CN102934195B - 用于提取带离子束的电感耦合等离子源 - Google Patents

Abstract

揭示一种用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其能够利用电感耦合等离子生产来产生高密度宽带离子束。与常规电感耦合等离子源相反，本揭示所描述的电感耦合等离子源不是圆柱形的。事实上，将所述源界定成使得其宽度(w)大于其高度(h)，所述宽度(w)为沿着其提取所述束的维度。可界定所述源的深度(d)，使从天线(203)到等离子的能量转移最大化。在另一实施例中，使用包围所述电感耦合等离子源的多尖形磁场(210，211，212)，进一步增加电流密度且改良所提取的离子束的均匀性。亦可通过包含气流率以及输入射频功率的若干个独立的控制要素来控制离子束的均匀性。

Description

用于提取带离子束的电感耦合等离子源

技术领域

本发明涉及半导体技术，尤其涉及离子植入技术。

背景技术

离子植入器常用在生产集成电路中以在半导体晶片(通常为硅)中由p型掺杂或n型掺杂形成不同传导性区。在此类装置中，使用等离子源来电离掺杂气体。从源中提取一束正离子(positive ion)，将其加速至所要的能量，对其进行质量过滤，然后将其引导朝向晶片。当离子撞击晶片时，其穿透晶片到一定深度(取决于其动能和质量)并形成不同导电性的区(取决于掺杂元素浓度)。这些区的n掺杂性质或p掺杂性质，以及其在晶片上的几何配置界定其在晶体管内的功能性(例如，n-p-n结或p-n-p结)。通过许多此类掺杂区的相互连接，晶片可转换成复杂的集成电路。

离子束电流的量由来自等离子源的离子提取率给定，如方程式1所展示：

${\mathrm{dN}}_{\mathrm{extr}}/\mathrm{dt}\≅{\mathrm{An}}_{\mathrm{si}}{v}_B---\left(1\right)$

其中A＝h₀×w₀为提取孔的横截面面积(其中h₀和w₀分别为缝(slit)高度和宽度)，n_si为在等离子鞘层边缘处的离子密度(大约等于电子主体密度n_e的0.61倍)，且V_B＝(k_BT_e/m_i)^1/2为博姆速度(Bohm velocity)(其中k_B、T_e和m_i分别为玻尔兹曼常数(Boltzmann constant)、电子温度和离子质量)。由于用于同一离子种类的离子博姆速度随着电子温度(其略微随等离子操作参数而变)的平方根而变化，所以可得到的等离子密度为在设计离子源时所关注的特性。现有技术展示，已证实有限数目的等离子源具有足够的等离子密度以用作离子源。在一些实施例(例如伯纳源(Bernas source))中，电弧放电(arc discharge)形成等离子。使用由来自钨丝(tungsten filament)的热离子发射而产生的电子通量以产生且维持高电弧等离子密度。在其它实施例中，使用例如间接加热阴极(indirectly heated cathode，IHC)的电弧放电形式以减少细丝到等离子的有害暴露，且因此以延长源的使用寿命，由来自间接加热阴极的热离子发射提供必要的电子。

基于电弧的等离子源形成可接受量的提取束电流，且因此在半导体工业中用作目前多数离子植入器上的离子源。然而，基于电弧的等离子源的可缩放性有限。如在方程式1中所见，可用于增加离子束电流的另一因素为提取缝的横截面面积。对于使用矩形提取缝的带束，缝高度受限于提取光学器件(extraction optics)，所述器件为了实现低光行差效应(aberration effects)所以需要窄的提取缝。因此，缝高度通常仅为几毫米。缝宽度受限于等离子源在较大空间维度上形成具有均匀密度的等离子的可用性。即使使用外部磁场来改良等离子的均匀性，基于电弧放电的离子源仍然无法为宽于90毫米(mm)的缝提供良好(＜5％)均匀性。因此，为了允许当前300mm直径的硅晶片工业标准的离子植入，必须扩展离子束，这个过程意味着束电流会发生显着损失。对于高产量太阳能电池应用或对于下一代450mm直径的晶片标准，必须开发具有超过至少450mm的良好均匀性的宽带(wide ribbon)离子束(且因此开发此种等离子源)。

一个可能的候选物为电感耦合等离子源(inductively coupled plasmasource，ICP)。不同于将等离子限制为电弧电极的电弧放电，在此放电中，通过天线将来自RF产生器的功率耦合到工作气体(working gas)来产生等离子。流经天线的高RF电流(i(t))引起时间变化磁场(B(t))，如方程式2所展示：

B(t)～i(t)         (2)

根据麦克斯韦第三电动力学定律(Maxwell′s 3^rd electrodynamicslaw)，如方程式3所展示：

$\mathrm{curl}\stackrel{\→}{E}=\∂\stackrel{\→}{B}/\∂t---\left(3\right)$

其在位于天线附近的空间区中产生强烈的电场(electric field)，E。因此，电子获得来自感应电场的能量，且能够通过电离碰撞来电离气体原子和/或分子。由于流经天线的电流增加(与施加的RF功率成比例)，所以感应电场同样增加，这意味着由电子获得的能量也会增加。通常从RF源到等离子电子的此功率转移通过奥姆(碰撞)加热或随机(无碰撞)加热在RF窗附近的表皮深度层内进行。对于碰撞支配的等离子，由方程式4给定层的厚度：

$\mathrm{\δ}={\left(\frac{2}{\mathrm{\ω}{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\σ}}\right)}^{1/2}---\left(4\right)$

其中ω＝2πf为RF脉动(f为RF频率)，μ₀＝4π×10^-7H/m为真空的磁导率，且如方程式5所界定，

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{ne}}^2}{m_e{v}_c}---\left(5\right)$

σ为dc等离子导电性(其中n、e、m_e及v_c分别为电子密度、电荷、质量及碰撞频率)。对于大约10¹¹cm^-3的典型ICP等离子密度，表皮层厚度通常为几厘米。

现有技术中描述的多数ICP源为圆柱形。图1A显示现有技术ICP等离子源100的横截面。优选使用介电圆柱101以容纳低压气体且允许RF功率发射。圆柱由两个金属凸缘102和103在两个开口端处真空密封。为了正常运行，介电圆柱101内的气压可由使用质量流控制器、真空阀和真空泵的气流-气体抽吸系统(未图示)维持在少于20毫托(mTorr)。近端的凸缘102具有入口104，所要的工作气体通过入口以一定的流率(flow rate)进入到等离子腔室105中。RF天线106紧紧包在介电圆柱101周围。介电圆柱101可由例如硼硅酸玻璃(pyrex)、石英或氧化铝等适当的材料组成。在其它实施例中，使用与环形介电窗配合的螺旋形天线和金属圆柱。RF天线106由RF产生器(未图示)供给能量。由匹配网络(matching network)(未图示)来达到与可变等离子阻抗的RF匹配。使用由RF天线106转移到自由电子的能量在腔室105内电离气体。远程的凸缘103具有较大的开口107以允许通过抽吸口108进行真空抽吸。第二真空腔室109(其通过绝缘衬套110而与凸缘103电性绝缘)含有用以提取离子束的光学器件111。提取电极通常放置在圆柱等离子腔室105的末端处，且沿着介电圆柱101的直径对准。

此几何形状的缺点是等离子在径向上是非均匀的，即，等离子柱(plasma column)在放电轴上具有非常尖的密度轮廓。沿着径向方向特性的此非均匀的等离子密度轮廓限制了将此几何形状应用于大面积等离子处理。如在图1B中所见，等离子密度在等离子腔室105的中心到达最高点，且朝向介电圆柱101的壁急剧减少。对于离子植入，由此可见密度轮廓可最佳用于具有几厘米的有用直径的较小点状的束。然而，为了实现较大的离子植入产量，需要宽且高的电流密度带离子束。即使结合扩散腔室使用来改良径向均匀性，此类等离子源还是需要极大量的功率以形成跨越500～600mm的直径的合理等离子密度(～10¹⁰cm^-3到10¹¹cm^-3)。

因此，从离子植入观点来看，可有效利用由ICP等离子源产生的相对高等离子密度但形成宽且均匀的带离子束的离子源将会是有利的。

发明内容

由本揭示解决现有技术的问题，本揭示描述一种能够利用ICP等离子源产生宽且均匀的带离子束的离子源。与常规ICP源相反，本揭示描述的ICP源不是圆柱形的。事实上，界定源使得其宽度大于其高度，所述宽度为沿着其提取束的维度。可界定源的深度以使从天线到等离子的能量转移最大化，但在离子束提取区域中允许用于良好等离子均匀性的足够长的扩散长度。结果是具有小外观因子(form factor)(界定为等离子腔室深度与腔室高度和宽度的几何平均值之间的比)的等离子源，其可实现最佳RF功率沉积，且因此，可实现高等离子密度(～5×10¹¹cm^-3到10¹²cm^-3)。

附图说明

图1A说明现有技术的ICP源。

图1B说明用于图1A中所显示的等离子源的径向等离子密度轮廓。

图2A显示根据一个实施例的ICP等离子源的垂直横截面。

图2B显示根据一个实施例的ICP等离子源的水平横截面。

图2C显示根据一个实施例的ICP等离子源的正面图。

图2D显示根据一个实施例的具有一个提取缝的ICP等离子源的端视图。

图2E显示根据另一实施例的具有三个提取缝的ICP等离子源的端视图。

图3A显示根据第二实施例的具有轴向尖磁场几何形状的ICP等离子源的垂直横截面。

图3B显示根据第二实施例的具有轴向尖磁场几何形状的ICP等离子源的水平横截面。

图3C显示根据第二实施例的具有轴向尖磁场几何形状的ICP等离子源的正面图。

图4A显示尖场配置中的磁体和间隔物位移以及磁场线。

图4B显示在垂直于腔室壁的方向上到等离子腔室中的磁场穿透深度。

图4C显示在等离子腔室中的无磁场区。

图5A显示用于BF₃等离子的所提取的离子束电流。

图5B显示用于PH₃等离子的所提取的离子束电流。

具体实施方式

图2A到图2D显示根据本揭示的ICP等离子源200的主要组件。在图2A中显示通过等离子源200中心的垂直横截面(在yz平面中)。使用优选由铝制成的腔室主体201来容纳低压气体并允许等离子产生。在一些实施例中，腔室主体201可具有150mm的高度(h)和140mm的深度(d)。源200的前侧包含靠着腔室主体201真空密封的介电窗202。介电窗202可由石英(quartz)、氧化铝(alumina)、异丙隆(alon)、蓝宝石(sapphire)或任何其它合适的介电材料构造。可计算介电窗202的厚度使得材料能够在大约200～300℃的热应力下维持大约1大气压的压力差。在一些实施例中，使用2.5cm厚的石英窗，而在其它实施例中，可使用19mm 98％的氧化铝窗或8mm蓝宝石窗。平面螺旋天线203定位在介电窗202旁边且平行于介电窗202，所述平面螺旋天线203将来自RF功率产生器(未图示)的能量耦合到电子，然后解离并电离容纳在腔室主体201内的气体分子。平面螺旋天线203优选由铜管制成以允许冷却。由匹配网络(未图示)来完成50ΩRF产生器输出阻抗(outputimpedance)到可变等离子阻抗的匹配。

等离子腔室后壁217(与介电窗202相对)具有容纳含有射束提取缝205的面板(face plate)204的槽。提取缝优选在垂直中线213处。等离子腔室主体201、介电窗202以及后壁217界定腔室218。如在展开图中所显示，等离子腔室中的开口206大于提取缝205以防止等离子边缘效应(plasma edge effect)。等离子源200安装在更大的真空腔室上(未图示)且用高温碳氟化合物O形环207真空密封。工作气流由质量流量控制器(未图示)调节，然后发送到共享输入气体线。在一些实施例中，通过两个气体入口208将气体引入到等离子腔室主体201中，所述两个气体入口208对称地放置在腔室主体201的底部和顶部上。这些气体入口208在z方向上放置在离介电窗202一段距离(例如，5厘米)处。在一些实施例中，通过提取缝205来完成真空抽吸。在此实施例中，先前描述的馈入-抽吸几何形状确保等离子源200内部均匀的气体分布。

在图2B中呈现通过等离子源200的水平横截面。在此实施例中，使气体入口208位于沿着等离子腔室主体201宽(w)的中心。在其它实施例中，定位气体入口208使得其位于顶部和底部上，且涉及水平中线214对称。在另一实施例中，使用两个以上气体入口208。在一些其它实施例中，定位这些气体入口208，以便涉及等离子腔室主体201的宽度对称并均匀地分布。换句话说，气体入口208可在x方向上为等空间的(equi-spaced)。

针对适当的气体解离和后续电离，在等离子源200内的气压优选维持在1mTorr到99mTorr的范围内。针对压力监测，通过使用端口209优选将例如Baratron或Pirani等压力计(pressure gauge)连接到腔室。由提取缝205的气体流速和传导性控来制腔室中的气压。在另一实施例中，为了实现独立的压力控制，将两个较大真空传导-抽吸端口定位于源侧壁上。

在图2C中描绘等离子源200的正面图。为了图的清晰起见，省略了一些细节。在此实施例中，使腔室主体201的角逐渐变尖，以大约遵循细长的螺旋状天线形，从而形成八边形主体。在其它实施例中，腔室主体201可为细长的椭圆，例如，在相对端处具有半圆柱的长方体。在其它实施例中，腔室主体201可为具有两个正交维度(orthogonaldimension)的任何长方形几何形状，其中维度中的一者的长度大于第二维度中的长度。

不同于螺线管天线，此几何形状相对于介电窗平面提供感应电场的平行方位。结果，电子在平行于x方向的方向上加速。天线匝的直的部分与提取缝方位平行，且比缝的腰部长，因此预期沿着在定位提取缝的空间范围中的x方向的均匀等离子密度。

如在图2A到图2B中所显示，提取缝205沿着x方向，且沿着垂直中线213由腔室主体201的顶部壁和底部壁对称隔开。提取缝205的位置可在图2D中更好地看见，其中描绘了等离子腔室主体201的端视图。取决于所要的提取电流线性密度值以及可用的提取光学器件，提取缝205的高度可在大约2mm到5mm之间。提取缝205的宽度由待从等离子源200提取的带束的宽度来确定。为了植入450mm直径的晶片，可使用具有至少500mm宽度的带离子束。

为了允许正离子的提取，等离子腔室主体201由高电压直流(DirectCurrent，DC)电源(未图示)在正电位(positive potential)处电偏压。可结合等离子源200来使用由一组各种电位的电极组成的提取光学器件，例如在图1A中所显示。在一个实施例中(在图2D中所显示)，使用单个提取缝205来提取离子束。在其它实施例中，使用例如在图2E中所显示的多个提取缝205a到205c以出于增加所提取的电流和/或多条线植入的目的来提取多个细束(beamlet)。

为了实现更高的等离子密度和更好的均匀性，可使用磁多尖形(multicusp)约束结构。图2A到2E显示方位角型(azimuthal)的多尖形配置的图。可为永久磁体(permanent magnet)的磁体210的数组以及间隔物211包围腔室主体201。磁体210可具有正方形横截面。在一些实施例中，磁体210具有9.5×9.5mm²的横截面以及157mm的较长尺寸。磁体210可由耐温达到大约350℃的磁性材料制成，例如钐钴(samarium-cobalt，Sm-Co)。间隔物211定位于磁体210之间，且由例如铝等非磁性材料制成。磁体210以交替形式排列。例如，一个磁体210的磁化向量(magnetization vector)垂直于腔室主体201的壁，方向是向内指，而邻近磁体210具有向外定向的磁化向量。为了增加腔室218内部的磁场强度，且为了遮蔽腔室218外部的远程场线，可使用例如一个由铁或磁钢构造的磁轭(magnetic yoke)212来覆盖磁多尖形约束结构，因此提供用于处于等离子源200外部的磁场线的较短路径。如在图2A到图2E中所显示，为了尖形配置的正常运行，优选良好的磁对称(magnetic symmetry)。例如，在腔室主体201的顶部侧上在(x＝0，y＝+d/2)处的S-N定向磁体(其中x＝0且y＝0分别界定垂直中线和水平中线，见图2C)应面向在腔室主体201的底部侧上在(x＝0，y＝-d/2)处的N-S定向磁体。在等离子腔室的所有其它侧上类似，在(x＝-w/2，y＝0)处的N-S定向磁体应面向在(x＝+w/2，y＝0)处的S-N定向磁体的相对侧。缺乏磁对称可导致顶部-底部磁偶极配置(magnetic dipole configuration)，所述配置将造成在某些空间位置处收集带电粒子(charged particle)，从而对等离子均匀性产生有害影响。

在图2A到图2E中显示的磁尖形结构界定为方位角型，因为将磁体210与沿着z的最长维度对准，且除了尖形位置以外，合成磁场(resultantmagnetic field)沿着腔室主体201的周边定向。

在另一实施例中，界定为在图3A到图3C中所显示的轴向尖形，磁体210与沿着腔室主体201的周边的最长维度一起定向，且合成磁场沿着z方向。图3A显示腔室218的垂直横截面图，其中可看见磁体210的轴向方位。类似地，图3B显示水平横截面，显示磁体210的方位。

已界定等离子源200的的组件之后，将描述与每一腔室维度、天线形状和尺寸以及磁尖形形貌(topography)相关联的限制。

腔室的宽度(即，在图2A到图2E以及图3A到图3C中的w)由带离子束所要的宽度确定。例如，针对500mm的宽带离子束，腔室的宽度可为600mm到700mm之间的距离，例如660mm。更大的宽带束将相应需要更大的腔室宽度。

针对有界的等离子，电离频率取决于放电功率和等离子密度，但其为电子温度(T_e)、气压(p)以及特有的等离子长度(L)的函数。由等离子量与等离子边界表面之间的比给定特有的等离子长度(L)。针对具体操作条件，由等离子生产量与到壁的等离子损失量之间的平衡给定特有的等离子长度值。由于等离子腔室的一个维度由离子束的所要宽度设定，所以就等离子腔室外观因子ξ来最佳地描述等离子生产。

针对圆柱形等离子腔室(例如，在图1A中所显示的ICP等离子源100)，外观因子通常界定为等离子腔室深度与等离子腔室直径的比。针对其中一个维度大于第二维度的矩形几何形状或长方形几何形状，外观因子可界定为等离子腔室深度(d)与其它两个正交维度(w和h)的几何平均值(geometrical mean)的比，如由方程式6所界定：

$\mathrm{\ξ}\≅\frac{d}{\sqrt{\mathrm{wh}}}---\left(6\right)$

针对一个维度远远大于其它两个维度的本实施例，外观因子随特有的等离子长度(L)而缩放，如在方程式7中所见：

$\mathrm{\ξ}~\frac{1}{\sqrt{L}}---\left(7\right)$

因为能量平衡方程式展示等离子密度仅由放电功率以及气压(p)和等离子长度(L)的乘积确定，由此可见，提高等离子生产量的较大特有的等离子长度(L)将需要较小等离子腔室外观因子ξ。另一方面，在本等离子腔室几何形状中，从天线到等离子的RF功率耦合不在等离子主体中进行，而在等离子边缘处进行。此外，最大功率沉积在与表皮深度相等的距离处发生。因此，具有大约表皮层(skin layer)厚度的深度的等离子腔室将提供用于给定的输入功率(input power)及横向维度w和h的最高等离子密度。在设计等离子源的深度时，请注意，电离过程在表皮层处和在表皮层外进行。针对典型的13.56兆赫(MHz)ICP氩等离子，高于25eV到30eV的电子能量分布函数(electron energydistribution function，eedf)的尾部相对充分填入(polulated)。这种情况将暗示可能存在高能电子，且电离碰撞可能在表皮深度外发生。在分子等离子中此现象可能更明显，分子等离子的电离能量低于惰性气体的电离能量。然而，在离天线的一定距离外且在没有任何磁约束时，等离子密度与离天线的距离成指数衰减。

除等离子密度之外，出于大面积植入或沉积的目的，对等离子腔室的深度的另一限制是源于在延伸维度上方具有均匀等离子的必要性。如果深度太小，那么将导致在提取缝或沉积衬底空间位置处反射天线图案的非均匀等离子密度。

如在图2A到图2E以及图3A到图3C中所显示，如果使等离子腔室218近似为矩形盒，并假设基本扩散模式的第一零位(first zero)与等离子腔室壁表面一致，那么等离子密度分布由方程式8给定：

$n(x,y,z)=n(0,0,0)\cos \left(\frac{\mathrm{\πx}}{w}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\πy}}{h}\right)\cos \left(\frac{\mathrm{\πz}}{d}\right)---\left(8\right)$

其中特有的扩散长度由方程式9给定：

$\frac{1}{{^}^2}={\left(\frac{\mathrm{\π}}{w}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{h}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{d}\right)}^2---\left(9\right)$

大致估计(在不考虑归因于多尖形磁场约束和沿着z方向的真空抽吸的影响，在x和y方向上的壁反射系数的情况下)产生等于～3cm的Λ值。使用大约5×10⁴cm²/s的用于BF₂ ⁺离子(BF₃等离子的主要离子组分)的扩散系数和大约0.05eV的合理离子温度，这导致大约3cm到4cm的扩散平均值自由路径。为实现高等离子均匀性而允许若干个扩散平均值自由路径，将给出大约10cm到12cm的等离子腔室深度(在图2A到图2E以及图3A到图3C中的d)的更低界限。用于不同离子的类似计算可导致不同的扩散长度和不同的最佳等离子腔室深度。然而，等离子腔室预期会运行不同的前驱物气体(precursor gas)，且可通过调节操作参数(RF功率和气压)来控制等离子密度。此外，主要通过等离子腔室设计来设定等离子均匀性。因此，在大多数实施例中，等离子腔室218的深度可在10cm与20cm之间。基于这些考虑，针对在图2A到图2E以及图3A到图3C中所显示的等离子腔室，希望在许多前驱物气体(BF₃、PF₄、PH₃、AsF₃、GeF₄、CO₂、SiF₄、N₂、Ar、Xe等)中产生等离子，腔室的深度可约为14cm。于是根据上述方程式，外观因子(ξ)大约为0.32。

所描述的等离子源的一个特征是天线几何形状。第一，针对均匀提取的离子束，等离子激发必须跨越比提取缝更宽的长度。如果使用多个提取缝，那么天线也应该在y维度上延伸。在一个实施例中，天线在x方向上为610mm且在y方向上为76mm。此较大表面覆盖将暗示较长天线路径以及形成驻波(standing wave)的可能性，从而对等离子均匀性产生有害影响。在所描述的实施例中，总天线长度大约为2m，因此小于对应于铜中的13.56MHz的电磁辐射的四分之一波长。然而，如果需要更长的天线长度，可优选使用较低的RF驱动频率(较长的相关联的波长)。在一些实施例中，使用例如0.46MHz和2MHz等较低频率。在其它实施例中，使用例如27MHz和60MHz等较高频率。第二，在本实施例中使用细长的螺旋形，因而可在天线的每一侧上使高电压点和低电压点交替，因此使等离子均匀性更好。此外，天线的一个支柱(leg)连接到RF产生器，另一支柱通过电容器连接到地面，所述电容器补偿电感电压(与大约2.5μH的天线电感成比例)，因此使电压沿着天线的长度均匀分布。

所描述的等离子源的另一特征是包围等离子腔室的磁尖形配置。如在图4A中所显示，除了磁场线与腔室主体201的表面相交的“有效”等离子泄漏区以外，所得磁场线401处于与腔室主体201的表面平行的平面中。结果，朝向壁或表面的扩散通过对朝向壁或表面移动的带电粒子进行磁性收集而急剧减少。在没有尖形配置时与总腔室表面面积(A)成比例的壁或表面的损失现在被减少为与尖形的数目(N)和尖形泄漏区(∑)成比例的分数(fraction)(f)，如在方程式10中所见。

$f=\frac{\mathrm{N\Σ}}{A}---\left(10\right)$

结果，如方程式11所界定，在鞘边缘(n_edge)(即，提取缝的位置)处的等离子密度将增加，这意味着所提取的离子电流也增加：

$n_{\mathrm{edge}}=\frac{n_{\mathrm{bulk}}}{\sqrt{1+{\left(\mathrm{kf}\right)}^2}}---\left(11\right)$

在方程式11中，n_bulk为主体等离子的密度，f为在方程式10中所界定的分数且k为取决于电子温度和离子性质的因子。磁尖形配置的第二个有利效应为改良等离子的均匀性，因为原本将损失到壁中的高能量电子现在将被发射回到等离子中，其中高能量电子将经受新的电离碰撞，直到其将被热化为止。

在设计磁尖形配置时，应特别注意磁体分离(magnet separation)。方程式10展示，通过减少尖形的数目，可减少损失分数，但同时场线到等离子量中的穿透加深。在一些实施例中，磁体210的宽度(Δ₁)约为10mm。在一些实施例中，间隔物211的宽度(Δ₂)约为20mm。在图4B中显示所测量的磁场强度(在壁表面上垂直的分量)对深度(χ)。实验数据(发散图)遵照在方程式12中所见的理论预测：

$B\left(\mathrm{\χ}\right)=\frac{2B_0{\mathrm{\Δ}}_1}{{\mathrm{\Δ}}_2}\exp (-\mathrm{\π}\frac{\mathrm{\χ}}{{\mathrm{\Δ}}_2-{\mathrm{\Δ}}_1})---\left(12\right)$

其在图4B中用连续的虚线进行显示。在上述方程式中，B₀为在磁体表面处的磁场强度，χ为在腔室壁上垂直的方向上的距离，Δ₁和Δ₂分别为磁体宽度和磁体分离。如在图4C中所显示，所得磁场形貌由邻近腔室主体201的存在磁场(磁场强度在朝向壁的方向上增加)的狭窄区402以及中心无磁场区域403组成。为了实现良好的离子束均匀性，无磁场区403可优选延伸超过提取缝末端。对于本文所描述的实施例，在方位角型配置中使用具有20mm磁体分离的10mm磁体宽度，磁场强度从等离子腔室表面处的1.5kGauss下降到在距离壁约3.5cm处的零。取决于提取缝的数目，磁场穿透深度设定等离子腔室高度。在一个实施例中，高度约在150mm与250mm之间。此高度允许5个提取缝，其中每一者高度为3mm并隔开约10mm。如果使用不同数目的提取缝，那么可相应调节高度。因此，基于上文给定的w和h的维度，存在高约8cm且宽约60cm无磁场的中心区。

图5A和图5B显示在用于两种不同前驱物气体BF₃和PH₃的小外观因子(ξ～0.32)等离子源的情况下作为输入功率的函数获得的所提取的离子束电流密度。如所预测的，在所提取的束电流(j_extr)与RF功率之间存在线性关系，其中对于BF₃和PH₃，斜率分别为大约4.06mA/cm²/kW和大约4.3mA/cm²/kW。高电流密度值证明RF功率到等离子的非常有效的耦合。假设大约3eV的电子温度将导致大约2.5×10⁵cm/s的BF₂离子博姆速度(v_B)。这将导致方程式13：

$n=\frac{j_{\mathrm{extr}}}{{\mathrm{ev}}_B}---\left(13\right)$

其中，e为基本电荷(elementary charge)。计算展示5kW输入RF功率下的大约5×10¹¹cm^-3的等离子密度(n)，即，接近最大可得到的电感耦合等离子(Inductively Coupled Plasma，ICP)密度。

根据所要的束电流和元素成分(elemental composition)，上文所描述的离子源允许改变所得的等离子密度和成分。更高RF功率和较低流率(低压)将有利于前驱物气体的更高分馏(fractionation)。更高流率(压力)将有利于整体较高的等离子密度。取决于前驱物气体的性质和所要的元素束成分，可选择不同RF功率-气压(流率)。

本揭示的范围不应受本文所描述的具体实施例限制。实际上，所属领域的普通技术人员根据以上描述和附图将了解(除本文所描述的那些实施例和修改外)本揭示的其它各种实施例和对本揭示的修改。因此，此类其它实施例和修改既定属于本揭示的范围内。此外，尽管已出于特定目的而在本文中在特定环境中的特定实施方案的情境中描述了本揭示，但所属领域的普通术人员将认识到，本揭示的效用不限于此，且可为了任何数目的用途在任何数目的环境中有利地实施本揭示。因此，应鉴于如本文所描述的本揭示的整个广度和精神来解释所陈述的权利要求书。

Claims (17)

1.一种用于提取带离子束的电感耦合等离子源，包括：

腔室，包括：

腔室主体，包括顶部表面、底部表面以及侧表面，所述腔室主体具有长度、深度以及高度，其中，所述高度界定为所述顶部表面与所述底部表面之间的距离，所述长度界定为所述侧表面彼此之间的距离，所述高度小于所述长度；

介电窗；以及

端，与所述介电窗相对且具有平行于所述顶部表面以及所述底部表面的至少一个提取缝，其中，所述深度界定为所述介电窗以及与所述介电窗相对的所述端之间的距离；

至少一个气体入口，设置于所述腔室主体的所述顶部表面与所述底部表面的至少其中之一，允许气体流动到所述腔室中；

细长的平面螺旋天线，经配置以在所述腔室中激发所述气体以形成等离子，所述细长的平面螺旋天线接近所述介电窗定位；以及

提取光学器件，接近所述提取缝定位以通过所述提取缝从所述等离子中提取离子以便形成带离子束。

2.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，进一步包括接近所述顶部表面、所述底部表面以及所述侧表面的磁约束结构。

3.根据权利要求2所述的电感耦合等离子源，其特征在于，所述磁约束结构包括：

包括磁性材料的磁轭；

多个磁体；以及

定位于所述多个磁体的每一者之间的一个或多个非磁性间隔物。

4.根据权利要求3所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，布置所述多个磁体使得一个磁体的北极面向所述腔室，且邻近磁体的南极面向所述腔室。

5.根据权利要求3所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，所述磁体的较长维度沿着所述腔室主体的周边定向。

6.根据权利要求3所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，所述磁体的较长维度沿着所述腔室主体的所述深度而定向。

7.根据权利要求2所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，所述磁约束结构在所述腔室内形成磁场，以及确定所述高度的最小值，使得在所述腔室的对应于垂直中线的中心无磁场区域内不存在磁场。

8.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，基于所述细长的平面螺旋天线对于所述等离子的最佳产生来确定所述深度。

9.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，基于所述带离子束的所要的宽度来确定所述长度。

10.根据权利要求2所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，所述磁约束结构在所述腔室内形成磁场，且基于所述提取缝的所要的数量以及磁场穿透深度来确定所述高度。

11.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，沿着所述顶部表面与所述底部表面的水平中线而定位所述气体入口。

12.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，所述细长的平面螺旋天线在13.56兆赫下被供给能量。

13.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，所述细长的平面螺旋天线在0.46兆赫、2.0兆赫、27兆赫或60兆赫下被供给能量。

14.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其特征在于，当所述腔室主体被平行于所述介电窗的平面所截面时，所述腔室具有八边形的横截面，其中一锥形表面将所述顶部表面与所述底部表面附接到所述侧表面中的每一者。

15.根据权利要求1所述的用于提取带离子束的电感耦合等离子源，其中所述腔室主体是细长的椭圆，在相对端处具有：附接到所述顶部表面以及所述底部表面的半圆柱体。

16.一种用于提取带离子束的电感耦合等离子源，包括：

腔室，包括：

腔室主体，所述腔室主体包括顶部表面、底部表面以及两个侧表面，其中第一锥形表面将所述顶部表面附接到所述侧表面中的每一者，第二锥形表面将所述底部表面附接到所述侧表面中的每一者，其中所述腔室主体具有长度、深度以及高度，其中，所述高度界定为所述顶部表面与所述底部表面之间的距离，所述长度界定为所述两个侧表面之间的距离，所述高度小于所述长度；

介电窗；以及

端，与所述介电窗相对且具有平行于所述顶部表面以及所述底部表面的至少一个提取缝，其中，所述深度界定为所述介电窗以及与所述介电窗相对的所述端之间的距离，当所述腔室主体被平行于所述介电窗的平面所截面时，所述腔室具有八边形的横截面；

至少一个气体入口，设置于所述腔室主体的所述顶部表面与所述底部表面的至少其中之一，允许气体流动到所述腔室中；

细长的平面螺旋天线，经配置以在所述腔室中激发所述气体以形成等离子，所述细长的平面螺旋天线接近所述介电窗定位；

磁约束结构，接近所述顶部表面、所述底部表面、所述第一锥形表面、所述第二锥形表面以及所述两个侧表面；以及

提取光学器件，接近所述提取缝定位以通过所述提取缝从所述等离子中提取离子以便形成带离子束。

17.一种用于提取带离子束的电感耦合等离子源，包括：

腔室，包括：

腔室主体，所述腔室主体包括顶部表面、底部表面以及两个侧表面，其中第一锥形表面将所述顶部表面附接到所述侧表面中的每一者，第二锥形表面将所述底部表面附接到所述侧表面中的每一者，其中所述腔室主体具有长度及高度，其中，所述高度界定为所述顶部表面与所述底部表面之间的距离，所述长度界定为所述两个侧表面之间的距离，所述高度在150毫米与250毫米之间，且所述长度在600毫米与700毫米之间；

介电窗；以及

端，与所述介电窗相对、与所述介电窗分离100毫米与200毫米之间且具有平行于所述顶部表面以及底部表面的至少一个提取缝，当所述腔室主体被平行于所述介电窗的平面所截面时，所述腔室具有八边形的横截面；

至少一个气体入口，设置于所述腔室主体的所述顶部表面与所述底部表面的至少其中之一，允许气体流动到所述腔室中；

细长的平面螺旋天线，其在13.56兆赫下被供给能量，其经配置以在所述腔室中激发所述气体以形成等离子，所述细长的平面螺旋天线接近所述介电窗定位；

磁约束结构，接近所述顶部表面、所述底部表面、所述第一锥形表面、所述第二锥形表面以及所述两个侧表面；以及

提取光学器件，接近所述提取缝定位以通过所述提取缝从所述等离子中提取离子以便形成带离子束。