专利名称：分级静电透镜中控制带电粒子束的偏移的系统与方法
技术领域：
本发明的实施例是有关于用于形成半导体结构(semiconductor structure)的离子植入(ion implantation)领域。更明确而言，本发明是有关于一种用于在分级静电透镜(graded electrostatic lens)中控制带电粒子束(charged particle beam)的偏移的方法。
背景技术：
离子植入器(ion implanter)在半导体制造中广泛使用以选择性地更改材料的导电性。在典型的离子植入器中，自离子源(ion source)产生的离子被引导穿过一系列束线组件(beam-line component),其可包含一或多个分析磁体(analyzing magnet)以及多个电极(electrode)。所述分析磁体选择所要的离子种类，滤出污染物种类及具有非所要能量 的离子，且在目标晶圆(target wafer)处调整离子束(ion beam)品质。具有合适形状的电极可修改离子束的能量及形状。图I显示现有离子植入器100，其包括离子源102、提取电极(extractionelectrode) 104、90。磁体分析器(90。magnet analyzer) 106、第一减速(firstdeceleration, Dl)级 108、70。磁体分析器 110 以及第二减速(second deceleration, D2)级112。Dl及D2减速级(亦称为“减速透镜(deceleration lens)”)各自由多个电极组成，所述电极具有界定的孔径以允许离子束从中穿过。藉由将不同的电压电位组合施加至多个电极，Dl及D2减速透镜可操纵离子能量，并致使离子束以所要能量击中目标晶圆。上文所提及的Dl或D2减速透镜通常为静电三极管(或四极管)减速透镜。图2显不现有静电三极管减速透镜(electrostatic triode deceleration lens)200的透视图。静电三极管减速透镜200包括三组电极入口电极(entrance electrode) 202 (亦称为“端电极(terminal electrode) ”)、抑制电极(suppression electrode) 204 (或“聚焦电极(focusing electrode)”)以及出口电极(exit electrode) 206 (亦称为“接地电极(ground electrode) ”,但不一定接地)。现有的静电四极管减速透镜(electrostatictetrode deceleration lens)类似于静电三极管减速透镜200,不同的是四极管透镜在抑制电极204与出口电极206之间具有一组额外的抑制电极(或聚焦电极)。在静电三极管减速透镜200中，每一组电极可具有允许离子束20从中穿过(例如，沿束方向在+z方向上)的空间/间隙。如图2所示,每一组电极可包含两个导电件(conductive piece),其彼此电耦合以共用同一电压电位。或者，每一组电极可为单片式结构，其具有供离子束20从中穿过的孔径。由此，每一组电极有效地为具有单一电压电位的单一电极。为简单起见，每一组电极在本文中以单数形式指称。亦即，若干入口电极202被称为一“入口电极202”，若干抑制电极204被称为一“抑制电极” 204，且若干出口电极206被称为一“出口电极206”。在操作中，入口电极202、抑制电极204及出口电极206独立地偏置，使得离子束20的能量和/或形状以如下方式操纵。离子束20可穿过入口电极202进入静电三极管减速透镜200，且可具有(例如)10keV至20keV的初始能量。离子束20中的离子可在入口电极202与抑制电极204之间加速。在到达抑制电极204后，离子束20即可具有(例如)近似30keV或更高的能量。在抑制电极204与出口电极206之间，离子束20中的离子可通常减速至较接近用于目标晶圆的离子植入的能量的能量。在一实例中，离子束20在离开静电三极管减速透镜200时可具有近似3keV至5keV或更低的能量。发生于静电三极管减速透镜200中的离子能量的显著变化可对离子束20的形状具有实质影响。举例而言，可提供用于过滤高能中性物质(energetic neutral)的位于同一地点的偏移的减速透镜200可能面临与偏移角度的控制及束聚焦相关联的挑战。控制离子束20的偏移所需的电压可取决于束(例如，输入及输出两者)的能量，而用以控制离子束20的聚焦的电压可变化以适应具有不同电流及高度的离子束。此情形可导致难以调谐离子束20，因为若离子束20的位置亦持续变化，则调谐离子束20的大小(聚焦)可能并非简单易行的。现有系统及方法并不提供对独立地控制离子束在位于同一地点的偏移及减速透镜中的偏移和/或聚焦的解决方案。鉴于前述内容可理解，存在与当前离子植入技术相关联的显著问题及缺点
发明内容
本发明揭示一种用于在维持束的弧形运动的减速/偏移透镜内指派电极电压从而与分级减速/偏移透镜的对称性匹配的方法。经由对贯穿透镜的电压的较小调整来平稳地实现偏移角度的较小调整，而非在透镜的端部处急剧地实现偏移角度的较小调整。垂直位置可约束于透镜的出口处或晶圆平面处，从而允许独立地调谐束在晶圆处的位置及角度。本发明揭示将束垂直位置侦测并入于垂直静电能量滤波器(VEEF)内的若干方法。本发明揭示一种用于控制离子束的偏移的方法，其包括提供电极组态，所述电极组态包括多个上部及下部电极对，每一对的所述上部及下部电极位于离子束的相对侧；对所述离子束的减速进行分级，从而沿透镜的长度获得偏移因子函数，以获得束角度校正；以及获得所述多个上部及下部电极对的电极电压以调整所述离子束的所述分级、所述偏移因子以及聚焦，使得所述离子束的中心射线轨迹(CRT)位于透镜中心的中心处；其中调整所述分级及偏移因子是使用调整所述离子束的至少一参数的至少一虚拟旋纽来达成。一种用于控制带电粒子束的偏移的系统，所述系统包括分级透镜，其包括多组电极，每一组电极由间隙间隔开，以允许带电粒子束在其间穿过；以及控制器，其用于控制待施加至所述多组电极的不同电压电位组合；机器可读储存媒体，所述机器可读储存媒体以计算机程序码编码，使得当所述计算机程序码由处理器执行时，所述处理器执行一种方法。所述方法包括对离子束的减速进行分级，从而沿所述透镜的长度获得偏移因子函数，以获得束角度校正；以及获得多个上部及下部电极对的电极电压以调整所述离子束的所述分级、所述偏移因子以及聚焦，使得所述离子束的中心射线轨迹(CRT)位于透镜中心的中心处；其中调整所述分级及偏移因子是使用调整所述离子束的至少一参数的至少一虚拟旋纽来达成。
随附图式说明所揭露之目前为止为本发明之原理之实际应用而设计的方法的较佳实施例，且其中
图I描绘现有离子植入器。图2描绘现有静电三极管透镜。图3描绘分级透镜组态的侧视图。图4A至图4D描绘分级透镜组态中的偏移、减速和/或聚焦的说明性曲线图。图5为例示性分级透镜组态的几何表示。图6为图5的分级透镜的离子束能量对电 极位置的曲线图。图7为由图5的分级透镜产生的离子束的弧形运动的几何表示。图8为显示离子束沿图5的透镜的长度的偏移的曲率半径的变化的曲线图。图9A及图9B为说明不同的fav及β在150毫米的透镜长度上的效应的曲线图。图10为具有变化的偏移角度的不同离子束路径的曲线图。图11为具有变化的d Θ的不同离子束路径的曲线图，其中y被限于距透镜出口距离D处。图12为说明因电子抑制的失败而导致的离子束的扩大的曲线图。图13为Fo变化以导致Ii与Io相等的例示性分级透镜组态的几何表示。图14为用于量测离子束的垂直位置的布置的示意性说明。图15A及图15B为说明平均垂直位置及平均垂直角度的回应/敏感性对Fdefl及Θ cor的曲线图。图16为减速弯角透镜组态(chicane lens configuration)中的偏移、减速和/或聚焦的横截面图。
具体实施例方式为解决现有透镜组态的问题，一种改良的静电透镜组态可包含一或多个可变控制抑制/聚焦电极。此等电极可包含多种形状、曲率、位置、材料和/或组态，其可相对于彼此而独立地或分别地控制/偏置，从而提供对离子束的形状及其能量的灵活且有效的操纵。图3描绘例示性分级透镜组态300的侧视图。分级透镜组态300可包含若干组电极。举例而言，分级透镜组态可包含一组入口电极302、一或多组抑制/聚焦电极304，以及一组出口电极306。每一组电极可具有允许离子束30 (例如带束(ribbon beam))从中穿过的空间/间隙。在一些实施例中，此等电极(例如入口电极302、抑制/聚焦电极304及出口电极306)可提供于外壳(housing)308中。泵(pump) 310可直接或间接连接至外壳308。在一实施例中，泵310可为用于提供高真空环境(high-vacuum environment)或其他受控环境的真空泵(vacuum pump)。在其他实施例中，夕卜壳308可包含一或多个衬套(bushing) 312。此等衬套312可用于使外壳308与其他组件电隔离。亦可提供其他各种实施例。如图3中所示，每一组入口电极302及出口电极306可包含彼此电耦合的两个导电件，或可为具有供离子束30从中穿过的孔径的单片式结构。在一些实施例中，抑制/聚焦电极304的上部及下部部分可具有不同电位(例如，在单独的导电件中)，以便使从中穿过的离子束30偏移。为简单起见，每一组电极可以单数形式指称。亦即，若干入口电极302可被称为一“入口电极302”，若干抑制/聚焦电极304可被称为一“抑制/聚焦电极304”，且若干出口电极306可被称为一 “出口电极306”。尽管将分级透镜组态300描绘为七(7)元件透镜组态(例如具有五(5)组抑制/聚焦电极304)，但应了解，可利用任何数目的元件(或电极)。举例而言，在一些实施例中，分级透镜组态300可利用范围为三(3)至十(10)个的电极组。亦可提供其他各种实施例。在一些实施例中，穿过电极的离子束30可包含硼或其他元素。可藉由使用若干薄电极(例如抑制/聚焦电极304)以控制电位沿离子束路径或束线30的分级，来达成离子束30的静电聚焦。在分级透镜组态300中，亦可提供高减速比率，同时避免过度聚焦。因此，输入离子束30的用途可在可实现较高品质束(甚至极低能量输出束)的能量范围内使用。在一实施例中，当离子束30穿过透镜组态300的电极时，离子束30可自6keV减速至O. 2keV，且藉由分级透镜组态300的电极而在15°处偏移。在此实例中，能量比率可为30/1。亦可提供其他各种实施例。应了解，可藉由以下步骤来实现分离且独立地控制减速、偏移和/或聚焦(1)维持电极(例如入口电极302、抑制/聚焦电极304及出口电极306)相对于离子束30的中心射线轨迹(central ray trajectory, “CRT”)的对称，以及(2)改变沿离子束30的CRT的 偏移电压，以便反映以偏移角度35在沿CRT的每一点处的束能量。藉由电极相对于离子束30的CRT的对称，应了解，上部及下部电极的最靠近离子束30的端部可维持在距离子束30的CRT相等(或几乎相等)的垂直距离处。举例而言，在离子束30上方及下方的电极上的电压的差异(例如，Vdef(z) = Vupper(z)-Vlower(Z))可经组态以使得电场的偏移分量(例如，(Vupper(z)-Vlower(z))/gap (z))可为该点处的束能量(其可沿电极或透镜而变化)的固定比率/因子(例如，因子*Eb_(z))。举例而言，此可表达为下文的等式I :Vdefl (z) /gap (Z)=因子 *Ebeam (z) 等式 I在一些实施例中，此偏移电压可反对称地施加在上方和/或下方(例如，相对于所述z处的crt下的电位为+/-Vdrfl(Z))。在其他实施例中，例如可将为所述偏移电压两倍的偏移电压仅施加至离子束30的一侧。应了解，由于顶部与底部电极电压之间的关系针对给定几何形状可为固定的，因此有可能在电路网络或其他类似网络中实施此关系。因此，可降低(若非完全消除)对使电源的数目加倍和/或将此关系固定于硬件中的需要。亦可提供其他各种实施例。图4A至图4D描绘根据图3的例示性实施例的分级透镜组态中的偏移、减速和/或聚焦的说明性曲线图400A至400D。在此等说明性曲线图400A至400D中，可将离子束30描绘为在每一电极处具有不同的发射率及电压/偏压，从而产生各种聚焦条件。应了解，每一例示性曲线图可使用O. 16的偏移因子(如上文在等式I中所描述)，且可产生相同或类似的偏移(例如，20°的偏移)。举例而言，图4A描绘使用零(O)发射率离子束的分级透镜组态中的偏移、减速和/或聚焦的说明性曲线图400A，图4B描绘使用非零发射率离子束的分级透镜组态中的偏移、减速和/或聚焦的说明性曲线图400B，图4C描绘使用具有聚合的非零发射率离子束的分级透镜组态中的偏移、减速和/或聚焦的说明性曲线图400C，且图4D描绘使用不同聚焦电压的分级透镜组态情形中的偏移、减速和/或聚焦的说明性曲线图400D。在大多数情形中，等式I的偏移因子可维持为O. 16。亦可提供其他各种实施例。亦将了解，可提供其他分级透镜组态，例如在2009年I月2日申请的标题为“独立控制偏移、减速和聚焦离子束的技术(Techniques for Independently ControllingDeflection,Deceleration and Focus of an Ion Beam) ”的共同待决申请案第 12/348，091号(档案号为2008-109)中所揭示的组态，该申请案的全文以引用的方式并入本文中。如所述，分级减速-偏移静电透镜(graded deceleration-deflectelectrostatic lens)含有许多电极,每一者连接至单独的电源。举例而言,7级透镜将通常需要10个高压电源(除主减速电源之外)。电极电压必须一起改变以达成(I)减速的分级以控制束聚焦；(2)将束的中心射线轨迹(CRT)定中心于透镜中心线上，(3)调整束的最终偏移角度；以及(4)使能量污染减至最小。应在维持所有电极电压相对于上游束线保持为负以防止电子电流的约束的同时达成上述目的。控制此较大数目的电源是相当大的控制挑战。因此，揭示一种用于组合此等电源控制以产生直接反映上述目标的较小数目的“虚拟旋纽(virtual knob) ”的方法。此重新参数化简化并实现对此复杂装置的控制。所揭示的方法涉及将电压指派给能够独立地减速且偏移离子束的静电透镜(亦 称为“垂直静电能量滤波器(Vertical Electrostatic Energy Filter) ”或VEEF)的电极。图5中示意性地显示的此几何形状含有7个内部及外部电极(编号为O至6)，以20度偏移弧Θ为中心。在此实例中，电极的位置呈扇形(使得来自输入束的高能中性物质不会击中高压电极)，且电极的角度间距为均一的。第一电极“O”(内部及外部)连系至上游(高能)束线，且最后的电极“6”(内部及外部)连系至下游(低能束线)。上游束线与下游束线之间的电位差为透镜的减速电压。在所揭示的实施例中，额外存在连接至其他电极的10个其他电源。内部电极与外部电极之间(在沿偏移弧的特定位置处)的电压差与束在该点处的CRT的能量成比例。偏移电压差与CRT能量之间的比例常数称为偏移因子Fdefl。用于将电压指派给此分级偏移/减速静电透镜或VEEF的技术涉及若干态样I. 一种用于指派电极电压(基于少数“虚拟旋纽”)的方法a.对减速进行分级，其需要计算束的CRT沿透镜的能量，b.计算沿透镜的偏移因子函数，以达成角度校正(除透镜几何形状的几何角度以外)，c.藉由以束CRT保持靠近透镜中心同时维持所有电压为负(相对于下游束线)的方式进行角度校正，来计算电极电压以达成分级减速及偏移，2. 一种用于鉴别束在VEEF的出口处的垂直位置的设备；3. 一种用于调谐此等“虚拟旋纽”以达成所要偏移及聚焦同时维持定中心于透镜内的束CRT的方法。现将依次描述上述各项中的每一者。I.用于指派电极电压的方法a.使减速分级并不连系至输入束线的第一电极(图5中编号I)被称为抑制电极，因为其抑制上游束电浆电子自束去除。在此抑制电极与最终接地电极之间，束的能量根据电极2至5上的电位而减小。减速场(deceleration field)的此分级影响束的净聚焦(net focus),以及残余能量污染(energy contamination, EC)。根据所揭示的方法,此分级依据由单一参数α (如由以下等式2界定)体现的幂定律而描述。Ecrt (0) = E0
Em (i = 1Λ 6) = Ef + (E0-Ef + e Vi) —^~ 等式 2
-K 5 J其中i =描述沿透镜的位置的指数,Eert =每一点I处的crt上的离子能量,Ef =束的最终能量，Eci =束的初始能量,Vs =抑制电极的位置处的crt上的电位,且e =电子电荷。因此，自等式2可见，若α = 1，则crt上的离子能量自Ec^eVs线性地变为Ef，而若α > 1，则能量更快地降落，如图6中所例示。一般而言,较大α使束较快地减速，从而减少高能中性化离子到达晶圆(亦即，导致较低EC)的机会，而较小α导致束的较大程度的聚焦。b.偏移角度校正弧形运动 内部电极与外部电极之间的电压差提供与粒子的运动垂直的电场，因此产生限于局部的圆形或弧形运动(见图7)。曲率半径及弧的长度(且因此净偏移角度)必须符合透镜的几何形状，以便使束保持定中心于内部电极与外部电极之间，从而使像差(aberration)及聚焦与偏移之间的稱合减至最少。若Fdefl在VEEF的长度上恒定，则束的中心射线轨迹(CRT)将为正圆形，从而产生其长度L上的净偏移角度Θ。希望能够微调净偏移角度，以适应输入束对准的变化以及空间-电荷的效应，同时产生与此弧形运动的最小偏差。根据本发明的方法，此藉由沿透镜的长度线性地调整束的偏移的曲率半径来进行。因此，单一参数Fdrfl由2个参数代替=Fdefl的平均值fav及斜率β。(见图8及下文等式3)F辱(ζ) = J0+βζ等式3
「 ζ Pl ο= / -l^ + βζ
2在沿偏移路径的每一点处，差分偏移为 θ = ^dz = (/0 + 庳)cfe等式 4
2Sa 2So在O与ζ之间对此求积分给出净偏移θ (ζ)沒⑷=]"^~(/0+啟+等式 5垂直位移藉由以下等式与角度偏移有关dy (z) = tan ( θ (ζ)) dzy(z) = f -^-z' +^—zn\z' = J^-Z2等式 6
jA2A 4A J 4Eo 12g0因此，在(长度为L的)透镜的出口处，0{L) =^if0 +ψ]七=/0 + 展等式 7
^g0K 2 J 2g0Jo 2
I2 f Rf \ J2Py{L) = --\f0+^-=广/m,— A等式 8
4g<A 3 J 4S0 24S0
图9A及图9B显示穿过VEEF的离子束轨迹，其演示不同的fav及β在长度L =150mm的透镜上的影响。不同的fav单独影响束的最终角度以及位置两者，而不同的β单独仅影响位置，从而使最终角度保持不变。藉由一起改变fav及β两者，可改变净偏移角度，同时使垂直位置在沿束的轨迹Ζ。的某一点处保持不变。可藉由考虑全微分来找出实现此目的所需的fav与β之间的约束
权利要求
1.一种用于控制离子束的偏移的方法，其包括 提供电极组态，所述电极组态包括多个上部及下部电极对，每一对的所述上部及下部电极位于离子束的相对侧； 对所述离子束的减速进行分级， 沿透镜的长度获得偏移因子函数，以获得束角度校正；以及 获得所述多个上部及下部电极对的电极电压以调整所述离子束的所述分级、所述偏移因子以及聚焦，使得所述离子束的中心射线轨迹位于所述透镜中心的中心处； 其中调整所述分级及所述偏移因子是使用调整所述离子束的至少一参数的至少一虚拟旋纽来达成。
2.根据权利要求I所述的用于控制离子束的偏移的方法，其中所述至少一虚拟旋纽控制束聚焦及残余能量污染。
3.根据权利要求I所述的用于控制离子束的偏移的方法，其中所述至少一虚拟旋纽控制所述离子束的上游电子抑制，从而防止电子自所述离子束去除。
4.根据权利要求I所述的用于控制离子束的偏移的方法，其中所述至少一虚拟旋纽控制所述束的偏移，且将所述束定中心于所述透镜的出口处。
5.根据权利要求4所述的用于控制离子束的偏移的方法，其还包括量测所述多个电极对的内部及外部最终接地电极上的电流，以及藉由改变束偏移直至所述内部及外部最终接地电极上的所述电流相等为止来将所述束定中心。
6.根据权利要求4所述的用于控制离子束的偏移的方法，其还包括提供垂直定中心于所述透镜的出口孔径内的准直感光器以判定束定中心。
7.根据权利要求I所述的用于控制离子束的偏移的方法，其中所述至少一虚拟旋纽控制所述离子束的最终偏移角度，且将所述离子束的位置约束于所述透镜的出口处。
8.根据权利要求I所述的用于控制离子束的偏移的方法，其中所述对所述离子束的减速进行分级的步骤还包括计算所述束沿所述透镜的长度的中心射线轨迹的能量。
9.根据权利要求I所述的用于控制离子束的偏移的方法，其中将电极电压指派给所述上部及下部电极对，使得所述多个上部及下部电极对的外部电极的电压保持为负。
10.根据权利要求I所述的用于控制离子束的偏移的方法，其中所述多个电极的外部抑制电极保持低于上游束线电位。
11.一种用于控制带电粒子束的偏移的系统，其包括 分级透镜，其包括多组电极，每一组电极藉由间隙间隔开，以允许带电粒子束在其间穿过； 控制器，其用于控制待施加至所述多组电极的不同电压电位组合；以及 机器可读储存媒体，其以计算机程序码编码，使得当所述计算机程序码由处理器执行时，所述处理器执行包括以下步骤的方法 对所述离子束的减速进行分级， 沿所述透镜的长度获得偏移因子函数，以获得束角度校正；以及 获得多个上部及下部电极对的电极电压以调整所述离子束的所述分级、所述偏移因子以及聚焦，使得所述离子束的中心射线轨迹位于所述透镜中心的中心处； 其中调整所述分级及所述偏移因子是使用调整所述离子束的至少一参数的至少一虚拟旋纽来达成。
12.根据权利要求11所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其中所述至少一虚拟旋纽控制束聚焦及残余能量污染。
13.根据权利要求11所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其中所述至少一虚拟旋纽控制所述离子束的上游电子抑制，从而防止电子自所述离子束去除。
14.根据权利要求11所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其中所述至少一虚拟旋纽控制所述束的偏移，且将所述束定中心于所述透镜的出口处。
15.根据权利要求14所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其还包括用于量测所述多个电极对的内部及外部最终接地电极上的电流，且藉由改变束偏移直至所述内部及外部最终接地电极上的所述电流相等为止来将所述束定中心的指令。
16.根据权利要求14所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其还包括用于提供垂直定中心于所述透镜的出口孔径内的准直感光器以判定束定中心的指令。
17.根据权利要求11所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其中所述至少一虚拟旋纽控制所述离子束的最终偏移角度，且将所述离子束的位置约束于所述透镜的出口处。
18.根据权利要求11所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其中所述对所述离子束的减速进行分级的步骤还包括计算所述束沿所述透镜的长度的中心射线轨迹的能量。
19.
20.根据权利要求11所述的用于控制带电粒子束的偏移的系统，其中将电极电压指派给所述上部及下部电极对，使得所述多个上部及下部电极对的外部电极的电压保持为负。
全文摘要
本发明揭示一种用于控制离子束的偏移、减速及聚焦的方法及设备。所述设备可包含分级偏移/减速透镜，其包含安置于离子束的相对侧的多个上部及下部电极，及用于调整施加至所述电极的电压的控制系统。使用可操作以独立地控制所述离子束的偏移及减速的一组“虚拟旋纽”来改变上部与下部电极对之间的电位差。虚拟旋纽包含对束聚焦及残余能量污染的控制；对上游电子抑制的控制；对束偏移的控制；以及对所述束的最终偏移角度的微调，同时将所述束的位置约束于所述透镜的出口处。在另一实施例中，藉由在量测晶圆平面处所述束位置及角度的同时微调束偏移来进行此步骤。在又一实施例中，藉由调谐偏移因子以达成定中心于所述晶圆平面处的束来进行此步骤。
文档编号H01J37/147GK102782797SQ201080064197
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月28日 优先权日2009年12月28日
发明者彼德·L·凯勒曼, 法兰克·辛克莱, 维克多·M·本夫尼斯特, 陆钧 申请人:瓦里安半导体设备公司