具有改良效率的磁掃描系統的製作方法
2023-05-24 08:25:11
專利名稱：具有改良效率的磁掃描系統的製作方法
具有改良效率的磁掃描系統
背景技術：
在離子注入系統之中，離子束被導向工件(例如，半導體晶片或顯示面板)，並將離子注入其晶格之中。一旦嵌入工件的晶格中之後，注入的離子改變該工件的物理和/或化學特性。因此，離子注入應用於半導體器件製造、金屬表面處理、以及材料科學研究中的許多應用。離子注入的應用空間在歷史上被分成低劑量(中等電流)、高能量和高劑量(高電流)應用。在高電流應用之中，高電流離子束的截面積，除了其他因素之外，尚可以隨射束中發生的自我電性中和(self-neutralization)的程度而改變。在不存在電場的情況下發生的自我電性中和之中，離子束可以吸引射束路徑附近的自由電子。這傾向於抑制射束"爆散(blow-up)"，從而有助於限制射束的截面積以使得射束保持"緊緻"。 在多數情況下，射束的截面積小於工件的截面積，這有助於射束掃描工件而能充分地對工件進行注入。一般而言，此類應用中使用電或磁掃描儀。電掃描儀的一項缺點在於，由於其產生電場之固有特性，故其吸引電子至正電極或排斥電子使其遠離負電極。由於電極通常接近射束路徑，從而這傾向於使自由電子從射束路徑附近移開。這可能導致射束爆散，有時將造成無法處理的巨大射束包封。此巨大射束包封最終可能造成射束電流減損。為了限制或避免射束爆散並容許離子束的局部自我電性中和，可以使用磁掃描儀以進行射束掃描，因為磁掃描儀不使用偏壓電極。磁掃描儀發出一時變磁場，離子束通過該時變磁場。該時變磁場按時間來回偏轉或改變離子束的路徑。雖然磁掃描儀並不像電掃描儀受制於空間電荷爆散的問題，但磁掃描儀傾向於需要極高的操作功率。一般而言，操作功率愈高，電源愈貴，且操作需要愈加小心。有鑑於此，本公開的方案涉及用以降低磁掃描儀所需功率的技術。
發明內容
以下提出本發明之簡扼摘要，以提供對本發明一些方案的基本了解。此摘要並非本發明的詳細全貌，且既不在於指出本發明之關鍵或必要組件，亦不在於描繪本發明之範疇。更確切言之，以下摘要之目的是以簡化形式呈現本發明的一些概念，以做為後續更詳盡說明之序眷。本發明的一些方案通過利用一磁束掃描儀輔助離子注入，該掃描儀包含第一及第二磁元件，射束路徑區域介於其間。至少一磁通量壓縮元件配置於接近射束路徑區域處且介於第一及第二磁元件之間。操作期間，第一及第二磁元件合作產生一振蕩時變磁場於該射束路徑區域之中以按時間來回掃描離子束。該一或多個磁通量壓縮元件壓縮射束區域中磁場相關的磁通量，從而相對於先前實施方式降低來回磁掃描射束所需的功率總量。以下的說明及附圖詳細闡述本發明的特定例示性方案及實施方式。其代表可以運用本發明原理的許多方式中的一些實例。
圖I例示了根據本發明一方面的示例性離子注入系統。圖2A是一未使用通量壓縮元件的磁掃描儀的磁軛組件的端視圖。圖2B是圖2A的磁軛組件纏繞以線圈的立體圖。圖2C是根據一實施例的向磁掃描儀的線圈提供的時變電流的一個示例的波形圖。圖2D是當離子束按時間來回掃描時圖2B的磁軛組件的剖面頂視圖。 圖2E-2F分別示出了圖2B的磁軛組件的剖面側視圖及頂視圖，其例示了某一時刻的掃描尚子束。圖2G-2H分別示出了圖2B的磁軛組件的剖面側視圖及頂視圖，其例示了另一時刻的掃描尚子束。圖3A是根據一實施例的包含第一和第二磁通量壓縮元件的磁掃描儀的磁軛組件的端視圖。圖3B是根據與圖3A—致的實施例的包含第一和第二磁通量壓縮元件的磁掃描儀的立體圖。圖3C是圖3B的磁掃描儀的剖面側視圖。圖3D是圖3B的磁掃描儀的剖面頂視圖。圖4是包含中空磁通量壓縮元件的另一磁掃描儀的剖面頂視圖。圖5是包含一磁通量壓縮件的單極掃描儀的剖面頂視圖。
具體實施例方式以下參照附圖對本發明進行說明，其中類似的參考編號在各處用以表示類似的元件，且其中圖示的結構不一定按比例繪製。圖I例不了一離子注入系統100,具有源端102、束線組件104、磁掃描系統106、以及終端站108，其共同配置以依據預定的劑量分布(dosing profile)將離子(摻雜劑)注入工件110的晶格中。具體地，圖I例示了一混合式掃描離子注入系統100，其中一可移動平臺112可用以沿第一軸(例如，進入圖I頁面平面的軸線)平移工件110，而磁掃描系統106則沿垂直於第一軸的第二軸提供一掃描離子束114。通過以此種方式相對於工件掃射離子束，工件的整個表面均可以接受注入，直到滿足預定的摻雜分布為止。更具體而言，操作期間，源端102中的離子源116耦接至一高電壓源118以使摻雜劑分子(例如，摻雜劑氣體分子)離子化，從而形成一筆形離子束(pencil ion beam) 120。為了操控來自源端102的筆形射束120使其朝向工件110，束線組件104具有一質量分析器122,其中建立一雙極性磁場以使得只有具有適當荷質比(charge-to-massratio)的離子通過一鑑別孔(resolving aperture) 124。荷質比不對的離子碰撞側壁126a、126b ;使得僅有具有適當荷質比的離子通過鑑別孔124並進入工件110。束線組件104還可以包含各種射束形成及整形結構配置於離子源116和終端站108之間，其將筆形射束120維持於一細長型內部腔體或通道之中，使得筆形射束120通過該腔體或通道而被輸送至工件110。一真空泵浦系統128基本上將離子束輸送通道維持在真空，以降低離子通過與空氣分子碰撞而偏尚射束路徑的機率。接收筆形射束120之後，磁掃描系統106按時間來回地橫向偏轉或"掃描"該筆形射束(例如，在水平方向上)以提供掃描離子束114。在一些情況下，此類掃描筆形射束可以被稱為帶狀射束(ribbon beam)。磁掃描系統中的一平行器(parallelizer) 130可以重新導控掃描離子束114，使得離子在工件的整個表面範圍均以同一入射角度撞擊工件110的表面。一控制系統132可以控制向掃描離子束114(例如，通過磁掃描系統106)以及工件Iio (例如，通過可移動平臺112)施加的相對運動，以在工件110上實現預定的摻雜分布。例如，控制系統132被配置為控制一或多個可變電源138以將時變電流或電壓傳送至第一及第二磁元件134a、134b，每一磁元件可以包含纏繞於磁極片(pole piece)的線圈。該時變電流或電壓在射束路徑區域中感應出一振蕩時變磁場，從而按時間掃描離子束。雖然電源118及138在圖I之中被表示為分離的元件，但此類電源118、138在一些實施例中 可以位於單一電力產生器中。 如本文更詳細地進一步所述，依據本發明的一些方案，磁掃描系統106可以包含一或多個磁通量壓縮元件(例如，140a、140b)以在某種程度上改善掃描效率。通常，磁通量壓縮元件耦接至一固定電壓142(例如，接地)以通過剝除離子束中的電性中和電子而限制或避免射束爆散，如前所述。為了闡明磁掃描期間效率可以增進的方式，以下參見圖2A-2D中例示的磁掃描儀200，其受制於一些缺點。如圖2A(不含線圈的磁掃描儀200的端視圖)所示，磁掃描儀200包含一磁軛組件(yoke assembly) 202,由一第一磁軛204和一第二磁軛206構成。一射束路徑區域212穿過第一及第二磁軛204、206之間，且基本上在徑向上受限於該磁軛組件的內表面211。第一及第二磁軛204、206分別包含第一及第二鐵磁極片214、216，伸向射束路徑區域212。如圖2B(內含線圈的磁掃描儀200的立體圖)所示，第一及第二磁極片214、216分別具有纏繞其上的第一及第二線圈218、220。第一及第二線圈218、220耦接至一可變電源(例如，圖I之中的可變電源138，圖2中未示出)。此可變電源在線圈中提供諸如圖2C所示的時變電流，從而又感應出一振蕩時變磁場自磁極片214、216延伸進入射束路徑區域212。此振蕩時變磁場按時間來回掃描離子束，如圖2D中的箭頭230所示。舉例而言，在如圖2E-2F所示的第一時間，電流可以以順時針方向流過第一及第二線圈。因此，依據右手螺旋法則(right hand grip rule ;此亦可以稱為Biot-Savart定律)，此電流狀態產生從第一磁極片214 (例如，充當磁北極)朝向射束的表面224往第二磁極片216 (例如，充當磁南極)朝向射束的表面226延伸的磁力線222，如圖2E所示。由於離子束由通過此電場的帶電粒子構成，帶電粒子將依據洛倫茲力定律(Lorentz’s forcelaw ;或者有時可能被稱為"右手法則(right-hand rule)")被磁場偏轉,如圖2F所示。圖2G-2H示出了當電流變成逆時針方向時的磁掃描儀。此電流狀態因而產生從第二磁極片216 (例如，充當磁北極)朝向射束之的面226往第一磁極片214 (例如，充當磁南極)朝向射束的表面224延伸的磁力線222，如圖2G所示。在此磁場之下，帶電粒子將依據洛倫茲力定律如圖2H所示地偏轉。
雖然圖2的實施例能夠以振蕩方式來回掃描離子束228，但發明人認識到用以為振蕩磁場供電的許多能量就某些層面而言被"浪費掉"了。舉例而言，雖然振蕩磁場在射束沒有照射到的區域(例如，圖2D中的區域250A、250B)被施予電力，但離子束並未直接與這些區域中的磁力線相互作用。因此，發明人構想出相對於先前實施方式的改良磁射束掃描儀，其採用減少磁能需求的磁通量壓縮元件。圖3A-3D示出了依據本發明一些實施例的一磁掃描儀300的示例。除了參照圖2所述的先前構件之外，磁掃描儀300還包含一或多個磁通量壓縮元件，說明如下。例如，在例示的實施例之中，第一及第二磁通量壓縮元件(分別是302、304)位於在徑向上對射束路徑區域212加以界限的磁軛組件的內表面211之內。操作期間，第一及第二磁通量壓縮元件302、304，其通常包含非層壓式導電體，將承受抗磁性(diamagnetic)的感應潤電流(eddy current) 310 (參見圖3D) 。因此,這些感應電流310消除了原本應在現在被第一及第二磁通量壓縮元件302、304所填塞的空間中產生的磁場。此外，這些感應電流310增加了第一及第二磁通量壓縮元件302、304外部的磁場。以此種方式，儘管渦電流310造成一些功率損耗，但磁通量壓縮元件降低射束區域212中的整體磁化體積，因而降低在該射束區域中產生一給定磁場所需的功率。因此，相對於先前的實施方式，這種磁通量壓縮元件使得製造磁掃描儀300的電源更加經濟。在許多實施例之中，一磁通量壓縮元件包含一具有高導電性之金屬材料以有助於在渦電流流過其中時限制功率損耗。舉例而言，一磁通量壓縮元件可以包含具有金或銀塗層的銅或鋁，或者可以包含其他高導電性金屬(例如，鉬)。應理解，任何具有高導電性的材料均可以使用，但所列出者應是最常見的示例。其可以是這些材料以迭層材料、塗層金屬塊或合金形式的結合。成本及重量亦影響材料的選擇。例如，雖然實心金質磁通量壓縮件提供較佳的性能，但其實施極為昂貴。在例示的實施例之中，第一及第二磁通量壓縮元件302、304分別包含第一及第二導電體。這些導電體的形狀通常呈楔形，其中楔形體的寬闊端接近掃描儀的入口端208，而楔形體的狹窄端則接近掃描儀的出口端210。更明確而言，第一導電體302被例示為具有第一長度L1連續地自掃描儀的入口端208附近延伸至掃描儀的出口端210附近。第一導電體302亦被例示為在掃描儀的入口端208附近具有第一寬度W1而在掃描儀的出口端210附近具有第二寬度W2，其中第一寬度W1大於第二寬度W2以界定出一容納掃描離子束228的錐形表面312。雖然所例示的圖3C的實施例示出了第一導電體302的第一長度L1大約等於第二導電體304的第二長度L2 ;第一導電體302的第一寬度W1大約等於第二導電體304的第三寬度W3 ;且第一導電體302的第二寬度W2大約等於第二導電體304的第四寬度W4 ;但在其他的實施例之中，長度及寬度可以彼此不同。在許多實施例之中，第一及第二導電體302、304是大致連續的實心體，其中並無腔穴。這有助於限制產生一給定磁場所需的功率總量。然而，其不一定需要是實心連續體。基本上，磁通量壓縮元件中包含的導電材料的體積愈大，則該磁通量壓縮元件所提供的功率節省愈大。基於此說，應注意，磁通量壓縮元件或其任何部分均不應在射束路徑區域212周圍形成一閉合電環路；若磁通量壓縮元件或其任何部分使得該磁通量壓縮元件之中感應出的渦電流將降低或移除射束路徑中的磁場，則該磁通量壓縮元件將不利於預定的掃描動作。然而，在其他的實施例之中，舉例而言，諸如圖4所示，第一及第二磁通量壓縮元件402、404各自均具有一內含一或多個空隙406、408的外殼(例如，形成一中空結構)。在這種實施例之中，外殼的壁厚大於或等於一給定頻率下磁通量壓縮元件的導電材料相關的趨膚深度(skin depth)。本領域中公知,趨膚深度是一材料特性,定義為電磁波穿透材料直到其振幅縮減至表面處振幅的1/e (e是自然對數的底數=2. 718...)處的深度。趨膚深度可以由以下等式表示成材料電導率σ、磁導率(magnetic permeability) μ以及電磁波頻率f的函數
權利要求
1.一種用於掃描離子束的磁偏轉系統，包含 磁軛組件，具有入ロ端和出口端，射束路徑區域在入ロ端和出口端之間延伸，其中該射束路徑區域基本上在徑向上受限於該磁軛組件的內表面； 第一及第ニ磁極片，自磁軛組件向著彼此且向著射束路徑區域伸出，其中接近射束路徑區域在第一及第ニ磁極片之間界定磁極間隙區域； 第一及第ニ線圈，分別纏繞第一及第ニ磁極片，其中第一及第ニ線圈被配置為耦接至電流源以使ー時變電流通過第一及第ニ線圈，使得第一及第ニ線圈在磁極間隙區域中產生一振蕩時變磁場；以及 至少ー磁通量壓縮元件，配置於該磁軛組件的內周之內以及射束路徑區域外部。
2.如權利要求I所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中該至少一磁通量壓縮元件耦接至一固定電壓。
3.如權利要求I所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中第一及第ニ線圈為床架(bedstead)形。
4.如權利要求I所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中該至少一磁通量壓縮元件包含以下項目中的至少ー項鋁、銅、銀、金、鉬、或其組合。
5.如權利要求I所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中該至少一磁通量壓縮元件被主動式地冷卻。
6.如權利要求I所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中該至少一磁通量壓縮元件包含 第一導電體，配置於射束路徑區域的第一側，以及 第二導電體，配置於射束路徑區域的第二側，其中第二側位於第一側相對於射束路徑區域的對面。
7.如權利要求6所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中第一及第ニ導電體未在射束路徑區域周圍共同形成ー連續的電環路。
8.如權利要求6所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中第一及第ニ導電體各自基本上均為楔形，其中第一及第ニ導電體的寬闊端接近磁軛組件的入口端，且第一及第ニ導電體的狹窄端接近磁軛組件的出ロ端。
9.如權利要求6所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中第一及第ニ導電體大致為實心的容積體。
10.如權利要求6所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統,其中第一及第ニ導電體各自包含一外殼，該外殼在相應的導電體內部界定出一或多個空隙。
11.如權利要求6所述的用於掃描離子束的磁偏轉系統，其中第一及第ニ導電體耦接至一固定電壓。
12.—種離子注入系統，包含 離子源，沿射束路徑產生一離子束； 質量分析構件，位於離子源的下遊，對離子束執行質量分析； 磁偏轉系統，位於質量分析構件的上遊或下遊，其中該磁偏轉系統包含 磁軛組件，具有入口端和出口端，射束路徑延伸通過入口端和出口端，其中磁軛組件中的射束路徑基本上受限於磁軛組件的內表面；第一及第ニ磁極片，自磁軛組件向磁軛組件中的射束路徑伸出； 第一及第ニ線圈，分別纏繞第一及第ニ磁極片，其中第一及第ニ線圈耦接至電流源，該電流源被配置為使ー時變電流通過第一及第ニ線圈，使得第一及第ニ線圈在磁軛組件中的射束路徑之中產生ー振蕩時變磁場；以及 至少ー磁通量壓縮元件，配置於磁軛組件的內周之內以及射束路徑區域外部。
13.如權利要求12所述的離子注入系統，還包含 平行器(parallelize!·)，位於磁偏轉系統的下遊，將ー掃描離子束重新導控成平行於一公共軸，從而提供一平行化的離子束；以及 終端站，位於平行器的下遊，接收該平行化的離子束。
14.如權利要求12所述的離子注入系統，其中該至少一磁通量壓縮元件耦接至一固定電壓。
15.如權利要求12所述的離子注入系統，其中該至少一磁通量壓縮元件被主動式地冷卻。
16.如權利要求12所述的離子注入系統，其中該至少一磁通量壓縮元件包含 第一導電體，配置於射束路徑的第一側，以及 第二導電體，配置於射束路徑區域的第二側，其中第二側位於第一側相對於射束路徑的對面。
17.如權利要求16所述的離子注入系統，其中第一導電體及第ニ導電體未在射束路徑周圍形成ー連續的電環路。
18.如權利要求16所述的離子注入系統，其中第一及第ニ導電體包含以下項目中的至少ー項鋁、金、銀、鉬、銅、或其呈合金或塗層金屬塊形式的組合。
19.如權利要求12所述的離子注入系統，其中該至少一磁通量壓縮元件是大致為實心的導電體。
20.如權利要求12所述的離子注入系統，其中該至少一磁通量壓縮元件包含一外売，該外殼在該至少一磁通量壓縮元件之內界定出ー或多個空隙。
21.—種磁掃描儀,包含 第一及第ニ磁極片，用以合作將ー振蕩時變磁通量導引至一射束路徑區域；以及 磁通量壓縮裝置，接近射束路徑區域，用以壓縮第一及第ニ磁極片提供的磁通量。
22.如權利要求21所述的磁掃描儀，其中磁通量壓縮裝置包含以下項目中的至少ー項鋁、銅、銀、金、鉬、或其呈合金或塗層金屬塊形式的組合。
全文摘要
本發明的一些方案通過利用一磁束掃描儀輔助離子注入，該掃描儀包含第一及第二磁元件，射束路徑區域介於其間。一或多個磁通量壓縮元件配置於接近射束路徑區域處且介於第一及第二磁元件之間。操作期間，第一及第二磁元件合作產生一振蕩時變磁場於該射束路徑區域之中以按時間來回掃描離子束。該一或多個磁通量壓縮元件壓縮第一及第二磁元件所提供的磁通量，從而降低來回磁掃描射束所需的功率總量(相對於先前的實施方式)。還揭示了其他掃描儀、系統、以及方法。
文檔編號H01J37/147GK102859636SQ201180020858
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月27日 優先權日2010年4月28日
發明者伯·范德伯格 申請人:艾克塞利斯科技公司