CN111433880B - 离子源及间热式阴极离子源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有坩埚的离子源，具体而言，公开一种离子源及一种间热式阴极离子源。在一些实施例中，坩埚设置在离子源的各端中与阴极相对的一端上。在其他实施例中，坩埚设置在各侧壁中的一者中。可呈固态形式的馈入材料设置在坩埚中。在某些实施例中，馈入材料通过等离子中的离子及电子而被溅射。在其他实施例中，馈入材料被加热成使得其汽化。离子源可被定向成使得坩埚设置在最下部壁中，从而使重力将馈入材料保持在坩埚中。

Description

离子源及间热式阴极离子源
技术领域
本发明的实施例涉及一种离子源，且更具体来说，涉及一种具有固态馈入材料坩埚的离子源及间热式阴极离子源。
背景技术
可使用各种类型的离子源来形成在半导体加工设备中所使用的离子。举例来说，间热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)离子源通过向设置在阴极后面的丝极(filament)供应电流而运作。丝极发射热电子，所述热电子被朝向阴极加速且对阴极进行加热，此又使阴极向离子源的电弧腔室中发射电子。阴极设置在电弧腔室的一端处。推斥极(repeller)通常设置在电弧腔室的与阴极相对的端上。阴极及推斥极可被施加偏压，以推斥电子，从而将电子朝向电弧腔室的中心往回引导。在一些实施例中，使用磁场来进一步将电子局限在电弧腔室内。
在某些实施例中，在电弧腔室的一个或多个侧壁上也设置有电极。这些电极可被施加正的偏压或负的偏压，以控制离子及电子的位置，从而增大电弧腔室的中心附近的离子密度。抽取开孔沿着另一侧、邻近电弧腔室的中心而设置，可经由所述抽取开孔抽取离子。
在某些实施例中，可期望利用呈固态形式的馈入材料作为掺杂剂物质。然而，存在与将固态馈入材料与IHC离子源一起使用相关联的问题。举例来说，与离子源一起使用的汽化器难以在高于摄氏1200度的温度下运作。此外，在连接汽化器与电弧腔室的管中可存在热屏蔽及冷凝的问题。这些问题可阻碍许多固体在汽化器中的使用，因为所述固体的蒸汽压力在摄氏1200度下是过低的。
因此，可与固态馈入材料一起使用且没有这些局限性的离子源将为有益的。此外，如果离子源不被固态馈入材料污染，则将为有利的。
发明内容
本发明公开一种具有坩埚的离子源。在一些实施例中，坩埚设置在离子源的各端中与阴极相对的一端上。在其他实施例中，坩埚设置在各侧壁中的一者中。可呈固态形式的馈入材料设置在坩埚中。在某些实施例中，馈入材料通过等离子中的离子及电子而被溅射。在其他实施例中，馈入材料被加热成使得其汽化。离子源可被定向成使得坩埚设置在最下部壁中，从而使重力将馈入材料保持在坩埚中。
根据一个实施例，公开一种间热式阴极(IHC)离子源。所述IHC离子源包括：电弧腔室，包括连接所述电弧腔室的第一端与第二端的多个导电侧壁；间热式阴极，设置在所述电弧腔室的所述第一端上；以及坩埚，设置在所述电弧腔室的所述第二端上。在某些实施例中，所述离子源包括设置在所述多个导电侧壁中的一者上的电极；其中相对于对所述电弧腔室的所述多个导电侧壁施加的电压而对所述电极施加电压。在一些实施例中，馈入材料设置在所述坩埚中，其中所述电弧腔室被定向成使得重力将所述馈入材料保持在所述坩埚中。在某些实施例中，坩埚包括具有凹陷腔的靶座(target holder)，馈入材料设置到所述凹陷腔中。在某些实施例中，所述坩埚包括具有凹陷腔的受热式坩埚，馈入材料设置在所述凹陷腔中并被加热。在一些实施例中，在所述凹陷腔的顶部上设置有具有小开口的盖。在某些实施例中，使用丝极来对所述馈入材料进行加热。
根据另一实施例，公开一种间热式阴极(IHC)离子源。所述IHC离子源包括：电弧腔室，包括连接所述电弧腔室的第一端与第二端的多个导电侧壁；间热式阴极，设置在所述电弧腔室的所述第一端上；以及坩埚，设置在与第一侧壁相对的第二侧壁上。在某些实施例中，所述离子源包括设置在所述第一侧壁上的电极；其中相对于对所述电弧腔室的所述多个导电侧壁施加的电压而对所述电极施加电压。在一些实施例中，馈入材料设置在所述坩埚中，其中所述电弧腔室被定向成使得重力将所述馈入材料保持在所述坩埚中。在某些实施例中，坩埚包括具有凹陷腔的靶座，馈入材料设置到所述凹陷腔中。在某些实施例中，所述坩埚包括具有凹陷腔的受热式坩埚，馈入材料设置在所述凹陷腔中并被加热。在一些实施例中，在所述凹陷腔的顶部上设置有具有小开口的盖。在某些实施例中，使用丝极来对所述馈入材料进行加热。在某些实施例中，在所述第二侧壁上设置有第二坩埚。
根据另一些实施例，公开一种离子源。所述离子源包括：电弧腔室，具有多个壁，在所述电弧腔室中产生等离子；以及坩埚，设置在所述多个壁中的一者上，用以容纳馈入材料；其中所述电弧腔室被定向成使得重力将所述馈入材料保持在所述坩埚中。在某些实施例中，所述坩埚包括具有凹陷腔的靶座，馈入材料设置到所述凹陷腔中。在某些实施例中，所述坩埚包括具有凹陷腔的受热式坩埚，馈入材料设置在所述凹陷腔中并被加热。在一些实施例中，使用丝极来对所述馈入材料进行加热。在某些实施例中，所述等离子是使用间热式阴极离子源或射频(radio frequency，RF)离子源而产生。
附图说明
为更好地理解本发明，参照并入本文中供参考的附图，附图中：
图1是根据一个实施例具有坩埚的间热式阴极(IHC)离子源。
图2是根据一个实施例的坩埚。
图3是根据另一实施例的坩埚。
图4是根据另一实施例具有坩埚的间热式阴极(IHC)离子源。
具体实施方式
如上所述，因冷凝及低蒸汽压力，汽化器在极高温度下可能成问题。
图1示出具有克服这些问题的坩埚的IHC离子源10。IHC离子源10包括电弧腔室100，电弧腔室100包括两个相对的端以及与这些端连接的侧壁101。电弧腔室100还包括底壁及顶壁。电弧腔室100的各壁可由导电材料构造而成，且可彼此进行电连通。阴极110在电弧腔室100的第一端104处设置在电弧腔室100中。丝极160设置在阴极110后面。丝极160与丝极电源165连通。丝极电源165被配置成使电流穿过丝极160，使得丝极160发射热电子。阴极偏压电源115相对于阴极110对丝极160施加负的偏压，因此这些热电子从丝极160被朝向阴极110加速且在其射到阴极110的背表面时对阴极110进行加热。阴极偏压电源115可对丝极160施加偏压，以使得丝极160的电压比阴极110的电压负例如200V至1500V之间。接着，阴极110在其前表面上向电弧腔室100中发射热电子。
因此，丝极电源165向丝极160供应电流。阴极偏压电源115对丝极160施加偏压，以使得丝极160比阴极110更负，从而使电子从丝极160被朝向阴极110吸引。在某些实施例中，可例如通过偏压电源111相对于电弧腔室100对阴极110施加偏压。在其他实施例中，阴极110可电连接到电弧腔室100，以处于与电弧腔室100的侧壁相同的电压下。在这些实施例中，可不采用偏压电源111，且阴极110可电连接到电弧腔室100的侧壁。在某些实施例中，电弧腔室100连接到电地。
在此实施例中，坩埚120在电弧腔室100的与阴极110相对的第二端105上设置在电弧腔室100中。坩埚120可由导电材料制成，且可电连接到电弧腔室100的侧壁。
在某些实施例中，在电弧腔室100中产生磁场190。此磁场旨在沿着一个方向来局限电子。磁场190通常平行于侧壁101从第一端104延伸到第二端105。举例来说，电子可被局限在与从阴极110到坩埚120的方向(即，y方向)平行的柱中。因此，电子在y方向上移动不会经受任何电磁力。然而，电子在其他方向上的移动可经受电磁力。
在图1所示实施例中，第一电极130a及第二电极130b可分别设置在电弧腔室100的两个相对的侧壁101上，使得第一电极130a及第二电极130b位于电弧腔室100内。第一电极130a及第二电极130b可被配置成与侧壁101电隔离。第一电极130a及第二电极130b可各自由相应的电源施加偏压。在某些实施例中，第一电极130a及第二电极130b可与共同的电源连通。然而，在其他实施例中，为实现对IHC离子源10的输出进行微调的最大灵活性及能力，第一电极130a可与第一电极电源135a连通，且第二电极130b可与第二电极电源135b连通。
第一电极电源135a及第二电极电源135b分别用于相对于电弧腔室100的侧壁对第一电极130a及第二电极130b施加偏压。在某些实施例中，第一电极电源135a及第二电极电源135b可相对于电弧腔室100的侧壁101对第一电极130a及第二电极130b施加正的或负的偏压。在某些实施例中，可相对于电弧腔室100的侧壁101对电极中的至少一者施加介于40伏与500伏之间的偏压。
阴极110、坩埚120及电极中的每一者由导电材料(例如金属或石墨)制成。
在电弧腔室100的另一侧(被称作顶壁103)上可设置有抽取开孔140。在图1中，抽取开孔140设置在与X-Y平面(平行于页面)平行的一侧上。此外，IHC离子源10还包括气体入口106，待电离的气体经由气体入口106被引入到电弧腔室100。
控制器180可与所述电源中的一者或多者进行通信，以使得由这些电源供应的电压或电流可被修改。控制器180可包括处理单元，例如微控制器、个人计算机、专用控制器或另一适合的处理单元。控制器180还可包括非暂时性存储元件，例如半导体存储器、磁性存储器或另一适合的存储器。此种非暂时性存储元件可包含使得控制器180能够执行本文所述功能的指令及其他数据。
馈入材料125(例如铟、铝、锑或镓)可设置在坩埚120内。馈入材料125在被放置在坩埚120中时可呈固体的形式。然而，在某些实施例中，馈入材料125可熔化且变为液体。因此，在某些实施例中，离子源10被配置成使得坩埚120位于最下侧(即，距地面最近的侧)上，从而使熔化的馈入材料不从坩埚120流入电弧腔室100中，而是留在坩埚120中。换句话说，离子源10被定向成使得馈入材料125通过重力保持在坩埚120中。
在操作期间，丝极电源165使电流穿过丝极160，这使丝极160发射热电子。这些电子射到可比丝极160更正的阴极110的背表面上，从而使阴极110加热，这又使阴极110向电弧腔室100中发射电子。这些电子与经由气体入口106被馈入到电弧腔室100中的气体分子碰撞。可经由具有适合位置的气体入口106将载气(例如氩)或刻蚀气体(例如氟)引入到电弧腔室100中。来自阴极110的电子、所述气体及正电势的组合形成等离子150。等离子150可由第一电极130a及第二电极130b所形成的电场进行局限及操纵。此外，在某些实施例中，电子及正离子可由磁场190在某种程度上进行局限。在某些实施例中，等离子150邻近抽取开孔140被局限在电弧腔室100的中心附近。在一些实施例中，可以与被施加到第一电极130a的电压和被施加到第二电极130b的电压的平均值接近的电压来对等离子150施加偏压。通过等离子150进行的化学刻蚀或溅射将馈入材料125变换成气相并引起电离。接着，经电离的馈入材料可经由抽取开孔140被抽取并用于制备离子束。
在某些实施例中，阴极110的电压不如等离子150的电压正。举例来说，在一个实施例中，阴极110可处于与电弧腔室100的侧壁相同的电压下。可对第一电极130a施加150V的偏压，同时可对第二电极130b施加0V或20V的偏压。因此，由阴极110产生的电子被朝向等离子150吸引。在一些实施例中，这些所发射的电子或其他粒子也可射到馈入材料125上，从而使馈入材料125进行溅射。
由于等离子150被维持在比坩埚120更正的电压下，因此从馈入材料125溅射或以其他方式释放的负离子及中性原子被朝向等离子150吸引。
尽管图1示出两个电极，然而应理解，在一些实施例中，可消除这些电极(例如第二电极130b及其相关联的第二电极电源135b)中的一者。在另一实施例中，第二电极130b设置在电弧腔室100内，但电连接到电弧腔室100的侧壁101。因此，在此实施例中，可消除第二电极电源135b。
图2示出坩埚的第一实施例。在此实施例中，所述坩埚包括靶座200。靶座200包括凹陷腔210，馈入材料可设置到凹陷腔210中。凹陷腔210设置在顶表面201上，当靶座200附装到电弧腔室100时，顶表面201与电弧腔室100的内部连通。靶座200由导电材料(例如石墨、钨或钽)制成。此外，靶座200电性且机械性地连接到电弧腔室100的侧壁101。
当将图2所示靶座200与电弧腔室100一起采用时，馈入材料125通过由等离子150中的电子及离子驱动的溅射作用或化学刻蚀作用而转移到电弧腔室100中。不存在被施加到馈入材料125的电偏压或热量的其他源。
图3示出坩埚的第二实施例。在此实施例中，所述坩埚是受热式坩埚300。受热式坩埚300包括靶本体301，靶本体301在其第一表面310上具有凹陷腔302。凹陷腔302用于容纳馈入材料125。靶本体301可为例如石墨、钨或钽等导电材料。
靶丝极304设置在第二腔315中，第二腔315通常位于与第一表面310相对的第二表面320上。靶丝极304与靶丝极电源303连通。靶丝极电源303被配置成使电流穿过靶丝极304，以使得靶丝极304发射热电子。靶偏压电源305相对于靶本体301对靶丝极304施加负的偏压，因此这些热电子从靶丝极304被朝向靶本体301加速且在其射到靶本体301的第二腔315的内表面上时对靶本体301进行加热。靶偏压电源305可对靶丝极304施加偏压，以使得靶丝极304的电压比靶本体301的电压负例如200V至1500V之间。靶本体301可被加热至使得馈入材料被汽化的温度。在某些实施例中，由靶偏压电源305施加的电压可为可调整的，以控制靶本体301的温度。
因此，靶丝极电源303向靶丝极304供应电流。靶偏压电源305对靶丝极304施加偏压，使得靶丝极304比靶本体301更负，从而使电子从靶丝极304被朝向靶本体301吸引。在某些实施例中，靶本体301可电连接到电弧腔室100，以处于与电弧腔室100的侧壁相同的电压下。电子对靶本体301进行加热，这将馈入材料125加热至使其达到足以产生等离子的蒸汽压力为止。受热式坩埚300可用于在高温下直接使固体蒸发。可在不期望使用载气或不存在适合的载气时利用受热式坩埚300。
图3所示受热式坩埚300不依赖于溅射。因此，可在凹陷腔302之上放置具有小开口307的盖306，以将馈入材料125与等离子150隔离。在某些实施例中，所述开口的尺寸可被设定成避免从受热式坩埚300快速耗尽馈入材料125。在某些实施例中，所述开口的尺寸可小于坩埚的最大内部尺寸的25％。盖306可由与靶本体301相同的材料构造而成，或者可为石墨而不管用于靶本体301的材料如何。使用盖306会减少在受热式坩埚300未在使用中时馈入材料125对等离子150的污染。因此，离子源10仍可用于多种馈入材料而非专用于仅一种馈入材料。
此外，虽然靶本体301相对于靶丝极304被施加偏压，然而靶本体301并未相对于离子源10的壁被施加偏压。不存在被施加到馈入材料125的电偏压的其他源。
可将图1所示离子源10与图2所示靶座200或图3所示受热式坩埚300一起利用。在两个实施例中，可取的是，坩埚被安装在使得重力将馈入材料保持在坩埚中的侧上，如图1所示。在某些实施例中，靶座200的顶表面可与第二端105齐平，如图1所示。在其他实施例中，靶座200可简单地搁置在第二端105上。类似地，在某些实施例中，受热式坩埚300的顶表面可与第二端105齐平。在其他实施例中，受热式坩埚300可简单地搁置在第二端105上。
应注意，在此实施例中，坩埚120设置在电弧腔室100的传统上将安装推斥极的端上。此外，在此实施例中，不使用推斥极。
在一个测试期间，使用图2所示靶座200来形成包含铟的离子束。将固态铟设置在靶座200中，且对离子源10进行激励。铟熔化，但未将离子源10污染。换句话说，液态铟留在坩埚120内。在第二测试期间，使用图2所示靶座200来容纳铝馈入材料。再次，铝熔化，但未将离子源10污染。
图1示出IHC离子源10的实施例，其中将阴极110电连接到电弧腔室100，同时分别使用第一电极电源135a及第二电极电源135b相对于电弧腔室100对第一电极130a及第二电极130b单独地施加偏压。图4示出根据另一实施例的IHC离子源11。类似的构件被赋予了相同的参考标识符。在此实施例中，IHC离子源11具有电连接到电弧腔室100的阴极110。然而，应理解，可使用偏压电源111相对于电弧腔室100的侧壁101对阴极110施加偏压。此外，第二电极130b已被消除。也可采用磁场190。
在此实施例中，相对于电弧腔室100对仅第一电极130a施加偏压。可使用第一电极电源135a相对于电弧腔室100对第一电极130a施加介于40伏与500伏之间的正偏压。此外，电弧腔室100已被旋转成使得侧壁101中的一者最靠近地面。具体来说，与第一电极130a相对的侧壁最靠近地面。
在此实施例中，坩埚120设置在与第一电极130a相对的侧壁上。此外，在某些实施例中，此侧壁可具有足以支撑多个坩埚120的长度，如图4所示。举例来说，可沿着此侧壁安装两个或更多个坩埚120。在此实施例中，可采用图2及图3所示坩埚中的任一者。在某些实施例中，靶座200的顶表面可与侧壁101齐平，如图4所示。在其他实施例中，靶座200可简单地搁置在侧壁101上。类似地，在某些实施例中，受热式坩埚300的顶表面可与侧壁101齐平。在其他实施例中，受热式坩埚300可简单地搁置在侧壁101上。
如果采用多个图2所示靶座200，则使所有靶座200包含相同的馈入材料以防止发生污染是可取的。使用多个靶座200可增大等离子150中固态材料的浓度。因此，可通过使用多个坩埚来实现较高的由所需离子形成的束流。
如果采用多个图3所示受热式坩埚300，则可在受热式坩埚300中的每一者中设置不同的馈入材料。举例来说，两个受热式坩埚300可填充有不同的馈入材料。当将使用第一馈入材料时，对第一受热式坩埚300的靶丝极304进行激励，同时将第二受热式坩埚的靶丝极304去能。这样一来，第一受热式坩埚中的蒸汽可进入电弧腔室100，但第二受热式坩埚中的馈入材料不进入电弧腔室100。在稍后的时间，通过对第二受热式坩埚中的靶丝极304进行激励并将第一受热式坩埚中的靶丝极去能，IHC离子源11可接着使用第二受热式坩埚300中的馈入材料来形成离子束。
图1及图4示出用于说明坩埚120可被放置在电弧腔室100的与其中设置有阴极110及第一电极130a的侧不同的一侧上的具体实施例。
尽管以上公开内容阐述了将坩埚与间热式阴极离子源一起使用，然而应理解，本发明并非仅限于此种实施例。离子源可为任何类型的离子源，例如RF离子源、伯纳(Bernas)离子源或任何其他类型。
此外，在某些实施例中，图4所示实施例可联合推斥极一起使用。在某些实施例中，可相对于电弧腔室的侧壁对图4所示阴极施加正的偏压。在一个特定实施例中，使用偏压电源111相对于侧壁对阴极施加偏压，且存在推斥极。在此实施例中，可消除第一电极1 30a及第一电极电源135a。
以上在本申请中所述的实施例可具有许多优点。首先，本发明系统使得固态馈入材料能够用作掺杂剂材料，而不存在与现有技术相关联的问题。其次，通过将坩埚放置在距地面最近的壁上，馈入材料甚至在呈液态形式时也保持在坩埚中。这样一来，离子源不会被液态形式的馈入材料污染或损坏。再次，与传统的汽化器相比，使用此种坩埚，离子束中掺杂剂的浓度可大得多。在一个实验中，与传统的汽化器相比，离子束中的掺杂剂浓度不止增大一倍。此外，在某些实施例中，可在单个电弧腔室内设置多个坩埚。这可使得能够电离出高浓度的馈入材料。在其他实施例中，这可使得不同的馈入材料能够与单个电弧腔室一起使用，而不需要更换坩埚。
本发明的范围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，对所属领域中的一般技术人员来说，除本文所述实施例及润饰以外，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，尽管已针对特定目的而在特定环境中在特定实施方案的上下文中阐述了本发明，然而所属领域中的一般技术人员将认识到，本发明的效用并非仅限于此且可针对任何数目的目的在任何数目的环境中有益地实施本发明。因此，应考虑到本文所述本发明的全部范围及精神来理解以上提出的权利要求。

Claims (15)

1.一种间热式阴极离子源，其特征在于，包括：
电弧腔室，包括连接所述电弧腔室的第一端与第二端的多个导电侧壁；
间热式阴极，设置在所述电弧腔室的所述第一端上；以及
坩埚，设置在所述电弧腔室的所述第二端上，其中所述坩埚包括具有凹陷腔的靶座，馈入材料设置于所述凹陷腔中。
2.根据权利要求1所述的间热式阴极离子源，其特征在于，进一步包括设置在所述多个导电侧壁中的一者上的电极；其中相对于对所述电弧腔室的所述多个导电侧壁施加的电压而对所述电极施加电压。
3.根据权利要求1所述的间热式阴极离子源，其特征在于，所述电弧腔室被定向成使得重力将所述馈入材料保持在所述坩埚中。
4.根据权利要求1所述的间热式阴极离子源，其特征在于，所述坩埚被加热。
5.根据权利要求4所述的间热式阴极离子源，其特征在于，使用丝极来对所述馈入材料进行加热。
6.一种间热式阴极离子源，其特征在于，包括：
电弧腔室，包括连接所述电弧腔室的第一端与第二端的多个导电侧壁；
间热式阴极，设置在所述电弧腔室的所述第一端上；以及
坩埚，设置在与第一侧壁相对的第二侧壁上，其中所述坩埚包括具有凹陷腔的靶座，馈入材料设置于所述凹陷腔中。
7.根据权利要求6所述的间热式阴极离子源，其特征在于，进一步包括设置在所述第一侧壁上的电极；其中相对于对所述电弧腔室的所述多个导电侧壁施加的电压而对所述电极施加电压。
8.根据权利要求6所述的间热式阴极离子源，其特征在于，所述电弧腔室被定向成使得重力将所述馈入材料保持在所述坩埚中。
9.根据权利要求6所述的间热式阴极离子源，其特征在于，所述坩埚被加热。
10.根据权利要求9所述的间热式阴极离子源，其特征在于，使用丝极来对所述馈入材料进行加热。
11.根据权利要求6所述的间热式阴极离子源，其特征在于，进一步包括设置在所述第二侧壁上的第二坩埚。
12.一种离子源，其特征在于，包括：
电弧腔室，具有多个壁，在所述电弧腔室中产生等离子；以及
坩埚，设置在所述多个壁中的一者上，用以容纳馈入材料；
其中所述电弧腔室被定向成使得重力将所述馈入材料保持在所述坩埚中，且其中所述坩埚包括具有凹陷腔的靶座，所述馈入材料设置于所述凹陷腔中，所述坩埚的顶表面与所述多个壁中的一者齐平。
13.根据权利要求12所述的离子源，其特征在于，所述坩埚被加热。
14.根据权利要求13所述的离子源，其特征在于，使用丝极来对所述馈入材料进行加热。
15.根据权利要求12所述的离子源，其特征在于，所述等离子是使用间热式阴极离子源或射频离子源而产生。
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