CN108701573A - 改进的离子源阴极护罩 - Google Patents

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Abstract

一种离子源具有电弧腔室主体的电弧腔室。电极延伸到电弧腔室主体的内部区域中，并且阴极护罩具有呈圆柱形且具有轴向通孔的主体。轴向通孔配置成使电极贯穿其中。主体的第一端和第二端具有相应的第一气体传导限制器和第二气体传导限制器。第一气体传导限制器自主体的外径延伸并且具有U形唇缘。第二气体传导限制器具有用于密封件的凹部，以保护密封件免受腐蚀性气体影响并保持密封件的完整性。气源将气体引入电弧腔室主体。内衬具有配置成使阴极护罩贯穿其中的开口，其中内衬具有凹部。

Description

改进的离子源阴极护罩
相关申请的引用
本申请请求于2016年1月19日提交的美国临时申请号62/280,567、名称为“IMPROVED ION SOURCE CATHODE SHIELD”的权益，其内容全文引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及离子注入系统，更具体涉及改进的离子源阴极护罩，用于提高氮化硼密封件使用寿命，因此大体上防止从离子源中泄漏气体。
背景技术
在半导体装置的制造中，离子注入用于将半导体掺杂有杂质。离子注入系统经常被利用来在集成电路的制造期间，将例如半导体晶片的工件掺杂有来自离子束的离子，以便产生n型或p型材料的掺杂或形成钝化层。这种射束处理常用来以预定能量水平在受控浓度下将特定掺杂材料的杂质选择性注入晶片，以在制作集成电路期间产生半导体材料。该离子注入系统用于掺杂半导体晶片时，将所选的离子种类注入到工件中，以产生所需的含杂质材料。例如，从诸如锑、砷或磷等原料所生成的注入离子产生“n型”含杂质材料晶片，而“p型”含杂质材料晶片常出自利用诸如硼、镓或铟等原料所生成的离子。
典型的离子注入机包括离子源、离子引出装置、质量分析装置、射束传输装置和晶片处理装置。离子源生成所需原子或分子掺杂种类的离子。这类离子是借由引出系统从来源引出，该引出系统通常为一组电极，这些电极激励并导控来自来源的离子流动，形成离子束。在质量分析装置中从离子束中分离出所需的离子，该质量分析装置通常是磁偶极，对引出的离子束执行质量色散或质量分离。射束传输装置将离子束传输至晶片处理装置，同时维持离子束的预期性质，该射束传输装置通常是包含一系列聚焦装置的真空系统。最后，经由晶片操纵系统，将半导体晶片送进及送出晶片处理装置，该晶片操纵系统可以包括一个或多个机械臂，用于将待处理晶片置于离子束前方并将经处理晶片从离子注入机移除。
离子源(通常称作电弧离子源)产生用于注入机的离子束并且能够包括热丝阴极来产生离子，这些离子被塑成适用于晶片处理的离子束。例如，授予Sferlazzo等人的美国专利文献第5497006号公开一种具有阴极的离子源，该阴极由基座支承并相对于气闭腔室定位，以便将离子化电子喷射到该气闭腔室内。Sferlazzo等人的专利文献中所述的阴极是管状导电主体，其端盖部分延伸到气闭腔室内。丝极支承于管状主体内并喷射电子，这些电子通过电子轰击加热端盖，由此以热离子方式将离子化电子射入气闭腔室内。
常规离子源利用诸如氟或其他挥发性腐蚀类气体。与阴极相关联的密封件可能随时间蚀刻阴极密封件的内径，从而挥发性气体可能逸出并损坏附近的绝缘体，诸如阴极组件绝缘体。这种泄漏会缩短离子源的使用寿命，从而必须将离子注入机停机来更换其中的部件。
发明内容
有鉴于此，本发明提出用于增长离子源使用寿命的系统和设备。据此，下文呈现本发明的简要概述，以提供对本发明的某些方面的基本理解。本发明内容部分并非本发明的详尽综述。其既非旨在确定本发明的关键元件或主要元件，亦非限定本发明的范围。其目的在于，以简化形式呈现本发明的某些构思，作为下文具体实施方式的引言。
根据本发明的一方面，提供一种用于离子源的阴极护罩。所述阴极护罩包括主体，其中该主体大致呈圆柱形并且具有贯穿其中限定的轴向通孔。例如，所述轴向通孔配置成使诸如阴极的电极贯穿其中。第一气体传导限制器进一步与主体的第一端相关联。例如，所述第一气体传导限制器从主体的第一外径径向向外延伸，其中该第一气体传导限制器包括从主体的第一端朝向主体的第二端轴向延伸的U形唇缘。
第二气体传导限制器可以进一步与主体的第二端相关联。所述第二气体传导限制器从主体的第一外径径向向内延伸，其中该第二气体传导限制器具有配置成接纳密封件的表面。例如，所述表面配置成大致围绕密封件的至少一部分。
根据一个示例，所述U形唇缘配置成与离子源的内衬中的凹部匹配。例如，在U形唇缘与内衬之间限定间隙，以及其中U形唇缘基本上减少气体导入该间隙。在一个示例中，所述间隙进一步限定于阴极护罩与电弧腔室主体中的通孔之间。
例如，所述阴极护罩的第二气体传导限制器可以进一步包括迷宫式密封件，其中该迷宫式密封件大体上限定于主体的第二外径中。所述迷宫式密封件可以配置成接纳氮化硼密封件。在一个示例中，所述迷宫式密封件大体上通过降低腐蚀性气体进入与该迷宫式密封件相关联的区域的气体传导性而保护与氮化硼密封件相关联的密封面免受与离子源相关联的腐蚀性气体的影响。
根据另一示例性方面，提供一种用于离子源的电弧腔室。例如，所述电弧腔室包括电弧腔室主体以及延伸到该电弧腔室主体的内部区域中的电极。所述电弧腔室进一步包括阴极护罩。
根据一个示例，内衬进一步与电弧腔室主体相关联，其中该内衬具有配置成使阴极护罩贯穿其中的开口。例如，所述内衬具有限定于其中的凹部，以及其中在阴极护罩的U形唇缘与内衬之间限定间隙，其中U形唇缘基本上减少气体导入该间隙。在一个示例中，所述间隙进一步限定于阴极护罩与电弧腔室主体中的通孔之间。
在另一示例中，所述氮化硼密封件可以进一步布置在迷宫式密封件与电弧腔室主体之间，其中该氮化硼密封件使电极与电弧腔室主体电绝缘。例如，所述迷宫式密封件大体上通过降低腐蚀性气体进入与迷宫式密封件相关联的区域的气体传导性而保护与氮化硼密封件相关联的密封面免受与离子源相关联的腐蚀性气体的影响。
根据本发明的另一示例性方面，提出一种离子源，诸如用于离子注入系统的离子源。例如，所述离子源包括电弧腔室和气体源，其中该气体源进一步配置成将气体引入电弧腔室主体的内部区域。
在另一示例中，所述离子源进一步包括与阴极对置的推斥极。可以进一步在电弧腔室中设置弧隙，用于从电弧腔室中引出离子。
为实现前述及有关目的，本发明包括下文完整描述且特别在权利要求书中所指出的特征。下列说明及附图详细提出于本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施方案仅表明采用本发明原理的多种不同方式中的少数几种。在结合附图考虑的情况下，由下文对本发明的详细描述会更清楚理解本发明的其他目的、优点及新颖性特征。
附图说明
图1是根据本发明几方面的利用离子源阴极护罩的示例性真空系统的框图。
图2示出根据本发明各方面的离子源的透视图。
图3示出常规离子源的剖面透视图。
图4示出常规电弧腔室的剖视图。
图5示出根据本公开各方面的示例性电弧腔室的剖视图。
图6示出根据本公开各方面的示例性离子源的剖面透视图。
图7A示出根据本公开各方面的示例性离子源阴极护罩的透视图。
图7B示出根据本公开各方面的示例性离子源阴极护罩的剖视图。
图8示出根据本公开各方面的配置成接纳图7A至图7B的离子源阴极护罩的电弧腔室内衬的透视图。
具体实施方式
本发明总体上涉及离子注入系统以及与其相关联的离子源。更具体地，本公开涉及用于增长离子源使用寿命以及降低维护成本并提高离子源生产率的系统和设备，其中针对所述离子源提供一种改进的阴极护罩。
有鉴于此，现将参照附图对本发明予以阐述，其中相同的附图标记通篇可用于指代相同的元素。应当理解，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限定目的。出于解释目的，在下文中阐明若干具体细节，以便全面理解本发明。然而，本领域技术人员会显而易知，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实施。另外，本发明的范围不应受到下文参照附图所述的实施方案或实施例的限制，而仅受所附权利要求书及其等同变化的限制。
还需指出，附图用于说明本发明实施方案的某些方面，由此应视为仅供示意性说明。特定而言，根据本发明的实施方案，附图中所示的元素并非必然互成比例绘制，附图中各元素的布局选为可清楚理解相应的实施方案，不得理解为必然表示实施方案中各组件的实际相对位置。另外，若非特别注明，本文所述的各实施方案及实施例的特征可以彼此结合。
还应理解，在下文描述中，图中所示或文中所述的功能模块、装置、组件、电路元件或其他实体部件或功能部件之间的任何直接连接或耦接亦可通过间接连接或耦接来实施。另外，还应领会，图中所示的功能模块或部件在一个实施方案中可作为单独特征或部件形式实施，而在另一实施方案中亦可或替选作为共同特征或部件来全部或部分实施。
根据本发明的一方面，图1表示示例性的真空系统100。在本实施例中的真空系统100包括离子注入系统101，但亦涵盖其他各类型的真空系统，如等离子处理系统或其他半导体处理系统。离子注入系统101例如包括终端102、束线总成104及终端站106。
一般而言，终端102中的离子源108耦接至电源110，从而使向其供应的源气体112(亦称作掺杂剂气体)离子化成多个离子，以形成离子束114。在本实施例中，引导离子束114穿过射束控向设备116且穿出穿孔118射向终端站106。在终端站106中，离子束114轰击工件120(例如硅晶片、显示面板等半导体)，该工件120选择性夹持或安装至夹盘122(例如静电夹盘或ESC)。一旦注入的离子嵌入工件120的晶格时，则其改变工件的物理和/或化学性质。鉴此，离子注入用于半导体装置的制造和金属表面处理以及材料科学研究中的各种应用中。
本发明的离子束114可采取任何形式，如笔形束或点束、带状束、扫描束或使离子指向终端站106的任何其他形式，并且所有这些形式均属本发明的范围内。
根据一典型方面，终端站106包括处理腔室124，如真空腔室126，其中处理环境128与该处理腔室关联。处理环境128大体上位于处理腔室124内，在一个示例中，该处理环境128包括由耦接至处理腔室并配置成大体上抽空该处理腔室的真空源130(例如真空泵)所产生的真空。另外，控制器132被设置用于整体上控制离子注入系统100。
如上所述，本发明提出一种配置用来提高离子注入系统101中的离子源108的利用率并缩短其停机时间的设备。然而，应理解到，本发明的设备亦可实施于其他半导体处理设备中，诸如CVD、PVD、MOCVD、蚀刻设备以及各种其他半导体处理设备，所有这类实施方式均应视为落入本发明的范畴内。本发明的设备有利于延长离子源108在预防性维修周期之间的使用时长，因此提高真空系统100的综合生产率及使用寿命。
例如，离子源108(亦称作离子源处理腔室)能够使用耐熔金属(钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)等)和石墨来构建，以便提供适当的高温性能，由此这类材料通常为半导体晶片生产者所采纳。在离子源108内使用源气体112，其中该源气体本质上可以导电，也可以不导电。然而，一旦源气体112爆裂或因装置碎裂而喷出，离子化气体的副产物便可能具有极强的腐蚀性。
源气体112的一个示例为三氟化硼(BF3)，其能够用作源气体在离子注入系统101中产生硼11或BF2离子束。在BF3分子的离子化过程中，产生三种含氟自由基。能够使用诸如钼和钨的耐熔金属来构建或垫衬离子源腔室108，以便在约700C左右的操作温度下维持其结构完整性。然而，耐熔氟化物具挥发性并且即使在室温下仍具极高的蒸汽压。离子源腔室108内形成的氟基侵蚀金属钨(钼或石墨)并且形成六氟化钨(WF6)(氟化钼或氟化碳)：
WF6→W++6F-(1)
或者
(MoF6→Mo++6F-)(2)
六氟化钨通常会在热表面上分解。例如，在图2至图3中示出离子源200，其中六氟化钨或其他生成物料可能分解到离子源的各个内部组件204的表面202上，诸如与离子源的电弧腔室212相关联的阴极206、推斥极208和弧隙光学器件210的表面上(如图3所示)。这称作卤素循环，如方程式(1)所示，但生成物料也可能以污染物214(例如，固态微粒污染物或导电膜)的形式沉淀和/或凝结回电弧腔室212的表面202以及弧隙光学器件210上。
沉积到内部组件上的污染物214的另一来源出自阴极间接受热时的阴极206(例如，由钨或钽构成的阴极)，从而使用间热式阴极来启动并维持离子源电浆(例如，热离子电子发射)。例如，间热式阴极206和推斥极208(例如，对阴极)相对于电弧腔室212的主体216处于负电位，并且阴极与推斥极皆可通过离子化气体来进行溅射。例如，推斥极208能够由钨、钼或石墨构建。沉积于电弧腔室212的内部组件上的污染物214的又一来源是掺杂材料(图中未示)本身。随时间的推移，这些污染物214(例如，导电材料)的沉积薄膜可能覆盖表面202，特别是接近阴极206的表面，由此缩短离子源200的使用寿命。
图3中示出常规电弧腔室230的一个示例，其中设置有常规阴极护罩232、阴极密封件234和阴极内衬236，正如本领域技术人员参阅本发明应会理解，常规阴极护罩和阴极密封件旨在使阴极206与电弧腔室212的主体216隔离。然而，随时间的推移，使用这种常规阴极护罩232和阴极密封件234通常会使得离子化的气体(例如氟或其他挥发性腐蚀类气体)进入常规阴极护罩与阴极内衬236之间的间隙238，如此蚀刻阴极密封件的内径240。这种蚀刻使得离子化的气体逸出并损坏任何附近的部件，诸如与阴极206相关联的绝缘体。因此，由于蚀刻，离子源200的使用寿命将会缩短，并且能够预料到维护和/或更换离子源或部件相关联的停机时间。
根据本公开的一个示例性方面，为了解决这类常规装置相关的问题，图5中示出一种电弧腔室300，该电弧腔室适用于如图6所示的离子源301，其中该电弧腔室的使用寿命大幅提高。如图5所示，电弧腔室300包括阴极护罩302(有时称作阴极推斥极)，其中该阴极护罩包括U形唇缘304，如图7A至图7B详细示出。例如，U形唇缘304位于阴极护罩302的端部306处，其中该U形唇缘通常配合到图5中的电弧腔室300的电弧腔室内衬310中的凹部308(例如，凹槽)内。例如，电弧腔室内衬310中的凹部308与阴极护罩302中的U形唇缘304协同作用，大幅降低气体进入图6中所示间隙312的传导性，该间隙312位于阴极护罩与电弧腔室主体316中的通孔314之间，阴极318延伸穿过该通孔314。
在一个示例中，迷宫式密封件320纳入阴极护罩200的外径中，其中该迷宫式密封件配置成接纳密封件322(例如，氮化硼密封件)。密封件322通常防止从图6中的离子源301中泄漏气体。有鉴于此，如图5所示，电弧腔室内衬310中的凹部308和阴极护罩302的U形唇缘304由此保护密封件322与电弧腔室主体316之间的密封表面324免受腐蚀性气体的影响，并且降低腐蚀性气体进入间隙312的传导性。
尽管本发明已就某一或某些实施方案予以表示及叙述，但应当指出，上述实施方案仅作本发明某些实施方案的实施示例，本发明的应用不受这些实施方案的局限。特别关于由上述组件(总成、装置、电路等)执行的各种功能，若非特别注明，否则用于描述这些组件的术语(包括提及“构件”)旨在对应于执行所述组件的特定功能(即功能上等同)的任意部件，即便其在结构上不等同于执行本文所述的本发明典型实施方案所公开的结构亦然。此外，虽然仅就多个实施方案中的一种方案公开本发明的特定特征，如若适于或利于任何指定或特定应用，则这一特征可结合其它实施方案的一个或多个其他特征。有鉴于此，本发明不限于上述实施方案，但旨在仅受所附权利要求书及其等同变化的限制。

Claims (16)

1.一种用于离子源的阴极护罩，所述阴极护罩包括：
主体，其中所述主体大致呈圆柱形并且具有贯穿其中限定的轴向通孔，其中所述轴向通孔配置成使电极贯穿其中；
与所述主体的第一端相关联的第一气体传导限制器，其中所述第一气体传导限制器从所述主体的第一外径径向向外延伸，其中所述第一气体传导限制器包括从所述主体的第一端朝向所述主体的第二端轴向延伸的U形唇缘；以及
与所述主体的第二端相关联的第二气体传导限制器，其中所述第二气体传导限制器从所述主体的第一外径径向向内延伸，其中所述第二气体传导限制器具有配置成接纳密封件的表面，其中所述表面配置成大致围绕所述密封件的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的阴极护罩，其中，所述U形唇缘配置成与离子源的内衬中的凹部匹配，其中在所述U形唇缘与所述内衬之间限定间隙，以及其中所述U形唇缘基本上减少气体导入所述间隙。
3.根据权利要求2所述的阴极护罩，其中，所述间隙进一步限定于所述阴极护罩与电弧腔室主体中的通孔之间。
4.根据权利要求1所述的阴极护罩，其中，所述第二气体传导限制器包括大致由所述主体的第二外径限定的迷宫式密封件，其中所述密封件包括氮化硼密封件，以及其中所述迷宫式密封件配置成接纳所述氮化硼密封件。
5.根据权利要求4所述的阴极护罩，其中，所述迷宫式密封件大体上通过降低腐蚀性气体进入与所述迷宫式密封件相关联的区域的气体传导性而保护与所述氮化硼密封件相关联的密封面免受与所述离子源相关联的腐蚀性气体的影响。
6.一种用于离子源的电弧腔室，该电弧腔室包括：
电弧腔室主体；
延伸到所述电弧腔室主体的内部区域中的电极；
阴极护罩，其包括：
主体，其中所述主体大致呈圆柱形并且具有贯穿其中限定的轴向通孔，其中所述轴向通孔配置成使所述电极贯穿其中；
与所述主体的第一端相关联的第一气体传导限制器，其中所述第一气体传导限制器从所述主体的第一外径径向向外延伸，其中所述第一气体传导限制器包括从所述主体的第一端朝向所述主体的第二端轴向延伸的U形唇缘；以及
与所述主体的第二端相关联的第二气体传导限制器，其中所述第二气体传导限制器从所述主体的第一外径径向向内延伸，其中所述第二气体传导限制器具有配置成接纳密封件的表面，其中所述表面配置成大致围绕所述密封件的至少一部分；以及
与所述电弧腔室主体相关联的内衬，其中所述内衬具有配置成使所述阴极护罩贯穿其中的开口，其中所述内衬具有限定于其中的凹部，以及其中在所述U形唇缘与所述内衬之间限定间隙，其中所述U形唇缘基本上降低气体进入所述间隙的传导性。
7.根据权利要求6所述的电弧腔室，其中，所述间隙进一步限定于所述阴极护罩与电弧腔室主体中的通孔之间。
8.根据权利要求7所述的电弧腔室，其中，所述第二气体传导限制器包括由所述主体的第二外径限定的迷宫式密封件。
9.根据权利要求8所述的电弧腔室，其中，所述密封件包括布置在所述迷宫式密封件与所述电弧腔室主体之间的氮化硼密封件，其中所述氮化硼密封件使所述电极与所述电弧腔室主体电绝缘。
10.根据权利要求9所述的电弧腔室，其中，所述迷宫式密封件大体上通过降低腐蚀性气体进入与所述迷宫式密封件相关联的区域的气体传导性而保护与所述氮化硼密封件相关联的密封面免受与所述离子源相关联的腐蚀性气体的影响。
11.一种离子源，包括：
具有电弧腔室主体的电弧腔室；
延伸到所述电弧腔室主体的内部区域中的电极；
阴极护罩，其包括：
主体，其中所述主体大致呈圆柱形并且具有贯穿其中限定的轴向通孔，其中所述轴向通孔配置成使所述电极贯穿其中；
与所述主体的第一端相关联的第一气体传导限制器，其中所述第一气体传导限制器从所述主体的第一外径径向向外延伸，其中所述第一气体传导限制器包括从所述主体的第一端朝向所述主体的第二端轴向延伸的U形唇缘；以及
与所述主体的第二端相关联的第二气体传导限制器，其中所述第二气体传导限制器从所述主体的第一外径径向向内延伸，其中所述第二气体传导限制器具有配置成接纳密封件的表面，其中所述表面配置成大致围绕所述密封件的至少一部分；
配置成将气体引入所述电弧腔室主体的内部区域的气体源；以及
与所述电弧腔室主体相关联的内衬，其中所述内衬具有配置成使所述阴极护罩贯穿其中的开口，其中所述内衬具有限定于其中的凹部，以及其中在所述U形唇缘与所述内衬之间限定间隙，其中所述U形唇缘基本上降低气体进入所述间隙的传导性。
12.根据权利要求10所述的离子源，其中，所述间隙进一步限定于所述阴极护罩与电弧腔室主体中的通孔之间。
13.根据权利要求11所述的离子源，其中，所述第二气体传导限制器包括由所述主体的第二外径限定的迷宫式密封件。
14.根据权利要求12所述的离子源，其中，所述密封件包括布置在所述迷宫式密封件与所述电弧腔室主体之间的氮化硼密封件，其中所述氮化硼密封件使所述电极与所述电弧腔室主体电绝缘。
15.根据权利要求13所述的离子源，其中，所述迷宫式密封件大体上通过降低腐蚀性气体进入与所述迷宫式密封件相关联的区域的气体传导性而保护与所述氮化硼密封件相关联的密封面免受与所述离子源相关联的腐蚀性气体的影响。
16.根据权利要求10所述的离子源，进一步包括：
推斥极；以及
弧隙。
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