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TWI699815B - 離子植入機 - Google Patents

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TWI699815B
TWI699815B TW107112744A TW107112744A TWI699815B TW I699815 B TWI699815 B TW I699815B TW 107112744 A TW107112744 A TW 107112744A TW 107112744 A TW107112744 A TW 107112744A TW I699815 B TWI699815 B TW I699815B
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TW
Taiwan
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chamber
ion
electrode
analysis magnet
ion source
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TW201917766A (zh
Inventor
薩米Ｋ 哈托
喬治 沙科
Original Assignee
日商日新離子機器股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種離子源，其包括：氣體源，用於供應氣體：以及電離室，其界定延伸穿過該電離室的縱軸且包括沿著該電離室之側壁的出口孔。該離子源也包括在該電離室之該出口孔處的一或多個引出電極，其用於從該電離室引出形式為離子束的離子。該等引出電極中之至少一者包含在該至少一引出電極中形成複數個狹縫的一離散桿集合，以便能夠進行下列操作之至少一者：增加該離子束的電流或控制該離子束從該電離室引出的角度。該離散桿集合中的各桿與該電離室之該縱軸平行。

Description

離子植入機
本發明大致關於數種離子源，特別是關於經調適成產生有低能量及高劑量之離子束的數種離子源。
離子植入一直是半導體裝置製造的關鍵技術且當前使用於許多製程，包括製造電晶體中的p-n接面，特別是例如記憶體及邏輯晶片之CMOS裝置的電晶體。
藉由產生含有在矽基板中製造電晶體所需之摻雜劑元素的帶正電離子，離子植入機(ion implanter)可選擇性地控制引進電晶體結構的能量(從而控制植入深度)與離子電流(從而控制劑量)兩者。
第1圖圖示習知先前技術的離子植入機100。在操作時，離子源110產生的電漿離子可用靜電光學器件(未圖示)引出以產生能量範圍在數keV到約100keV之間的高能離子束112。離子束112由位於離子源110下游且在其外的質量分析磁鐵120輸送及聚焦。質量分析磁鐵120經組配成可根據其質量電荷比來空間分離或分散離子物種。一旦被空間分離，離子束112會被在質量分析磁鐵120下游且在其外的質量解析孔(MRA)或質量解析狹縫(MRS)122阻擋。MRS 122包括細長狹槽，致使只有不被此狹槽阻擋的離子在植入機中傳輸到下游，其中離子束112係被加速器124加速到所欲能量且最終撞擊上處理基板(workpiece)126而以選定離子進行植入。處理基板126可位在處理室(target chamber)128內。與此一習知離子植入機100相關的缺點是，它具有相對大的尺寸(亦即，佔用面積)，因此在操作上需要相當大的設施。此外，離子植入機100在實際的總處理量上無法達到例如1keV E16之高劑量的植入。即使當今有些離子植入系統理論上可達到此高劑量，然而這些系統需要實作上不切實際的純物種與純能量。因此，極須一種有更小型化的設計且能夠產生相對低能量及高劑量離子束輪廓的改良離子植入機。
在一些具體實施例中，本發明提供一種改良離子植入機，其具有定位及安裝在質量分析磁鐵(mass analyzer magnet)之內側的離子源，其中該質量分析磁鐵的磁場係用來在該離子源中產生電漿。在一些具體實施例中，在該質量分析磁鐵之內側也安裝有質量解析狹縫。本發明進一步提供一種改良離子源，其能夠產生一種帶狀束(ribbon beam)，其具有高電流及可控制之離子束引出角度。因此，本發明的系統能夠產生可輸送比習知離子植入機(例如，第1圖之離子植入機100)高之束電流的縮短離子束。
在一方面，提供一種離子植入機。該離子 植入機包括：離子源，其經組配成可產生離子束；以及分析磁鐵，其界定具有磁場在其中之腔室。該腔室提供在該腔室之第一端、第二端之間的一曲線路徑(curved path)。該離子源以鄰近該第一端的方式設置於該分析磁鐵之該腔室內。該分析磁鐵經組配成可使來自該離子源的該離子束在該腔室內沿著該曲線路徑彎曲以在該離子源沈浸入該分析磁鐵的磁場時空間分離在該離子束中的一或多個離子物種。
在一些具體實施例中，該離子植入機的該離子源包含設置在該分析磁鐵之該腔室中的一或多個引出電極(extraction electrode)，用於引出來自該離子源的該離子束。該等引出電極中之至少一者包含在該至少一引出電極中形成複數個狹縫的一離散桿集合。
在一些具體實施例中，該分析磁鐵之該腔室包含一頂壁、一底壁及複數個側壁。該頂壁、該底壁及該等側壁各自在該第一端與該第二端之間延伸以共同定義該曲線路徑。該腔室的該頂壁、該底壁及該等側壁中之至少一者可包含一埠，其經組配成可收容該離子源，以安裝於該分析磁鐵內。
在另一方面，提供一種離子源。該離子源包括用於供應氣體的氣體源，以及電離室(ionization chamber)，其界定延伸穿過該電離室的縱軸且包括沿著該電離室之側壁的出口孔。該電離室係調適成從該氣體形成電漿。該電漿產生複數個離子。該離子源也包括在該電離室之該出口 孔處的一或多個引出電極，其用於從該電離室引出形式為離子束的該等複數個離子。該等引出電極中之至少一者包含在該至少一引出電極中形成複數個狹縫的離散桿集合，以便能夠進行下列操作之至少一者：增加該離子束的電流或控制該離子束從該電離室引出的角度。該離散桿集合中的各桿與該電離室之該縱軸平行。該電離室可呈細長狀且該縱軸可沿著該電離室的細長長度延伸。
在一些具體實施例中，該離子源之該離子束被提供給包含腔室的分析磁鐵，該腔室界定在第一端與第二端之間的一曲線路徑。該離子源可以鄰近該第一端的方式位於該分析磁鐵外。在一些具體實施例中，磁性聚焦透鏡以鄰近該第二端的方式設置在該分析磁鐵之該腔室之外側。在一些具體實施例中，第二磁性聚焦透鏡以鄰近該第一端的方式設置在該分析磁鐵之該腔室之外側。在一些具體實施例中，質量解析狹縫位在該第一磁性聚焦透鏡與該第二磁性聚焦透鏡之間。
上述方面中之任一者可包括以下特徵中之一或多個。在一些具體實施例中，用於該至少一引出電極的該離散桿集合中之各桿的一端可固定，以及該離散桿集合中之各桿的另一端可滑動。在一些具體實施例中，該等桿中之每一者的橫截面為方形。在一些具體實施例中，該一或多個引出電極包括一電漿電極。該離散桿集合中用於該電漿電極的各桿之橫截面與離散桿集合中用於另一引出電極的各桿之橫截面有一角度。角度可約為45度。
在一些具體實施例中，該一或多個引出電極中之至少一者經組配成可實體接觸被連接至該分析磁鐵之該腔室的導電彈性構件，該導電彈性構件經組配成可設定該至少一電極的電壓。該至少一電極可為抑制電極(suppression electrode)或拉提電極(puller electrode)。
在一些具體實施例中，該一或多個引出電極中之至少一者經組配成可實體接觸被連接至該分析磁鐵之該腔室的導電桿。該導電桿經組配成可設定該至少一電極的電壓。該至少一電極可為抑制電極與拉提電極。在一些具體實施例中，該導電桿的第一端與該至少一電極實體接觸，以及該導電桿的第二端與彈簧總成連通，該彈簧總成經組配成藉由經由該導電桿施加力於該至少一電極上而調整該至少一電極的位置。
在一些具體實施例中，該離子植入機進一步包含以鄰近該第二端的方式設置在該分析磁鐵之該腔室之內側的質量解析狹縫。在一些具體實施例中，該離子植入機進一步包含磁性聚焦透鏡，磁性聚焦透鏡具有設置在該分析磁鐵之該腔室之外側的至少一部份。該磁性聚焦透鏡經組配成：在該離子束穿過該質量解析狹縫後，可在一非分散平面(non-dispersive plane)中聚焦(focus)、散焦(defocus)或擺動(wiggle)該離子束。
在一些具體實施例中，該磁性聚焦透鏡包含有一對上磁性線圈的上區與有一對下磁性線圈的下區。在一些具體實施例中，該分析磁鐵之該腔室界定一曲線中 央束軸，且該腔室與該曲線中央束軸垂直的寬度沿著該曲線中央束軸改變，致使該第一端的寬度大於該第二端的寬度。該磁性聚焦透鏡鄰近該較窄的第二端。在一些具體實施例中，該上磁性線圈對或該下磁性線圈對的外加電流(applied current)或磁場方向中之至少一者可經調整以提供聚焦、散焦或擺動功能。
從以下結合附圖僅以舉例來說明本發明之原理的詳細說明可明白本發明的其他方面及優點。
100‧‧‧習知離子植入機、離子植入機
110‧‧‧離子源
112‧‧‧高能離子束、離子束
120‧‧‧質量分析磁鐵、分析磁鐵
122‧‧‧質量解析孔(MRA)或質量解析狹縫(MRS)
124‧‧‧加速器
126‧‧‧處理基板
128‧‧‧處理室
200‧‧‧離子植入機
202‧‧‧分析磁鐵
203‧‧‧角度
204‧‧‧腔室、分析磁鐵腔室
206‧‧‧第一端/入口端、入口側
208‧‧‧第二端/出口端、出口側
210‧‧‧離子源
212‧‧‧質量解析狹縫(MRS)
214‧‧‧聚焦透鏡、透鏡
220‧‧‧曲線中央束軸、中央束軸
222‧‧‧束減速及能量過濾器
302‧‧‧電離室
304‧‧‧電子槍
310‧‧‧氣體入口
312‧‧‧質量流動控制器(MFC)
314‧‧‧氣體源
316‧‧‧高能離子束、離子束
318‧‧‧縱軸、縱向
320‧‧‧引出系統
340‧‧‧離子源腔室
402‧‧‧接地電極
404‧‧‧抑制電極
406‧‧‧拉提電極
408‧‧‧電漿電極
410‧‧‧矩形框架、框架、電極框架
412‧‧‧凹形矩形開口、矩形開口、居中開口
414‧‧‧離散桿、桿
416‧‧‧狹縫
418、418a、418b‧‧‧桿414的末端
502‧‧‧開放凹槽、凹槽
504‧‧‧封閉凹槽、第二凹槽、凹槽
602‧‧‧升降機
604‧‧‧底部埠
606‧‧‧渦輪泵
608‧‧‧工具頂蓋
610‧‧‧吊重起重機
612‧‧‧頂部埠
614‧‧‧安裝凸緣
616‧‧‧側面埠
618a、618b‧‧‧磁性線圈
620‧‧‧升降機
700‧‧‧偏壓總成
702‧‧‧彈性導電構件
704‧‧‧電壓饋通總成、饋通總成
708‧‧‧側壁、壁
800‧‧‧偏壓總成
802‧‧‧導電桿、桿
806a‧‧‧近端
806b‧‧‧遠端
808‧‧‧絕緣引導管
810‧‧‧孔
812‧‧‧彈性構件
902‧‧‧上磁性線圈對、上線圈對、線圈對
904、906、910、912‧‧‧磁性線圈、線圈
908‧‧‧下磁性線圈對、下線圈對、線圈對
914、916‧‧‧間隙
920‧‧‧中央束軸
1302‧‧‧分析磁鐵
1306‧‧‧第一端
1310‧‧‧離子源
1311‧‧‧真空離子源腔室、離子源腔室
1312‧‧‧MRS
1314‧‧‧聚焦透鏡、聚焦透鏡集合
1322‧‧‧束減速及能量過濾器
1324‧‧‧聚焦透鏡、聚焦透鏡集合、第二聚焦透鏡集合
A、B‧‧‧角度
B1、B2‧‧‧磁場
L‧‧‧矩形開口412沿著y方向的長度
L1‧‧‧上磁性線圈對902
L2‧‧‧下磁性線圈對908
W‧‧‧寬度
參考以下結合附圖的說明可更加明白上述技術的優點以及其他的優點。附圖不一定按比例繪製，反而在圖解說明技術原理時大體加以強調。
第1圖為習知先前技術離子植入機的示意圖。
第2a圖及第2b圖的透視圖及上視圖係根據本發明之一些具體實施例各自圖示例示性離子植入機的一部份。
第3圖的例示性結構圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第2a圖及第2b圖之離子植入機的離子源。
第4a圖及第4b圖的上視圖及剖面圖係根據本發明之一些具體實施例各自圖示第2a圖及第2b圖離子源之引出系統的例示性組態。
第5圖係根據本發明之一些具體實施例圖 示第4a圖及第4b圖之引出電極的電極框架，其經組配成可固定式地卡合(fixedly engage)一桿之一端且可滑動式地卡合(slidably engage)該桿之另一端。
第6a圖至第6c圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第2a圖及第2b圖之離子植入機的例示性實作，其經組配成分別在分析磁鐵的底壁、頂壁及側壁收容離子源及自其卸下離子源。
第7圖係根據本發明之一些具體實施例圖示例示性偏壓總成，其用於偏壓在第2a圖及第2b圖離子植入機之分析磁鐵的內側的離子源的引出電極。
第8圖係根據本發明之一些具體實施例圖示另一例示性偏壓總成，其用於偏壓在第2a圖及第2b圖離子植入機之分析磁鐵的內側之離子源的引出電極。
第9圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第2a圖及第2b圖離子植入機之聚焦透鏡的例示性組態。
第10圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第9圖聚焦透鏡用於聚焦入射離子束的組態。
第11圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第9圖聚焦透鏡用於散焦入射離子束的組態。
第12a圖及第12b圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第9圖聚焦透鏡用於擺動入射離子束的組態。
第13圖係根據本發明之一些具體實施例圖示另一例示性離子植入機的組態，其中離子源位在分析磁 鐵之外側。
第2a圖及第2b圖的透視圖及上視圖根據本發明之一些具體實施例各自圖示例示性離子植入機200的一部份。如圖示，離子植入機200包括分析磁鐵202，其界定暴露於其中之磁場的腔室204。分析磁鐵202的腔室204提供在第一端206、第二端208之間沿著曲線中央束軸(curved central beam axis)220的曲線束徑(curved beam path)。例如，分析磁鐵202的腔室204可包括底壁、頂壁與在第一端206、第二端208之間延伸以界定曲線路徑的多個側壁。在分析磁鐵202入口附近的第一端206為腔室204相對於離子束流的上游端。在分析磁鐵202之出口附近的第二端208為腔室204相對於離子束流的下游端。在一些具體實施例中，曲線路徑的角度203約為40度。在一些具體實施例中，腔室204與曲線中央束軸220垂直的寬度沿著曲線中央束軸220改變致使第一端206的寬度大於第二端208的寬度。
在第2b圖的具體實施例中，離子源210以鄰近第一端206的方式設置在分析磁鐵202的腔室204內，其中離子源210經組配成可產生離子束。具體言之，離子源210的引出系統320從離子源210的電離室302引出離子束用於傳播通過分析磁鐵腔室204。在替代具體實施例中，離子源210以鄰近第一端206的方式設置在分析磁鐵202的外側。分析磁鐵202經組配成可使來自離子源 210(位於腔室204內或者是在腔室204外側)的離子束沿著曲線路徑從第一端206到第二端208彎曲以空間分離離子束中的一或多個離子物種。一般而言，離子源210或質量解析狹縫(MRS)212中之至少一者位在分析磁鐵202的腔室204內。
在離子源210位於分析磁鐵腔室204內側的第2b圖具體實施例中，離子源210實質沈浸在分析磁鐵202的磁場中，致使離子源210的磁場與分析磁鐵202的磁場共享。此共享磁場不但經調適成在離子束離開離子源210時用來使離子束沿著曲線路徑彎曲，也用作為離子源210的外部磁場而用於在離子源210中產生電漿。例如，共享磁場可捕捉由離子源210(例如，離子源210的電子槍)射出的電離電子，使射出電子的壽命延長，使電子與摻雜劑氣體分子碰撞的機率增加，以及使離子源210產生電漿的效率改善。一般而言，分析磁鐵202之腔室204中的磁場可實質呈均勻及/或實質沿著垂直方向(亦即，沿著如第2a圖所示的y軸)。該磁場可有約500高斯(G)至約600G的強度。在一些具體實施例中，可調整磁場的強度。例如，腔室204的一或多個區段可用鋼屏蔽物屏蔽以降低它的磁性強度。
可將離子源210組配成可產生離子束供輸送通過分析磁鐵202到植入離子束於例如半導體晶圓中的離子植入腔室(未圖示)。在一些具體實施例中，離子源210大體類似描述於美國專利第8,994,272號的離子源，其係 屬於本申請案的專利權受讓人且全部併入本文作為參考資料。第3圖的例示性結構圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第2a圖及第2b圖之離子植入機200的離子源210。如圖示，離子源210包括電離室302，其界定在電離室302之長維度方向(long dimension)上之縱軸318。具體言之，電離室302可呈細長狀，而縱軸318係沿著電離室302的細長長度延伸。離子源210可包括氣體輸送系統，其包含經組配成可引導及控制氣體材料從氣體源314引進到電離室302中的複數個氣體入口310與複數個質量流動控制器(MFC)312。在電離室302中，主要電漿從氣體分子形成，這些氣體分子係藉由以位在電離室302相反兩側的一對電子槍304產生之電子束所由來的電子衝擊而被離子化。在一些具體實施例中，電子槍304也可引進附加離子於電離室302中。經由引出孔(未圖示)可引出電離室302中的離子且使用引出系統320形成高能離子束316。縱軸318可與離子束316的傳播方向實質垂直。
一般而言，電離室302可具有在縱向318比在x軸之橫向長的矩形形狀。例如，電離室302也可具有其他形狀，例如圓柱形。電離室302沿著縱向318的長度可約有450毫米。引出孔(未圖示)可位在電離室302的細長側上同時每個電子槍304各自位在細長側的兩端。引出孔可沿著電離室302的長度延伸，例如約450毫米長。
第4a圖及第4b圖的上視圖及剖面圖根據本發明之一些具體實施例各自圖示第2a圖及第2b圖離子源 210之引出系統320的例示性組態。若離子源210位在分析磁鐵腔室204中，則引出系統320可位在分析磁鐵腔室204中，且引出系統320包括一或多個引出電極，例如接地電極402、抑制電極(suppression electrode)404、拉提電極(puller electrode)406及電漿電極408。這些引出電極可藉由絕緣材料互相隔開(例如，分開5毫米)且沿著離子束傳播方向(亦即，z軸)實質互相平行。如圖示，電漿電極408最靠近電離室302，接著是拉提電極406、抑制電極404及接地電極402。各電極的形狀大體為矩形，其在長維度方向的長度平行於電離室302的縱軸318(亦即，沿著所標示的y軸)。各電極的長度(亦即，沿著y軸)可與電離室302的長度實質相同。
為了引出來自電離室302的離子以及測定植入離子的能量，離子源210係藉由電源供應器(source power supply，未圖示)而被保持在相對高的正電源電壓，例如在1kV與80kV之間。在一些具體實施例中，電漿電極408電氣連接至電離室302且可施加偏壓於電漿電極408，致使電漿電極408的電位與電離室302的電位相同。該偏壓係調適成影響在電離室302內產生之電漿的特性，例如電漿電位、離子的滯留時間、及/或離子物種在電漿內的相對擴散性質。使用一或多個附加電極來增加引出效率且改善離子束的聚焦。引出電極可保持在不同的電位。在一些具體實施例中，接地電極402保持在端子電位(terminal potential)，除非在某些植入系統之情況中希望使端子在接地電位下浮接，否則該端子電位係接地。抑制電極404相對於接地電極402有負偏壓，例如約-5kV，以排斥或抑制不想要的電子，否則當產生帶正電離子束時該等不想要的電子會被吸引到正偏壓離子源210。拉提電極406相對於接地電極402有正偏壓，例如約20kV。電漿電極408相對於接地電極402有例如在約20kV至25kV之間的正偏壓。一般而言，為了產生用於特定植入製程的所欲離子束，這些電極可在寬廣的電壓範圍內運作以優化效能。
如第4b圖所示，各引出電極包括矩形框架410，其具有位在框架410中央的凹形矩形開口412。在凹形矩形開口412中以離散間隔安置多個離散桿414(例如，2個桿)，致使它們在離子束流通過的矩形開口412中形成多個狹縫(例如，2個桿有3個狹縫)。參照第3圖及第4b圖，這些桿414各自沿著各電極的長度實質延伸因而實質平行於電離室302的縱軸318。同樣，參照第3圖及第4a圖，狹縫416各自沿著各電極的長度實質延伸且實質平行於電離室302的縱軸318。因此，離子源210的引出系統320經調適成可產生多個長束段(long beam segment)用於沿著z軸傳播，而該等束段係沿著y軸平行。引出電極的這些桿414及狹縫416係增強引出離子束之角度的可控制性，同時維持引出離子束的電流位準。具體言之，雖然大引出孔可使從電離室302引出的離子數量增加(因此產生與所得離子束相關的較高電流)，然而大引出孔也會在離子束引出角度的控制上產生難題。引出電極的桿414及狹縫416藉由優化離子束的電流效率(current yield)與離子束引出角度的可控制性兩者來平衡這兩個考量。
在一些具體實施例中，桿414及狹縫416在框架410之矩形開口412內的位置及大小係在該等電極中實質相同。在一例示性組態中，矩形開口412沿著x軸的寬度(W)約為13毫米且矩形開口412沿著y方向的長度(L)約為450毫米。在一些具體實施例中，各桿414由石墨及/或鎢製成。
如第4b圖所示，針對給定的引出電極而言，各桿414的兩端418係附接至電極的框架410。桿414的一端418可固定於框架410，而另一端418可相對於框架410滑動。例如，桿414的滑動端418在附接至框架410時可膨脹或收縮(例如，沿著框架410的長度)。
第5圖根據本發明之一些具體實施例圖示第4a圖及第4b圖之引出電極的電極框架410，其經組配成可固定式地卡合桿414的一端418a且滑動式地卡合桿414的另一端418b。如以上所解釋者，電極框架410包括供桿414放在其內的居中開口412。桿414經調適成沿著電極框架410的長度縱向延伸。桿414的第一端418a經調適成鬆鬆地放進電極框架410上的開放凹槽502，其中開放凹槽502的寬度A大於桿414的寬度以便允許第一端418a沿著框架410的長度縱向滑動(例如，膨脹或收縮)。桿414的另一端418b經調適成緊緊地放進電極框架410上的封閉凹槽504，其中第二凹槽504的寬度B實質等於或稍微大於桿414的寬度。因此，開放凹槽502的寬度A 大於封閉凹槽504的寬度B以允許在桿414的第一端418a有更多的移動。因為桿414容易在離子源操作期間由於離子源210產生大量的熱而膨脹，故此設計為有利者。在替代具體實施例中，將凹槽502及504兩者封閉以在兩端418a、418b固定式地卡合桿414。雖然第5圖的引出電極具體實施例只圖示一個桿414，惟額外的離散桿可位在電極框架410內，例如兩個或多個桿414。
在一些具體實施例中，桿414的橫截面為矩形(例如，方形)，在這種情形下，凹槽502、504的橫截面也為矩形(例如，方形)以容納桿414且使它們固定於框架410。在一些具體實施例中，桿414的橫截面為有點梯形，在這種情形下，凹槽502、504的橫截面同樣為梯形以容納桿414且使它們固定於框架410。具體言之，凹槽502、504之梯形橫截面的短底位在框架410的表面同時凹槽502、504之梯形橫截面的長底在框架410內以便藉由防止桿414掉出框架410，以更好地保持桿414。桿414及凹槽502、504也可為其他橫截面形狀，例如圓形橫截面。
在一些具體實施例中，離散桿集合中用於電漿電極408的各桿414之橫截面與用於其他引出電極的各桿之橫截面有一角度，如第4a圖所示。該角度可約為45度。用於電漿電極408之桿414的轉向(rotated orientation)經調適成平衡及優化數個因子，包括電極的強度、離子束電流、與引出離子束的品質。
在另一方面，離子源210可用許多方式裝 入分析磁鐵202。第6a圖至第6c圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第2a圖及第2b圖之離子植入機200的例示性實作，其經組配成分別在分析磁鐵202的底壁、頂壁及側壁收容離子源210及自其卸下離子源210。如第6a圖所示，離子源210裝在升降機602上，接著經由位在分析磁鐵202之底壁上的底部埠(bottom port)604，安裝離子源210於分析磁鐵202中或自其移出離子源210。底部埠604鄰近分析磁鐵202的入口端206。在操作時，升降機602經調適成沿著y軸垂直地平移以經由底部埠604安裝離子源210於分析磁鐵202中或自其移出離子源210。這種底部安裝及移除組態的優點是，防止碎片掉進分析磁鐵202的渦輪泵606。
或者，如第6b圖所示，離子源210經由吊重起重機(hoist crane)610附接至工具頂蓋(tool roof)608，接著經由位在分析磁鐵202之頂壁上的頂部埠612將離子源210安裝於分析磁鐵202中或自其移出離子源210。頂部埠612鄰近分析磁鐵202的入口端206。具體言之，固定於工具頂蓋608的吊重起重機610經調適成沿著y軸垂直地平移以經由頂部埠612將離子源210安裝於分析磁鐵202中或自其移出離子源210。在一些具體實施例中，可使用與第6a圖之升降機602類似的升降機620來定位離子源210，以便在吊重起重機610從手動升降機(hand lifter)602升高離子源210且安裝離子源210於分析磁鐵202中之前與吊重起重機610正確地對齊。
或者，如第6c圖所示，離子源210裝在可縮回的安裝凸緣614上，接著是經由分析磁鐵202側壁上的側面埠(side port)616將離子源210安裝於分析磁鐵202中或自其移出離子源210。例如，側面埠616可位在分析磁鐵202之第一/入口端206所在的側壁上。在操作時，安裝凸緣614經調適成沿著z軸(亦即，離子束的傳播方向)橫向平移以經由側面埠616將離子源210安裝於分析磁鐵202中或自其移出離子源210。在一些具體實施例中，安裝凸緣614與側面埠616的形狀實質為矩形。在離子源210裝入腔室204後，安裝凸緣614可變成分析磁鐵腔室204的一部份。例如，安裝凸緣614可附接至分析磁鐵腔室204的外表面以在離子源210位於腔室204內側時密封側面埠616。一般而言，由於離子源210是從分析磁鐵202的側面裝上，所以此配置並不干擾纏繞於分析磁鐵腔室204之外頂面及底面的磁性線圈。因此，如第6c圖圖示，分析磁鐵202的入口側206及出口側208兩者各自可被有習知馬鞍形狀的磁性線圈618a、618b包圍。相比之下，關於第6a圖及第6b圖的分析磁鐵組態，只有在出口側208的磁性線圈有習知馬鞍形狀。
在一些具體實施例中，將離子源210安裝至分析磁鐵202中的操作可自動化成第6a圖至第6c圖的頂部、底部或側面安裝組態中之任一者。例如，與離子源210之位置及用以輸送離子源210之設備(例如，升降機602、工具頂蓋608、吊重起重機610、安裝凸緣614等等) 之位置有關的定位資料可編入電腦數值控制器(CNC)且由其追蹤以便自動控制安裝過程。也可用手動操作輸送設備來把離子源210裝入分析磁鐵202。
在另一方面，在離子源210位於腔室204內側時，提供一或多個電壓偏壓總成(biasing assembly)以偏壓在分析磁鐵202腔室204之外側之離子源210引出系統320中的一或多個電極。第7圖係根據本發明之一些具體實施例圖示例示性偏壓總成700，其用於偏壓位在第2a圖及第2b圖離子植入機200之分析磁鐵202內側之離子源210的引出電極。在一些具體實施例中，此偏壓總成700與圖示於第6c圖之分析磁鐵202的側面安裝設計相容。亦即，在離子源210經由側面埠616裝入分析磁鐵202時，可使用此偏壓總成700。偏壓總成700包括設置在分析磁鐵腔室204之內側的彈性導電構件702(例如，導電彈簧)。彈性導電構件702的一端經組配成可實體接觸引出電極(例如，抑制電極404或拉提電極406)的框架410。彈性導電構件702的另一端連接至穿設於分析磁鐵腔室204之側壁708的電壓饋通總成(voltage feedthrough assembly)704。操作員可在壁708外側調整電壓饋通總成704以經由彈性導電構件702提供有所欲量的電壓給在分析磁鐵腔室204內側的接通引出電極(亦即，抑制電極404或拉提電極406)。
在一些具體實施例中，如果彈性導電構件702沿著x軸延伸，則經組配成可連接至彈性導電構件702 之引出電極的框架410在x軸上有比其他電極框架之寬度長的寬度(w)，以利連接至彈性導電構件702。具體言之，由於引出系統320中的電極沿著安裝方向(亦即，z軸)重疊，所以增加所意欲之電極的x尺寸會確保彈性導電構件702只與所意欲之電極實體接觸。不過，如果彈性導電構件702位在分析磁鐵腔室204的頂棚或底板上且沿著y軸延伸，則不需要放大所意欲之電極的尺寸，在這種情形下，如第6a圖及第6b圖的安裝設置所示，例如，離子源210在沿著y軸的方向安裝。
在一些具體實施例中，兩個偏壓總成用來同時偏壓抑制電極404與拉提電極406兩者。因此，一彈性導電構件702可連接至抑制電極404同時另一彈性導電構件(未圖示)可連接至拉提電極406。這些彈性導電構件不需要位在分析磁鐵腔室204的同一側。例如，在偏壓總成700的彈性導電構件702如圖示可位在右側壁708時，另一偏壓總成(未圖示)的彈性導電構件可位在腔室204的左側壁，甚至腔室204的頂壁或底壁。
第8圖係根據本發明之一些具體實施例圖示另一例示性偏壓總成800，其用於偏壓位在第2a圖及第2b圖離子植入機200之分析磁鐵202內側之離子源210的引出電極。在一些具體實施例中，此偏壓總成800與圖示於第6c圖之分析磁鐵202的側面安裝設計相容。亦即，當離子源210在z軸方向經由側面埠616裝入分析磁鐵202時，可使用此偏壓總成800。偏壓總成800包括設置在分 析磁鐵腔室204內側的導電桿802(例如，由不鏽鋼製成者)。導電桿802有近端806a，其經組配成可實體接觸在腔室204內側的引出電極(例如，抑制電極404或拉提電極406)之框架410。導電桿802的遠端806b連接至電壓饋通總成804，其穿設於分析磁鐵腔室204在第一/入口端206處之側壁(例如，穿過覆蓋側面埠616的安裝凸緣614)。因此，導電桿802沿著分析磁鐵202的z軸延伸。操作員可在分析磁鐵腔室204外調整電壓饋通總成804以經由導電桿802提供所欲量的電壓給在腔室204內側的接通引出電極(亦即，抑制電極404或拉提電極406)。在一些具體實施例中，導電桿802被絕緣材料包圍(例如，放在氧化鋁導管內側)，致使只有桿802的兩端806a、806b被電氣暴露。
在一些具體實施例中，導電桿802係藉由延伸穿過在被它經過的每個其他電極上的孔而抵達所意欲之電極。例如，如第8圖所示，為了實體接觸拉提電極406，導電桿802穿過在電漿電極408之框架410上的孔810。由於導電桿802被絕緣引導管808包圍，所以導電桿802在穿過孔810時與電漿電極408絕緣且只對於拉提電極406為導電者。
在一些具體實施例中，彈性構件(例如，彈簧)812位於分析磁鐵腔室204內部。彈性構件812維持與位於腔室204內側之導電桿802的遠端806b實體接觸，致使彈性構件812在z軸方向對導電桿802施力。此力將導電桿802推抵引出電極，以確保導電桿802維持與電極實 體接觸。具體言之，在例如將引出系統320組裝於電離室302中之後，所意欲之引出電極與導電桿802之間的實體接觸可能不一致。如果發生此情形，則不可能經由導電桿802來施加電壓於引出系統320的引出電極。因此，彈性構件812係確保導電桿802與所意欲之引出電極有正確的定位，以便維持良好的電氣連接以供設定電壓至電極。具體言之，彈性構件812確保在操作員組裝引出系統320於離子源腔室340中時自動地維持所意欲之電極與導電桿802之間的實體接觸。
一般而言，這些電壓偏壓總成700、800有助於維護裝在離子源腔室340內的離子源210。例如，藉由使用第7圖之偏壓總成700的彈性導電構件702，或第8圖之偏壓總成800的導電桿802來建立對於離子源210的某些連接，且允許在離子源腔室340及/或分析磁鐵腔室204外調整這些連接或在安裝後自動調整，則操作員不再需要為了維護而進入離子源腔室340。具體言之，藉由將拉提電極406或抑制電極404中之至少一者與電壓偏壓總成700或800連接，在不進入離子源腔室340的情形下可設定各電極的電壓。因此，相較於習知離子源，可縮減離子源腔室340的尺寸。
繼續參考第2a圖及第2b圖，在一些具體實施例中，分析磁鐵202包括鄰近第二/出口端208而位於分析磁鐵腔室204內的質量解析狹縫(MRS)212。如圖示，MRS 212位於在離子源210下游的分析磁鐵腔室204中。 使MRS 212位在分析磁鐵202內側的優點之一是，相較於習知離子植入機(例如，第1圖的離子植入機100)，從離子源210到處理基板(未圖示)的束徑變短，其中MRS 122是安置在分析磁鐵120外。
在一些具體實施例中，分析磁鐵202包括一或多個聚焦透鏡214，聚焦透鏡至少有一部份位在鄰近可比第一/入口端206窄之第二/出口端208的分析磁鐵腔室204外側。例如，一或多個聚焦透鏡214可全部在第二端208外側。具體言之，聚焦透鏡214的至少一部份安置在MRS 212之下游的分析磁鐵腔室204外側以在非分散平面中聚焦、散焦或擺動來自MRS 212的離子束。一般而言，分散平面被定義為離子束被分析磁鐵偏轉的平面。
第9圖係根據本發明之一些具體實施例圖示第2a圖及第2b圖的離子植入機200之聚焦透鏡214的例示性組態。聚焦透鏡214包含上區，上區包括具有一對磁性線圈904、906的上磁性線圈對902，該對磁性線圈904、906在x方向互相對立且在y方向實質覆蓋離子束之上半部。聚焦透鏡214也包含下區，下區包括具有一對磁性線圈910、912的下磁性線圈對908，該對磁性線圈910、912在x方向互相對立且在y方向實質覆蓋離子束之下半部。上磁性線圈904、906串聯連接且用直流電源(未圖示)激發以產生沿著x方向的磁場B1，如第9圖所示。下磁性線圈910、912串聯連接且用直流電源(未圖示)激發以產生沿著x方向但與磁場B1相反的磁場B2，如第9圖所示。 在替代具體實施例中，同一個電源用來激發上、下磁性線圈對902、908兩者。在聚焦透鏡214中，磁場B1、B2互相對立且各自在上磁性線圈對902的間隙914和下磁性線圈對908的間隙916中產生。離子束適合在間隙914、916沿著z方向傳播。在一些具體實施例中，上、下磁性線圈對902、908不使用鋼磁軛(steel yoke)以免擾亂分析磁鐵202的磁場。
在一些具體實施例中，獨立調整上磁性線圈對902及/或下磁性線圈對908的物理及/或電氣參數以聚焦、散焦或擺動在y方向的離子束。例如，可獨立調整上磁性線圈對902的長度(L1)與下磁性線圈對908的長度(L2)或施加至該對902、908的電流量及/或方向以聚焦、散焦或擺動在y方向的離子束。在一些具體實施例中，線圈對902或908的電流流動及/或捲繞方向決定所產生之磁場B1、B2的方向，這決定離子束的偏轉方向(亦即，發散離開或收歛靠近中央束軸220)。在一些具體實施例中，施加至線圈對902或908的電流量決定發散或收歛的程度。
第10圖係根據本發明之一些具體實施例圖示聚焦透鏡214的組態，其用於聚焦在y方向的入射離子束致使外出離子束相較於入射離子束是在y方向收歛。在一些具體實施例中，施加至上、下磁性線圈對902、908的電流約有相同的數量，這造成離子束在離子束行進穿過聚焦透鏡214時朝向中央束軸220在y方向對稱地彎曲。在一些具體實施例中，由上磁性線圈對902所致的收歛角 度(角度A)與由下磁性線圈對908所致的收歛角度(角度B)實質相同。在一些具體實施例中，入射離子束與外出離子束的中央束軸220仍然相同。操作透鏡214以聚焦入射離子束係提供對離子束之傳播角度的控制，此可用來例如把發散入射離子束改變成平行外出束。
第11圖係根據本發明之一些具體實施例圖示聚焦透鏡214的組態，其用於散焦在y方向的入射離子束致使外出離子束相較於入射離子束是在y方向發散。在第11圖的散焦實施例中，藉由反接直流電源使得磁場B1、B2的方向與第10圖的聚焦實施例相反，可使流動通過線圈904、906、910、912之電流的方向與第10圖的上述聚焦實施例相反。不過，第11圖中磁場B1、B2的方向彼此仍然相反。相較於第10圖的聚焦組態，像這樣使磁場B1、B2的方向反向造成離子束變成發散，致使在離子束行進穿過聚焦透鏡214時，在y方向從中央束軸220向外分離(而不是向內彎曲)。在一些具體實施例中，由於施加至上、下磁性線圈對902、908的電流量相同，故上磁性線圈對902所致的發散角度(角度A)與下磁性線圈對908所致的發散角度(角度B)實質相同。在一些具體實施例中，入射離子束與外出離子束的中央束軸220仍然相同。操作透鏡214以散焦入射離子束係提供對離子束之傳播角度的控制，此可用來例如把收歛入射離子束改變成平行外出束。
第12a圖及第12b圖係根據本發明之一些具體實施例圖示聚焦透鏡214用於擺動在y方向之入射離子 束的組態，其是在調整離子束的傳播角度(亦即，聚焦或散焦離子束)時同時偏移離子束的中央束軸。一般而言，不同量及方向的線圈電流可施加至上磁性線圈對902與下磁性線圈對908以造成外出離子束變成(i)在離子束行進穿過聚焦透鏡214時被聚焦/收歛-在y方向不對稱地向內彎曲，或變成(ii)在離子束行進穿過聚焦透鏡214時被散焦/發散-在y方向不對稱地向外彎曲。此外，由於外加線圈電流的差異，上磁性線圈對902的收歛或發散角度(角度A)不同於下磁性線圈對908的收歛或發散角度(角度B)，這造成外出離子束的中央束軸920相對於入射離子束的中央束軸220在y方向偏移。
如第12a圖所示，因為磁場B1、B2的方向與第10圖的實施例相同，故外出離子束相對於入射離子束呈收歛。此外，由於施加至上、下線圈對902、908的電流量不同，所以上磁性線圈對902的收歛角度(角度A)大於下磁性線圈對908的收歛角度(角度B)，這造成外出束的中央束軸920相對於入射束的中央束軸220在y方向向下偏移。如第12b圖所示，因為磁場B1、B2的方向與第11圖的實施例相同，故外出離子束相對於入射離子束呈發散。此外，由於施加至上、下線圈對902、908的電流量不同，所以上磁性線圈對902的發散角度(角度A)大於下磁性線圈對908的收歛角度(角度B)，這造成外出束的中央束軸920相對於入射束的中央束軸220在y方向向上偏移。具體言之，藉由反接直流電源使得磁場B1、B2的方向 與第12a圖的實施例相反，在第12b圖的實施例中，可使流動通過線圈904、906、910、912之電流的方向與第12a圖的實施例相反，這把離子束從發散改變成收歛。不過，第12b圖中磁場B1、B2的方向彼此仍然相反。
在其他具體實施例中，藉由適當地調整線圈電流在上及/或下磁性線圈對902、908中的量，可將角度A設定成小於角度B，接著使外出束的中央束軸920相對於入射束的中央束軸220偏移(亦即，第12a圖的實施例向上，以及第12b圖的實施例向下)。雖然第10圖至第12b圖的實施例係圖示入射離子束在進入聚焦透鏡214時在y方向平行之例子，然而在其他具體實施例中，入射離子束不需要平行。例如，入射離子束可呈發散或收歛，且聚焦透鏡214可適當地聚焦或散焦入射離子束以產生平行的外出離子束。在一些具體實施例中，為了把離子束輪廓調整成所欲形狀，監控在聚焦透鏡214下游的束輪廓以提供反饋用以調整聚焦透鏡214的線圈電流。
繼續參考第2a圖及第2b圖，在一些具體實施例中，離子植入機200包括鄰近腔室之第二端208且位在分析磁鐵202的腔室204外及在其下游的束減速及能量過濾器(beam deceleration and energy filter)222。束減速及能量過濾器222大體經組配成可改變來自分析磁鐵腔室204之離子束的能量，例如使離子束能量從高能量位準(例如，約25keV)減少到較低能量位準(例如，約3keV)。此外，束減速及能量過濾器222也可彎曲離子束，這使中性 粒子與離子束分離。
在另一方面，第13圖係根據本發明之一些具體實施例圖示另一例示性離子植入機300的組態，其中離子源1310係位在分析磁鐵1302外側。一般而言，除了把離子源1310安置在分析磁鐵1302外側以外，離子植入機300與第2a圖及第2b圖之離子植入機200實質相同。具體言之，離子源1310鄰近分析磁鐵1302之第一端1306而位在分析磁鐵302上游，致使離子源1310提供引出離子束給分析磁鐵1302供處理及輸送到處理基板(未圖示)。如圖示，離子源1310裝在真空離子源腔室1311內且被用以在離子源1310中產生磁場的源磁鐵(source magnet，未圖示)包圍。
離子源1310可與以上說明第3圖至第5圖、第7圖及第8圖時提及的離子源210實質相同。例如，離子源1310可包括引出系統320，其具有連接至引出系統320之引出電極中之一或多個的一或多個偏壓總成700、800。由於離子源1310不裝在分析磁鐵1302內側，偏壓總成700的饋通總成704及/或偏壓總成800的饋通總成804(包括彈性構件812)可用與前述裝在分析磁鐵202壁上的類似方式裝在離子源腔室1311上。因此，偏壓總成700的彈性導電構件702連接至離子源腔室1311，而偏壓總成800的導電桿802也連接至離子源腔室1311。
分析磁鐵1302除了含有離子源外，可包括與分析磁鐵202中實質相同的組件。在一些具體實施例 中，分析磁鐵1302包括結構、功能及位置大約與MRS 212相同的MRS 1312。離子植入機300也可包括包含結構、功能及位置大約與以上在說明第9圖至第12b圖時提及之聚焦透鏡214相同的一聚焦透鏡集合1314(其中有至少一部份以鄰近第二端1308的方式設置在分析磁鐵1302之外側)。在一些具體實施例中，離子植入機300包括由一或多個聚焦透鏡1324組成的另一集合，其位於分析磁鐵1302在彼之第一端1306的外側，其中該第二聚焦透鏡集合1324具有與聚焦透鏡1314實質相同的結構及功能。MRS 1312可位在聚焦透鏡集合1314與聚焦透鏡集合1324之間。在一些具體實施例中，離子植入機300也包括結構、功能及位置大約與減速及能量過濾器222相同的束減速及能量過濾器1322。
本發明的離子植入機200、300有數種優點。由於安置離子源或MRS之至少一者於分析磁鐵內側，所以離子束徑長度會比例如第1圖之離子植入機100的習知離子植入機更短。此外，在有離子源210位於分析磁鐵202內側的離子植入機200中，離子植入機200的離子束在輸送期間會由於由分析磁鐵202提供較高的磁場而更穩定。因此，由離子植入機200、300產生之離子束的電流位準比習知植入機高(例如，約高30%)。
熟諳此藝者了解可用特定的形式來實現本發明而不脫離本發明的精神或主要特性。因此，前述具體實施例在所有方面應被視為圖解說明描述於本文的本發明 而不是限制。因此，用隨附的申請專利範圍來表明本發明的範疇，而不是前述說明，因此，旨在涵蓋落在申請項之意思及等效範圍內的所有變化。
210‧‧‧離子源
302‧‧‧電離室
304‧‧‧電子槍
310‧‧‧氣體入口
312‧‧‧質量流動控制器(MFC)
314‧‧‧氣體源
316‧‧‧高能離子束、離子束
318‧‧‧縱軸、縱向
320‧‧‧引出系統

Claims (11)

  1. 一種包含離子源之離子植入機，該離子源包含：氣體源，其用於供應氣體；電離室，其界定有延伸穿過該電離室的縱軸，且包括沿著該電離室之側壁的出口孔，該電離室係調適成從該氣體形成電漿，其中該電漿產生複數個離子；以及二個以上之引出電極，位在該電離室之該出口孔處，用於從該電離室引出形式為離子束的該等複數個離子，該等引出電極中之至少一引出電極包含在該至少一引出電極中形成複數個狹縫的離散桿集合，以便能夠進行下列操作之至少一者：增加該離子束的電流或控制該離子束從該電離室引出的角度，其中該離散桿集合中的各桿係沿著與該電離室之該縱軸平行之軸延伸；其中該離子源提供離子束給包含腔室的分析磁鐵，該腔室係界定位在該分析磁鐵之腔室的第一端與第二端之間的曲線路徑；其中該電離室呈細長狀且該縱軸沿著該電離室的細長長度延伸；其中各狹縫的縱向與分析磁鐵的分散平面垂直，各狹縫沿著一或多個對應的引出電極的長度延伸，且至少實質平行於該電離室的縱軸；其中該二個以上之引出電極包含電漿電極及第二 引出電極，而用於該電漿電極的該離散桿集合中的各桿之橫截面設置為處於被轉向過的角度，該被轉向過的角度與用於該第二引出電極的該離散桿集合中的各桿之橫截面所被設置的角度不同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中，用於該至少一引出電極的該離散桿集合中之各桿的一端是固定的，且該離散桿集合中之各桿的另一端是可滑動的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中，該一或多個引出電極中之至少一電極經組配成可實體接觸被連接至安裝有該離子源於其內之真空腔室的導電彈性構件，該導電彈性構件經組配成可設定該至少一電極的電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中，該一或多個引出電極中之至少一電極經組配成可實體接觸被連接至安裝有該離子源於其內之真空腔室的導電桿，該導電桿經組配成可設定該至少一電極的電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之離子植入機，其中，該導電桿的第一端與該至少一電極實體接觸，以及該導電桿的第二端與一彈簧總成連通，該彈簧總成經組配成藉由經由該導電桿施加力於該至少一電極上而調整該至少一電極的位置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中，該離子束被提供給包含腔室的分析磁鐵，該腔室界定在第一 端與第二端之間的一曲線路徑，該離子源鄰近該第一端而位於該分析磁鐵外。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之離子植入機，其中，該分析磁鐵包含設置在該腔室中且鄰近該第二端的質量解析狹縫。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之離子植入機，其中，該分析磁鐵包含至少有一部份設置在該腔室之外側的磁性聚焦透鏡，該磁性聚焦透鏡經組配成：在該離子束穿過該質量解析狹縫後，在一非分散平面中聚焦、散焦或擺動該離子束。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之離子植入機，其中，該分析磁鐵之該腔室界定一曲線中央束軸，該腔室與該曲線中央束軸垂直的寬度係沿著該曲線中央束軸改變，致使該第一端的寬度大於該第二端的寬度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中，用於該電漿電極與該第二引出電極的離散桿集合中的各桿之橫截面為方形。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之離子植入機，其中，用於該電漿電極與該第二引出電極的離散桿集合中的各桿的形狀彼此相同。
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