CN109417006A - 用于增强型离子化的离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有改善的寿命的离子源。在某些实施例中，所述离子源是间接加热式阴极离子源，所述间接加热式阴极离子源包括腔室，所述腔室具有多个导电壁，所述间接加热式阴极离子源具有阴极，所述阴极电连接到所述离子源的壁。在所述离子源的一个或多个壁上设置有电极。电极中的至少一个被相对于腔室的壁施加偏压。在某些实施例中，被吸引到阴极的正离子较少，从而减少阴极经历的溅射量。有利的是，使用这种技术会改善阴极的寿命。在另一实施例中，离子源包括伯纳斯离子源，所述伯纳斯离子源包括具有细丝的腔室，所述细丝的一个引线连接到离子源的壁。

Description

用于增强型离子化的离子源

技术领域

本发明的实施例涉及一种离子源，且更具体来说，涉及一种将阴极电连接到腔室的壁以改善离子源的寿命的离子源。

背景技术

可使用各种类型的离子源来生成在半导体处理设备中所使用的离子。举例来说，伯纳斯离子源是通过使电流通过设置在腔室中的细丝来工作。细丝发出电子来激发被引入到腔室中的气体。可使用磁场来约束电子的路径。在某些实施例中，电极也设置在腔室的一个或多个壁上。这些电极可被施加正偏压或负偏压，以控制离子及电子的位置，从而增大腔室中心附近的离子密度。提取开孔沿另一侧设置且靠近腔室的中心，可经由所述提取开孔提取离子。

与伯纳斯离子源相关的一个问题在于细丝的寿命。由于细丝暴露在腔室中，因此细丝会经受会缩短细丝寿命的溅射及其他现象。在一些实施例中，伯纳斯离子源的寿命取决于细丝的寿命。

第二种类型的离子源是间接加热式阴极(IHC)离子源。间接加热式阴极离子源通过向设置在阴极后面的细丝供应电流来工作。细丝会发出热电子(thermionic electron)，热电子朝阴极加速并对阴极进行加热，此转而会使阴极向离子源的腔室中发出电子。由于细丝受到阴极的保护，因此相对于伯纳斯离子源来说，其寿命可延长。阴极设置在腔室的一端处。在与阴极相对的腔室的一端上通常设置有斥拒极(repeller)。阴极及斥拒极可被施加偏压以斥拒电子，从而将电子向回朝腔室的中心引导。在一些实施例中，使用磁场来进一步将电子约束在腔室内。

在某些实施例中，电极也设置在腔室的一个或多个侧壁上。这些电极可被施加正偏压或负偏压，以控制离子及电子的位置，从而增大腔室中心附近的离子密度。提取开孔沿另一侧设置且靠近腔室的中心，可经由所述提取开孔提取离子。

与间接加热式阴极离子源相关的一个问题在于阴极可具有有限的寿命。阴极在其背面上经受电子的轰击，且在其正面上经受带正电荷的离子的轰击。离子轰击会引起溅射，从而造成阴极的腐蚀。在许多实施例中，间接加热式阴极离子源的寿命取决于阴极的寿命。在某些实施例中，来自等离子体的化学气相沉积可使带负电荷的阴极电连接到离子源的被接地的壁，从而导致离子源故障。

因此，寿命增加的离子源可为有益的。另外，如果离子源在用于产生电子的组件上经历更少的溅射，也将是有利的。

发明内容

本发明公开一种具有改善的寿命的离子源。在某些实施例中，所述离子源是间接加热式阴极离子源，所述间接加热式阴极离子源包括腔室，所述腔室具有多个导电壁，所述间接加热式阴极离子源具有阴极，所述阴极电连接到所述离子源的壁。在所述离子源的一个或多个壁上设置有电极。电极中的至少一个被相对于腔室的壁施加偏压。在某些实施例中，被吸引到阴极的正离子较少，从而减少阴极经历的溅射量。有利的是，使用这种技术会改善阴极的寿命。在另一实施例中，离子源包括伯纳斯离子源，所述伯纳斯离子源包括具有细丝的腔室，所述细丝的一个侧连接到离子源的壁。

根据一个实施例，公开一种间接加热式阴极离子源。所述间接加热式阴极离子源包括：腔室，包括多个导电壁，所述腔室中被引入气体；阴极，设置在所述腔室的一端上；细丝，设置在所述阴极后面；磁场，穿过所述腔室；顶壁，具有提取开孔；以及电极，在所述腔室中沿所述腔室的壁设置；其中相对于所述腔室对所述电极施加电压，且所述阴极电连接到所述腔室。在一些实施例中，所述电极设置在与所述磁场平行的侧壁上。在再一实施例中，在与所述电极相对的侧壁上设置有第二电极，其中所述电极和所述第二电极之间的电场与所述磁场相互垂直。在某些实施例中，所述电极设置在所述顶壁上、所述提取开孔的相对两侧上。

在第二实施例中，公开一种间接加热式阴极离子源。所述间接加热式阴极离子源包括：腔室，包括多个导电壁，所述腔室中被引入气体；阴极，设置在所述腔室的一个壁上；细丝，设置在所述阴极后面；磁场，穿过所述腔室；以及电极，在所述腔室中设置在与所述阴极相对的壁上；其中所述阴极设置在与所述磁场平行的壁上。在某些实施例中，所述阴极电连接到所述腔室。在某些实施例中，所述电极被相对于所述腔室施加正偏压。

在第三实施例中，公开一种伯纳斯离子源。所述伯纳斯离子源包括：腔室，包括多个导电壁，所述腔室中被引入气体；细丝，设置在所述腔室的一端上；磁场，穿过所述腔室；顶壁，具有提取开孔；以及电极，沿所述腔室的壁设置；其中相对于所述腔室对所述电极施加电压，且所述细丝的一个引线电连接到所述腔室。在某些实施例中，所述电极设置在与所述磁场平行的侧壁上。在某些实施例中，在与所述电极相对的侧壁上设置有第二电极，其中所述电极和所述第二电极之间的电场与所述磁场相互垂直。

附图说明

为更好地理解本发明，请参照附图，所述附图并入本文供参考且在所述附图中：

图1是根据一个实施例的间接加热式阴极(IHC)离子源。

图2是根据另一实施例的间接加热式阴极离子源。

图3是根据另一实施例的间接加热式阴极离子源。

图4是图1所示间接加热式阴极离子源的剖视图。

图5是根据另一实施例的间接加热式阴极离子源的剖视图。

图6是根据另一实施例的间接加热式阴极离子源。

图7是根据另一实施例的离子源。

具体实施方式

如上所述，离子源可易于因溅射(尤其是发生在用于产生电子的组件上的溅射)效应而引起寿命缩短。通常，在经过一段时间后，这些组件会失效。在某些实施例中，间接加热式阴极离子源的故障是由阴极与离子源的壁之间的电短路、或者斥拒极与离子源的壁之间的电短路造成的。相似地，伯纳斯离子源可易于因在细丝上发生的溅射效应而引起寿命缩短。

图1示出克服这些问题的间接加热式阴极离子源10。图4是间接加热式阴极离子源10的剖视图。间接加热式阴极离子源10包括腔室100，腔室100包括相对的两端以及连接到这些端的侧壁101。腔室100也包括底壁102及顶壁103。腔室的各个壁可由导电材料构成且可彼此电连通。在腔室100中，在腔室100的第一端104处设置有阴极110。在阴极110后面设置有细丝160。细丝160与细丝电源165连通。细丝电源165被配置成使电流通过细丝160，以使得细丝160发出热电子。阴极偏压电源115相对于阴极110对细丝160施加负偏压，因此这些热电子从细丝160朝阴极110加速并在这些热电子撞击阴极110的背面时对阴极110进行加热。阴极偏压电源115可对细丝160施加偏压，以使细丝160具有例如比阴极110的电压负200V至负1500V之间的电压。阴极110接着在其正面上向腔室100中发出热电子。

因此，细丝电源165将电流供应至细丝160。阴极偏压电源115对细丝160施加偏压以使细丝160具有比阴极110更负的值，进而使得电子被从细丝160朝阴极110吸引。另外，阴极110电连接到腔室100，以与腔室100的壁处于同一电压。在某些实施例中，腔室100连接至电接地点(electrical ground)。

在这个实施例中，在腔室100中，在腔室100的与阴极110相对的第二端105上设置有斥拒极120。斥拒极120可与斥拒极电源125连通。顾名思义，斥拒极120用于将从阴极110发出的电子向回朝腔室100的中心斥拒。举例来说，可相对于腔室100来对斥拒极120施加负的偏压以斥拒电子。举例来说，斥拒极电源125可具有处于OV至-150V范围中的输出，但是也可使用其他电压。在某些实施例中，相对于腔室100对斥拒极120施加介于OV与-150V之间的偏压。在某些实施例中，斥拒极120可相对于腔室100浮动。换句话说，当浮动时，斥拒极120不电连接至斥拒极电源125或腔室100。在这个实施例中，斥拒极120的电压趋于向接近阴极110的电压漂移。

在某些实施例中，在腔室100中产生磁场190。这一磁场旨在沿一个方向约束电子。磁场190通常自第一端104到第二端105与侧壁101平行地分布。举例来说，电子可被约束在与从阴极110到斥拒极120的方向(即，y方向)平行的柱中。因此，电子不会经历任何电磁力以在y方向上移动。然而，电子在其他方向上的移动可经历电磁力。

在图1所示的实施例中，在腔室100的侧壁101上可设置有电极130a、130b，从而使电极130a、130b位于腔室100内。电极130a、130b可被电源施加偏压。在某些实施例中，电极130a、130b可与共用电源连通。然而，在其他实施例中，为使对间接加热式阴极离子源10的输出进行调节的灵活性及能力最大化，电极130a、130b可分别与各自的电极电源135a、135b连通。

如同斥拒极电源125一般，电极电源135a、135b用于相对于腔室100对电极130a、130b施加偏压。在某些实施例中，电极电源135a、135b可相对于腔室100对电极130a、130b施加正偏压或负偏压。在某些实施例中，电极130a、130b中的至少一个可被相对于腔室100施加介于40伏与500伏之间的偏压。

阴极110、斥拒极120及电极130a、130b中的每一个由例如金属等导电材料制成。

在被指为顶壁103的腔室100的另一侧上可设置有提取开孔140。在图1中，提取开孔140设置在与X-Y平面(平行于页面)平行的侧上。此外，尽管图中未示出，然而间接加热式阴极离子源10还包括进气口(gas inlet)，要被离子化的气体经由所述进气口被引入到腔室100中。

控制器180可与所述电源中的一个或多个连通，从而使得可修改由这些电源供应的电压或电流。控制器180可包括处理单元，例如微控制器、个人计算机、专用控制器、或另一种合适的处理单元。控制器180也可包括非暂时性存储元件，例如半导体存储器、磁性存储器、或另一种合适的存储器。这个非暂时性存储元件可含有指令及其他数据，所述指令及其他数据使控制器180能够执行本文所述功能。

控制器180可用来选择将由阴极偏压电源115、细丝电源165、电极电源135a、135b、及斥拒极电源125供应的初始电压或电流。这一初始电压可基于正在使用的气体的类型、或者基于将从间接加热式阴极离子源10提取的离子的类型。另外，在某些实施例中，控制器也可监测所提取离子束的电流。基于所监测的提取电流，控制器180可至少使由细丝电源165供应的电流变化以获得需要的提取电流。

在运作期间，细丝电源165使电流通过细丝160，此会使细丝160发出热离子电子。这些电子撞击可具有比细丝160更大的正值的阴极110的背面，从而使阴极110被加热，此转而使阴极110向腔室100中发出电子。这些电子与经由进气口而被馈送至腔室100中的气体分子碰撞。这些碰撞会生成正离子，从而形成等离子体150。可通过由斥拒极120、及电极130a、130b生成的电场来约束及操控等离子体150。另外，在某些实施例中，电子及正离子可在某种程度上受磁场190约束。在某些实施例中，等离子体150被约束在腔室100的中心附近、靠近提取开孔140。

由于阴极110相对于腔室100未被施加偏压，因此被阴极110吸引的正离子较少且这些离子具有较低的能量，因此它们较少地发生溅射。因此，溅射量可减少且阴极110的寿命可延长。另外，即使在存在溅射时，电短路的风险也会在阴极110与腔室100的壁处于同一电压时得到消除。

在这个实施例中，电子可被相对于腔室100施加正偏压的电极130a吸引。然而，电子需要克服电磁力以穿越磁场190。因此，对电磁场190的强度及由电极电源135a施加的正电压的选择决定了当电子朝电极130a被吸引时电子的速度及能量。在对电极130a施加低的正偏压情况下的较强的磁场将减少能够穿越磁场190的电子量。相反，与施加至电极130a的较大偏压进行耦合的弱磁场将使得以较高速度移动的更多电子能够朝电极130a移动。

因此，通过改变磁场190的强度及由电极电源135a施加的电压，可对电子的速度及能量进行操控。这使得间接加热式阴极离子源10适用于多电荷离子、单体、及离子化分子。

举例来说，对于单电荷离子来说，可将富气(rich gas)与弱磁场搭配使用。在某些实施例中，可藉由电极电源135a施加第一电压。对于多电荷离子来说，可将贫气(lean gas)与强磁场搭配使用。在这个实施例中，被施加至电极130a的电压可大于第一电压。较强的磁场可使得发生更多碰撞，从而生成多电荷物质。

图1示出其中阴极110电连接到腔室100、而斥拒极120及电极130a、130b均被相对于腔室100分别使用斥拒极电源125、及电极电源135a、135b独立地施加偏压的间接加热式阴极离子源10的实施例。图2示出根据另一实施例的间接加热式阴极离子源11。相似的组件被赋予相同的参考指示符。间接加热式阴极离子源11具有阴极110及斥拒极120，阴极110及斥拒极120二者均电连接至腔室100。另外，电极130b中的一个也电连接到腔室100。换句话说，阴极110、斥拒极120、电极130b及腔室100的壁均处于同一电压。因此，可省略电极电源135b及斥拒极电源125。

在这个实施例中，仅电极130a被相对于腔室100施加偏压。电极130a可相对于腔室100被施加介于40伏与500伏之间的正偏压。因此，腔室100内的电场仅由电极130a生成。另外，电极130a与电极130b之间的电场与磁场190垂直。具体来说，磁场190位于Y方向上，而电极130a与电极130b之间的电场处于X方向上。因此，电磁力主要位于Z方向上。在一些实施例中，电磁力向上朝向提取开孔140。

图3示出图2所示间接加热式阴极离子源11的变化。在图3中，省略了间接加热式阴极离子源12的斥拒极。由于图2所示斥拒极120与腔室100处于同一电压，因此在图3中省略斥拒极不会改变间接加热式阴极离子源12的运行。换句话说，在这两个实施例中，与阴极110相对的第二端105被偏压成与腔室100的壁相同的电压。

图4示出沿图1所示线AA截取的间接加热式阴极离子源10的剖视图。在这个图中，阴极110被示出为倚靠间接加热式阴极离子源10的第一端104。电极130a及130b被示出为位于腔室100的两个相对的侧壁101上。磁场190被示出为在Y方向上指向页面之外。在某些实施例中，电极130a、130b可分别使用绝缘体133a、133b来与腔室100的侧壁101分开。可通过使导电材料从腔室100的外部经由绝缘体133a、133b到达各自的电极130a、130b来形成从电极电源135a、135b到电极130a、130b的电连接。在某些实施例中，电极130b可与腔室100电连通。在这些实施例中，可不采用绝缘体133b且可倚靠侧壁101设置电极130b。另外，在某些实施例中，由于电极130b与侧壁101处于同一电压，因此可省略电极130b。

另外，在某些实施例中，不采用绝缘体133a、133b。而是，如果电极130a被相对于腔室100施加偏压，则电极130a可与腔室100的壁间隔开。

尽管图1至4均示出电极130a、130b沿腔室100的相对的侧壁101设置，然而也可能存在其他实施例。图5示出这种实施例。图5是间接加热式阴极离子源14的剖视图。除了电极230的位置之外，这个间接加热式阴极离子源14在大多数方面与其他间接加热式阴极离子源相似。在这个实施例中，电极230设置在腔室100的其中设置有提取开孔140的顶壁103上。电极230可使用绝缘体233来与顶壁103绝缘。在一些实施例中，电极230可设置在腔室100内且环绕整个提取开孔140。在其他实施例中，电极230可在腔室100内设置在提取开孔140的相对的侧壁上。因此，电场在靠近提取开孔140处最强。相对于图4所示构型来说，这种构型可增大离子束电流或能量。

图6示出间接加热式阴极离子源15的另一个实施例。在这个实施例中，阴极210及细丝160已从间接加热式阴极离子源15的一端移动到与电极130a相对的侧壁101。换句话说，阴极210设置在与磁场190平行的侧壁101上。因此，不同于前面的实施例，从阴极210发出的电子会立即遇到磁场190。因此，由电极电源135a施加至电极130a的电压可足够大以吸引所发出的电子穿越磁场190。作为另外一种选择或另外地，磁场190可相对弱以使电子朝电极130a穿越所述场。在这个实施例中，通常含有阴极及斥拒极的间接加热式阴极离子源15的两端可不含有阴极及斥拒极。

本申请中的上述实施例可具有许多优点。首先，由于电极电连接到腔室，因此不会出现阴极与腔室的壁之间的短路问题，从而会消除间接加热式阴极离子源故障的常见原因。第二，由于阴极电连接到腔室，因此被吸引到阴极的正离子较少，从而减少阴极所经受的溅射量。第三，相对于传统间接加热式阴极离子源来说，达成相等的提取电流所需的源功率(source power)降低，从而同样会促成较长的离子源寿命。另外，根据本文所述实施例的离子源同样良好地适用于多电荷物质、单体物质及分子物质。实验数据已表明本文所述离子源以最少到30％的源功率提供最多达40％的束电流。

将用于产生电子的组件维持在腔室电压或接近腔室电压的电压的概念也可应用于其他离子源。图7示出根据一个实施例的伯纳斯离子源300。

如同图3所示间接加热式阴极离子源一般，伯纳斯离子源300包括腔室310，腔室310具有多个导电壁。伯纳斯离子源300可具有斥拒极或可不具有斥拒极。另外，电极330a、330b可设置在相对的侧壁301上。伯纳斯离子源300包括细丝360，细丝360与细丝电源365连通。细丝电源365的正端子与细丝360的一个引线连通且也与腔室310的壁连通。细丝电源365的负端子与细丝360的另一个引线连通。细丝360的引线两端的电压可小于10伏。细丝360可设置在腔室310的第一端304处。

也可从伯纳斯离子源300的第一端304朝与第一端304相对的第二端305施加磁场390。如同上述间接加热式阴极离子源一般，电子可在某种程度上被约束成取向为y方向的柱中。电极330a可相对于腔室310被施加正偏压，且可设置在侧壁301上。

在工作期间，细丝电源365使电流通过细丝360，此会使细丝360发出热电子。这些电子与经由进气口被馈送至腔室310中的气体分子碰撞。这些碰撞会生成正离子，从而形成等离子体350。可通过由电极330a、330b生成的电场来约束及操控等离子体350。如同间接加热式阴极离子源一般，电极330a可与电极电源335a连通。另外，在某些实施例中，电子及正离子可在某种程度上受磁场390约束。在某些实施例中，等离子体350被约束在腔室310的中心附近、靠近提取开孔340。

控制器180的功能可如上所述。

由于细丝360的一个引线电连接到腔室310，因此被吸引到细丝360的正离子较少。因此，溅射量可减少且细丝360的寿命可延长。

尽管图7示出具有电连接到腔室310的电极330b而不具有斥拒极的伯纳斯离子源300，然而也可能存在其他实施例。举例来说，图1及图2所示阴极110、阴极偏压电源115、细丝160及细丝电源165可由图7所示细丝360及细丝电源365取代。换句话说，在某些实施例中，伯纳斯离子源可包括接地至腔室的斥拒极、或者与斥拒极电源连通的斥拒极。另外，在某些实施例中，电极330b可与电极电源连通。

另外，可修改图7所示的伯纳斯离子源300，如图5所示的将电极330a设置在顶壁上。

如同前面阐述的间接加热式阴极离子源一般，本申请中的上述伯纳斯离子源的实施例可具有许多优点。举例来说，由于细丝的一个引线电连接到腔室，因此被吸引到细丝的正离子较少，从而减少细丝所经受的溅射量。溅射的这一减少可延长细丝的寿命。

本发明在范围上不受本文所述具体实施例限制。实际上，通过阅读以上说明及附图，对所属领域中的普通技术人员来说，除本文所述实施例及润饰外的本发明的其他各种实施例及对本发明的各种润饰也将显而易见。因此，这些其他实施例及润饰都旨在落于本发明的范围内。此外，尽管本文中已在用于具体目的的具体环境中的具体实作方式的上下文中阐述了本发明，然而所属领域中的普通技术人员将认识到，本发明的适用性并不仅限于此且本发明可出于任意数目的目的而有益地实作于任意数目的环境中。因此，以上提出的权利要求应虑及本文所阐述的本发明的全部广度及精神来加以解释。

Claims (15)

1.一种间接加热式阴极离子源，其特征在于，包括：

腔室，包括多个导电壁，所述腔室中被引入气体；

阴极，设置在所述腔室的一端上；

细丝，设置在所述阴极后面；

磁场，穿过所述腔室；

顶壁，具有提取开孔；以及

电极，在所述腔室中沿所述腔室的壁设置；

其中相对于所述腔室对所述电极施加电压，且所述阴极电连接到所述腔室。

2.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，在与所述阴极相对的所述腔室的第二端上设置有斥拒极，且所述斥拒极电连接到所述腔室。

3.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述电极被相对于所述腔室施加正偏压。

4.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述电极设置在与所述磁场平行的侧壁上。

5.根据权利要求4所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，进一步包括位于与所述电极相对的侧壁上的第二电极，其中所述电极和所述第二电极之间的电场与所述磁场相互垂直。

6.根据权利要求5所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述磁场与所述电场被配置成朝所述提取开孔对正离子施加力。

7.根据权利要求5所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述第二电极与所述腔室电连通。

8.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述电极设置在所述顶壁上、所述提取开孔的相对两侧上。

9.一种间接加热式阴极离子源，其特征在于，包括：

腔室，包括多个导电壁，所述腔室中被引入气体；

阴极，设置在所述腔室的一个壁上；

细丝，设置在所述阴极后面；

磁场，穿过所述腔室；以及

电极，在所述腔室中设置在与所述阴极相对的壁上；

其中所述阴极设置在与所述磁场平行的壁上。

10.根据权利要求9所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述阴极电连接到所述腔室。

11.根据权利要求9所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述电极被相对于所述腔室施加正偏压。

12.一种伯纳斯离子源，其特征在于，包括：

腔室，包括多个导电壁，所述腔室中被引入气体；

细丝，设置在所述腔室的一端上；

磁场，穿过所述腔室；

顶壁，具有提取开孔；以及

电极，沿所述腔室的壁设置；

其中相对于所述腔室对所述电极施加电压，且所述细丝的一个引线电连接到所述腔室。

13.根据权利要求12所述的伯纳斯离子源，其特征在于，所述电极设置在与所述磁场平行的侧壁上。

14.根据权利要求13所述的伯纳斯离子源，其特征在于，进一步包括位于与所述电极相对的侧壁上的第二电极，其中所述电极和所述第二电极之间的电场与所述磁场相互垂直。

15.根据权利要求14所述的伯纳斯离子源，其特征在于，所述第二电极与所述腔室电连通。