[发明专利]在低能模式中操作高能加速器的方法及装置

说明书

相关的专利申请

这份专利申请要求在此通过引证被并入的于2000年2月11日提交的临时专利申请第60/182,079号的利益。

本发明的技术领域

本发明涉及带电粒子加速器，更具体地说涉及用来在低能模式中操作高能加速器的方法和装置。

本发明的现有技术

离子注入是商业上接受的用来把改变电导率的杂质引入半导体晶片的标准技术。在传统的离子注入系统中，所需要的杂质材料在离子源中离子化，离子被加速成规定能量的离子束，然后使离子束对准晶片表面。离子束中的高能离子刺入大多数半导体材料并且嵌进半导体材料的晶格，从而形成电导率符合需要的区域。

与注入晶片的累积离子剂量、注入深度、横跨晶片表面的剂量均匀性、表面的损害和不受欢迎的污染有关的苛刻要求都被放到包括离子注入的半导体制造工艺上。注入剂量和深度决定注入区域的电活性，而剂量均匀性是保证半导体晶片上所有的器件都具有在规定的限度范围内的操作特性必不可少的。

为了在半导体晶片上形成器件，在不同的深度注入杂质通常是必需的。束中粒子的能量对于粒子刺入半导体晶片的深度是决定性的。当器件在尺寸方面被减小、在速度方面被增加时，使用非常低的能束在半导体晶片上形成诸如浅晶体管结之类的东西已经变得令人向往的。

然而，采用低能离子束的离子注入不是一件琐细的工作。在离子束之内的离子通常是带正电的粒子。带电粒子的静电斥力引起离子束发散，尤其是在低能的情况下，在这种场合个别粒子的低速度规定粒子在到达目标晶片之前在粒子束范围内保持比较长的时间周期。

由于给定的在半导体晶片上制造电子器件的“处方”可以要求在高和低两种能量下的注入步骤，控制离子注入设备在宽广的注入能量范围上注入离子可以是令人向往的。这避免了在适合不同能量范围的不同的离子注入设备中与离子注入相关联的时间、附加费用和潜在的晶片污染。

高能离子注入设备可以使用所谓的串列式加速器，它接受能量在几万电子伏特特数量级上的低能离子束并且进一步把离子束加速到几十万到几百万电子伏特特的能量范围。串列式加速器通常包括被装配成称为加速器柱状物的串联结构的低能加速器管、端子和高能加速器管。加速器管包含许多被绝缘环分开的加速器电极。正高压被高压电源加到端子上，并借此加到低能加速器管和高能加速器管两者的最高电压极上。毗邻的加速器电极通过在各个加速器电极之中分配外加电压的高阻值电阻器互相连接起来。在第一和第二加速器管之间的端子包含用来使离子束中的离子从负电荷转变成正电荷的充气的变高压电极管。在正常的高能模式中，阴离子束射入串列式加速器，经低能加速器管加速后到达端子，然后被转变成阳离子束，再在高能加速器管中被进一步加速。

为了产生低能的离子束，把阳离子束注射到串列式加速器之内并且把高电压电源关掉是符合要求的。然而，高能加速器不起作用之后寄生电位可以保留在加速器电极上。此外，低能离子束的边缘可以撞击加速器电极并引起这些电极产生正电压。接在加速器电极之间通常大约为100兆欧的电阻器不足以使电极在低能操作期间放电。加速器电极位于用SF₆气体增压并且在操作期间不可接近的高压箱中。结果是在加速器电极上的正电压可以在低能操作期间移动来自离子束的自由电子。与离子束中的阳离子一起旅行的电子具有减少离子束的空间电荷的扩充趋势的有益效果。因此，加速器电极上的正电压在低能操作期间将恶化离子束的空间电荷扩充和减少通过加速器输送的射束电流。

因此，需要在低能模式中操作高能加速器的方法和装置。

本发明的概述

本发明提供有能力在高能和低能两种状态下操作并且使有效的低能操作可行的离子注入设备。开关组件是为了把高能加速器的加速器电极接到选定的电位(例如接地或适当的负电位)上以便把可以对离子束产生不利影响的寄生电压从加速器电极上除去而配置的。

依照本发明的一个方面，提供一种能在高能模式中和低能模式中操作的带电粒子加速器。带电粒子加速器包括用来产生高电压的高压电源、与高压电源耦合的加速器柱状物和开关组件。加速器柱状物包括众多有用于输送带电粒子束的孔的加速器电极和接在加速器电极的毗邻电极之间用来在诸加速器电极之中分配高电压的电阻器。高压电源在低能模式中被禁止激励加速器柱状物。开关组件包括一个或多个用来在低能模式中把加速器电极电连接到参考电位上并且在高能模式中把加速器电极与参考电位电隔离的开关元件。