TW202326793A - 離子注入機以及產生高能量離子束的方法 - Google Patents

Abstract

提供一種離子注入機以及產生高能量離子束的方法。離子注入機可包括迴旋加速器，迴旋加速器用於以初始能量接收離子束作為入射離子束且以經加速離子能量輸出離子束作為經加速離子束。所述離子注入機可更包括：RF功率源，用於向迴旋加速器輸出RF功率信號，RF功率源包括可變功率放大器；以及可移動剝離器，能夠進行平移以在連續的不同位置處攔截迴旋加速器內的離子束。

Description

具有連續可變能量的迴旋加速器

[相關申請]

本申請主張優先於在2021年12月23日提出申請且名稱為“具有連續可變能量輸出的迴旋加速器（CYCLOTRON HAVING CONTINUOUSLY VARIABLE ENERGY OUTPUT）”的序號為17/560,632的美國非臨時專利申請，且所述美國非臨時專利申請全文併入本文供參考。

本發明一般來說有關於離子注入裝置，且更具體來說，有關於高能量束線離子注入機。

離子注入（ion implantation）是一種通過轟擊將摻雜劑或雜質引入到基板中的製程。離子注入系統可包括離子源及一系列束線元件（beamline component）。離子源可包括其中產生離子的腔室。束線元件可包括例如質量分析器、准直器、以及用於使離子束加速或減速的各種元件。與用於操縱光束的一系列光學透鏡非常類似，所述束線元件可對具有特定種類、形狀、能量、及/或其他性質的離子束進行過濾、聚焦及操縱。離子束通過所述束線元件，並且可被朝向安裝在壓板（platen）或夾具（clamp）上的基板導引。

關於高能量離子注入，已經在束線離子注入機中實施串聯加速器及線性加速器二者，以產生高能量離子（例如大於1 MeV）。迴旋加速器表示另一元件，所述另一元件呈現用於產生高能量離子束的有吸引力的方式。在高能量物理領域中開發的幾種類型的迴旋加速器之中，在連續波模式下進行操作的等時性迴旋加速器（isochronous cyclotron）對於半導體工業中的應用是有吸引力的。等時性迴旋加速器可以非常緊湊的方式（跨越主磁體小於2 m）佈置，實現高能量（質子為5 MeV）且輸送顯著的平均束電流（高達幾mA）。

已知的等時性迴旋加速器的一個缺點是一般來說僅在一種輸出能量下實行操作：即，其中離子到達主磁體的外徑且被專用電極或磁體提取的能量。為了生成可變能量輸出，已經開發出幾種解決方案。這些方式目前生成以下中的一者：（1）所提取離子能量中的離散能量階躍（step）（其中每一階躍的幅值是每轉（turn）的動能增益）；或者（2）具有大能量分散的所提取離子束。這兩個結果對於同位素生產（isotope production）或其中此技術已得到應用的其他商業應用是可接受的，而與半導體製造的要求不相容，在半導體製造中常常需要非常嚴格的束控制及再現性。

關於這些及其他考慮，提供了本發明。

在一個實施例中，提供一種裝置。所述裝置可包括迴旋加速器，迴旋加速器用於以初始能量接收離子束作為入射離子束且以經加速離子能量輸出離子束作為經加速離子束。所述裝置可更包括：RF源，用於向迴旋加速器輸出RF功率信號，RF功率源包括可變功率放大器；以及可移動剝離器，能夠進行平移以在連續的不同位置處攔截迴旋加速器內的離子束。

在另一實施例中，提供一種離子注入機。所述離子注入機可包括：離子源，用於產生負離子束，負離子束具有初始離子能量；以及迴旋加速器，用於以入射離子能量接收負離子束作為入射離子束且以經加速離子能量輸出負離子束作為正離子束。所述離子注入機可更包括：RF功率源，用於向迴旋加速器輸出RF功率信號，RF功率源包括可變功率放大器；以及可移動剝離器，能夠進行平移以在連續的不同位置處攔截迴旋加速器內的離子束。

在又一實施例中，一種產生高能量離子束的方法可包括：產生具有初始離子能量的負離子束；以及使負離子束在迴旋加速器的迴旋加速器腔室中加速。所述方法可包括：通過在迴旋加速器腔室中在預定軌道處放置可移動剝離器來對負離子束進行剝離以產生正離子束；以及對被施加到迴旋加速器的RF電壓的振幅進行調整。

在下文中，現將參照附圖來更充分地闡述根據本發明的裝置、系統及方法，在所述附圖中示出所述系統及方法的實施例。所述系統及方法可被實施為許多不同的形式且不應被視為僅限於本文中所述的實施例。確切來說，提供這些實施例是為了使本發明將透徹及完整，並將向所屬領域中的技術人員充分傳達所述系統及方法的範圍。

本文中所用的以單數形式敘述且前面帶有詞“一（a或an）”的元件或操作被理解為也潛在地包括多個元件或多個操作。此外，在提及本發明的“一個實施例”時並非旨在被解釋為排除也包括所敘述的特徵的附加實施例的存在。

本文中提供用於基於迴旋加速器架構的改善的高能量離子注入系統的方式。為簡潔起見，離子注入系統在本文中也可被稱為“離子注入機”。各種實施例提供用於提供產生高能量離子的能力的新穎構型，其中被輸送到基板的最終離子能量可為300 keV、500 keV、1 MeV、2 MeV、5 MeV或大於5 MeV。在示例性實施例中，可採用新穎的迴旋加速器總成以有利於產生被加速到高能量的單能離子束的方式來處理離子束，其中單能離子束的能量是連續可變的。

現在參照圖1A，以方塊的形式繪示出示例性離子注入機（示出為離子注入系統100）。離子注入系統100可表示束線離子注入機，為了闡釋清楚而省略一些元件。離子注入系統100可包括用於以第一離子能量產生離子束104的離子源102。根據本發明的各種非限制性實施例，離子源102是如所屬領域中已知的負離子源，其中省略各種元件。用於第一離子能量的合適離子能量的實例介於從5 keV到100 keV的範圍內，而實施例並不限於此上下文。根據特定的非限制性實施例，離子源102包括負氫離子源，以生成例如負氫離子束（H ^-）等離子種類（ion species）。為了形成高能量離子束，離子注入系統100包括用於使離子束104加速的各種附加元件。

離子注入系統100更包括注射總成（injection assembly）103（以下進一步論述），以將離子束104注射到迴旋加速器總成120中，所述迴旋加速器總成用於使離子束104加速，且輸出高能量離子束112。根據各種實施例，高能量離子束112可為正離子束。這樣一來，迴旋加速器總成120可用於使離子束104加速且從離子束104的負離子剝離電子，從而產生正離子。在一個實例中，離子束104是入射H ^-束，而高能量離子束112是H ⁺或質子束。然後，可將高能量離子束112導引通過各種下游束線元件115，在到達基板117之前，所述下游束線元件115可根據工具架構對束進行引導（steer）、整形（shape）或掃描。

注意，注射總成103可包括如所屬領域中已知的注射器（未單獨示出）。注射器用於將離子束104的方向從沿著y軸改變成進入橫向加速平面（即x-z平面）。

如圖1A中所示，迴旋加速器總成120可包括迴旋加速器106，迴旋加速器106用於以注射能量（在本文中被稱為‘入射離子能量’）接收離子束104作為負離子束。迴旋加速器106可用於以經加速離子能量將離子束104加速、轉換及輸出作為正離子束（示出為高能量離子束112）。迴旋加速器總成120更可包括RF功率源108，RF功率源108用於向迴旋加速器106輸出RF功率信號116。可將RF功率信號116施加到位於迴旋加速器106內的D形電極（dee），其中以下將更詳細地闡述D形電極的操作。簡而言之，D形電極可為彎曲的、相對的電極，所述彎曲的、相對的電極接收RF功率信號且與迴旋加速器磁體相互作用，以使離子束104在螺旋軌道（除非另有說明，否則如本文中所使用的用語“軌道”一般來說指迴旋加速器軌道）中加速（一般來說根據已知的迴旋加速器原理）。

根據本發明的各種實施例，RF功率源108可包括可變功率放大器，可變功率放大器使得RF功率信號116的電壓的振幅能夠以連續的方式變化。這樣一來，經加速離子束（即高能量離子束112）的能量可以連續的方式變化。還參照圖1B，圖1B繪示出迴旋加速器106的一種變型，離子束104在迴旋加速器106內被加速。離子束104的迴旋加速器路徑114將界定螺旋形狀，所述螺旋形狀由如圖所示具有增大的束半徑或束直徑的一個或多個軌道表徵。這樣一來，在給定的角位置處，相鄰軌道之間的離子能量將以階梯狀方式增大，如以下所詳述。通過提供可變功率放大器，可將RF功率信號116的電壓從未經調整的RF峰值電壓改變為經調整的RF峰值電壓，從而可將中間能量賦予離子束104，其中中間能量處於使用未經調整的RF峰值電壓在相鄰軌道處被賦予離子束104的離子能量之間。換句話說，連續地改變RF峰值電壓的能力使得離子能量能夠從最內部軌道位置處的最低離子能量到最外部軌道位置處的最高離子能量為連續可調整的。在一些實施例中，此能量範圍可橫跨2 MeV、4 MeV、6 MeV或大於6 MeV的範圍。

如本文中所使用，根據一些實施例，針對離子能量的用語‘連續可變’意指在給定能量Emin與第二能量Emax之間，使用如本文中詳述的元件、系統及方法，可從迴旋加速器以Emin與Emax之間的任何期望能量E將離子束重複地提取到 dE內。注意，可根據解析度而使 dE的值為任意小的，在所述解析度內，使用具有適當回饋的控制系統來控制RF電壓。

如圖1B中所示，具體來說，迴旋加速器106包括迴旋加速器腔室118及可移動剝離器110，可移動剝離器110可在迴旋加速器腔室118內進行平移以攔截多個迴旋加速器軌道，所述多個迴旋加速器軌道相對於迴旋加速器106的中心軸線位於多個徑向位置處。可移動剝離器110可將在位置122處進入的負離子束轉換成從右上方離開的正離子束，其中可移動剝離器110相對於迴旋加速器路徑114的位置將決定離開離子束（即高能量離子束112）的能量。可移動剝離器110可由薄導電片材或箔（例如石墨箔）形成。注意，D形電極123的形狀可根據不同的實施例而變化，且在圖1B中以簡單的構型示出。

轉向圖2，示出根據一些實施例的迴旋加速器106的變型。在此實例中，迴旋加速器106包括迴旋加速器腔室202，迴旋加速器腔室202具有多個迴旋加速器軌道（示出為迴旋加速器軌道204）。示出可移動剝離器206以及用於使離子束離開的多個離子束路徑（示出為離子束路徑210）。離子束路徑210表示從迴旋加速器軌道204中不同的迴旋加速器軌道204剝離的正離子的初始軌跡。通過將可移動剝離器206定位在不同的軌道處，可以階梯狀能量增量來修改離開離子束的能量，其中能量階躍的大小由當離子通過加速場前進一個軌道時離子所獲得的能量來界定。可對可移動剝離器206的確切位置進行調整，使得離子束路徑210全部在主迴旋加速器磁體107外部的給定位置C處相交。為了在統一方向上引導離開離子束，可如圖所示提供偶極組合磁體212。偶極組合磁體212可為電磁體。可相應地對被施加到偶極組合磁體212的電流進行調整，以沿著共用束線軸線（示出為z軸）引導經加速離子束214，而與由離子束路徑210中不同的離子束路徑210表示的經剝離正離子束的離子能量及初始軌跡無關。

如上所述，為了獲得處於離散的階梯狀能量增量（所述增量是通過將可移動剝離器206從一個迴旋加速器軌道移動到另一迴旋加速器軌道而產生）之間的離子能量，可使被施加到D形電極123（參見圖1B）的RF功率發生變化。舉例來說，為了賦予高能量離子束112介於近似1 MeV到7 MeV的範圍內的離子能量，鄰近迴旋加速器軌道之間的能量階躍小於20%。因此，在一些實施例中，在D形電極123之間施加的RF功率可變化高達±20%，所述功率變化將使D形電極電壓修改達±10%，且因此橫跨任意兩個相鄰迴旋加速器軌道之間的能量增量。小心地對可移動剝離器110的剝離器箔進行重新定位將使得可移動剝離器206的最內部邊緣能夠定位在迴旋加速器軌道之間。注意，根據一些實施例，剝離器箔可如在已知的迴旋加速器中那樣相對於離子束傳播的方向近似成直角佈置，且可具有合適的厚度（例如介於100 μm的範圍內）。另外，可能需要改變離子束104的經注射能量或經注射束（離子束104）的聚焦及偏轉。由於擾動是適度的（10%），因此此結果可簡單地通過以下方式來實現：重新調諧這些能量、聚焦及用於最大離子束傳輸的偏轉參數。

與已知的迴旋加速器佈置不同，且根據本發明的各種實施例，可移動剝離器110或可移動剝離器206可為連續可平移的，以在連續的不同位置處攔截迴旋加速器內的離子束。結合以連續方式改變RF功率信號116的電壓的振幅，可移動剝離器的這種連續移動有利於在寬的離子能量範圍內以連續可變的離子能量從迴旋加速器方便地提取經加速離子束的能力。因此，當對給定RF電壓信號的振幅進行調整時，對於恒定磁場，迴旋加速器腔室內離子束的螺旋軌道的位置將發生變化。由於可移動剝離器可在連續的位置之上以連續的方式進行平移，因此可將可移動剝離器位置精確地調整成與迴旋加速器軌道處的離子束的位置對應，所述迴旋加速器軌道與要從迴旋加速器提取的感興趣的離子能量對應。

如在已知的迴旋加速器中，且根據本發明的實施例，迴旋加速器106或類似的迴旋加速器包括迴旋加速器磁體（在圖1A到圖1B中未示出），以結合所施加的RF電壓產生離子束104的迴旋加速器軌道。迴旋加速器磁體或磁體總成的確切形狀可發生變化，而任何這種磁體均可產生大致與由D形電極產生的電場垂直地延伸的磁場。圖3A示出根據本發明實施例的迴旋加速器磁體300。迴旋加速器磁體300可適於在迴旋加速器106的變型中進行操作，其中D形電極的形狀不同於圖1B所示變型。在此變型中，迴旋加速器磁體300具有圓形構型，所述圓形構型具有四個高場區（示出為高場區302）以及多個低場區（示出為低場區304）。低場區304沿著圓弧交替設置在高場區302之間。在此實施例中，一對激勵（energized）D形電極可位於由低場區304界定的‘凹穴（pocket）’內。具體來說，第一激勵D形電極可設置在低場區304中的第一低場區304A中，且第二激勵D形電極可設置在低場區304中與第一低場區304A相對的第二低場區304B中。根據本發明的各種實施例，由低場區304形成的另外兩個凹穴可用於診斷元件及容納用於提取離子束的可移動剝離器。舉例來說，低場區304C可用於容納可移動剝離器110，而低場區304D用於容納診斷組件。根據一些實施例，由第一低場區304A及第二低場區304B形成的凹穴可各自佔據近似45度的弧形部分，使得第一激勵D形電極及第二激勵D形電極在被置於這些低場區內時可各別地佔據近似45度的類似弧形部分。

此種幾何形狀的效果是使用每一迴旋加速器軌道中的四個高場區及位於低場“凹穴”中的兩個激勵D形電極通過交變場強（alternating field strength）而提供更多的聚焦。在一些實施例中，迴旋加速器內離子束的所得直徑將小於或等於相鄰迴旋加速器軌道之間的軌道間隔。以此種方式，可通過小心地放置可移動剝離器110而從迴旋加速器106提取單能離子束，使得只有來自選定迴旋加速器軌道處的離子束的離子被剝離。

實例

根據一些實例，入射離子能量（離子束進入迴旋加速器中的注射能量）可處於10 keV與100 keV之間，且被施加到迴旋加速器中的D形電極的RF功率信號可具有25 kV到100 kV的峰值電壓。圖3B繪示出使用如圖3A中的磁體構型的迴旋加速器腔室310中的軌道幾何形狀。離子注射能量為30 keV，而D形電極之間的所施加RF電壓的峰值振幅（Vp）為55 kV，使得相鄰軌道之間的能量增量或階躍為220 keV。具體來說，圖3B繪示出穩定軌道312的形狀，其平均半徑是 r，由 r= mv/qB給出（其中m離子質量，v是離子速度，q是離子上的單位電荷，且B是磁場強度；其中，在國際單位制（System International，SI）單位中，m以千克為單位，v以公尺/秒為單位，q以庫侖為單位，且B以特斯拉為單位，且 r以公尺為單位）。注意，穩定軌道的詳細形狀示出半徑較緊的四個區與半徑較大的四個區交替。注意，穩定軌道是同時進行徑向聚焦與軸向聚焦的結果，且在聚焦場中加速頻率與離子的振盪頻率之間不存在共振。

圖4A繪示出連續迴旋加速器軌道的所計算平均迴旋加速器軌道半徑，以及相鄰迴旋加速器軌道的徑向間隔隨著1.3T的迴旋加速器磁場中的正氫離子的離子能量而變化。同樣，離子注射能量被設定為50 keV，而D形電極之間的所施加RF電壓的峰值振幅（Vp）為55 kV，使得相鄰軌道之間的能量增量為220 keV。注意，即使在非常高的能量下，相鄰軌道之間的間隔仍維持高於近似4 mm。

圖4B示出在圖4A的條件下相同平均迴旋加速器半徑隨著離子能量而變化，但是右手軸現在示出一個迴旋加速器軌道與下一個迴旋加速器軌道之間的相對能量改變。注意，對於高於1 MeV的離子能量，相鄰軌道之間的能量階躍小於20%，且對於高於2 MeV的離子能量，相鄰軌道之間的能量階躍小於10%。

根據本發明的各種實施例，直流（direct current，DC）（連續）離子束被提供給迴旋加速器，以使得迴旋加速器能夠將此DC離子束的一部份接受到加速方案中。連續離子束的其餘部分將撞擊內部束線元件且不會被迴旋加速器加速。以這種方式，迴旋加速器將用作它自己的聚束器，所述聚束器產生一聚束的離子。

注意，在穿行過迴旋加速器路徑的同時，一聚束的離子將不可避免地在軌道中的某個長度內散開，且此外，被施加到所述一聚束的離子的RF加速場將在某一範圍內散開，從而導致離子聚束在穿行過通電電極與地之間的間隙期間的某種不均勻加速，或者反之亦然。為了解決此問題，根據一些實施例，可使用複合RF信號來驅動迴旋加速器的D形電極，其中複合RF信號包括具有第一頻率的第一信號及具有第二頻率的第二信號，第二頻率是第一頻率的諧波。由於時域中要求的對稱性，因此奇次諧波（odd harmonic）頻率對於第二頻率是有用的，其中三次諧波頻率將對產生複合信號貢獻最大。在其他實施例中，添加一些五次諧波作為第二信號也可能有助於產生合適的複合RF信號，而在理論上，可採用將七次諧波及/或九次諧波作為附加RF信號添加到基本RF信號，同時對複合RF信號具有較小的影響。

圖5示出根據本發明實施例的在迴旋加速器中使用複合RF信號來提供離子的均勻加速。在此實例中，如曲線502所表示，產生第一RF信號。曲線502是正弦曲線，所述正弦曲線表示其振幅由sin(t)給出的所施加電壓信號。如曲線504所表示，產生第二RF信號。曲線504是另一條正弦曲線，所述另一條正弦曲線表示其振幅由0.131sin(3t)給出的所施加電壓信號。如曲線504所表示，產生第二RF信號。所述兩個RF信號是同步的，其中曲線502的每一零點與曲線504的零點對應。這樣一來，生成複合RF信號（曲線502與曲線504之和），如曲線506所表示。曲線506不再具有理想的正弦形狀，且可表徵為在近似1/3週期內具有平坦的頂部區，如圖所示。具體來說，添加具有一次諧波（sin(t)）的振幅的0.13倍的三次諧波（sin(3t)）為整個離子聚束提供0.2%以內的均勻加速。

圖5的實施例的結果將使得每一迴旋加速器軌道在任何給定的角位置處僅包含一個能量，且因此與鄰近迴旋加速器軌道分隔，只要離子源注射束的相空間分佈及發射度足夠小即可，且通過經注射離子源束與相空間中的迴旋加速器接收橢圓的適當匹配，可將發射度增長最小化。使用這些設計參數，鄰近迴旋加速器軌道之間的間隔大於5 mm。注意，根據前述實施例，磁場設計將允許小於5 mm軌道間隔的束大小，使得插入可移動剝離器箔，將經注射離子從負離子轉換成正離子將引起離子軌道曲率反轉且從主磁體發出（emerge）。可小心地對可移動剝離器箔的位置進行調整，使得不同能量的正離子軌跡全部相交於主迴旋加速器磁體外部的一點處。如先前所述，在此位置處，可使用簡單的偶極組合磁體來將離子束朝向下游射束線元件引導，下游射束線元件可根據工具架構對束進行引導、整形或掃描。

注意，為了維持目標離子束大小（例如低於相鄰軌道之間的5 mm間隔），可適當地對注射總成103的各種元件（例如偏轉器（未單獨示出））進行調諧。一般來說，將對這些注射器總成進行調整（調諧）以將離子束聚焦及引導到迴旋加速器（例如迴旋加速器106）中，以及盡可能地將經注射離子束的相空間分佈的大小、形狀及取向與迴旋加速器的接收橢圓匹配。如所屬領域中已知，這些接收橢圓實際上是本征橢圓，所述本征橢圓可使用適當的電腦模型從提取箔的位置到偏轉器出口處或附近的位置反向運行期望的所提取束特性來獲得。此過程將用於保持經注射離子源相空間橢圓在偏轉器出口處或附近與接收橢圓的形狀/取向對準。否則，如果經注射離子源相空間橢圓在偏轉器出口處或附近沒有與接收橢圓的形狀/取向良好地對準，那麼在加速束脈衝中的每一相切片（phase slice）處的束的相空間分佈可能在迴旋加速器內極大地增長。這種不對準情況可能導致束脈衝的每一相切片中的束大小大於相鄰軌道中的目標間隔（例如5 mm）。

在一些實例中，為了防止束脈衝的相寬度大於曲線506的平坦區（如圖5中所示），在迴旋加速器106中提供包括准直器及刮削器（scraper）的組件。這些元件被佈置成在迴旋加速器（例如迴旋加速器106）的第一軌道或第二軌道（即最內部軌道）中以小心的方式對離子束的束脈衝進行向上修整。還參照圖1A，在一些實施例中，可提供控制器105或控制系統來執行對束脈衝的修整（使用反饋回路來確保束脈衝的尾部被適當地去除），且生成“平坦”束脈衝，“平坦”束脈衝的相角範圍包含在正在產生的RF波形的平坦區內。

如先前所述，為了獲得相鄰軌道中產生的能量“階躍”之間的離子能量，可改變被施加到D形電極的RF功率，從而實現可移動剝離器的重新定位、改變離子注射能量以及離子束的聚焦或偏轉的某種組合。在所有這些情形中，仍然可對可移動剝離器進行定位，以攔截具有單能離子的離子束的給定軌道。

圖6繪示出根據本發明一些實施例的示例性製程流程600。在方塊602處，例如通過從離子源的提取而產生離子束作為負離子束。這樣一來，根據一些非限制性實施例，離子束可展現出介於10 keV與100 keV的範圍內的離子能量。在一些實施例中，負離子束可為負氫離子束。

在方塊604處，在迴旋加速器的迴旋加速器腔室中接收負離子束。根據一些實施例，可沿著迴旋加速器腔室的中心軸線在軸向上將負離子束注射到迴旋加速器腔室中。

在方塊606處，通過一個或多個迴旋加速器軌道來使負離子束在迴旋加速器腔室中加速。根據一些實施例，可通過以合適的峰值電壓（例如25 kV到100 kV的峰值電壓）向迴旋加速器腔室中的一對D形電極施加RF功率信號來使離子束加速。結合施加合適強度（例如1T、1.2T、1.4T等）的磁場，可將軌道彼此隔開合適的距離，例如至少幾毫米。

在方塊608處，在迴旋加速器腔室中在合適軌道處放置可移動剝離器，以將負離子束轉換成正離子束且提取正離子束。可移動剝離器可被佈置成合適的導電箔。

在方塊610處，對被施加到迴旋加速器的所述一對D形電極的RF功率信號的振幅進行調整。方塊610處的操作可發生以對從迴旋加速器提取的正離子束的能量進行調整，此乃因可根據離子能量以百分之幾到百分之二十左右的增量來增大相鄰軌道之間的能量。

在方塊612處，對去往組合偶極磁體的電流進行調整以將所提取軌跡中的任意者引導到共用束線軸線上。

鑒於前述內容，本文中揭露的實施例實現至少以下優點。第一個優點是通過提供一種使用迴旋加速器產生具有連續可變能量的高能量離子的方式來實現。各種實施例提供的第二個優點在於：從迴旋加速器提取的離子的能量可為單能的，從而潛在地消除了對例如能量分析器等束線元件的需要。本實施例在半導體處理的上下文中提供進一步的優點。舉例來說，根據本實施例的所提取離子的連續可變能量提供小心地對注入離子的注入深度進行調整的能力。此外，根據本實施例，單能離子束（例如單能正離子束）的產生使得能夠進行對離子束的精確掃描及准直。

儘管本文中已闡述了本發明的某些實施例，但本發明並不僅限於此，這是因為本發明的範圍具有所屬領域將允許的及本說明書所表明的最廣範圍。因此，上述說明不應被視為限制性的。所屬領域中的技術人員將想到在申請專利的範圍及精神內的其他修改。

100:離子注入系統 102:離子源 103:注射總成 104:離子束 105:控制器 106:迴旋加速器 107:主迴旋加速器磁體 108:RF功率源 110、206:可移動剝離器 112:高能量離子束 114:迴旋加速器路徑 115:下游束線元件 116:RF功率信號 117:基板 118、202、310:迴旋加速器腔室 120:迴旋加速器總成 122、C:位置 123:D形電極 204:迴旋加速器軌道 210:離子束路徑 212:偶極組合磁體 214:經加速離子束 300:迴旋加速器磁體 302:高場區 304、304C、304D:低場區 304A:第一低場區 304B:第二低場區 312:穩定軌道 502、504、506:曲線 600:製程流程 602、604、606、608、610、612:方塊 y、z:軸

圖1A示出根據本發明實施例的示例性離子注入系統。 圖1B繪示出根據本發明實施例的迴旋加速器的一種變型。 圖2示出根據本發明一些實施例的迴旋加速器的另一變型。 圖3A示出根據本發明實施例的迴旋加速器磁體。 圖3B繪示出根據本發明實施例的由圖3A所示迴旋加速器磁體產生的平衡軌道的形狀。 圖4A繪示出根據本發明的一個實施例的連續迴旋加速器軌道的平均迴旋加速器軌道半徑，以及相鄰迴旋加速器軌道的徑向間隔隨著離子能量而變化。 圖4B示出在圖4A的條件下相同平均迴旋加速器半徑隨著離子能量而變化，以及一個迴旋加速器軌道與下一個迴旋加速器軌道之間的相對能量改變。 圖5示出根據本發明實施例的在迴旋加速器中使用複合RF信號來提供離子的均勻加速。 圖6繪示出根據本發明一些實施例的示例性製程流程。 所述圖式未必按比例繪製。所述圖式僅為示意圖，並非旨在描繪本發明的具體參數。所述圖式旨在繪示本發明的示例性實施例，且因此不應被視為對範圍進行限制。在所述圖式中，相同的編號表示相同的元件。

100:離子注入系統

102:離子源

103:注射總成

104:離子束

105:控制器

106:迴旋加速器

107:主迴旋加速器磁體

108:RF功率源

110:可移動剝離器

112:高能量離子束

115:下游束線元件

116:RF功率信號

117:基板

120:迴旋加速器總成

y、z:軸

Claims (20)

1. 一種裝置，包括： 迴旋加速器，用於以初始能量接收離子束作為入射離子束，且以經加速離子能量輸出所述離子束作為經加速離子束； 射頻源，用於向所述迴旋加速器輸出射頻功率信號，所述射頻功率源包括可變功率放大器；以及 可移動剝離器，能夠進行平移以在連續的不同位置處攔截所述迴旋加速器內的所述離子束。
2. 如請求項1所述的裝置，其中所述入射離子束包括負氫離子束，且其中所述經加速離子束包括質子束。
3. 如請求項1所述的裝置，所述迴旋加速器更包括： 迴旋加速器腔室，其中所述可移動剝離器能夠在所述迴旋加速器腔室內進行平移以攔截多個迴旋加速器軌道，所述多個迴旋加速器軌道相對於所述迴旋加速器的中心軸線位於多個徑向位置處。
4. 如請求項3所述的裝置，所述迴旋加速器更包括迴旋加速器磁體，所述迴旋加速器磁體與所述射頻源相互作用以產生所述多個迴旋加速器軌道， 其中所述多個迴旋加速器軌道由相鄰迴旋加速器軌道之間的軌道間隔進行表徵， 且其中所述離子束的束直徑小於或等於所述多個迴旋加速器軌道的所述軌道間隔的最小值。
5. 如請求項1所述的裝置，更包括迴旋加速器磁體，所述迴旋加速器磁體包括具有四個高場區及多個低場區的圓形構型，所述多個低場區沿著圓弧交替設置在所述高場區之間。
6. 如請求項5所述的裝置，更包括設置在所述多個低場區中的第一低場區中的第一激勵D形電極、以及設置在所述多個低場區中與所述第一低場區相對的第二低場區中的第二激勵D形電極，所述第一激勵D形電極與所述第二激勵D形電極被耦合以接收所述射頻功率信號。
7. 如請求項6所述的裝置，其中所述第一激勵D形電極及所述第二激勵D形電極被各別地佈置成佔據近似45度的弧形部分。
8. 如請求項1所述的裝置，其中所述射頻功率信號包括複合信號，所述複合信號包括具有第一頻率的第一信號及具有第二頻率的第二信號，所述第二頻率是所述第一頻率的奇次諧波。
9. 一種離子注入機，包括： 離子源，用於產生負離子束，所述負離子束具有初始離子能量； 迴旋加速器，用於以入射離子能量接收所述負離子束作為入射離子束，且以經加速離子能量輸出所述負離子束作為正離子束； 射頻功率源，用於向所述迴旋加速器輸出射頻功率信號，所述射頻功率源包括可變功率放大器；以及 可移動剝離器，能夠進行平移以在連續的不同位置處攔截所述迴旋加速器內的所述離子束。
10. 如請求項9所述的離子注入機，所述迴旋加速器更包括： 迴旋加速器腔室，其中所述可移動剝離器能夠在所述迴旋加速器腔室內進行平移以攔截多個迴旋加速器軌道，所述多個迴旋加速器軌道相對於所述迴旋加速器的中心軸線位於多個徑向位置處。
11. 如請求項10所述的離子注入機，所述迴旋加速器更包括迴旋加速器磁體，所述迴旋加速器磁體與所述射頻源相互作用以產生多個迴旋加速器軌道，所述多個迴旋加速器軌道由相鄰迴旋加速器軌道之間的軌道間隔進行表徵，其中所述離子束的束直徑小於或等於所述多個迴旋加速器軌道的所述軌道間隔的最小值。
12. 如請求項9所述的離子注入機，更包括迴旋加速器磁體，所述迴旋加速器磁體包括具有四個高場區及多個低場區的圓形構型，所述多個低場區沿著圓弧交替設置在所述高場區之間。
13. 如請求項12所述的離子注入機，更包括設置在所述多個低場區中的第一低場區中的第一激勵D形電極、以及設置在所述多個低場區中與所述第一低場區相對的第二低場區中的第二激勵D形電極，所述第一激勵D形電極與所述第二激勵D形電極被耦合以接收所述射頻功率信號。
14. 如請求項13所述的離子注入機，其中所述第一激勵D形電極及所述第二激勵D形電極被各別地佈置成佔據近似45度的弧形部分。
15. 如請求項9所述的離子注入機，其中所述入射離子能量介於10 keV與100 keV之間，且其中所述射頻功率信號包括25 kV到100 kV的峰值電壓。
16. 如請求項9所述的離子注入機，其中所述射頻功率信號包括複合信號，所述複合信號包括具有第一頻率的第一信號及具有第二頻率的第二信號，所述第二頻率是所述第一頻率的諧波。
17. 一種產生高能量離子束的方法，包括： 產生具有初始離子能量的負離子束； 使所述負離子束在迴旋加速器的迴旋加速器腔室中加速； 通過在所述迴旋加速器腔室中在預定軌道處放置可移動剝離器來對所述負離子束進行剝離以產生正離子束；以及 對被施加到所述迴旋加速器的射頻電壓的振幅進行調整。
18. 如請求項17所述的方法，其中所述初始離子能量介於10 keV與100 keV之間，且其中使所述負離子束加速包括以25 kV到100 kV的峰值電壓將射頻功率信號施加到所述迴旋加速器中的一對D形電極。
19. 如請求項18所述的方法，其中所述射頻功率信號包括複合信號，所述複合信號包括具有第一頻率的第一信號及具有第二頻率的第二信號，所述第二頻率是所述第一頻率的諧波。
20. 如請求項17所述的方法，其中所述可移動剝離器能夠進行平移以在連續的不同位置處攔截所述迴旋加速器內的所述負離子束， 以連續可調整的離子能量產生單能正離子束。