CN104051209B

CN104051209B - 离子源

Info

Publication number: CN104051209B
Application number: CN201310685061.1A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·N·霍斯奇; 萨米·K·哈托
Original assignee: NINSSIN ION EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: NINSSIN ION EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: US20140265854A1; KR20140113294A; TWI489509B; CN104051209A; TW201435956A; JP6237127B2; US8994272B2; JP2014183040A; KR101741870B1

Abstract

本发明涉及离子源。提供了一种离子源，其包括至少一个电子枪。电子枪包括用于生成电子束的电子源和用于接收气体的入口。电子枪还包括至少由阳极和接地元件限定的等离子体区域，其中，等离子体区域能够从经由入口接收的气体形成等离子体。等离子体能够由电子束的至少一部分所维持。电子枪进一步包括用于输送以下至少之一的出口：（i）由等离子体生成的离子或（ii）由电子源生成的电子束的至少一部分。

Description

离子源

技术领域

本发明总体上涉及离子源，更具体地涉及适合于生成沿着电离室的纵轴具有相对均匀的离子密度剖面的离子束的离子源。

背景技术

离子注入已经是半导体器件制造中的关键技术并且当前用于许多工艺，包括晶体管中的pn结的制作，尤其是对于诸如存储器和逻辑芯片的CMOS器件。通过创建包含在硅衬底中制作晶体管所需的掺杂元素的带正电荷的离子，离子注入器能够选择性地控制引入到晶体管结构中的能量（由此，注入深度）和离子电流（由此，剂量）这二者。传统上，离子注入器已使用生成长度达到约50mm的带状束的离子源。该束被传送到衬底，并且通过跨过衬底的带的电磁扫描、跨过束的衬底的机械扫描、或这二者，来实现所需的剂量和剂量均匀性。在某些情况下，初始带状束能够通过沿着纵轴扩散而扩展为伸长的带状束。在某些情况下，束甚至能够假定具有椭圆或圆形的剖面。

当前，业界在扩展常规离子注入器的设计以产生更大程度的带状束方面存在兴趣。扩展带状束注入的这个业界兴趣是由于近来全行业转向诸如450nm直径硅晶圆的更大衬底而产生的。在注入期间，衬底能够跨过扩展的带状束被扫描，而束保持稳定。扩展的带状束使得能够更高的剂量率，这是因为，由于扩展的带状束的降低的空间电荷膨胀，得到的更高离子电流能够经过注入器束线而被传送。为了实现跨过衬底注入的剂量的均匀，带状束中的离子密度需要相对于沿其长度维度延伸的纵轴十分均匀。但是，在实践中难以实现这样的均匀。

在某些束注入器中，在束传送期间，校正器光学器件被包括在束线中以改变离子束的离子密度剖面。例如，博纳斯型（Bernas-type）离子源已被用于产生50mm到100mm长之间的离子束，其随后扩张为期望的带状尺寸并通过离子光学器件被校准以产生比要注入的衬底更长的束。如果从离子源提取时束极为不均匀，或者如果由空间电荷加载和/或束传送光学器件引入了畸变，则使用校正器光学器件通常不足以创建良好的束均匀性。

在某些束注入器设计中，使用了大容量离子源，其包括沿弧形狭缝的纵轴对准的多个阴极，使得能够调整从每个阴极的发射以修改离子源内的离子密度剖面。多个气体引入线沿着源的长轴分布，以提升离子密度剖面的更好的均匀性。这些特征试图在束提取期间产生均匀的剖面，同时限制束剖面校正光学器件的使用。尽管有这些努力，在提取的离子束中建立均匀的离子密度剖面的问题仍是带状束离子注入器的制造者最关注的之一，尤其是在使用提取孔尺寸超过100mm的离子源时。因此，需要改进的离子源设计，能够产生相对均匀的提取的离子束剖面。

发明内容

本发明提供一种改进的离子源，能够生成具有均匀离子密度剖面的带状束，并且充分地扩展以基本上沿其长度注入衬底，诸如300mm或450mm的衬底。在某些实施例中，扩展的带状束，诸如450mm带状束，由本发明的离子源生成，然后经过离子注入器被传送，而在传送期间，束尺寸基本保持。能够利用缓慢的水平机械扫描，跨过稳定的带状束扫描衬底。

在一个方面，提供了一种离子源，包括至少一个电子枪。电子枪包括用于生成电子束的电子源、用于接收气体的入口、等离子体区域和出口。等离子体区域至少由阳极和接地元件限定。等离子体区域适合于从经由入口接收的气体形成等离子体，等离子体由通过电子源生成的至少一部分电子束来维持。出口被配置为输送以下至少之一：（i）由等离子体所生成的离子或（ii）由电子源生成的电子束的至少一部分。

在另一方面，提供了一种离子源，包括电离室和两个电子枪。电离室包括：i）沿着延伸经过电离室的纵轴在两个相对端处的两个内部孔以及ii）沿着电离室的侧壁用于从电离室提取离子的排出孔。两个电子枪的各自相对于两个内部孔之一而定位。每个电子枪包括用于生成电子束的电子源、用于从电离室接收气体的入口、和用于从气体生成等离子体的等离子体区域。等离子体区域由通过电子源生成的电子束的至少一部分来维持。每个电子枪向电离室输送以下至少之一：（i）由对应的电子枪的等离子体所形成的离子或（ii）由对应的电子枪生成的电子束的至少一部分。

在又一方面，提供了一种用于操作离子源的方法。该方法包括：通过电子枪的电子源来生成电子束；在电子枪的入口处接收气体；在电子枪的等离子体区域中从气体和电子束形成等离子体；以及经由电子枪的出口向电离室提供以下至少之一：（i）由等离子体形成的离子或（ii）电子束的至少一部分。

在另一方面，提供了一种电子枪。该电子枪包括：用于生成电子束的电子源、用于接收气体的入口、等离子体区域和出口。等离子体区域至少由阳极和接地元件限定。等离子体区域适合于形成所接收的气体的等离子体，并且等离子体由通过电子源生成的电子束的至少一部分来维持。出口被配置为输送以下至少之一：（i）由等离子体形成的离子或（ii）由电子源生成的电子束的至少一部分。

在又一方面，提供了一种离子源，该离子源包括用于供应气体的气源、至少一个电子枪、电离室和控制电路。电子枪包括用于生成电子束的发射器和至少由阳极和接地元件限定的等离子体区域。等离子体区域适合于从气体形成次等离子体，次等离子体由电子束的至少一部分来维持。电离室从至少一个电子枪接收以下至少之一：（i）由次等离子体生成的第一组离子或（ii）电子束的至少一部分。电离室适合于从气体和电子束的至少一部分形成主等离子体，并且主等离子体生成第二组离子。控制电路被配置为调制阳极的电压或发射器的电压中至少之一以产生期望量的第一组离子和第二组离子。第一组离子相比于第二组离子包括更多的解离的离子。在某些实施例中，控制电路被配置为通过相比于第二组离子产生更多的第一组离子而在单体模式中操作。在某些实施例中，控制电路被配置为通过相比于第一组离子产生更多的第二组离子而在团簇模式中操作。

在其他示例中，上述的任何方面能够包括一个或多个以下的特征。在某些实施例中，离子源进一步包括控制电路，用于调整阳极的电压以基本上关断等离子体区域中的等离子体。在此情形中，出口被配置为输送通过电子源生成的电子束的至少一部分而没有离子。

在某些实施例中，接地元件包括至少一个透镜，用于在电子束经由出口离开至少一个电子枪之前对通过电子源生成的电子束的至少一部分进行减速。

在某些实施例中，至少一个电子枪的入口和出口包括单个孔。离子源包括电离室，电离室具有沿着纵轴布置的两个端，并且两个端之一耦合到至少一个电子枪的孔。孔被配置为：（i）将气体从电离室供应到电子枪以及（ii）接收从电子枪到电离室的离子或至少一部分电子束中的至少之一。

在某些实施例中，离子源包括第二电子枪，第二电子枪大致类似于至少一个电子枪。每个电子枪被定位于电离室的两个端之一，用来向电离室输送离子或电子束中至少之一。

在某些实施例中，离子源进一步包括位于电离室的排出孔处的至少一个提取电极，用于从电离室提取离子。电离室或至少一个提取电极、或其组合，能够是由石墨制成的。在某些实施例中，离子源进一步包括四个提取电极。至少两个提取电极是相对于电离室可移动的。

在某些实施例中，电子枪的电子源包括：（i）灯丝和（ii）阴极，该阴极通过由灯丝热离子发射的电流间接加热以生成电子束。离子源能够包括第一闭环控制电路，用于调整灯丝两端的电压以保持灯丝到阴极的发射电流处于参考电流值或接近参考电流值。离子源能够包括第二闭环控制电路，用于调整灯丝和阴极之间的电势以保持阳极的电流处于参考电流值或接近参考电流值。

在某些实施例中，电离室包括沿着室的侧壁的多个气体入口，用于输送气体进入电离室。能够通过由一个或多个电子枪所供应的电子束的至少一部分对气体进行电离。

通过下面的详细描述，并结合仅仅作为示例而图示本发明原理的附图，本发明的其他方面和优点将变得明显。

附图说明

通过参考下面结合附图的描述，上述的技术优点，以及进一步的优点，将会更好理解。附图没有必要按比例，而是通常强调图示技术的原理。

图1示出了根据本发明实施例的示例离子源的示意图。

图2示出了根据本发明实施例的示例离子束提取系统的示意图。

图3示出了根据本发明实施例的示例电子枪组件的示意图。

图4示出了根据本发明实施例的用于图3的电子枪组件的示例控制系统的示意图。

图5示出了根据本发明实施例的包括磁场源对的示例离子源的示意图。

图6示出了根据本发明实施例的图5的磁场源的示例配置的示意图。

图7示出了根据本发明实施例的图5的磁场源的另一示例配置的示意图。

图8示出了由本发明的离子源所生成的离子束的示例离子密度剖面。

图9示出了根据本发明实施例的另一示例离子源的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例的示例离子源的示意图。离子源100能够被配置为产生用于传送到离子注入室的离子束，离子注入室将离子束注入到例如半导体晶圆中。如所示，离子源100包括：电离室102，将纵轴118限定为沿着电离室102的长维度；电子枪对104；等离子体电极106；拉取电极（puller electrode）108；气体输送系统，包括多个气体入口110和多个质量流控制器（MFC）112；气源114以及合成离子束116。在操作中，来自气源114的气态材料经由气体入口110被引入到电离室102。经过每一气体入口110的气流能够由耦合到入口110的相应的质量流控制器112来控制。在电离室102中，从通过电子冲击而电离的气体分子形成主等离子体，电子冲击来自位于电离室102的相对侧面上的电子枪对104中每个生成的电子束。在某些实施例中，电子枪104还能够将额外的离子引入到电离室102中。使用包括等离子体电极106和拉取电极108的提取系统，电离室102中的离子能够经由提取孔（未示出）被提取并且形成高能离子束116。纵轴118能够大致垂直于离子束116的传播方向。在某些实施例中，一个或多个磁场源（未示出）能够位于电离室102和/或电子枪104附近以产生外部磁场，该外部磁场限制由电子枪104生成的电子束在电子枪104和电离室102之内。

例如，气源114能够将一种或多种输入气体引入电离室102，诸如AsH₃、PH₃、BF₃、SiF₄、Xe、Ar、N₂、GeF₄、CO₂、CO、CH₃、SbF₅和CH₆。输入气体能够经由气体输送系统进入电离室102，气体输送系统包括：i）多个气体入口110，在电离室102的侧壁上沿着纵轴118间隔开，和ii）多个质量流控制器112，各自耦合到气体入口110之一。因为电离室102中的主等离子体的离子密度取决于输入气体的密度，所以分开地调整每一质量流控制器112能够提供对纵向118上离子密度剖面改善的控制。例如，控制电路（未示出）能够监测提取的束116的离子密度剖面，并且经由一个或多个质量流控制器112来自动地调整输入气体的流速，以实现提取的束116沿纵向更均匀的密度剖面。在某些实施例中，气源114能够包括汽化器，用于对诸如B₁₀H₁₄、B₁₈H₂₂、C₁₄H₁₄和/或C₁₆H₁₀的固体馈送材料进行汽化，以生成蒸汽输入用于供应到电离室102。在此情况下，能够使用一个或多个单独的蒸汽入口（未示出）来将蒸汽输入引入到电离室102中，绕开耦合MFC的入口110。这一个或多个单独的蒸汽入口能够沿着电离室102的侧壁在纵轴118的方向上均匀地散布。在某些实施例中，气源114包括一个或多个液相气源。液相材料能够被气体化并且使用包括气体入口110和质量流控制器112的气体输送系统引入到电离室102中。质量流控制器112能够被适当调整以有助于从液相材料演变来的气体的流动。

通常，电离室102能够具有矩形形状，该形状在纵向118上比在横向（未示出）上更长。电离室102还能够具有其他形状，诸如圆柱形。电离室102沿纵向118的长度可以约为450mm。提取孔（未示出）能够位于电离室102的伸长侧面，而每个电子枪102位于横侧面。提取孔能够沿着电离室102的长度延伸，诸如约450mm长。

为了从电离室102提取离子并且为了确定注入离子的能量，离子源100被源电源（未示出）保持在较高的正源电压，例如1kV至80kV之间。等离子体电极106能够包括在电离室102侧面上沿纵轴118的提取孔板。在某些实施例中，等离子体电极106与电离室102电隔离，使得能够对等离子体电极106施加偏压。偏压适合于影响电离室102内生成的等离子体的特性，诸如等离子体电势、离子驻留时间和/或等离子体内的离子物种的相关扩散属性。等离子体电极106的长度能够大致与电离室102的长度相同。例如，等离子体电极106能够包括包含450mm乘6mm孔的板，成形为允许从电离室102提取离子。

一个或多个附加电极，诸如拉取电极108，用于增加提取效率并改善离子束116的聚焦。拉取电极108能够与等离子体电极106类似地配置。这些电极能够彼此间隔绝缘材料（例如相隔5mm）并且电极能够保持在不同的电势。例如，拉取电极108能够相对于等离子体电极106或源电压而偏置达到约-5kV。但是，电极能够在宽电压范围上操作，以优化产生期望的离子束用于特定注入工艺时的性能。

图2示出了根据本发明实施例的示例离子束提取系统的示意图。如所示，提取系统包括等离子体电极202，其位于最靠近电离室102，接着是拉取电极204、抑制电极206和接地电极208。电极孔大致平行于电离室102的纵轴118。等离子体电极202和拉取电极204分别与图1的等离子体电极106和拉取电极108相类似。在某些实施例中，等离子体电极202根据皮尔斯角（Pierce angle）来成形以抵消离子束116的空间电荷扩张，由此实现提取时的大致平行的束轨迹。在某些实施例中，等离子体电极202的孔包括在电离室102中最接近等离子体的侧面上的底切（undercut），其有助于通过引入锋利边缘（下文称为“刀边缘”）而限定等离子体边界。等离子体电极孔的宽度能够大致与刀边缘沿着散布平面的宽度相同。该宽度在图2中被指示为W1。W1的值能够在大约3mm到大约12mm范围内。此外，如图2所示，散布平面中的拉取电极204的孔的宽度（W2）能够比等离子体电极202的孔的宽度更宽，诸如大约1.5倍宽。接地电极208能够保持在端子电势，其处于大地接地，除非期望将端子浮动低于接地，否则，如某些注入系统的情况。抑制电极206相对于接地电极208负向偏置，诸如约-3.5kV，以便拒绝或抑制不想要的电子，这些电子否则将在生成带正电荷的离子束116时被吸引到正偏置离子源100。通常，提取系统不限于两个电极（例如抑制电极206和接地电极208）；能够按需要增加更多的电极。

在某些实施例中，控制电路（未示出）能够自动地调整一个或多个电极沿着离子束116的传播方向（即，垂直于纵轴118）的间隔，以便提高离子束116的聚焦。例如，控制电路能够监测离子束116的束质量，并且基于该监测，彼此更接近或者远离地移动抑制电极206或接地电极208中至少一个，以改变提取场。在某些实施例中，相对于离子束116的路径，控制电路倾斜或旋转抑制电极206或接地电极208中至少一个，以补偿由于电极的安置而造成的机械误差。在某些实施例中，控制电路沿着垂直束路径一起移动抑制电极206和接地电极208（组1电极），相对于能够保持稳定的剩余的电极（组2电极），剩余电极包括等离子体电极202和拉取电极204。组1电极和组2电极之间的间隙能够基于多种因素而确定，多种因素诸如离子束形状、所需离子束能量和/或离子质量。

图3示出了根据本发明实施例的示例电子枪组件104的示意图。如所示，电子枪104包括阴极302、阳极304、接地元件306和控制电路（未示出）。由阴极302发射热电子，阴极302例如可以由诸如钨或钽的难熔金属来构造并且能够被直接或间接加热。如果阴极302被间接加热，则可使用灯丝311来执行间接加热。具体地说，电流能够流过灯丝311以加热灯丝311，结果热灯丝311热离子地发射电子。通过将灯丝311偏置为低于阴极302电势几百伏的电压，诸如相对于阴极到达负600V，由灯丝311生成的热离子发射的电子能够通过高能电子轰击来加热阴极302。阴极302适合于热离子发射电子，导致在阳极304形成高能电子束308，相对于阴极302，阳极304保持在正电势。电子束308适合于经由电离室的孔312进入电离室102，在电离室102中，电子束308通过对电离室102内的气体电离而产生主等离子体（未示出）。

此外，控制电路能够使得在电子枪104中在阳极304和接地元件306之间形成次等离子体310。具体地说，能够在阳极304和接地元件306之间创建电势，使得其建立足以在存在电子束308的情况下创建次等离子体310的电场。通过对从电离室102经由孔312进入电子枪104的气体进行电离创建次等离子体，其中，气体能够由入口110供应。电子束308能够维持次等离子体310持续延长的时间段。次等离子体310的等离子密度与阳极的电弧电流成比例，阳极的电弧电流是阳极正电压的增函数。因此，控制电路能够使用阳极电压，结合对源自阳极电源（未示出）的电流的闭环控制，来控制和稳定次等离子体场310。次等离子体310适合于生成带正电荷的离子，带正电荷的离子能够经由孔312被推进到电离室102中，由此增加提取的离子束116的离子密度。当由次等离子体310生成的带正电荷的离子被正向偏置的阳极304排斥而朝向电离室102行进时，推进运动就出现了。

控制电路能够通过向阳极304施加正电压而在电子枪104中形成次等离子体310。部分地通过对源自阳极电源的电流的闭环控制，控制电路能够控制由次等离子体310所生成的离子的量，并且稳定次等离子体310。该电流是通过阳极304和接地元件306之间的等离子体放电而维持的电弧电流。此后，该操作模式被称为“离子泵模式”。在离子泵模式中，除了离子之外，电子束308也经由孔312进行到电离室102以在电离室102中形成主等离子体。离子泵模式在期望增加提取电流的情况下可能是有优势的。或者，控制电路能够通过适当调整阳极304的电压，诸如将阳极304的电压设定为0，而基本上关断电子枪104中的次等离子体310。在此情况下，只有电子束308从电子枪104流到电离室102，并不伴随显著量的带正电荷的离子。此后，该操作模式被称为“电子冲击模式”。

在另一操作模式中，控制电路能够在电子枪104中形成次等离子体310，而不向电离室102提供电子束308。这能够通过适当地调整发射器（即，阴极302）的电压来完成，诸如将阴极302接地从而使之与电离室102相同电势。结果是，电子束308中的电子在进入电离室102时将具有低能量，有效地使得弱得多的电子束或没有电子束进入到电离室102或者在电离室102中形成有用的电子轰击电离。在此操作模式中，次等离子体310能够生成正离子用于推进到电离室102中。在此操作模式中，电子枪104充当等离子体源，而非电离室102。此后，该操作模式被称为“等离子体源模式”。等离子体源模式具有几个优点。例如，通过去除通常为2kV、1A电源的发射器电压电源，降低了成本和复杂度。等离子体源模式能够在淹没式等离子体枪（plasmaflood gun）、等离子体掺杂装置、等离子体化学汽相淀积（CVD）等等中启动。在某些实施例中，能够使用射频放电来在等离子体源模式中生成等离子体310。但是，通常，电子枪104能够充当等离子体源和/或离子源。

通常，激活电子枪104中的次等离子体310能够延长离子源100的使用寿命。实现长离子源寿命的主要限制因素是阴极302的故障，主要由于离子溅射所造成的阴极腐蚀。阴极302的离子溅射的程度取决于多个因素，包括：i）局部等离子体或离子密度，ii）离子到达阴极302时的动能。由于阴极302远离电离室102中的主等离子体，所以电离室102中创建的离子必须流出电离室102到达阴极302。这样的离子流被阳极304的正电势极大地阻止。如果阳极304的电势足够高，则低能量离子不能克服该电势势垒到达带负电荷的阴极302。但是，在阳极304和接地元件306之间的电弧中创建的等离子体离子能够具有与阳极304电势一样高的初始动能（例如几百eV）。离子溅射产量是离子能量K的增函数。具体地说，电子枪104附近的K的最大值被给出为：K=e(Ve-Va)，其中Va是阳极304的电压，Ve是阴极302的电压，而e是电子电荷。根据这一关系，K能够与阴极302和阳极304之间的电势差一样大。因此，为了最大化阴极302的寿命，该差能够被最小化。在某些实施例中，为了使阴极302附近的等离子体或离子密度保持较低，等离子体源模式的电弧电流也被调整为较低。比起等离子体源模式，这样的条件更加接近地对应于电子冲击模式，尽管二者都可以有用地被利用而不用牺牲阴极寿命。通常，难熔金属的离子溅射产量最小低于约100eV，并且随着离子能量的增加而快速增加。因此，在某些实施例中，保持K低于约200V将最小化离子溅射并导致长寿命工作。

在某些实施例中，控制电路能够操作离子源100在“团簇”或者“单体”模式。如上所述，离子源100能够维持两个单独的等离子体区域——i）次等离子体310，其由阳极304和接地元件306之间的电弧放电而生成，以及ii）主等离子体（未示出），其由电离室102内的气体的电子冲击电离而生成。这两个等离子体形成机制的电离属性是不同的。对于次等离子体310，除了带负电荷的物种之外，阳极304和接地元件306之间的电弧放电能够有效地解离分子气体物种并且创建解离片段的离子（例如，有效地将BF₃气体转换为B⁺、BF⁺、BF₂ ⁺和F⁺）。反之，在电离室102中通过对电子束308的电子冲击电离而形成的等离子体倾向于保留分子物种而没有实质的解离（例如，将B₁₀H₁₄转换为B₁₀H_x ⁺离子，其中“x”表示氢化物物种的范围，诸如B₁₀H₉ ⁺、B₁₀H₁₀ ⁺等等）。考虑到这些不同的电离属性，控制电路能够操作离子源100至少部分地将电离属性定制为用户期望的离子物种。控制电路能够修改特定气体物种的“裂化形式”（即，从中性气体物种形成特定离子相对丰度）以便如期望地为给定注入工艺增加特定离子的丰度。

具体地说，在单体操作模式中，控制电路能够启动离子泵模式或等离子体源模式，其中次等离子体被生成以产生更大相对丰度的解离的离子。反之，在团簇操作模式中，控制电路能够启动电子冲击模式，其中主等离子体占多数而次等离子体则弱到不存在，以产生父离子的相对丰度。因此，单体模式允许更多带正电荷的离子从电子枪104的次等离子体310推进到电离室102中，但允许更弱的电子束308或没有电子束308进入电离室102。反之，团簇操作模式允许更少的带正电荷的离子，但允许更强的电子束308从电子枪104进入电离室102。

作为一个示例，考虑分子C₁₄H₁₄。由于其键合结构的对称性，对该分子的电离产生C₁₄H_x ⁺和C₇H_x ⁺两种离子。以团簇模式操作离子源增加了C₁₄H_x ⁺离子的相对丰度，而以单体模式操作离子源增加了C₇H_x ⁺离子的相对丰度，这是因为，在单体模式中父分子将更易于裂化。在某些实施例中，从气相或液相材料，诸如AsH₃、PH₃、BF₃、SiF₄、Xe、Ar、N₂、GeF₄、CO₂、CO、CH₃、SbF₅、P₄和As₄，获得感兴趣的单体物种。在某些实施例中，从汽化的固体馈送材料，诸如B₁₀H₁₄、B₁₈H₂₂、C₁₄H₁₄和C₁₆H₁₀，以及从气相或液相材料，诸如C₆H₆和C₇H₁₆，获得感兴趣的团簇物种。如果感兴趣的原子（在这些示例中是B和C）的数量能够在电离期间极大保留的话，这些材料作为电离注入物种是有用的。

控制电路能够通过适当地设置电子枪104的操作电压来启动两种模式之一。作为示例，为了启动单体模式，控制电路能够设置i）发射器的电压（Ve），诸如阴极302的电压，为大约-200V，以及ii）阳极304的电压（Va）为大约200V。单体模式还能够在Ve被设置为约0V（即等离子体源模式）时启动，在此情况下，在电离室102内基本没有通过电子冲击电离而创建的离子。为了启动团簇模式，控制电路能够设置i）Ve为大约-400V，Va为大约0V。

每个离子类型具有其优点。例如，对于低能量离子注入掺杂或材料修改（例如非晶化注入），含多种感兴趣原子的重分子物种可能是优选的，诸如在上面提供的示例中的硼和碳。反之，对于掺杂硅衬底以创建晶体管结构（例如源极和漏极）来说，单体物种，诸如B⁺，可能是优选的。

为了控制电子枪104在不同操作模式中的操作，控制电路能够调节与灯丝311、阴极302和阳极304中每个相关联的电流和/或电压。图4示出了根据本发明实施例的图3的电子枪组件104的示例控制系统400的示意图。如所示，控制电路400包括用于提供灯丝311两端的电压（Vf）以调节灯丝发射的灯丝电源402、用于相对于阴极302偏置灯丝311的阴极电源404（Vc）、用于提供电压给阳极304（Va）的阳极电源406、以及用于提供诸如阴极302电压的发射器电压（Ve）的发射器电源。通常，电源402、404、406中的每个操作于受控电流模式，其中每个电源设置足以满足设定点电流的输出电压。如所示，控制电路400包括两个闭环控制器：1）闭环控制器408，用于调节灯丝311的电流发射，和2）闭环控制器418，用于调节在次等离子体310中生成的电弧电流，其是源自阳极电源406的电流。

在控制操作的开始，控制电路400设置阴极电源404和阳极电源406为其相应的初始电压值。控制电路400还使用例如通过操作者界面而可用的灯丝热身实用而使灯丝311进入发射。一旦达到发射，控制电路400的操作者能够经由控制器408和418启动闭环控制。

闭环控制器408寻求保持用于灯丝311的设定点发射电流值，其是输送到阴极302的电子束加热电流。闭环控制器408通过调整灯丝电源402以调节灯丝电压，即灯丝311的电压两端，来保持该电流值。具体地说，控制器408接收设定点灯丝发射电流值410作为输入，这是源自阴极电源404的电流。设定点电流值410能够是例如约1.2A。作为响应，控制器408经由输出信号412调节灯丝电源402，使得灯丝电源402提供足够的输出电压以允许离开灯丝电源402的电流接近设定点电流值410。监测离开灯丝电源402的实际电流并向回报告给控制器408作为反馈信号416。反馈信号416中的实际电流与设定点电流410之间的差产生误差信号，其能够受控制器408的比例-积分-微分（PID）滤波器的制约。控制器408随后将输出信号412发送至灯丝电源402以最小化该差。

闭环控制器418通过调整由电子束308生成的电流而寻求保持设定点阳极电流，这是因为，阳极电流与电子束电流成比例。闭环控制器418通过调整由灯丝311加热阴极302的电子束从而调节阴极302发射的电子的量，来保持该设定点电流值。具体地说，控制器418接收设定点阳极电流420作为输入。作为响应，控制器418经由输出信号422调节阴极电源404，使得阴极电源404提供足够的输出电压以允许阳极电源406处的电流接近设定点电流420。如上所述，通过调整阴极电源404的电压，阴极302的电子加热的水平得到调整，由此，电子束308的电流得到调整。由于阳极304的电弧电流是通过电子束308馈送的，阳极电流因此与电子束308的电流成比例。此外，监测离开阳极电源406的实际电流并向回报告给控制器418作为反馈信号426。反馈信号426中的实际电流与设定点电流420之间的差产生差信号，其受到控制器418的PID滤波器的制约。控制器418随后将输出信号422发送至阴极电源404以最小化该差。

在某些实施例中，电子束308的动能能够由控制电路基于对发射器电源430的电压的测量来确定。例如，电子束能量能够被计算为发射器电源电压（Ve）与电子电荷（e）的乘积。发射器电源430还能够发出电子束电流，其等价于离开发射器电源430的电流，并且充当用于浮动灯丝电源402的阴极电源404的参考电势。

继续参看图3，电子枪104的接地元件306能够被配置为通过降低电子束308在进入电离室102之前的最终能量而使电子束308减速。具体地说，接地元件306能够包括一个或多个透镜，诸如两个透镜，它们根据反皮尔斯几何（reverse-Pierce geometry）来成形以充当减速透镜。作为示例，电子束308可以以500eV接近接地元件306，并且在经过接地元件306后减速到100eV。结果，相比于其他的可能性，较低能量的电子电流被引入到电离室102。此外，能够施加外部的、大致均匀的磁场320以限制电子束308为螺旋形轨迹。磁场320还能够限制主等离子体（未示出）和次等离子体310在离子源100之内。有关磁场320的细节将在下面结合图5-7进行描述。

能够使用图3的至少一个电子枪104来将电子束和/或离子经由孔312引入到电离室102。孔312能够允许将气体从电离室102传送到电子枪104，由此，在离子泵模式期间能够形成电子枪104中的次等离子体310。在某些实施例中，使用两个电子枪，每个位于电离室102的相对侧，如图1所示。电子枪对104中的每个所引入的电子束适合于在电离室102之内在纵向118上行进。来自每一电子枪104的电子束在电离室102内电离气体以在电离室102内产生离子。如果激活了离子泵模式，则额外的离子能够由电子枪104引入到电离室102中。

在一个方面，离子源100的一个或多个部件是由石墨构造的，从而最小化由于例如高操作温度、离子溅射腐蚀以及与氟化物的反应而造成的特定有害效应。石墨的使用还限制了在提取离子束116中的有害金属成分的产生，诸如难熔金属和过渡金属。在某些示例中，电子枪104的阳极304和接地元件306由石墨制成。此外，用来从电离室102提取离子的一个或多个电极能够由石墨制成，包括等离子体电极106和拉取电极108。而且，电离室102，其能够由铝制成，能够与石墨成一排。

在另一方面，离子源100能够包括位于电离室102和/或电子枪104附近的一个或多个磁场源，以产生限制由每一电子枪104生成的电子束在电子枪104和电离室102内的外部磁场。磁场源所产生的磁场还能够使得提取离子束116能够实现更均匀的离子密度剖面。图5示出了根据本发明实施例的包括磁场源对的示例离子源的示意图。如所示，外部磁场能够由位于电离室102每一侧、平行于电子束308的路径、即平行于电离室102的纵轴118的磁场源对502提供。磁场源对502能够与两个相对的室壁504的外部表面分别对准并接近，其中，相对的室壁平行于纵轴118。在某些实施例中，电离室102的至少一部分表面，除了相对的室壁504和与电子枪104相对的侧面之外，能够形成提取孔。图5示出了电离室102表面上的提取孔510的示例安置。两个磁场源502能够关于包括平行于纵轴118的电离室102的中心轴512的平面对称。每一磁场源502能够包括至少一个螺线管。

相对的室壁之一能够限定提取孔。两个磁场源502能够关于纵轴118对称。每一磁场源502能够包括至少一个螺线管。

每一磁场源502的纵向长度至少与电离室102的纵向长度一样长。在某些实施例中，每一磁场源502的纵向长度至少与两个电子枪104的长度加上电离室102的长度一样长。例如，每一磁场源502的纵向长度能够是大约500mm、600mm、700mm或800mm。磁场源502能够大致跨越电离室的提取孔，从提取孔提取离子。磁场源502适合于在长路径长度上限制电子束308。路径长度由(2X+Y)给出，如图5中所示，其中，X是电子枪104的长度，Y是电离室102的跨度（Y也粗略是离子提取孔的长度，和提取的带状离子束116的期望长度）。

图6示出了根据本发明实施例的图5的磁场源502的示例配置的示意图。如所示，每一磁场源502包括i）磁芯602，和ii）通常缠绕磁芯602的电磁线圈组件604。离子源结构601，包括电离室102和电子枪104，浸入由电磁线圈组件604所产生的轴向磁场中。在某些实施例中，磁场源对502都不连接到磁轭，使得磁场源502所产生的磁通量消散于空间中并且远离离子源结构601返回。该配置在离子源结构601中产生磁通量，已发现带来提取的离子束116在纵向118上的离子密度剖面上的改善的均匀性。此外，离子源结构601中的磁通量可以取向为纵向118。在某些实施例中，两个磁场源502物理上互相远离且它们的磁芯602彼此电隔离。也就是说，在磁芯对602之间没有电连接。

每一线圈组件604能够包括沿着纵轴118分布并且由控制电路608独立控制的多个线圈段606。具体地说，控制电路608能够供应不同的电压给每一线圈段。作为示例，线圈组件604a能够包括三个线圈段606a-c，它们在离子源结构601的顶部、中部、底部生成独立的、部分重叠的磁场。得到的磁场能够提供对每一电子枪104所生成的电子束308的限制，由此沿着纵轴118创建良好限定的等离子体柱。

每一线圈段606所生成的磁通量密度能够被独立地调整以校正提取的离子束116的离子密度剖面上的非均匀性。作为示例，对于线圈组件604a，中心段606b能够具有供应到端段606a、606c的电流的一半的电流。在某些实施例中，用于磁场源对502的对应线圈段对606被供应有相同的电流。例如，线圈606a和606d能够具有相同的电流，线圈606b和606e能够具有相同的电流，线圈606c和606f能够具有相同的电流。在某些实施例中，每一线圈段606a-f被供应有不同的电流。在某些实施例中，多个控制电路被用来控制一个或多个线圈段606。即使图6示出了每一线圈组件604具有三个线圈段606，但每一线圈组件604能够具有更多或更少的段。此外，线圈组件对604不必具有相同数目的线圈段606。用于每一线圈组件604的线圈段606的数目和布置能够适当地被配置为在提取的离子束116中实现特定的离子密度剖面。

图7示出了根据本发明实施例的图5的磁场源502的另一示例配置的示意图。如所示，每一磁场源502的线圈组件704能够包括1）大致缠绕对应磁芯702的主线圈段708和2）缠绕主线圈段708的多个副线圈段710。每个线圈组件704的主线圈段708和副线圈段710中的每个由至少一个控制电路（未示出）独立地控制。该布置在调整由磁场源502所生成的磁通量方面向操作者提供了更大的灵活性，使得生成的离子束116在纵向118上具有期望的离子密度剖面。例如，主线圈段708能够用于提供对离子源结构601中的磁场的粗略控制，而副线圈段710能够用于精细调谐磁场。在某些实施例中，每一主线圈段708的纵向长度至少为电离室102的长度，而每一副线圈段710的长度小于主线圈段708的长度。

图8示出了离子源100所生成的离子束的示例离子密度剖面的图。该剖面示出了沿着纵轴118的电流密度。如所示，来自示例离子束的总离子束电流800约为96.1mA，在沿着纵轴118的400mm长度至正负约2.72%内的长度上，电流密度大致均匀。

图9示出了根据本发明实施例的另一示例离子源的示意图。离子源900包括阴极902、阳极904、接地元件906、磁场源组件908和气体馈送910。阴极902能够大致类似于图3的阴极302，其能够被直接或间接地加热。如果阴极902被间接加热，则能够使用灯丝913来执行间接加热。阴极902适合于热离子发射电子，导致在阳极904形成高能电子束914，阳极914相对于阴极912保持在正电势。此外，类似于图3的电子枪布置104，能够在阳极904和接地元件906之间的离子源900中形成等离子体916。等离子体916是从对经由气体馈送910经过接地元件906直接引入到离子源900的气体进行电离而创建的。电子束914能够维持等离子体916持续延长的时间段。等离子体916适合于生成带正电荷的离子918，其能够在孔912处通过提取系统（未示出）被提取并且被传送到衬底用于注入。在离子源900中不需要电离室。因此，离子源900在设计和部署上相对紧凑。

在某些实施例中，能够使用至少一个控制电路（未示出）来调节与灯丝912、阴极902和阳极904中每个相关联的电流和/或电压以控制离子源900的操作。控制电路能够使得离子源900操作于离子泵模式或等离子体源模式之一，如前面所述。控制电路还能够调整气体馈送910的流速以调节提取的离子束（未示出）的质量。

可选地，离子源900能够包括磁场源组件908，其产生外部磁场922来将电子束914限制于离子源900之内。如所示，磁场源组件908包括轭组件，耦合到永磁体以生成强、局部化的磁场922，其平行于电子束914的方向。可替换地，能够使用缠绕轭结构的电磁线圈组件。因此，不需要并入对许多离子源系统来说很典型的大的外部磁线圈。这样的磁场源组件908将磁场终结于靠近离子源900，使得其不会穿透进入离子的提取区域很远。这就允许从大致无场体积中提取离子。

图9的离子源设计具有许多优点。例如，通过将离子源900的电离区域局部化在发射器组件内（即不使用大电离室），离子源900的尺寸显著减小。此外，通过将气体在其使用点引入到等离子体916，而不是引入到大电离室，气体效率实质增加并且有助于离子源900的紧凑、模块化设计。而且，利用适当的场箝位产生对等离子体916的局部磁限制，使得能够从大致无场的区域提取离子电流。

本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神或必要特征的情况下，本发明可以以其他具体形式来实施。上述实施例因此应被视为有关说明性的而非限制这里描述的发明。因此，本发明的范围是由所附权利要求指示的，而不是由前文的描述来指示的，并且因此，意图是涵盖落入权利要求的等价意义和范围内的所有变化。

Claims

1.一种离子源，包括：

至少一个电子枪，所述电子枪包括：

电子源，用于生成电子束；

入口，用于接收气体；

等离子体区域，至少由阳极和接地元件限定，所述等离子体区域适合于从经由所述入口接收的所述气体形成等离子体，其中，所述等离子体由所述电子束的至少一部分来维持；以及

出口，用于输送以下至少之一：(i)由所述等离子体生成的离子或(ii)所述电子束的至少一部分。

2.如权利要求1所述的离子源，进一步包括控制电路，用于调整所述阳极的电压以关断所述等离子体区域中的所述等离子体，其中，所述出口被配置为输送所述电子束的所述至少一部分而无所述离子。

3.如权利要求1所述的离子源，其中，所述接地元件包括至少一个透镜，用于在所述电子束经由所述出口离开所述至少一个电子枪之前对所述电子束的所述至少一部分进行减速。

4.如权利要求1所述的离子源，其中，所述至少一个电子枪的所述入口和所述出口包括单个孔。

5.如权利要求4所述的离子源，进一步包括电离室，所述电离室具有沿着纵轴布置的两个端，其中，所述两个端之一被耦合到所述至少一个电子枪的所述孔用来(i)将所述气体从所述电离室供应到所述电子枪以及(ii)接收从所述电子枪到所述电离室的所述离子或所述电子束的所述至少一部分中的至少之一。

6.如权利要求5所述的离子源，所述至少一个电子枪包括第一电子枪和第二电子枪，其中，每个电子枪被定位于所述电离室的所述两个端之一，用来向所述电离室输送所述离子或所述电子束中至少之一。

7.如权利要求5所述的离子源，进一步包括位于所述电离室的排出孔处的至少一个提取电极，用于从所述电离室提取离子。

8.如权利要求7所述的离子源，其中，所述电离室或所述至少一个提取电极、或其组合，是由石墨制成的。

9.如权利要求7所述的离子源，进一步包括四个提取电极，其中，至少两个所述提取电极是相对于所述电离室可移动的。

10.如权利要求1所述的离子源，其中，所述电子源包括：(i)灯丝和(ii)阴极，所述阴极通过由所述灯丝热离子发射的电流间接加热以生成所述电子束。

11.如权利要求10所述的离子源，进一步包括第一闭环控制电路，用于调整所述灯丝两端的电压以保持所述灯丝到所述阴极的发射电流处于参考电流值或接近参考电流值。

12.如权利要求10所述的离子源，进一步包括第二闭环控制电路，用于调整在所述灯丝和所述阴极之间的电势以保持所述阳极的电流处于参考电流值或接近参考电流值。

13.一种离子源，包括：

电离室，所述电离室包括：i)沿着延伸经过所述电离室的纵轴位于两个相对端处的两个内部孔以及ii)沿着所述电离室的侧壁用于从所述电离室提取离子的排出孔；以及

两个电子枪，各自相对于所述两个内部孔之一而定位，每个电子枪包括：

电子源，用于生成电子束；

入口，用于从所述电离室接收气体；和

等离子体区域，用于从所述气体生成等离子体，所述等离子体区域由所述电子束的至少一部分来维持；

其中，每个电子枪向所述电离室输送以下至少之一：(i)由对应的电子枪的所述等离子体所形成的离子或(ii)由对应的电子枪生成的所述电子束的至少一部分。

14.如权利要求13所述的离子源，进一步包括沿着所述电离室的侧壁的多个气体入口，用于输送气体进入所述电离室，用来通过由所述电子枪的每一个供应的所述电子束的所述至少一部分的电离。

15.一种用于操作离子源的方法，所述方法包括：

通过电子枪的电子源来生成电子束；

在所述电子枪的入口处接收气体；

在所述电子枪的等离子体区域中从所述气体和所述电子束形成等离子体；以及

经由所述电子枪的出口向电离室提供以下至少之一：(i)由所述等离子体形成的离子或(ii)所述电子束的至少一部分。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

调整阳极的电压以消除所述等离子体区域中的所述等离子体；以及

仅向所述电离室提供所述电子束的所述至少一部分。

17.如权利要求15所述的方法，进一步包括间接加热所述电子源的阴极以生成所述电子束。

18.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

经由所述电离室的多个气体入口向所述电离室提供气体；以及

基于所述电子束的所述至少一部分和所述气体，在所述电离室中生成次等离子体。

19.一种电子枪，包括：

电子源，用于生成电子束；

入口，用于接收气体；

等离子体区域，至少由阳极和接地元件限定，所述等离子体区域适合于基于接收的所述气体形成等离子体，其中，所述等离子体由所述电子束的至少一部分来维持；以及

出口，用于输送以下至少之一：(i)由所述等离子体形成的离子或(ii)所述电子束的至少一部分。

20.如权利要求19所述的电子枪，进一步包括控制电路，用于调整所述阳极的电压以关断所述等离子体区域中的所述等离子体，其中，所述出口被配置为输送所述电子束的所述至少一部分而无所述离子。

21.一种离子源，包括：

气源，用于供应气体；

至少一个电子枪，所述电子枪包括：

发射器，用于生成电子束；

等离子体区域，至少由阳极和接地元件限定，所述等离子体区域适合于从所述气体形成次等离子体，其中，所述次等离子体由所述电子束的至少一部分来维持；以及

电离室，用于从所述至少一个电子枪接收以下至少之一：(i)由所述次等离子体生成的第一组离子或(ii)所述电子束的至少一部分，所述电离室适合于从所述气体和所述电子束的所述至少一部分形成主等离子体，其中，所述主等离子体生成第二组离子；以及

控制电路，用于调制所述阳极的电压或所述发射器的电压中至少之一以产生期望量的所述第一组离子和所述第二组离子，其中，所述第一组离子相比于所述第二组离子包括更多的解离的离子。

22.如权利要求21所述的离子源，其中，所述控制电路被配置为通过相比于所述第二组离子产生更多的所述第一组离子而在单体模式中操作。

23.如权利要求21所述的离子源，其中，所述控制电路被配置为通过相比于所述第一组离子产生更多的所述第二组离子而在团簇模式中操作。