专利名称：用于离子束聚焦的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及离子注入系统，且更尤其涉及于离子注入系统中聚焦被扫描的离子束的聚焦装置与方法。
背景技术：
在半导体器件与其他产品的制造中，离子注入被用于以杂质来掺杂半导体晶片、显示器面板、或其他的工件。离子注入器或离子注入系统利用离子束来处理工件，以产生n型或p型的掺杂区域或形成保护层于工件中。当用于掺杂半导体晶片时，离子注入系统注入选择的离子种类至晶片中，以产生期望的非本征(extrinsic)材料，其中，由诸如锑、砷或磷的源材料所产生的注入离子造成n型的非本征材料晶片，而诸如硼、镓或铟的注入材料产生p型的非本征材料部分于半导体晶片中。
图1示出一种常规的离子注入系统10，其具有端子12、束线组件14与末端站(end station)16。端子12包括离子源20，其由高电压电源22供电，其产生及导引离子束24至束线组件14。束线组件14由束导32与质量分析器26构成，其中，双极的磁场被建立以经由束导32的出口端的解析缝隙34而仅通过适当的电荷对质量比的离子至末端站16中的工件30(例如半导体晶片、显示器面板、等等)。离子源20产生带电的离子，这些带电的离子为自该源20所引出且形成离子束24，该离子束24被导引沿着束线组件14中的束路径至末端站16。离子注入系统10可包括延伸于离子源20与末端站16之间的束形成与成形(shaping)结构，其维持离子束24且界定细长的内部腔或通道，通过其，束24被输送至支撑于末端站16中的一个或多个工件30。离子束输送通道典型为抽真空的，以降低离子通过与空气分子碰撞而偏离该束路径的可能性。
低能量注入器典型地被设计成提供数百电子伏特(eV)(高达约80-100keV)的离子束，而高能量注入器可采用线性加速(linac)装置(未显示)于质量分析器26与末端站16之间，以便加速已经质量分析后的束24至更高的能量，典型为数百keV，其中，DC加速也是可以的。高能量离子注入通常用于工件30中的较深注入。反之，高电流、低能量的离子束24典型用于高剂量、浅深度的离子注入，在该情况下，较低能量的离子通常引起难以维持离子束24的收敛。不同形式的末端站16可在常规的注入器中找到。“批次(batch)”型末端站可同时支撑多个工件30于旋转的支撑结构上，且工件30旋转通过离子束的路径直到所有的工件30都被完全注入为止。另一方面，“串联(serial)”型末端站沿着束路径支撑单个工件30以进行注入，由此多个工件30以串联方式被一次注入一个，且各个工件30在下一个工件30的注入开始前被完全注入。
图1的注入系统10包括串联末端站16，其中，束线组件14包括横向束扫描器36，其接收具有相当窄的轮廓的离子束24(例如“笔状(pencil)”束)且沿X方向(例如沿着水平扫描平面内的横向扫描方向)往复扫描该束24以展开该束24成为伸长的“带状(ribbon)”轮廓(例如称为被扫描的束或带状束)，其具有至少与工件30一样宽的有效的X方向宽度。带状束24接着通过平行化器或准直器38，其通常平行于Z方向朝向工件30导引该带状束(例如平行化的束24针对非有角度的(non-angled)注入通常垂直于工件表面)。最终能量调整系统39位于平行化器38与工件30的位置之间，其操作以加速或减速所扫描且平行化后(例如准直后)的束24。工件30机械平移于另一个正交的方向(例如进出于图1的页面的“Y”方向)，其中，机械致动装置(未显示)是于借助束扫描器36的X方向的束扫描期间，平移工件30于Y方向上，借此，束24是被施加于工件30的整个暴露的表面上。X方向的束扫描通常称为“快速扫描”，而沿着Y方向的工件30的机械平移称为“慢速扫描”。
于集成电路器件与其他产品的制造中，希望跨越整个工件30上均匀注入掺杂剂种类。随着离子束24沿着朝向工件30的束路径被输送，束24遭遇多种电场及/或磁场与装置，其可能改变束24的束尺寸及/或完整性，而导致于注入的工件30的掺杂剂的非均匀性。在没有对策之下，空间电荷效应(包括带正电的束离子的互斥)倾向发散该束24(例如可能导致束“爆开(blowup)”)。低能量离子束24在其输送于长距离时，特别容易束发散或束爆开。再者，在最终能量调整系统39操作以减速该束24的离子的情况下，空间电荷效应更为显著于准直器38与工件30之间的减速关系。因此，所期望的是聚焦在准直化之后的被扫描的离子束24，以抵制该减速的束24的增强的互斥。
发明内容
下文提出本发明的简化的概论，借以提供对本发明的一些方面的基本理解。此概论并非为本发明的广泛的概观，而且也并非为意图判别本发明的关键或重要的构成要素或是界定本发明的范围。而是，此概论的目的是以简化的形式提出本发明的一些概念，以作为稍后提出的更为详细说明的前言。
本发明提供用于聚焦于离子注入器中的被扫描的离子束的系统与方法，其可被运用以减轻随着被扫描的离子束行进于束扫描器与工件位置之间的束爆开或其他的束轮廓失真。本发明可因此有利于提供入射束均匀性的改善控制，且因此有助于控制半导体晶片、显示器面板或其他工件的注入均匀性。本发明提供沿着被扫描的离子束的扫描平面的一部分的束聚焦场，其具有时变的(time-varying)聚焦场中心，其中该中心暂时沿着扫描方向平移以通常在空间上相符于沿着扫描方向的被扫描的离子束的时变位置。以此方式，被扫描的束可有利地在入射于工件表面之前被聚焦，甚至在后准直(post-collimation)减速已经提高束爆开或是偏离期望的束轮廓的趋势的情况下亦是如此。
本发明的一个方面是关于一种离子注入系统或离子注入器，其包含离子源，其产生离子束；和束扫描器，其接收该离子束且导引被扫描的离子束于扫描平面内且朝向工件位置。被扫描的离子束具有沿着扫描方向的时变的束位置，其中于任何给定的时间点的该束通常在扫描平面之内，且在沿着扫描方向的束位置处。该离子注入系统还包含束聚焦系统，其提供聚焦场为沿着于束扫描器与工件位置之间的扫描平面的一部分。该聚焦场具有于扫描平面中的聚焦场中心，其位于沿着扫描方向的时变的位置处，其中束聚焦系统改变或动态调整沿着扫描方向的聚焦场中心位置，以通常在空间上相符于该时变的束位置。以此方式，该束可在扫描之后且在撞击于工件之前被聚焦，借此有助于改良的注入均匀性控制。
在一个实例中，磁性聚焦场被提供，其具有基本为零的场强度于聚焦场中心、以及接近该聚焦场中心的沿着扫描方向通常为线性的磁场强度梯度。在该情况下的梯度提供可控制的收敛力以被施加于被扫描的离子束的任一个横向侧上，借以对抗束发散，尤其是在被扫描的束在遭遇工件之前已经减速的情形下。在一个实施方式中，磁性聚焦场具有沿着该扫描方向的基本为正弦的分布，且具有零交叉于该聚焦场中心，其中束聚焦系统可包括用于产生重叠的第一与第二磁场的第一与第二磁体。在该情况下，第一与第二磁场可单独具有沿着扫描方向且具有固定波长的基本为正弦的场分布，其中第一与第二场分布沿着扫描方向彼此偏移了四分之一波长。第一与第二磁场的振幅可根据沿着该扫描方向的时变的束位置而随着时间变化，以提供磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
在另一个实例中，束聚焦系统也可包含于扫描器与工件位置之间的第一与第二磁体，其提供沿着扫描平面的该部分的对应的第一与第二磁场，其中第一磁场是四极的场且第二磁场是双极的场。四极与双极的场沿着扫描平面彼此重叠，以建立磁性聚焦场，其中双极的场的振幅根据时变的束位置而随着时间改变，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常相符于沿着扫描方向的时变的束位置。
本发明的另一个方面提供一种束聚焦系统，其用于产生聚焦场为沿着于离子注入系统的束扫描器与工件位置之间的扫描平面的一部分。该束聚焦系统可包含第一磁体，提供沿着扫描平面的该部分的第一磁场；及第二磁体，提供沿着该扫描平面的该部分的重叠于第一磁场上的第二磁场。这些磁场协同提供具有时变的聚焦场中心的磁性聚焦场，其通常对应于沿着扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置。
本发明的又一个方面提供一种用于沿着于离子注入系统中的束扫描器与工件位置之间的扫描平面的一部分聚焦被扫描的离子束的方法。该方法包含提供具有聚焦场中心的聚焦场于该扫描平面；及动态调整该聚焦场，使得该聚焦场中心通常相符于沿着该扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置。该聚焦场可借着提供沿着扫描平面的该部分的第一磁场、及提供重叠于第一磁场上的第二磁场而产生。在这种情况下的聚焦场的动态调整可包含调整第一与第二磁场之一或二者，使得该聚焦场中心通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。在一个实例中，第一磁场具有沿着扫描方向且具有固定的第一波长的第一基本为正弦的场分布，第二磁场具有沿着扫描方向且具有固定的第二波长的第二基本为正弦的场分布，其中第一与第二波长是基本相等的，且所述场分布沿着扫描方向彼此偏移了四分之一波长。在此实例中，动态调整该磁性聚焦场可包含根据沿着扫描方向的时变的束位置而随着时间改变第一与第二磁场的振幅，使得该聚焦场中心通常相符于沿着扫描方向的时变的束位置。在另一个实例中，第一磁场是四极的场且第二磁场是双极的场，其中磁性聚焦场的动态调整可包含根据沿着扫描方向的时变的束位置而随着时间改变第二磁场的振幅，使得该聚焦场中心通常相符于时变的束位置。
以下说明与附图详述了本发明的特定说明性方面与实施方式。这些内容指出本发明的原理可被运用于其中的多种方式的仅其中几种。
图1是简化的顶视平面图，示出具有束扫描器、平行化器、与最终能量调整系统的常规的离子注入系统；图2是顶视平面图，示出一种示例性离子注入系统与用于其的根据本发明的一个或多个方面的束聚焦系统；图3A是沿着图2的系统中的线3A-3A所取得的局部端视截面图，示出根据本发明的第一示例性束聚焦系统的细节，其具有被定位于通常水平的束扫描平面的上方的第一与第二磁体，以通过第一与第二基本为正弦的磁场的重叠提供磁性聚焦场，其中磁性聚焦场具有于扫描平面的聚焦场中心，其通常在空间上相符于沿着扫描方向的时变的束位置；图3B与3C是分别为沿着图3A的线3B-3B与3C-3C所取得的局部顶视平面截面图，示出于第一示例性束聚焦系统中的示例性第一与第二磁体与其线圈的进一步的细节；图3D是沿着图3A至3C的线3D-3D所取得的局部侧视截面图，进一步示出于第一示例性束聚焦系统中的第一与第二磁体；图4A至4C分别为顶视平面图、端视图、与透视图，示出图3A至3D的第一示例性束聚焦系统中的第一磁体的示例性励磁线圈；图4D是沿着图4C的线4D-4D所取得的局部端视截面图，示出图3A至3D的第一示例性束聚焦系统中的第一磁体的示例性励磁线圈的绕组；图5A至5K是曲线图，示出图3A至3D的第一示例性束聚焦系统中的水平束扫描平面的磁场强度，其是于离子束的扫描期间的多个离散时间的沿着横向扫描方向(X方向)的位置的函数，其包括针对于第一与第二磁场以及由第一与第二磁场重叠于束扫描平面所造成的合成磁性聚焦场的场强曲线；图6A至6C是沿着图2的线3A-3A所取得的局部端视截面图，分别示出于三个示例性时间的示例性正弦磁性聚焦场与由其产生的对应横向聚焦力，并且于扫描平面内的聚焦场中心通常在空间上相符于时变的束位置；图6D是局部端视图，示出于第一示例性束聚焦系统中的接近聚焦场中心的示例性第一磁性聚焦场的通常线性的磁场强度梯度；图7是沿着图2的线7-7所取得的局部端视截面图，示出根据本发明的第二示例性束聚焦系统，具有定位于通常水平的束扫描平面的上方的第一与第二磁体，以通过四极与可变双极的磁场的重叠提供磁性聚焦场，其中磁性聚焦场是具有于扫描平面内的聚焦场中心，其通常在空间上相符于沿着扫描方向的时变的束位置；及图8是流程图，示出根据本发明的用于聚焦被扫描的离子束的示例性方法。
具体实施例方式
本发明将参照附图而描述于后，其中，类似的参考符号用于指示于图中的类似的元件，且其中所示的结构无须依比例而绘制。
初始参考图2，示例性离子注入系统(注入器)110被示为具有根据本发明的一个或多个方面的束扫描器136与束聚焦系统140。示例性离子注入系统110包含端子112、束线组件114与末端站116，其形成处理室，其中质量分析及扫描后的离子束124指向工件位置。于端子112中的离子源120由电源122所供电，以提供引出的离子束124至束线组件114，其中该源120包括一个或多个引出电极(未显示)以引出自该源室的离子且由此导引所引出的离子束124为朝向束线组件114。任何适合的离子源可用于根据本发明的离子注入系统中。
束线组件114包含束导132，其具有靠近离子源120的入口、和具有出口缝隙134的出口、以及质量分析器126，其接收所引出的离子束124且建立双极的磁场以通过解析缝隙134而仅通过适当的电荷对质量比或其范围的离子(例如具有所期望的质量范围的离子的质量分析后的离子束124)朝向于末端站116的工件位置的工件130。多种束形成与成形结构(未显示)可设置于束线组件中以维持离子束124，且其界定伸长的内腔或通道，通过该内腔或通道，束124沿着束路径而输送至末端站116的工件位置。
束扫描器136设于出口缝隙134的下游，其接收已经质量分析后的离子束124且导引被扫描的离子束124至平行化器或准直器138，其运作以平行化该被扫描的离子束124。最终能量调整系统139设于平行化器138与工件130之间，其可选择性地操作以在束124撞击于工件130之前提供加速或减速。根据本发明，束聚焦系统或移动式(traveling)透镜140设置于扫描器136的下游且位于最终能量调整系统139与末端站116中的工件130之间，其中系统140提供被扫描的离子束124的横向聚焦以抑制或防止随着离子束124被输送至工件位置的束轮廓的束爆开或其他失真。尽管示例性系统110包括平行化器138与最终能量调整系统，但这些部件非为本发明的必要条件。如图2所示，第一与第二电流源141与142连同扫描器电压源144一起被设置以分别产生线圈电流至束聚焦系统140的第一与第二磁体，如下文进一步描述的，其中电流源141、142与144由均匀性控制系统160所控制。控制系统160进一步控制离子源120，且可接收来自注入系统110的多种感测器与部件的多种反馈信号与其他的输入信号(未显示)，借以获得期望的注入束均匀性、剂量、能量、等等。
任何适合的束扫描器136都可用于本发明的离子注入系统中，其可运作以接收进入的离子束且于扫描平面中随着时间沿着扫描方向往复导引该束。在系统110中，扫描器136以一定扫描频率沿着扫描方向或轴(例如往复于通常水平的扫描平面内的X方向上)扫描质量分析后的离子束以实现束124的快速扫描，且工件130平移于不同的方向上(例如在一个实例中为Y方向)以实现慢速扫描，其中慢速扫描与快速扫描提供该工件表面的基本完整的注入。虽然这里本发明关于电气束扫描器136被示出和描述，但是其他束扫描器类型也是可行的，包括(但不限于)磁性扫描器，其中所有这类替代的实施方式被认为落入本发明与所附权利要求的范围内。
示例性扫描器136包括一对扫描电极或扫描板136a与136b，如图2所示，其位于束路径的任一横向侧上，其中电压源144提供交变电压至电极136a与136b，以实现离子束124的X方向扫描。于扫描电极136a与136b之间的时变差动扫描电压建立跨越电极136a与136b之间的束路径的时变的电场，借助其，束124跨越扫描方向被弯曲或偏斜(例如被扫描)以提供带状的被扫描的离子束124至平行化器138。例如，当该扫描场在自电极136a至电极136b的方向上时(例如电极136a的电位比电极136b的电位更正)，束124的带正电的离子受到在负X方向上(例如朝向电极136b)的横向力，其中当该扫描场在相反的方向上时的相反情况也是如此。在一个实例中，由源144所提供的差动电压可为简单的三角波形，以实现束124于X方向上的基本线性的横向扫描，虽然任何的扫描电压与波形于本发明的范围内都是可行的。
根据本发明的另一个方面，控制系统160以协调(coordinated)的方式控制扫描器电压源144与电流源141、142，借以提供磁性聚焦场，其与被扫描的束共同沿着X方向(例如沿着扫描方向)往复行进，借此磁性聚焦场的聚焦中心沿着扫描方向通常在空间上相符于扫描器136与工件130的位置之间的扫描平面的一部分内的时变的束位置。其他的配置于本发明的范围内也是可行的，其中束聚焦系统提供具有聚焦场中心于扫描平面内的磁性或电气或其他类型的聚焦场，其被动态调整，使得该聚焦场中心的位置通常相符于或通常对应于沿着扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置，其中图示的磁性系统140仅为示例性的。在这方面，聚焦中心可为磁性或其他聚焦场的任何部分，其倾向于提供离子束的期望的聚焦(例如所期望的收敛或发散)，其中聚焦场可提供沿着接近聚焦系统140的扫描平面的该部分的一个或多个这类聚焦中心，其中至少一个这种聚焦中心被定位成通常在空间上相符于或通常在空间上对应于沿着扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置。
在示例性系统140中，磁性聚焦中心倾向于收敛束124于X方向上，其中Y方向的聚焦如所需要的可借着其他适合的聚焦装置(未显示)来实现。在这方面，应当注意不存在聚焦装置时，束124可能倾向于发散于X及Y方向上，尤其是如果借助最终能量调整系统139减速时，此归因于撞击于工件表面之前的互斥或其他效应。由于束124正在被扫描于通常水平的扫描平面内，因此静态的聚焦装置可被设置以用于Y方向的聚焦，以抵制不想要的Y方向发散，但这种装置无法对抗X方向发散，因为该束正移动在X方向上。然而，这种Y方向聚焦元件非为本发明的严格的必要条件。
在系统140中的示例性聚焦场中心是磁场强度基本为零的位置，在聚焦场中心的任一侧为相反极性的场振幅，使得其为横向于场中心的任一侧的离子将被导引朝着该中心，借此磁性聚焦场倾向于反抗被扫描的离子束124的横向(例如X方向)发散。而且，在本发明的图示的实施方式中，磁性聚焦场具有场梯度，其在沿着扫描方向(X方向)上且接近聚焦场中心处通常为线性的。应当注意聚焦场中心与时变的束位置的通常相符包括该场中心与束在接近聚焦系统140的扫描平面的该部分内沿着扫描方向的任何相对位置的定位，聚焦系统140对被扫描的束124造成所期望的聚焦效应，而不论该效应是否提供收敛或发散于扫描方向上的所得到的束，其中本发明与所附权利要求不限于图示的实例。
在图示的注入器110中，聚焦系统140随着扫描器136通过借助均匀性控制系统160的电流与电压源141、142与144的协调控制被扫描的离子束124来改变聚焦场中心的位置，均匀性控制系统160亦可执行系统110中的其他的功能，尽管亦可设置单独的控制系统以操作扫描器电压供应144及聚焦系统电流供应141与142，或者其他的控制结构亦可被采用，借助其，聚焦场中心随着时间而被动态调整以通常在空间上对应于束位置。图3A至6D示出于图2的注入系统110中的第一示例性束聚焦系统140，且图7示出在本发明的范围内的注入器110中的第二示例性束聚焦系统240。
现在参考图3A至3D，第一示例性束聚焦系统140提供磁性聚焦场，其具有沿着扫描方向(X方向)的基本为正弦的分布，且具有零交叉于聚焦场中心。在此系统140中，第一磁体被设置，其包含位于束124的路径的上方且紧邻束124的路径的线圈CJ1a与CJ1b，其中第一磁体于被扫描的束124的横向范围的上方通常沿着X方向延伸。第二磁体亦被设置在束路径的上方，其包含励磁线圈CJ2a、CJ2b与CJ2c，其位于第一励磁线圈CJ1a与CJ1b的上方，且励磁线圈CJ2a、CJ2b与CJ2c之间有励磁线圈CJ1a与CJ1b。线圈CJ1a、CJ1b、CJ2a、CJ2b与CJ2c位于层叠钢旁轭(return yoke)146与层叠线圈屏蔽148之间，其中在图示的系统140中，屏蔽148与该束路径间隔开约30至40毫米的距离150。在示例性系统140中，第一与第二磁体的各个线圈基本相同，如下面关于图4A至4D进一步所示和所描述的，虽然这并不是本发明的必要条件。
在图3A至3C中，以在扫描期间跨越扫描方向的几个离散时间点示出被扫描的离子束124，其中图示的示例性束位置标示为124a至124g(例如扫描场的中心在图中被指示为X＝0mm)。束位置124a对应于-200mm的X尺寸，124b对应于X＝-120mm，124c对应于X＝-80mm，124d对应于X＝0mm，124e对应于X＝+80mm，124f对应于X＝+120mm，且124g对应于X＝+200mm。应当注意，概括而言，束位置可为任何时变的图案，诸如对应于由电压源144所施加至扫描器136(图2)的三角形电压波形或任何其他波形的从一侧到另一侧的平滑线性转变，其中该时变的束位置的图案或形式对于本发明而言并非关键的。
第一与第二磁体单独提供沿着扫描方向的基本为正弦的磁场分布，且第一与第二磁场的重叠造成沿着扫描方向于扫描平面内的合成的正弦的场分布。特别地，第一磁体的线圈CJ1a与CJ1b提供具有固定的第一波长λ且沿着扫描方向的第一基本为正弦的场分布，且第二磁体的线圈CJ2a、CJ2b与CJ2c提供具有固定的第二波长λ且沿着扫描方向于扫描平面的接近系统140的部分内的第二基本为正弦的场分布，其中第一与第二波长λ基本相等。而且，第一与第二基本为正弦的场分布以及第一与第二磁体的对应线圈沿着扫描方向彼此偏移了大约四分之一波长(λ/4)，如图3A所示，然而空间偏移的确切量对于本发明而言并非关键的。这些线圈各个包含用于耦接至相应电流源141与142的引线(未显示于图3A至3D中)，其中第一磁体的线圈CJ1a与CJ1b(统称为CJ1)可与第一电流源141(图2)串联连接，使得第一电流I1等同地流入各个线圈CJ1中。类似地，第二磁体的线圈CJ2a、CJ2b与CJ2c(统称为CJ2)可与第二电流源142串联连接，使得第二电流I2等同地流入各个线圈CJ2中。其他的连接与磁体配置于本发明的范围内也是可以的，其中线圈的数目与位置、以及其与电流源的连接对于本发明而言并非关键的。
第一与第二磁场沿着扫描平面的接近磁体的部分而彼此重叠，以建立磁性聚焦场，其中第一与第二磁场的振幅(例如分别由第一与第二源141与142所供应的线圈电流的量与极性)根据沿着该扫描方向的时变的束位置而随着时间变化，以定位该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常在空间上相符于沿着扫描方向的时变的束位置，如下面关于图5A至5K更详细地示出和描述的。如图3A所示，束124沿着X方向上大约400mm的横向距离(扫描范围)被扫描，其中第一与第二磁场的波长λ约为200mm，尽管这些尺寸仅为实例且本发明并不限于任何特定的尺寸或其比例。
示例性励磁线圈CJ1a示于图4A至4D中，其中线圈CJ1a提供沿着扫描方向的正弦的电流密度轮廓，且正电流被示为进入页面为交叉(×)(图4D)，且从页面中出来为圆圈(○)。如图4D所示，线圈绕组配置在空间上基本为正弦的，以产生具有固定波长λ的正弦的电流密度，尽管正弦的形状并不是本发明的严格的必要条件。然而，应当注意对于恒定的绕组电流，示例性励磁线圈CJ的每一个建立沿着扫描方向于扫描平面内的基本为正弦的磁场轮廓，且每个线圈CJ提供正弦波的全周期或波长(λ)，其中第一与第二磁体的线圈沿着扫描方向彼此偏移了四分之一波长(λ/4)。
现在参考图2、3A、5A至5K，图5A至5K中的曲线图202、204、206、208、210、212、214、216、218、220与222分别示出作为在离子束120的扫描期间的多个离散时间沿着横向扫描方向(X方向)的位置的函数的聚焦系统140的水平束扫描平面内的磁场强度，其中磁性聚焦场中心根据该被扫描的束124的位置通过控制励磁线圈电流I1与I2而位于该束位置处。这些图分别示出针对于第一与第二磁场的场强曲线B1与B2、以及由于第一与第二磁场B1与B2重叠于系统140中的束扫描平面的该部分内所造成的合成的磁性聚焦场B3。在这方面，应当注意在此实例中的聚焦场中心是点，磁性聚焦场B3沿着正X方向于该点自正至负越过零值(零交叉)，尽管这并非为本发明的严格的必要条件。
在示例性系统140中，均匀性控制系统160根据期望的束扫描图案(例如针对于线性束扫描的三角波或其他适合的波形与图案)来控制束扫描器电压源144的波形，且根据沿着扫描方向的时变的束位置而随着时间改变第一与第二磁场B1与B2的振幅(例如通过分别控制第一与第二电流源141与142以及对应的励磁线圈电流I1与I2)，使得聚焦场中心在任何的时间点通常相符于被扫描的束124的位置。在此特定实施方式中，两个基本为正弦的磁场分布B1与B2重叠于扫描平面的一部分内建立了合成的正弦的磁场分布B3，其中根据束位置的场B1与B2的振幅的受控制的调整致使合成的场分布B3与其聚焦场中心沿着扫描方向移动或位移(例如系统140用作移动式透镜)。此操作允许将聚焦场中心(例如场B3的零交叉)放置成以时变的方式位于束位置处，借此，系统140可用于对抗于扫描器136与工件130的位置之间的被扫描的离子束124的横向发散。
在图示的实施方式中，控制系统160根据该被扫描的束位置控制第一与第二磁体电流I1与I2，其中被扫描的束位置在图5A至5K中被表示为*X(δX)，其是以毫米(mm)为单位自被扫描的束124的横向中心测量的。除了控制励磁线圈电流源141与142之外，示例性控制系统160还控制束扫描器电压源144，虽然这并非为本发明的必要条件。特别地，第一磁场B1(例如第一电流I1)的振幅根据以下的等式(1)由系统160控制(1)B1＝B*cos(πδx/λ)*sin(πx/λ)且第二磁场B2(例如第二电流I2)根据以下的等式(2)由系统160控制(2)B2＝B*sin(πδx/λ)*cos(πx/λ)如可在等式(1)与(2)中看出的，第一项作为束位置*X的函数变化，使得各个场B1与B2的振幅将取决于在任何给定时间的被扫描的束位置，而第二项对应于固定的正弦的绕组分布，如在图3A中看出的。如此，控制系统160根据被扫描的束124的位置来相应地控制电流I1与I2。
通过重叠，得到的合成场B3(例如由束124看到的净磁性聚焦场强)由以下的等式(3)给出(3)B3＝B1+B2＝B*sin(π*(δx+x))应当注意合成的磁性聚焦场B3将具有聚焦中心于上式(3)的零交叉处，其中控制系统160调整束扫描器电压源144与线圈电流136I1与I2，使得场B3的聚焦零交叉位于束位置处。
在图5A至5K中的曲线图202-222示出在示例性聚焦系统140中的几个示例性束位置(例如*X)值(例如每40mm)的相应的构成与合成场B1-B3。特别地，第一曲线图202显示针对于*X＝-200mm的情况，其中束124处于图5A中的扫描场的最左边。对于此*X值，第一磁场B1具有最大的振幅，而第二磁场B2跨过扫描方向为零，借此得到的磁性聚焦场B3具有场中心于X＝-200mm。在图5B中，在*X改变至-160mm的情况下，B3的聚焦场中心以对应的方式移动至位置X＝-140mm。类似的行为参见于图5C至5E中的曲线图206-210，其分别针对于-120mm、-80mm与-40mm的*X值，其中在所有情况下聚焦场中心通常对应于被扫描的束124的位置。
继续朝向于图5F，其中束124位于零的*X值，在该点处第一磁场B1处于最大的振幅且B2是零。在该情况下，净磁性聚焦场B3具有聚焦中心于X＝0mm，其在空间上相符于沿着扫描方向的束位置。系统140与其磁场B1-B3的一般操作的进一步实例显示于图5G至5K中且分别针对于+40mm、+80mm、+120mm、+160mm与+200mm的*X值。应当注意磁性聚焦场B3针对于+200mm(图5K)与-200mm(图5A)的*X值是相同的，此归因于扫描场(离中心为+/-200mm)与励磁线圈波长λ(例如在此实例中λ＝200mm，如图3A所示)之间的关系。然而，本发明不限于扫描场长度与线圈波长λ之间的特定关系，其中其所有的这类比例被认为落入本发明与所附权利要求的范围内。
还参考图6A至6D，在图示的聚焦系统140中的波长λ被选择为足够大，使得磁性聚焦场强度梯度沿着扫描方向且接近被扫描的束124通常为线性的，如图6D中所示的。图6A至6C示出针对于三个示例性情况(例如在图6A中的*X＝-200mm，在图6B中的*X＝0mm，在图6C中的*X＝+200mm)的示例性磁性聚焦场B3的进一步的细节，其中被扫描的束124在倾向抵抗束发散的束位置/聚焦场中心的任一侧上遭遇场梯度。如图6A至6C所示，磁性聚焦场B3沿着X＝-200mm与X＝+200mm之间的扫描距离的长度具有几个零交叉，其中行进于从页面中出来的方向上的正离子束124将于零交叉处遭受横向(例如X方向)收敛力F及沿着正X方向的负场梯度(例如在场B3的聚焦场中心处)。反之，相反极性的零交叉将倾向于横向发散行进于相同方向上(从图3A至3D的页面中出来)的正离子束。如图6D中所示，聚焦系统励磁线圈CJ的波长距离λ的选择提供磁性聚焦场B3，其具有场强度梯度，该场强度梯度在接近于零交叉的聚焦中心的横向范围152内通常为线性的，其中示例性场B3的梯度于区域152之内近似为直线152，该区域152相较于被扫描的离子束124较宽，虽然该线性或通常为线性的梯度并非为本发明的严格的必要条件。
现在参考图7，另一个示例性束聚焦系统240被示出，用于聚焦于图2的离子注入系统110中的被扫描的离子束124。在此实例中，第一磁体被设置，其具有线圈242a、242b、242c与242d，用于提供于扫描器136与工件130的位置之间且沿着于系统240的扫描平面的一部分的第一磁场，其中第一磁场是四极的磁场。此外，系统240包括第二磁体，其包含线圈244a与244b，以提供沿着扫描平面的该部分的第二磁场，其中第二磁场是双极的磁场。在图示的系统240中，四极线圈242位于束导衬垫(liner)246的上方与下方，使得载有在从图7的页面中出来的方向上的正电流的线圈相对于束扫描距离的中心基本处于对角的拐角处，借助其，四极的磁场被建立，其倾向于提供处于扫描范围中心的束124d的横向(X方向)聚焦(收敛)与Y方向(垂直)散焦(发散)。然而，此第一(四极)磁场单独亦产生被扫描的束124的位移于非零值的*X，即处于x的非零的位置，其产生聚焦该束且中心为于x上的四极场加上偏转该束的双极场。
第二励磁线圈244a与244b被设置成沿着衬垫246的横向侧，借以建立延伸跨过于聚焦系统240中的扫描平面的垂直双极磁场，其附加于该四极场，使得合成的磁性聚焦场被产生于沿着扫描方向的扫描平面内。在系统240中的磁性聚焦场提供横向聚焦场梯度于某一x尺寸，其中聚焦场中心的位置由双极的磁场的振幅所决定。在此实施方式中，四极场强度通常保持恒定(且控制系统160控制第一电流源141以提供通常恒定的第一电流I1至线圈242)，而第二磁场的振幅根据沿着扫描方向的时变的束位置而随着时间变化(例如控制系统160设定双极电流I2为通常与*X的值成比例)。以此方式，可变的双极场偏移由四极线圈所产生的双极成分，使得得到的合成的磁性聚焦场的聚焦中心沿着扫描方向移位至对应于被扫描的束位置的位置。
因此，图7的实施方式提供移动式透镜以及磁性聚焦场，其具有随着离子束124行进的焦点中心，因为束124随着时间被扫描至沿着扫描方向的不同的位置。上述实例并非详尽列举了本发明的诸多可能的聚焦系统，其中任何类型的装置或系统都可被提供，其沿着于束扫描器136与工件130的位置之间的扫描平面的一部分建立磁性聚焦场，其中磁性聚焦场具有于扫描平面内的时变的聚焦场中心，其移动以便通常在空间上相符于沿着扫描方向的时变的束位置。应当注意图示及描述于上文的示例性束聚焦系统140与240无需移动的部件，因而有利于用于横向扫描该离子束124的相对高的快速扫描速率，借此，可以实现高的注入系统产量。
现在参考图8，本发明的另一个方面涉及用于聚焦被扫描的离子束的方法，其中示例性方法300被示出于图8中。虽然方法300在下面被图示和描述为一系列的动作或事件，但将理解的是本发明不受限于这些动作或事件的图示的顺序。例如，根据本发明，一些动作可以以不同的顺序及/或与除了这里图示及/或描述的那些之外的其他动作或事件同时发生。此外，并非需要所有的图示步骤来实施根据本发明的方法。再者，根据本发明的方法可关联于这里图示和描述的装置与结构以及关联于未被显示的其他的结构来加以实施。
开始于302，在304，离子束被扫描于扫描平面内，诸如在上述示例性注入系统110中的水平扫描平面。在306，被扫描的束可选地加以准直(例如平行化)，且在308可选地执行最终能量调整(例如加速或减速)，虽然并非为本发明的必要条件。在310，磁性聚焦场被设有聚焦场中心于扫描平面内，且聚焦场在312被调整，使得该聚焦场中心通常相符于束位置，其后方法300结束于314。例如，在310与312，任何适合的聚焦场与场中心都可如上所述地被设置及调整，其中磁性聚焦场具有沿着扫描方向的基本为正弦的分布且具有于聚焦场中心处的零交叉。虽然在磁性聚焦场的情况下被示出，但是其他的聚焦场类型也可用于本发明的范围内，包括而不限于电气聚焦场。
在一个实例中，第一与第二磁场在310被设置为沿着扫描平面的一部分，其中第一与第二磁场的一或二者在312被调整，使得聚焦场中心通常相符于沿着扫描方向的时变的束位置。在一个可能的实施方式中，第一磁场具有沿着扫描方向且具有固定的第一波长的第一基本为正弦的场分布，第二磁场具有沿着扫描方向且具有固定的第二波长的第二基本为正弦的场分布，其中第一与第二波长基本相等且场分布沿着扫描方向彼此偏移了四分之一波长。在该情况下，在312，磁性聚焦场借着根据时变的束位置随时间改变第一与第二磁场的振幅而被动态调整，使得聚焦场中心通常相符于沿着扫描方向的时变的束位置。在另一个可能的实施方式中，第一磁场是四极的场且第二磁场是双极的场，其中在312动态调整磁性聚焦场包含根据时变的束位置而随时间改变第二磁场的振幅，使得聚焦场中心通常相符于沿着扫描方向的时变的束位置。
尽管本发明已经关于一个或多个实施方式而加以图示和描述，但是在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下可以对图示的实例进行变更及/或修改。尤其是关于由上述的部件或结构(块、单元、引擎、组件、装置、电路、系统、等等)所执行的多种功能，用以描述这些部件的术语(包括对“装置(means)”的引用)意图为对应于(除非另外指出)执行所述部件的指定功能(例如其为功能等效的)的任何部件或结构，即使并非为结构等效于执行这里示出的本发明的示例性实施方式的功能的公开的结构。此外，尽管本发明的特定特征可能已经关于几个实施方式中的仅一个被公开，但是该特征可结合其他实施方式的一个或多个其他特征，这可能是所期望的且有利于任何给定或特定的应用。再者，就术语“包括”、“包含”、“具有”、“拥有”、“有”或其变体用于详细说明或权利要求中来说，这些术语意图是以类似于术语“包含”的方式包括在内。
权利要求
1.一种离子注入系统，包含离子源，其可运作以产生离子束；束扫描器，其位于该离子源的下游，该束扫描器接收该离子束且导引被扫描的离子束于扫描平面内且朝向工件位置，该被扫描的离子束具有沿着扫描方向的时变的束位置；及束聚焦系统，其提供聚焦场为沿着于该束扫描器与工件位置之间的该扫描平面的一部分，该聚焦场具有于该扫描平面内的时变的聚焦场中心，该束聚焦系统适于改变沿着该扫描方向的该聚焦场中心位置以通常在空间上相符于沿着该扫描方向的该时变的束位置。
2.如权利要求1的离子注入系统，其中该聚焦场是具有时变的磁性聚焦场中心的磁性聚焦场。
3.如权利要求2的离子注入系统，其中该磁性聚焦场在该聚焦场中心处具有基本为零的场强。
4.如权利要求3的离子注入系统，其中该磁性聚焦场具有磁场强度梯度，其沿着该扫描方向且接近该聚焦场中心通常为线性的。
5.如权利要求2的离子注入系统，其中该磁性聚焦场具有磁场强度梯度，其沿着该扫描方向且接近该聚焦场中心通常为线性的。
6.如权利要求2的离子注入系统，其中该磁性聚焦场具有沿着该扫描方向的基本为正弦的分布且具有零交叉于该聚焦场中心处。
7.如权利要求2的离子注入系统，其中该束聚焦系统包含第一磁体，提供沿着扫描平面的该部分的第一磁场，该第一磁场具有沿着该扫描方向且具有固定的第一波长的第一基本为正弦的场分布；及第二磁体，提供沿着扫描平面的该部分的第二磁场，该第二磁场具有沿着该扫描方向且具有固定的第二波长的第二基本为正弦的场分布，该第一与第二波长基本相等，该第一与第二基本为正弦的场分布沿着该扫描方向彼此偏移了四分之一波长；其中该第一与第二磁场沿着扫描平面的该部分彼此重叠，以建立磁性聚焦场；并且其中该第一与第二磁场的振幅根据沿着该扫描方向的时变的束位置而随着时间变化，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
8.如权利要求7的离子注入系统，其中该束聚焦系统还包含第一电流源，提供第一可变电流至该第一磁体的绕组；第二电流源，提供第二可变电流至该第二磁体的绕组；及控制系统，其与该第一与第二电流源耦接，该控制系统适于根据沿着该扫描方向的时变的束位置来改变该第一与第二可变电流，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
9.如权利要求8的离子注入系统，其中该控制系统与该束扫描器耦接以控制沿着该扫描方向的时变的束位置，并且其中该控制系统协同地控制该束扫描器、第一电流源与第二电流源，使得该被扫描的离子束具有沿着该扫描方向的时变的束位置，并且使得该聚焦场中心位置通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
10.如权利要求7的离子注入系统，其中该磁性聚焦场具有沿着该扫描方向的基本为正弦的分布且具有零交叉于该聚焦场中心处。
11.如权利要求10的离子注入系统，其中该磁性聚焦场具有磁场强度梯度，其沿着该扫描方向且接近该聚焦场中心通常为线性的。
12.如权利要求2的离子注入系统，其中该束聚焦系统包含第一磁体，提供沿着扫描平面的该部分的第一磁场，该第一磁场是四极的磁场；及第二磁体，提供沿着扫描平面的该部分的第二磁场，该第二磁场是双极的磁场；其中该第一与第二磁场沿着扫描平面的该部分彼此重叠，以建立磁性聚焦场；并且其中该第二磁场的振幅根据沿着该扫描方向的时变的束位置而随着时间改变，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
13.如权利要求12的离子注入系统，还包含控制系统，该控制系统与该束扫描器及该束聚焦系统耦接，其中该控制系统协同地控制沿着该扫描方向的时变的束位置与第二磁场的振幅，使得该被扫描的离子束具有沿着该扫描方向的时变的束位置，并且使得该聚焦场中心位置通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
14.一种束聚焦系统，用于产生磁性聚焦场为沿着于离子注入系统中的束扫描器与工件位置之间的扫描平面的一部分，该束聚焦系统包含第一磁体，提供沿着扫描平面的该部分的第一磁场；及第二磁体，提供沿着扫描平面的该部分的重叠于第一磁场上的第二磁场，该第一与第二磁场协同地提供磁性聚焦场，该磁性聚焦场具有时变的聚焦场中心，其通常对应于沿着扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置。
15.如权利要求14的束聚焦系统，其中该磁性聚焦场在该聚焦场中心处具有基本为零的场强。
16.如权利要求15的束聚焦系统，其中该磁性聚焦场具有磁场强度梯度，其沿着该扫描方向且接近该聚焦场中心通常为线性的。
17.如权利要求14的束聚焦系统，其中该磁性聚焦场具有磁场强度梯度，其沿着该扫描方向且接近该聚焦场中心通常为线性的。
18.如权利要求14的束聚焦系统，其中该磁性聚焦场具有沿着该扫描方向的基本为正弦的分布且具有零交叉于该聚焦场中心处。
19.如权利要求14的束聚焦系统，其中该第一与第二磁场中的至少一个的振幅根据沿着该扫描方向的时变的束位置而随着时间改变，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常对应于沿着该扫描方向的时变的束位置。
20.如权利要求14的束聚焦系统，其中该第一磁场具有沿着该扫描方向且具有固定的第一波长的第一基本为正弦的场分布，其中第二磁场具有沿着该扫描方向且具有固定的第二波长的第二基本为正弦的场分布，其中该第一与第二波长基本相等，其中该第一与第二基本为正弦的场分布沿着该扫描方向彼此偏移了四分之一波长，并且其中该第一与第二磁场的振幅根据沿着该扫描方向的时变的束位置而随着时间改变，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常对应于沿着该扫描方向的时变的束位置。
21.如权利要求20的束聚焦系统，其中该束聚焦系统还包含第一电流源，提供第一可变电流至该第一磁体的绕组；第二电流源，提供第二可变电流至该第二磁体的绕组；及控制系统，其与该第一与第二电流源耦接，该控制系统适于根据沿着该扫描方向的时变的束位置来改变该第一与第二可变电流，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
22.如权利要求14的束聚焦系统，其中该第一磁场是四极的磁场，其中该第二磁场是双极的磁场，并且其中第二磁场的振幅根据沿着该扫描方向的时变的束位置而随着时间改变，以提供该磁性聚焦场的时变的聚焦场中心为通常对应于沿着该扫描方向的时变的束位置。
23.一种用于沿着离子注入系统中的束扫描器与工件位置之间的扫描平面的一部分聚焦被扫描的离子束的方法，该方法包含提供具有聚焦场中心的聚焦场于该扫描平面内；及动态调整该聚焦场，使得该聚焦场中心通常相符于沿着该扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置。
24.如权利要求23的方法，其中该聚焦场是具有时变的磁性聚焦场中心的磁性聚焦场。
25.如权利要求24的方法，其中该磁性聚焦场在该聚焦场中心处具有基本为零的场强。
26.如权利要求24的方法，其中提供该磁性聚焦场包含提供沿着扫描平面的该部分的第一磁场；以及提供沿着扫描平面的该部分的重叠于第一磁场上的第二磁场；并且其中动态调整该磁性聚焦场包含调整该第一与第二磁场之一或二者，使得该聚焦场中心通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
27.如权利要求26的方法，其中该第一磁场具有沿着该扫描方向且具有固定的第一波长的第一基本为正弦的场分布；其中第二磁场具有沿着该扫描方向且具有固定的第二波长的第二基本为正弦的场分布；其中该第一与第二波长基本相等；其中该第一与第二基本为正弦的场分布沿着该扫描方向彼此偏移了四分之一波长；并且其中动态调整该磁性聚焦场包含根据沿着该扫描方向的时变的束位置随着时间改变该第一与第二磁场的振幅，使得该聚焦场中心通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
28.如权利要求26的方法，其中该第一磁场是四极的磁场；其中该第二磁场是双极的磁场；并且其中动态调整该磁性聚焦场包含根据沿着该扫描方向的时变的束位置随着时间改变第二磁场的振幅，使得该聚焦场中心通常相符于沿着该扫描方向的时变的束位置。
29.如权利要求23的方法，其中该磁性聚焦场具有沿着该扫描方向的基本为正弦的分布且具有零交叉于该聚焦场中心处。
全文摘要
提供了用于聚焦离子注入器(110)中的被扫描的离子束的系统与方法。一种束聚焦系统(140)被提供，其包含第一与第二磁体，用以提供对应的磁场，其协同地提供具有时变的聚焦场中心的磁性聚焦场，该聚焦场中心通常对应于沿着扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置。提供了方法，包含提供具有聚焦场中心的聚焦场于扫描平面内；以及动态调整该聚焦场，使得聚焦场中心通常符合于沿着扫描方向的被扫描的离子束的时变的束位置。
文档编号H01J37/147GK101080802SQ200580043440
公开日2007年11月28日 申请日期2005年10月12日 优先权日2004年10月18日
发明者V·班威尼斯特, P·克雷曼 申请人:艾克塞利斯技术公司