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具有主动式场束缚的电磁铁

作者:admin日期:2018/12/17 13:38

技术领域

本发明大体而言是关于离子注入,且更特定而言本发明关于一种用于 修改(modify)离子束的具有主动式场束缚的电磁铁。

背景技术

离子注入器通常用于半导体晶圆的生产中。离子束注入器系统产生带 电离子的离子束,当所述离子被施加至半导体晶圆的表面时,所述离子被注 入或“掺杂”至晶圆表面上。在离子注入器中,宽束(例如,大于约30cm宽) 已变得普遍。出于以下两个原因宽离子束为有利的:用以减少低能量、高电 流束传送过程中的空间电荷,及用以提供适用于单个晶圆注入的离子束。

在注入之前,有时候要求过滤高能量中性粒子(也称为能量束缚 (energy contaminants))。此过滤步骤通常藉由使用静电偏转或磁偏转来 弯曲离子束而提供。关于后一过程,通常使用偶极磁场过滤能量束缚。另 外,偶极磁场亦用于质量分析过滤步骤上游的离子束。

关于宽离子束的一个挑战在于提供可弯曲垂直于带状的平面内的宽离 子束的均匀偶极磁场,而并不使离子注入器系统添加显著长度,引入离子 束的偏差(aberration)或添加大的杂散磁场。杂散磁场为有害的,因为 其影响偶极磁场的前及之后的离子注入器组件的操作。对于高电流、低能 量离子束而言,亦需要藉由添加多尖角永久磁铁来增强等离子体中和。然 而,此等多尖角磁铁在太靠近离子束的情况下可扰乱离子束,因此使得需 要高束线,而高束线必须要求高磁铁。尤为重要的是,当磁铁靠近晶圆时 边缘场快速下降为零(如在能量束缚过滤器中的情况),因为磁铁的边缘场 可对晶圆处的电荷中和产生有害效应。

箝位磁场而并不引入离子束的大偏差对设计针对宽离子束的高偶极磁 铁提出挑战。习知的,钢已用于被动地箝位大间隙偶极磁铁的场以使得场 垂直于钢表面。另外,钢提供磁通量的低磁阻路径。遗憾的是,此方法严 重地劣化磁铁内的场的品质及量值。特定而言,此方法使原始偶极场严重 失真,其中原始偶极场平行于钢表面的方向,且磁通量经由箝位而分流,藉 此减少磁铁内的场量值。举例而言,图1展示无场箝位的一个说明性宽间隙 偶极永久磁铁A的一部分,图2则展示添加有钢B以箝位场的相同磁铁A。 图2亦说明上述场失真C及偶极场减弱。需要具有一种束缚偶极磁场而并 不如习知的钢方法般在其上强加垂直边界条件的方式。

鉴于上述内容,此项技术中需要一种用于修改离子束的具有主动式场 束缚的电磁铁。

发明内容

本发明是揭露一种包括主动式场束缚的电磁铁及相关离子注入器系 统。电磁铁提供在高的大间隙内的具有最小强度失真及劣化的偶极磁场。 在一实施例中,用于修改离子束的电磁铁包括:包括六个侧面的铁磁箱体 结构;在铁磁箱体结构的第一侧面及第二相对侧面中的每一侧面中的供离 子束通过的开口;以及具有沿铁磁箱体结构的内表面的路径的多个载流导 线,内表面包括第一侧面及第二相对侧面以及第三侧面及第四相对侧面,其 中多个载流导线经定位以围绕第一侧面及第二相对侧面的开口中的每一开 口延伸。

本发明的第一态样提供一种用于修改离子束的电磁铁,所述电磁铁包 含:包括六个侧面的铁磁箱体结构;在铁磁箱体结构的第一侧面及第二相对 侧面中的每一侧面中的供离子束通过的开口;以及具有沿铁磁箱体结构的 内表面的路径的多个载流导线,内表面包括第一侧面及第二相对侧面以及 第三侧面及第四相对侧面,其中多个载流导线经定位以围绕第一侧面及第 二相对侧面的开口中的每一开口延伸。

本发明的第二态样提供一种离子注入器系统,所述离子注入器系统包 含:离子束产生器;以及电磁铁,所述电磁铁包括:包括六个侧面的铁磁箱体 结构;在铁磁箱体结构的第一侧面及第二相对侧面中的每一侧面中的供离 子束通过的开口;以及具有沿铁磁箱体结构的内表面的路径的多个载流导 线,内表面包括第一侧面及第二相对侧面以及第三侧面及第四相对侧面,其 中多个载流导线经定位以围绕第一侧面及第二相对侧面的开口中的每一开 口延伸。

本发明的第三态样提供一种用于离子注入器系统的能量束缚过滤系 统,所述能量束缚过滤系统包含:包括六个侧面的铁磁箱体结构;在铁磁 箱体结构的第一侧面及第二相对侧面中的每一侧面中的供离子束通过的开 口;以及具有沿铁磁箱体结构的内表面的路径的多个载流导线,内表面包括 第一侧面及第二相对侧面以及第三侧面及第四相对侧面,其中多个载流导 线经定位以围绕第一侧面及第二相对侧面的开口中的每一开口延伸。

本发明的第四态样提供一种质量分析磁铁,所述质量分析磁铁包含:包 括六个侧面的铁磁箱体结构;在铁磁箱体结构的第一侧面及第二相对侧面 中的每一侧面中的供离子束通过的开口;以及具有沿铁磁箱体结构的内表 面的路径的多个载流导线,内表面包括第一侧面及第二相对侧面以及第三 侧面及第四相对侧面,其中多个载流导线经定位以围绕第一侧面及第二相 对侧面的开口中的每一开口延伸。

本发明的第五态样提供一种用来束缚窗口式框架(window-frame)电磁 铁的磁场的方法,所述方法包含以下步骤:提供具有沿窗口式框架电磁铁 的内表面的路径的多个载流导线,所述多个载流导线在每一窗口的平面内 围绕每一窗口;以及沿多个载流导线运送电流。

本发明的说明性态样经设计以解决本文所描述的问题及熟习此技艺者 显而易见的其他未论述的问题。

附图说明

自本发明的多个态样的详细描述且结合描绘本发明的多个实施例的附 随图式将更易于了解本发明的所述及其他特征。

图1展示无磁场箝位的宽间隙偶极永久磁铁的实例的一部分。

图2展示图1的磁铁添加有钢以箝位磁场的部分。

图3A展示根据本发明的一实施例的说明性离子注入器系统的俯视图。

图3B展示根据本发明的一实施例的另一说明性离子注入器系统的俯视 图。

图3C展示根据本发明的一实施例的说明性离子注入器系统的侧视图。

图4展示根据本发明的包括主动式场束缚的电磁铁的一实施例的透视 图。

图5展示图4的电磁铁的分解图。

图6展示图4的电磁铁的替代性实施例的侧视横截面图。

图7展示图4的电磁铁的另一替代性实施例的侧视横截面图。

图8展示图4的电磁铁的另一替代性实施例的俯视横截面图。

图9A至图9B分别展示图4的电磁铁的另一替代性实施例的侧视图及 俯视图。

图10展示侧向弓形的离子束。

图11展示图4的电磁铁的另一替代性实施例的侧视图。

图12展示图4的电磁铁的另一替代性实施例的端视图。

图13展示图4的电磁铁的另一替代性实施例的端视图。

应注意,并未按比例绘制本发明的图式。希望所述图式仅描绘本发明 的典型态样,且因此不应视为限制本发明的范畴。在图式中,相同数字代 表图式之间的相同元件。

2:离子束产生子系统             4:离子束

5:离子束过滤子系统             6:离子束扫描子系统

8:目标子系统                   10:离子注入器系统

12:目标                        14:台板

18:目标垂直扫描位置控制器            40:气体流

42:离子束源                          44:提取操纵器

46:过滤磁铁                          48:加速/减速柱

50:质量分析器                        52:偶极原子质量单元(AMU)分析磁铁

53:半圆半径                          54:质量解析狭缝

56:解析孔                            60:扫描器

62:角度校正器                        64:扫描原点

66:扫描板                            68:扫描板

72:磁极片                            74:磁线圈

100:电脑系统                         110:电磁铁

112:能量束缚过滤系统                 114:加速/减速柱

120:箱体结构                         122:第一侧面

124:第二相对侧面                     126:第三侧面

128:第四相对侧面                     130:第五侧面

132:第六相对侧面                     134:开口

140:载流导线                         142:内表面

144:电流回路                         146:磁通量

210:高温超导体(HTS)电磁铁            240:载流导线

260:低温恒温器                       270:束导引箱体

272:多尖角磁铁                       274:线圈

276:真空                             280:等离子体源

284:中和等离子体                     290:凸起外表面

292:曲线                             300:离子注入器系统

304:带状离子束产生器                 306:离子源

308:质量分析器磁铁                   310:质量解析孔

312:带状离子束                       320:透镜系统

322:能量过滤器系统                   324:扇形带状离子束

326:弯曲静电板                       328:工件

330:加速/减速透镜                    402:带状离子注入器系统

406:离子源                           408:质量分析器磁铁

410:质量解析孔                       420:加速/减速平行化透镜系统

422:能量过滤器系统                   A:磁铁

B:钢                                 C:失真

具体实施方式

实施方式包括以下标题仅出于组织性目的:I.引论、II.说明性离子注 入器系统、III.具有主动式场束缚的电磁铁、IV.应用,及V.结论。

I.引论:

如上文所指示,在一实施例中,本发明提供一种具有主动式场束缚的 电磁铁,其可用于修改(modify)离子注入器系统中的离子束。在用于修 改(例如,弯曲、聚焦、质量分析(mass analysis)等)离子束的电磁铁 中,需要具有一种束缚偶极磁场而并不如习知钢场箝位所进行的强加垂直 边界条件的方式。一种提供此主动式场束缚的理论方法为引入具有零磁导 率(magnetic permeability)(μ=0)而非钢的高磁导率的区域。因此,此 区域将强加正切于表面的边界条件,且在零磁导率区域内将不具有磁场。然 而,在零磁导率区域的外部的磁场将不为零,且结果,单单此区域并不提供 主动式场束缚特性。一种解决此情形的方法为利用高磁导率(例如,钢)区域 来辅助零磁导率区域,以获得束缚电磁铁内部的偶极场(dipole field)同 时保持其方向平行于边界的所要效应,且亦使其外部磁场为零。然而,关于 此方法的挑战为当零磁导率材料仅存在于超导状态(Meisner效应)时如何 实施此条件。此外,甚至在低温时,此方法将仅处置小于约100G的磁场,且 因此无法提供有用的解决方案。在本发明的一实施例中,如本文所述,实施 藉由使用表面电流而仿效超导层板以提供用于修改离子束的主动式场束缚 的区域。

II.说明性离子注入器系统:

参看图3A,展示了说明性离子注入器系统10的俯视图。离子注入器系 统10包括离子束产生子系统2,离子束产生子系统2用于产生离子束4且将 其传输通过离子束过滤子系统5、离子束扫描子系统6至目标子系统8。离 子束产生子系统2可包括任何现在已知或稍后研发的离子束产生器,诸如 可购自美商瓦里安半导体(股)公司(Varian Semiconductor Equipment Associates)的离子束产生器。通常,目标子系统8包括粘着至台板 (platen)14的一或多个半导体目标12(例如,晶圆)。台板14及目标12 的特征可由旋转目标12(亦即,晶圆)的台板驱动总成(未图示)及控制 目标12的垂直位置的目标垂直扫描位置控制器18控制。离子注入器系统 10可包括熟习此技艺者已知的额外组件。举例而言,目标子系统8通常包 括用于引入晶圆至离子注入器系统10中及用于在注入后移除晶圆的自动晶 圆处置设备、剂量量测装置,淹没式电子枪等,应了解,在离子注入期间 离子束4所横穿过的整个路径为真空的。

离子束产生子系统2亦进一步包括气体流40、离子束源42、提取操纵 器(extraction manipulator)44、过滤磁铁46及加速/减速柱48。过滤 磁铁46较佳经定位而极接近离子束源42。提取操纵器44定位于过滤磁铁 46与离子束源42之间。加速/减速柱48定位于源过滤器46与质量分析器 50(mass analyzer)之间。离子束过滤子系统5可包括质量分析器50,质 量分析器50可包括(例如)具有半圆半径53的偶极原子质量单元(AMU)分 析磁铁52及具有解析孔(resolving aperture)56的质量解析狭缝54。

扫描子系统6可包括(例如)扫描器60及角度校正器62。可为静电扫 描器的扫描器60偏转经过滤的离子束以产生具有自扫描原点64发散的离 子轨道的经扫描的离子束。扫描器60可包括相隔开的扫描板66及68。离 子束4可根据扫描板66与68之间的电场而偏转。角度校正器62设计为偏 转经扫描的离子束4中的离子以使其具有平行离子轨道,亦即,以便聚焦 经扫描的离子束4。在一实施例中,角度校正器62可包括相隔开以界定间 隙的磁极片72,及磁线圈74。经扫描的离子束4通过极片72之间的间隙 且根据间隙中的磁场而偏转。可藉由变化通过磁线圈74的电流而调整磁场。

根据本发明的多个实施例,电磁铁110(图4)可以若干方式实施于离 子注入器系统10中。举例而言,电磁铁110(图4)可用作角度校正器62 磁铁。

离子注入器系统10可附着至用于控制系统的多个组件的电脑系统100。

参看图3B,展示了根据本发明的一实施例的呈带状离子束离子注入器 系统形式的另一说明性离子注入器系统300的俯视图。离子注入器系统300 包括带状离子束产生器304,带状离子束产生器304可包括(例如)离子源 306、质量分析器磁铁308及质量解析孔310。离子注入器系统300可为高 电流系统,例如,传递超过十毫安(mA)的离子束。如所指示,可使用现 有习知的窄狭缝点对点提取光学器件(发散实线)或长狭缝点对点提取光 学器件(平行虚线)来产生初始离子束。在任何情况下,质量分析器磁铁308 提纯初始离子束。应认识到,上述带状离子束产生器304仅为说明性的,且 在本发明的范畴内可采用其他系统。离子注入器系统300可进一步包括加 速/减速平行化透镜系统320及能量过滤器系统322。加速/减速平行化透镜 系统320(下文中称作“透镜系统320”)接收扇形带状离子束(fanned ribbon ion beam)324,亦即,自带状离子束产生器304接收,且更特定而言自质 量解析孔310接收。扇形带状离子束324可扩展为(例如)约35cm。术语“带 状”指示离子束沿侧向方向为实质上狭长的。透镜系统320至少将扇形带 状离子束324平行化为实质上平行带状离子束312,且亦可加速或减速带状 离子束324。透镜系统320可包括用于平行化及或许加速或减速扇形带状离 子束324的一组弯曲静电板326,及用于加速或减速实质上平行带状离子束 312的一组加速/减速透镜330。应注意,因为质量解析孔310提供在所述 组弯曲静电板326处高度均一的扇形带状束324,因此要求此等板(透镜)326 的狭缝具有均一宽度。透镜系统320下游的能量过滤器系统322在工件328 由实质上平行带状离子束312进行注入的前移除能量束缚。根据本发明的 多个实施例,电磁铁110可实施于能量过滤器系统322中。

图3C展示另一带状离子注入器系统402的侧视图,系统402类似于图 3B中所示的系统,除了系统402将电磁铁110用作质量分析器磁铁408及 能量过滤器系统422的部分之外。系统402亦包括离子源406、质量解析孔 410及加速/减速平行化透镜系统420,如上文所述。质量分析器磁铁408 可包括电磁铁110,如下文(例如)图11中所示及关于图11所述。

尽管上文已说明说明性离子注入器系统,但熟习此技艺者应了解,任何 现在已知或稍后研发的用以产生及扫描离子束的系统可用于本发明。由于 上述离子注入器系统中的每一种的操作在此项技艺中为熟知的,因此此等 过程的描述对于理解本发明而言并非必要的。然而,应了解,本发明可与 任何现在已知或稍后研发的离子注入过程及方法一起使用。出于简洁的目 的,下文将仅参考图3A的实施例,除非另有必要。

III.具有主动式场束缚的电磁铁:

参看图4至图5,现将描述用于修改离子束的具有主动式场束缚的电磁 铁110的一实施例。出于清晰的目的,图4展示电磁铁110的一实施例被 移除一侧面后的透视图,且图5展示电磁铁110的分解图。电磁铁110包 括箱体结构120,其包括由铁磁材料(例如,钢)制成的六个侧面。因而,箱 体结构120包括第一侧面122、第二相对侧面124,第三侧面126及第四相 对侧面128,第五侧面130(仅图5展示)及第六相对侧面132(仅图5展 示)。本文所使用的“相对侧面”意谓大体上相对,而未必为诸如平行的任 何特定角度位置。应认识到,仅出于参考的目的将第二侧面124、第四侧面 128及第六侧面132称为“相对侧面”,且每一侧面在逻辑上可被称为相对 于一对应侧面。第一侧面122及第二相对侧面124中的每一侧面包括开口 134,以便在箱体结构120中形成窗口供离子束4通过。因此,电磁铁110 可被称为“窗口式框架电磁铁(window-frame electromagnet)”。

如图5中所示,多个载流导线(current-carrying wires)140(下文中 称为“导线”)定位于箱体结构120内以便具有一沿箱体结构120的内表面 142的路径。内表面142包括第一侧面122及第二相对侧面124以及第三侧 面126及第四相对侧面128,以使得形成电流回路144(图4)。尽管展示为个 别导线,但熟习此技艺者将认识到,导线140实际上可为单个卷绕导线。在 一实施例中,导线140实质上沿内表面142均匀地分布。然而,可使用其 他配置以适应离子束4的特殊修改(若需要),在一实施例中,导线140可 分层,例如,分层为五层四分之一英时(1/4")的空心铜导线。如图5中 所示,导线140经定位以围绕第一侧面122及第二相对侧面124的每一开 口134延伸。图4经由箭头展示电流的流动。

在操作中,当电流流经导线140(如图4中的箭头所示)时,形成一电 磁场,且第五侧面130及第六相对侧面132充当磁极。磁通量146沿图4中 的箭头所示的方向流动。导线140中的电流消除由钢侧面引起的垂直场(参 见图2中的失真C),且使电流自第三侧面126返回至第四相对侧面128,同 时仍允许用于离子束4的宽开口134(图4)。此与习知系统相反,习知系 统没有钢侧面且电流返回至箱体外部以将返回电流维持为尽可能远离离子 束4。在习知情况下,必须在磁铁末端外部使用钢箝位以箝位边缘场,此方 式分流偶极场且使其失真。然而,相反地,电磁铁110的电流返回至箱体 结构120内与充当能量或场束缚壁的侧面122、124相抵。在理想的极限情 况下,此等电流将均匀地覆盖第一侧面122及第二相对侧面124,从而在箱体 结构120内部形成一极佳偶极场而外部为零场。然而,为了在侧面122、124 内产生用于离子束4的开口134,导线140的路径围绕开口134,以此方式 则要求将至开口134的侧面的电流挤合在一起(double up)(参见图5中 开口134附近的合并线)。尽管此扰乱理想情形,但仍然在内部获得高偶极 场,且在长度约为开口134的高度的数量级的外部范围内场降低至零而并未 极分离。亦即,电磁铁110提供主动式场束缚且允许如所要高度的偶极箱 体而并不劣化离子束4所观测到的场。在图4的说明性电磁铁110中,高度 可为约40cm。电磁铁110亦于第一侧面122、第二侧面124、第三侧面126 及第四侧面128上均匀地返回磁通量。结果,可藉由避免习知系统中返回 至场箝位的大通量来获得钢饱和问题的较好管理。

转看图6至图13,现将描述电磁铁110的多个替代性实施例。转看图 6,电磁铁亦允许使用较大电流密度而并不使钢饱和,从而使得高温超导体 (HTS)电磁铁210的可能性更实务。因而,在一替代性实施例中,多个载 流导线240(虚线)可包括高温超导(HTS)材料。在此种情况下,低温恒 温器260耦接至导线240。低温恒温器260仅包围HTS导线240(而不是箱 体结构120的铁磁材料)且可与电磁铁210的内部一起定位。

参看图7至图8,上述电磁铁结构允许于电磁铁110内部提供若干额外 结构。举例而言,如图7的侧视图所示,高的束导引箱体270可定位于电 磁铁110的箱体结构120内。束导引箱体270可由不受磁通量影响的材料 (例如,铝)制成。束导引箱体270可容纳束等离子体增强特征,诸如远离 离子束4的定位于束导引箱体270的每一侧面上的多尖角磁铁(multiple cusp magnet)272。线圈274环绕箱体结构120内的束导引箱体270。真空 276可存在于束导引箱体270的内部。在另一实例中,如图8的俯视图所示, 至少一个等离子体源280亦可定位于电磁铁110内,例如,每一等离子体 源280临近每一磁极(第五侧面130及第六侧面132(图5))以引入中和 等离子体284。在一实施例中,等离子体源280可实施为热灯丝DC放电, 或在另一实施例中可实施为RF感应放电。等离子体源280可使用磁通量146 以经由离子束4传送电子。束导引箱体270亦可提供于此实施例中。

如图9A至图9B中所示,根据另一替代性实施例,第一侧面122及第 二相对侧面124中的每一侧面可具有一邻近各别开口134的实质上凸起外 表面290。开口134对偶极场的干扰引起离子束4的边缘处的离子比中心处 的离子更弯曲,从而使得离子束4的横截面经成形而如图10中的曲线292 所示。凸起外表面290藉由移除离子束4的弓形而补偿此失真。尽管外表 面290展示为线性表面,但其可为步进形或曲线形或为允许材料朝向各别 开口134的中心渐进增长的任何其他形状。

参看图11的侧视图,在另一替代性实施例中,第一侧面122及第二相对 侧面124以相对于彼此并不平行的方式成角度以便容纳离子束4的弯曲。 亦如图11所示,第三侧面126及第四侧面128可经成形以实质上对应于离 子束4通过电磁铁110的路径。举例而言,第三侧面126及第四侧面128 可取决于离子束4的路径而为成角度的或弯曲的。

转看图12的端视图,在另一替代性实施例中,第五侧面130及第六相对 侧面132可经改变以对离子束4提供不同效应。举例而言,第五侧面130及 第六相对侧面132可以相对于彼此并不平行的方式成角度以便允许垂直聚 焦,亦称为有效分度。在此种情况下,第五侧面130及第六相对侧面132充 当极垫片。以此方式,成角度产生一梯度磁场以使得产生一聚焦效应。另外 或替代地,如图13的端视图所示,第五侧面130及第六相对侧面132中的 至少一侧面可包括至少一弯曲部分以便补偿或校正磁场中由第一侧面122 及第二相对侧面124中的开口134引起的偏差。

可个别地或以任何所要组合的方式使用上述替代性实施例。

IV.应用:

电磁铁的上述实施例可用于离子注入器系统内的多种不同位置中及用 于产生且聚焦带电粒子束的其他系统中,在一实施例中,电磁铁可用作在 离子注入器系统中的最终加速/减速柱114(图3A)、320(图3B)、420(图 3C)的后的能量束缚过滤系统112(图3A)、322(图3B)、422(图3C)。在 另一实施例中,电磁铁可用作质量分析磁铁,诸如用于质量分析器50(图 3A)、308(图3B)、408(图3C)中。

V.结论:

已出于说明及描述的目的呈现本发明的多个态样的前述描述。并不希 望所述描述为详尽的或将本发明限制为所揭露的精确形式,且明显地,许多 修改及变体为可行的。希望熟习此技艺者所显而易见的此种修改及变体包 括于由后附的申请专利范围所界定的本发明的范畴内。