用於離子束聚焦的系統和方法

2023-06-06 12:27:56

專利名稱：用於離子束聚焦的系統和方法
技術領域：
本發明總體上涉及離子注入系統，且更尤其涉及於離子注入系統中聚焦被掃描的離子束的聚焦裝置與方法。
背景技術：
在半導體器件與其他產品的製造中，離子注入被用於以雜質來摻雜半導體晶片、顯示器面板、或其他的工件。離子注入器或離子注入系統利用離子束來處理工件，以產生n型或p型的摻雜區域或形成保護層於工件中。當用於摻雜半導體晶片時，離子注入系統注入選擇的離子種類至晶片中，以產生期望的非本徵(extrinsic)材料，其中，由諸如銻、砷或磷的源材料所產生的注入離子造成n型的非本徵材料晶片，而諸如硼、鎵或銦的注入材料產生p型的非本徵材料部分於半導體晶片中。
圖1示出一種常規的離子注入系統10，其具有端子12、束線組件14與末端站(end station)16。端子12包括離子源20，其由高電壓電源22供電，其產生及導引離子束24至束線組件14。束線組件14由束導32與質量分析器26構成，其中，雙極的磁場被建立以經由束導32的出口端的解析縫隙34而僅通過適當的電荷對質量比的離子至末端站16中的工件30(例如半導體晶片、顯示器面板、等等)。離子源20產生帶電的離子，這些帶電的離子為自該源20所引出且形成離子束24，該離子束24被導引沿著束線組件14中的束路徑至末端站16。離子注入系統10可包括延伸於離子源20與末端站16之間的束形成與成形(shaping)結構，其維持離子束24且界定細長的內部腔或通道，通過其，束24被輸送至支撐於末端站16中的一個或多個工件30。離子束輸送通道典型為抽真空的，以降低離子通過與空氣分子碰撞而偏離該束路徑的可能性。
低能量注入器典型地被設計成提供數百電子伏特(eV)(高達約80-100keV)的離子束，而高能量注入器可採用線性加速(linac)裝置(未顯示)於質量分析器26與末端站16之間，以便加速已經質量分析後的束24至更高的能量，典型為數百keV，其中，DC加速也是可以的。高能量離子注入通常用於工件30中的較深注入。反之，高電流、低能量的離子束24典型用於高劑量、淺深度的離子注入，在該情況下，較低能量的離子通常引起難以維持離子束24的收斂。不同形式的末端站16可在常規的注入器中找到。「批次(batch)」型末端站可同時支撐多個工件30於旋轉的支撐結構上，且工件30旋轉通過離子束的路徑直到所有的工件30都被完全注入為止。另一方面，「串聯(serial)」型末端站沿著束路徑支撐單個工件30以進行注入，由此多個工件30以串聯方式被一次注入一個，且各個工件30在下一個工件30的注入開始前被完全注入。
圖1的注入系統10包括串聯末端站16，其中，束線組件14包括橫向束掃描器36，其接收具有相當窄的輪廓的離子束24(例如「筆狀(pencil)」束)且沿X方向(例如沿著水平掃描平面內的橫向掃描方向)往復掃描該束24以展開該束24成為伸長的「帶狀(ribbon)」輪廓(例如稱為被掃描的束或帶狀束)，其具有至少與工件30一樣寬的有效的X方向寬度。帶狀束24接著通過平行化器或準直器38，其通常平行於Z方向朝向工件30導引該帶狀束(例如平行化的束24針對非有角度的(non-angled)注入通常垂直於工件表面)。最終能量調整系統39位於平行化器38與工件30的位置之間，其操作以加速或減速所掃描且平行化後(例如準直後)的束24。工件30機械平移於另一個正交的方向(例如進出於圖1的頁面的「Y」方向)，其中，機械致動裝置(未顯示)是於藉助束掃描器36的X方向的束掃描期間，平移工件30於Y方向上，藉此，束24是被施加於工件30的整個暴露的表面上。X方向的束掃描通常稱為「快速掃描」，而沿著Y方向的工件30的機械平移稱為「慢速掃描」。
於集成電路器件與其他產品的製造中，希望跨越整個工件30上均勻注入摻雜劑種類。隨著離子束24沿著朝向工件30的束路徑被輸送，束24遭遇多種電場及/或磁場與裝置，其可能改變束24的束尺寸及/或完整性，而導致於注入的工件30的摻雜劑的非均勻性。在沒有對策之下，空間電荷效應(包括帶正電的束離子的互斥)傾向發散該束24(例如可能導致束「爆開(blowup)」)。低能量離子束24在其輸送於長距離時，特別容易束髮散或束爆開。再者，在最終能量調整系統39操作以減速該束24的離子的情況下，空間電荷效應更為顯著於準直器38與工件30之間的減速關係。因此，所期望的是聚焦在準直化之後的被掃描的離子束24，以抵制該減速的束24的增強的互斥。

發明內容
下文提出本發明的簡化的概論，藉以提供對本發明的一些方面的基本理解。此概論並非為本發明的廣泛的概觀，而且也並非為意圖判別本發明的關鍵或重要的構成要素或是界定本發明的範圍。而是，此概論的目的是以簡化的形式提出本發明的一些概念，以作為稍後提出的更為詳細說明的前言。
本發明提供用於聚焦於離子注入器中的被掃描的離子束的系統與方法，其可被運用以減輕隨著被掃描的離子束行進於束掃描器與工件位置之間的束爆開或其他的束輪廓失真。本發明可因此有利於提供入射束均勻性的改善控制，且因此有助於控制半導體晶片、顯示器面板或其他工件的注入均勻性。本發明提供沿著被掃描的離子束的掃描平面的一部分的束聚焦場，其具有時變的(time-varying)聚焦場中心，其中該中心暫時沿著掃描方向平移以通常在空間上相符於沿著掃描方向的被掃描的離子束的時變位置。以此方式，被掃描的束可有利地在入射於工件表面之前被聚焦，甚至在後準直(post-collimation)減速已經提高束爆開或是偏離期望的束輪廓的趨勢的情況下亦是如此。
本發明的一個方面是關於一種離子注入系統或離子注入器，其包含離子源，其產生離子束；和束掃描器，其接收該離子束且導引被掃描的離子束於掃描平面內且朝向工件位置。被掃描的離子束具有沿著掃描方向的時變的束位置，其中於任何給定的時間點的該束通常在掃描平面之內，且在沿著掃描方向的束位置處。該離子注入系統還包含束聚焦系統，其提供聚焦場為沿著於束掃描器與工件位置之間的掃描平面的一部分。該聚焦場具有於掃描平面中的聚焦場中心，其位於沿著掃描方向的時變的位置處，其中束聚焦系統改變或動態調整沿著掃描方向的聚焦場中心位置，以通常在空間上相符於該時變的束位置。以此方式，該束可在掃描之後且在撞擊於工件之前被聚焦，藉此有助於改良的注入均勻性控制。
在一個實例中，磁性聚焦場被提供，其具有基本為零的場強度於聚焦場中心、以及接近該聚焦場中心的沿著掃描方向通常為線性的磁場強度梯度。在該情況下的梯度提供可控制的收斂力以被施加於被掃描的離子束的任一個橫向側上，藉以對抗束髮散，尤其是在被掃描的束在遭遇工件之前已經減速的情形下。在一個實施方式中，磁性聚焦場具有沿著該掃描方向的基本為正弦的分布，且具有零交叉於該聚焦場中心，其中束聚焦系統可包括用於產生重疊的第一與第二磁場的第一與第二磁體。在該情況下，第一與第二磁場可單獨具有沿著掃描方向且具有固定波長的基本為正弦的場分布，其中第一與第二場分布沿著掃描方向彼此偏移了四分之一波長。第一與第二磁場的振幅可根據沿著該掃描方向的時變的束位置而隨著時間變化，以提供磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
在另一個實例中，束聚焦系統也可包含於掃描器與工件位置之間的第一與第二磁體，其提供沿著掃描平面的該部分的對應的第一與第二磁場，其中第一磁場是四極的場且第二磁場是雙極的場。四極與雙極的場沿著掃描平面彼此重疊，以建立磁性聚焦場，其中雙極的場的振幅根據時變的束位置而隨著時間改變，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常相符於沿著掃描方向的時變的束位置。
本發明的另一個方面提供一種束聚焦系統，其用於產生聚焦場為沿著於離子注入系統的束掃描器與工件位置之間的掃描平面的一部分。該束聚焦系統可包含第一磁體，提供沿著掃描平面的該部分的第一磁場；及第二磁體，提供沿著該掃描平面的該部分的重疊於第一磁場上的第二磁場。這些磁場協同提供具有時變的聚焦場中心的磁性聚焦場，其通常對應於沿著掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置。
本發明的又一個方面提供一種用於沿著於離子注入系統中的束掃描器與工件位置之間的掃描平面的一部分聚焦被掃描的離子束的方法。該方法包含提供具有聚焦場中心的聚焦場於該掃描平面；及動態調整該聚焦場，使得該聚焦場中心通常相符於沿著該掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置。該聚焦場可借著提供沿著掃描平面的該部分的第一磁場、及提供重疊於第一磁場上的第二磁場而產生。在這種情況下的聚焦場的動態調整可包含調整第一與第二磁場之一或二者，使得該聚焦場中心通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。在一個實例中，第一磁場具有沿著掃描方向且具有固定的第一波長的第一基本為正弦的場分布，第二磁場具有沿著掃描方向且具有固定的第二波長的第二基本為正弦的場分布，其中第一與第二波長是基本相等的，且所述場分布沿著掃描方向彼此偏移了四分之一波長。在此實例中，動態調整該磁性聚焦場可包含根據沿著掃描方向的時變的束位置而隨著時間改變第一與第二磁場的振幅，使得該聚焦場中心通常相符於沿著掃描方向的時變的束位置。在另一個實例中，第一磁場是四極的場且第二磁場是雙極的場，其中磁性聚焦場的動態調整可包含根據沿著掃描方向的時變的束位置而隨著時間改變第二磁場的振幅，使得該聚焦場中心通常相符於時變的束位置。
以下說明與附圖詳述了本發明的特定說明性方面與實施方式。這些內容指出本發明的原理可被運用於其中的多種方式的僅其中幾種。


圖1是簡化的頂視平面圖，示出具有束掃描器、平行化器、與最終能量調整系統的常規的離子注入系統；圖2是頂視平面圖，示出一種示例性離子注入系統與用於其的根據本發明的一個或多個方面的束聚焦系統；圖3A是沿著圖2的系統中的線3A-3A所取得的局部端視截面圖，示出根據本發明的第一示例性束聚焦系統的細節，其具有被定位於通常水平的束掃描平面的上方的第一與第二磁體，以通過第一與第二基本為正弦的磁場的重疊提供磁性聚焦場，其中磁性聚焦場具有於掃描平面的聚焦場中心，其通常在空間上相符於沿著掃描方向的時變的束位置；圖3B與3C是分別為沿著圖3A的線3B-3B與3C-3C所取得的局部頂視平面截面圖，示出於第一示例性束聚焦系統中的示例性第一與第二磁體與其線圈的進一步的細節；圖3D是沿著圖3A至3C的線3D-3D所取得的局部側視截面圖，進一步示出於第一示例性束聚焦系統中的第一與第二磁體；圖4A至4C分別為頂視平面圖、端視圖、與透視圖，示出圖3A至3D的第一示例性束聚焦系統中的第一磁體的示例性勵磁線圈；圖4D是沿著圖4C的線4D-4D所取得的局部端視截面圖，示出圖3A至3D的第一示例性束聚焦系統中的第一磁體的示例性勵磁線圈的繞組；圖5A至5K是曲線圖，示出圖3A至3D的第一示例性束聚焦系統中的水平束掃描平面的磁場強度，其是於離子束的掃描期間的多個離散時間的沿著橫向掃描方向(X方向)的位置的函數，其包括針對於第一與第二磁場以及由第一與第二磁場重疊於束掃描平面所造成的合成磁性聚焦場的場強曲線；圖6A至6C是沿著圖2的線3A-3A所取得的局部端視截面圖，分別示出於三個示例性時間的示例性正弦磁性聚焦場與由其產生的對應橫向聚焦力，並且於掃描平面內的聚焦場中心通常在空間上相符於時變的束位置；圖6D是局部端視圖，示出於第一示例性束聚焦系統中的接近聚焦場中心的示例性第一磁性聚焦場的通常線性的磁場強度梯度；圖7是沿著圖2的線7-7所取得的局部端視截面圖，示出根據本發明的第二示例性束聚焦系統，具有定位於通常水平的束掃描平面的上方的第一與第二磁體，以通過四極與可變雙極的磁場的重疊提供磁性聚焦場，其中磁性聚焦場是具有於掃描平面內的聚焦場中心，其通常在空間上相符於沿著掃描方向的時變的束位置；及圖8是流程圖，示出根據本發明的用於聚焦被掃描的離子束的示例性方法。
具體實施例方式
本發明將參照附圖而描述於後，其中，類似的參考符號用於指示於圖中的類似的元件，且其中所示的結構無須依比例而繪製。
初始參考圖2，示例性離子注入系統(注入器)110被示為具有根據本發明的一個或多個方面的束掃描器136與束聚焦系統140。示例性離子注入系統110包含端子112、束線組件114與末端站116，其形成處理室，其中質量分析及掃描後的離子束124指向工件位置。於端子112中的離子源120由電源122所供電，以提供引出的離子束124至束線組件114，其中該源120包括一個或多個引出電極(未顯示)以引出自該源室的離子且由此導引所引出的離子束124為朝向束線組件114。任何適合的離子源可用於根據本發明的離子注入系統中。
束線組件114包含束導132，其具有靠近離子源120的入口、和具有出口縫隙134的出口、以及質量分析器126，其接收所引出的離子束124且建立雙極的磁場以通過解析縫隙134而僅通過適當的電荷對質量比或其範圍的離子(例如具有所期望的質量範圍的離子的質量分析後的離子束124)朝向於末端站116的工件位置的工件130。多種束形成與成形結構(未顯示)可設置於束線組件中以維持離子束124，且其界定伸長的內腔或通道，通過該內腔或通道，束124沿著束路徑而輸送至末端站116的工件位置。
束掃描器136設於出口縫隙134的下遊，其接收已經質量分析後的離子束124且導引被掃描的離子束124至平行化器或準直器138，其運作以平行化該被掃描的離子束124。最終能量調整系統139設於平行化器138與工件130之間，其可選擇性地操作以在束124撞擊於工件130之前提供加速或減速。根據本發明，束聚焦系統或移動式(traveling)透鏡140設置於掃描器136的下遊且位於最終能量調整系統139與末端站116中的工件130之間，其中系統140提供被掃描的離子束124的橫向聚焦以抑制或防止隨著離子束124被輸送至工件位置的束輪廓的束爆開或其他失真。儘管示例性系統110包括平行化器138與最終能量調整系統，但這些部件非為本發明的必要條件。如圖2所示，第一與第二電流源141與142連同掃描器電壓源144一起被設置以分別產生線圈電流至束聚焦系統140的第一與第二磁體，如下文進一步描述的，其中電流源141、142與144由均勻性控制系統160所控制。控制系統160進一步控制離子源120，且可接收來自注入系統110的多種感測器與部件的多種反饋信號與其他的輸入信號(未顯示)，藉以獲得期望的注入束均勻性、劑量、能量、等等。
任何適合的束掃描器136都可用於本發明的離子注入系統中，其可運作以接收進入的離子束且於掃描平面中隨著時間沿著掃描方向往復導引該束。在系統110中，掃描器136以一定掃描頻率沿著掃描方向或軸(例如往復於通常水平的掃描平面內的X方向上)掃描質量分析後的離子束以實現束124的快速掃描，且工件130平移於不同的方向上(例如在一個實例中為Y方向)以實現慢速掃描，其中慢速掃描與快速掃描提供該工件表面的基本完整的注入。雖然這裡本發明關於電氣束掃描器136被示出和描述，但是其他束掃描器類型也是可行的，包括(但不限於)磁性掃描器，其中所有這類替代的實施方式被認為落入本發明與所附權利要求的範圍內。
示例性掃描器136包括一對掃描電極或掃描板136a與136b，如圖2所示，其位於束路徑的任一橫向側上，其中電壓源144提供交變電壓至電極136a與136b，以實現離子束124的X方向掃描。於掃描電極136a與136b之間的時變差動掃描電壓建立跨越電極136a與136b之間的束路徑的時變的電場，藉助其，束124跨越掃描方向被彎曲或偏斜(例如被掃描)以提供帶狀的被掃描的離子束124至平行化器138。例如，當該掃描場在自電極136a至電極136b的方向上時(例如電極136a的電位比電極136b的電位更正)，束124的帶正電的離子受到在負X方向上(例如朝向電極136b)的橫向力，其中當該掃描場在相反的方向上時的相反情況也是如此。在一個實例中，由源144所提供的差動電壓可為簡單的三角波形，以實現束124於X方向上的基本線性的橫向掃描，雖然任何的掃描電壓與波形於本發明的範圍內都是可行的。
根據本發明的另一個方面，控制系統160以協調(coordinated)的方式控制掃描器電壓源144與電流源141、142，藉以提供磁性聚焦場，其與被掃描的束共同沿著X方向(例如沿著掃描方向)往復行進，藉此磁性聚焦場的聚焦中心沿著掃描方向通常在空間上相符於掃描器136與工件130的位置之間的掃描平面的一部分內的時變的束位置。其他的配置於本發明的範圍內也是可行的，其中束聚焦系統提供具有聚焦場中心於掃描平面內的磁性或電氣或其他類型的聚焦場，其被動態調整，使得該聚焦場中心的位置通常相符於或通常對應於沿著掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置，其中圖示的磁性系統140僅為示例性的。在這方面，聚焦中心可為磁性或其他聚焦場的任何部分，其傾向於提供離子束的期望的聚焦(例如所期望的收斂或發散)，其中聚焦場可提供沿著接近聚焦系統140的掃描平面的該部分的一個或多個這類聚焦中心，其中至少一個這種聚焦中心被定位成通常在空間上相符於或通常在空間上對應於沿著掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置。
在示例性系統140中，磁性聚焦中心傾向於收斂束124於X方向上，其中Y方向的聚焦如所需要的可借著其他適合的聚焦裝置(未顯示)來實現。在這方面，應當注意不存在聚焦裝置時，束124可能傾向於發散於X及Y方向上，尤其是如果藉助最終能量調整系統139減速時，此歸因於撞擊於工件表面之前的互斥或其他效應。由於束124正在被掃描於通常水平的掃描平面內，因此靜態的聚焦裝置可被設置以用於Y方向的聚焦，以抵制不想要的Y方向發散，但這種裝置無法對抗X方向發散，因為該束正移動在X方向上。然而，這種Y方向聚焦元件非為本發明的嚴格的必要條件。
在系統140中的示例性聚焦場中心是磁場強度基本為零的位置，在聚焦場中心的任一側為相反極性的場振幅，使得其為橫向於場中心的任一側的離子將被導引朝著該中心，藉此磁性聚焦場傾向於反抗被掃描的離子束124的橫向(例如X方向)發散。而且，在本發明的圖示的實施方式中，磁性聚焦場具有場梯度，其在沿著掃描方向(X方向)上且接近聚焦場中心處通常為線性的。應當注意聚焦場中心與時變的束位置的通常相符包括該場中心與束在接近聚焦系統140的掃描平面的該部分內沿著掃描方向的任何相對位置的定位，聚焦系統140對被掃描的束124造成所期望的聚焦效應，而不論該效應是否提供收斂或發散於掃描方向上的所得到的束，其中本發明與所附權利要求不限於圖示的實例。
在圖示的注入器110中，聚焦系統140隨著掃描器136通過藉助均勻性控制系統160的電流與電壓源141、142與144的協調控制被掃描的離子束124來改變聚焦場中心的位置，均勻性控制系統160亦可執行系統110中的其他的功能，儘管亦可設置單獨的控制系統以操作掃描器電壓供應144及聚焦系統電流供應141與142，或者其他的控制結構亦可被採用，藉助其，聚焦場中心隨著時間而被動態調整以通常在空間上對應於束位置。圖3A至6D示出於圖2的注入系統110中的第一示例性束聚焦系統140，且圖7示出在本發明的範圍內的注入器110中的第二示例性束聚焦系統240。
現在參考圖3A至3D，第一示例性束聚焦系統140提供磁性聚焦場，其具有沿著掃描方向(X方向)的基本為正弦的分布，且具有零交叉於聚焦場中心。在此系統140中，第一磁體被設置，其包含位於束124的路徑的上方且緊鄰束124的路徑的線圈CJ1a與CJ1b，其中第一磁體於被掃描的束124的橫向範圍的上方通常沿著X方向延伸。第二磁體亦被設置在束路徑的上方，其包含勵磁線圈CJ2a、CJ2b與CJ2c，其位於第一勵磁線圈CJ1a與CJ1b的上方，且勵磁線圈CJ2a、CJ2b與CJ2c之間有勵磁線圈CJ1a與CJ1b。線圈CJ1a、CJ1b、CJ2a、CJ2b與CJ2c位於層疊鋼旁軛(return yoke)146與層疊線圈屏蔽148之間，其中在圖示的系統140中，屏蔽148與該束路徑間隔開約30至40毫米的距離150。在示例性系統140中，第一與第二磁體的各個線圈基本相同，如下面關於圖4A至4D進一步所示和所描述的，雖然這並不是本發明的必要條件。
在圖3A至3C中，以在掃描期間跨越掃描方向的幾個離散時間點示出被掃描的離子束124，其中圖示的示例性束位置標示為124a至124g(例如掃描場的中心在圖中被指示為X＝0mm)。束位置124a對應於-200mm的X尺寸，124b對應於X＝-120mm，124c對應於X＝-80mm，124d對應於X＝0mm，124e對應於X＝+80mm，124f對應於X＝+120mm，且124g對應於X＝+200mm。應當注意，概括而言，束位置可為任何時變的圖案，諸如對應於由電壓源144所施加至掃描器136(圖2)的三角形電壓波形或任何其他波形的從一側到另一側的平滑線性轉變，其中該時變的束位置的圖案或形式對於本發明而言並非關鍵的。
第一與第二磁體單獨提供沿著掃描方向的基本為正弦的磁場分布，且第一與第二磁場的重疊造成沿著掃描方向於掃描平面內的合成的正弦的場分布。特別地，第一磁體的線圈CJ1a與CJ1b提供具有固定的第一波長λ且沿著掃描方向的第一基本為正弦的場分布，且第二磁體的線圈CJ2a、CJ2b與CJ2c提供具有固定的第二波長λ且沿著掃描方向於掃描平面的接近系統140的部分內的第二基本為正弦的場分布，其中第一與第二波長λ基本相等。而且，第一與第二基本為正弦的場分布以及第一與第二磁體的對應線圈沿著掃描方向彼此偏移了大約四分之一波長(λ/4)，如圖3A所示，然而空間偏移的確切量對於本發明而言並非關鍵的。這些線圈各個包含用於耦接至相應電流源141與142的引線(未顯示於圖3A至3D中)，其中第一磁體的線圈CJ1a與CJ1b(統稱為CJ1)可與第一電流源141(圖2)串聯連接，使得第一電流I1等同地流入各個線圈CJ1中。類似地，第二磁體的線圈CJ2a、CJ2b與CJ2c(統稱為CJ2)可與第二電流源142串聯連接，使得第二電流I2等同地流入各個線圈CJ2中。其他的連接與磁體配置於本發明的範圍內也是可以的，其中線圈的數目與位置、以及其與電流源的連接對於本發明而言並非關鍵的。
第一與第二磁場沿著掃描平面的接近磁體的部分而彼此重疊，以建立磁性聚焦場，其中第一與第二磁場的振幅(例如分別由第一與第二源141與142所供應的線圈電流的量與極性)根據沿著該掃描方向的時變的束位置而隨著時間變化，以定位該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常在空間上相符於沿著掃描方向的時變的束位置，如下面關於圖5A至5K更詳細地示出和描述的。如圖3A所示，束124沿著X方向上大約400mm的橫向距離(掃描範圍)被掃描，其中第一與第二磁場的波長λ約為200mm，儘管這些尺寸僅為實例且本發明並不限於任何特定的尺寸或其比例。
示例性勵磁線圈CJ1a示於圖4A至4D中，其中線圈CJ1a提供沿著掃描方向的正弦的電流密度輪廓，且正電流被示為進入頁面為交叉(×)(圖4D)，且從頁面中出來為圓圈(○)。如圖4D所示，線圈繞組配置在空間上基本為正弦的，以產生具有固定波長λ的正弦的電流密度，儘管正弦的形狀並不是本發明的嚴格的必要條件。然而，應當注意對於恆定的繞組電流，示例性勵磁線圈CJ的每一個建立沿著掃描方向於掃描平面內的基本為正弦的磁場輪廓，且每個線圈CJ提供正弦波的全周期或波長(λ)，其中第一與第二磁體的線圈沿著掃描方向彼此偏移了四分之一波長(λ/4)。
現在參考圖2、3A、5A至5K，圖5A至5K中的曲線圖202、204、206、208、210、212、214、216、218、220與222分別示出作為在離子束120的掃描期間的多個離散時間沿著橫向掃描方向(X方向)的位置的函數的聚焦系統140的水平束掃描平面內的磁場強度，其中磁性聚焦場中心根據該被掃描的束124的位置通過控制勵磁線圈電流I1與I2而位於該束位置處。這些圖分別示出針對於第一與第二磁場的場強曲線B1與B2、以及由於第一與第二磁場B1與B2重疊於系統140中的束掃描平面的該部分內所造成的合成的磁性聚焦場B3。在這方面，應當注意在此實例中的聚焦場中心是點，磁性聚焦場B3沿著正X方向於該點自正至負越過零值(零交叉)，儘管這並非為本發明的嚴格的必要條件。
在示例性系統140中，均勻性控制系統160根據期望的束掃描圖案(例如針對於線性束掃描的三角波或其他適合的波形與圖案)來控制束掃描器電壓源144的波形，且根據沿著掃描方向的時變的束位置而隨著時間改變第一與第二磁場B1與B2的振幅(例如通過分別控制第一與第二電流源141與142以及對應的勵磁線圈電流I1與I2)，使得聚焦場中心在任何的時間點通常相符於被掃描的束124的位置。在此特定實施方式中，兩個基本為正弦的磁場分布B1與B2重疊於掃描平面的一部分內建立了合成的正弦的磁場分布B3，其中根據束位置的場B1與B2的振幅的受控制的調整致使合成的場分布B3與其聚焦場中心沿著掃描方向移動或位移(例如系統140用作移動式透鏡)。此操作允許將聚焦場中心(例如場B3的零交叉)放置成以時變的方式位於束位置處，藉此，系統140可用於對抗於掃描器136與工件130的位置之間的被掃描的離子束124的橫向發散。
在圖示的實施方式中，控制系統160根據該被掃描的束位置控制第一與第二磁體電流I1與I2，其中被掃描的束位置在圖5A至5K中被表示為*X(δX)，其是以毫米(mm)為單位自被掃描的束124的橫向中心測量的。除了控制勵磁線圈電流源141與142之外，示例性控制系統160還控制束掃描器電壓源144，雖然這並非為本發明的必要條件。特別地，第一磁場B1(例如第一電流I1)的振幅根據以下的等式(1)由系統160控制(1)B1＝B*cos(πδx/λ)*sin(πx/λ)且第二磁場B2(例如第二電流I2)根據以下的等式(2)由系統160控制(2)B2＝B*sin(πδx/λ)*cos(πx/λ)如可在等式(1)與(2)中看出的，第一項作為束位置*X的函數變化，使得各個場B1與B2的振幅將取決於在任何給定時間的被掃描的束位置，而第二項對應於固定的正弦的繞組分布，如在圖3A中看出的。如此，控制系統160根據被掃描的束124的位置來相應地控制電流I1與I2。
通過重疊，得到的合成場B3(例如由束124看到的淨磁性聚焦場強)由以下的等式(3)給出(3)B3＝B1+B2＝B*sin(π*(δx+x))應當注意合成的磁性聚焦場B3將具有聚焦中心於上式(3)的零交叉處，其中控制系統160調整束掃描器電壓源144與線圈電流136I1與I2，使得場B3的聚焦零交叉位於束位置處。
在圖5A至5K中的曲線圖202-222示出在示例性聚焦系統140中的幾個示例性束位置(例如*X)值(例如每40mm)的相應的構成與合成場B1-B3。特別地，第一曲線圖202顯示針對於*X＝-200mm的情況，其中束124處於圖5A中的掃描場的最左邊。對於此*X值，第一磁場B1具有最大的振幅，而第二磁場B2跨過掃描方向為零，藉此得到的磁性聚焦場B3具有場中心於X＝-200mm。在圖5B中，在*X改變至-160mm的情況下，B3的聚焦場中心以對應的方式移動至位置X＝-140mm。類似的行為參見於圖5C至5E中的曲線圖206-210，其分別針對於-120mm、-80mm與-40mm的*X值，其中在所有情況下聚焦場中心通常對應於被掃描的束124的位置。
繼續朝向於圖5F，其中束124位於零的*X值，在該點處第一磁場B1處於最大的振幅且B2是零。在該情況下，淨磁性聚焦場B3具有聚焦中心於X＝0mm，其在空間上相符於沿著掃描方向的束位置。系統140與其磁場B1-B3的一般操作的進一步實例顯示於圖5G至5K中且分別針對於+40mm、+80mm、+120mm、+160mm與+200mm的*X值。應當注意磁性聚焦場B3針對於+200mm(圖5K)與-200mm(圖5A)的*X值是相同的，此歸因於掃描場(離中心為+/-200mm)與勵磁線圈波長λ(例如在此實例中λ＝200mm，如圖3A所示)之間的關係。然而，本發明不限於掃描場長度與線圈波長λ之間的特定關係，其中其所有的這類比例被認為落入本發明與所附權利要求的範圍內。
還參考圖6A至6D，在圖示的聚焦系統140中的波長λ被選擇為足夠大，使得磁性聚焦場強度梯度沿著掃描方向且接近被掃描的束124通常為線性的，如圖6D中所示的。圖6A至6C示出針對於三個示例性情況(例如在圖6A中的*X＝-200mm，在圖6B中的*X＝0mm，在圖6C中的*X＝+200mm)的示例性磁性聚焦場B3的進一步的細節，其中被掃描的束124在傾向抵抗束髮散的束位置/聚焦場中心的任一側上遭遇場梯度。如圖6A至6C所示，磁性聚焦場B3沿著X＝-200mm與X＝+200mm之間的掃描距離的長度具有幾個零交叉，其中行進於從頁面中出來的方向上的正離子束124將於零交叉處遭受橫向(例如X方向)收斂力F及沿著正X方向的負場梯度(例如在場B3的聚焦場中心處)。反之，相反極性的零交叉將傾向於橫向發散行進於相同方向上(從圖3A至3D的頁面中出來)的正離子束。如圖6D中所示，聚焦系統勵磁線圈CJ的波長距離λ的選擇提供磁性聚焦場B3，其具有場強度梯度，該場強度梯度在接近於零交叉的聚焦中心的橫向範圍152內通常為線性的，其中示例性場B3的梯度於區域152之內近似為直線152，該區域152相較於被掃描的離子束124較寬，雖然該線性或通常為線性的梯度並非為本發明的嚴格的必要條件。
現在參考圖7，另一個示例性束聚焦系統240被示出，用於聚焦於圖2的離子注入系統110中的被掃描的離子束124。在此實例中，第一磁體被設置，其具有線圈242a、242b、242c與242d，用於提供於掃描器136與工件130的位置之間且沿著於系統240的掃描平面的一部分的第一磁場，其中第一磁場是四極的磁場。此外，系統240包括第二磁體，其包含線圈244a與244b，以提供沿著掃描平面的該部分的第二磁場，其中第二磁場是雙極的磁場。在圖示的系統240中，四極線圈242位於束導襯墊(liner)246的上方與下方，使得載有在從圖7的頁面中出來的方向上的正電流的線圈相對於束掃描距離的中心基本處於對角的拐角處，藉助其，四極的磁場被建立，其傾向於提供處於掃描範圍中心的束124d的橫向(X方向)聚焦(收斂)與Y方向(垂直)散焦(發散)。然而，此第一(四極)磁場單獨亦產生被掃描的束124的位移於非零值的*X，即處於x的非零的位置，其產生聚焦該束且中心為於x上的四極場加上偏轉該束的雙極場。
第二勵磁線圈244a與244b被設置成沿著襯墊246的橫向側，藉以建立延伸跨過於聚焦系統240中的掃描平面的垂直雙極磁場，其附加於該四極場，使得合成的磁性聚焦場被產生於沿著掃描方向的掃描平面內。在系統240中的磁性聚焦場提供橫向聚焦場梯度於某一x尺寸，其中聚焦場中心的位置由雙極的磁場的振幅所決定。在此實施方式中，四極場強度通常保持恆定(且控制系統160控制第一電流源141以提供通常恆定的第一電流I1至線圈242)，而第二磁場的振幅根據沿著掃描方向的時變的束位置而隨著時間變化(例如控制系統160設定雙極電流I2為通常與*X的值成比例)。以此方式，可變的雙極場偏移由四極線圈所產生的雙極成分，使得得到的合成的磁性聚焦場的聚焦中心沿著掃描方向移位至對應於被掃描的束位置的位置。
因此，圖7的實施方式提供移動式透鏡以及磁性聚焦場，其具有隨著離子束124行進的焦點中心，因為束124隨著時間被掃描至沿著掃描方向的不同的位置。上述實例並非詳盡列舉了本發明的諸多可能的聚焦系統，其中任何類型的裝置或系統都可被提供，其沿著於束掃描器136與工件130的位置之間的掃描平面的一部分建立磁性聚焦場，其中磁性聚焦場具有於掃描平面內的時變的聚焦場中心，其移動以便通常在空間上相符於沿著掃描方向的時變的束位置。應當注意圖示及描述於上文的示例性束聚焦系統140與240無需移動的部件，因而有利於用於橫向掃描該離子束124的相對高的快速掃描速率，藉此，可以實現高的注入系統產量。
現在參考圖8，本發明的另一個方面涉及用於聚焦被掃描的離子束的方法，其中示例性方法300被示出於圖8中。雖然方法300在下面被圖示和描述為一系列的動作或事件，但將理解的是本發明不受限於這些動作或事件的圖示的順序。例如，根據本發明，一些動作可以以不同的順序及/或與除了這裡圖示及/或描述的那些之外的其他動作或事件同時發生。此外，並非需要所有的圖示步驟來實施根據本發明的方法。再者，根據本發明的方法可關聯於這裡圖示和描述的裝置與結構以及關聯於未被顯示的其他的結構來加以實施。
開始於302，在304，離子束被掃描於掃描平面內，諸如在上述示例性注入系統110中的水平掃描平面。在306，被掃描的束可選地加以準直(例如平行化)，且在308可選地執行最終能量調整(例如加速或減速)，雖然並非為本發明的必要條件。在310，磁性聚焦場被設有聚焦場中心於掃描平面內，且聚焦場在312被調整，使得該聚焦場中心通常相符於束位置，其後方法300結束於314。例如，在310與312，任何適合的聚焦場與場中心都可如上所述地被設置及調整，其中磁性聚焦場具有沿著掃描方向的基本為正弦的分布且具有於聚焦場中心處的零交叉。雖然在磁性聚焦場的情況下被示出，但是其他的聚焦場類型也可用於本發明的範圍內，包括而不限於電氣聚焦場。
在一個實例中，第一與第二磁場在310被設置為沿著掃描平面的一部分，其中第一與第二磁場的一或二者在312被調整，使得聚焦場中心通常相符於沿著掃描方向的時變的束位置。在一個可能的實施方式中，第一磁場具有沿著掃描方向且具有固定的第一波長的第一基本為正弦的場分布，第二磁場具有沿著掃描方向且具有固定的第二波長的第二基本為正弦的場分布，其中第一與第二波長基本相等且場分布沿著掃描方向彼此偏移了四分之一波長。在該情況下，在312，磁性聚焦場借著根據時變的束位置隨時間改變第一與第二磁場的振幅而被動態調整，使得聚焦場中心通常相符於沿著掃描方向的時變的束位置。在另一個可能的實施方式中，第一磁場是四極的場且第二磁場是雙極的場，其中在312動態調整磁性聚焦場包含根據時變的束位置而隨時間改變第二磁場的振幅，使得聚焦場中心通常相符於沿著掃描方向的時變的束位置。
儘管本發明已經關於一個或多個實施方式而加以圖示和描述，但是在不脫離所附權利要求的精神和範圍的情況下可以對圖示的實例進行變更及/或修改。尤其是關於由上述的部件或結構(塊、單元、引擎、組件、裝置、電路、系統、等等)所執行的多種功能，用以描述這些部件的術語(包括對「裝置(means)」的引用)意圖為對應於(除非另外指出)執行所述部件的指定功能(例如其為功能等效的)的任何部件或結構，即使並非為結構等效於執行這裡示出的本發明的示例性實施方式的功能的公開的結構。此外，儘管本發明的特定特徵可能已經關於幾個實施方式中的僅一個被公開，但是該特徵可結合其他實施方式的一個或多個其他特徵，這可能是所期望的且有利於任何給定或特定的應用。再者，就術語「包括」、「包含」、「具有」、「擁有」、「有」或其變體用於詳細說明或權利要求中來說，這些術語意圖是以類似於術語「包含」的方式包括在內。
權利要求
1.一種離子注入系統，包含離子源，其可運作以產生離子束；束掃描器，其位於該離子源的下遊，該束掃描器接收該離子束且導引被掃描的離子束於掃描平面內且朝向工件位置，該被掃描的離子束具有沿著掃描方向的時變的束位置；及束聚焦系統，其提供聚焦場為沿著於該束掃描器與工件位置之間的該掃描平面的一部分，該聚焦場具有於該掃描平面內的時變的聚焦場中心，該束聚焦系統適於改變沿著該掃描方向的該聚焦場中心位置以通常在空間上相符於沿著該掃描方向的該時變的束位置。
2.如權利要求1的離子注入系統，其中該聚焦場是具有時變的磁性聚焦場中心的磁性聚焦場。
3.如權利要求2的離子注入系統，其中該磁性聚焦場在該聚焦場中心處具有基本為零的場強。
4.如權利要求3的離子注入系統，其中該磁性聚焦場具有磁場強度梯度，其沿著該掃描方向且接近該聚焦場中心通常為線性的。
5.如權利要求2的離子注入系統，其中該磁性聚焦場具有磁場強度梯度，其沿著該掃描方向且接近該聚焦場中心通常為線性的。
6.如權利要求2的離子注入系統，其中該磁性聚焦場具有沿著該掃描方向的基本為正弦的分布且具有零交叉於該聚焦場中心處。
7.如權利要求2的離子注入系統，其中該束聚焦系統包含第一磁體，提供沿著掃描平面的該部分的第一磁場，該第一磁場具有沿著該掃描方向且具有固定的第一波長的第一基本為正弦的場分布；及第二磁體，提供沿著掃描平面的該部分的第二磁場，該第二磁場具有沿著該掃描方向且具有固定的第二波長的第二基本為正弦的場分布，該第一與第二波長基本相等，該第一與第二基本為正弦的場分布沿著該掃描方向彼此偏移了四分之一波長；其中該第一與第二磁場沿著掃描平面的該部分彼此重疊，以建立磁性聚焦場；並且其中該第一與第二磁場的振幅根據沿著該掃描方向的時變的束位置而隨著時間變化，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
8.如權利要求7的離子注入系統，其中該束聚焦系統還包含第一電流源，提供第一可變電流至該第一磁體的繞組；第二電流源，提供第二可變電流至該第二磁體的繞組；及控制系統，其與該第一與第二電流源耦接，該控制系統適於根據沿著該掃描方向的時變的束位置來改變該第一與第二可變電流，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
9.如權利要求8的離子注入系統，其中該控制系統與該束掃描器耦接以控制沿著該掃描方向的時變的束位置，並且其中該控制系統協同地控制該束掃描器、第一電流源與第二電流源，使得該被掃描的離子束具有沿著該掃描方向的時變的束位置，並且使得該聚焦場中心位置通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
10.如權利要求7的離子注入系統，其中該磁性聚焦場具有沿著該掃描方向的基本為正弦的分布且具有零交叉於該聚焦場中心處。
11.如權利要求10的離子注入系統，其中該磁性聚焦場具有磁場強度梯度，其沿著該掃描方向且接近該聚焦場中心通常為線性的。
12.如權利要求2的離子注入系統，其中該束聚焦系統包含第一磁體，提供沿著掃描平面的該部分的第一磁場，該第一磁場是四極的磁場；及第二磁體，提供沿著掃描平面的該部分的第二磁場，該第二磁場是雙極的磁場；其中該第一與第二磁場沿著掃描平面的該部分彼此重疊，以建立磁性聚焦場；並且其中該第二磁場的振幅根據沿著該掃描方向的時變的束位置而隨著時間改變，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
13.如權利要求12的離子注入系統，還包含控制系統，該控制系統與該束掃描器及該束聚焦系統耦接，其中該控制系統協同地控制沿著該掃描方向的時變的束位置與第二磁場的振幅，使得該被掃描的離子束具有沿著該掃描方向的時變的束位置，並且使得該聚焦場中心位置通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
14.一種束聚焦系統，用於產生磁性聚焦場為沿著於離子注入系統中的束掃描器與工件位置之間的掃描平面的一部分，該束聚焦系統包含第一磁體，提供沿著掃描平面的該部分的第一磁場；及第二磁體，提供沿著掃描平面的該部分的重疊於第一磁場上的第二磁場，該第一與第二磁場協同地提供磁性聚焦場，該磁性聚焦場具有時變的聚焦場中心，其通常對應於沿著掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置。
15.如權利要求14的束聚焦系統，其中該磁性聚焦場在該聚焦場中心處具有基本為零的場強。
16.如權利要求15的束聚焦系統，其中該磁性聚焦場具有磁場強度梯度，其沿著該掃描方向且接近該聚焦場中心通常為線性的。
17.如權利要求14的束聚焦系統，其中該磁性聚焦場具有磁場強度梯度，其沿著該掃描方向且接近該聚焦場中心通常為線性的。
18.如權利要求14的束聚焦系統，其中該磁性聚焦場具有沿著該掃描方向的基本為正弦的分布且具有零交叉於該聚焦場中心處。
19.如權利要求14的束聚焦系統，其中該第一與第二磁場中的至少一個的振幅根據沿著該掃描方向的時變的束位置而隨著時間改變，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常對應於沿著該掃描方向的時變的束位置。
20.如權利要求14的束聚焦系統，其中該第一磁場具有沿著該掃描方向且具有固定的第一波長的第一基本為正弦的場分布，其中第二磁場具有沿著該掃描方向且具有固定的第二波長的第二基本為正弦的場分布，其中該第一與第二波長基本相等，其中該第一與第二基本為正弦的場分布沿著該掃描方向彼此偏移了四分之一波長，並且其中該第一與第二磁場的振幅根據沿著該掃描方向的時變的束位置而隨著時間改變，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常對應於沿著該掃描方向的時變的束位置。
21.如權利要求20的束聚焦系統，其中該束聚焦系統還包含第一電流源，提供第一可變電流至該第一磁體的繞組；第二電流源，提供第二可變電流至該第二磁體的繞組；及控制系統，其與該第一與第二電流源耦接，該控制系統適於根據沿著該掃描方向的時變的束位置來改變該第一與第二可變電流，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
22.如權利要求14的束聚焦系統，其中該第一磁場是四極的磁場，其中該第二磁場是雙極的磁場，並且其中第二磁場的振幅根據沿著該掃描方向的時變的束位置而隨著時間改變，以提供該磁性聚焦場的時變的聚焦場中心為通常對應於沿著該掃描方向的時變的束位置。
23.一種用於沿著離子注入系統中的束掃描器與工件位置之間的掃描平面的一部分聚焦被掃描的離子束的方法，該方法包含提供具有聚焦場中心的聚焦場於該掃描平面內；及動態調整該聚焦場，使得該聚焦場中心通常相符於沿著該掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置。
24.如權利要求23的方法，其中該聚焦場是具有時變的磁性聚焦場中心的磁性聚焦場。
25.如權利要求24的方法，其中該磁性聚焦場在該聚焦場中心處具有基本為零的場強。
26.如權利要求24的方法，其中提供該磁性聚焦場包含提供沿著掃描平面的該部分的第一磁場；以及提供沿著掃描平面的該部分的重疊於第一磁場上的第二磁場；並且其中動態調整該磁性聚焦場包含調整該第一與第二磁場之一或二者，使得該聚焦場中心通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
27.如權利要求26的方法，其中該第一磁場具有沿著該掃描方向且具有固定的第一波長的第一基本為正弦的場分布；其中第二磁場具有沿著該掃描方向且具有固定的第二波長的第二基本為正弦的場分布；其中該第一與第二波長基本相等；其中該第一與第二基本為正弦的場分布沿著該掃描方向彼此偏移了四分之一波長；並且其中動態調整該磁性聚焦場包含根據沿著該掃描方向的時變的束位置隨著時間改變該第一與第二磁場的振幅，使得該聚焦場中心通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
28.如權利要求26的方法，其中該第一磁場是四極的磁場；其中該第二磁場是雙極的磁場；並且其中動態調整該磁性聚焦場包含根據沿著該掃描方向的時變的束位置隨著時間改變第二磁場的振幅，使得該聚焦場中心通常相符於沿著該掃描方向的時變的束位置。
29.如權利要求23的方法，其中該磁性聚焦場具有沿著該掃描方向的基本為正弦的分布且具有零交叉於該聚焦場中心處。
全文摘要
提供了用於聚焦離子注入器(110)中的被掃描的離子束的系統與方法。一種束聚焦系統(140)被提供，其包含第一與第二磁體，用以提供對應的磁場，其協同地提供具有時變的聚焦場中心的磁性聚焦場，該聚焦場中心通常對應於沿著掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置。提供了方法，包含提供具有聚焦場中心的聚焦場於掃描平面內；以及動態調整該聚焦場，使得聚焦場中心通常符合於沿著掃描方向的被掃描的離子束的時變的束位置。
文檔編號H01J37/147GK101080802SQ200580043440
公開日2007年11月28日 申請日期2005年10月12日 優先權日2004年10月18日
發明者V·班威尼斯特, P·克雷曼 申請人:艾克塞利斯技術公司