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CN103119688B - 离子束调整 - Google Patents

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CN103119688B CN201180045304.4A CN201180045304A CN103119688B CN 103119688 B CN103119688 B CN 103119688B CN 201180045304 A CN201180045304 A CN 201180045304A CN 103119688 B CN103119688 B CN 103119688B
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Abstract

一种束线式离子植入机，包括：离子源，其被配置为用以产生离子束；扫描器，其被配置为用以对离子束进行扫描，从而产生具有从扫描起点向外发散的轨迹的被扫描离子束；以及聚焦元件，其具有聚焦场，位于扫描器的上游，被配置为用以使离子束聚焦于位于扫描起点处的焦点。一种离子束调整方法包括：产生离子束；使离子束聚焦于位于扫描起点处的焦点；以及对离子束进行扫描，以产生具有从扫描起点向外发散的轨迹的被扫描离子束。

Description

离子束调整
技术领域
本发明涉及一种束线式(beam line)离子植入机(ion implanters)，尤其涉及一种离子束调整。
背景技术
束线式离子植入机产生离子束，且使其前往工件以便进行处理。例如，此工件可以是半导体晶圆(semiconductor wafer)或者可接受离子处理以进行材料改性(modification)的其他物体。束线式离子植入机包括产生离子束的离子源以及控制和引导离子束前往工件的多个束线元件。这些束线元件可包括质量分析器(mass analyzer)和位于质量分析器下游的扫描器。此扫描器被配置为用以在被扫描的平面上以一定的扫描频率对离子束进行来回扫描，从而产生具有从扫描起点向外发散的轨迹(trajectories)的被扫描离子束。此扫描器可以是静电扫描器或磁扫描器。配置在扫描器下游的角度校正器收到具有发散轨迹的被扫描离子束，且使之发生偏转(deffects)以产生具有较平行的轨迹的被扫描离子束。使工件垂直于被扫描的平面，被扫描离子束便可散布在工件的前表面上。
被扫描离子束中的离子以一定的入射角撞击工件。对于一些应用场合，控制此入射角和使离子束的局部射束角张开(local beam angle spread)最小化变得越来越重要。对半导体晶圆进行穿隧(channeling)离子植入就是这样一种应用。半导体晶圆可由硅所制成，且硅的晶格(crystalline lattice)可采用有助于穿隧的定向(oriented)。若入射角略微不同于想要的角度，则穿隧的量会减少，这是不利的。在离子束能量较高处，穿隧的减少通常会加剧。控制入射角和使离子束平行化(parallelism)也有助于提高植入到半导体晶圆或其他工件的剂量(dose)的均匀度。
具有质量分析器、位于质量分析器下游的质量分辨孔(aperture)以及扫描器的传统束线式离子植入机使离子束聚焦于位于质量分辨孔处的焦点。因 此，当离子束到达质量分辨孔下游的扫描器的扫描起点时，离子束已经张开。此传统束线式离子植入机的一个缺点在于，对于一些对角度敏感的应用场合，离子束的局部射束角张开可能较大而无法接受。在一试验中，高能量[3兆电子伏(MeV)]的硼离子束具有0.06°的局部射束角张开。也就是说，关于局部射束角平均值的最大偏差为0.06°。这样的偏差会对穿隧的量带来不利的影响，从而对掺质(dopant)离子被植入到半导体晶圆中的深度带来不利的影响。此外，所造成的剂量均匀度也会受到不利的影响。
因此，想要提供一种能够克服上述不足和缺点的束线式离子植入机及其方法。
发明内容
依照本发明的第一观点，提供一种束线式离子植入机。此束线式离子植入机包括：离子源，其被配置为用以产生离子束；扫描器，其被配置为用以对离子束进行扫描，从而产生具有从扫描起点向外发散的轨迹的被扫描离子束；以及聚焦元件，其具有聚焦场，位于扫描器的上游，被配置为用以使离子束聚焦于位于扫描起点处的焦点。
依照本发明的另一观点，提供一种离子束调整方法。此方法包括：产生离子束；使离子束聚焦于位于扫描起点处的焦点；以及对离子束进行扫描，以产生具有从扫描起点向外发散的轨迹的被扫描离子束。
下面将参照实施例并配合附图来详细阐述本发明。虽然本发明是参照实施例来描述如下，但是应当理解的是，本发明并不限于此。任何有资格了解本文的教示的熟悉本专业的技术人员都能够识别属于本文所述的本发明的范围内的额外的实施方式、改进方案、实施例以及其他应用范围，就这些而言，本发明十分有用。
附图说明
为了更好地了解本发明，下文将参照附图，在这些图中，相同的元件用相同的符号来表示，其中：
图1是依照本发明的一种束线式离子植入机的方块图；
图2显示为与图1的束线式离子植入机的离子束的轨迹有关的卡迪尔坐 标系；
图3是图1的离子束在扫描起点附近的平面分解图；
图4A是图3的离子束沿着图3的4A-4A线而取得的横截面图；
图4B是图3的离子束沿着图3的4B-4B线而取得的横截面图；
图5是一种射束电流传感装置的一实施例的透视图；
图6是射束电流相对于时间的曲线图；以及
图7是依照图1的一种束线式离子植入机的各部分的方块图，其显示了局部射束角张开。
具体实施方式
图1显示为依照本发明的一种束线式离子植入机100的方块图。此束线式离子植入机100包括离子源102、聚焦元件104、扫描器106、射束电流传感装置144、角度校正器108、终端站(end station)114、控制器120以及用户界面系统122。离子源102被配置为用以产生离子束105。此离子源102可以是任何类型的离子源，诸如间接加热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)离子源，其阴极被灯丝(filament)加热至热电子发射温度，以发射电子到电弧室(arc chamber)内。本专业领域众所周知的是，萃取电极(extraction electrode)组件可透过萃取孔从电弧室内的电浆(plasma)中提取离子，使之进入离子束105所界定的井(well)。从离子源102中被提取出来的离子束105可以是当从离子源102中被提取时横截面形状近似为圆形的点状射束(spot beam)。当点状射束沿着射束线而传播时，其横截面形状会发生变化，在一些实例中，点状射束的横截面形状也可呈不规则形状。
聚焦元件104具有聚焦场，其被配置为用以使离子束聚焦于焦点。例如，此聚焦场可以是电场或磁场，这取决于聚焦元件的类型。在一实例中，聚焦元件104可以是具有一个或多个电极的静电透镜，这些电极被一个或多个电源施加偏压(biased)以产生使离子束105聚焦的电场力。在一些束线式离子植入机中，静电透镜也可以是加速/减速圆柱及/或四极(quadrupole)透镜。
扫描器106被配置为用以在被扫描的平面上对离子束105进行来回扫描或使离子束105发生偏转，以产生具有从扫描起点109向外发散的轨迹的被扫描离子束107。此扫描器106可以是静电扫描器或磁扫描器。静电扫描器可包括一组或多组扫描板(scan plates)形态的扫描电极，它们可相互隔开以界定一间隙。离子束105可穿过此间隙，且在此间隙中在电场作用下发生偏转。磁扫描器可包括磁极靴(magnetic polepieces)和线圈，其构成电磁体。磁极靴可相互隔开以界定一间隙，离子束105可穿过此间隙，且在此间隙中在磁场作用下发生偏转。
角度校正器108使具有发散轨迹的被扫描点状射束107发生偏转，且使被扫描点状射束107具有近似准直(collimated)的离子束路径，其具有实质上平行的离子路径轨迹。此角度校正器108可以是角度校正磁铁或平行化静电透镜。
终端站114可包括台板(platen)112，其支撑着工件110，使得想要物种的离子能够撞击工件110。例如，工件110可以是半导体晶圆或者其他接受离子处理以进行材料改性的物体。工件110也可采用各种实体形状，如普通的圆盘(disk)形。终端站114也可包括晶圆驱动系统(未显示)，以便从保存区实体移动工件110前往和离开台板112。也可利用已知的技术(诸如静电压紧(electrostatic clamping))来使工件110固定在台板112上。终端站114也可包括台板驱动系统，其用来驱动台板112，进而以想要的方式驱动固定在台板112上的工件110。举例而言，此台板驱动器可包括伺服驱动马达、螺钉驱动机构、机械连接以及本专业领域众所周知的任何其他元件。
控制器120可从束线式离子植入机100的任何类型的系统和元件中接收输入资料和指令，并且提供输出信号来控制这些系统和元件。此控制器120可以是或者可包括一台通用电脑或多台通用电脑的网络，这些通用电脑可经编程以执行想要的输入/输出功能。此控制器120也可包括其他电子电路或元件，如专用集成电路(application specific integrated circuits)、其他硬接线式(hardwired)或可编程电子设备、离散元件电路等等。此控制器120也可包括通信设备、资料存储设备以及软件。用户界面系统122可包括(但不限于)触摸屏、键盘、用户指向设备、显示器、打印机等设备，使得使用者能够输入指令及/或资料及/或经由控制器120来监控束线式离
子植入机100。
请参照图2，其定义了一个卡迪尔(Cartesian)坐标系，以便协助阐述束线式离子植入机100的操作。此卡迪尔坐标系包括由离子束105的中心轨迹所界定的Z轴。垂直于Z轴的平面202包括X轴和Y轴。X轴是平面202的横轴，Y轴是平面202的纵轴且垂直于X轴。因此，Z轴随着离子束105的轨迹的变化而变化，且当离子束在沿着射束线的不同位置处弯曲时，Z轴都与轨迹相切(tangent)。
操作时，束线式离子植入机100的离子源102被配置为用以产生离子束105。此离子束105可以是当从离子源102中被提取时横截面形状近似为圆形的点状射束。扫描器106被配置为用以对离子束进行扫描，从而产生具有从扫描起点109向外发散的轨迹的被扫描离子束107。具有聚焦场且位于扫描器106上游的聚焦元件104被配置为用以使离子束105聚焦于位于扫描起点109处的焦点。沿着射束线而行，离子束105在X维度上可具有变化的宽度，当离子束105在X维度上的宽度为最小时可形成焦点。
请参照图3，其显示为离子束105沿着Z轴方向朝下游而行时的平面分解图。Y轴伸出该页面，随着离子束105沿着射束线而传播，此离子束105在X维度上的宽度是变化的。当离子束105沿着X轴的宽度为最小时，则形成焦点306。在图3的最上方实例中，离子束105的焦点306位于扫描器106的扫描起点109的下游。在图3的中间实例中，离子束105的焦点306位于扫描起点109的上游。最后，在图3的最下方实例中，离子束105的焦点306位于扫描起点109处。
图4A是沿着图3的4A-4A线而取得的沿着离子束105行进的方向朝下游看的离子束105的横截面图。同样地，图4B是沿着图3的4B-4B线而取得的沿着离子束行进的方向朝下游看的离子束105的横截面图。图4B显示为当离子束105聚焦于其焦点306时的近似形状。图4A所示的离子束105的宽度(W3)远远大于图4B所示的形成在焦点306处的最小宽度(W2)。在一实施例中，此最小宽度(W2)约为3毫米(mm)。图4A与图4B显示为离子束105在Y维度上的高度略微相似，但是情况未必如此，此高度也可不同。在一些实例中，离子束105的横截面形状也可呈不规则形状。
请参照图5，其显示为一种射束电流传感装置144的一实施例的透视图，在离子束形成过程中，其位于扫描起点109处。此射束电流传感装置144可包括具有细长孔504的板502。此射束电流感测装置144可还包括位于细长孔504下游的射束电流传感器506，如法拉第杯(Faraday cup)。板502与射束电流传感器506可还整合(integrated)成行进组件510，它由臂状物508来支撑着。可选择的是，射束电流传感器506也可不在同一个行进组件中，只要它配置在具有细长孔504且适当放置的板的下游即可。臂状物508可由驱动器(未显示)来驱动且由控制器120进行控制，使得在射束形成过程中板502的细长孔504位于扫描起点109处。细长孔504在X维度上的宽度(W1)可小于图4B所示的离子束105在其焦点306处的最小宽度(W2)。在一实例中，细长孔在X维度上的宽度(W1)可以是2mm，而离子束105在其焦点306处且在同样是X维度上的最小宽度(W2)则可以是3mm。
操作时，在射束形成过程中，射束电流传感装置144位于扫描起点109处。具体而言，具有细长孔504的板502可沿着Z轴而放置在扫描起点109处。细长孔504使得离子束105的一部分能够从中穿过而到达位于下游的射束电流传感器506。然后，射束电流传感器506可感知离子束105的这部分的射束电流值。如图6的曲线图所示，当聚焦元件104使离子束105聚焦时，离子束105的这部分的射束电流值是变化的。在时间(t1)处，射束电流传感器506所感知的射束电流为最大值，这表明焦点306在扫描起点109处。举例而言，请参照图3，若焦点306在扫描起点109的下游(如图3的最上方实例所示)，则射束电流传感器所感知的射束电流会小于最大值，因为相同量的射束电流在X维度上会分散较长的距离。同样地，若焦点306在扫描起点109的上游(如图3的中间实例所示)，则射束电流传感器所感知的射束电流也小于最大值。最后，直到焦点306对准(aligned)扫描起点109(如图3的最下方实例所示)，射束电流传感器才在时间(t1)处感知到最大值。
在另一实施例中，射束电流传感装置144可包括射束电流传感器，其在X维度上的宽度小于离子束在其焦点306处在X维度上的最小宽度(W2)。在一实施例中，射束电流传感器可具有与细长孔504略微相似的 细长形，且可由诸如石墨(graphite)等导电材料所制成。
在又一实施例中，可相应离子束105放置一台照相机来拍摄离子束105，以便捕捉同样接近扫描起点109的影像。被照相机捕捉到的离子束105的影像可被输入到控制器120。作为响应，控制器120可指示聚焦元件104做调整，使得离子束聚焦于位于扫描起点处的焦点。
因此，提供一种束线式离子植入机，其包括聚焦元件，此聚焦元件具有聚焦场，位于扫描器的上游，被配置为用以使离子束聚焦于位于扫描起点处的焦点。有利的是，藉由使离子束聚焦于扫描起点处的焦点，离子束105的局部射束角张开达到最小化。对于一些应用场合(如进行穿隧植入的高能量离子束)而言，这是想要的。
图7是最小化的局部射束角张开的方块图。图7的实施例中的扫描器106是静电扫描器，其扫描板702、704相互隔开，以形成间隙。操作时，如先前所述，离子束105聚焦于扫描起点109处的焦点。位于扫描器下游的角度校正器108用作透镜，使被扫描离子束107的发散轨迹偏转成较平行的轨迹。从角度校正器108输出的离子束105也具有局部离子轨迹。举例而言，此处显示了离子束105撞击工件110的一条边缘的分解图，其中单独的射束元(beamlets)710、712、714、716及718有利地具有最小局部射束角张开，从而有利地相互密切平行。
在一试验中，当3MeV的硼离子束聚焦于扫描起点处的焦点时，此离子束仅呈现出0.01°的局部射束角张开。此局部射束角张开是指关于局部射束角平均值的最大偏差。举例而言，若中心射束元714代表0°入射角的局部射束角平均值，且任何其他射束元710、712、716及718相对于此局部射束角平均值的最大偏差为0.01°，则局部射束角张开便是0.01°。因此，射束元710、712、714、716及718也有利地相互密切平行。此外，与在不同位置撞击工件110的离子束105相比，控制局部射束角张开也有助于整体提高平行度。
不同的是，试验数据表明，同样是3MeV的硼离子束，当离子束的焦点在质量分辨口(slit)处时，局部射束角张开却高达0.06°。此外，根据 探针的测量，由此而造成的接受植入的硅晶圆(用作工件)上的均匀度从0.7％改善到0.3％。
本文所述的具体实施例并非对本发明范围的限定。事实上，任何熟悉本专业的技术人员，都可以根据上文的描述和附图来了解本文所述的实施例，进而了解本发明的其他实施例和对本发明的改进。因此，这些其他实施例和改进应视为属于本发明的范围。另外，虽然本文是在特定的环境下为了特定的目的以特定的实施方式来描述本发明，然而任何熟悉本专业的技术人员应当了解的是，其用途并不限于此，本发明可在任何环境下为了任何目的以有利的方式来实施。因此，本发明的完整范围和精神当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (13)

1.一种束线式离子植入机，包括：
离子源，其被配置为用以产生离子束；
扫描器，其被配置为用以对所述离子束进行扫描，从而产生具有从扫描起点向外发散的轨迹的被扫描离子束；以及
聚焦元件，其具有聚焦场，位于所述扫描器的上游，被配置为用以使所述离子束聚焦于位于所述扫描起点处的焦点，
其中所述束线式离子植入机还包括射束电流传感装置，在离子束形成过程中，其位于所述扫描起点处，其中所述射束电流传感装置被配置为用以感知所述离子束在所述扫描起点处的射束电流的电流典型值，以及其中所述聚焦元件被配置为使所述离子束聚焦，直到所述射束电流传感装置感知到最大电流为止，使得所述离子束聚焦于位于所述扫描起点处的所述焦点。
2.根据权利要求1所述的束线式离子植入机，其中所述射束电流传感装置包括：板，其具有细长孔，在所述离子束形成过程中，所述细长孔位于所述扫描起点处；以及射束电流传感器，在所述离子束形成过程中，其位于所述板的下游，其中所述细长孔使得所述离子束的一部分从中穿过并到达所述射束电流传感器。
3.根据权利要求2所述的束线式离子植入机，其中所述板与所述射束电流传感器整合为行进组件。
4.根据权利要求2所述的束线式离子植入机，其中所述细长孔在第一维度上具有第一宽度，且所述离子束在所述焦点处在所述第一维度上具有第二宽度，其中所述第一宽度小于所述第二宽度。
5.根据权利要求4所述的束线式离子植入机，其中所述第一宽度为2毫米，且所述第二宽度为3毫米。
6.根据权利要求1所述的束线式离子植入机，其中所述射束电流传感装置包括射束电流传感器，所述射束电流传感器在第一维度上具有第一宽度，且所述离子束在所述焦点处在所述第一维度上具有第二宽度，其中所述第一宽度小于所述第二宽度。
7.根据权利要求1所述的束线式离子植入机，其中所述聚焦元件包括静电透镜。
8.根据权利要求1所述的束线式离子植入机，其中当所述离子束的宽度为最小宽度时，形成所述焦点。
9.一种离子束调整方法，包括：
产生离子束；
使所述离子束聚焦于位于扫描起点处的焦点；以及
对所述离子束进行扫描，以产生具有从所述扫描起点向外发散的轨迹的被扫描离子束，
其中所述离子束调整方法还包括感知所述离子束在所述扫描起点处的射束电流的电流典型值，且其中使所述离子束聚焦于位于所述扫描起点处的所述焦点还包括调整所述离子束，直到所述扫描起点处的电流为最大电流为止。
10.根据权利要求9所述的离子束调整方法，其中所述感知包括：在所述扫描起点处放置具有细长孔的板；以及在所述板的下游放置射束电流传感器，其中所述细长孔使得所述离子束的一部分从中穿过且到达所述射束电流传感器，以及其中所述细长孔在第一维度上具有第一宽度，且所述离子束在所述焦点处在所述第一维度上具有第二宽度，其中所述第一宽度小于所述第二宽度。
11.根据权利要求10所述的离子束调整方法，其中所述第一宽度为2毫米，且所述第二宽度为3毫米。
12.根据权利要求9所述的离子束调整方法，其中所述感知包括在所述扫描起点处放置在第一维度上具有第一宽度的射束电流传感器，其中所述离子束在所述焦点处在所述第一维度上具有第二宽度，其中所述第一宽度小于所述第二宽度。
13.根据权利要求9所述的离子束调整方法，其中所述离子束在所述扫描起点的上游在第一维度上具有一宽度，且其中使所述离子束聚焦于位于所述扫描起点处的所述焦点包括在所述扫描起点处将所述宽度缩小到最小宽度。
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