静电加速器及其离子注入设备

摘要

本发明提供了一种静电加速器及其离子注入设备。此静电加速器具有在作为一种带电粒子的离子的行进方向上布置的第一至第五电极。然后，该第二电极分成两个电极组元，该电极组元通过离子的路径彼此相对，且在其上施加不同的电势以偏转离子。此外，布置在该电极下游侧的多个电极沿被该电极偏转的且具有特定能量的离子的轨道布置。本发明的静电加速器与现有技术的静电加速器相比能抑制能量污染并缩短带电粒子的输运距离。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于加速或减速带电粒子的静电加速器(以下称为“静电加速列(column))，更具体地，涉及一种配备有该静电加速列的离子注入设备。

背景技术

一个设置有加速或减速离子(除非特殊说明，以下为正离子)的传统静电加速器(以下称为“静电加速列)的离子注入设备的例子，该离子是一种带电粒子。

此离子注入设备如下构造：离子4(更具体地是离子束)从离子源2发射出来。所需种类的离子通过质量分离(mass separating)磁体6选择。然后，该离子通过静电加速列10加速或减速以具有所需能量。具有所需能量的所需种类的离子4注入到由夹具16夹持的靶(例如半导体晶片衬底等)内，以进行离子注入。传统静电加速列10具有在离子4的行进方向上直线排列的多个电极11。

在此方面，离子4自离子源2的出口到夹具16的路径处于真空容器内，但是此处略去其图示。再者，此处的情形是，设置了用于扫描离子的扫描器，但其图示也略去。这与图4中一样。

在上述离子注入设备中，在离子4例如从质量分离磁体6的出口行进到静电加速列10的出口的同时，自静电加速列10射出的离子4因下述现象而混合有具有与所需能量不同的能量的离子或中性粒子。这种混合现象称为“能量污染”。

(1)通过离子4与包括具有不同于所需能量的能量的离子或中性粒子的残余气体碰撞时引起的电荷转换，部分离子4转变成中性粒子。中性粒子不被静电加速列10加速或减速，这不同于离子4。于是，离子4与具有不同于所需能量的能量的中性粒子混合。

(2)部分离子4通过离子4与残余气体碰撞时引起的电荷转换而变价。当离子4的价态改变时，由静电加速列10加速或减速的离子4因施加到静电加速列10上的电压恒定而在能量上变得彼此不同。

例如，当二价离子变成一价离子时，被静电加速列10加速的离子的能量变成一半。按此方式，离子4与具有不同于所需能量的能量的离子混合。

(3)在离子4为分子离子的情形下，离子4通过分子离解变成与初始离子不同的离子。例如，BF₂离子离解成BF离子和F离子，或离解成B离子和F₂离子。由分子离解产生的每个离子的能量变得比初始离子的能量小。这是因为这些能量之和等于初始离子的能量。以此方式，离子4与具有不同于所需能量的能量的离子混合。

在使用诸如离子的带电粒子的情形下，不希望上述能量污染发生。例如，在离子注入设备中，不希望具有所需能量的离子和具有不同于所需能量的能量的离子或中性粒子注入到靶14内。这是因为具有不同能量的离子使注入深度和注入分布变得与起始阶段的不同，于是使离子退化。

然后，为了抑制能量污染，在传统方法中，与图5所示的示例相同，在静电加速列10的下游侧设置用于选择和经过具有特定能量的离子(即，具有能量分离功能)的能量分离单元12，仅具有所需能量的离子由此能量分离单元12选择。具体地，此能量分离单元12为偏转磁体或静电偏转单元。

然而，在设置有上述能量分离单元12时，其使离子4的输运距离增加了与之相关的一个量，于是降低了离子4的输运效率。这是因为，在输运距离增加时，输运中由空间电荷导致的离子4的发散增加，这导致离子4的损失增加。输运除离子以外的带电粒子的情形也是这样。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能抑制能量污染并缩短带电粒子的输运距离的静电加速器(以下称为“静电加速列”)。

本发明的另一个目的是提供一种静电加速列，其用于粒子注入设备并能抑制能量污染和缩短带电粒子的输运距离。

根据本发明的静电加速列的特征在于：在这种类型的静电加速列中，其具有在带电粒子的行进方向上布置并加速或减速带电粒子的多个电极，该多个电极中的至少一个电极被分成两个电极组元，该电极组元通过带电粒子的路径而彼此相对，从而在其上施加不同的电势以偏转带电粒子。

根据上述的静电加速列，其可以通过分成两个电极组元的电极来偏转带电粒子。此时的偏转量取决于带电粒子在其被偏转时的能量，使得可以将具有所需能量的带电粒子与具有不同于所需能量的能量的带电粒子分离。中性粒子不偏转，而以直线行进，使得也可以分离中性粒子。即，上述静电加速列产生能量分离动作，于是能选择并发射具有所需能量的带电粒子，并抑制能量污染。

此外，静电加速列产生能量分离动作和其固有的加速或减速带电粒子的作用，并且还能以一个静电加速列来实现这些作用，使得可以消除设置传统设备中所使用的能量分离单元的需要。因此，与单独地设置能量分离单元的情形相比，可以缩短带电粒子的输运距离，于是提高带电粒子的输运效率。

在上述分成两个电极组元的电极的下游侧再设置一个电极的情形中，优选的是，布置在下游侧的电极沿被偏转的且具有特定能量的带电粒子的轨道布置。这使得可以高效地通过具有特定能量的，更具体地说是所需能量的带电粒子，并可以通过布置在下游侧的电极高效地阻挡除具有所需能量的带电粒子外的其它带电粒子以及中性粒子，因此有效地抑制能量污染。

在提供沿带电粒子的行进方向布置的第一电极、第二电极和第三电极的情形下，优选的是，布置在中间的第二电极如上所述那样被分成两个电极组元，且布置在其下游侧的第三电极沿被偏转的且具有特定能量的带电粒子的轨道布置。这使得可以在第一和第二电极之间以及第二和第三电极之间的两个阶段中加速带电粒子，并在后一阶段加速该粒子前偏转该带电粒子，于是易于偏转带电粒子。此外，由于提供了第三电极，可以有效地抑制因以上原因导致的能量污染。

在上述带电粒子为正离子的情形下，施加到被分成两个电极组元的电极的、在偏转正离子的方向上的一个电极组元上的电势被设置为比施加到与之相对的电极组元上的电势低。在如上所述的带电离子为负离子的情形下，施加到电极组元上的电势与此电势相反。

利用上述静电加速列，可以提供用于通过静电加速列将离子注入到靶内的离子注入设备。这使得可以通过如上所述的静电加速列抑制能量污染，于是抑制由能量污染导致的离子注入特性的劣化。此外，可以利用该静电加速列来缩短离子的输运距离，因而提高离子的输运效率并提高离子注入到靶内的处理量。

附图说明

图1是横截面视图，示出了根据本发明的静电加速列的一个示例；

图2是沿图1的线A-A的纵截面视图；

图3是沿图1的线B-B的纵截面视图；

图4是一示意性视图，示出了设置有根据本发明的静电加速列的离子注入设备的一个示例；以及

图5是一示意性视图，示出了设置有传统静电加速列的离子注入设备的一个示例。

具体实施方式

图1是根据本发明的静电加速器(以下称为“静电加速列”)的一个示例的横截面视图。

然而，对于离子4，为了简单起见，仅中心轨道用线条来表示。图2是沿图1的线A-A的纵向横截面视图。图3是沿图1的B-B线的纵向横截面视图。

静电加速列20加速(在加速模式下)或减速(在减速模式下)离子4。离子4是一种带电粒子。

静电加速列20具有在离子4行进方向上布置的第一至第五电极21至25。这些电极21至25自上游侧向下游侧按数字增加的顺序布置。

离子4形成由例如自上述质量分离磁体6发射的离子束。

在此实施例中，如图2和3所示，这些离子4形成在横截面上纵向伸长的离子束，其在穿过离子4的行进方向的纵向Y上伸长。离子束4的形状并不仅限于此。例如，离子4可以形成形如点状的离子束，或可以形成在特定方向(例如在纵向Y上)上得以扫描的离子束。

各电极21、23至25分别具有几乎相应于上述离子束4的形状的形状，以及离子4在其中经过的开口31、33至35。在此实施例中，电极22具有间隙32，上述离子4在其中经过。

电势V1施加到第一电极21上。此电势V1通常为正的高电势(在加速模式下)或负的高电势(在减速模式下)。于是其还被称为高电势电极。

顺便提及地，当电势施加到各电极21至25上或将在以后描述的电极组元22a、22b，电势通过相应于各个电极的电压施加装置(例如，DC电源，或从DC电源分压的分压电阻器等，其图示省略)施加到电极上。

在电势对于一电极为0伏的情形下，该电极接地。

第二电极22通常具有第一电极21和第三电极23之间的中间电势。第二电极22位于电极21和23两者之间。因此，其还可以称为中间电极。

此第二电极22在传统静电加速列中为一个电极，但是在此实施例中，其由两个分开的电极组元22a和22b形成，这两个电极组元在横向X上经过离子4的路径彼此相对。

此外，电势V2a和V2b(V2a≠V2b)施加到电极组元22a和22b两者上，以在横向X上偏转离子4。

以上已经描述了施加这种电势的装置。

更具体地，在此实施例中，如上所述，离子4(除非特别说明，其为正离子，如上所述)用作一种带电粒子。

电势V2b小于施加到电极组元22a上的电势V2a。

电势V2b在离子4偏转的方向上施加到电极组元22b上，即V2b＜V2。

施加到电极21、电极组元22a和22b、以及电极23至25上的特定电势将一起显示在下述的表1中。

离子4在其中行进的间隙32形成在电极22中包括的两个电极组元22a和22b之间。

优选的是，与此实施例一样(见图1)，此间隙32在离子4的偏转方向上弯折。

更具体地，优选的是，此间隙沿以特定能量，具体地是所需能量偏转的离子4a的轨道弯折。

以此方式，具有所需能量的离子4a可以高效地发射。

0伏的电势V3通常施加到第三电极23上。即，第三电极23接地，因此也被称作接地电极。

负电势V4施加到第四电极24上，以抑制电子从下游侧回流。于是，第四电极24也称作抑制器电极。

0伏的电势V5通常施加到第五电极25上。即，第五电极25接地，于是也被称作接地电极。

虽然优选的是上述电极24和25设置来抑制电子从下游侧回流，但是它们不是必须的。它们并不总是需要设置。

电极23至25布置在包括两个分离电极组元22a和22b的第二电极22的下游侧。

电极23至25优选地沿被电极22偏转的且具有特定能量的，具体地是所需能量的离子4a的轨道布置。

优选的是，两个电极组元22a和22b的后部形成为弯曲的，使得两个电极组元22a、22b沿着具有所需能量的离子4a的轨道布置。于是，即使电极组元22a和22b之间的电势差较小，离子4a的弯角(bending angle)也可以较大，使得除具有所需能量的离子4a之外的离子更容易除去。

这使得可以高效地引导具有所需能量的离子4a，并通过布置在下游侧的电极23至25高效地阻挡除离子4a之外的离子4a、4c，或者中性粒子。于是，能量污染得以更有效地抑制。

施加到电极组元22a和22b上的电势V2a和V2b之间的差可以调整来使得具有所需(目标)能量的离子4a经过静电加速列20的中心轨道。更具体地，静电加速列的中心轨道(具体地在间隙32或电极22至25的开口33至35中)相应于布置在具有偏转功能的第二电极22的下游的电极22至25的中心轨道(更具体地，电极22至25的间隙32或开口33至35)。

在离子4为正离子的情形下，如上所述施加到各电极和电极组元上的电势的例子将一起示于表1。

表1中的例1和例2显示了用于加速离子4的加速模式下的数据，例3示出了减速离子4的减速模式下的数据。

在例1的情形下，可以实现30keV的加速能量，在例2的情形下，可以实现130keV的加速能量。在例3的情形中，可以实现8keV的减速能量。

在任何情形下，作为包括在第二电极22内的电极组元中的一个的电极组元22b的电势V2b设置为比相对的电极组元22a的电势V2a低。

                       表1

电    势V1[keV]电    势V2a[keV]电    势V2b[keV]电    势V3[keV]电    势V4[keV]电    势V5[keV]例1    30    0    -48    0    -5    0例2    130   100    52    0    -5    0例3    -8    0    -1    0    0    0

根据上述静电加速列20，第二电极22包括两个分开的电极组元22a和22b，不同的电势V2a和V2b施加在其上。第二电极可以偏转离子4。

此时的偏转量取决于离子4偏转时的能量，使得具有所需能量的离子4a可与具有不同于所需能量的能量的离子4b和4c分开。

离子4b是具有比所需能量小的能量的离子，其在偏转量上比离子4a大。离子4c是具有比所需能量高的能量的离子，且在偏转量上比离子4a小。中性粒子5不偏转，而以直线行进，于是也可以与离子4a分离。即，上述静电加速列20产生能量分离作用，于是可选择并引导具有所需能量的离子4a，并抑制能量污染。

除具有所需能量的离子4a以外的离子4b和4c、以及中性粒子5与在第二电极22下游布置的电极23至25中的任一个碰撞，从而被阻挡并去除。

此外，此静电加速列20不仅产生如上所述的能量分离作用，还产生加速或减速离子4的固有作用。再者，这些作用可在一个静电加速列20中实现，其消除了提供传统设备中所用的独立能量分离单元的需要。于是，与独立提供能量分离单元的情形相比，静电加速列20可缩短离子4的输运距离，于是可提高离子4的输运效率。

此外，与图1所示的示例相同，在通常具有电极21和23之间的中间电势的第二电极22位于在具有正的或负的高电势的第一电极21与通常具有地电势的第三电极23之间的情形下，与上述示例一样，优选的是，此第二电极22由两个分开的电极组元22a和22b构成，且不同的电势V2a和V2b施加到电极组元22a和22b上，以产生偏转作用。

当设置与此相同的第二电极22时，离子4可以在电极21和22之间以及电极22和23之间的两个阶段中被加速。表1中的例2显示了这样一个例子。然后，离子4在其在后一阶段被加速前(即能量较低时)可以被电极22加速，于是与离子4在其被充分加速后再偏转的情形相比，离子4可以容易地被偏转。更具体地，与此相同的第二电极22可以减少施加到构成电极22的两个电极组元22a和22b上的电势V2a和V2b之间的差，于是可以形成便于电极22周围的电绝缘的优点。

此外，电极22下游侧的电极23可以阻挡并除去除具有所需能量的离子4a之外的离子和中性粒子，于是可以更有效地抑制能量污染。经验表明，尤其是在减速模式(见表1中的例3)下，中性粒子5倾向于在离子4在电极21和22之间被减速时通过电荷转换产生，但是，即使中性粒子5大量产生，它们以直线行进并与电极23碰撞，从而被阻挡。于是，中性粒子5可以在静电加速列20中有效地除去。

再者，在加速模式下，电子自具有不同于所需能量的能量的离子与电极相撞的位置发射并加速到高电势侧。于是，具有与加速电子的能量相应的高能量的X射线从电极的该加速电子如此碰撞的位置处产生。

在传统静电加速列中，即使设置了称为中间电极的电极，传统加速列的中间电极也不具有偏转功能。

于是，上述加速电子不被该中间电极偏转，而能抵达具有高电势的电极(相应于电极21的电极)。电子以与具有高电势的电极的电势相应的能量加速，然后与具有高电势的电极碰撞以自该电极产生高能X射线。

相反，当被称为中间电极的第二电极22被分成两个电极组元22a和22b、以及施加用以具有偏转功能的不同电势，如上述示例一样，自具有所不需要的能量的离子所碰撞的部分产生的电子被电极22偏转。于是电子不会到达具有高电势的电极21。

更具体地，上述电子被偏转至构成电极22的两个电极组元22a和22b中具有更高电势的电极组元22a一侧，从而与电极22a碰撞。

此时加速电子的能量为相应于电极22a的电势的能量，且小于电子与具有高电势的电极21碰撞情形下的能量。

例如，在表1的例1的情形中，碰撞电子的能量几乎为0eV，于是X射线难以产生。在例2的情形中，碰撞电子的能量几乎为100keV，且比电子碰撞电极21的情形下的130keV小。

于是，在任何一种情形下，与传统静电加速列相比，自此静电加速列产生的X射线的能量可以降低。

当两个分开的电极组元22a和22b形成为弯曲的，使得两个电极组元22a、22b沿着具有所需能量的离子4a的轨道布置时，自此静电加速列产生的X射线能量可以有效地降低。

在具有图1所示结构的静电加速列中，在以下情形下进行了对离子轨道的模拟，该情形为：具有70keV能量的BF₂⁺离子束用作输入离子，且通过静电加速列20加速30keV，以产生具有100keV的所需能量的离子4。各电极和电极组元的电势以表1中的例1中的数据设置。此时离子4的偏转角度为约30度。

结果证明：在电极21附近由具有70keV能量的BF₂⁺离子离解所得的BF⁺(此离子因BF⁺对BF₂⁺的质量数之比而具有约43keV的能量)在电极21和23之间加速30keV以具有约73keV的最终能量，并且被由两个分开的电极组元22a和22b构成的电极22偏转，从而处于图1中离子4b所示的轨道，籍此其与电极25碰撞并被除去。

在此方面，虽然优选的是由两个分开的其上施加不同电势的电极组元构成的电极如上所述那样是第二电极(中间电极)22，但是该电极不限于第二电极，而可以是构成静电加速列20的其它电极。此外，还推荐以此方式构成多个电极。简而言之，优选的是以此方式构成至少一个电极。当以此方构成多个电极时，它们可以多次偏转离子4，以多次地进行能量分离，于是可以更有效地抑制能量污染。

例如，取代将第二电极以上述方式分开，或者在将第二电极以上述方式分开的同时，还推荐以两个分开的电极组元来构成第一电极21，且对其施加不同的电势来偏转离子4；或者同样推荐用两个分开的电极组元来构成第三电极23，并对其施加不同的电势以偏转离子4。优选的是，偏转的离子4偏转超过15度。优选的是，两个分开的电极22和23形成为弯曲的，使得两个电极组元21、23沿着具有所需能量的离子4a的轨道设置。

如上所述的静电加速列20还可以用于加速作为带电粒子的其它例子的负离子的情形，即用于离子4为负离子的情形。在此情形下，施加到由两个分开的电极组元构成的电极中在偏转负离子的方向上的电极组元上的电势被设置得高于施加到相对电极组元上的电势。例如，在图1所示的示例中，V2b＞V2a。其它条件与正离子中的情形相同。

上述的静电加速列20适用于例如离子注入设备。设置有上述静电加速列20的离子注入设备的一个示例将示于图4。此处，与图5所示的传统设备中相同的部件用相同的附图标记表示，且将其重复的描述略去。

此离子注入设备如此构造以通过静电加速列20来加速或减速从上述质量分离磁体6发射出的离子(正离子)4，以将自静电加速列20发射的离子4(具体地，离子4具有所需能量)注入到靶14内，从而进行离子注入。代替正离子，可将负离子用作离子4。

根据此离子注入设备，能量污染如上所述地可通过静电加速列20来抑制，使得在将离子注入到靶14内的情形中，可以抑制离子注入特性的因能量污染导致的下降。此外，使用静电加速列20消除了设置传统设备中所用的能量分离单元的需要，于是能缩短离子4的输运距离。结果，这提高了离子4的输运效率，于是提高了将离子4注入到靶14内的处理量。

本发明以如上所述的方式构造，于是可产生以下的效果。

根据本发明，可以通过由两个分开的电极组元构成的电极部分偏转带电粒子，于是可以形成能量分离作用。因此，可以选择并通过具有所需能量的带电粒子，并抑制能量污染。此外，除了能量分离作用，还可以产生加速或减速带电粒子的固有作用，并在一个静电加速列中实现这些功能，这消除了单独提供传统设备中所用的能量分离单元的需要。因此，与单独地设置能量分离单元的情形相比，可以使带电粒子的输运距离缩短，因而提高带电粒子的输运效率。

根据本发明，可以高效地通过具有特定能量的带电粒子，并通过下游的电极有效地阻挡除该些粒子以外的其它带电粒子和中性粒子。于是，可以进一步产生有效抑制能量污染的效果。

根据本发明，除了上述效果外，还可以产生以下效果。即，可以在两个阶段中加速带电粒子，并在后一阶段中加速带电粒子之前偏转带电粒子，于是可以容易地偏转带电粒子。此外，由于设置了被沿具有所需能量的所述偏转的带电粒子的轨道布置在被分成两个电极组元的第二电极的下游侧的第三电极，所述还可以有效地抑制能量污染。再者，可以通过第二电极来偏转由所不需要的带电粒子的碰撞所产生的电子，并防止电子抵达第一电极。于是，可以减少由电子的碰撞产生的X射线的能量。

根据本发明，可以更容易地获得大的偏转角，使得能量污染可更有效地抑制。

根据本发明，对于正离子，可以产生由如上所述的发明形成的效果。

根据本发明，可以通过上述静电加速列来抑制能量污染，如上所述，于是可以抑制由能量污染导致的离子注入特性的劣化。此外，静电加速列的使用消除了提供传统设备中所使用的能量分离单元的需要，于是可缩短离子的输运距离。结果，可以提高离子的输运效率，于是可以提高离子注入到靶中的处理量。