TWI508127B - 用於離子束處理的磁場減少設備和磁等離子淹沒系統 - Google Patents

Description

用於離子束處理的磁場減少設備和磁等離子淹沒系統

本發明關於一種離子束植入和離子束處理，且更明確地說，係關於以對一離子束有最小擾動的方式將等離子分散至該離子束之中的等離子淹沒設備。

相關申請案之交叉參考

本申請案於35 U.S.C.§119(e)的規範下主張2011年11月9日提申的臨時專利申請案第61/557,686號的權利，本文以引用的方式將該先前申請案併入。

離子植入慣常在半導體製造之中被用來將摻雜物原子加至一半導體晶圓，並且用以進行各種材料改質，例如，對一製程表面進行濺鍍或是對一晶格進行非晶化(amorphization)。等離子淹沒裝置經常被使用在半導體離子植入束線上。它們原先係被開發用來取代電子淹沒系統，用以將電子引入離子束傳輸區之中。淹沒電子係用來最小化該製程表面處由離子束所造成的正電帶電破壞(positive charging damage)。淹沒電子還能夠用來中性化離子束空間電荷，從而減少射束偏離。然而，經發現，電子淹沒系統有時候會導致負電帶電破壞(negative charging damage)。等離子淹沒已被證實在減少正電帶電破壞和負電帶電破壞兩者比較有效。磁濾波器的用法已 經被開發成用以最小化和被用來產生該淹沒等離子本身的主要電子相關聯的負電帶電破壞。

舉例來說，請參考本案發明人早期在1996年8月13日所提申之美國專利案第5,545,257號之中的發明揭示內容，該案的標題為「用以在半導體處理中產生冷等離子的磁濾波器設備和方法(Magnetic Filter Apparatus and Method for Generating Cold Plasma in Semiconductor Processing)」；另外，亦可參考Hiro Ito等人在1998年於日本京都舉行的離子植入技術國際研討會會議記錄(1998 International Conference on Ion Implantation Technology Proceedings)，NJ-IEEE 1999，第478至481頁，之中所發表的文章「用於晶圓電荷中性化的高密度等離子淹沒系統(High Density Plasma Flood System for Wafer Charge Neutralization)」。

相較於電子淹沒系統，等離子淹沒系統的額外好處係射束電荷中性化的程度會比較大，尤其是，倘若等離子的離子密度等於或是超過離子束粒子密度的話。一完全未中性化的離子束會因為電荷排斥的關係而有很大的偏離。這稱為空間電荷偏離。除了有強烈的電場存在時，舉例來說，在一加速間隙中，大部分的離子束都會變成部分中性化。和一離子束相關聯的高正電電位會從區域性接地導體處吸引電子並且強力地陷捕自由電子。又，許多離子束會有足夠的能量來離子化背景氣體，而且該射束電位會陷捕生成電子，同時排斥生成離子。和此等組合製程相關聯的射數空間電荷中性化經常會被稱為背景中性化，其可能非常顯著，但是，通常會小於100%。

近年來，對束線植入工具之中的處理來說，低能量離子束(能 量小於10keV)已經變得很重要。一般來說，背景氣體之射束離子化的剖面在低能量處會大幅地縮減。也就是，低能量射束會產生比較少之因背景氣體離子化所造成的自由電子。這使得在低能量束線植入中等離子淹沒的空間電荷中性化功能特別重要，甚至在特定的製程中還不需要進行正電帶電破壞控制。然而，其仍會需要磁濾波器效應以確保有能量的淹沒電子會受到抑制而不會抵達該射束目標件和造成負電帶電破壞。

等離子淹沒通常係由直流電弧來供電。所以，本發明的重點放在基於弧光的淹沒系統(arc-based floods)。然而，磁場對自由電子的效應同樣適用於RF供電的等離子，或是適用於微波供電，其因為可能的電子迴旋加速共振和等離子截止的關係而有點複雜。

最簡單的等離子離子源不會使用任何外加磁場，而且有時候會被稱為無磁場(magnetic field-free)。舉例來說，一無磁場弧光僅會有：一腔室；一陽極，其可能係該腔室本身；一氣體源；以及一陰極。某些商用的等離子淹沒系統使用無磁場等離子源設計。請參考Wan等人在由B.Brown等人所編輯之於美國新墨西哥州陶斯市舉行的第14屆離子植入技術國際研討會會議記錄(Proc.14th Int.Conf.on Ion Implantation Tech.)，第432至435頁，之中所發表的文章「用於密集離子束植入的水冷式淹沒源(Water Cooled Flood Source for Intense Ion Beam Implantation)」。無磁場離子源雖然具有簡單的優點；但是，提供效能最佳化的機會則相當有限。

磁場慣常在等離子源之中被用來改善特定的效能特徵，例如，功率效率、氣體效率、離子粒種、或是源頭壽命(source life)。

以本案發明人先前專利案第US 5,545,257號之中所述原理為 基礎的商用等離子淹沒系統已經販售很多年。該等系統有時候會被稱為高密度等離子淹沒系統(High Density Plasma Flood System，HD PFS)而本說明書中將保留此用語。第1圖之中顯示HD PFS的俯視剖面圖。此圖中，離子粒種係沿著一離子束2從一離子束產生器1處流出。為簡化起見，圖中並未顯示離子束產生器1的各種元件，換言之，圖中並未顯示離子源、分析器、加速系統、聚焦系統、以及類似物。唯一重要的係該離子束2已經先被產生。該HD PFS係被鑲嵌在束線導向管3上，在製程目標件4的前面。淹沒等離子係利用一陰極燈絲6在一弧光腔室9之中被產生，該陰極燈絲6已經過形狀設計並且被放置在由原始磁鐵7發出的磁場之中。該燈絲、原始磁鐵、以及磁軛環8會被設計成用以達成磁濾波器的效果，其中，來自該燈絲的主要電子必須在自由前進至該製程表面之前先跨越磁場。有能量的電子會藉由碰撞事件跨越磁場，這會導致能量損失。

在第2圖中圖解的係使用在該商用產品之中的排列磁鐵10。最靠近該弧光腔室的兩個磁鐵具有面向該原始磁鐵的相反極性。這會將磁通量連結至該原始磁場並且提高電子放射電流。其餘的導向管磁鐵則用來將放射電子分佈在該射束剖面周圍，同時最小化跨越該射束2的磁通量。這便係商用的高密度等離子淹沒系統。因為HD PFS的發明，具有既細且極為狹長之形狀的射束(稱為帶狀射束(ribbon beam))在商業用途中已變得非常普及。

本發明的目的係提供一種冷等離子磁淹沒系統，其會減少跨越該射束區的磁通量，但卻不需要使用在HD PFS之中所用到之完全連結的 導向管磁鐵組。雖然適用於其它系統；不過，本發明係提供在適合用於離子帶狀射束處理的磁鐵淹沒系統之中。

為達前述和其它目的，根據本發明，提供一種離子束處理系統，其包括：一離子束產生器；一等離子淹沒裝置，其係被設置用以將帶電的粒子淹沒至該離子束之中，該等離子淹沒裝置包含一具有一等離子開口的等離子產生器，用以送入該離子束區域之中；一磁鐵系統，其具有一第一磁鐵和至少一第二磁鐵，該第一磁鐵係被配置成用以建立一用於等離子生成的第一磁場，該至少一第二磁鐵係被設置在該離子束中位於該等離子開口的反向處並且會被配置成用以建立一第二磁場，以便抵消該第一磁場並且在該離子束的區域之中實質上產生一零磁場(null field)。

根據本發明的一項額外特點，該系統的第一磁鐵係一被設置在該等離子淹沒裝置的弧光腔室之中的原始磁鐵。一原始磁軛環可能會被用來增強及/或整形該弧光腔室裡面的磁場。熟習本技術的人士便會瞭解，該軛環和該腔室可能會或者可能不會分離。一般來說，一分離的腔室會被用來為該軛環提供熱隔絕，並且同時用以減少金屬污染。

根據本發明的一項附屬性的特點，至少一額外的磁鐵會被提供作為設置在該射束之相反側的複數個永久性磁鐵，以便產生一實質上對應於該離子束之剖面的零磁場。

在HD PFS中，該原始磁軛環係用以增強可在該陰極處取得的磁場強度。該等導向管磁鐵有下面多項用途。第一項用途係它們會提供和單鉤形(monocusp)原始磁場的磁性連結，以便提高經由該孔徑進入該導向管之中的淨帶電粒子電流(亦稱為放射電流)。第二項用途係它們會將淹沒電 子分佈圍繞該導向管。第三項用途係它們會在該導向管中心的射束傳輸區域之中創造一低磁場區域(亦稱為零磁性(magnetic null))。於由弧光供電之等離子的情況中，該陰極燈絲的加熱電流也會貢獻一磁場。然而，該燈絲可能會被設計成使得該加熱器電流的偶極場不會延伸至該射束區域之中。

零磁性的目的係要最小化該等淹沒磁場對該離子束所造成的擾動。跨越該射束傳輸區有明顯的淹沒磁場存在會有損於射束均勻性，其係在帶電粒子跨越一磁場時由基本的v×B作用力所造成。為達工具接收度通常會需要有指定的製程均勻性，因此，該淹沒不應該造成「明顯的」射束不均勻性。在本文中，「明顯的」概念係由製程來定義並且係由客戶來定義，而且其會不斷地進化發展。舉例來說，目前某些客戶可能針對特定的製程要求小於2%的劑量不均勻性，而其它客戶則可能要求1.5%。工具診斷和控制系統能夠稍微補償射束不均勻性，舉例來說，於某些系統中，可以5%的射束密度不均勻性達到2%的劑量均勻性。然而，用以達到製程規格射束的壓力相當大，因此，以無擾動的淹沒設計為宜。

自從開發出HD PFS，如上面所述，帶狀射束已變得非常普及。和點狀射束不同的係，帶狀射束在其中一個維度中為狹長，而在另一個維度中則為細薄，所以，稱為帶狀。舉例來說，該射束的標稱剖面寬度可能為3cm，而長度可能為20cm。

根據本發明，一和一離子束進行交換的磁等離子源包含一會在該離子束之區域中的橫向磁場之中產生零值(null)的磁性設計，以便減少淹沒磁通量對該離子束所造成的擾動。本發明併入最少的兩個磁鐵。原始磁場係用來增強所希的弧光效能特徵，例如，電力效率、氣體效率、或是 使用壽命(service life)，並且可能包含用於帶電控制的磁濾波器效應。至少一額外的磁鐵會特別被併入，以便減少橫越該製程離子束的總磁通量。

在隨附的申請專利範圍中會提出被視為本發明之特徵的其它特點。

本文中雖然以用於離子束處理的磁場減少設備和磁等離子淹沒系統的具現方式來圖解和說明本發明；然而，其並沒有受限於圖中所示之細節的意思，因為仍可以對其進行各種修正和結構性的改變，這並不會脫離本發明的精神並且會落在申請專利範圍之等效例的範疇與範圍裡面。

不過，配合隨附圖式來閱讀下面特定實施例的說明時便會對本發明的構造和操作，連同其額外的目的和優點，有最佳的理解。

1‧‧‧離子束產生器

2‧‧‧離子束

3‧‧‧導向管

4‧‧‧製程目標件

5‧‧‧弧光腔室

6‧‧‧陰極燈絲

7‧‧‧原始磁鐵

8‧‧‧原始磁軛環

9‧‧‧弧光腔室

10‧‧‧磁鐵

11‧‧‧襯條

第1圖所示的係根據先前技術之用於一離子束系統的高密度等離子淹沒系統的概略側俯視圖；第2圖所示的係根據先前技術之貫穿一束線和磁淹沒系統所取得之一高密度等離子淹沒系統的概略側視切面圖；第3A圖所示的係一高密度等離子淹沒系統的概略側視切面圖，其圖解根據先前技術的磁鐵和軛環；第3B圖所示的係根據先前技術之第3A圖的裝配件的磁場的橫向分量的強度輪廓，而第3C圖則加入橫越該磁場的離子束的略示圖；第4A圖、第4B圖、第4C圖所示的係根據先前技術的磁淹沒系統的 進一步實施例，其已經過調整適應於一具有帶狀幾何形狀的離子束；第5圖所示的係根據本發明的帶狀射束淹沒系統之修正例的示意圖，其省略某些該等連結導向管磁鐵；第6圖所示的係根據本發明，用於該磁淹沒系統的導向管磁鐵之擺放的另一範例實施例的雷同示意圖；第7A圖、第7B圖、第7C圖所示的係根據本發明的一簡化系統，其具有單一原始磁鐵和單一導向管磁鐵；第8圖所示的係本發明的一範例實施例的示意圖，其具有兩道離子束以及兩個反向設置的淹沒系統；以及第9圖所示的係本發明的一範例實施例的雷同示意圖，其具有單一離子束以及兩個反向設置的等離子淹沒系統。

現在詳細參考圖式，首先，明確地說，參考第1圖與第2圖，圖中所示的係HD PFS的主要重要元件。該等離子主要重要元件包含：一原始磁鐵7、一原始磁軛環8、一弧光腔室9、一陰極燈絲6、一氣體饋送器、以及一導向管3。離子束方向正交於第2圖中的圖面。該先前技術系統的離子束2係一點狀射束。此處，本發明則係關於帶狀射束。又，一般來說，帶狀射束系統雖然係植入單一製程目標件4；然而，亦可以提供多個晶圓系統。

更明確地說，第1圖所示的係根據先前技術之用於一離子束系統的高密度等離子淹沒系統。該系統包含一離子束產生器1、一離子束2、一束線3(視情況，其會具有壁部)、一製程目標件4、一弧光腔室5、一陰極燈絲6、一原始磁鐵7、一磁鐵軛環8、以及一弧光體積(arc volume)9。

應該瞭解的係，該弧光腔室5和該磁鐵軛環8物理特性上經常不相同，用以隔絕該軛環和弧光熱能以及隔絕該等離子和軛環金屬。

第2圖中的高密度等離子淹沒系統係貫穿根據先前技術的一束線和磁淹沒系統所取得的概略側視切面圖。於此情況中，離子束2會被一壁部3包圍，該壁部稱為「導向管」(其並非係功能描述名稱)，其係用以鑲嵌一組相互連結的磁鐵10。第2圖中的射束方向為射入或射出圖面。在目前的商用產品中，該等導向管磁鐵為相同尺寸的導向管磁鐵，它們具有相同的尺寸並且以磁性方式連結。最靠近該弧光腔室的兩個磁鐵具有面向該原始磁鐵的相反極性。這會將磁通量連結至該原始磁場並且提高電子放射電流。其餘的導向管磁鐵則用來將放射電子分佈在該射束剖面周圍，同時最小化跨越該離子束2的磁通量。

該磁系統包含該原始磁鐵7和該等導向管磁鐵9以及一原始磁軛環8。在美國專利案第5,545,257號之中所述的冷等離子磁濾波器效應係藉由設計該原始磁鐵和該主要電子電源(於此案中其係一陰極燈絲)來達成。在本案發明人先前的美國專利案第5,545,257號敘述額外的細節而且本文以引用的方式將其完整併入。

第2圖所示的係一原始磁鐵7、一原始磁軛環8、以及數個策略性擺放的導向管磁鐵10之分佈的基本圖式。第2圖中的射束方向為射入或射出圖面。圖中所示的刻度顯示出，本文中所使用的導向管的約略直徑為10cm。

如圖中的刻度所示，該HD PFS約略橫跨10至20cm。為達淹沒的效用，可以放射電流來追蹤效能。然而，對此應用來說，磁擾動會 和該射束跨越貫穿的橫向磁場的總Gauss-cm數額成正比縮放。據此，該射束區的場強度以及場的深度兩者都要納入計算。進一步言之，和晶圓相隔的距離會影響用於進行帶電控制所需要的放射電流；但是，除此之外，其會隨著工具不同而有明顯的差別。一般來說，最佳的方式係讓該淹沒系統靠近該晶圓；但是，實際的位置通常係由該特定的束線架構來規定。

第3A圖、第3B圖、以及第3C圖所示的係直接調適該HD PFS磁鐵系統使其適應於一帶狀離子束。其中，該調適的特徵在於其會加入多個導向管磁鐵，以便在一廣大，但是細薄，的射束中保持磁性連結。圖中所示的離子束2為一橢圓形。應該瞭解的係，該射束的邊界並不如圖中所示般的鮮明，其僅係一種近似表現。從圖中會看見，磁鐵分佈會在中央造成一近似該射束之形狀的零磁場。

第4A圖、第4B圖、以及第4C圖所示的係一具有多個額外、策略性分佈的導向管磁鐵的帶狀射束淹沒系統。該系統所造成的磁場顯示在第4B圖之中，而離子束2的近似區域則顯示在第4C圖之中。

第3A圖、第3B圖、第3C圖以及第4A圖、第4B圖、第4C之中的連結HD PFS磁幾何形狀實際上可能並非一冗長的帶狀射束。

第5圖所示的係一不具有該HD PFS配置之磁性連結的帶狀射束淹沒系統，其係被設計成用以最小化該射束區域之中的橫向磁通量。也就是，第5圖的HD PFS磁設計藉由移除連結頂端和底部的末端磁鐵而被調適成適應於一冗長的帶狀射束。此配置會最小化橫向磁場，但卻會保持連接至原始磁場的通量連結，以便幫助確保發射電子分佈。該等磁鐵的極性排列係由該等導向管磁鐵10的有向性擺放來表示。

以少量的磁鐵會達到該原始磁場的品質抑制(quality cancellation)效果，舉例來說，如第6圖之中所示。該圖中，靠近該原始磁鐵的兩個導向管磁鐵係被用來提高放射電流，而和該原始磁鐵反向的五個磁鐵則係被用來讓該射束區域之中的淨原始磁場變成零。因為在該射束區域之中沒有任何明顯的延伸磁場，所以，此配置能夠配合一帶狀射束來使用。

本發明的其中一項主要目標係藉由減少用以創造零磁場之磁鐵的數量來簡化系統，較佳的係，將磁鐵數量減少為一個。此修正顯示在第7A圖、第7B圖、第7C圖之中，其中，該分離的導向管結構已被移除，而且單一個零化磁鐵9以和該單鉤形原始磁鐵反向的方式被鑲嵌在該束線上。換言之，用以在該射束區域之中創造一低橫向磁場所需要之磁鐵的最小數量為一個。因此，第7圖的配置顯示和該離子源反向的單一磁鐵7，用以零化該淨原始磁場並且在該射束區域之中創造一微弱的橫向磁場。因為其在該射束區域之中沒有任何延伸的磁場，所以，此配置相容於帶狀離子束幾何形狀。該原始磁鐵軛環係用來提高該陰極區域之中的磁場強度並且影響該射束區域之中的零磁場的位置。

為創造該射束的低橫向磁場區未必需要用到一原始磁軛環。根據本發明僅為必要的磁元件係該原始磁鐵7以及該反向擺放的零化磁鐵10。

上面的配置使用單一等離子淹沒源以及各式各樣的策略來擺放多個導向管磁鐵以便幫助放射電子在該帶狀射束之中的空間分佈。最小的磁配置僅使用單一個零化磁鐵並且依賴於淨射束等離子空間電荷侷限作用來確保淹沒電子分佈。然而，較佳的係，可以使用多個等離子淹沒源 在一大型的帶狀射束中產生足夠的放射電流。進一步言之，其可以結合二或多個等離子淹沒系統以及二或多道帶狀射束。

一雙來源、雙射束系統圖解在第8圖之中。此圖中提供彼此平行傳導的兩道離子束2。該等離子束2會被一襯條11分離。該等兩個淹沒源會被設置成彼此相向並且面向該等兩道離子束2。該等等離子淹沒系統中的磁鐵7會以一被整合在該襯條11之中的零化磁鐵為基準彼此反向。

一種根據本發明的雙淹沒、單一射束系統圖解在第9圖中。其和第8圖中的圖例相當雷同；不過，具有磁鐵10的襯條11已被移除，而第8圖中的離子束2現在則變成單一離子束2。於此案例中係藉由以彼此反向的方式來鑲嵌該等淹沒系統，也就是，該等磁鐵7(具有或是不具有軛環8)，用以達到最佳的零磁性。其不需要用到任何導向管磁鐵，因為該零磁場係由該等兩個磁鐵7來定義。該系統必須謹慎地設計，因為其可能不會產生非常均勻分佈的淹沒電子。又，在進一步的修正例中則係藉由以並排的方式鑲嵌多個淹沒源，配合以和每一個淹沒源反向的方式被鑲嵌的多個零化導向管磁鐵，來產生一卓越的淹沒分佈。

上面的內文參考數篇已公開的文章。為閱讀人之方便，本文將此等文章列出：

▪Ito，Hiro等人在1998年於日本京都舉行的離子植入技術國際研討會會議記錄(1998 International Conference on Ion Implantation Technology Proceedings)，NJ-IEEE 1999，第478至481頁，之中所發表的文章「用於晶圓電荷中性化的高密度等離子淹沒系統(High Density Plasma Flood System for Wafer Charge Neutralization)」。

▪Wan,Z.、Chen,L.、以及Chen,J.在由B.Brown等人所編輯之於美國新墨西哥州陶斯市舉行的第14屆離子植入技術國際研討會會議記錄(Proc.14th Int.Conf.on Ion Implantation Tech.)，第432至435頁，之中所發表的文章「用於密集離子束植入的水冷式淹沒源(Water Cooled Flood Source for Intense Ion Beam Implantation)」。

2‧‧‧離子束

6‧‧‧陰極燈絲

7‧‧‧原始磁鐵

10‧‧‧磁鐵

11‧‧‧襯條

Claims (9)

1. 一種離子束處理系統，其包括：一離子束產生器和一處理目標件；一等離子淹沒裝置，其係被設置用以將帶電的粒子淹沒至該離子束區域之中，該等離子淹沒裝置包含一具有一孔徑的等離子產生器，用以送入該離子束區域之中；以及一磁鐵系統，其具有一原始磁鐵和至少一束線(beamline)磁鐵，該原始磁鐵係被配置成用以建立一生效於該等離子產生器的陰極區域之中的磁場，該至少一束線磁鐵係被設置為橫跨該離子束位於該原始磁鐵的反向處並且係被配置成用以建立一束線磁場，其有效地延伸進入該離子束中以抵消該原始磁鐵的磁場，並且在該離子束的區域之中實質上產生一零磁場。
2. 根據申請專利範圍第1項的離子束處理系統，其中該離子束線具有實質上為矩形的剖面，用以引導一帶狀射束，該帶狀射束於其中一個方向中具有比較窄小的範圍而在垂直於該其中一個方向的另一個方向中具有比較寬大的範圍。
3. 根據申請專利範圍第1項的離子束處理系統，其中該等離子產生器係一由直流電弧來供電的直流淹沒產生器。
4. 根據申請專利範圍第3項的離子束處理系統，其中該等離子產生器包含一由直流電力或是由交流電力來供電的陰極燈絲。
5. 根據申請專利範圍第1項的離子束處理系統，其中該磁鐵系統的原始磁鐵係設置在該等離子淹沒裝置的一弧光腔室之中的原始磁鐵，而且該弧光腔室係被配置成用以形成一原始磁軛環。
6. 根據申請專利範圍第1項的離子束處理系統，其中該至少一束線磁鐵 係被設置在該離子束導處的複數個永久性磁鐵中的其中一者，以便產生一實質上對應於具有帶狀幾何形狀的該離子束之剖面的狹長零磁場。
7. 根據申請專利範圍第5項的離子束處理系統，其中該等離子產生器係由射頻(RF)電力來供電，其中該陰極係被一設置在該弧光腔室內部或是外部的RF耦合器和電源供應器取代。
8. 根據申請專利範圍第3項的離子束處理系統，其中該等離子產生器係由微波電力來供電，其中該陰極係被一微波耦合器和電源供應器取代。
9. 根據申請專利範圍第1項的離子束處理系統，其中該磁鐵系統係由該原始磁鐵以及單一個的束線磁鐵所組成，該原始磁鐵係被配置成用以建立一生效於該等離子產生器的陰極區域之中的磁場，而該單一個的束線磁鐵係被設置成用以在該離子束的區域之中實質上產生一零磁場。