des Anschlusses ist, weiter beschleunigt.
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In
der Verzögerungsbetriebsart
operiert PS1 bei 0.5 kV, was direkt an die Quelle 12 angelegt
wird. PS2 operiert bei –5
kV, was gekoppelt mit PS1 –4.5 kV
(0.5 kV – 5
kV) an den Magneten anlegt. Dementsprechend operiert der Anschluss
bzw. Terminal bei –4.5
kV, welches die Spannung der Anschlusselektrode 37 ist.
Der Ionenstrahl, welcher anfangs durch den Abfall im Spannungspotenzial
von 5 kV von der Quelle 12 zum Magneten 14 beschleunigt
wird, wird dann auf seinem Weg zum Targetwafer bzw. Zielwafer in
der Endstation, welche sich bezüglich
des Terminals auf einem positiven Potenzial (Erdpotenzial) befindet,
verzögert
bzw. verlangsamt.
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3 – 4 zeigen
in größerem Detail
die einstellbare Linsenunteranordnung 40, welche das Unterdrückungselektrodenpaar 38A, 38B und
das Auflösungselektrodenpaar 39A, 39B enthält, nicht
jedoch das Anschlusselektrodenpaar 37A, 37B, (welche
fest am Anschluss bzw. Terminal 17 angebracht sind). Wie
in 3 gezeigt, sind die
Elektrodenpaare 38 und 39 so angeordnet, dass
ein Ionenstrahl, welcher die zweite Trajektorie 35 aus
dem Massen-Analysemagneten 14 und
dem Anschlusselektrodenpaar (37A, 37B) heraus
durchläuft,
sukzessive durch und zwischen Spalten zwischen dem Unterdrückungselektrodenpaar 38 (38A und 38B)
und dem Auflösungselektrodenpaar 39 (39A und 39B)
passiert.
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Wie
in 4 gezeigt, sind die
Auflösungselektroden 39A und 39B direkt
jeweils an wassergekühlte
Stahlblöcke 50A und 50B montiert,
unter Benutzung geeigneter Befestigungen so wie zum Beispiel Schrauben
(nicht gezeigt). Die Unterdrückungselektroden 38A und 38B sind
jeweils durch Isolatoren 52A und 52B direkt an
die Auflösungselektroden 39A und 39B montiert.
L-förmige
Klammern 54A und 54B, welche jeweils zwischen
Block 50A und Auflösungselektrode 39A und
zwischen Block 50B und Auflösungselektrode 39B angebracht
sind, sehen Endplatten 56 und 58 vor, welche so
funktionieren, dass sie die Enden des Spalts zwischen den Elektroden 39A und 39B (siehe
auch 7 und 10) schließen.
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Das
Mittel um den Spalt d38 zwischen dem Unterdrückungselektrodenpaar 38A und 38B und den
Spalt d39 zwischen den Auflösungselektroden 39A und 39B (siehe 8) einzustellen, ist durch gleitbare
bzw. gleitende Wellen 60 und 62 vorgesehen, welche
sich unabhängig
voneinander in Richtungen längs
der Achsen derselben bewegen. Die jeweiligen Spalte zwischen den
Unterdrückungs-
und Auflösungselektrodenpaaren
werden dadurch selektiv einstellbar gemacht. Der erwünschte Spaltabstand
wird abhängig
vom erwünschten
Fokussierungs- und Massenauflösungseffekt
der Linse und dem erwünschten
Energieniveau des Ionenstrahls ausgewählt.
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Die
Wellen 60 sind an den Orten der Löcher 64 direkt an
den wassergekühlten
Stahlblock 50B gekoppelt und daher indirekt an die Auflösungselektrode 39B und
die Unterdrückungselektrode 38B.
Die Wellen 62 sind an den Orten der Löcher 66 direkt an den
wassergekühlten
Stahlblock 50A gekoppelt und daher indirekt an die Auflösungselektrode 39A und die
Unterdrückungselektrode 38A.
Der Mechanismus, welcher Gleitbewegung der Wellen 60 und 62 in Richtungen
längs der
Achsen derselben erlaubt, ist nicht gezeigt, obwohl jeder beliebige
geeignete Mechanismus so wie beispielsweise ein Servomotor benutzt
werden kann. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist ein Paar von Servomotoren, welche außerhalb des Auflösungsgehäuses 23 angeordnet
sind, jeweils mit den Wellen 60 und 62 verbunden.
Solch ein Mechanismus sieht ein Mittel zur simultanen Einstellung
der Abstände
d38 und d39 vor, welche innerhalb eines gegebenen Bereichs unendlich
einstellbar sind.
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5 und 6 sehen eine detailliertere Illustration
der Art und Weise vor, in welcher die elektrostatische Triodenlinse 36 an
das Auflösergehäuse 23 gekoppelt
und innerhalb der Auflösungskammer 41 positioniert
ist. Wie in 5 gezeigt,
ist das Auflösergehäuse 23 mit
Bolzen 68 an der Buchse 49 angebracht, welche
das Gehäuse 23 vom
Anschluss bzw. Terminal 17 isoliert. Eine Dichtung 70 ist
vorgesehen, um die Integrität
des Vakuums innerhalb des Gehäuses 23 aufrecht
zu erhalten.
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Die
Terminalelektroden 37A und 37B, welche aus Graphit
gemacht sind, sind mittels einer Vielzahl von Abstandsbolzen 72 am
Terminal 17 angebracht, welche Aluminiumschubstangen 74 umfassen,
die mit Graphit 76 beschichtet sind. Ein Schild- bzw. Abschirmmaterial 78 umgibt
die Vielzahl von Abstandsbolzen 72, um die Abstandsbolzen
vom Auflösergehäuse besonders
in der Verzögerungsbetriebsart
elektrisch abzuschirmen. Isolierende Ablenkplatten 80A und 80B isolieren
jeweils die Anschlusselektroden 37A und 37B elektrisch
vom Auflösergehäuse 23.
Rückhalteglieder 82 und 84 sind
an jeder Seite der isolierenden Ablenkplatten 80A und 80B angeordnet
und erhalten deren Position aufrecht.
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Die
einstellbare Linsenunteranordnung 40 ist mittels einer
Klammer 86, welche fest am Gehäuse 23 angebracht
ist, am Auflösergehäuse 23 angebracht.
Die Klammer 86 umfasst Nylonlager 88, welche Gleitbewegung
der gleitbaren Schubstangen 60 und 62 längs der
Achsen derselben erlauben. Eine Dichtung 90 ist vorgesehen,
um die Integrität
des Vakuums innerhalb des Gehäuses 23 aufrecht
zu erhalten. Erweiterbare Vakuumdichtungen 92 erlauben
es, dass das Vakuum aufrecht erhalten wird, während sie Gleitbewegung der
Schubstangen 60 und 62 in die und aus der Auflösungskammer 41 heraus
erlauben. Trageglieder 94 und 96 tragen jeweils
die gleitbaren Schubstangen 60 und 62 innerhalb
der Auflösungskammer 41.
Trageglieder 98 bzw. 100 tragen jeweils die gleitbaren
Schubstangen 60 und 62 außerhalb der Auflösungskammer 41.
Die Ausrichtungskupplung 101 gestattet die richtige Ausrichtung
der Wellen 60, 62.
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7 zeigt die Räume zwischen
den Elektrodenelementen der Triodenlinse 36 und 8 zeigt die Spalte zwischen
den selben Element-Elektrodenpaaren
in der Triodenlinse, was die Anschlusselektrode 37 und
die einstellbare Linsenunteranordnung 40 (einschließlich der
Unterdrückungselektrode 38 und
der Auflösungselektrode 39)
einschließt. 7 zeigt die Anschlusselektrode 37B,
die Unterdrückungselektrode 38B und
die Auflösungselektrode 39B,
welche alle aus Graphit gemacht sind, um die Effekte des Sputtering
bzw. der Zerstäubung
zu reduzieren. Der Raum 104 trennt die Elektroden 37B und 38B und
der Raum 106 trennt die Elektroden 38B und 39B.
Die Endplatten 56 und 58 sind an den oberen und
unteren bzw. Decken- und
Bodenenden der Elektrode 39B gezeigt. Die Räume 104 und 106 und die
Endplatten 56 und 58 erstrecken sich in die Ebene
von 7 und sind daher
dieselben für
die entsprechenden Elektroden 37A, 38A und 39A.
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Die
Breiten W1 und W2 der Räume 104 und 106 sind
im offenbarten Ausführungsbeispiel
jeweils 15 Millimeter (mm) und 5 mm. Die Breite W2 ist definiert
durch korrespondierende, gegenüberliegende, gekrümmte Oberflächen 108B und 110B jeweils
auf den Unterdrückungs-
und Auflösungselektroden 38B und 39B.
Die Unterdrückungs-
und Auflösungselektroden 38A und 39A sind
auf ähnliche
Weise jeweils mit gekrümmten
Oberflächen 108A und 110A vorgesehen.
Die Breiten der Elektroden 37B (W3), 38B (W4)
und 39B (W5) sind jeweils 2 mm, 20 mm (in der Mitte) und
30 mm (in der Mitte). Die Breiten der Elektroden 37A, 38A und 39A sind
identisch.
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8 zeigt die Spalte zwischen
den individuellen Elektroden, welche jedes Elektrodenpaar 37, 38 und 39 formen.
Die Abstände
zwischen den individuellen Elektrodengliedern in jedem Paar sind
jeweils dargestellt bzw. repräsentiert
als d37, d38 und d39. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der feste
Abstand d37 zwischen den Anschlusselektroden 37A und 37B ungefähr 66 mm.
Der Abstand d38 zwischen den Unterdrückungselektroden 38A und 38B und
der Abstand d39 zwischen den Auflösungselektroden 39A und 39B,
sind nichts desto weniger wie oben erklärt abhängig variierbar.
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Um
den Effekt der Ablagerung und Zerstäubung von Querverunreinigungen
bzw. Fremdverunreinigungen (cross-contaminants) auf den Elektroden 38 und 39 zu
reduzieren, sind Kerben 112A und 112B jeweils
in die Unterdrückungselektroden 38A und 38B geschnitten
und Kerben 114A und 114B sind jeweils in die Auflösungselektroden 39A und 39B geschnitten.
Die Kerben 112 und 114 minimieren das Oberflächengebiet,
welches die Spalte definiert, die jeweils von den Abständen d38
und d39 repräsentiert werden,
ohne die Fokussierungsfähigkeiten
der Triodenlinse 36 nachteilig zu beeinflussen.
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Die
Anschlusselektrode 37 der Triodenlinse 36 funktioniert
in Verbindung mit dem Massen-Analysemagneten 14 so, dass
sie nicht erwünschbare
Ionenspezies aus dem Ionenstrahl eliminiert, welche dem Magneten
entkommen sind, welche jedoch ein Ladungs-zu-Masse Verhältnis haben,
welches dem erforderten Verhältnis
nahe jedoch nicht identisch ist. Entsprechend löst die Anschlusselektrode 37 den
Ionenstrahl in der dispersiven Ebene weiterhin auf und definiert
weiterhin die Form des Ionenstrahls 28 beim Potenzial des Terminals
bzw. des Anschlusses 17. Die einstellbare Linsenunteranordnung 40 konditioniert
diesen definierten Strahl vom Terminal, in dem sie (i) den Strahl
variabel sowohl in der dispersiven als auch der nicht-dispersiven
Ebene in einer Verzögerungsbetriebsart
fokussiert, während
sie (ii) variable bzw. einstellbare Massenauflösung in der dispersiven Ebene
in einer Beschleunigungsbetriebsart erlaubt. Im allgemeinen wird
der Spalt d39 zwischen dem Auflösungselektrodenpaar 39 eingestellt,
um einstellbare Massenauflösung
in der dispersiven Ebene in der Beschleunigungsbetriebsart zu erlauben,
in welcher Strahlfokussieren weniger kritisch ist. In der Verzögerungsbetriebsart
in welcher Massenauflösung
weniger kritisch ist, sieht die Einstellung des Spalts d39 einstellbares
Dispersiv-Ebenen-Fokussieren vor, während die Spannung auf der
Unterdrückungselektrode 38 eingestellt
wird um einstellbares Nicht-Dispersiv-Ebenen-Strahlfokussieren
zu erlauben.
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In
der Beschleunigungsbetriebsart bewirkt die Krümmung der Äquipotenziallinien nahe dem
Eingang der Triodenlinse 36 anfangs, dass der hereinkommende
Ionenstrahl in der dispersiven Ebene fokussiert wird. (Die Äquipotenziallinien
sind senkrecht zu den elektrischen Feldlinien, welche aus den Elektroden
austreten, da das elektrische Feld entgegengesetzt zum Gradienten
des elektrischen Potenzials ist.) Nichts desto weniger wird ein
entgegenwirkender defokussierender Effekt durch die entgegengesetzte
Krümmung
der Äquipotenziallinien
nahe dem Ausgang der Linse bewirkt. Dieser entgegenwirkende defokussierende
Effekt ist weniger bzw. geringer als der fokussierende Effekt, weil
die entgegengesetzte Krümmung
(ebenso wie die Feldstärke)
auf der Spaltachse geringer ist als sie es näher an den Elektroden ist,
und weil der eintretende Ionenstrahl mehr auf diese Spalt-Mittelachse
hin fokussiert worden ist. Insgesamt ist dieser fokussierende und
defokussierende Ef fekt der Linse 36 in der Beschleunigungsbetriebsart
vernachlässigbar
in der dispersiven Ebene (ebenso wie in der nicht-dispersiven Ebene) wegen
der "Steifigkeit" des Ionenstrahls
und der reduzierten Tendenz zur Strahlaufweitung.
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Nichts
desto weniger wird in der Beschleunigungsbetriebsart variable bzw.
einstellbare Massenauflösung
erreicht, in dem der Spalt d39 zwischen dem Auflösungselektrodenpaar 39 eingestellt
wird. In dem die Fähigkeit
zur gleichzeitigen Einstellung des Unterdrückungselektrodenspalts d38
zusammen mit dem Auflösungselektrodenspalt
d39 vorgesehen wird, wird eine negative Unterdrückungsspannung auf der Achse
mit einer vernünftig
kleinen Unterdrückungselektrodenspannung
(–10 kV
bis –15
kV) aufrecht erhalten, trotz der Existenz der großen positiven
Spannung an der Anschlusselektrode 37, während variable
bzw. einstellbare Massenauflösung noch
gestattet wird. Zum Beispiel kann durch gleichzeitiges Einstellen
der Abstände
d38 und d39 ein Dispersiv-Ebenen-Feldpotenzial bei einer Mittelachse der
Linse von –165
V erhalten werden, wenn nur –12 KV
an die Unterdrückungselektrode 38 angelegt
werden.
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In
der Verzögerungsbetriebsart
funktioniert die Triodenlinse 36 so, dass sie den Ionenstrahl
sowohl in den dispersiven (9)
als auch den nichtdispersiven (10)
Ebenen fokussiert. Mit Bezug auf 9 wird
ein eintretender Ionenstrahl 116, welcher sich längs des
einfallenden Strahlpfades 35 fortpflanzt, anfänglich in
der dispersiven Ebene durch die Krümmung der Äquipotenziallinien 118 nahe
dem Eingang der einstellbaren Linsenunteranordnung 40 defokussiert.
Nichts desto weniger wird ein größerer, entgegenwirkender,
fokussierender Effekt durch die entgegengesetzte Krümmung der Äquipotenziallinien nahe
dem Ausgang der Linse bewirkt. Dieser entgegenwirkende, fokussierende
Effekt ist größer als
der anfängliche
defokussierende Effekt, weil die entgegengesetzte Krümmung (ebenso
wie die Feldstärke) näher an den
Elektroden größer ist
als sie es auf der Achse ist, und weil der eintretende Ionenstrahl
auf diese Elektroden zu defokussiert. worden ist. An diesem Punkt
hat sich der Ionenstrahl hinab bis zu ungefähr 0.5 kV verlangsamt und ist
daher sowohl hoch sensitiv gegenüber Äquipotenziallinienkrümmung als auch
hoch empfänglich
für Strahlaufweitung.
Erhöhte Fokussierung
in der dispersiven Ebene wird erreicht in dem der Spalt d39 der
Auflösungselektrode 39 verringert
wird, was die Feldstärke
und die Krümmung der Äquipotenziallinien
und daher die Stärke
der Dispersiv-Ebenen-Fokussierung erhöht.
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Mit
Bezug auf 10 wird Fokussieren
im Verzögerungsmodus
in der nichtdispersiven Ebene durch die gekrümmten Oberflächen 108 und 110 der jeweiligen
Unterdrückungs-
und Auflösungselektroden 38 und 39 (7) erreicht. Die Spannung,
die an die Unterdrückungselektrode 38 angelegt
wird, resultiert in entsprechend gekrümmten Äquipotenziallinien 118 (10). nichtdispersives Fokussieren
ist nicht sensitiv gegenüber
der Breite W5 der Auflösungselektrode 39 oder
ihrer endgültigen
Ausgangskonfiguration, weil sie bei Erdpotenzial (Null Feld) ist.
Die Auflösungselektrode 39 ist
nichts desto weniger mit einer zweiten gekrümmten Oberfläche 120 vorgesehen,
welche unnötiges
Abschneiden des fokussierten Ionenstrahls 122 vermeidet,
der von der Linse 36 ausgegeben wird.
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Die
Endplatten 56 und 58 dienen dazu, die Krümmung der Äquipotenziallinien 118 in
der nicht-dispersiven Ebene innerhalb des Elektrodenspalts zu erhöhen, wobei
sie effektiv Fokussierungs-Aberrationen entfernen, in dem sie konsistentes
Nicht-Dispersiv-Ebenen-Fokussieren unabhängig von der Position innerhalb
der dispersiven Ebene bewirken. Das Fokussieren in der nichtdispersiven Ebene
wird eingestellt, in dem die Spannung, welche an die Unterdrückungselektrode 38 angelegt
wird, typischerweise innerhalb des Bereichs von –10 bis –25 Kilovolt (kV) geändert wird.
Im allgemeinen wird mehr Nicht-Dispersiv-Ebenen-Fokussieren erreicht,
in dem die Größe der negativen
Spannung erhöht
wird, was die Krümmung
der Äquipotenziallinien 118 nahe
dem Ausgang der Linse erhöht.
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Die
Steuerung sowohl der Dispersiv-Ebenen- als auch der Nicht-Dispersiv-Ebenen-Fokussierung
kann in der Verzögerungsbetriebsart
unter Benutzung der offenbarten Erfindung relativ leicht erreicht
werden. Zuerst wird die Nicht-Dispersiv-Ebenen-Fokussierung
eingestellt, in dem die Unterdrückungselektrodenspannung
geändert
wird. Dann wird die Einstellung der Dispersiv- Ebenen-Fokussierung erreicht, in dem
der Auflösungselektrodenspalt d39
eingestellt wird (d. h. in dem gleichzeitig die Abstände d38
und d39 geändert
werden). Bewegung der Unterdrückungselektrode 38 zusammen
mit der Auflösungselektrode 39 behindert
nicht den fokussierenden Effekt in der Verzögerungsbetriebsart. Anfänglich wird
der einstellbare Abstand d38 auf ungefähr 50 mm gesetzt und der einstellbare
Abstand d39 wird auf 10 mm weniger, oder ungefähr 40 mm gesetzt.
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Daher
bleibt die erfindungsgemäße Triodenlinse 36,
obwohl sie insbesondere nützlich
ist in Hochstrom- (15 bis 20 Milliamp.), Niederenergie- (hinab bis
0.5 KeV) Anwendungen (Verzögerungsmodus)
in Anwendungen höherer
Energie (Beschleunigungsmodus) nützlich.
In beiden Typen von Anwendungen ist die Breite des Ionenstrahls
ungefähr
4 Zentimeter (cm) in der dispersiven Ebene und 10 cm in der nicht-dispersiven
Ebene. Der Fokus des Ionenstrahls ist 10 cm stromabwärts für Dispersiv-Ebenen-Fokussierung
und 5 Meter (m) stromaufwärts
für Nicht-
Dispersiv-Ebenen-Fokussierung.
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Entsprechend
ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer einstellbaren elektrostatischen Linse zum variablen bzw. einstellbaren
Fokussieren und variablen bzw. einstellbaren Massenauflösen eines
Ionenstrahls beschrieben worden. Im Bewusstsein der vorangehenden
Beschreibung versteht es sich nichts desto weniger, dass sich diese
Beschreibung nur auf ein Beispiel bezieht, dass die Erfindung nicht
auf die speziellen Ausführungsbeispiele,
welche hierin beschrieben worden sind, begrenzt ist, und dass verschiedene
Neuanordnungen, Modifikationen und Ersetzungen bezüglich der
vorausgehenden Beschreibung implementiert werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden
20999 Ansprüche
definiert ist.