CN105719927B - 离子源 - Google Patents
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Abstract
离子源具有蒸发器并使用以下之一或更多方式控制位于蒸发器内材料的温度。首先，容器内材料与邻近电弧室之间的距离可调整。其次，当蒸发器内有两个或更多个容器，这些容器与邻近电弧室之间的距离并不是都相同。第三，加热器及/或冷却器被用来将热带入或带离蒸发器，即使容器位于蒸发器内。第四，热屏蔽设置于蒸发器与邻近电弧室之间以阻挡热辐射。因此容器的温度可调整而不再仅由邻近的电弧室决定。此外，离子源具有由稀土元素构成的斥拒极使稀土元素离子直接在电弧室内产生。
Description
技术领域
本发明有关于一种离子源，特别是有关于一种具有蒸发器(vaporizer)的离子源，此蒸发器使用温度调整机构使欲蒸发材料的温度不再仅由邻近电弧室(arc chamber)的热决定，特别有关于一种具有由稀土元素构成的斥拒极(repel ler)的离子源。
背景技术
离子布植对于现代组件制造技术，例如半导体组件制造或平面面板制造而言，是必须但昂贵的制造工艺。离子布植主要是用于将化学活跃材料物掺杂-引入至例如通常是硅的半导体材料的工作件内。在多数的情况下并无可替代离子布植的其他制造工艺。离子布植在其他应用方面也有增加的趋势，例如组件上关键区域的定义以及工作件内掺质迁移率(mobility)的控制。
目前主流使用中的离子布植机为离子束线型(beam-line type)离子布植机，其中等离子体是在电弧室内生成与维持，且其中大量的离子被连续地自电弧室中抽取接着在工作件被布植前被调整成为具有所需种类离子的离子束。很明显地当离子被连续地自电弧室中抽取时，具有所需种类离子的材料必需被连续地供应至电弧室内以维持等离子体。
一般而言，当具有特定种类离子的气体状态材料可在室温下存在时，为了简化硬件与操作，此气体状态材料是储存在电弧室外接着被传送至电弧室，使具有此特定种类离子的等离子体可被维持。例如被广泛使用用于提供磷的磷化氢(PH3)气体、被广泛使用用于提供砷的砷化氢(AsH3)气体以及被广泛使用用于提供硼的三氟化硼(BF3)气体。不过对于某些其他特别种类离子而言，例如稀土元素，并无可用的气体状态材料，至少无商业上可用的气体状态材料。例如锑(Sb)、铟(In)与铝(Al)对于半导体制造而言有价值的材料，但并没有商业上可用的气体状态材料形式存在。例如稀土元素材料的布植为新发展的课题，但大部分稀土元素材料是以化合物的形式存在，例如室温下的金属氧化物。
当特定种类离子在室温下无法由气体状态材料提供时，邻近电弧室的蒸发器被广泛用于维持具有此特定种类离子的固态材料能自蒸发器传送蒸发后材料至附近的电弧室。图1A显示常见离子源蒸发器结构。蒸发器10邻近设置于电弧室18并具有容器(canister)11、扩散器(diffuser)12与喷嘴(nozzle)13。容器11，例如箱型或管形容器，固定于蒸发器10内并用于储存将蒸发或蒸发的固态材料。扩散器12，例如具有开孔的金属管，连接至容器11以使被蒸发的材料可扩散通过，且喷嘴13连接扩散器12与电弧室18使被蒸发的材料可有效且均匀传送至电弧室18。由于电弧室18与蒸发器10之间的短距离，且由于电弧室的温度通常至少达摄氏数百度，甚至超过摄氏一千度，电弧室18的热通常可将容器11内的材料蒸发。请注意具有稀土元素的固态材料的蒸发温度可由低于摄氏五十度至高于摄氏一千度。图1B显示另一常见离子源蒸发器结构。两相同容器11固定于蒸发器10内并具有与电弧室18之间的相同距离。如此若每一容器11内均具有相同的固态材料，固态材料的使用寿命可加倍。此外，蒸发器10具有环绕两相同容器11的外壳14，且外壳14直接与电弧室18接触使被蒸发的材料可直接经外壳14上的开孔15传送至电弧室18，而不使用任何扩散器12与任何喷嘴13。
尽管如此，其中仍有一些缺点。首先，不同固态材料通常具有不同蒸发温度，甚至含有相同种类离子的不同固态材料也具有不同蒸发温度，但电弧室的温度通常无法特别调整至各个固态材料所需的蒸发温度，这是因为电弧室温度不可避免会影响电弧室内的等离子体，接着不可避免地会影响取自等离子体的离子数量。因此，对于某些固态材料而言，电弧室的温度需较高，甚至是显著较高于其蒸发温度，使得此固态材料的蒸发速率既快且不稳定。因此不仅电弧室内的等离子体不稳定，储存在蒸发器内的固态材料的寿命也缩短。相反地，对于某些固态材料而言，电弧室的温度是低于其蒸发温度，使此固态材料无法蒸发。其次，由于实际操作的限制，电弧室的温度可能起伏变动，甚至电弧室内的等离子体并非动态调整以提供具有不同密度的离子。因此传送至容器的热能并不稳定而接着蒸发器10内的材料蒸发速率也不稳定，其不可避免地影响电弧室18内的等离子体。第三，在容器至电弧室的传送路径上，蒸发材料的流速可能会不可控制地起伏变动或可能无法受控制地调整。因此蒸发材料传送至电弧室的流速可能无法优化。第四，使用蒸发器不可避免地增加成本与离子源的复杂性，特别是当使用不同固态材料时蒸发器的某些部份需要更换。
因此，需要发展一新颖的离子源蒸发器其能以适当温度与适当蒸发速率来蒸发材料，借以改善当直接使用来自邻近的电弧室的热以蒸发离子源蒸发器内的材料的作法的缺点。
发明内容
本发明提出应用于离子布植机的离子源，其解决的技术问题是使用具有温度调整机制的蒸发器以调整蒸发器内材料如何被加热。温度调整机制可使用以下一或更多方式：容器与电弧室之间可调整的距离、相同蒸发器的不同容器与电弧室之间不同的距离、用以将热能带入容器及/或将热能带离容器的加热器/冷却器、以及用于阻挡来自电弧室的热辐射的热屏蔽。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供一种离子源，包含：电弧室；设置邻近于该电弧室的蒸发器，包含：邻近于该电弧室的外壳；位于该外壳内的可移动容器；以及用于调整该容器与该电弧室之间距离的驱动组件。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，所述的离子源，其中该驱动组件由螺丝、滚珠螺杆与铰链所组成的群组。
较佳的，所述的离子源，其中该驱动组件沿与该电弧室相交的方向移动该可移动容器。
本发明解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。
本发明提供一种离子源，包含：电弧室；设置邻近于该电弧室的蒸发器，包含：邻近于该电弧室的外壳；位于该外壳内的第一容器；位于该外壳内的第二容器；其中该第一容器与该第二容器分开；以及其中该电弧室与该第一容器之间的距离与该电弧室与该第二容器之间的距离不同。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，所述的离子源，其中该第二容器由传送气体的气体管线部分环绕。
较佳的，所述的离子源，其中当该第一容器靠近该电弧室时，该第二容器远离该电弧室。
本发明解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。
本发明提供一种离子源，包含：电弧室；设置邻近于该电弧室的蒸发器，包含：邻近于该电弧室的外壳；位于该外壳内的容器；以及机械连接至该外壳的气体管线。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，所述的离子源，其中该气体管线的配置包含：该气体管线环绕该容器；该气体管线位于邻近该容器且距离该电弧室较远的一端。
较佳的，所述的离子源，其中该气体管线的配置包含：该气体管线的气体流速可借由调整该气体管在线的气阀调整；气体源供应的气体速度为可调整；以及当加热器、冷却器及/或热交换组件连接至该气体管线并位于该蒸发器上游时，该气体管线内气体的温度为可调整。
本发明解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。
本发明提供一种离子源，其特征在于其包含：电弧室；设置邻近于该电弧室的蒸发器，包含：邻近于该电弧室的外壳；位于该外壳内的容器；以及位于该容器附近的加热器。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，所述的离子源，其中该加热器机械接触该容器。
较佳的，所述的离子源，其中该加热器为嵌入该外壳的至少一部分的热电阻。
本发明解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。
本发明提供一种离子源，包含：电弧室；设置邻近于该电弧室的蒸发器，包含：邻近于该电弧室的外壳；位于该外壳内的容器；以及位于该电弧室与该外壳之间的热屏蔽。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，所述的离子源，其中该热屏蔽靠近部分该电弧室，该部分该电弧室邻近但不接触该蒸发器。
较佳的，所述的离子源，其中该热屏蔽在该电弧室与该外壳之间移动。
较佳的，所述的离子源，更包含与该热屏蔽结合以传送气体将热能带离该热屏蔽的气体管线。
本发明解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。
本发明提供一种离子源，其特征在于其包含：电弧室；设置邻近于该电弧室的蒸发器，包含：邻近于该电弧室的外壳；至少一个位于该外壳内的容器；用于调整该容器温度以使容器温度不再主要仅由该电弧室的温度决定的温度调整组件；以及用于调控该温度调整组件运作的控制组件。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，所述的离子源，该控制组件调控该温度调整组件运作是根据以下至少其中之一：法拉第杯侦测到的离子束流；该电弧室的参数值，例如输入该电弧室的功率与传输至该电弧室所有气体的流速；以及该容器内欲蒸发材料的量。
较佳的，所述的离子源，该温度调整组件包含以下至少其中之一：用于调整该容器与该电弧室之间距离的驱动组件；当该外壳内有至少两个容器时，环绕具有与该电弧室之间较远距离的容器的至少一部份的气体管线；机械连接至该外壳的气体管线，其中该气体管线内的气体流速为可调整；位于该外壳内的加热器；以及位于该电弧室与该外壳之间的热屏蔽。
较佳的，所述的离子源，该控制组件的运作包含以下至少其中之一：沿与该电弧室相交的方向移动该容器；当外壳内有至少两个容器时调整环绕距电弧室较远的容器的至少一部份的气体管线的气体流速；调整机械连接至该外壳的该气体管线的气体流速；调整位于该外壳内的该加热器的温度；以及移动设置于该外壳之外与位于该电弧室与该外壳之间的热屏蔽。
较佳的，所述的离子源，更包含以下至少其中之一：设置邻近于该容器的第一温度传感器以侦测该容器内的固态材料的温度；设置邻近于与该外壳整合的加热器的第二温度传感器；以及设置邻近于与该外壳整合之一气体管线的第三温度传感器。
较佳的，所述的离子源，其中该控制组件的操作由以下至少其中之一调整：由该第一温度传感器侦测的该容器内固态材料的的实际温度；由该第二温度传感器侦测的该加热器的温度；由该第三温度传感器侦测的该气体管线的温度。
本发明解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。
本发明提供一种应用于执行稀土元素布植的离子布植机的离子源，包含：电弧室；至少一个提供至少一种气体进入该电弧室的气体供应源；以及位于该电弧室内的斥拒极，其中该斥拒极由至少一种稀土元素构成。
本发明解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，所述的离子源，其中该斥拒极由以下材料中至少其中之一构成:镱(Yb)、铒(Er)、铽(Tb)、镝(Dy)、锡(Sn)与锑(Sb)。
较佳的，所述的离子源，其中该气体选自以下由氟(F)、氩(Ar)、氙(Xe)、磷化氢(PH3)与砷化氢(AsH3)所组成的群组。
较佳的，所述的离子源，其中该斥拒极由被布植稀土元素的氧化物构成，使用含氢的气体。
较佳的，所述的离子源，其中该含氢的气体选自以下由氢气、磷化氢与砷化氢气体所组成的群组。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种离子源可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
本发明一些较佳实施例是关于具有蒸发器的离子源，其中可移动的容器置于蒸发器中。因此与传统容器为固定的蒸发器比较，这些实施例可调整等离子体源(电弧室)与容器之间的距离，也即等离子体源与欲蒸发材料之间的距离。合理地，由于热源与物体之间的距离主要决定物体的温度与热源温度之间的差异，这些实施例可调整欲蒸发材料的温度而无须改变等离子体温度。在此如何移动容器并不受限制。
本发明一些较佳实施例是关于具有蒸发器的离子源，其中两容器置于蒸发器中，不同容器与电弧室之间具有不同距离。因此与传统的不同容器与电弧室之间都具有相同距离的蒸发器比较，这些实施例可允许由相同电弧室将不同容器分别加热至不同温度。再一次地，由于热源与物体之间的距离决定物体如何被热源加热，这些实施例可将不同的容器内的材料加热至不同温度而无须改变电弧室的温度。简短地说，相同蒸发器可适用于不同欲蒸发材料，因此可减少用于不同欲蒸发材料的不同蒸发器的成本，并可简化更换已整合进入离子源的蒸发器的操作。此外，对于设置于距电弧室相对较近的容器而言，距电弧室相对较短的距离可减少沿容器与电弧室之间路径上发生固态凝结的风险，特别是当喷嘴被用于传送被蒸发的固态材料至电弧室时。
本发明一些较佳实施例是关于具有蒸发器的离子源，其中使用加热器及/或冷却器调整容器的温度。举例来说，热电阻可被嵌入蒸发器外壳至少一部分以加热蒸发器内的容器。举例来说，冷却气体管线可环绕蒸发器外壳至少一部分以将热带离蒸发器并减少到达容器的热能。因此与仅使用来自电弧室热能蒸发材料的传统离子源蒸发器比较，这些实施例可允许容器温度不同于(甚至明显不同于)电弧室温度，以蒸发一些无法由电弧室热能蒸发的材料。特别是当固态材料的蒸发温度明显低于电弧室温度时，气体管线的使用可减少并稳定固态材料的蒸发速率以使取自电弧室的离子束流稳定并增加蒸发器内固态材料的寿命。此外，借由动态调整加热器及/或冷却器，当电弧室温度的起伏不定时容器的温度可维持稳定。
本发明一些较佳实施例是关于具有蒸发器的离子源，其中热屏蔽设置邻近于电弧室，特别是靠近于邻近但未接触蒸发器的部分电弧室。因此与热既可借由二者之间界面直接传导而也可借由与蒸发器隔开的部分离子源室辐射传送的传统蒸发器比较，这些实施例可减少自电弧室辐射至蒸发器的热能并且减少容器内材料蒸发速率过高的风险。此外，热屏蔽为可移动以更弹性地调整容器的温度，并且可有冷却器及/或嵌入其内以进一步调整自热屏蔽辐射至已蒸发材料的热能。
更进一步地说，当有一些商业化可行方式可以动态监控离子束的实际状况时，可选择使用一或更多这些方式以决定离子束应被如何调整而对应调整温度调整机制的细节，进而达成针对传送至电弧室的已蒸发材料量以调整离子束的实时控制。在此这些方式包含，但不限于以下方式：用于量测离子束流的法拉第杯、侦测离子束路径的摄影机以及用于调整功率与其他输入电弧室的气体的组件。
本发明同时提供用于执行稀土元素布植的离子布植机的离子源，其中斥拒极是由稀土元素构成而非由传统的钨构成。换句话说，在欲蒸发材料传送进入电弧室时，并无蒸发器被用于蒸发此材料。当斥拒极放置电弧室内时，借由至少使用适当欲离子化的气体以溅镀斥拒极，此特别元素的离子会直接出现在电弧室内，以产生并维持所需的等离子体。如此一来，所需材料种类本质上是以溅镀机制产生进入等离子体，因此上述传统蒸发器的缺点可被避免。
本发明一些较佳实施例是关于具有蒸发器的离子源，其中由稀土元素构成的斥拒极置于蒸发器内。因此当斥拒极与电弧室内等离子体反应时，特别是由等离子体内离子溅镀轰击时，稀土元素被溅镀离开斥拒极并加入等离子体。当斥拒极由镱(Yb)、铒(Er)、铽(Tb)、镝(Dy)、锡(Sn)及/与锑(Sb)稀土元素构成，用于形成等离子体的气体为氟(F)、氩(Ar)、氙(Xe)、磷化氢(PH3)与砷化氢(AsH3)。更进一步地说，伴随气体(co-gas)，例如惰性气体，可用于使取自电弧室的离子量更稳定。此外，若稀土元素的氧化物被采用作为斥拒极，可使用含有氢的气体，例如氢气、磷化氢与砷化氢气体，以平衡电弧室内氧化现象以获得较佳离子源寿命。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1A至图1B分别显示常见离子源蒸发器结构；
图2A至图2G分别显示本发明所提出离子源的一些实施例；
图3显示本发明所提出离子源的一实施例。
【主要组件符号说明】
10：蒸发器 11：容器
12：扩散器 13：喷嘴
14：外壳 15：开孔
18：电弧室 20：蒸发器
21：外壳 22：容器
223：第一容器 226：第二容器
23：驱动组件 24：气体管线
25：加热器 26：热屏蔽
28：电弧室 31：电弧室
32：气体供应源 33：斥拒极
34：功率组件
具体实施方式
本发明的详细描述将借由以下的实施例讨论，这些实施例并非用于限制本发明的范围，而且可适用于其他应用中。图示揭露了一些细节，必须理解的是揭露组件的设计的细节可不同于已透露者，除非是明确限制组件的特征的情形。
本发明一实施例的离子源如图2A与图2B所示，蒸发器20设置邻近于相邻电弧室28使得蒸发器20内固态材料可被蒸发并接着被传送至电弧室28内以使电弧室28内具有大量所需种类离子的等离子体。此外，蒸发器20至少具有邻近电弧室28的外壳21、设置于外壳21内并用于置放将蒸发的固态材料的容器22以及用于调整容器22与电弧室28之间距离的驱动组件(actuating device)23。在此，图2A显示容器22移动远离电弧室28的情况，而图2B显示容器22移动靠近电弧室28的情况。
合理的，当容器22沿与电弧室28相交的方向移动时，当电弧室28温度本质上固定时，容器22在不同位置则具有不同温度。当移动范围越大，温度范围也越大。因此当不同固态材料位于相同容器22内但被移动至与电弧室28有不同距离时，不同固态材料可分别被适当地蒸发。此外，由于蒸发速率与固态材料的温度成正比，借由驱动组件23移动容器22以调整固态材料的蒸发速率则成为可能。
因此，与传统容器与电弧室之间距离固定的离子源蒸发器比较，本发明此实施例具有至少以下主要优点：不同固态材料可分别被适当地蒸发而无须使用不同蒸发器或改变电弧室温度，且固态材料的蒸发速率可动态控制。
此外，驱动组件23的细节并不受限。举例来说，驱动组件23可为螺丝、滚珠螺杆、绞炼或任何可用于移动容器22的商售组件，容器22例如箱型或管形容器，或任何可用于置放固态材料的商售组件。尽管如此，当容器22由驱动组件23移动时，应小心避免蒸发材料甚至其他气体自蒸发器20泄漏且并未传输至电弧室28。
本发明另一实施例的离子源如图2C所示，蒸发器20设置邻近于相邻电弧室28使得蒸发器20内固态材料可被蒸发接着可被传送至电弧室28内以使电弧室28内具有大量所需种类离子的等离子体。此外，蒸发器20至少具有邻近电弧室28的外壳21、设置于外壳21内并用于置放将蒸发或蒸发的固态材料的第一容器223与第二容器226。此外，第一容器223与第二容器226隔开，特别是，第一容器223与电弧室28之间的距离与第二容器226与电弧室28之间的距离不同。
合理地，当第一容器223、第二容器226与电弧室28之间的距离不同，当电弧室温度本质上固定，不同容器将具有不同的温度。与电弧室之间的距离越远，容器的温度范围越低。因此置于不同容器的不同固态材料可分别适当地蒸发，其中具有较高蒸发温度的固态材料应被置于离电弧室28较近的容器，而具有较低蒸发温度的固态材料应被置于离电弧室28较远的容器。此外，由于蒸发速率与固态材料的温度成正比，当特定固态材料同时置于第一容器223、第二容器226以增加欲蒸发固态材料的量时，延长此特定固态材料的寿命将成为可能。此外，对于距离电弧室相对较近的容器而言，由于来自电弧室的热能可连续对已蒸发固态材料加热，特别是当喷嘴被用于传送被蒸发的固态材料至电弧室时，在沿容器与电弧室之间路径上发生固态凝结的风险可进一步降低。
因此与具有一个或更多个容器与电弧室之间距离固定的传统离子源蒸发器比较，本发明此实施例具有至少以下主要优点：当不同固态材料被分别置于不同容器时，不同固态材料可分别被适当地蒸发而无须使用不同蒸发器或改变电弧室温度，且当不同容器同时放置相同固态材料时，欲蒸发固态材料的寿命可增加，同时可减少被蒸发的固态材料在容器与电弧室之间路径上的凝结。
此外，此实施例仅限制第一容器223、第二容器226与电弧室28之间的距离不同。换句话说，第一容器223、第二容器226的体积可以不同，第一容器223、第二容器226的形状可以不同，甚至第一容器223、第二容器226在外壳21内的几何结构也可弹性变化。
更进一步地说，为了增加第一容器223、第二容器226之间的温度差异，甚至为了弹性调整第一容器223第二容器226的温度，可选择在第一容器223、第二容器226之一或二者的一部分外环绕传送气体的气体管线。因此，借由调整气体管线内的气体流速及/或气体管线内的气体温度，第一容器223、第二容器226之一或二者的温度可进一步调整。在此，图2D显示第二容器223离电弧室28较远且气体管线24环绕第二容器223的远程使得第二容器223的温度可进一步低于第一容器226的温度，此意味容器223/第二容器226可分别适于置放具有较高蒸发温度(例如摄氏七百度)的固态材料与另一具有较低蒸发温度(例如摄氏五十度)的固态材料。
另一实施例为图2E所示的离子源，蒸发器20设置邻近于相邻电弧室28使得蒸发器20内固态材料可被蒸发接着可被传送至电弧室28内以使电弧室28内具有大量所需种类离子的等离子体。此外，蒸发器20至少具有邻近电弧室28的外壳21、设置于外壳21内的容器22与机械连接至外壳21的气体管线24。此处气体管线24如何机械连接至外壳21则不受限。图2E仅显示气体管线24直接连接外壳21的一部分。在其他未显示的实施例中，气体管线24可环绕容器22，甚至直接与容器22接触，且气体管线24可位于邻近容器22且距离电弧室28较远的一端。
合理地，借由使用气体管线24，容器22的温度不再仅由来自电弧室的热能决定，同时可借由气体管线24带走多少热能与多快带走热能决定。气体管线24带走热能越多与越快，容器22的温度就越低。因此蒸发器20可适用于任何具有蒸发温度低于电弧室温度的固态材料。举例来说，当电弧室温度明显高于置于容器22内固态材料的蒸发温度，借由适当地增加气体管线24内的气体流速，可降低并稳定固态材料的蒸发速率，也可稳定电弧室28输出的离子束流。明显地，此实施例对于蒸发温度低于通常高于摄氏五百度的电弧室温度的稀土元素材料而言有价值。此外，当如何自气体管线24带走热能为可调整时，且当固态材料蒸发温度不高于电弧室温度时，不同固态材料可分别被适当地蒸发。换句话说，在此情况下，蒸发器20可适用于具有不同蒸发温度的不同固态材料。
因此与容器22的温度仅由来自电弧室28的热能决定的传统离子源蒸发器比较，本发明此实施例具有至少以下主要优点：相同蒸发器可适用于位于一个大蒸发温度范围内的不同固态材料，并且具有低蒸发温度的固态材料仍可稳定蒸发。
此外，此实施例并不限制如何调整自气体管线24带走热能的速率。举例来说，气体管线24的气体流速可借由调整气体管线24上的气阀调整，或借由改变气体如何由气源提供调整，或当加热器、冷却器及/或热交换组件连接至气体管线24并位于蒸发器20上游时，借以改变气体管线24内气体的温度来调整带走热能的速率。因此，容器22的实际温度可明显低于电弧室温度。如此，同一个容器22可分别适用于具有较高蒸发温度(例如摄氏七百度)的固态材料与另一具有较低蒸发温度(例如摄氏五十度)的固态材料。
另一实施例为图2F所示的离子源，蒸发器20设置邻近于相邻电弧室28使得蒸发器20内固态材料可被蒸发接着可被传送至电弧室28内以使电弧室28内具有大量所需种类离子的等离子体。此外，蒸发器20至少具有邻近电弧室28的外壳21、设置于外壳21内的容器22与环绕容器22的加热器25。此处加热器25可用于加热容器22至高于电弧室温度的温度，以蒸发无法仅由来自电弧室的热能蒸发的固态材料。当然，加热器25也可用于提供低于电弧室温度的特定温度，以维持容器22的温度永不低于较低温度下限值，此温度下限值为特定温度的函数即使传输到容器22的热能并不稳定。
合理地，借由使用加热器25，容器22的温度不再仅由来自电弧室的热能决定，同时可借由加热器25提供多少热能决定。加热器25提供的热能越多，容器22的温度就越高。因此当加热器25的温度可上升至高于固态材料蒸发温度时，蒸发器20可适用于任何具有蒸发温度高于电弧室温度的固态材料。在此情况下，蒸发器20的操作可独立于电弧室温度。此外，当来自电弧室28的热能不稳定时，为了稳定蒸发器20内的固态材料的蒸发速率，甚至为了避免电弧室温度的起伏不定而于短暂期间低于固态材料蒸发温度的风险，加热器25是有帮助的，特别是当加热器25的温度是可调整的。
因此与容器22的温度仅由来自电弧室28的热能决定的传统离子源蒸发器比较，本发明此实施例具有至少以下主要优点：蒸发器可用于蒸发具有蒸发温度高于电弧室温度的固态材料，且电弧室温度的起伏不定时容器的温度更加稳定。
此外，此实施例并不限制加热器25的细节。举例来说，加热器25可为一个或更多个热电阻，也可为一个或更多个加热线圈。同时加热器可被嵌入外壳21的至少一部分、机械接触容器22、设置于部分外壳21内壁及接触容器22、环绕容器22等依此类推。
另一实施例为图2G所示的离子源，蒸发器20设置邻近于相邻电弧室28使得蒸发器20内固态材料可被蒸发接着可被传送至电弧室28内以使电弧室28内具有大量所需种类离子的等离子体。此外，蒸发器20至少具有邻近电弧室28的外壳21、设置于外壳21内的容器22与位于电弧室28与外壳21之间的热屏蔽26。此处热屏蔽26可用于阻挡(至少本质上阻挡)电弧室28与蒸发器20之间的热辐射。此处热屏蔽26的尺寸、热屏蔽26的形状，以及电弧室28、蒸发器20与热屏蔽26之间的相对几何关系为如何阻挡热辐射的关键因素。
合理地，借由使用热屏蔽26，由热辐射传送至蒸发器20的热能可有效的减少，甚至几乎阻挡，且热能仅可借由电弧室28与蒸发器20之间的机械连接通过传导方式被传输至蒸发器20。因此若电弧室温度明显高于固态材料蒸发温度，使用热屏蔽26可减少传送至蒸发器20的热能使固态材料的蒸发速率减低而延长固态材料的寿命。当热屏蔽26减少传送至蒸发器20的热能，电弧室28温度变化引起的蒸发器20的温度变化也可被抑制。此外，热屏蔽26与蒸发器20之间的热辐射也为热传输通道，为了进一步弹性地且精确地控制蒸发器20接收的热辐射，可选择整合气体管线进入热屏蔽26以控制热屏蔽的温度。此处气体管线的细节与前述气体管线24类似，而相关的叙述则在此予以省略。此外，当热屏蔽26可动态影响热辐射如何被阻挡以弹性调整蒸发器20内固态材料的温度，可选择热屏蔽26为可移动式。
因此与电弧室28的热能可借由传导与辐射传送至蒸发器20的传统离子源蒸发器比较，本发明此实施例具有至少以下主要优点：可减少传送至蒸发器20的热能，特别是当电弧室温度高于固态材料的蒸发温度时，并且在电弧室的温度起伏不定时可使容器的温度更加稳定。
此外，此实施例并不限制热屏蔽26的细节。举例来说，热屏蔽26可为金属板，例如钢板，或由数片金属板组成的组合。举例来说，热屏蔽26靠近部分电弧室28，这部分电弧室28邻近但不接触蒸发器20。举例来说，热屏蔽26可在电弧室与外壳之间移动，例如沿与电弧室28与蒸发器20的界面平行方向移动。
简短地说，上述实施例分别应用四种不同方式控制蒸发器20内固态材料的温度以使固态材料的蒸发不再主要仅由来自电弧室的热能决定，特别是四种方式中的每一种方式的硬件与操作均为相互独立。这是说对于本发明而言，即使并未特别显示如何同时使用两种或更多种方式，其他实施例仍可应用任何其中之二、其中之三、甚至全部四种方式。
此外，虽然在上述实施例中并未显示，本发明可应用至少一个喷嘴及/或至少一个扩散器以有效将已蒸发的材料传送至电弧室。喷嘴为商售产品且可用于控制已蒸发的材料传送至电弧室的方向、分布与特性。扩散器为用于将已蒸发的材料自容器(或蒸发器)有效传送至喷嘴(或电弧室)的硬件。举例来说，具有一些开孔的金属管，此具有开孔的金属管一端插入容器(或蒸发器)，此金属管另一端连接至喷嘴(或电弧室)。因此出现在容器(或蒸发器)内已蒸发的材料可直接通过扩散器传送。此外，喷嘴与扩散器可分别置换，当不同固态材料置于容器(或蒸发器)内时，其均可分别置换。此外，不同喷嘴与/或扩散器可被置换以分别控制不同已蒸发的材料的流速。
因此，本发明另一实施例为离子源，包含设置邻近于电弧室的外壳、至少一个设置于外壳内的容器、用于调整容器温度以使容器温度不再主要仅由电弧室温度决定的温度调整组件以及用于调控温度调整组件运作的控制组件。
在此实施例中，控制组件如何调控温度调整组件运作可基于一些预定的信息，也可基于离子束的实际条件。举例来说，其可基于电弧室的参数值，例如输入电弧室的功率与传输至电弧室所有气体的流速。其也可基于等离子体是如何在电弧室内维持以及离子束是如何被调整。举例来说，其可基于法拉第杯侦测到的离子束流、光学组件(例如摄影机)侦测到的离子束路径。其可进一步基于容器的实际状况，例如容器的温度与容器内欲蒸发材料的量。因此控制组件可根据电弧室、等离子体与离子束的实际状况动态调整蒸发器。简单一句话来说，控制组件可处理及时反馈回路以将具有此离子源的离子布植机执行的离子布植制造过程优化。
此外，为了实时调整蒸发器内的蒸发效果，在某些未显示实施例中，设置邻近于容器的第一温度传感器可用于侦测容器内的固态材料的温度，设置邻近于与外壳整合的加热器的第二温度传感器可用于侦测可用于计算热能如何加入容器的加热器温度，及设置邻近于与外壳整合的气体管线的第三温度传感器可用于侦测可用于计算热能如何自容器移出的气体管线温度。在侦测的温度的基础上，加热器、气体管线甚至其他相关硬件的操作可实时调整。举例来说，当容器的温度高于可接受的范围时，气体管线可被启动以减低容器温度直到容器温度降至可接受的范围。举例来说，当容器的温度低于可接受的范围时，加热器可被启动以增加容器温度直到容器温度升高至可接受的范围。
请注意本发明并不限制控制组件的细节。控制组件可为集成电路、控制器、嵌入具有此离子源的离子布植机的固件、及/或由嵌入或连接至此离子布植机的计算机执行的计算机程序。此外温度调整组件包含一种或更多种上述实施例中描述的硬件。因此相关的叙述则省略。此外，基于温度调整组件的可能细节，控制组件的可能操作包含但不限于以下项目：沿与电弧室相交的方向移动容器、当外壳内有至少两个容器时调整环绕距电弧室较远的容器的至少一部份的气体管线的气体流速、调整机械连接至外壳的气体管线的气体流速、调整位于外壳内的加热器的温度，以及移动设置于外壳之外与位于电弧室与外壳之间的热屏蔽。
尽管如此，所有上述实施例均使用蒸发器以蒸发置于蒸发器内的固态材料并将已蒸发材料传送至电弧室。蒸发器的使用不可避免会增加硬件成本以及离子源复杂度。因此本发明提出根据另一种方式的一些实施例：直接将固态材料置于电弧室内并且固态材料由溅镀反应进行离子化。
另一实施例为图3所示的离子源。离子源30具有电弧室31与提供所需气体进入电弧室31的气体供应源32。此外，在电弧室31内，放置由稀土元素构成的斥拒极33。同时功率组件34，例如灯丝或天线，设置于电弧室31内以提供能量并离子化输入气体以在电弧室31内产生并维持等离子体。因此当斥拒极33与等离子体反应，特别是由等离子体内离子溅镀轰击时，稀土元素被溅镀离开斥拒极33并加入等离子体，以产生并维持内有大量形成斥拒极33的稀土元素离子的离子束。
当然为了改进形成此离子束的效率，所使用的气体应由形成斥拒极33的稀土元素种类决定。举例来说，当斥拒极33由以下稀土元素中至少之一构成:镱(Yb)、铒(Er)、铽(Tb)、镝(Dy)、锡(Sn)与锑(Sb)，气体供应源32应提供以下至少一种气体进入电弧室31内：氟(F)、氩(Ar)、氙(Xe)、磷化氢(PH3)与砷化氢(AsH3)。一般而言，针对特定稀稀土元素所选的气体同时也作为载流气体(carrier gas)以维持等离子体的稳定性。
更进一步地说，当斥拒极33由稀土元素构成，例如镱、铒、铽、镝、锡与锑，伴随气体(co-gas)，例如惰性气体，可输入电弧室31以使自电弧室31输出的离子束的总离子束流更稳定。此外，若稀土元素的氧化物被采用为斥拒极的材料，可使用含有氢的气体，例如氢气、磷化氢与砷化氢气体，以平衡电弧室31内氧化现象以获得较佳离子源寿命。尽管如此，引入含氢的气体可能减少稀土元素流而因此必须作出取舍。
合理地，借由使用稀土元素构成的斥拒极33取代传统由钨构成的斥拒极以及上述讨论的蒸发器，稀土元素可直接加入电弧室内的等离子体。依此方式，可避免蒸发器的成本与复杂度，同时电弧室31内等离子体的生成与维持不会明显衰减。
虽然本发明已通过较佳的实施例进行说明，可被理解的是其他不超出本发明如权利要求所主张的精神与范围所做的修改和变化均可达成，而被本发明所涵盖。
Claims (8)
1.一种离子源，其特征在于其包含：
电弧室；
设置邻近于该电弧室的蒸发器，该蒸发器包含：
邻近于该电弧室的外壳；
至少一个位于该外壳内的容器；
用于调整该容器的温度以使该容器的温度不再仅由该电弧室的温度决定的温度调整组件；
以及用于调控该温度调整组件运作的控制组件；
该温度调整组件包含以下至少其中之一：
用于调整该容器与该电弧室之间距离的驱动组件；以及
位于该电弧室与该外壳之间的热屏蔽；
该控制组件的运作包含以下至少其中之一：
沿与该电弧室相交的方向移动该容器；以及
移动设置于该外壳之外与位于该电弧室与该外壳之间的热屏蔽。
2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于：该温度调整组件是用于调整该容器与该电弧室之间距离的驱动组件。
3.根据权利要求2所述的离子源，其特征在于其中该驱动组件是螺丝、滚珠螺杆或铰链。
4.根据权利要求2所述的离子源，其特征在于其中该驱动组件沿与该电弧室相交的方向移动该容器。
5.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于：该温度调整组件是位于该电弧室与该外壳之间的热屏蔽。
6.根据权利要求5所述的离子源，其特征在于其中该热屏蔽靠近部分的该电弧室，该部分的该电弧室邻近但不接触该蒸发器。
7.根据权利要求5所述的离子源，其特征在于其中该热屏蔽在该电弧室与该外壳之间移动。
8.根据权利要求5所述的离子源，其特征在于更包含与该热屏蔽结合以传送气体将热能带离该热屏蔽的气体管线。
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