TWI385699B

TWI385699B - 用於自一離子源萃取離子之離子萃取系統

Info

Publication number: TWI385699B
Application number: TW097118957A
Authority: TW
Inventors: Sami K Hahto; Thomas N Horsky
Original assignee: Semequip Inc
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2013-02-11
Also published as: JP2010528434A; JP5341070B2; WO2008147846A1; US7928406B2; TW200912985A; US20080290266A1

Description

用於自一離子源萃取離子之離子萃取系統

本發明係關於一種萃取並形成一離子束的離子光學系統，該離子束可用於離子植入製程，尤其是在100 eV至4 keV之低能量範圍中。本發明致能所傳送之離子束之廣範能量範圍，且亦致能使用簡單三極體萃取結構對分子離子以及更為習知的單體離子束(monomer ion beam)之萃取。新穎特徵併入於本發明中，該等特徵致能在非常廣泛之射束電流、離子質量及源亮度範圍內離子束的射束形成及可變聚焦，同時與許多商業射束線植入平台相容。

本申請案主張2007年5月22提出申請的美國臨時專利申請案第60/939,505號的優先權及權利，該案以引用之方式併入本文中。

－離子植入製程

離子植入製程依靠在離子源中將氣態或汽化之固體原料(feedstock)材料離子化及使用電場經由萃取孔口自離子源萃取正離子或負離子。接著將射束予以質量分析、傳送並植入至目標半導體晶圓。

－離子源及萃取

在傳統植入機離子源中，通常使用電弧放電或RF激勵來形成一稠密電漿，該稠密電漿為熱電子、快速離子化電子及離子之混合物。圖1展示用於植入機中之傳統電漿離子源之示意圖。經由源壁中之開口自源萃取離子束。萃取孔口形狀傳統上為具有為幾毫米之寬度以及為幾十毫米之高度的槽。離子源及萃取孔口板通常處於相同電位，但有時將電壓施加於兩者之間。使用處於負電位的抑制電極來形成將離子拉出該源的電場。抑制電極亦產生針對由於表面上的射束衝擊或背景氣體離子化而形成於下游的回流電子的電位障(potential barrier)。第三電極在抑制電極後面，其處於接地電位。

通常，抑制器及接地電極為可移動單元以便改變萃取孔口板與抑制電極之間的間隙。此係需要的，因為由源電位設定之離子束最終能量經改變且萃取間隙中之電場必須經相應地調整以便維持用於離子束的相同萃取條件。此關係源於所萃取之電流密度因柴耳德定律(Child's law)而取決於萃取電場的事實：其中j 為離子束之最大可萃取電流密度，Q 及M 為離子之電荷狀態及質量數，且U [kV]及d [cm]分別為所施加之電壓及在離子源主體/萃取孔口板與抑制電極之間的間隙。柴耳德定律對可自離子源萃取之電流密度給予空間電荷限制。

圖2展示典型離子植入機萃取系統的示意圖。離子萃取孔口為圓形孔口或在孔口之下游側上具有倒角的槽。此倒角大小(chamfer angle)α通常自35度變化至75度，最通常使用為67.5度之所謂的皮爾斯角(Pierce angle)。萃取孔口板之厚度通常為6 mm或以下。抑制電極/萃取器電極之形狀常常以一突起唇(protruding lip)為特徵，可使該突起唇緊靠孔口板。圖2之示意圖表示典型分散性(水平)平面光學器件。在非分散性(垂直)平面中，萃取槽通常遠高於該槽之分散性平面寬度，從而使分散性平面光學器件及非分散性平面光學器件在其數學表示中可分離。為了實現射束之非分散性平面聚焦，萃取孔口板及抑制唇及接地唇通常為彎曲的。(沿長軸的)曲率之半徑經最佳化以匹配分析器磁鐵之射束接收及後續射束線。圖3展示典型非分散性平面電極形狀的示意圖。

射束分析器磁鐵將射束聚焦於分散性平面中。分析器偶極磁鐵之出口處的射束寬度因方程式2而與磁鐵之入口處的射束寬度相關：(2)y ₂ ＝y ₁ cos(α₁ ), 其中y₁ 及y₂ 分別為入口及出口場邊界處的射束半寬度，且α₁ 為磁鐵扇形角(sector angle)。若扇形角小於90度，則射束讓磁鐵會聚。在90度的扇形角處，射束在磁鐵出口處具有焦點，且在扇形角大於90度的情況下，射束在磁鐵內部具有焦點且讓磁鐵發散。

對於萃取光學器件的要求設定將為形成一射束之能力，該射束具有足夠小的發散且在分散性平面中之射束尺寸匹配分析器磁鐵的接收。在非分散性平面中，可經由電極之曲率完成射束聚焦，但另外，分析器磁鐵可經由極旋轉或極面轉位而具有一些聚焦性質。

－空間電荷力

若射束之空間電荷在萃取系統之不同操作模式之間顯著變化，則在非分散性平面中達成所要的射束聚焦成問題。射束之空間電荷取決於射束能量及電流。作用於離子射束之包絡上的橫向空間電荷力F _SPC,SLIT 對於狹縫射束(slit beam)可按以下形式寫出：

在方程式(3)中，e 為基本電荷，J 為槽之每單位長度的射束電流，ε ₀ 為自由空間之電容率且v 為粒子沿射束方向之定向速度。對於圓形射束，該方程式可按以下形式寫出：

其中q 為離子之總電荷，I 為射束電流，且r ₀ 為射束包絡半徑(beam envelope radius)。

方程式(3)及(4)中所描述之空間電荷力為相對於射束方向之橫向力，其將在射束於射束傳送系統中漂移時放大射束。此具有自離子源萃取離子的含意。理想地，應設計萃取光學器件，使得所得電場將補償橫向空間電荷力且在分散性平面中形成大致平行或僅稍微發散的射束，同時將射束包絡聚焦或包含於非分散性平面中。

在典型離子植入機中，使用原子離子物質來形成硼、胂及磷的植入射束。所萃取之電流密度可在幾毫安/平方公分(mA/cm² )及更高的範圍中。此對於現有植入機中之萃取光學器件的設計設定了邊界條件。通常，在寬度為幾毫米(分散性平面)及高度為20至40 mm(非分散性平面)的狹縫尺寸情況下使用狹縫萃取。當射束能量在所使用之植入機的範圍(幾百eV至80 keV)中時，孔口板與抑制電極之間的萃取間隙通常自幾毫米變化至幾十毫米。

已證實具有薄的離子萃取孔口板的傳統三極體萃取系統在使用原子或小分子物質離子束時可接受地為高電流密度萃取系統工作。然而，用於下一代植入機技術的簇型離子束(例如，B₁₈ H_x ^＋、B₁₀ H_x ^＋、C₇ H_x ^＋ )的開發已暴露出用於此應用的傳統萃取光學器件的不足。對於低電流密度射束萃取，薄板光學器件配置匹配不良，尤其在較高能量的情況下。所萃取之B₁₈ H_x ^＋電流密度通常在0.5 mA/cm² 與約1 mA/cm² 之間，此電流密度與離子植入中所使用之許多電漿離子源相比非常低。為了萃取所要的離子電流，萃取槽具有較大面積(例如，10 cm² 或以上)，此產生萃取電場至離子源中之相當大的穿透(punch－through)。為了達成匹配之萃取條件，萃取間隙必須非常大以減小此穿透的效應。尤其在高萃取電壓>10 kV的情況下，射束將強烈地交越且撞擊抑制電極及接地電極。該強烈交越亦引起高的射束發散，高的射束發散增加了在質量分析器磁鐵中及後面的射束線中歸因於射束漸暈(亦即，與射束線孔口的射束相交)的射束損失。

為了克服此等問題，已開發用於廣泛能量範圍簇型離子束萃取應用的一種新類型之三極體萃取系統(一種簇型離子束萃取系統)，其同時亦仍可應用於原子及分子離子物質。萃取孔口板外形經設定以最小化射束交越(beam cross over)且同時防護離子源免遭過量萃取電場，從而允許萃取間隙之較小值。此外，一新穎聚焦特徵經整合於此等新光學器件中，該聚焦特徵允許藉由在廣泛之射束能量範圍內使用僅幾kV的雙極偏壓來使射束在非分散性平面中聚焦或散焦。此為優於單獨靜電透鏡解決方案(例如單透鏡)的優越解決方案，單獨靜電透鏡解決方案可能需要幾十kV的偏壓才能夠使高能射束聚焦。

此等及其他優勢描述於以下說明及隨附圖式中。

圖1展示用於植入機中之傳統電漿離子源之示意圖。離子源由真空腔室、材料進料口、離子萃取槽及離子化機構組成。腔室之尺寸視所產生之離子束之尺寸而變化。以蒸汽或氣體形式將源材料饋送至源腔室中。使用以下方法中之一者來離子化中性原料：若干種變型之電弧放電、RF激勵或微波激勵，或電子衝擊離子化(electron impact ionization)。經由源腔室壁之一者中之開口自離子源萃取所產生之離子。

圖2展示典型離子植入機萃取系統在分散性平面中之橫截面。所展示之水平或分散性平面橫截面為對離子束植入中廣泛使用的典型離子萃取系統之表示。萃取孔口尺寸及形狀在不同應用間可變化。高電流密度之電漿源將流過較小孔口，而較低密度之分子源需要較大萃取面積才能產生商業上可行的射束電流量。通常，萃取開口係高度為寬度之5至10倍的槽。萃取孔口板通常在下游側具有相對於射束方向之角α。此角通常在為67.5度之所謂的皮爾斯角附近變化，皮爾斯角已經展示為自固體發射器表面進行電子束萃取的最佳角度。萃取孔口板處於比後面之抑制電極高的電位。此電位差產生使離子加速離開離子源的電場。對於正離子萃取被偏壓於負電位中的抑制電極產生一負電位障，該負電位障防止回流之電子被自射束線吸入離子源中。電子之此捕獲將不僅降低回流之電子束之功率負載，而且將捕獲之電子吸入正離子束電位中且降低射束之空間電荷。此所謂的空間電荷中和被廣泛用於射束傳送中以克服射束之內部空間電荷限制。對於負離子萃取，離子源係比抑制器更處於負電位，該抑制器處於正電位。此情形將捕獲正離子至射束中，正離子將中和負離子空間電荷。

通常沿射束方向移動抑制電極及接地電極。此允許在離子束能量及萃取電壓或所萃取之離子電流密度改變時達成適當之電場值。

圖3展示離子植入機光學器件之非分散性平面橫截面。在典型離子植入機光學器件中，離子束在非分散性平面中之高度係在分散性平面中之寬度的若干倍。為了垂直向下聚焦射束，萃取孔口板、抑制電極及接地電極經彎曲以提供對射束的幾何聚焦。射束之焦距視電極中所使用之曲率半徑而定且在某種程度上視射束電流及能量而定。低能量及/或高電流射束具有較大空間電荷效應，在此情況下需要較小曲率半徑來將射束向下聚焦至與高能量及/或低電流射束情況下相同的焦點。

本文所描述之本發明之萃取系統經設計以匹配具有0.5至0.7 mA/cm² 之電流密度之4至80 keV(0.2至4 keV硼當量能量)之B₁₈ H_x ^＋射束及約為100 mm之最大允許萃取間隙。圖4展示此新的萃取系統之中間分散性平面中之橫截面。在此例示性情況中萃取槽為在分散性平面中10 mm寬且在非分散性平面中100 mm高。模型為所萃取離子束之全三維邊界元素模擬，包括空間電荷效應。

在圖4中展示本發明之分散性及非分散性平面橫截面。為了適應簇型離子束之與傳統電漿源產生之離子束相比為較低的電流密度，修改鄰近於萃取孔口之分散性平面特徵。為了使射束離開萃取槽時的過度聚焦最小化，自萃取槽之邊緣切割平坦的90度部分，而非離子植入機萃取系統中傳統上使用之67.5度切割或類似的錐形切割。萃取槽之每一側上的平坦部分具有與槽之半寬度類似的尺寸。自平坦部分之外緣開始的錐形切割穿過孔口板之厚度打開一溝槽。此切割之角為45度，但可視將要最佳化植入機所對於的能量/射束電流範圍而對於每一萃取系統最佳化此角。切割角亦可貫穿板之厚度而變化。抑制插入物及接地插入物為喙狀唇，其允許抑制特徵在低能量操作中被推入萃取孔口板溝槽中，其中萃取間隙將為小的。一般而言，抑制插入物及接地插入物對於簇型離子束光學器件並非非常關鍵。萃取孔口板及抑制插入物及接地插入物在非分散性平面中彎曲以提供射束幾何聚焦。

萃取孔口板之突出特徵為萃取槽周圍的平坦中間部分、萃取孔口電極的90度夾角及厚輪廓。參看圖4，90度角係相對於如圖2中所說明之垂直軸測得。參看圖5，且具體參看下部兩個圖，由參考數字20識別的平坦部分指代作為相對於萃取孔口板之上游邊緣的間隔開之尖端所說明的部分。由參考數字22識別的溝槽部分，為平坦部分的緊接下游。圍繞萃取槽之平坦中間部分幫助在槽區域之上形成均一的軸向(沿射束方向，z軸)電場且最小化橫向(x軸及y軸)場分量。橫向場分量是造成在萃取槽附近射束之過度聚焦的原因，因此應最小化此分量。在非分散性平面中之槽之末端處的平坦之高度可變化：較平坦，增加光學器件之垂直焦距，較不平坦，減小該垂直焦距。

90度夾角產生深通道以屏蔽過量電場，而同時使得電場能夠在離子束上具有最佳輪廓，從而最小化射束發散且產生較亮射束。夾角應匹配於射束之空間電荷以使得橫向電場分量所產生的力匹配或僅稍微超過射束之本質橫向空間電荷力。

前板、拖拉器及接地插入物在垂直YZ平面中具有曲率半徑以最佳化垂直焦距。在所呈現之萃取系統中，前板之曲率半徑為1000 mm。

圖5展示簇型離子束萃取系統之兩個變型及傳統萃取光學器件之兩個變型的分散性平面橫截面。將兩個幾何變型中之簇型離子束萃取系統與兩個傳統皮爾斯型幾何結構相比較。兩個皮爾斯幾何機構皆使用標準67.5度電極角，萃取孔口板厚度在情況1中為5 mm且在情況2中為10 mm。兩個簇型離子束萃取系統變型(情況3及情況4)皆具有20 mm厚的萃取孔口板。

鄰近於萃取孔口之平坦部分對於情況3及情況4為相同的。在情況3中，萃取溝槽具有貫穿該板之厚度的均一角，而在情況4中，角類似於情況3直到該板之厚度的一半處，其後角增大。使用Lorentz EM電磁解算器來模型化由每4個幾何結構所產生之電場且將橫向分量E_x 繪製於圖5a中。在每一情況下，萃取孔口板處於60 kV的電位且抑制電極處於－5 kV的電位。

作為實例，使用Lorentz－EM來模型化且呈現傳統萃取電極設計之2個變型及新光學器件之2個變型。圖5展示在萃取槽之分散性中間平面處的幾何結構之2維切割。為了定量描述光學器件，對於單一帶電正離子根據離子速度而繪製聚焦橫向電場分量E_x 電荷且將其與試圖放大射束之相反空間電荷力相比較。沿自萃取槽之外緣開始之線繪製該電場，萃取槽在此實例中為10 mm寬。離子電流/萃取槽之單位長度假設為約0.7 mA/cm，其對應於0.7 mA/cm² 之典型B₁₈ 電流強度。萃取間隙定義為自萃取槽之刀口至抑制/拖拉器電極之尖端的距離，且在每一幾何結構中變化以在萃取平面提供相同的軸向電場值E_z 。萃取孔口、抑制電極及接地電極上之電位分別為60 kV、－5 kV及0 kV。

圖5a繪製所得橫向電場及空間電荷產生之電場E_SPC ，電場E_SPC 係由將方程式3除以基本電荷e而給出：

為了形成平行射束，E_x 及E_SPC 必須強度大致相等且在離子之加速中始終正負號相反。如自圖5a可見，傳統皮爾斯型幾何結構，其中萃取孔口板在此情況下為5 mm或10 mm厚，開始時E_x 大於空間電荷場E_SPC 。此將在射束離開源時將射束過度聚焦。在較大射束速度下，E_x 小於F_SPC / e，其將歸因於空間電荷而讓射束變大。累積效應係難以經由射束線之剩餘部分傳送的強烈發散性射束。

對於新的簇型離子束萃取系統，E_x 開始於與空間電荷場非常類似的強度且在加速中始終遵循大致相同的趨勢。在此特定實例中，90度夾角之幾何結構在中間離子束速度中形成稍微高的E_x 。此係常常需要的，因為E_x 的稍微超出將在分散性平面中向下聚焦射束，且因此幫助形成進入分析器磁鐵的較小射束。此效應亦可藉由對萃取通道進行較大夾角之切割來緩和。觀看此等2種情況中的E_x 值，顯然鄰近於萃取狹縫之平坦邊緣幫助最小化開始時的臨界過度聚焦，且在射束加速之剩餘部分中保持E_x 與E_SPC 之間的良好平衡，此將引起較小分散性射束，其比傳統皮爾斯型幾何結構所產生之射束更易於傳送。

傳統皮爾斯幾何結構與新光學器件之間的另一顯著差異亦可自以上實例看出。適應高能量射束所需要的萃取間隙在新的幾何結構的情況下顯著較小。在萃取間隙過大之傳統皮爾斯幾何結構中，射束將有更多時間來變大且撞擊抑制插入物及接地插入物。此類型之傳統幾何結構所引起的較大發散使此效應更為嚴重。抑制電極及接地電極之所需軸向移動以及空間要求亦得以減小。

實驗性地比較圖5及圖5a之實例中所呈現的幾何結構中的兩者。所選擇之幾何結構為5 mm厚之皮爾斯幾何結構及具有均一90度夾角的非錐形新光學器件。

如自圖5b可見，新的簇型離子束萃取系統以及傳統萃取系統在低能量下執行。在高萃取能量下，傳統光學器件遇到問題，因為射束發散增加且射束之大部分由於在抑制電極上及分析器磁鐵入口處及內部的射束撞擊而損失。對於傳統光學器件測試若干曲率半徑，且其均無法覆蓋B₁₈ H_x ^＋射束之整個能量範圍。新光學器件總是拉動少得多的抑制電流，抑制電流係對抑制電極上之射束撞擊之量的指示。此降低了至離子源中之回流電子電流，從而顯著降低較高萃取能量下的x射線發射。

萃取槽之尺寸及形狀在新光學器件中可大大變化。圖4中所描述之特徵在萃取槽之尺寸改變時將仍起作用，只要特徵與幾何結構之剩餘部分成比例。圖6展示此情形之實例。萃取槽尺寸為8x48 mm。較小萃取槽結合萃取通道之深度將允許電極平坦而無任何曲率。

孔口板總體較薄且鄰近於萃取槽之平坦部分較小。在分散性平面中，光學器件特徵類似於圖4中所呈現之情況。在非分散性平面中，存在主要差異，因為在萃取孔口板或抑制/接地插入物中不存在垂直曲率。萃取溝槽之縱橫比使得靜電電位及電場分布類似於在彎曲電極的情況下可達成的靜電電位及電場分布。此係由勾畫至非分散性平面橫截面中之恆定電位線及電場向量來說明。

通道形狀提供將會將射束充分聚焦於非分散性平面中的電場分布。抑制電極及接地電極亦無曲率。此類型之較小萃取槽更好地適用於電漿離子源，在電漿離子源的情況下大孔口係不良的，因為稠密電漿可非常容易自源中鼓出且在源與抑制電位之間形成電漿橋。

維持萃取槽周圍的平坦中間部分以減小射束發散。由於前板歸因於較小萃取槽尺寸而比上文所呈現之幾何結構中的前板薄，故平坦部分在槽周圍可完全均一。

整合於簇型離子束萃取孔口板中之靜電離子光學透鏡

在不同射束能量及射束電流下，本文所描述之三極體系統之焦距可歸因於射束之不同空間電荷效應而顯著變化。在分散性(XZ)平面中，藉由改變萃取間隙及抑制電壓來控制此變化。在非分散性(YZ)平面中，此等調整歸因於射束之高度而無效。當在有限接收的情況下(經由分析器磁鐵)將射束長距離傳送至射束線時，此係一個問題。為了最好地控制射束光學器件而無需添加額外電極或龐大的磁性透鏡元件，本文呈現控制y聚焦之簡單解決方案。

圖7展示簇型離子束萃取系統上之整合的垂直聚焦透鏡。萃取孔口板另外與圖4中所展示之萃取孔口板相同，但在此修改變型中，萃取孔口板形成於獨立板中，諸如一包括萃取孔口之主板及一或多個獨立板。舉例而言，萃取孔口板可由與主板電隔離之頂部板及底部板形成，其係由切割線說明。主板包括萃取孔口。此允許對此等獨立元件之偏壓，其將形成一靜電透鏡，該靜電透鏡在該等元件相對於主板被正偏壓或負偏壓時在垂直平面中聚焦或散焦離子束。具有約±2 kV之適度電壓範圍之雙極電源足以聚焦具有自4 keV變化至80 keV之能量範圍的B₁₈ 射束。透鏡供應之當前要求為低的，因為該等元件並未暴露於源內部且適當地在射束之直接路徑外部。

藉由相對於板正偏壓頂部及底部部分，形成將在非分散性平面中聚焦所萃取之離子束的橫向電場分量。若將負偏壓添加至透鏡元件，此將增加三極體之焦距且充當散焦透鏡。具有適度±2 kV電壓範圍之雙極電壓電源足以用於透鏡在離子植入中所使用之所有能量、電流及離子物質下有效地工作。即使在施加了偏壓時，偏壓對分散性平面中之射束具有最小效應，且當無偏壓存在時，透鏡萃取孔口板與圖4中所展示之標準板一樣地起作用。

射束發射率

圖8展示來自由圖7之靜電光學器件所形成之射束的水平及垂直發射率圖案。模擬假設60 kV的源電位及－2 kV的抑制電位。圖展示當未施加透鏡偏壓時及當施加負的－2 kV 偏壓以便使射束垂直散焦時，在距萃取槽z＝40 cm處的射束發射率。當將透鏡偏壓至－2 kV的電位時，水平或分散性平面發射率保持相同，其指示垂直透鏡確實對射束之水平特性有可忽略的效應。在垂直平面中，當未施加透鏡電壓時，射束y焦距(射束在焦點處具有最小高度)為1.1 m。透鏡元件上之－2 kV的負偏壓使射束顯著散焦，因此焦距現為2.1 m，此係顯著的改變。

圖7之對切透鏡提供非常有效之方式來線性地且連續精細調諧離子束並經由分析器磁鐵將其正確地匹配於後面的射束線。圖8亦說明整合之萃取孔口透鏡在分散性(XZ)平面中對射束之最小效應。在此平面中，可藉由調整抑制電壓及萃取間隙來有效地控制發散，從而提供對射束之YZ及XZ平面聚焦之單獨控制。

圖9展示用於描述射束發射率之座標及向量定義。射束傳播軸與z軸一致，x軸確定射束之分散性/水平取向，且y軸確定射束之非分散性/垂直取向。v_x 、v_y 及v_z 分別為沿x軸、y軸及z軸的離子速度分量。αx及αy為射束xz及yz平面投影與z軸之間的角。

為了描述靜電透鏡對射束之效應，本發明者提供對射束發射率之描述。離子束發射率為描述離子束品質及離子光學性質的最重要參數。離子束粒子在六維相空間(x,p _x ,y,p _y ,z,p _z )中所佔用的被定義為體積，其中x 、y 及z 為射束粒子之空間座標，且p _x 、p _y 及p _z 為粒子沿空間座標軸之相應線性動量。

通常，不關注沿射束軸之縱向發射率投影而僅考慮兩個橫向發射平面(x ,p _x )及(y ,p _y )。在圖9中，展示速度向量定義。

在圖9中，α_x 及α_y 為x及y速度分量之發散角。射束方向經選擇為沿z軸。

本發明者考慮離子沿z軸之線性動量。其可寫為：

可按照發散角α_x 寫出梯度x'：

通常，V_x 遠小於V_z 且x'α_x 。在此情況下，射束發射率被定義為粒子在(x,x')及(y,y')平面中所佔用之面積。發射率圖案通常為具有半軸A及B的橢圓。於是由橢圓之面積給出發射率值(8)ε_x,y ＝πAB [mm－mrad ]

發射率橢圓取向指示射束為發散的、會聚的、平行的或聚焦的。在圖10中，對於此等情形之每一者展示了發射率橢圓。

在將橫向發射率定義為射束在(x,x')及(y,y')平面中所佔用之面積時，本發明者已忽略沿射束軸之離子束速度v_z 的效應。若v_z 增加，則射束發散且因此發射率將減小。藉由使用正規化之發射率ε _n 來消除此效應，其由下式給出： (9)ε _n ＝βγε

其中為射束軸向速度與光速的比，且

廣泛使用之發射率定義為均方根或RMS發射率。其由下式給出：

在報告測得之實驗室發射率值時，方程式(10)常常由4相乘，因為此給出良好地對應於適合測得之資料之橢圓之面積的發射率值。

圖9a展示所施加之透鏡元件電壓對垂直電場分量E_y 的效應，垂直電場分量E_y 為負責離子束在垂直平面中的聚焦及散焦的場。

負E_y 值愈大，將射束愈多地聚焦於垂直平面中。圖9a說明可由偏壓至僅＋2 kV之透鏡元件達成之非常強的聚焦效應，儘管射束能量最終能量為80 keV。若外部、獨立靜電透鏡可用於聚焦該射束，則可能必須使用與80 kV源電位相當之電壓以便達成射束聚焦。此係歸因於以下事實而可能：在整合之透鏡中，聚焦效應在射束穿過厚的萃取孔口板溝槽時發生，此時射束能量仍為低的，不管射束最終能量如何。藉由施加負偏壓電位於透鏡元件，所得E_y 值將為負，且其值比未施加偏壓的情況下小。此將導致射束在垂直平面中之散焦。

發射率橢圓取向

圖10中展示了描述二維相空間中之射束橫向發射率之可能取向的4個情況。情況1展示發散射束發射率橢圓，其自xx'座標系統之第三象限延伸至第一象限。情況2展示主要佔用第二象限及第四象限之會聚射束。情況3說明平行於z軸之射束。情況4展示在焦點處的射束。值得注意的是，在離子可具有零溫度時射束發射率迹線可為細線。事實上，離子將總是具有變化的量之熱能，其將作為橫向能量分量出現在射束發射率中，橫向能量分量使發射率圖案具有一些橫向尺寸，從而類似於橢圓而非細線。

圖11展示使用圖7中所展示之萃取光學器件對於6 keV及10 keV射束能量施加了透鏡偏壓及未施加透鏡偏壓的情況下，在距萃取槽40 cm處測得之垂直B₁₈ 射束輪廓。此等輪廓說明透鏡之聚焦/散焦效應。

透鏡元件上之正偏壓降低射束垂直高度，而負偏壓使射束更高。此說明了可能使用整合於簇型離子束萃取系統中之垂直透鏡來調諧射束垂直尺寸的方式。

圖12展示透鏡偏壓對經由分析器磁鐵所傳送之B₁₈ H_x ^＋射束電流的效應及由四方三合鏡、射束掃描器磁鐵及準直器磁鐵組成的射束線。透鏡偏壓提供可用於最佳化射束高度之連續調諧參數，其對於射束傳送有益且引起較高的傳送射束電流。此在簇型離子植入機中將尤其重要，該等簇型離子植入機可在自4 keV(0.2 keV硼當量)至80 keV(4 keV硼當量)keV射束能量的非常廣泛之能量帶中操作。

射束之垂直調諧亦將有益於植入操作，在植入操作中基於每一個別植入物之劑量要求而變化射束電流。晶圓上之射束電流之變化可為2個數量級般大，在此情況下，空間電荷效應及因此射束焦距將顯著變化。在分散性平面中，萃取間隙及抑制電壓可用於水平地匹配射束。在非分散性平面中，通常用於離子植入機光學器件中之萃取孔口板及抑制/接地插入物之固定曲率將適當匹配於僅特定的能量/射束電流範圍。整合之靜電透鏡將顯著加寬此範圍且將允許貫穿商業植入機系統之能量範圍及電流範圍的在非分散性平面中之射束輪廓的匹配。

20‧‧‧平坦部分

22‧‧‧溝槽部分

圖1為用於植入機中之傳統電漿離子源之示意圖。

圖2為典型離子植入機萃取系統在分散性平面中之橫截面，

圖3為離子植入機光學器件之非分散性平面橫截面。

圖4為新的簇型射束光學器件之示意圖。

圖5說明簇型離子束萃取系統之兩個變型及傳統萃取光學器件之兩個變型的分散性平面橫截面。

圖5a說明根據射束速度所繪製的橫向電場E_x 及空間電荷場E_PPC 。

圖5b為傳統皮爾斯型萃取幾何結構與本簇型離子束萃取系統之間的實驗比較。

圖6說明具有較小萃取孔口之簇型離子束萃取系統。

圖7說明簇型離子束萃取系統上之整合的垂直聚焦透鏡。

圖8為圖7之透鏡光學器件之模型化射束發射率圖。

圖9為用於描述射束發射率之座標及向量定義。

圖9a對於圖7中所展示之幾何結構說明在兩個不同y高度處的模型化橫向電場分量Ey。

圖10說明發射率橢圓取向。

圖11對於整合之垂直聚焦簇型離子束萃取系統說明測得之射束垂直輪廓。

圖12說明使用垂直聚焦簇型離子束萃取系統經由植入機射束線的所傳輸之射束電流。

(無元件符號說明)

Claims

一種用於自一離子源萃取離子之離子萃取系統，該離子萃取系統包含：一萃取孔口板電極，其形成一離子源之一離子化腔室之一壁，該萃取孔口板形成有一孔口，離子經由該孔口被傳送；一抑制電極，其安置於鄰近於該萃取孔口板處，該抑制電極形成有一孔口，離子經由該孔口被傳送，該抑制電極中之該孔口經組態以大致與該萃取孔口板中之該孔口對準；及一接地電極，其安置於鄰近於該萃取電極處，該接地電極形成有一孔口，該接地電極中之該孔口大致與該抑制電極及該萃取孔口板電極中之該等電極對準，其中該萃取孔口板電極中之該孔口經組態以最小化一簇型離子電流的過度聚焦。
如請求項1之離子萃取系統，其中該萃取孔口板電極中之該孔口形成有一自該孔口之上游邊緣開始的平坦部分。
如請求項2之離子萃取系統，其中該萃取孔口板電極中之該孔口形成有一鄰近於該平坦部分之溝槽部分。
如請求項3之離子萃取系統，其中該溝槽部分形成有一貫穿該萃取孔口板之厚度之均一角。
如請求項3之離子萃取系統，其中該溝槽部分形成有一貫穿該萃取孔口板之厚度之非均一角。
一種用於自一離子源萃取離子之離子萃取系統，該離子萃取系統包含：一萃取孔口板電極，其形成一離子源之一離子化腔室之一壁，該萃取孔口板形成有一孔口，離子經由該孔口被傳送；一抑制電極，其安置於鄰近於該萃取孔口板處，該抑制電極形成有一孔口，離子經由該孔口被傳送，該抑制電極中之該孔口大致與該萃取孔口板電極中之該孔口對準；及一接地電極，其安置於鄰近於該抑制電極處，該接地電極形成有一孔口，該接地電極中之該孔口大致與該抑制電極及該萃取孔口板電極中之該等電極對準，其中該萃取孔口板電極形成有上部板、下部板及一包括一萃取孔口之主板，該上部板、該下部板及該主板彼此電絕緣，該上部部分及該下部部分經調適以接收用於聚焦該離子束之電偏壓。
如請求項6之離子萃取系統，其中該偏壓具有相同極性。
如請求項7之離子萃取系統，其中該偏壓具有一正極性。
如請求項7之離子萃取系統，其中該偏壓具有一負極性。