專利名稱：離子源中的陰極和反陰極裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子源，其包括適用于離子注入機(jī)的陰極和反陰極。
背景技術(shù)：
盡管本發(fā)明可能有許多其他的應(yīng)用，但它的預(yù)期應(yīng)用是用于離子注入機(jī)中，該離子注入機(jī)用于半導(dǎo)體器件或其他材料的制造。在此類應(yīng)用中，通過向晶片體內(nèi)注入所需的摻雜粒子(species)的原子而形成具有不同電導(dǎo)率的區(qū)域，可改變半導(dǎo)體晶片。普通的摻雜物包括硼、磷、砷和銻。
典型地，離子注入機(jī)包括處于真空室內(nèi)的真空下的離子源。該離子源利用在電弧室內(nèi)生成的等離子體來產(chǎn)生離子。從電弧室內(nèi)引出等離子體離子并使其穿過質(zhì)量分析臺(tái)，從而選擇出所需質(zhì)量的離子，使其向前行進(jìn)以撞擊半導(dǎo)體晶片。在專利號為4,754,200的美國專利中對離子注入機(jī)有更詳細(xì)的描述。
在一種典型的Bernas型離子源中，陰極發(fā)射出熱電子，磁場迫使該熱電子沿著朝向反陰極的電子軌跡行進(jìn)。電弧室內(nèi)的前體氣體分子之間的相互作用產(chǎn)生了所需的等離子體。
在一種已知的裝置中，反陰極與陰極相連接，從而使它們處于共同的電勢下(專利號為5,517,077和5,977,522的美國專利)。反陰極排斥從陰極射來的電子，增加了電弧室內(nèi)的電離作用效率。
在另一種已知的裝置中，反陰極是電絕緣的，因而它對等離子體的電勢是浮置的(專利號為5,703,372的美國專利)。
通過控制磁場對注入器的質(zhì)量分析臺(tái)進(jìn)行操作，從而選擇所需質(zhì)量的離子(通過它們的動(dòng)量與電荷狀態(tài)的比值)并排除不需要的離子(到達(dá)使不需要的離子沿磁場中的不同路徑行進(jìn)的程度)。例如在采用硼摻雜的情況下，通常采用BF3作為前體氣體。電弧室內(nèi)的離解作用產(chǎn)生了典型地包括有B+、BF+和BF2+離子的等離子體。引出這一離子混合物，并使其進(jìn)入質(zhì)量分析臺(tái)，該質(zhì)量分析臺(tái)確保只有所需的B/BFx粒子被傳送至半導(dǎo)體晶片。盡管許多注入方法要求注入B+離子，但也有其他的一些采用BF2+離子。由于BF2+離子撞擊半導(dǎo)體晶片時(shí)離解，使得到的硼原子以降低的能量被注入，生成了在某些應(yīng)用中所要求的較淺摻雜層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是增加離子源的操作靈活性，例如對來源于公共源材料的用于注入不同粒子的源進(jìn)行優(yōu)選，或者對來自特定給料物質(zhì)的特定離子物質(zhì)(ion species)的輸出進(jìn)行優(yōu)選。
第一個(gè)方面，本發(fā)明涉及離子源，其包括真空室；電弧室，其可被操作以產(chǎn)生并容納等離子體；陰極，其可被操作以沿著電子軌跡將電子射入電弧室中；設(shè)置在電子軌跡中的反陰極；分別與陰極和反陰極中的每一個(gè)單獨(dú)相連的電連接，該電連接包括分別通向真空室外部的真空通路；以及位于真空室外部的電壓電勢調(diào)節(jié)器，該電壓電勢調(diào)節(jié)器通過該真空通路至少與反陰極相連接，并可被操作以改變反陰極相對于陰極的電勢。
術(shù)語電壓電勢調(diào)節(jié)器應(yīng)該被廣泛解釋為包括可以被操作以改變反陰極相對于陰極的電勢的任何類型的器件。例如，電壓電勢調(diào)節(jié)器可包括開關(guān)、可變電阻、電源或分壓器中的一種或多種。
因此，可改變反陰極的電勢，從而能對反陰極反射電子的效率進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，如果保持反陰極的電勢與陰極的相同，則延長了陰極所發(fā)射的電子在電弧室內(nèi)的壽命，從而產(chǎn)生強(qiáng)度更高的等離子體，增進(jìn)了源氣體分子的電離和分解(cracking)?；蛘撸蓪⒎搓帢O設(shè)置為不同的電勢或可允許設(shè)置為浮置的，從而使在電弧室內(nèi)導(dǎo)致電離和分子分解的電子的壽命變短。這對于要求較低等離子體強(qiáng)度以及需要限制源氣體分子分解的場合可能是有利的。因此，以這種方式控制離子源可以控制電弧室內(nèi)的離子物質(zhì)為較低濃度，并能將離子傳送到質(zhì)量分析臺(tái)。例如在對離子源的操作可按照要求適于采用B+、BF+或BF2+的情況下，這對于硼注入是特別有用的。
可操作電壓電勢調(diào)節(jié)器以接通或斷開陰極和反陰極之間的電接觸?？蛇x地，設(shè)置離子源以便當(dāng)斷開陰極和反陰極之間的電接觸時(shí)，可操作電壓電勢調(diào)節(jié)器以使反陰極電絕緣。由于允許反陰極對等離子體設(shè)定的電勢浮置，因此這是很方便的。
可選地，可操作電壓電勢調(diào)節(jié)器以選擇反陰極相對于陰極的電勢。電壓電勢調(diào)節(jié)器可包括含有開關(guān)、可變電阻、電源和分壓器的組中的至少一個(gè)。在采用電源的情況下，反陰極上的電勢可能并不介于浮置電勢和陰極電勢之間。
本發(fā)明可與包括陰極和反陰極反射器或反射極的任何離子源類型一起使用。
離子源通常進(jìn)一步包括磁體，其被設(shè)置用于在電弧室內(nèi)提供限定電子軌跡的磁場，盡管這樣的磁性裝置并非必須的。這為熱電子提供了較長的電子軌跡長度，否則熱電子可能被直接吸到鄰近的電弧室的壁上。磁場限制電子沿著電弧室的長度行進(jìn)，例如在該電弧室中，陰極和反陰極可設(shè)置在電弧室的相對端。
第二方面，本發(fā)明涉及包括前述離子源的離子注入器，其中電弧室進(jìn)一步包括出口縫隙，而離子注入器進(jìn)一步包括引出電極和質(zhì)量分析臺(tái)，該可操作引出電極以通過出口縫隙從電弧室內(nèi)的等離子體中引出離子，為了將離子注入靶內(nèi)，可設(shè)置該質(zhì)量分析臺(tái)以接收從電弧室引出的離子，并可操作該質(zhì)量分析臺(tái)以按照特定能量傳送選定質(zhì)量和電荷狀態(tài)的離子。
本發(fā)明的又一方面提供了操作上述離子源的方法，包括下列步驟設(shè)置陰極和陽極的電勢；設(shè)置電壓電勢調(diào)節(jié)器以在反陰極上加上所需的電勢；使電弧室充滿氣體；以及充分加熱陰極以便足以引起電子發(fā)射。


圖1是離子注入器的原理圖；圖2是第一種離子源的側(cè)視圖；圖3是包括有間接加熱式陰極裝置的第二種離子源的側(cè)視圖；圖4是具有間接加熱式陰極裝置的離子源簡圖，圖中展示了根據(jù)本發(fā)明第一種實(shí)施方式的偏壓裝置；以及圖5是具有簡單燈絲裝置的離子源簡圖，圖中展示根據(jù)本發(fā)明第二種實(shí)施方式的偏壓裝置。
具體實(shí)施例方式
為提供本發(fā)明的上下文關(guān)系，圖1示出了一個(gè)示例性應(yīng)用，但應(yīng)該理解這僅僅是本發(fā)明應(yīng)用的一個(gè)示例而決不是限定性的。
圖1示出了用于將離子注入半導(dǎo)體晶片12的離子注入器10，其包括根據(jù)本發(fā)明的離子源14。離子源14所產(chǎn)生的離子被引出并穿過質(zhì)量分析臺(tái)30。選擇所需質(zhì)量的離子，使其穿過質(zhì)量分辨(mass-resolving)狹縫32后撞擊半導(dǎo)體晶片12。
離子注入器10包括離子源14，其位于真空室15內(nèi)用于產(chǎn)生所需粒子的離子束。離子源14通常包括電弧室16，該電弧室包含有位于電弧室一端的陰極20和由電弧室16的室壁18提供的陽極。充分加熱該陰極20以產(chǎn)生熱電子。
當(dāng)然，由陰極20發(fā)射出的熱電子被吸引到陽極，即鄰近的室壁18上。在氣體分子穿過電弧室16時(shí)，熱電子電離氣體分子，從而形成等離子體并生成所需的離子。
對熱電子行進(jìn)的軌跡進(jìn)行控制，從而防止電子僅僅沿著最短的軌跡向室壁18移動(dòng)。磁體46提供了延伸穿過電弧室16的磁場，從而使熱電子沿著電弧室16長度上的螺旋型軌跡，朝位于電弧室16相反端的反電極44行進(jìn)。
進(jìn)氣裝置(gas feed)22用前體氣體粒子，在這種情況下為BF3，充滿電弧室16。電弧室16保持在由真空室提供的減壓下。行進(jìn)穿過電弧室16的熱電子電離前體BF3氣體分子并使BF3分子分解形成BF2、BF和B分子以及離子。這些以等離子體產(chǎn)生的離子也會(huì)含有微量的雜質(zhì)離子(例如從室壁材料產(chǎn)生)。
相對于我們實(shí)際的離子注入器10，圖1所示的離子源14(包括磁體46)旋轉(zhuǎn)90°。實(shí)際上，陰極20和反陰極44排列于與頁面平面相垂直的軸上，但為了清楚的緣故，將其以旋轉(zhuǎn)后的排列示出。
用負(fù)偏置引出電極26通過出口縫隙28從電弧室16中引出離子。由電源21在離子源14和隨后的質(zhì)量分析臺(tái)30之間施加電勢差，以加速所引出的離子，離子源14和質(zhì)量分析臺(tái)30相互之間通過絕緣體(未示出)電絕緣。然后，引出的離子混合物穿過質(zhì)量分析臺(tái)30，使其在磁場的作用下沿著曲線軌跡行進(jìn)。任何離子行進(jìn)的曲率半徑由其自身的質(zhì)量、電荷狀態(tài)和能量決定，并對磁場進(jìn)行控制以便對于一個(gè)固定的射束能量，只有那些具有所需質(zhì)量和電荷狀態(tài)的離子會(huì)沿著與質(zhì)量分辨狹縫32相一致的軌跡被引出。然后，射出的離子束傳送至靶，即基底晶片12，從而注入了離子束，或者當(dāng)靶位上無晶片12時(shí)，離子束傳送到束擋板38。在其他方式下，采用位于質(zhì)量分析臺(tái)30和靶位置之間的透鏡組件也可使離子束減速。
半導(dǎo)體晶片12是位于圓盤傳送帶36上的許多半導(dǎo)體晶片之一，該圓盤傳送帶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使晶片12依次呈現(xiàn)給入射離子束。此外，旋轉(zhuǎn)的圓盤傳送帶36可從一側(cè)平移到另一側(cè)，從而使入射離子掃描整個(gè)的每塊晶片12。由于晶片12處于旋轉(zhuǎn)中，離子束有時(shí)并未射到晶片12上，因此離子將延續(xù)到靶位置之外撞擊束擋板38。在另一種裝置中，可裝配單個(gè)晶片12用于注入。
圖2和3更詳細(xì)地示出了兩個(gè)可用于圖1離子注入機(jī)10中的離子源14，圖2對應(yīng)燈絲裝置而圖3對應(yīng)間接加熱式陰極裝置。
首先參見圖2，用作陰極的燈絲40設(shè)置于電弧室16的一端，位于電子反射極42的前面。保持電子反射極42的負(fù)電勢與燈絲42的相同，從而使它們都排斥電子。在電子反射極42和包括電弧室16最內(nèi)部的襯里56之間存在一個(gè)小間隙。該間隙確保了電子反射極42與用作陽極的襯里56電絕緣。使該間隔最小化，從而避免前體氣體從電弧室16發(fā)生損失。反陰極44位于電弧室的遠(yuǎn)端，與襯里16也有一個(gè)小間隙，以確保電絕緣并使氣體泄漏最小化?？刹僮鞔朋w46(僅在圖1中顯示)以提供磁場，該磁場使從燈絲40發(fā)射出的電子按照沿著電弧室長度的螺旋軌跡34朝反陰極44行進(jìn)。通過進(jìn)氣裝置22，或者通過可加熱固體或液體的蒸發(fā)器23使電弧室16充滿前體氣體粒子。
用兩個(gè)夾子48將燈絲40固定在適當(dāng)位置上，每一個(gè)夾子都通過絕熱部件(insulating block)52連接到離子源的本體50上。絕熱部件52裝配有護(hù)罩54，以防止任何分子逃逸出電弧室到達(dá)絕熱部件。
很明顯，圖3與圖2大部分一致，因此為了簡明的緣故不再對同樣的部件展開描述。此外，對相同的部件采用相同的附圖標(biāo)記。
圖2和圖3之間的差別在于電弧室的頂部，圖3中示出了間接加熱式陰極裝置。陰極由管60的端蓋58提供，管60凸入電弧室16中少許，其包括加熱燈絲62。使加熱燈絲62和端蓋58保持于不同的電勢下，以確保由燈絲62發(fā)出的熱電子加速進(jìn)入端蓋58中，在管60和電弧室16的襯里56之間留出保持電絕緣的間隙。電子加速進(jìn)入端蓋58中將能量轉(zhuǎn)移給端蓋58，使其充分加熱，從而發(fā)出熱電子射入電弧室16中。
由于燈絲40會(huì)被等離子體的活性離子和離子轟擊快速腐蝕，因此這種裝置是對圖3的燈絲裝置進(jìn)行的改進(jìn)。為了減輕這一問題，將間接加熱式陰極的加熱燈絲62裝在封閉的管60內(nèi)，使離子不會(huì)與加熱燈絲62相接觸。
轉(zhuǎn)到圖4，圖3的電弧室16的在電源64附近的簡圖被示出。虛線框66表示裝在真空室15內(nèi)的部件和位于大氣70中的部件之間的界限。很清楚的是，位于大氣70中的部件無需破壞真空68即可容易地進(jìn)行調(diào)節(jié)。
從圖4可看出，位于大氣中的一系列的三個(gè)電源向離子源14的各個(gè)部件提供了不同的電勢。燈絲電源72向燈絲62提供了較高的電流。偏壓電源74用于設(shè)置端蓋58上的電勢，端蓋相對于燈絲為正電勢，從而使從燈絲62發(fā)射出的熱電子加速向端蓋58行進(jìn)。電弧電源76保持電弧室16的室壁18(即襯里56)相對于端蓋58為正電勢。
也在反陰極44上設(shè)置電連接，該電連接穿過處于真空/大氣界限66處的真空通路80，通過控制繼電器78與電弧電源76相連接。控制繼電器78允許接通或斷開電連接而不會(huì)使真空室15與大氣70連通。當(dāng)關(guān)閉控制繼電器78時(shí)，反陰極44被固定為與端蓋58具有相同的電勢，從而確保朝反陰極44行進(jìn)的電子受到排斥而通過電弧室16返回，從而使電離前體氣體分子和分解供給材料的機(jī)會(huì)增加。當(dāng)控制繼電器78打開時(shí)，反陰極對電弧室16內(nèi)的等離子的電勢是自由浮置的。這意味著電子不再強(qiáng)烈地受到反陰極44的反射。
當(dāng)采用固定(tied)電勢裝置時(shí)，由于電弧室16中的電子密度高，在電弧室16中分解BF3分子的機(jī)會(huì)增加。因此，等離子體中的硼離子相對于全部其它離子類型(如BF和BF2離子)的百分比增加。當(dāng)反陰極44處于絕緣狀態(tài)并對等離子體設(shè)置的電勢為浮置時(shí)，分解下降，使得等離子體中保持有更多的分子離子(如BF+和/或BF2+)。如前所述，硼或BF2+離子對半導(dǎo)體晶片12的離子注入是優(yōu)選的。改變反陰極44的電勢，使入射到質(zhì)量分析臺(tái)30上的優(yōu)選離子數(shù)目達(dá)到最大，從而對于向前傳送至半導(dǎo)體晶片12是可用的。因此，固定電勢裝置更適用于采用硼離子的注入，而浮置裝置更適用于采用BF2+離子的注入。
圖5大致地對應(yīng)于圖4，因此為了簡潔的緣故不再對同樣的部件進(jìn)行描述。此外，相同的部件的附圖標(biāo)記相同。
圖5所示的的裝置與圖4的類似，但該裝置具有燈絲40而不是間接加熱式陰極。圖2和圖5的離子源14包括位于電子反射極42之前的燈絲40。通過電連接82，使燈絲40和電子反射極42始終保持為相同的負(fù)電勢，電連接可位于真空68內(nèi)。此外，由于燈絲40和電子反射極42之間不存在電勢差，因此無需采用單獨(dú)的偏壓電源74。因此，單一的電弧電源76在電子反射極42和燈絲40上設(shè)置了與室壁18(或襯里56)相對的電勢。
另外，圖5的實(shí)施方式對應(yīng)于圖4的實(shí)施方式。因此，根據(jù)控制繼電器78的開或關(guān)的情況，可分別將反陰極44固定為與燈絲40和電子反射極具有共同的負(fù)電勢，或者對等離子體設(shè)置的電勢浮置。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下可對上述實(shí)施方式作出各種變化。
在上述實(shí)施方式采用控制繼電器78作為使反電極44連接或斷開電弧電源76的開關(guān)的同時(shí)，也可以采用其他設(shè)置。例如，可采用開關(guān)將反陰極44連接到陰極20或替代電源上。替代電源可以是圖4和5所示的電源之一，或者也可是其他電源。進(jìn)一步的替換方案可能是接入一個(gè)分壓器以提供分壓電勢，以及可操作一個(gè)開關(guān)以將反電極44連接到陰極20或分壓電勢兩者之一上。
控制繼電器78的例子僅是開關(guān)裝置的一種優(yōu)選形式，該開關(guān)可用任何數(shù)目的典型方式實(shí)現(xiàn)。
很清楚的是，可按照要求選擇用于構(gòu)建離子源14的材料和各個(gè)部件的具體設(shè)置。
盡管上述實(shí)施方式在離子注入器10的離子源14的上下文中描述了本發(fā)明，但本發(fā)明可以用于其他應(yīng)用中，例如用于離子簇射(ionshower)系統(tǒng)中，在該系統(tǒng)中從離子源14引出的離子無需經(jīng)質(zhì)量分析即被注入靶中，或者可用于利用反陰極44、需要選擇性電離和/或分子分解的任何其他離子源14中。
權(quán)利要求
1.一種離子源，包括真空室；電弧室，其可被操作以產(chǎn)生并容納等離子體；陰極，其可被操作以沿著電子軌跡將電子射入所述電弧室中；設(shè)置在所述電子軌跡中的反陰極；分別與所述陰極和所述反陰極中的每一個(gè)單獨(dú)相連的電連接，該電連接包括分別通向所述真空室外部的真空通路；以及位于所述真空室外部的電壓電勢調(diào)節(jié)器，該電壓電勢調(diào)節(jié)器通過所述真空通路至少與反陰極相連接，并可被操作以改變所述反陰極相對于所述陰極的電勢。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源，其中所述電壓電勢調(diào)節(jié)器可被操作以接通或斷開所述陰極和所述反陰極之間的電接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子源，可設(shè)置該離子源以便當(dāng)斷開所述陰極和所述反陰極之間的電接觸時(shí)，所述電壓電勢調(diào)節(jié)器可被操作以電絕緣所述反陰極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源，其中所述電壓電勢調(diào)節(jié)器可被操作以選擇所述反陰極相對于所述陰極的電勢。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子源，其中所述電壓電勢調(diào)節(jié)器可包括含有開關(guān)、可變電阻、電源和分壓器的組中的至少一個(gè)。
6.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的離子源，其中所述陰極是離子源的燈絲或間接加熱式陰極型管端蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的離子源，進(jìn)一步包括位于所述離子源燈絲附近的電子反射極。
8.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求的離子源，進(jìn)一步包括一個(gè)磁體，其被設(shè)置以在電弧室內(nèi)提供磁場以限定電子軌跡。
9.一種離子注入器，包括根據(jù)權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)的離子源，其中所述電弧室進(jìn)一步包括出口縫隙，而所述離子注入器進(jìn)一步包括引出電極和質(zhì)量分析臺(tái)，該引出電極可被操作以從處于所述電弧室內(nèi)的等離子體中通過所述出口縫隙引出離子，而該質(zhì)量分析臺(tái)可被設(shè)置以接收從所述電弧室中引出的離子并且可被操作以按照特定能量傳送選定質(zhì)量和電荷狀態(tài)的離子以注入靶內(nèi)。
10.對權(quán)利要求1到8任意一項(xiàng)的離子源進(jìn)行操作的方法，包括以下步驟設(shè)置所述陰極和所述陽極上的電勢；設(shè)置所述電壓電勢調(diào)節(jié)器以在所述反陰極上加上所需的電勢；使所述電弧室充滿氣體；以及充分加熱所述陰極以引起電子發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明涉及離子源，其包括適用于離子注入機(jī)的陰極和反陰極。本發(fā)明提供了一種離子源，包括真空室；其可被操作以產(chǎn)生并容納等離子體；陰極，其可被操作以沿著電子軌跡將電子射入所述電弧室中；設(shè)置在電子軌跡中的反陰極；分別與陰極和反陰極中的每一個(gè)單獨(dú)相連的電連接，該電連接包括分別通向真空室外部的真空通路；以及位于真空室外部的電壓電勢調(diào)節(jié)器，該電壓電勢調(diào)節(jié)器通過該真空通路至少與反陰極相連接，并可被操作以改變反陰極相對于陰極的電勢。
文檔編號H01J37/317GK1610051SQ20041008087
公開日2005年4月27日 申請日期2004年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者A·J·默雷爾, R·D·戈德堡 申請人:應(yīng)用材料有限公司