具有增进效率的扫描磁体设计

摘要

扫描磁体位于离子注入系统的质量分辨磁体的下游，并且被配置为控制质量分辨磁体下游的离子束路径以用于扫描或抖动离子束。扫描磁体具有其中界定有通道的轭部。轭部是含铁的并且具有第一侧和第二侧以界定离子束的对应入口和出口。轭部具有从第一侧到第二侧所堆栈的多个层合物，其中与第一侧和第二侧相关联的多个层合物的至少一部分包括一个或多个槽口式层合物，一个或多个槽口式层合物具有界定在其中的多个槽口。

说明书

本申请案主张在2018年8月21日所提交的名称为《具有增进效率的扫描磁体设计》的美国申请第16/106,745号的权益，其整体内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明大致上涉及离子注入系统，并且更具体地涉及具有扫描磁体构件的扫描设备，扫描磁体构件被配置以提供增加的离子束扫描效率。

背景技术

在半导体装置的制造和在其它离子注入处理中，离子注入系统用来将离子赋予至半导体晶圆、显示器面板或其它类型的工件中。对于半导体而言，典型的离子注入系统或离子注入器利用已知方式或制程用离子束冲击工件，以产生n型或p型掺杂区域或改变其它整体性质，例如在工件中形成钝化层。

一般而言，掺杂剂原子或分子被离子化和隔离、有时被加速或减速、被形成为射束并且被注入工件中。掺杂剂离子物理性地撞击并进入工件表面，接着停留在工件表面下方而在其结晶晶格结构中。典型的离子注入器包括：用于产生离子束的离子源；具有用于在射束内引导和/或过滤(例如，质量分辨)离子的质量分析装置的射束线组件；以及包含待处理之一个或多个晶圆或工件的靶腔室。

基于想要在工件内达到的特性，各种类型的离子注入器允许分别注入不同剂量和能量的离子。例如，高电流离子注入器通常用于高剂量的注入物，而中电流到低电流离子注入器则用于低剂量的应用。离子的能量可进一步变化，其中能量大致上决定离子被注入于工件内的深度，例如用以控制半导体装置中的接面深度。一般而言，在离子束撞击工件之前，高等至中等能量注入器具有相当长的离子束行进长度(亦是所谓注入器的射束线)。然而，至少部分地由于与离子束相关的低等能量的缘故，低等能量注入器一般而言具有短得多的射束线，其中低等能量的离子束倾向于在较长的射束线失去传输。

离子束在所谓的“2-D机械扫描”系统中可以是固定的，其中工件在注入期间以二维方式被机械扫描通过固定射束。此工件扫描通常具有复杂结构，以用于均匀地移动工件通过固定离子束。二维机械扫描系统的一种替代方式是相对于固定工件来扫描或抖动离子束，其中电偏转板或电磁体以受控制方式(在所谓的“二维扫描系统”中)改变离子束的路径。然而，这样的扫描设备通常沿着射束线占据很大一部分的占据面积。此外，在二维扫描系统的情况下，通常更需要聚焦离子束以提供射束的优化扫描。然而，由于离子束相对于聚焦光学件移动的缘故，一般会限制这种聚焦光学件的实施，使离子束聚焦的实施变得困难。

另一方面，所谓的“混合扫描”离子注入系统移动工件通过经扫描的离子束(有时称为经扫描的带状射束，或简称为带状射束)。离子束的扫描通常藉由用扫描组件偏转点状或笔状离子束来执行。扫描组件可以是电性的或磁性的，而使离子束暴露于电力或磁力而改变离子的运动方向并有效地将点状射束扩散为经扫描的带状射束，该带状射束可用后续的射束线光学件被平行化。

相对于电扫描板而言，离子束的磁性扫描在高电流的离子注入器中是有利的，因为扫描磁体中的磁场不会除去存在于高电流的离子束中具有自我中和射束电浆的离子束。高电流注入器具有很大的接受范围，因此扫描仪非常大。此外，因为扫描仪的功率要求会随扫描仪尺寸的增加而增加，所以对磁性扫描磁体的功率要求可能很高。

发明内容

本发明通过提供用于离子注入系统的磁性扫描仪克服现有技术的各种限制，其中磁性扫描仪的尺寸和效率被有利地改善。因此，本发明通过提供更有效的扫描磁体而有利地降低功率需求和操作成本。据此，以下呈现了本发明的简化概述，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。此概述内容不是对于本发明的广泛综述。其既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。其目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

本发明大致上涉及离子注入系统，更具体地涉及用于在真空中扫描离子束的改善的扫描磁体。根据本发明，提供一种离子注入系统，其中离子注入系统包括被配置以产生由离子所组成的射束的离子源。例如，离子源可被配置以产生点状离子束或静态带状射束。离子注入系统进一步包括质量分析器或质量分辨磁体，其被配置以质量分辨由离子所组成的射束。质量分辨孔径被进一步定位在质量分析器下游，其中质量分辨孔径被配置以从离子束过滤不期望的物质。

根据本发明的一个示例性方面，扫描磁体位于质量分辨或分析磁体下游，尽管在一些替代性配置中，扫描磁体也可位于质量分析磁体之前。在该示例中，扫描磁体被配置以在质量分辨磁体下游控制笔状或“点状”离子束的路径，用以扫描或抖动离子束。根据一示例，扫描磁体包括具有其中界定有通道的轭部。例如，轭部是含铁的并且具有第一侧和第二侧以界定离子束的对应入口和出口。轭部包括从第一侧到第二侧所堆栈的多个层合物，其中，与第一侧和第二侧相关联的多个层合物的至少一部分包括一个或多个槽口式层合物，一个或多个槽口式层合物具有界定在其中的多个槽口。此外，提供扫描仪线圈，其中扫描仪线圈包括缠绕在轭部上的至少第一导线。

根据一示例，轭部包括第一半部和第二半部，其中第一半部和第二半部大致上是彼此的镜像。在另一示例中，多个层合物的至少一部分与轭部的一个或多个极边缘相关联。例如，与一个或多个极边缘相关的多个层合物的预定部分包括一个或多个槽口式层合物，其中，多个层合物的其余部分包括大致上平坦的层合物，大致上平坦的层合物具有与多个槽口相关的平坦区域，且其中，平坦区域不包括槽口。在另一示例中，与一个或多个极边缘相关联的一个或多个槽口式层合物大致上在横向于与扫描磁体的操作相关联的通量的方向上减少多个层合物的一部分的长度。

在另一示例中，多个槽口具有被配置以将通量从轭部引导至极间隙的槽口长度，且减少多个层合物内的涡电流，由此不会造成轭部的过度发热。例如，多个层合物被开槽口以类似于梳状结构。在又一示例中，离开轭部的磁通量被引导到场夹钳中，由此场夹钳进一步包括场夹钳层合物，场夹钳层合物中的一些可以是槽口式的。

在又一示例中，一个或多个衬料(例如，一个或多个石墨衬料组件)大致上内衬极间隙的内部区域，由此一个或多个衬料大致上保护扫描磁体免于直接的离子束撞击。例如，一个或多个衬料包括界定在其中的一个或多个衬料槽口，由此一个或多个衬料槽口被配置以大致上减少一个或多个衬料内的涡电流，因而最小化损失和反磁效应。

为实现前述和相关目的，本发明包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅表代可采用本发明的原理的各种方式中的一些方式。当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优点和新颖特征将从以下对本发明的详细描述中变得显而易见。

附图说明

图1示出根据本发明的各个方面的示例性离子注入系统。

图2A示出根据本发明的一个或多个方面的示例性扫描磁体。

图2B是示出本发明进一步方面的图2A的扫描磁体的放大部分。

图3是根据本发明的各种示例的扫描磁体的示例性轭部的立体图。

图4是根据本发明的进一步示例性方面的扫描磁体轭部的一半的槽口式层合物的平面图。

图5是根据本发明的各种示例的扫描磁体的另一示例性轭部的立体图。

图6是根据本发明的另一示例性方面的扫描磁体轭部的一半的平坦层合物的平面图。

图7A、图7B及图7C是层合物的各种配置的立体图。

图8是根据本发明的方面的示例性层合物的立体图。

图9是根据本发明的另一方面的示例性衬料的立体图。

具体实施方式

本发明大致上涉及离子注入和离子束的扫描。更具体地，本发明提供一种经改善的扫描磁体以用于提高离子束的扫描效率。据此，现在将参考随附图式描述本发明，其中相同的组件符号在本文中用于表示相同的组件。应该理解的是，这些方面的描述仅仅是说明性的且不应该被视为具有限制性的。在以下的描述中，出于解释的目的，许多具体细节被加以阐述以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域中技术人士显而易见的是，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明。

现在参考图式，为更好地理解本发明，示例性离子注入系统100在图1中被示意性地示出，其中示例性离子注入系统适于实现本发明的一个或多个方面。应注意，尽管在此处仅示出该离子注入系统100作为一个示例，但是可使用各种其它类型的离子注入设备和系统来实践本发明，例如高能系统、高电流系统或其它注入系统，并且所有这些系统都被视为落入本发明的范围内。

图1中所示的离子注入系统100(也称为离子注入器)包括终端102、射束线组件104和末端站106，其中终端包括由高电压的电源供应器110所供电的离子源108。因此，离子源108可操作以产生离子束112，并且将离子束引导至射束线组件104。例如，离子源108产生被提取并形成为离子束112的带电离子，其中离子束沿着射束线组件104内的标称射束路径114被引导并朝向末端站106。应该注意的是，离子束112可具有相对窄的轮廓(例如，当沿着标称射束路径114观察时呈大致上圆形的横截面)，在下文另外称为“笔状”或“点状”离子束，或者细长的轮廓(例如，当沿着标称射束路径观察时呈大致上椭圆形的横截面)，在下文另外称为“带状”离子束。

应当理解，因为离子束112包括带相同电荷的粒子，所以由于带相同电荷的粒子彼此排斥的缘故，离子束可具有“膨胀(blow-up)”或径向向外扩展的趋势。亦应当理解的是，离子束112的膨胀在低等能量、高电流的离子束(例如，本领域技术人士将理解为具有高导流系数的离子束)中可加剧，其中许多带相同电荷的粒子在相同方向上相对缓慢地移动。如此，粒子间存在大量的排斥力而具有很小的粒子动量以保持粒子在标称射束路径114的方向上移动。

根据本发明的另一方面，射束线组件104包括质量分析器116(也称为质量分辨磁体)。在本示例中，质量分析器116一般以大约90度角形成并且包括一个或多个磁体(未示出)，其中一个或多个磁体一般在质量分析器内建立偶极磁场。当离子束112进入质量分析器116时，它通过磁场相应地弯曲，使得具有不适当的电荷质量比的离子被大致上排除。更具体地，具有太大或太小的电荷质量比的离子被偏转到质量分析器116的侧壁。如此，质量分析器116主要仅允许具有所要电荷质量比的离子束112中的那些离子通过，其中离子束通过质量分辨孔径118离开质量分析器。例如，质量分辨孔径118还被配置为从离子束112过滤不期望的物质。

例如，离子束112一般在穿过质量分辨孔径118之后发散。据此，于质量分析器116的下游，可进一步提供聚焦和/或操纵组件120，其中聚焦和操纵组件被配置以接收经质量分析的离子束112并选择性地聚焦和操纵离子束。聚焦和/或操纵组件120例如可包括偶极或其它多极磁体(未示出)等，并且可被设计为在横向于离子束112的传播方向的两个维度上具有聚焦特性，其中这种聚焦可抵消射束尺寸的扩展，从而良好的传输离子束通过射束在线的限制物(例如真空围体、孔隙等)。

根据本发明，扫描磁体122更定位在质量分析器116下游。例如，可经由电源供应器124将电流波形选择性地施加到扫描磁体122，其中所施加的电流波形可操作以随着时间来回地磁性扫描离子束112，从而沿单一射束扫描平面(例如，沿X轴)“扩散”离子束并定义经扫描的离子束126，其中在所施加的电流波形的周期内将时间平均后，经扫描的离子束可被视为细长射束。离子束112的扫描是通过使电流流过缠绕在层合式含铁的轭部128的一条或多条扫描导线(未示出)，如同将在下文中详细讨论的。

末端站106位于扫描磁体122下游，其中末端站包括工件支撑件130，一个或多个工件132(例如硅晶圆)定位或安装在工件支撑件130上。在一个示例中，工件支撑件130位于大致上垂直于离子束112的方向的靶平面中。替代而言，晶圆支撑件130可用与所示和所描述的角度基本上不同的角度定向。例如，工件支撑件130大致上是固定的。在一个替代示例中，工件支撑件130还可采用能够使工件移动通过离子束112的机械臂或旋转盘的形式。

本发明更提供系统控制器134，其可包括计算机、微处理器或其它控制系统，其中控制器可操作以控制终端102、射束线组件104和扫描磁体122中的一个或多个。据此，可经由系统控制器134调整离子注入系统100，以便基于所需的离子注入的剂量、电流和/或能量以及基于一个或多个测量的特性(例如，由剂量测定系统136所提供)来促成所需的离子注入。

用于传统离子注入系统的扫描磁体使用层合式硅钢芯制造。当引导磁通量通过传统的层合式钢芯时，通常需要特别注意选择合适的层合物和其取向以提高效率。例如，在颁给Glavish的美国专利第5,393,984号和第5,311,028号中提供传统的层合式钢芯。例如，正确取向意谓磁力线平行于层合物表面，使得感应电流最小化。然而，这是在层合式芯技术的限制内实现的，其中扁平的薄层合板被组装成堆栈层。有利的是例如建构轭部和极以使层合物具有相同形状，以使得例如可通过单一工具从薄的硅钢片冲压出层合物。如此，传统的层合物无法轻易地沿任意方向定向，因为迭层决定一较佳、共同的层合方向。

通常也很难对堆栈的层合物组件进行后加工，因为层合物厚度是相对小，并且加工堆栈的层合物有害地改变层合物的形状。此外，层合物的加工也藉由层合物材料的非预期转变于层合物之间而导致层合物彼此的短路。尽管存在各种加工层合物的技术，但是这些技术通常很昂贵且很少在商业上需要。

当磁通量在极间隙的中心离开层合式极件时，例如，通量或磁场的方向大致上不会改变，因为马克士威尔方程式的边界条件规定磁场的切线分量在边界两侧是连续的。然而，在极的边缘，通量的方向可例如根据极的形状而改变，因为大部分通量通过低磁阻的极，但是一小部分的通量沿着极外部的体积中的高磁阻路径通过。更具体地，如图2A的示例性扫描磁体200所示，在入口204和出口206处的场202倾向于被引导离开扫描磁体的轭部208，并且以直角与极表面相遇，亦即H

当激发图2A的扫描磁体200时，电流例如通过法拉第定律在轭部208中被感应出，其中时变磁场将在图2B的层合物214内的任何回路内感应出时变电压。由于层合物214是导电的，因此在层合物内流动的电流倾向于产生反磁场以消除回路电压，因此称为反磁电流。反磁电流沿垂直于磁力线的方向流动，因此层合物214被取向以使层合物表面212平行于磁场。此外，导电介质内部随时间变化的电磁场强度从表面指数地衰减，并且导电介质通常以“趋肤深度”δ为特征，其中δ等于电磁场达到在介质表面的场强度的1/e的深度。在层合物214的取向为层合物表面212平行于磁场的情况下，允许电流流动的层合物214的有效面积或横截面通常被最小化，并且通常是磁场在导体中的趋肤深度的量级上。如果层合物214的厚度是在趋肤深度δ的量级上，则反磁电流被有效地最小化以允许在极间隙216中感应出磁场通过图2A的磁性轭部208。

例如，当层合物的切线场(例如，图2B的场线202C)和垂直场(例如，场线202A)之间的角度很大时，层合物214中的感应电流较大。如果允许反磁电流流动，则扫描磁体200中的净通量减小。此外，由于层合物材料具有有限的电阻，所以这种感应电流例如可引起轭部208的电阻性加热。

因此，为使过度加热减轻，本发明提供图3所示的扫描磁体300，其中扫描磁体包括具有多个层合物304(例如，任何数量的n个层合物，其中n为大于1的正整数)的轭部302。可基于扫描磁体300的期望特性来选择层合物304的数量n，并且本示例不被认为是限制性示例。

注意到，在本示例中，轭部302包括大致上是彼此的镜像的第一半部306A和第二半部306B，如同本领域技术人士将理解到的。此外，尽管为清楚起见未完全示出，但是一个或多个导线或扫描仪线圈308可缠绕在轭部302的各个部分，并且可具有任何形状且可基于各种设计标准进行设计。例如，扫描仪线圈308可包括缠绕在轭部302的一个或多个部分上的简易线圈(为清楚起见在图3中以虚线示意性地示出)，或者可替代地或另外地包括床架线圈或其它线圈(未示出)，如本领域技术人士将理解到的。例如，扫描磁体300可以是在真空中或在空气中。然而，本发明在当扫描磁体300处于真空中时是特别有益的，因为本发明最小化轭部302中的热量累积，其中热量特别难于在真空中传导和冷却。

在一个示例中，多个层合物304的至少一部分310与图3的轭部302的极边缘312(例如，图2A的入口204和出口206)相关联，并且包括槽口式层合物314，其中槽口式层合物包括多个尖齿316，其通常在其间界定出多个槽口318。

例如，图4示出包括槽口式层合物314的示例性层合物304。例如，与图3的轭部302的对应极边缘310相关联的多个层合物304中的一个或多个可包括图4的槽口式层合物314。在一个示例中，全部的多个层合物304包括槽口式层合物314，例如图3中所示。作为图3的扫描磁体300的替代性配置，图5示出具有替代性轭部320的扫描磁体300的示例，其中与极边缘310相关联的任何数量的多个层合物304可包括槽口式层合物314，而与替代性轭部320的中心部分321相关联的多个层合物中的其余部分分别包括如图6所示的大致上平坦的层合物322，其中大致上平坦的层合物具有在其中没有界定出槽口的区域323。

据此，再次参照图3，可例如提供扫描磁体300，以用于磁性扫描图1的离子束112，由此图3的扫描磁体包括具有在其中界定通道324的轭部302。在本示例中，多个尖齿316朝向通道324向内延伸。例如，通道324可被轭部302完全包围，如图3所示。替代而言，通道324可以是大致上C形或其它形状(未示出)，由此轭部不完全封闭通道的所有侧边。应该注意的是，任何形状的轭部302都被视为落入本发明的范围内。例如，图3的轭部302的第一侧326A和第二侧326B大致上界定用于图1的离子束112的对应入口328A和出口328B，其中轭部包括从轭部的第一侧到第二侧大致上彼此堆栈的多个层合物304。

根据本发明，例如，图3的(多个)槽口式层合物314被配置为大致上防止大的感应电流，如上面所述。例如，与相应的极边缘310相关联的(多个)槽口式层合物314大致上在横向于与扫描磁体300的操作相关联的通量的方向上减少多个层合物304的一部分的长度。例如，大部分的电流流动是沿着多个层合物304的外层，从而电流在远超过趋肤深度δ的深度处显著地减小。多个层合物304中的每一者的趋肤深度δ是在其内形成有涡电流的厚度，由此趋肤深度与操作频率的平方根成反比。

为更好地理解与层合物相关的电流和损耗，图7A-7C是经提供以作为背景说明。如图7A所示，提供有厚的层合物330，其具有显著大于趋肤深度δ的层合物厚度W。例如，这种厚的层合物330会藉由主磁场By经历被短路(shorted out)的循环电流J，导致没有净通量经过层合物磁极且会经历高损耗。在图7B中示出非常薄的层合物332，由此厚度W显著小于趋肤深度δ。如此，非常薄的层合物332可不经历循环电流(J＝0)的流动，因为层合物两侧的两个电流互相抵消。如此，可以低损耗引导通量通过层合物304。如图7C所示，在另一层合物334中，循环的反磁电流在横向场Bx之下流动，但在层合物304中会有损耗。

因此，根据本发明，如图8简化的槽口式层合物336所示，多个槽口318具有被配置以将通量342从轭部302引导至极间隙344(例如，离子束所穿过并且其中磁场或扫描场受到控制的区域)的槽口间距338和槽口深度340，但多个槽口是足够短而不会引起轭部的过度加热。例如，图3和图4的多个层合物304被开槽口以类似于梳状结构。

例如，通量342是磁场的积分(也称为通量密度)，由此离开极的场线可被解释为通量。例如，槽口间距338与层合物334的厚度W有关。在一个有利的示例中，槽口间距338例如是在层合物334的厚度W的量级下，由此槽口318与设置在图3的多个层合物304之间的绝缘体一样厚(例如，大约0.1mm–未示出)。然而实际上，可能难以将槽口间距338控制到如此小的尺寸(例如，大约0.1mm)。因此，可通过增加层合物334(例如，钢)的厚度W来适应图8的槽口间距338的增加，以便在不增加极边缘的磁阻和改变图3的扫描磁体300的光学特性的情况下保持大致上固定的填充系数(例如，钢与绝缘体的比率)。

在又一示例中，图9示出一个或多个衬料346，其中一个或多个衬料被配置为大致上内衬在图3的极间隙344的内部区域348上。例如，一个或多个衬料346由石墨所组成，由此一个或多个衬料大致上保护图1的扫描磁体122免受直接来自离子束112的离子束撞击。在一示例中，一个或多个衬料346中的一个或多个进一步包括界定在其中的一个或多个衬料槽口350。在一示例中，一个或多个衬料槽口350被进一步配置成大致上减少一个或多个衬料346内的涡电流，因而最小化损失和反磁效应。

更注意到，本发明进一步考虑到用于离子注入器的各种偶极设计，其被配置为通过使用场夹钳(未示出)来减小边缘场的长度。与上面关于扫描磁体300所讨论的类似，如果磁场以与场夹钳层合物的表面不相切的角度进入场夹钳，则场夹钳可被层合并开出槽口以使损耗最小化，并且所有这些实施方式被视为落入本发明的范围内。

尽管已经相对于一个或多个特定较佳实施例示出和描述本发明，但是很明显的是，在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域技术人士将想到任何等效的变更和修改。特别是关于上述构件(组件、装置、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类构件的用语(包括对“装置”的引用)旨在与执行所描述的构件(亦即，功能上等效)的特定功能的任何构件对应，尽管在结构上不等同于在此示出的本发明的示例性实施例中执行该功能的所发明的结构。除此之外，尽管可能仅关于若干实施例中的一个发明本发明的特定特征，但是这样的特征可与其它实施例的一个或多个其它特征组合，如对于任何给定或特定应用可能期望和有利的。