[发明专利]重离子束的快速磁扫描

说明书

本发明涉及磁装置，诸如扫描元素的原子和分子的重离子束的离子注入器。

在许多工业和科学应用方面需要用离子束对某些表面进行均匀地辐射。例如，诸如硅晶片的半导体的整形(modification)经常是通过离子注入器来实现，利用一特定种类和能量的离子或分子束对表面进行均匀地辐射。因为晶片或基片的物理尺寸(例如，直径约5英寸或更大)大于辐射束的横截面积(例如，直径约2英寸或更小)，所以所需的均匀辐射通常用离子束对晶片进行扫描或使晶片通过离子束的扫描，或这两种技术的结合来实现。

由于以下原因，其显著的优点是在整个基片上具有高的束扫描速率：辐射均匀大大地避免了离子束通量的变化；在低辐射量等级上，较高的晶片通过量是可能的；和对于高辐射量应用，大大减小了因局部表面带电、热波动，和诸如溅射的局部粒子感应现象引起的溅射和辐射危害。

仅以往复机械运动为基础的扫描技术在速度上很受限制。晶片按弧线通过离子束的运动大大改进了扫描速度，但需要将许多晶片或基片同时装入一个旋转的转盘传送带，以便获得离子束的充分利用。

在一个通常的技术中，用一个时变电场使离子束来回地以一个方向进行扫描，而晶片在另一方向往复地运动。在这种混合型的注入器中，离子束以及对晶片进行处理的速率分别受到在该时变电偏转场的区域中起作用的空间电荷力的限制。这些力使得离子束中的离子向外散射，产生了一个难以处理的大离子束包络。这种空间电荷限制也发生在使用时变电场以双向扫描离子束的注入器中。

空间电荷散开(space-charge blow-up)是离子束的横向速率沿该离子束轴随距离增加的速率。它正比于质量规一化离子束导流系数 ζ = I M 1 2 E - 3 2 ]]>

其中I是离子束流，M是离子质量，而E是离子能量。(见The Physics andTechnology of Ion Sources，Ed.lan G.Brown，John Wiley & Sons，NewYork1989).对于离子束注入器中遇到的典型离子束构形来说，空间电荷作用变得限制在这样的一个导流系数下，即ζ＝0.02[mA][amu]^1/2[keV]^-3/2。于是，一个80keV砷离子束变成限于在-1.7mA的空间电荷，而一个5keV离子束变成限于在-0.03mA的空间电荷。因而，利用振荡的电场进行离子束扫描是不适用于需变效率的商用离子注入器的，在这种离子注入器中，离子束流最好大于几个毫安，即使在能量如10keV那么低时。

在注入器中产生用于高频时变磁场用于扫描的离子束的扫描磁体由美国专利5,311,028号中发明人之一进行了描述，在该专利中，呈轭状并由相对薄的电绝缘材料分离的高导磁率叠片构成的扫描磁体能被用来以直至1000Hz的频率扫描高导流系数重离子束。

本发明针对能够发生并在磁离子束扫描中已观测到的、所不希望的等离子体情况，提供了增强离子束扫描的辐射均匀性、精度和可重复性的技术。当用于扫描离子束的扫描磁场经过或接近于零时，这种效果表现为离子束发射中的一种突然变化(即，当显示在离子角对位置的曲线(a plot of ion angle versus position)上时由所有离子占据的面积)。