[发明专利]带状粒子束用的质量分析磁铁

说明书

技术领域

本发明是涉及半导体元件制造领域，尤其涉及半导体及其他元件制造所用的离子植入机中使用的带状离子束质量分析磁铁。

背景技术

通常，束线(beamline)离子植入机提供处理工件所用的离子束，以得到想要的元件特性。在一种应用中，工件是指半导体晶圆(semiconductor wafer)，离子束将特定的想要的杂质掺入到该半导体晶圆中。在其他应用中，离子束可为工件提供精确的材料改性(materialmodification)。除了半导体晶圆之外，工件也可包括(但并不局限于)扁平面板、太阳电池板(solar panels)以及聚合物基板(polymersubstrates)。

离子植入机通常包括用以产生等离子(plasma)的离子源室，萃取电极组件从等离子中提取离子束。然后离子束可被引导以前往具有特定磁场的质量分析磁铁，使得只有具想要的荷质比(charge to mass ratio)的离子能够穿过此质量分析器。然后，本领域技术人员所知的其他束线元件(包括校正磁铁与加速透镜、减速透镜)可操控经过质量分析的离子束，使离子束前往工件的表面。通过离子束的移动、工件的移动或两者相结合，离子束可分布在工件的整个表面上。当离子撞击工件中的电子与原子核时，这些离子会损失能量，且根据其加速能量，在工件内的想要的深度之处停下来。

图12为一种已知的质量分析磁铁1，此质量分析磁铁1具有一对极片2，这对极片2界定了一个可供离子束4从中穿过的间隙3。这对极片2会产生偶极磁场(dipole magnetic field)，此偶极磁场会提供弯力给穿越间隙的离子束4。对于离子束中的不同离子物种，根据离子的电荷状态、能量以及质量，弯曲量会略微不同。已知的质量分析磁铁的极片2之间所产生的磁场平行于该磁铁所形成的图像/聚焦的方向。离子的质量对离子的电荷之比影响着两极片之间所形成的磁场对离子进行横向加速达到的程度。因此，当来自于离子源的离子束穿越已知的质量分析磁铁时，不同的离子物种会经过不同的轨迹，且质量分析磁铁会选取具有与想要的质荷比有关的轨迹的离子。位于质量分析磁铁下游的质量解析狭缝会选取想要的物种(例如，B+)，而不想要的物种则被质量解析狭缝四周的导电板收集起来。离子质量稍低的离子(偏离较大的角度)或离子质量稍高的离子(偏离较小的角度)不会穿过。这些磁分析器中的大多数也会将带状离子束的流向定为平行于偶极场。然而，这些质量分析磁铁所能容纳的离子束的尺寸会受限于磁极间隙的尺寸。

随着一些工件尺寸的不断增大(例如，半导体晶圆碟片尺寸可从直径为300毫米(mm)增大至450毫米(mm)，甚至更大)，且为了能够灵活地处理不同尺寸的工件，将离子束的宽度增大为带状离子束是有利的。带状离子束是指呈带状的离子束，或者其形状为沿着一个方向的离子束的第一尺寸大于沿着第二方向的离子束的第二尺寸，其中第二方向垂直于第一方向。带状离子束可具有大致为矩形的横剖面形状，其中此带状离子束的宽度大于其高度至少三倍。

这种使不同的离子按不同的轨迹弯曲的已知质量分析磁铁具有有限的磁场强度，它随着磁极间隙的增大而减小。换言之，此磁场强度是与离子束的宽度成反比。磁极间隙增大也会降低横跨离子束宽度的磁场均匀度。因为对于离子束中的不同离子物种，弯曲量会稍微不同，所以当离子穿越不均匀的磁场时，该磁场会影响离子轨迹的质量分析，因而产生不想要的质量分析结果。为了要容纳具相同质量与能量的较宽的带状离子束，这种已知的质量分析磁铁就需要较大的弯曲半径，从而需要较长的路径长度。这会造成磁铁的实体较大，需要较多的电源供应电压来驱动流经磁铁的想要的电流，以在磁极间隙中提供特定的磁场强度。然而，当磁铁达到一定的尺寸时，就会变饱和，且磁场仍然不均匀。如此一来，已知的质量分析磁铁的尺寸、成本以及电力消耗都会增大。美国专利第6,498,348号中提供了另一种质量分析装置，此质量分析装置使用细长磁极阵列，这些磁极是配置在垂直于离子束的平面内，而离子束则平行于阵列延伸方向而移动。如此一来，磁场既垂直于带状离子束的宽度(X轴)又垂直于离子束图像的方向(Z轴)。然而，这种磁铁是缠绕在穿越该磁铁的带状离子束的高度(Y轴)上，且需要带状离子束发生较大程度的侧向移动才能工作。这使得磁铁的尺寸增大，也使得离子束必须穿越的距离增大，进而造成离子束电流的损耗增大。

因此，本领域中需要一种改良的质量分析磁铁，此质量分析磁铁与增大的带状离子束宽度之间协调良好，能够克服上述的不足与缺点。本领域中还需要一种能够提供均匀磁场的质量分析磁铁架构，它所提供的磁场在整个带状离子束宽度上保持不变。