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改善的离子束流的装置与方法

阅读:800发布:2020-05-08

专利汇可以提供改善的离子束流的装置与方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种装置可包括: 电极 系统,所述电极系统包括多个电极以将离子束从进入开孔导向到出射开孔;以及 电压 电源,用以对所述电极系统施加多个电压。所述电极系统可包括出射电极总成,其中所述出射电极总成包括第一出射电极及第二出射电极,所述第二出射电极通过电极间隙与所述第一出射电极分隔开。所述第一出射电极及所述第二出射电极能够相对于彼此移动,以在间隙范围内改变所述电极间隙的大小。,下面是改善的离子束流的装置与方法专利的具体信息内容。

1.一种装置,包括:
电极系统,所述电极系统包括多个电极以将离子束从进入开孔导向到出射开孔;以及电压电源,用以对所述电极系统施加多个电压,
其中所述电极系统包括出射电极总成,所述出射电极总成包括第一出射电极及第二出射电极,所述第二出射电极通过电极间隙与所述第一出射电极分隔开,其中所述第一出射电极及所述第二出射电极能够相对于彼此移动,以在间隙范围内改变所述电极间隙的大小。
2.根据权利要求1所述的装置,进一步包括达,所述马达机械耦合到所述出射电极总成且向所述出射电极总成供应线性运动。
3.根据权利要求1所述的装置,进一步包括控制器,以响应于用户输入而供应控制信号来调整所述电极间隙。
4.根据权利要求1所述的装置,其中所述第一出射电极及所述第二出射电极包括轴杆,其中所述轴杆包括轴杆中心,且其中所述轴杆能够围绕旋转轴旋转,所述旋转轴相对于所述轴杆中心移置。
5.根据权利要求1所述的装置,其中所述间隙范围是至少25mm。
6.根据权利要求1所述的装置,其中所述电极间隙的最大值为98mm,所述电极间隙的最小值为63mm。
7.根据权利要求1所述的装置,其中所述电极系统进一步包括多个减速电极,所述多个减速电极较靠近所述进入开孔而设置在所述出射电极总成的上游。
8.一种用于离子植入的系统,包括:
离子源,被安置成产生离子束;
电极系统,所述电极系统包括多个电极以将所述离子束从进入开孔导向到出射开孔;
以及
电压电源,用以对所述电极系统施加多个电压,其中所述电极系统进一步包括出射电极总成,所述出射电极总成包括第一出射电极及第二出射电极,所述第二出射电极通过电极间隙与所述第一出射电极分隔开,其中所述第一出射电极及所述第二出射电极能够相对于彼此移动,以在间隙范围内改变所述电极间隙的大小。
9.根据权利要求8所述的系统,进一步包括马达,所述马达机械耦合到所述出射电极总成且向所述出射电极总成供应线性运动。
10.根据权利要求8所述的系统,进一步包括控制器,以响应于用户输入而供应控制信号来调整所述电极间隙。
11.根据权利要求8所述的系统,其中所述第一出射电极及所述第二出射电极包括轴杆,其中所述轴杆包括轴杆中心,且其中所述轴杆能够围绕旋转轴旋转,所述旋转轴相对于所述轴杆中心移置。
12.根据权利要求8所述的系统,其中所述间隙范围是至少25mm。
13.一种方法,包括:
产生离子束;
在电极系统中使所述离子束减速,其中所述离子束被引导到衬底;以及
基于所述离子束的束高度来调整所述电极系统的出射电极之间的电极间隙。
14.根据权利要求13所述的方法,包括将所述电极间隙调整成等于所述束高度。
15.根据权利要求13所述的方法,其中所述电极系统包括具有第一出射电极及第二出射电极的出射电极总成,其中所述束高度包括所述离子束的沿着在所述第一出射电极与所述第二出射电极之间延伸的线的大小。
16.根据权利要求19所述的方法,其中所述第一出射电极及所述第二出射电极包括轴杆,其中所述轴杆包括轴杆中心,其中所述调整所述电极间隙包括使所述第一出射电极及所述第二出射电极中的至少一者的所述轴杆围绕旋转轴旋转,所述旋转轴相对于所述轴杆中心移置。

说明书全文

改善的离子束流的装置与方法

技术领域

[0001] 本发明大体来说涉及用于离子植入的装置及技术,且更具体来说涉及改善在离子束减速之后递送到衬底的电流

背景技术

[0002] 离子植入是一种用于通过轰击将掺杂剂、添加剂或杂质引入到衬底中的工艺。已知的离子植入系统或离子植入装置可包括离子源及一系列束线组件。离子源可包括在其中产生所需离子的腔室。离子源还可包括设置在腔室附近的电源及提取电极总成。束线组件可例如包括质量分析仪、第一加速级或减速级、准直器及第二加速级或减速级。
[0003] 在已知的离子植入机中,最终的减速级可在离子束冲击衬底之前使离子束减速并且对离子束进行塑形并改变离子束的传播方向。减速级可被设计为具有多个电极的电极系统,在所述多个电极中施加不同的电压以在离子束从减速级出射之前对离子束进行导向、对离子束进行塑形并使离子束减速。在已知的减速级中,束可在成对的对置电极之间被导向,所述成对的对置电极界定间隙区,离子束可在所述间隙区中传播而不撞击电极。对于低能量离子束,离子束在与传播方向垂直的方向上的束高度往往较大。因此,在已知的离子植入机中,减速级可被设计成在各对置的电极之间具有足以适应在离子植入机中采用最低离子能量时的束高度的间隙。
[0004] 由于电极之间的间隙可针对最低能量离子束来加以设计,因此对于具有较高能量的离子束来说,离子束可前进穿过减速级且具体来说穿过一对出射电极,其中离子束与各对置的电极间隔开。此种配置可引起不理想的结果,其中包括对于给定束高度,递送到衬底的束流较低。
[0005] 关于这些及其他考虑因素,提供本发明。

发明内容

[0006] 在一个实施例中,一种装置可包括:电极系统,所述电极系统包括多个电极以将离子束从进入开孔导向到出射开孔;以及电压电源,用以对所述电极系统施加多个电压。所述电极系统可包括出射电极总成,其中所述出射电极总成包括第一出射电极及第二出射电极,所述第二出射电极通过电极间隙与所述第一出射电极分隔开。所述第一出射电极及所述第二出射电极能够相对于彼此移动,以在间隙范围内改变所述电极间隙的大小。
[0007] 在另一实施例中,一种用于离子植入的系统可包括离子源,所述离子源被安排成产生离子束。所述系统可进一步包括电极系统,所述电极系统包括多个电极以将所述离子束从进入开孔导向到出射开孔。所述系统还可包括电压电源,所述电压电源用以对所述电极系统施加多个电压,其中所述电极系统进一步包括出射电极总成。所述出射电极总成可包括第一出射电极及第二出射电极,所述第二出射电极通过电极间隙与所述第一出射电极分隔开,其中所述第一出射电极及所述第二出射电极能够相对于彼此移动,以在间隙范围内改变所述电极间隙的大小。
[0008] 在另一实施例中,一种方法可包括:产生离子束;在电极系统中使所述离子束减速,其中所述离子束被引导到衬底;以及基于所述离子束的束高度来调整所述电极系统的出射电极之间的电极间隙。附图说明
[0009] 图1A及图1B呈现根据本发明实施例的装置的框图
[0010] 图2示出根据本发明的系统的示例性实施例。
[0011] 图3A-3C示出图2所示电极系统的一个变型在操作中的侧视图。
[0012] 图3D及图3E示出根据本发明实施例的出射电极总成的操作细节。
[0013] 图4A、图4B及图4C示出根据本发明实施例的电极系统的操作的模拟束流轮廓。
[0014] 图5示出根据本发明实施例的示例性过程流程。
[0015] 附图未必是按比例绘制。附图仅为代表性图,而非旨在描绘本发明的具体参数。附图旨在示出本发明的典型实施例,且因此不应被视为在范围上具有限制性。在附图中,相同的编号表示相同的元件。

具体实施方式

[0016] 现在将在下文中参照附图来更全面地阐述根据本发明的系统、装置及方法,在附图中显示所述系统、装置及方法的实施例。所述系统、装置及方法可实施为许多不同的形式,而不应被视为仅限于本文中所述的实施例。相反,提供这些实施例是为了使本发明透彻及完整起见,且将向所属领域中的技术人员全面地传达所述系统及方法的范围。
[0017] 如本文中所使用,以单数形式叙述且跟在词语“一个(a或an)”后面的元件或操作应被理解为包括多个元件或操作,除非明确地叙述此种排除性。此外,本发明所提及的“一个实施例”并非旨在为限制性。额外实施例也可并入有所叙述的特征。
[0018] 在各种实施例中,提供用于以新颖的方式控制离子束的轨迹以便于清洁离子束装置中的组件的系统、装置及方法。
[0019] 图1A及图1B呈现根据本发明实施例的离子植入系统100的框图。离子植入系统100可被称为“离子植入机”,且可通常表示束线离子植入机或产生离子束的紧凑型装置。因此,为清晰起见,可省略离子植入机的各种已知的组件。如图所示,离子植入系统100包括被示出为离子源102的离子束源。离子源102还可包括设置在离子源102的腔室附近的电源及提取电极总成(图中未示出)。
[0020] 离子源102可包括发电机等离子体激发器、等离子体腔室及等离子体。等离子体源可为电感耦合等离子体(inductively-coupled plasma,ICP)源、环形耦合等离子体(toroidal coupled plasma,TCP)源、电容耦合等离子体(capacitively coupled plasma,CCP)源、螺旋波源、电子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)源、间热式阴极(indirectly heated cathode,IHC)源、辉光放电源、电子束生成式离子源或所属领域中的技术人员已知的其他等离子体源。
[0021] 离子源102可产生用于加工衬底120的离子束104。在各种实施例中,离子束(在横截面中)可具有靶向性形状,例如点束或带束,如所属领域中已知。在所示的坐标系中,离子束的传播方向可被表示为平行于Z轴,而离子束104的实际离子轨迹可有所变化。为加工衬底120,可通过在离子源102与衬底120之间建立电压(电势)差来使离子束104加速,以获取目标能量。如图1B中所示,离子源102可耦合到电压电源132,电压电源132被设计成在对衬底120的加工期间为离子产生靶向性离子能量。用于加工衬底的离子能量的实例可介于数百eV至数十万eV的范围内。关于这点,各实施例不受限制。
[0022] 在加工操作模式中,离子植入系统100可用于通过以下操作来加工衬底120:在使衬底120维持处于接地电势的同时,在离子源102中建立等离子体、对离子源102施加正电压VT并提取离子束104。此差界定工艺能量,即在离子到达衬底时离子的能量。为使离子束104更高效地输送穿过质量选择级及束塑形级,可有利地将此种工艺维持为较高能量。在一个实施方案中,可通过对部分140施加负电压VT以使得束在束路径长度的大部分内具有由VS+VT建立的能量来实现此种较高能量,部分140容纳执行质量分析及束塑形的元件。如图1B中所示,此种安排使离子束104减速到达衬底120。在各种实施例中,离子束104可被设置为带束、点束或扫描点束。如图1A中所示,离子束104可在射到衬底120上之前穿越充当减速级的电极系统114,以降低离子束104的离子能量。电极系统114可包括出射电极总成116,其中出射电极总成116的操作会在以下详述。
[0023] 图1B说明离子植入系统100的变型,所述变型包括如下所详述的各种束线组件。束线组件可例如包括质量分析仪106、包括质量狭缝110的腔室108、准直器112、用于如下所详述来处理离子束104的电极系统114、及衬底载台118。电极系统114可耦合到电极电压电源128,以在电极系统114内的不同电极处接收各种电压,如下所详述。电压电源128可如前所述对部分140施加偏压,且可另外向电极系统114的不同电极供应不同电压,以执行例如抑制、减速等不同的功能。离子植入系统100可进一步包括耦合到出射电极总成116的驱动系统124,以如下所详述来调整电极之间的间隙。离子植入系统100可进一步包括至少耦合到驱动系统124的控制器130,从而提供控制信号来调整出射电极总成116中的电极的定位。控制器130可使得操作员能够输入由控制器接收的用户输入,且因此可便于对电极总成内的电极的位置进行远程控制及调整,从而避免使离子植入系统不能操作。
[0024] 在示例性实施例中,前述束线组件可将离子束104过滤、聚焦及操纵成具有所需的物质、形状、轨迹、能量及其他品质。衬底120可通过衬底载台118在一个或多个维度上移动(例如,平移、旋转及倾斜)。
[0025] 图2提供对离子植入系统100的额外示出,从而提供电极系统114的实施例的细节。电极系统114可充当减速级,以在离子束从进入开孔150穿越到出射开孔152时降低离子束
104的能量。也可如图所示来改变离子束104的轨迹,以滤除例如高能中性粒子等物质,如同在已知的静电过滤器中。离子束104还可由电极系统114的电极塑形,以使离子束104传导穿过出射开孔152并将离子束104引导到衬底120。具体来说,电极系统114可包括成对安排的多个电极,以界定用以传导离子束104的间隔。各种电极被示出为电极114-A、114-B、114-C、
114-D、114-E、114-F、114-G、114-H、114-I、114-J、114-K及114-L,其中至少一些电极可被安排为抑制电极及减速电极,如同在已知的减速级中。举例来说,电极114-E至114-L可充当减速电极。出射电极总成116可包括邻近出射开孔152且在出射开孔152的上游设置的第一出射电极116-A及第二出射电极116-B。在各种非限制性实施例中,第一出射电极116-A及第二出射电极116-B可为接地电极,其中施加到第一出射电极116-A及第二出射电极116-B的电势是接地电势。
[0026] 在一些实施例中,电极114-A至114-L包括彼此电耦合的成对的导电件,例如棒或其他伸长的(沿着X轴)结构。作为另一选择,电极114-A至114-L可为一系列单式结构,每一单式结构包括用于供离子束从中穿过的开孔。在所示实施例中,每一电极对的上部分及下部分可具有不同的电势(例如,在单独的导电件中),以使从中穿过的离子束偏转。尽管电极114-A至114-L被示出为七(7)对(例如,具有五(5)组抑制电极/聚焦电极),然而在各种实施例中,可利用任何数目的元件(或电极)。举例来说,电极114-A至114-L的配置可利用三(3)个电极组至十(10)个电极组的范围。
[0027] 在各种实施例中,第一出射电极116-A及第二出射电极116-B可为可相对于彼此独立移动的单独的电极。
[0028] 如图2中所示,第二出射电极116-B通过电极间隙G与第一出射电极116-A分隔开,其中第一出射电极116-A及第二出射电极116-B可相对于彼此移动,以在间隙范围内改变电极间隙G的大小。现在转到图3A、图3B及图3C,其示出根据本发明一些实施例的电极系统114的操作。第一出射电极116-A的及第二出射电极116-B的配置在图3A、图3B及图3C所示的不同视图之间变化。具体来说,第一出射电极116-A及第二出射电极116-B在各连续的图之间围绕旋转轴以连续的90度增量(θ)旋转。此种旋转使得电极间隙G能够如以下参照图3D及图3E所详细地解释被调整。作为实例,图3A可对应于其中电极间隙G为最大值的旋转位置θ=0°,在一个实施例中,此值可对应于98mm。图3B示出其中电极间隙G可为80.3mm的旋转角位置θ=90°。图3C示出其中电极间隙G可为最小值63mm的旋转角位置θ=180°。在此实例中,间隙范围是35mm,而在其他实例中,间隙范围可为至少25mm。关于这点,各实施例不受限制。
[0029] 图3D及图3E示出根据本发明实施例的出射电极总成116的操作细节。在各种实施例中,第一出射电极116-A及第二出射电极116-B可包括沿着所示坐标系的X轴延伸的轴杆(例如棒)。在图3D所示实例中,第一出射电极116A及第二出射电极116B如图所示展现出轴杆中心162。第一出射电极116A及第二出射电极116B还包括旋转轴160,其中旋转轴160相对于轴杆中心162移置。举例来说,较小直径棒可延伸穿过给定出射电极以如图所示界定旋转轴,因此所述给定出射电极不围绕轴杆中心162旋转。第一出射电极116-A及第二出射电极116-B可机械耦合到达(参见驱动系统124),所述马达向第一出射电极116-A及第二出射电极116-B供应旋转运动。在一些实施例中,马达可供应驱动运动,以使第一出射电极116-A以逆时针旋转形式旋转并使第二出射电极116-B以顺时针旋转形式旋转。在一些实施例中,逆时针旋转及顺时针旋转可被驱动成彼此同时发生。这样一来,第一出射电极116-A的及第二出射电极116-B的旋转可使第一出射电极116-A与第二出射电极116-B之间的电极间隙从最大尺寸G1减小到最小尺寸G2。具体来说,在图3D及图3E所示的实例中,第一出射电极116-A及第二出射电极116-B围绕旋转轴160经历180度旋转。例如图3B中所示旋转经过较小角度会得到介于G1与G2之间的中间大小的电极间隙。通过提供第一出射电极116-A与第二出射电极116-B的同时对称旋转,可围绕第一出射电极116-A与第二出射电极116-B之间的中心线164对称地改变电极间隙。
[0030] 在以上实例中用于调整电极间隙G的间隙范围仅为示例性的且可例如依据出射电极的大小及旋转轴的布置而更大或更小。在其他实施例中,可使用驱动器来调整出射电极之间的电极间隙,所述驱动器通过沿着Y轴对出射电极赋予线性运动来改变出射电极之间的电极间隙。
[0031] 图4A、图4B及图4C示出根据本发明实施例的电极系统的操作的模拟束流轮廓。各图示出穿越电极系统114的离子束170的横截面,其中给定矩形表示在所述矩形内具有均匀电势的电极。各图示出电极系统114的顶半部,其中底半部相对于顶半部对称且为清晰起见被省略。在此模拟中,3keV P+束被输送穿过电极系统114,所述系统包括保持处于接地电势的一对可移动出射电极。在图4A至图4C所示的模拟中,最终的束能量是3keV,而施加到末端电极(在左侧的最远电极,其紧挨进入开孔)的电压是-30kV,且施加到抑制电极(对于抑制电极的位置,参见图3A至图3C)的电压是-50kV。
[0032] 在图4A中,仅示出一个电极,即出射电极116-B。在衬底120(例如300mm晶片)上测量束流(ROI)。在图4A中,由出射电极116-B例示的出射电极移动到其中出射电极之间的电极间隙是76mm且离子束170恰好触碰出射电极116-B的位置。在此种配置中,电极系统114可将27.6mA 3keV P+束聚焦及输送到衬底。图4A还示出等离子体边界172,等离子体边界172具有适用于通过电极系统114将离子束170(3keV)聚焦及输送到衬底120的凹形状。因此,离子束170在射到衬底120上时形成沿着Y轴具有小高度的窄束。现在转到图4B,其示出其中出射电极之间的电极间隙被调整成98mm的配置。值得注意地,此种配置对应于在一些已知的离子植入系统中所展现出的固定电极间隙。此种相对较大的电极间隙的有用之处可在于能够将能量低至500eV的低能量离子束以合理的束流传导到衬底。在图4B中针对3keV P+束展现出提供此种宽的固定电极间隙的缺点。在图4B中,针对与图4A中具有相同电流27.6mA及相同束能量3keV的P+来模拟离子束170。在此种配置中,离子束170在未被聚焦的同时传导到衬底120,因此较高的束撞击衬底120。图4B还示出等离子体边界174,此边界相对于图4A所示等离子体边界172变平且向下游移位。等离子体边界的变形减弱离子束170在电极系统114的出口处的聚焦。等离子体边界向下游移位还增强束空间电荷扩张。束聚焦减弱及束空间电荷扩张往往减弱低能量束穿过电极系统114向衬底120的传输。
[0033] 图4C说明其中出射电极之间的电极间隙是98mm的另一情形。在此种情形中,输送到电极系统114中的电流被减弱,使得具有21.4mA 3keV P+束流的束被传导到衬底120。在此实例中,尽管等离子体边界176相对于图4A所示等离子体边界172向下游移动,然而在减弱的束流下,离子束170可在衬底120处被聚焦成较短的束,即在束高度上与图4A所示情形相当。
[0034] 图4A-4C所示的以上结果表明,可通过调整出射电极总成116的出射电极之间的电极间隙来优化等离子体边界以对低能量离子束进行聚焦及输送。具体来说,调整电极之间的电极间隙以使束高度等于出射电极116-A与出射电极116-B之间的电极间隙G会产生具有适当凹形状及恰当位置以便将穿过电极系统114的低能量束传输量最大化的等离子体边界。具体来说,结果表明,相对于具有宽电极间隙(例如98mm)的已知固定电极配置,3keV P+束流可增强30%。
[0035] 图5示出根据本发明实施例的示例性过程流程500。在框502处,在电极系统的进入开孔处接收离子束。在各种实施例中,离子束可为带束或扫描点束。在一些实施例中,电极系统可充当减速级。在一些实施例中,离子束可包括30keV或更小的离子能量,且在特定实施例中包括10keV或更小的离子能量。
[0036] 在框504处,可在离子束传导穿过电极系统时使离子束减速。因此,电极系统可包括多对对置的电极,所述多对对置的电极被配置成对离子束进行导向并且使离子束减速。电极系统可包括一对出射电极,其中出射电极是电极系统内的电极中的最下游者。在其中电极系统与衬底之间不存在其他加速级或减速级的实施例中,一对出射电极可为接地电极。
[0037] 在框506处,在电极系统中根据离子束的束高度来调整出射电极之间的电极间隙。束高度可表示束沿着在一对出射电极中的第一出射电极与第二出射电极之间延伸的线的大小。在一些实施例中,电极间隙可被调整成等于束高度。在特定实施例中,出射电极可被配置为棒,其中可通过使棒围绕每一棒的旋转轴旋转来调整电极间隙,所述旋转轴与棒的中心间隔开。
[0038] 鉴于上述内容,本文中所公开的实施例会实现至少以下优点。首先,根据本发明实施例构造的减速级内的电极配置可由操作员在不必拆卸减速级且无需进行手动调整的情况下方便地调整。其次,在减速级内,在也传输具有较高离子能量且被恰当聚焦的高束流的同时,可适应能量低至数百eV的低能量离子束。
[0039] 本发明在范围上不受本文中所述的具体实施例限制。而是,除本文中所述的实施例以外,所属领域中的普通技术人员依据以上说明及附图还将明了本发明的其他各种实施例及修改形式。因此,此类其他实施例及修改形式旨在归属于本发明的范围内。此外,尽管在本文中已出于特定目的而以特定环境中的特定实施方案为背景阐述了本发明,然而所属领域中的普通技术人员将认识到本发明实施例的实用性并非仅限于此,且可出于任何数目种目的而在任何数目种环境中有利地实作本发明实施例。因此,以上所述的权利要求应依据本文所述的本发明的完整范围来加以解释。
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