CN101689488B - 具有电子生成与聚焦沟的阴极、离子源及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种用于离子注入器系统的离子源的具有电子生成与聚焦沟的阴极、离子源及其方法。在一个实施例中，所述阴极包括工作表面，所述工作表面中定位有多个电子生成与聚焦沟。所述离子源的反射极可以类似方式构造。

Description

具有电子生成与聚焦沟的阴极、离子源及其方法
技术领域
本揭示案大体上涉及离子注入，尤其涉及一种用于离子注入器的离子源的具有电子生成与聚焦沟的阴极、离子源及其方法。 
背景技术
阴极(cathod)以及反射极(repeller)定位于离子注入器(ionimplanter)的离子源(ion source)内，藉由将电子注入至源气体(sourcegas)而产生离子等离子体(ion plasma)。反射极具有与阴极相同的电势但不经受加热，反射极的用途是藉由将电子反射回等离子而防止电子逃逸出等离子。阴极以及反射极两者在安装后皆向源气体提供实质上平坦的工作表面。然而，随着离子源的使用，阴极以及反射极之工作表面被磨损成凹形表面(concave surface)，其中阴极工作表面尤为严重。凹形表面会增加离子源之输出，尤其是在阴极接近其使用寿命(useful life)的极限时。特定而言，阴极之凹形表面将热离子电子聚焦于等离子的中央区域中，此举会增加输出。不幸的是，由于阴极达到了其使用寿命的极限，所以所增加的输出的持续时间有限。 
一种利用所增加的输出的方法是建置具有凹形表面的阴极。然而，出于若干原因，这种方法并不奏效。首先，凹形表面阴极可能会由于中央区域较薄而缩短阴极的使用寿命。通常会在阴极中央处出现断裂。此外，凹形表面阴极可能会要求能呈现较高热质量(thermal mass)的结构，而所述结构例如在阴极表面的边缘较厚的情况下难以加热及控制。 
发明内容
揭示一种具有用于离子注入器系统的离子源的电子生成与聚焦沟的阴极、离子源及其方法。在一个实施例中，阴极包括工作表面，所述工作表面中定位有多个电子生成与聚焦沟。离子源的反射极可用类似方式构造。 
本揭示案的第一态样提供一种用于离子注入器的离子源的阴极，所述阴极包括：工作表面，所述工作表面中定位有多个电子生成与聚焦沟，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个包括相对于所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面，且所述成角表面面向与所述工作表面相隔的焦点。 
本揭示案的第二态样提供一种用于离子注入器的离子源，所述离子源包括：源气体入口；包括工作表面的阴极，所述工作表面中定位有多个电子生成与聚焦沟；以及离子等离子体出口，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个包括相对于所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面，且所述成角表面面向与所述工作表面相隔的焦点。 
本揭示案的第三态样提供一种产生离子等离子体的方法，所述方法包括：提供源气体；以及将偏压施加至邻近于源气体的阴极上，以便产生离子等离子体，所述阴极包括工作表面，所述工作表面中定位有多个电子生成与聚焦沟，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个包括相对于所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面，且所述成角表面面向与所述工作表面相隔的焦点。 
本揭示案的说明的态样是设计为解决此处描述的问题及/或其它未讨论的问题。 
附图说明
通过结合本揭示案的各种实施例的附图，对本揭示案的各种态样进行详细描述，以便更加容易理解本揭示案的特征和其他特征，其中： 
图1显示显示根据本揭示案的离子注入器系统的示意图。 
图2显示根据本揭示案的离子源的横截面侧视图。 
图3显示图2的离子源在移除离子等离子体出口盖后的俯视图。 
图4显示根据本揭示案的阴极的等角图。 
图5显示图4的阴极的部分横截面图。 
图6显示图4至图5的替代实施例的俯视图。 
图7显示图4至图6的替代实施例的部分横截面图。 
注意，本揭示案的附图并未按照比例。附图仅仅想描绘本揭示案的典型态样，因此不应被认为限制本揭示案的范畴。在附图中，附图之间相同的标号表示相同的元件。 
具体实施方式
揭示用于离子源的阴极、离子源及其方法。首先，图1显示根据本揭示案的说明性离子注入器系统(ion implanter system)100。注入器系统100包括离子束产生器(ion beam generator)102，其用于产生离子束(ion beam)104并将所产生的离子束传输至注入腔室(implant chamber)108中的目标(target)106。离子束产生器102可以是当前已知或以后将研发的任何离子束产生器，诸如，可自Varian Semiconductor Equipment Associates(瓦利安半导体设备公司)购得的离子束产生器。目标106通常包括安放于压板(platen)114上的一个或多个半导体晶圆。可由压板驱动总成(platen drive assembly)116以及目标垂直扫描系统位置控制器(target vertical scan system position controller)118来控制压板114的特征并因此控制目标106的特征，其中压板驱动总成116旋转目标106(即晶圆)，而目标垂直扫描系统位置控制器118控制目标106的垂直位置。驱动总成116以及位置控制器118皆回应系统控制器120而操作。 
除了上述组件以外，离子束产生器102可包括：气流140；离子源142，包括源磁铁(source magnet)144以及源偏压控制器(source bias voltage controller)146；抑制电极(suppression electrode)148、提取电极(extraction electrode)150、以及用于电极148、150的一个或多个操纵器马达(manipulator motor)152；分析器磁铁(analyzer magnet)154；加速器聚焦电极(accelerator focus electrode)156；加速器抑制电极(accelerator suppression electrode)158；质量狭缝(mass slit)160；扫描前抑制电极(pre-scan suppression electrode)162；水平扫描板(horizontal scan plate)164；扫描后抑制电极(post-scan suppression electrode)166；氮气(N2)泄气孔(bleed)168；校正器磁铁(corrector magnet)170；限制孔径(limiting aperture)172；以及剖面仪系统(profiler system)112。由系统控制器120监视上述组件中的每一个，且所述每一个回应系统控制器120而操作。由于已知离子注入器系统100的操作，所以本文中不再进一步描述细节。 
同到离子源142，根据本揭示案的一个实施例，如图2至图3所示，离子源142包括：源气体入口(source gas inlet)200，其例如耦接到气流140(图1)；以及盖204中的离子等离子体出口(ion plasma outlet)202(仅图2显示)。图2显示横截面侧视图，且图3显示移除离子等离子体出口盖后的俯视图。离子源142亦包括阴极210以及反射极212，用于将偏压施加至进入离子源142的气体，从而产生经由离子等离子体出口202离开的离子等离子体(未显示)。 
如图4以及图5中最佳显示，阴极210包括工作表面214，工作表面214中定位有多个电子生成与聚焦沟(electron production and focusing groove)216。在图4至图5中，电子生成与聚焦沟216构成实质上同心的沟。托架(mount)215耦接到工作表面214的背侧，以用 于耦接至离子源142(图2)的夹具(clamp)217(图2)。图5显示阴极210的部分横截面图。多个电子生成与聚焦沟216中的每一个包括成角表面(angled surface)218，成角表面218相对于工作表面214的平坦部分220成角度。如图2中所显示，每一沟216的成角表面218皆面向与工作表面214相隔距离D处的焦点(focal point)FP。亦即，自每一成角表面218实质上垂直延伸的线相交于焦点FP处。焦点FP可邻近于离子等离子体出口202。在一个实施例中，每一沟216的成角表面218的角度可不同，例如，使其皆面向焦点FP，或确保随着阴极210的老化，成角表面218在尽可能长的持续时间内面向焦点FP。然而，此做法并非必要，因为例如出于制造简便的目的，每一沟216的成角表面218的角度可能实质上相等。另外，成角表面218无需为平坦的(如所显示)，且亦可采用使所产生的等离子聚焦的其他配置(例如，凹形)。在一个实施例中，与工作表面214相隔的距离D可为近似30毫米。当然，可视离子源142的尺寸而改变此距离。 
图6显示替代实施例，其中电子生成与聚焦沟216并不以实质上同心的方式定位(亦即，并非圆形)且不连续。图6的电子生成与聚焦沟216仍提供与本文中所描述类似的优点。尽管图4至图6显示特定数目的沟216(例如，3个沟)，但应了解，可采用任何数目的沟。 
在图4以及图5中，工作表面214具有实质上均一的厚度。亦即，除了沟216以外，工作表面214的厚度相同。因此，整个工作表面具有实质上均一的厚度。图7显示替代实施例，其中工作表面214的中央区域230比工作表面214的外部区域232厚。 
参照图2，离子源142亦可包括反射极212，反射极212的结构实质上类似于阴极210。亦即，反射极212可具有工作表面314，工作表面314中定位有多个电子聚焦沟(electron focusing groove)316。反射极212的每一沟316皆包括成角表面318，其相对于反射极212的 工作表面314的平坦部分320成角度。在此种状况下，每一沟216的成角表面218、每一沟316的成角表面318，可面向与阴极210的工作表面214以及反射极212的工作表面314，相隔距离D处的焦点FP。 
在操作中，使用离子源142来产生离子等离子体250(图2)。特定而言，经由气流140(图1)将源气体提供至离子源142。将偏压施加至邻近于源气体的阴极210上，以便产生离子等离子体。亦将偏压施加至邻近于源气体的反射极212上，以便反射电子。在一个实施例中，反射极212与阴极210具有相同电势，但此举并非必需。工作表面214将热离子电子聚焦于离子等离子体250的中央区域中，此举会增加输出，就仿佛工作表面为凹形一样。以此方式，阴极210起到类似于光学系统中所使用的菲涅尔(Fresnel)型透镜的作用。然而，阴极210不会遭受工作表面214实质上变薄的问题(如同起初平坦但逐渐老化的阴极)，而工作表面214变薄会缩短阴极210的使用寿命。与开始使用时完全平坦的阴极的输出相比，阴极210可提供近似40％至50％范围内的增加输出。随着阴极210的使用，阴极210将变成凹形，且沟216的深度随时间减小。 
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因为本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。 

Claims (24)

1.一种用于离子注入器的离子源的阴极，所述阴极包括：
工作表面，其中定位有多个电子生成与聚焦沟，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个包括相对于所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面，且所述成角表面面向与所述工作表面相隔的焦点。
2.根据权利要求1所述的用于离子注入器的离子源的阴极，其中所述多个电子生成与聚焦沟包括多个同心的沟。
3.根据权利要求1所述的用于离子注入器的离子源的阴极，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个的所述成角表面的所述角度相等。
4.根据权利要求1所述的用于离子注入器的离子源的阴极，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个的所述成角表面，面向与所述工作表面相隔30毫米的焦点。
5.根据权利要求1所述的用于离子注入器的离子源的阴极，其中所述工作表面的中央区域比所述工作表面的外部区域厚。
6.根据权利要求1所述的用于离子注入器的离子源的阴极，其中所述工作表面具有均一的厚度。
7.一种用于离子注入器的离子源，所述离子源包括：
源气体入口；
包括工作表面的阴极，所述工作表面中定位有多个电子生成与聚焦沟；以及
离子等离子体出口，
其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个包括相对于所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面，且所述成角表面面向与所述工作表面相隔的焦点。
8.根据权利要求7所述的用于离子注入器的离子源，其中所述多个电子生成与聚焦沟包括多个同心的沟。 
9.根据权利要求7所述的用于离子注入器的离子源，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个的所述成角表面的所述角度相等。
10.根据权利要求7所述的用于离子注入器的离子源，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个的所述成角表面，面向与所述工作表面相隔30毫米的焦点。
11.根据权利要求10所述的用于离子注入器的离子源，还包括离子等离子体出口，其中所述焦点邻近于所述离子等离子体出口。
12.根据权利要求7所述的用于离子注入器的离子源，其中所述工作表面的中央区域比所述工作表面的外部区域厚。
13.根据权利要求7所述的用于离子注入器的离子源，其中所述工作表面具有均一的厚度。
14.根据权利要求7所述的用于离子注入器的离子源，还包括具有工作表面的反射极，所述工作表面内定位有多个电子聚焦沟。
15.根据权利要求14所述的用于离子注入器的离子源，其中所述阴极的所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个包括相对于所述阴极的所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面，且所述反射极的所述多个电子聚焦沟中的每一个包括相对于所述反射极的所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面。
16.根据权利要求15所述的用于离子注入器的离子源，其中所述多个电子生成与聚焦沟以及所述多个电子聚焦沟中的每一个的所述成角表面，面向与所述阴极以及所述反射极的所述工作表面相隔30毫米的焦点。
17.根据权利要求16所述的用于离子注入器的离子源，其中所述焦点邻近于所述离子等离子体出口。
18.一种包括根据权利要求7所述的用于离子注入器的离子源的离子注入器系统。
19.一种产生离子等离子体的方法，所述方法包括： 
提供源气体；以及
将偏压施加至邻近于所述源气体的阴极上，以便产生所述离子等离子体，所述阴极包括工作表面，所述工作表面中定位有多个电子生成与聚焦沟，
其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个包括相对于所述工作表面的平坦部分成角度的成角表面，且所述成角表面面向与所述工作表面相隔的焦点。
20.根据权利要求19所述的产生离子等离子体的方法，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个的所述成角表面的所述角度相等。
21.根据权利要求19所述的产生离子等离子体的方法，其中所述多个电子生成与聚焦沟中的每一个的所述成角表面，面向与所述工作表面相隔30毫米的焦点。
22.根据权利要求19所述的产生离子等离子体的方法，其中所述工作表面的中央区域比所述工作表面的外部区域厚。
23.根据权利要求19所述的产生离子等离子体的方法，其中所述工作表面具有均一的厚度。
24.根据权利要求19所述的产生离子等离子体的方法，还包括将偏压施加至邻近于所述源气体的反射极上，所述反射极包括工作表面，所述工作表面中定位有多个电子聚焦沟。 
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