CN100446168C - 用于等离子抽取孔的安装机构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于离子注入机的改进的电极组件。该组件包括：(i)位于第一平面内并具有第一孔的第一大致平面的电极；(ii)位于大致平行于第一平面的第二平面内并具有与第一孔对准的第二孔的第二大致平面的电极；以及(iii)将第一大致平面的电极连接到第二平面的电极上的一对连杆。连杆允许第二大致平面的电极相对于第一大致平面的电极以大致平行且可滑动的方式运动。连杆以彼此非平行的关系设置，使得在经历热膨胀时第一和第二电极可在这些非平行连杆上彼此间相对地滑动，以便增大或减少其间的距离，并同时维持平行的关系。

Description

用于等离子抽取孔的安装机构
技术领域
本发明大体上涉及离子注入系统，更具体地涉及一种用于这种系统内的等离子抽取孔的安装机构。
背景技术
离子注入在工业上已经成为在集成电路的大规模制造中用来向半导体掺杂杂质的优选技术。离子剂量和离子能量是用来限定注入步骤的两个最重要的变量。离子剂量涉及到用于给定半导体材料的注入离子的浓度。通常来说，高电流注入机(一般大于10毫安(mA)的离子束电流)用于高剂量注入，而中电流注入机(一般能够达到约1毫安的离子束电流)用于更低剂量的应用。
离子能量是用来控制半导体器件中的结深的首要参数。用来形成离子束的离子能量水平决定了所注入离子的深度范围。例如，用来在半导体器件中形成逆增井(retrograde well)的高能工艺需要高达几百万电子伏特(MeV)的注入，然而，较浅的结深可能仅需要低于一千电子伏特(1KeV)的超低能量(ULE)水平。
一种典型的离子注入机包括三个部分或子系统：(i)用于输出离子束的离子源；(ii)包括用于对离子束进行质量分解(mass resolving)的质量分析磁体的束线；以及(iii)包含有待由离子束来注入的半导体晶片或其它衬底的目标腔。持续不断朝向更小型化的半导体器件的演进趋势需要用来在低能量输送高射束电流的束线结构。高射束电流提供了所需的剂量水平，同时低能量可允许浅层注入。例如，半导体器件中的源极/漏极结点需要这种高电流、低能量的应用。
离子注入机的离子源通常通过在源腔内离子化源气体并且抽取形式为离子束的离子化源气体来产生离子束，该源气体中的某种成分为所希望的掺杂元素。离子化过程由励磁器来完成，其可以采用热加热式细丝或射频(RF)天线的形式。热加热式细丝以热离子的方式发射出高能电子，而射频天线则可将高能RF信号输送到源腔中。
高能电子(在热加热式励磁器的情况下)或者RF信号(在RF励磁器的情况下)可用来向源腔中的源气体施加能量，并因此将其离子化。构成源气体的所需掺杂元素的例子包括磷(P)或砷(As)。在采用用于离子化的热加热式细丝的离子源中，源腔通常达到约1000℃的温度。
在源内产生的离子可由一个或多个位于源腔之外底受激抽取电极所产生的电场而被抽取通过细长形源孔或狭缝。源孔与抽取电极可由石墨制成。各抽取电极通常包括形成有离子束可从中通过的细长形抽取间隙的一对隔开元件。对该抽取电极施加电偏压，以使其相对于源孔为负电压(在正电荷离子束的情况下)。如果使用一个以上的抽取电极，则多个电极上的电压的量通常在各连续向下游运动的电极上增加，以便提供用于离子束的加速场。
在设计这种离子注入机时，确保由离子源产生和从中抽取的离子束精确地沿着所希望的预定移动路径运动是很重要的。抽取电极相对于源孔的位置对于要实现与预定射束路径重合的射束路径来说是极其重要的。需要抽取电极与源孔精确地对准。
抽取电极通常安装在从源外壳中延伸出来并连接到其上的结构上。在注入工艺期间由离子源的操作所产生的热量可导致此结构的热膨胀，这会导致抽取电极与源孔的错位。这种错位会造成在离子束的期望路径中产生不希望有的破坏，并且导致不希望有的“射束转向”，以及离子束发射质量的失真，这些会损害其余的束线的输送。
用于调整抽取电极相对于离子注入机的源孔的位置的机构是已知的。在现有技术的图1中显示了一个这样的机构(还可参考Trueira的美国专利No.5420415和Benveniste等人的美国专利No.5661308，这两件专利均转让给本发明的受让人)。抽取电极组件2连接到离子源3上，该离子源3提供了具有孔6的孔板4。抽取电极组件2包括四个电极8a，8b，8c和8d。抽取电极8a连接到了离子源3上，抽取电极8b连接到抽取电极8a上，抽取电极8c连接到抽取电极8b上，而抽取电极8d连接到抽取电极8c上。源孔6和抽取电极中的孔以离子束轴线B为中心来设置。
四个抽取电极8a-8d中的每一个都连接到其相应的支撑结构上，使得在注入机操作期间允许电极相对于彼此以及相对于源孔稍微移动。特别地，可在各抽取电极的端部处采用弹性加载螺钉(未显示)作为连接装置，并将陶瓷球体9销接于相邻电极之间(或者第一抽取电极8a和离子源3之间)。弹性加载螺钉和陶瓷球体可维持相邻抽取电极之间(或者第一抽取电极8a和离子源3之间)的所需距离。在离子注入机在高温下的操作期间，陶瓷球体可允许对抽取电极间隙和源孔的对准进行稍微调整，从而可适应热膨胀，并同时维持该所需的距离。
图1的对准机构相当复杂，并且就弹性加载螺钉而言需要精确的调整。此外，这种对准机构容易失效。因而，本发明的一个目的是提供一种改进的机构，其用于维持抽取电极与离子注入机中的源孔的精确定位和对准，同时可在离子注入机的操作期间适应所遇到的热膨胀效应。本发明的进一步目的是提供一种改进的机构，其用于维持离子注入机中的连续抽取电极之间的精确定位和对准，同时可适应热膨胀效应。本发明的另一目的是提供一种用于离子注入机的容易维护且无需精确调整的这种机构。
发明内容
提供了一种用于离子注入机的改进的电极组件。该组件包括：(i)位于第一平面内并具有第一孔的第一大致平面的电极；(ii)位于大致平行于第一平面的第二平面内并具有与第一孔对准的第二孔的第二大致平面的电极；以及(iii)将第一大致平面的电极连接到第二大致平面的电极上的一对连杆。这对连杆允许第二大致平面的电极相对于第一大致平面的电极以大致平行且可滑动的方式运动。
连杆以彼此非平行的关系设置，以便在第一和第二电极经受热膨胀时在这些非平行连杆上彼此相对地滑动，从而增大或减少其间的距离，同时维持平行的关系。优选实施例中的连杆由石英构成，并且为圆柱形。该圆柱形的石英连杆设置在第一与第二电极中的相应圆柱形开口内。这对连杆优选以彼此成正交的方式设置。
附图说明
图1是现有技术的抽取组件的截面图，该抽取组件显示为连接到离子源孔上；
图2是离子注入系统的透视图，在该系统中结合有根据本发明原理来构建的离子源/抽取电极组件的一个实施例；和
图3是图2所示离子注入系统的离子源/抽取电极组件的截面图。
具体实施方式
现在参照附图，图2公开了一种离子注入机10，其包括离子源12、质量分析磁体14、束线组件16以及目标站或终端站18。本发明的一个应用是低能注入机，例如如图2所示，其中由于在向下游传输的期间低能射束会有“扩展”(即放大)的倾向，因此束线组件16相对较短。然而可以设想，本发明可以应用到具有其它类型离子源的其它类型的离子注入机上。
离子源12包括形成有等离子腔22的外壳20以及离子抽取器组件24。束线组件16包括：(i)可由真空泵28抽空的分解器(resolver)外壳26，其包含有终端孔30、分解孔32和法拉第指示器34；以及(ii)含有电子簇射器38的射束中和器36，它们均不构成本发明的一部分。终端站18处于射束中和器36的下游，其包括待处理晶片装在其上的盘状晶片支撑件40。如本文中所使用的那样，晶片应当包括任何类型的可用离子束进行注入的基片。
在可离子化的掺杂气中施加能量，以便在等离子腔22内产生离子。通常可产生正离子，然而本发明可应用于由离子源产生负离子的系统中。包括至少一个、优选多个电极42的离子抽取器组件24可从等离子腔22中抽取正离子。因此，离子抽取器组件24用来从等离子腔中抽取正离子束44，并朝向质量分析磁体14加速所抽出的离子束44。
质量分析磁体14用来只让适当荷质比的离子传输到束线组件16中。质量分析磁体14包括由连接到离子源12上的铝质射束制导器50所形成的弯曲射束路径48，真空泵28和54可抽空该弯曲射束路径48。沿着此路径传输的离子束44受到质量分析磁体14所产生的磁场的影响。该磁场使得离子束44沿着弯曲射束路径48从靠近离子源12的第一或入口轨道56运动到靠进分解器外壳26的第二或出口轨道58。由具有不当荷质比的离子构成的离子束44的部分44’和44”偏离该弯曲轨道，并且进入到铝质射束制导器50的壁中。这样，磁体14只让离子束44中的具有所需荷质比的那些离子通过束线组件16。
位于终端站18处的盘状晶片支撑件40由马达62旋转驱动。如在本领域中所知的那样，盘状支撑件40通过马达62而以恒定的角速度转动，并且马达64和丝杠(未示出)使支撑件40垂直地移动(进入或离开图2的页面方向)。
如图3中所示和下文中所进一步说明的那样，可将本发明结合到用于将抽取器组件24与离子源12相连的机构中。尽管本发明是以冷壁(cold-wall)、RF供电的离子源的形式来显示的，但是本发明也可应用到其它类型的离子源(如热阴极或微波供电的)中。此外，虽然图3仅显示了一个抽取电极42，但是可以设想，本发明也可以在包含有多个电极构造的抽取组件中实施。
等离子腔22具有导电腔壁114以及大致平面的端板116和118，它们在腔内形成了离子化区域120。侧壁114围绕着等离子腔22的中心轴线115是圆形对称的。端板118连接到等离子腔的支撑件122上并包括源孔嵌件146，其具有至少一个可经其来抽取离子束的源孔148。源孔嵌件146可由石墨制成。
抽取电极42是大致平面的，并包括具有至少一个抽取孔128的电极孔嵌件149。电极孔嵌件可由石墨制成。该至少一个抽取孔128与源孔嵌件146中的至少一个源孔148对准。虽然在图3中只显示了一个用于各元件的这种孔，然而每个孔128，148都可包括多个排列成特定图案的孔。或者，可以提供一个细长狭缝作为各个孔。抽取电极42还可包括一对相对的电极半体，这对相对的电极半体由位于其间的用作抽取狭缝或孔的空间所隔开。
在一类操作中，将可离子化的掺杂气从压缩气体源66处通过质量流量控制器68并经导管70直接注入到等离子腔22中。典型的源元素为磷(P)和砷(As)，它们通常以与其它元素相结合的气体形式来提供，例如磷化氢(PH3)形式中的磷和砷化氢(AsH3)形式中的砷。
位于等离子腔22之外的电源134用约13.56百万赫兹(MHz)的射频(RF)信号来激励金属天线130，以便在金属天线中形成交流电，从而在等离子腔22内感应出离子化电场。等离子腔22还可包括延伸通过天线130与源孔嵌件146之间的腔内区域的磁性滤波组件140。
通过可移除的支撑板150来将天线130设置在等离子腔22的壁114内。支撑板150还形成了可容纳两个真空压力配件156的两个贯穿通道。在使天线130的细长支脚部分157穿过这些配件之后，将端盖158拧到配件上以密封处于配件156与支脚部分157之间的接触区域。
板150的凸缘部分164重叠在围绕着壁114中的切口且通过连接件172连接到壁114上的环形磁体170上。设于天线上方的两个护罩180可防止靠近支撑板150的天线区域在离子注入机的操作期间被溅射的材料涂覆。
本发明可体现为一种改进的用于维持抽取电极42和源孔嵌件146的精确定位和对准、同时在离子注入机10的操作期间可适应所受到的热膨胀效应的机构。在优选实施例中，该改进机构包括紧贴地安装在端板118和抽取电极42中的相应开口内的一对细长杆182，184。具体地说，杆182的一端安装在端板118中的开口186中，而杆182的另一端安装在抽取电极42中的开口190内。同样，杆184的一端安装在端板118中的开口188内，而杆184的另一端安装在在抽取电极42中的开口192内。
在该优选实施例中，杆182和184可由石英或类似材料构成。石英的电绝缘特性可允许源(端板118)和抽取电极42在不同的电压下操作。通常来说，为了通过源孔148来抽取正电荷离子束，要将抽取电极42偏压到相对于源(端板118)为负的电压位势。虽然某些陶瓷具有可接受的绝热与电绝缘性质而使其适合用来构造杆182和184，然而已经发现石英比陶瓷更能免受金属沉积。
可将石英杆182和184加工到严格的公差。也可类似地加工源端板118和抽取电极42中的开口186，188，190和192。端板118与抽取电极42都可由铝制成。或者，如果未采用孔嵌件，那么这些构件可由石墨制成。
在构造包括有端板118与抽取电极42的组件时，在这两个部件之间设置具有宽度G(见图3)的间隔件(未示出)，随后将它们夹在一起。使用相同的钻孔工艺完全地穿过板118而加工出开口186，并且部分地穿过电极42而加工出开口190。同样，完全地穿过电极42而加工出开口192，并且部分地穿过板118而加工出开口188。这些盲孔优选相互间垂直地(90度)地被加工出来(相对于离子束的路径115为45度)。
然后可将石英杆182，184滑配(冷加工)到其相应开口内。由于这些开口是具有一个敞开端和一个封闭端的盲孔，因此重力将使杆保持在其相应开口中。接着可移开间隔件，在端板118与抽取电极42之间留下间隙G。并不需要衬垫、调整螺钉或其它的金属器件。此外，可以增设遮蔽特性(未显示)，使得没有源自石英杆的曝露部分(在间隙G内)和离子束和直接视线。
由于离子源12在高温下操作，因此端板118与抽取电极42会产生热膨胀。连杆182，184允许这两个部件彼此相向和远离地移动，以便适应不同的热膨胀，同时可维持大致平面的端板118和抽取电极42的平行关系。这样就可以维持源孔148和抽取孔128所需的对准。就这两个元件之间的间隙G发生变化并使从源中抽取的离子束电流变化的方面而言，抽取电极42上的电压可以相应地变化。
因此，已经介绍了一种用于将等离子抽取孔安装到源孔上的方法与系统的优选实施例。然而，在了解了上述介绍的同时，可以理解，该介绍仅以示例的方式来进行。可以设想，对于另一示例而言，用于将抽取电极连接到源端板上的机构可被复制并用来将抽取器组件中的下游抽取电极彼此连接。因此，本发明并不限于本文所述的具体实施例，在不脱离由下述权利要求及其等同物所限定的本发明范围的前提下，可以针对前述介绍进行各种重新配置、修改和替换。

Claims (10)

1.一种用于离子注入机的电极组件，包括：
(i)位于第一平面内并具有第一孔的第一大致平面的电极；
(ii)位于大致平行于所述第一平面的第二平面内并具有与所述第一孔对准的第二孔的第二大致平面的电极；
(iii)将所述第一大致平面的电极连接到所述第二大致平面的电极上的一对连杆，所述连杆允许所述第二大致平面的电极相对于所述第一大致平面的电极以大致平行且可滑动的方式运动，所述连杆以彼此非平行的关系来设置；因此，在经历热膨胀时所述第一和第二电极可在所述非平行的连杆上彼此相对地滑动，以便增大或减少其间的距离，同时维持平行的关系。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其特征在于，所述连杆由石英构成。
3.根据权利要求2所述的电极组件，其特征在于，所述连杆为圆柱形，其中所述圆柱形连杆设置在所述第一与第二电极中的相应圆柱形开口内。
4.根据权利要求3所述的电极组件，其特征在于，所述一对连杆以相互间正交的方式来设置。
5.根据权利要求3所述的电极组件，其特征在于，至少一个所述孔被石墨所围绕。
6.一种离子源，包括：
(i)形成了可在其中产生离子化等离子的等离子腔的外壳；
(ii)连接到所述外壳上的位于第一平面内并具有第一孔的第一大致平面的电极；
(iii)位于大致平行于所述第一平面的第二平面内并具有与所述第一孔对准的第二孔的第二大致平面的电极；
(iv)将所述第一大致平面的电极连接到所述第二大致平面的电极上的一对连杆，所述连杆允许所述第二大致平面的电极相对于所述第一大致平面的电极以大致平行且可滑动的方式运动，所述连杆以彼此非平行的关系来设置；因此，在经历热膨胀时所述第一和第二电极可在所述非平行的连杆上彼此相对地滑动，以便增大或减少其间的距离，同时维持平行的关系。
7.根据权利要求6所述的离子源，其特征在于，所述连杆由石英构成。
8.根据权利要求7所述的离子源，其特征在于，所述连杆为圆柱形，其中所述圆柱形连杆设置在所述第一与第二电极中的相应圆柱形开口内。
9.根据权利要求8所述的离子源，其特征在于，所述一对连杆以相互间正交的方式来设置。
10.根据权利要求8所述的离子源，其特征在于，至少一个所述孔被石墨所围绕。
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