专利名称：具有改良效率的磁扫描系统的制作方法
具有改良效率的磁扫描系统
背景技术：
在离子注入系统之中，离子束被导向工件(例如，半导体晶片或显示面板)，并将离子注入其晶格之中。一旦嵌入工件的晶格中之后，注入的离子改变该工件的物理和/或化学特性。因此，离子注入应用于半导体器件制造、金属表面处理、以及材料科学研究中的许多应用。离子注入的应用空间在历史上被分成低剂量(中等电流)、高能量和高剂量(高电流)应用。在高电流应用之中，高电流离子束的截面积，除了其他因素之外，尚可以随射束中发生的自我电性中和(self-neutralization)的程度而改变。在不存在电场的情况下发生的自我电性中和之中，离子束可以吸引射束路径附近的自由电子。这倾向于抑制射束"爆散(blow-up)"，从而有助于限制射束的截面积以使得射束保持"紧致"。 在多数情况下，射束的截面积小于工件的截面积，这有助于射束扫描工件而能充分地对工件进行注入。一般而言，此类应用中使用电或磁扫描仪。电扫描仪的一项缺点在于，由于其产生电场之固有特性，故其吸引电子至正电极或排斥电子使其远离负电极。由于电极通常接近射束路径，从而这倾向于使自由电子从射束路径附近移开。这可能导致射束爆散，有时将造成无法处理的巨大射束包封。此巨大射束包封最终可能造成射束电流减损。为了限制或避免射束爆散并容许离子束的局部自我电性中和，可以使用磁扫描仪以进行射束扫描，因为磁扫描仪不使用偏压电极。磁扫描仪发出一时变磁场，离子束通过该时变磁场。该时变磁场按时间来回偏转或改变离子束的路径。虽然磁扫描仪并不像电扫描仪受制于空间电荷爆散的问题，但磁扫描仪倾向于需要极高的操作功率。一般而言，操作功率愈高，电源愈贵，且操作需要愈加小心。有鉴于此，本公开的方案涉及用以降低磁扫描仪所需功率的技术。
发明内容
以下提出本发明之简扼摘要，以提供对本发明一些方案的基本了解。此摘要并非本发明的详细全貌，且既不在于指出本发明之关键或必要组件，亦不在于描绘本发明之范畴。更确切言之，以下摘要之目的是以简化形式呈现本发明的一些概念，以做为后续更详尽说明之序眷。本发明的一些方案通过利用一磁束扫描仪辅助离子注入，该扫描仪包含第一及第二磁元件，射束路径区域介于其间。至少一磁通量压缩元件配置于接近射束路径区域处且介于第一及第二磁元件之间。操作期间，第一及第二磁元件合作产生一振荡时变磁场于该射束路径区域之中以按时间来回扫描离子束。该一或多个磁通量压缩元件压缩射束区域中磁场相关的磁通量，从而相对于先前实施方式降低来回磁扫描射束所需的功率总量。以下的说明及附图详细阐述本发明的特定例示性方案及实施方式。其代表可以运用本发明原理的许多方式中的一些实例。
图I例示了根据本发明一方面的示例性离子注入系统。图2A是一未使用通量压缩元件的磁扫描仪的磁轭组件的端视图。图2B是图2A的磁轭组件缠绕以线圈的立体图。图2C是根据一实施例的向磁扫描仪的线圈提供的时变电流的一个示例的波形图。图2D是当离子束按时间来回扫描时图2B的磁轭组件的剖面顶视图。 图2E-2F分别示出了图2B的磁轭组件的剖面侧视图及顶视图，其例示了某一时刻的扫描尚子束。图2G-2H分别示出了图2B的磁轭组件的剖面侧视图及顶视图，其例示了另一时刻的扫描尚子束。图3A是根据一实施例的包含第一和第二磁通量压缩元件的磁扫描仪的磁轭组件的端视图。图3B是根据与图3A—致的实施例的包含第一和第二磁通量压缩元件的磁扫描仪的立体图。图3C是图3B的磁扫描仪的剖面侧视图。图3D是图3B的磁扫描仪的剖面顶视图。图4是包含中空磁通量压缩元件的另一磁扫描仪的剖面顶视图。图5是包含一磁通量压缩件的单极扫描仪的剖面顶视图。
具体实施例方式以下参照附图对本发明进行说明，其中类似的参考编号在各处用以表示类似的元件，且其中图示的结构不一定按比例绘制。图I例不了一离子注入系统100,具有源端102、束线组件104、磁扫描系统106、以及终端站108，其共同配置以依据预定的剂量分布(dosing profile)将离子(掺杂剂)注入工件110的晶格中。具体地，图I例示了一混合式扫描离子注入系统100，其中一可移动平台112可用以沿第一轴(例如，进入图I页面平面的轴线)平移工件110，而磁扫描系统106则沿垂直于第一轴的第二轴提供一扫描离子束114。通过以此种方式相对于工件扫射离子束，工件的整个表面均可以接受注入，直到满足预定的掺杂分布为止。更具体而言，操作期间，源端102中的离子源116耦接至一高电压源118以使掺杂剂分子(例如，掺杂剂气体分子)离子化，从而形成一笔形离子束(pencil ion beam) 120。为了操控来自源端102的笔形射束120使其朝向工件110，束线组件104具有一质量分析器122,其中建立一双极性磁场以使得只有具有适当荷质比(charge-to-massratio)的离子通过一鉴别孔(resolving aperture) 124。荷质比不对的离子碰撞侧壁126a、126b ;使得仅有具有适当荷质比的离子通过鉴别孔124并进入工件110。束线组件104还可以包含各种射束形成及整形结构配置于离子源116和终端站108之间，其将笔形射束120维持于一细长型内部腔体或通道之中，使得笔形射束120通过该腔体或通道而被输送至工件110。一真空泵浦系统128基本上将离子束输送通道维持在真空，以降低离子通过与空气分子碰撞而偏尚射束路径的机率。接收笔形射束120之后，磁扫描系统106按时间来回地横向偏转或"扫描"该笔形射束(例如，在水平方向上)以提供扫描离子束114。在一些情况下，此类扫描笔形射束可以被称为带状射束(ribbon beam)。磁扫描系统中的一平行器(parallelizer) 130可以重新导控扫描离子束114，使得离子在工件的整个表面范围均以同一入射角度撞击工件110的表面。一控制系统132可以控制向扫描离子束114(例如，通过磁扫描系统106)以及工件Iio (例如，通过可移动平台112)施加的相对运动，以在工件110上实现预定的掺杂分布。例如，控制系统132被配置为控制一或多个可变电源138以将时变电流或电压传送至第一及第二磁元件134a、134b，每一磁元件可以包含缠绕于磁极片(pole piece)的线圈。该时变电流或电压在射束路径区域中感应出一振荡时变磁场，从而按时间扫描离子束。虽然电源118及138在图I之中被表示为分离的元件，但此类电源118、138在一些实施例中 可以位于单一电力产生器中。 如本文更详细地进一步所述，依据本发明的一些方案，磁扫描系统106可以包含一或多个磁通量压缩元件(例如，140a、140b)以在某种程度上改善扫描效率。通常，磁通量压缩元件耦接至一固定电压142(例如，接地)以通过剥除离子束中的电性中和电子而限制或避免射束爆散，如前所述。为了阐明磁扫描期间效率可以增进的方式，以下参见图2A-2D中例示的磁扫描仪200，其受制于一些缺点。如图2A(不含线圈的磁扫描仪200的端视图)所示，磁扫描仪200包含一磁轭组件(yoke assembly) 202,由一第一磁轭204和一第二磁轭206构成。一射束路径区域212穿过第一及第二磁轭204、206之间，且基本上在径向上受限于该磁轭组件的内表面211。第一及第二磁轭204、206分别包含第一及第二铁磁极片214、216，伸向射束路径区域212。如图2B(内含线圈的磁扫描仪200的立体图)所示，第一及第二磁极片214、216分别具有缠绕其上的第一及第二线圈218、220。第一及第二线圈218、220耦接至一可变电源(例如，图I之中的可变电源138，图2中未示出)。此可变电源在线圈中提供诸如图2C所示的时变电流，从而又感应出一振荡时变磁场自磁极片214、216延伸进入射束路径区域212。此振荡时变磁场按时间来回扫描离子束，如图2D中的箭头230所示。举例而言，在如图2E-2F所示的第一时间，电流可以以顺时针方向流过第一及第二线圈。因此，依据右手螺旋法则(right hand grip rule ;此亦可以称为Biot-Savart定律)，此电流状态产生从第一磁极片214 (例如，充当磁北极)朝向射束的表面224往第二磁极片216 (例如，充当磁南极)朝向射束的表面226延伸的磁力线222，如图2E所示。由于离子束由通过此电场的带电粒子构成，带电粒子将依据洛伦兹力定律(Lorentz’s forcelaw ;或者有时可能被称为"右手法则(right-hand rule)")被磁场偏转,如图2F所示。图2G-2H示出了当电流变成逆时针方向时的磁扫描仪。此电流状态因而产生从第二磁极片216 (例如，充当磁北极)朝向射束之的面226往第一磁极片214 (例如，充当磁南极)朝向射束的表面224延伸的磁力线222，如图2G所示。在此磁场之下，带电粒子将依据洛伦兹力定律如图2H所示地偏转。
虽然图2的实施例能够以振荡方式来回扫描离子束228，但发明人认识到用以为振荡磁场供电的许多能量就某些层面而言被"浪费掉"了。举例而言，虽然振荡磁场在射束没有照射到的区域(例如，图2D中的区域250A、250B)被施予电力，但离子束并未直接与这些区域中的磁力线相互作用。因此，发明人构想出相对于先前实施方式的改良磁射束扫描仪，其采用减少磁能需求的磁通量压缩元件。图3A-3D示出了依据本发明一些实施例的一磁扫描仪300的示例。除了参照图2所述的先前构件之外，磁扫描仪300还包含一或多个磁通量压缩元件，说明如下。例如，在例示的实施例之中，第一及第二磁通量压缩元件(分别是302、304)位于在径向上对射束路径区域212加以界限的磁轭组件的内表面211之内。操作期间，第一及第二磁通量压缩元件302、304，其通常包含非层压式导电体，将承受抗磁性(diamagnetic)的感应润电流(eddy current) 310 (参见图3D) 。因此,这些感应电流310消除了原本应在现在被第一及第二磁通量压缩元件302、304所填塞的空间中产生的磁场。此外，这些感应电流310增加了第一及第二磁通量压缩元件302、304外部的磁场。以此种方式，尽管涡电流310造成一些功率损耗，但磁通量压缩元件降低射束区域212中的整体磁化体积，因而降低在该射束区域中产生一给定磁场所需的功率。因此，相对于先前的实施方式，这种磁通量压缩元件使得制造磁扫描仪300的电源更加经济。在许多实施例之中，一磁通量压缩元件包含一具有高导电性之金属材料以有助于在涡电流流过其中时限制功率损耗。举例而言，一磁通量压缩元件可以包含具有金或银涂层的铜或铝，或者可以包含其他高导电性金属(例如，钼)。应理解，任何具有高导电性的材料均可以使用，但所列出者应是最常见的示例。其可以是这些材料以迭层材料、涂层金属块或合金形式的结合。成本及重量亦影响材料的选择。例如，虽然实心金质磁通量压缩件提供较佳的性能，但其实施极为昂贵。在例示的实施例之中，第一及第二磁通量压缩元件302、304分别包含第一及第二导电体。这些导电体的形状通常呈楔形，其中楔形体的宽阔端接近扫描仪的入口端208，而楔形体的狭窄端则接近扫描仪的出口端210。更明确而言，第一导电体302被例示为具有第一长度L1连续地自扫描仪的入口端208附近延伸至扫描仪的出口端210附近。第一导电体302亦被例示为在扫描仪的入口端208附近具有第一宽度W1而在扫描仪的出口端210附近具有第二宽度W2，其中第一宽度W1大于第二宽度W2以界定出一容纳扫描离子束228的锥形表面312。虽然所例示的图3C的实施例示出了第一导电体302的第一长度L1大约等于第二导电体304的第二长度L2 ;第一导电体302的第一宽度W1大约等于第二导电体304的第三宽度W3 ;且第一导电体302的第二宽度W2大约等于第二导电体304的第四宽度W4 ;但在其他的实施例之中，长度及宽度可以彼此不同。在许多实施例之中，第一及第二导电体302、304是大致连续的实心体，其中并无腔穴。这有助于限制产生一给定磁场所需的功率总量。然而，其不一定需要是实心连续体。基本上，磁通量压缩元件中包含的导电材料的体积愈大，则该磁通量压缩元件所提供的功率节省愈大。基于此说，应注意，磁通量压缩元件或其任何部分均不应在射束路径区域212周围形成一闭合电环路；若磁通量压缩元件或其任何部分使得该磁通量压缩元件之中感应出的涡电流将降低或移除射束路径中的磁场，则该磁通量压缩元件将不利于预定的扫描动作。然而，在其他的实施例之中，举例而言，诸如图4所示，第一及第二磁通量压缩元件402、404各自均具有一内含一或多个空隙406、408的外壳(例如，形成一中空结构)。在这种实施例之中，外壳的壁厚大于或等于一给定频率下磁通量压缩元件的导电材料相关的趋肤深度(skin depth)。本领域中公知,趋肤深度是一材料特性,定义为电磁波穿透材料直到其振幅缩减至表面处振幅的1/e (e是自然对数的底数=2. 718...)处的深度。趋肤深度可以由以下等式表示成材料电导率σ、磁导率(magnetic permeability) μ以及电磁波频率f的函数
权利要求
1.一种用于扫描离子束的磁偏转系统，包含 磁轭组件，具有入ロ端和出口端，射束路径区域在入ロ端和出口端之间延伸，其中该射束路径区域基本上在径向上受限于该磁轭组件的内表面； 第一及第ニ磁极片，自磁轭组件向着彼此且向着射束路径区域伸出，其中接近射束路径区域在第一及第ニ磁极片之间界定磁极间隙区域； 第一及第ニ线圈，分别缠绕第一及第ニ磁极片，其中第一及第ニ线圈被配置为耦接至电流源以使ー时变电流通过第一及第ニ线圈，使得第一及第ニ线圈在磁极间隙区域中产生一振荡时变磁场；以及 至少ー磁通量压缩元件，配置于该磁轭组件的内周之内以及射束路径区域外部。
2.如权利要求I所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中该至少一磁通量压缩元件耦接至一固定电压。
3.如权利要求I所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中第一及第ニ线圈为床架(bedstead)形。
4.如权利要求I所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中该至少一磁通量压缩元件包含以下项目中的至少ー项铝、铜、银、金、钼、或其组合。
5.如权利要求I所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中该至少一磁通量压缩元件被主动式地冷却。
6.如权利要求I所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中该至少一磁通量压缩元件包含 第一导电体，配置于射束路径区域的第一侧，以及 第二导电体，配置于射束路径区域的第二侧，其中第二侧位于第一侧相对于射束路径区域的对面。
7.如权利要求6所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中第一及第ニ导电体未在射束路径区域周围共同形成ー连续的电环路。
8.如权利要求6所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中第一及第ニ导电体各自基本上均为楔形，其中第一及第ニ导电体的宽阔端接近磁轭组件的入口端，且第一及第ニ导电体的狭窄端接近磁轭组件的出ロ端。
9.如权利要求6所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中第一及第ニ导电体大致为实心的容积体。
10.如权利要求6所述的用于扫描离子束的磁偏转系统,其中第一及第ニ导电体各自包含一外壳，该外壳在相应的导电体内部界定出一或多个空隙。
11.如权利要求6所述的用于扫描离子束的磁偏转系统，其中第一及第ニ导电体耦接至一固定电压。
12.—种离子注入系统，包含 离子源，沿射束路径产生一离子束； 质量分析构件，位于离子源的下游，对离子束执行质量分析； 磁偏转系统，位于质量分析构件的上游或下游，其中该磁偏转系统包含 磁轭组件，具有入口端和出口端，射束路径延伸通过入口端和出口端，其中磁轭组件中的射束路径基本上受限于磁轭组件的内表面；第一及第ニ磁极片，自磁轭组件向磁轭组件中的射束路径伸出； 第一及第ニ线圈，分别缠绕第一及第ニ磁极片，其中第一及第ニ线圈耦接至电流源，该电流源被配置为使ー时变电流通过第一及第ニ线圈，使得第一及第ニ线圈在磁轭组件中的射束路径之中产生ー振荡时变磁场；以及 至少ー磁通量压缩元件，配置于磁轭组件的内周之内以及射束路径区域外部。
13.如权利要求12所述的离子注入系统，还包含 平行器(parallelize!·)，位于磁偏转系统的下游，将ー扫描离子束重新导控成平行于一公共轴，从而提供一平行化的离子束；以及 终端站，位于平行器的下游，接收该平行化的离子束。
14.如权利要求12所述的离子注入系统，其中该至少一磁通量压缩元件耦接至一固定电压。
15.如权利要求12所述的离子注入系统，其中该至少一磁通量压缩元件被主动式地冷却。
16.如权利要求12所述的离子注入系统，其中该至少一磁通量压缩元件包含 第一导电体，配置于射束路径的第一侧，以及 第二导电体，配置于射束路径区域的第二侧，其中第二侧位于第一侧相对于射束路径的对面。
17.如权利要求16所述的离子注入系统，其中第一导电体及第ニ导电体未在射束路径周围形成ー连续的电环路。
18.如权利要求16所述的离子注入系统，其中第一及第ニ导电体包含以下项目中的至少ー项铝、金、银、钼、铜、或其呈合金或涂层金属块形式的组合。
19.如权利要求12所述的离子注入系统，其中该至少一磁通量压缩元件是大致为实心的导电体。
20.如权利要求12所述的离子注入系统，其中该至少一磁通量压缩元件包含一外売，该外壳在该至少一磁通量压缩元件之内界定出ー或多个空隙。
21.—种磁扫描仪,包含 第一及第ニ磁极片，用以合作将ー振荡时变磁通量导引至一射束路径区域；以及 磁通量压缩装置，接近射束路径区域，用以压缩第一及第ニ磁极片提供的磁通量。
22.如权利要求21所述的磁扫描仪，其中磁通量压缩装置包含以下项目中的至少ー项铝、铜、银、金、钼、或其呈合金或涂层金属块形式的组合。
全文摘要
本发明的一些方案通过利用一磁束扫描仪辅助离子注入，该扫描仪包含第一及第二磁元件，射束路径区域介于其间。一或多个磁通量压缩元件配置于接近射束路径区域处且介于第一及第二磁元件之间。操作期间，第一及第二磁元件合作产生一振荡时变磁场于该射束路径区域之中以按时间来回扫描离子束。该一或多个磁通量压缩元件压缩第一及第二磁元件所提供的磁通量，从而降低来回磁扫描射束所需的功率总量(相对于先前的实施方式)。还揭示了其他扫描仪、系统、以及方法。
文档编号H01J37/147GK102859636SQ201180020858
公开日2013年1月2日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年4月28日
发明者伯·范德伯格 申请人:艾克塞利斯科技公司