CN112703574B - 间接加热式阴极离子源及将不同的掺杂物离子化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有用于容纳固态掺杂物材料的可插入式靶容纳器的离子源。具体而言，公开一种间接加热式阴极离子源及将不同的掺杂物离子化的方法。可插入式靶容纳器包括腔囊或空腔，固态掺杂物材料设置在所述腔囊或空腔中。固态掺杂物材料在熔化时保持含纳在腔囊内，因此不会使电弧腔室损坏或劣化。另外，靶容纳器可从其中腔囊至少局部地位于电弧腔室中的一个或多个位置移动到其中腔囊完全位于电弧腔室之外的一个或多个位置。在某些实施例中，可使用套管来覆盖腔囊的开放的顶部的至少一部分。

Description

间接加热式阴极离子源及将不同的掺杂物离子化的方法
本申请主张优先于在2018年9月19日提出申请的序列号为62/733,353的美国临时专利申请，所述美国临时专利申请的公开内容全部并入本文供参考。
技术领域
本公开的实施例涉及一种离子源，且更具体来说，涉及一种间接加热式阴极离子源及将不同的掺杂物离子化的方法。
背景技术
可使用各种类型的离子源来形成在半导体处理设备中使用的离子。举例来说，间接加热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)离子源通过向设置在阴极后面的灯丝(filament)供应电流而进行操作。灯丝发射热离电子(thermionic electron)，所述热离电子朝阴极加速并加热阴极，继而使阴极将电子发射到离子源的电弧腔室中。阴极设置在电弧腔室的一端处。排斥极(repeller)可设置在电弧腔室的与阴极相对的一端上。阴极及排斥极可被施加偏压以排斥电子，从而将电子朝电弧腔室的中心往回引导。在一些实施例中，使用磁场进一步将电子限制在电弧腔室内。使用多个侧来连接电弧腔室的所述两端。
沿着这些侧中的一个侧、靠近电弧腔室的中心设置抽取孔(extractionaperture)，可通过抽取孔抽取在电弧腔室中形成的离子。
在某些实施例中，利用固态形式的材料作为掺杂物物质(dopant species)可能是可取的。然而，存在与对IHC离子源使用固态掺杂物材料相关联的问题。举例来说，在IHC离子源的高温环境中，金属溅镀靶易于熔化、滴落且当液态金属在电弧腔室中流动及聚集时一般会使电弧腔室劣化及对电弧腔室造成破坏。因此，包含感兴趣的掺杂物的陶瓷由于具有较高的熔化温度而常常用作固态掺杂物材料。然而，这些陶瓷材料通常产生较小的感兴趣掺杂物的束电流。如果金属溅镀靶在熔化时可维持其形状而不滴落或变形，则可实现掺杂物束电流的显著增加。
因此，可与具有低的熔化温度的固态掺杂物材料(例如，某些金属)一起使用的离子源将是有益的。此外，如果离子源不被固态掺杂物材料污染，则将是有利的。另外，如果电弧腔室可在没有固态材料的情况下用于其它工艺，则将是有利的。
发明内容
本发明公开一种具有用于容纳固态掺杂物材料的可插入式靶容纳器的离子源。可插入式靶容纳器包括腔囊或空腔，固态掺杂物材料设置在所述腔囊或空腔中。固态掺杂物材料在熔化时保持含纳在腔囊内，因此不会使电弧腔室损坏或劣化。另外，靶容纳器可从其中腔囊至少局部地位于电弧腔室中的一个或多个位置移动到其中腔囊完全位于电弧腔室之外的一个或多个位置。在某些实施例中，可使用套管来覆盖腔囊的开放的顶部的至少一部分。
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：电弧腔室，包括连接第一端与第二端的多个壁；间接加热式阴极，设置在所述电弧腔室的所述第一端上；以及靶容纳器，具有用于容纳掺杂物材料的腔囊，其中所述靶容纳器在所述电弧腔室中被取向成使重力将所述掺杂物材料保持在所述靶容纳器中，所述靶容纳器经过所述多个壁中的一者进入所述电弧腔室，所述靶容纳器具有其中所述腔囊位于所述电弧腔室之外的第一位置及其中所述腔囊的至少一部分设置在所述电弧腔室中的第二位置。在某些实施例中，所述离子源包括致动器，所述致动器与所述靶容纳器连通，以将所述靶容纳器从所述第一位置移动到所述第二位置。在一些实施例中，所述腔囊包括底表面、多个侧壁及开放的顶部。在另一些实施例中，套管设置在所述靶容纳器之上以覆盖所述开放的顶部的至少一部分。在另一些实施例中，套管环绕所述靶容纳器的一部分以覆盖所述开放的顶部的至少一部分。在一些实施例中，所述靶容纳器包括封闭的腔囊。在又一些实施例中，所述靶容纳器包括从所述封闭的腔囊到所述靶容纳器的外部的管道。在另一些实施例中，所述靶容纳器是由多孔材料制成。在另一些实施例中，所述靶容纳器包括可移除的密封件，以使得进入所述封闭的腔囊。在一些实施例中，所述靶容纳器包括加热元件。在某些实施例中，所述靶容纳器相对于所述电弧腔室被施加电偏压。
根据另一实施例，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：电弧腔室，包括连接第一端与第二端的多个壁；间接加热式阴极，设置在所述电弧腔室的第一端上；以及靶容纳器，具有用于容纳掺杂物材料的腔囊，所述靶容纳器设置在第二端处，所述靶容纳器具有其中所述腔囊的至少一部分设置在所述电弧腔室中的第一位置及其中所述腔囊设置在所述电弧腔室之外的第二位置。在某些实施例中，当所述靶容纳器位于所述第二位置上时，所述靶容纳器的顶表面用作所述电弧腔室的第二端。在一些实施例中，所述离子源包括致动器，所述致动器与所述靶容纳器连通以将所述靶容纳器从所述第一位置移动到所述第二位置。在某些实施例中，所述腔囊包括底表面、多个侧壁及开放的顶部。
根据另一实施例，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：壳体；电弧腔室，包括连接第一端与第二端的多个壁；间接加热式阴极，设置在所述电弧腔室的第一端上；靶容纳器，具有用于容纳掺杂物材料的腔囊，所述靶容纳器进入所述电弧腔室；以及致动器，与所述壳体及所述靶容纳器连通，其中所述靶容纳器具有其中所述腔囊的至少一部分设置在所述电弧腔室中的第一位置及其中所述腔囊设置在所述电弧腔室之外的第二位置。在某些实施例中，所述靶容纳器经过所述多个壁中的一者进入所述电弧腔室。在某些实施例中，所述靶容纳器设置在第二端处。在一些实施例中，所述离子源包括第三位置，在所述靶容纳器处于第三位置时，所述腔囊设置在所述电弧腔室之外且所述靶容纳器与所述电弧腔室热连通，从而使得所述掺杂物材料汽化。
根据另一实施例，公开一种使用上述间接加热式阴极离子源将不同的掺杂物离子化的方法。所述方法包括：将固态形式的掺杂物设置到所述靶容纳器的腔囊中；引入气体并将所述气体离子化以形成等离子体；致动所述致动器以将所述腔囊设置在所述电弧腔室中；从所述间接加热式阴极离子源抽取包含所述掺杂物的离子；将所述致动器缩回以将所述腔囊设置在所述电弧腔室之外；在所述电弧腔室中引入包含第二掺杂物的第二气体并将所述第二气体离子化；以及从所述间接加热式阴极离子源抽取包含所述第二掺杂物的离子。
附图说明
为更好地理解本公开，请参照附图，这些附图并入本文供参考，且在所述附图中：
图1A是根据一个实施例的具有可插入式靶容纳器的间接加热式阴极(IHC)离子源。
图1B是根据一个实施例的具有可插入式靶容纳器的间接加热式阴极(IHC)离子源。
图2是其中可插入式靶容纳器被缩回的图1A的IHC离子源。
图3A到图3C示出图1A到图1B的可插入式靶容纳器的三个视图。
图4是根据另一实施例的具有可插入式靶容纳器的间接加热式阴极(IHC)离子源。
图5是其中可插入式靶容纳器被缩回的图4的IHC离子源。
图6A到图6D示出可用于任何实施例的各种靶容纳器。
图7示出操作本文所述IHC离子源的方法。
图8A到图8B示出具有套管的可插入式靶容纳器的另一实施例。
具体实施方式
如上所述，具有低熔点的固态掺杂物材料易于变成液体、滴落且当液体在电弧腔室中流动及聚集时使电弧腔室劣化。
图1A示出具有会克服这些问题的靶容纳器的IHC离子源10。IHC离子源10包括：电弧腔室100，包括两个相对的端；以及壁101，连接到这些端。电弧腔室100的壁101可由导电材料构成且可彼此电连通。在一些实施例中，靠近壁101中的一者或多者可设置有衬里(liner)。在电弧腔室100中在电弧腔室100的第一端104处设置有阴极110。在阴极110的后面设置有灯丝160。灯丝160与灯丝电源165连通。灯丝电源165被配置成使电流经过灯丝160，从而使灯丝160发射热离电子。阴极偏压电源115相对于阴极110对灯丝160施加负偏压，因此这些热离电子从灯丝160朝阴极110加速且当这些热离电子撞击阴极110的后表面时对阴极110加热。阴极偏压电源115可对灯丝160施加偏压，从而使灯丝160具有比阴极110的电压负例如200V到1500V之间的电压。阴极110然后在其前表面上向电弧腔室100中发射热离电子。
因此，灯丝电源165向灯丝160供应电流。阴极偏压电源115对灯丝160施加偏压以使灯丝160相对于阴极110为负，从而从灯丝160朝阴极110吸引电子。在某些实施例中，可例如由偏压电源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的壁101相同的电压。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的壁101。在某些实施例中，电弧腔室100连接到地电位。
在与第一端104相对的第二端105上，可设置有排斥极120。可通过排斥极偏压电源123相对于电弧腔室100对排斥极120施加偏压。在其他实施例中，排斥极120可电连接到电弧腔室100，以处于与电弧腔室100的壁101相同的电压。在这些实施例中，可不采用排斥极偏压电源123且排斥极120可电连接到电弧腔室100的壁101。在再一些其他实施例中，则不采用排斥极120。
阴极110及排斥极120各自由导电材料(例如，金属或石墨)制成。
在某些实施例中，在电弧腔室100中产生磁场。此磁场旨在沿着一个方向限制电子。磁场通常平行于壁101从第一端104延伸到第二端105。举例来说，电子可被限制在与从阴极110到排斥极120的方向(即y方向)平行的柱中。因此，电子不会经受任何电磁力而在y方向上移动。然而，电子在其他方向上的移动可能会经受电磁力。
在电弧腔室100的一个侧(被称为抽取板103)上可设置有抽取孔140。在图1A中，抽取孔140设置在平行于Y-Z平面(垂直于页面)的侧上。此外，IHC离子源10还包括气体入口106，要被离子化的气体可通过气体入口106被引入到电弧腔室100。
在某些实施例中，在电弧腔室100的各自相对的壁101上可设置有第一电极及第二电极，使得第一电极及第二电极在电弧腔室100内位于与抽取板103相邻的壁上。第一电极及第二电极可分别由各自的电源施加偏压。在某些实施例中，第一电极及第二电极可与共用电源连通。然而，在其他实施例中，为了使对IHC离子源10的输出进行调谐的灵活性及能力最大化，第一电极可与第一电极电源连通，且第二电极可与第二电极电源连通。
控制器180可与电源中的一者或多者连通，使得可对由这些电源供应的电压或电流进行修改。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、或另一种合适的处理单元。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、或另一种合适的存储器。这种非暂时性存储元件可包含使控制器180执行本文所述功能的指令及其他数据。
IHC离子源10还包括可插入到电弧腔室100中且从电弧腔室100缩回的靶容纳器190。在图1A的实施例中，靶容纳器190沿着电弧腔室100的壁101中的一者进入电弧腔室。在某些实施例中，靶容纳器190可在第一端104与第二端105之间的中间平面(midplane)处进入电弧腔室100。在另一实施例中，靶容纳器190可在不同于中间平面的位置处进入电弧腔室100。在图1A所示的实施例中，靶容纳器190经过与抽取孔140相对的侧进入电弧腔室100。然而，在其他实施例中，靶容纳器190可经过与抽取板103相邻的侧进入。
靶容纳器190具有空腔或腔囊191，掺杂物材料195可设置在空腔或腔囊191中。腔囊191可具有底表面及从底表面向上延伸的侧壁。在某些实施例中，侧壁可为垂直的。在其他实施例中，侧壁可从底表面向外倾斜。在一些实施例中，侧壁与底表面在圆形边缘处交汇。底表面与侧壁形成在底部处封闭的空腔。换句话说，非常像传统的杯子，掺杂物材料195通过开放的顶部被插入或移除，而侧壁与底表面形成使掺杂物材料195无法从中出来的密封结构。在另一实施例中，腔囊191可不包括底表面。确切地说，侧壁可一起逐渐缩小且在底部处的点处交汇。在再一实施例中，腔囊191可为半球形的。
掺杂物材料195(例如，铟、铝、锑或镓)可设置在靶容纳器190的腔囊191内。掺杂物材料195在放置在腔囊191中时可为固态形式。这可为材料块、锉屑(filing)、刨片(shaving)、球、或其他形状的形式。在某些实施例中，掺杂物材料195可熔化并变成液体。因此，在某些实施例中，靶容纳器190被配置成进入电弧腔室100，使得开口端朝上且密封的底部朝下，从而使熔化的掺杂物材料195无法从靶容纳器190流入到电弧腔室100中而是保持在靶容纳器190中。换句话说，IHC离子源10及靶容纳器190被取向成使得掺杂物材料195通过重力保持在腔囊191内。
在操作期间，灯丝电源165使电流经过灯丝160，这使得灯丝160发射热离电子。这些电子撞击阴极110的后表面(阴极110可相对于灯丝160为正)，从而使阴极110发热，这继而使阴极110向电弧腔室100中发射电子。这些电子与通过气体入口106馈入到电弧腔室100中的气体的分子碰撞。可通过被适当定位的气体入口106将例如氩气等载气(carrier gas)或例如氟气等刻蚀气体引入到电弧腔室100中。来自阴极110的电子、气体及正电势的组合形成等离子体。在某些实施例中，电子及正离子可在某种程度上受到磁场限制。在某些实施例中，等离子体被限制到电弧腔室100的中心附近、靠近抽取孔140。等离子体的化学刻蚀或溅镀将掺杂物材料195转变成气相且造成离子化。然后可通过抽取孔140抽取经离子化的进料(feed material)并使用经离子化的进料来制备离子束。
由于等离子体维持在相对于靶容纳器190为正的电压下，因而被溅镀或以其他方式从掺杂物材料195释放的负离子及中性原子被朝等离子体吸引。
在某些实施例中，由于等离子体形成的热量，掺杂物材料195被加热及汽化。然而，在其他实施例中，还可通过其他方式加热掺杂物材料195。举例来说，可将加热元件设置在靶容纳器190内以进一步加热掺杂物材料195。加热元件可为电阻加热元件、或者某种其他类型的加热器。
在某些实施例中，靶容纳器190可由导电材料制成且可被接地。在不同的实施例中，靶容纳器190可由导电材料制成且可为电浮动的(electrically floated)。在不同的实施例中，靶容纳器190可由导电材料制成且可维持在与壁101相同的电压。在其他实施例中，靶容纳器190可由绝缘材料制成。
在再一实施例中，靶容纳器190可相对于电弧腔室100被施加电偏压。举例来说，靶容纳器190可由导电材料制成且可由独立的电源(未示出)施加偏压以处于与壁101不同的电压。此电压可相对于施加到壁101的电压为正或为负。这样一来，可使用电偏压来溅镀掺杂物材料195。
靶容纳器190与致动器200的一端连通。致动器200的相对的端可与支撑件210连通。在某些实施例中，此支撑件210可为IHC离子源10的壳体。在某些实施例中，致动器200可能够改变其总位移。举例来说，致动器200可为伸缩式设计。
图1A示出其中阴极110设置在电弧腔室100的面对腔囊191的开口端的第一端104上的IHC离子源10。然而，也可具有其他实施例。
图1B示出其中阴极110设置在电弧腔室901的第二端105上的离子源900。与图1A所示组件具有相同功能的组件被赋予相同的参考标号。此第二端105是面对腔囊191的密封的底部的端。
图1B的实施例可降低腔囊191中掺杂物材料195的操作温度。在一些实施例中，腔囊191的直接暴露到阴极110的部分可处于比腔囊191的暴露到排斥极120的部分高的温度。通过交换阴极110与排斥极120相对于腔囊191的位置，腔囊191的开口端现在面对可处于比阴极110低的温度的排斥极120。在某些实施例中，降低掺杂物材料195的操作温度可降低掺杂物材料195向电弧腔室中的汽化速率，从而降低掺杂物材料195的消耗速率。这可增加腔囊191中掺杂物材料195的后续再填充之间的时间。
图2示出其中致动器200处于缩回位置的图1A的IHC离子源10。在这个位置上，腔囊191完全位于电弧腔室100之外。在某些实施例中，当腔囊191位于电弧腔室100之外时，掺杂物材料195冷却。这样一来，当致动器200处于缩回位置时，没有掺杂物材料195进入电弧腔室。
尽管图1A及图1B示出腔囊191完全位于电弧腔室100内且图2示出腔囊191完全位于电弧腔室100之外，但其他位置也是可能的。通过控制靶容纳器190插入到电弧腔室100中的距离，可控制靶容纳器190及掺杂物材料195的温度。此外，控制靶容纳器190插入到电弧腔室100中的距离还会决定暴露到电弧腔室100并被刻蚀的掺杂物材料195的表面积。
这些因素可决定从掺杂物材料195获得的掺杂物束电流的量。此外，如果将靶容纳器190完全缩回，则掺杂物束电流可变为零。这使得其他掺杂物物质能够被用于IHC离子源10中，而不存在任何交叉污染的风险。换句话说，当将致动器200缩回时，可通过气体入口106引入不同的掺杂物物质并将所述不同的掺杂物物质离子化，而不会受到设置在腔囊191中的掺杂物材料195的污染。
在某些实施例中，可将靶容纳器190不插入到电弧腔室100中，而是可将靶容纳器190定位成足够靠近电弧腔室100，从而使掺杂物材料195被加热且使蒸汽进入电弧腔室100。举例来说，靶容纳器190可由具有高的导热性的材料制成。这样一来，如果靶容纳器190靠近电弧腔室100，则即使当靶容纳器190缩回时，来自等离子体的热量也会传递到掺杂物材料195且汽化的掺杂物材料可进入电弧腔室100，如图2中所示。
在此实施例中，可存在其中靶容纳器190仍然与电弧腔室100热连通且掺杂物材料195被汽化的第一缩回位置。还可存在其中靶容纳器190移动得进一步远离电弧腔室100而使得掺杂物材料195不被汽化的第二缩回位置。在此第二缩回位置上，可将不同的掺杂物引入到电弧腔室中而不存在交叉污染的风险。
换句话说，在某些实施例中，靶容纳器190可设置在至少三个不同的位置：其中腔囊191的至少一部分设置在电弧腔室100内的第一位置；其中腔囊191设置在电弧腔室100之外的第二位置；以及其中腔囊191设置在电弧腔室100之外、但仍然与电弧腔室100热连通以使掺杂物材料195汽化的第三位置。
图3A到图3C更详细地示出靶容纳器190。图3A示出靶容纳器190的透视图。图3B示出沿着平行于X-Y平面的平面截取的剖视图。图3C示出沿着平行于Y-Z平面的平面截取的剖视图。
靶容纳器190的材料被选择成能够承受电弧腔室100内的高温。此外，所述材料可与液体相容。所述材料还可至少与掺杂物材料195一样耐受刻蚀及溅镀。拥有这些特性的一些材料包括难熔金属(例如钨、钽及钼)以及陶瓷(例如，氧化铝及石墨)。
另外，在某些实施例中，掺杂物材料195可具有比靶容纳器190大的热膨胀系数。因此，掺杂物材料195在熔化之前可能在体积上膨胀，从而在腔囊191的侧壁上施加机械应力，且可能使靶容纳器190开裂或破碎。因此，在某些实施例中，靶容纳器190的侧壁被设计成使来自热膨胀的应力最小化且移除任何高应力拐点，例如尖的隅角或边缘。还可修改及优化侧壁的模锻斜度(draft angle)，以引导通过膨胀引起的热应力。模锻斜度在图3C中看得最清楚。
图4示出其中靶容纳器用作电弧腔室100的第二端的另一实施例。与图1A中所示的组件具有相同功能的组件已被赋予相同的参考标号。
在此实施例中，靶容纳器300具有空腔或腔囊310，掺杂物材料195可设置在空腔或腔囊310中。在此实施例中，靶容纳器300与致动器200的一端连通。致动器200的相对的端可与支撑件210(例如，IHC离子源10的壳体)连通。
图5示出其中致动器200被缩回的图4的实施例。在这种构形中，靶容纳器300的顶表面301变成电弧腔室100的第二端。腔囊310在缩回位置上位于电弧腔室100之外。这使得能够在不暴露固态掺杂物材料195的情况下操作其他物质。
图4到图5的实施例还可使得靶容纳器300本身的大小及结构具有更大的灵活性。此实施例还可使得电弧腔室100的构造具有更大的灵活性。此实施例还可在掺杂物材料195与等离子体之间提供更直接的相互作用。
尽管图1A到图2及图4到图5示出具有特定形状的腔囊191的靶容纳器190，然而，本公开并不仅限于此种配置。图6A示出在图1A到图2及图4到图5中使用的靶容纳器190。
图6B示出具有封闭的腔囊401的靶容纳器400。靶容纳器400在其顶表面上具有将外部环境连接到封闭的腔囊401的管道403。可移除的密封件402形成封闭的腔囊401的一个表面。为了将掺杂物材料引入到封闭的腔囊401中，移除可移除的密封件402。然后将掺杂物材料引入到封闭的腔囊401中。然后更换可移除的密封件402。将靶容纳器400引入到电弧腔室100中，以使得管道403位于顶表面处或顶表面附近。在此实施例中，掺杂物材料在封闭的腔囊401内熔化。随着温度升高，掺杂物材料可汽化或升华。这可使得能够使用惰性气体(例如氩气)，而不是通常用于对这些固态靶材料进行刻蚀的氟化气体。由于能够运行氩等离子体而不是氟化等离子体，可得到更长的源寿命及更大的稳定性。
图6C示出具有封闭的腔囊411的靶容纳器410。与图6B的实施例不同，此靶容纳器410不具有管道。而是，靶容纳器410可由多孔材料(例如多孔钨)构造而成。如图6B的实施例一样，靶容纳器410具有可移除的密封件412，掺杂物材料可通过可移除的密封件412来引入。
图6D示出靶容纳器420的另一实施例。在此实施例中，腔囊421可为更呈圆锥形的。举例来说，腔囊421可为截锥形。这种形状可有助于适应掺杂物材料的热膨胀系数与靶容纳器420的热膨胀系数的差异。
由于靶容纳器190与致动器200连通，因此可利用IHC离子源10从固态掺杂物抽取离子，且还可利用IHC离子源10从原料气(feedgas)抽取离子。
图7示出IHC离子源10的操作的流程图。此种方法可用于图1A到图2中所示的IHC离子源或图4到图5中所示的IHC离子源。首先，如过程700中所示，将固态掺杂物材料放置在靶容纳器190的腔囊191中。通过气体入口106将气体引入到电弧腔室100中且将气体离子化以形成等离子体，如过程710中所示。使用的气体可为惰性气体(例如氩气)、或者可为卤素气体。然后移动靶容纳器190以使腔囊191的至少一部分设置在电弧腔室100内，如过程720中所示。这两个过程可以相反的次序执行。等离子体使固态掺杂物升华或溅镀，从而形成掺杂物的离子。然后从电弧腔室100抽取这些包含掺杂物的离子，如过程730中所示。
随后，如过程740中所示，将靶容纳器190从电弧腔室缩回以使得腔囊设置在电弧腔室100之外。然后将包含第二掺杂物的新气体引入到电弧腔室100且将新气体离子化成等离子体，如过程750中所示。由于腔囊191现在位于电弧腔室之外，因此不存在来自固态掺杂物的污染。然后从电弧腔室100抽取包含第二掺杂物的离子，如过程760中所示。
另外，靶容纳器可被配置成具有套管。图8A到图8B示出具有套管830的靶容纳器800的另一实施例。如其他实施例一样，靶容纳器800可与致动器200连通。靶容纳器800还可具有腔囊810。如上所述，腔囊810可具有底表面及从底表面向上延伸的侧壁。在某些实施例中，侧壁可为垂直的。在其他实施例中，侧壁可从底表面向外倾斜。在一些实施例中，侧壁与底表面在圆形边缘处交汇。底表面与侧壁形成在底部处封闭的空腔或腔囊810。换句话说，非常像传统的杯子，掺杂物材料195通过开放的顶部被插入或移除，而侧壁及底表面形成掺杂物材料195无法从中出来的密封结构。在另一实施例中，腔囊810可不包括底表面。而是，侧壁可一起逐渐减小且在底部处的点处交汇。在再一实施例中，腔囊810可为半球形的。
套管830可用于覆盖腔囊810的一部分。套管830的材料可被选择成能够承受电弧腔室内的高温。此外，材料可与液体相容。所述材料还可至少与掺杂物材料195一样耐受刻蚀及溅镀。拥有这些特性的一些材料包括难熔金属(例如钨、钽及钼)以及陶瓷(例如，氧化铝及石墨)。
套管830可包围整个靶容纳器800，或者可仅覆盖靶容纳器800的一部分。举例来说，如图8A到图8B中所示，套管830可被确定成尺寸适于在靶容纳器800之上滑动。套管830覆盖腔囊810的一部分。在某些实施例中，套管830可被配置成滑动以覆盖腔囊810的不同部分。在其他实施例中，每一套管830被设计成覆盖腔囊810的特定比例。举例来说，在图8A中，套管830被设计成覆盖腔囊810的近似90％。在图8B中，套管830被设计成覆盖腔囊810的大约80％。因此，在某些实施例中，套管830的长度是变化的以覆盖腔囊810的预定比例。
在图8A到图8B中所示的一个实施例中，靶容纳器800的横截面可为大致圆形的，以使得套管830可为在靶容纳器800之上滑动的空心环。当然，靶容纳器800及套管830还可具有其他形状。
在另一实施例中，套管830可为C形部件，其中套管830仅环绕靶容纳器800的一部分。此套管可被配置成覆盖腔囊810的不同量。举例来说，C形套管可在轴向上滑动或者绕靶容纳器800旋转。在另一实施例中，可调节套管的大小。举例来说，可将C形套管制作成比腔囊810短。作为另外一种选择，可调节C形套管的宽度。注意，当靶容纳器800的横截面是圆形时使用C形套管。如果靶容纳器800的横截面具有不同的形状，则可将套管的形状修改成与靶容纳器800一致。
此外，在某些实施例中，套管830可由夹具840固持在适当位置。
套管830会减小可供来自掺杂物材料195的蒸汽从腔囊810逸出到电弧腔室中的开口的面积。减小供蒸汽从腔囊810逸出的面积会减少掺杂物材料的通过沉积在电弧腔室的壁及电弧腔室中的其他组件上而被浪费的量。这种面积的减小可帮助减少掺杂物材料195的消耗且增加掺杂物材料195的后续再填充之间的时间。
套管830还可通过使用热反射材料或者将朝外的表面修改成热反射性的而被配置成充当隔热罩(heat shield)。在此实施例中，套管830将反射来自阴极及电弧腔室的热辐射且降低靶容纳器190及掺杂物材料195的温度。
此靶容纳器800可与图1A到图1B的IHC离子源一起使用。
尽管图中示出腔囊810的开放的顶部朝上，但也可具有其他实施例。举例来说，腔囊810的开放的顶部可设置在靶容纳器800的朝电弧腔室的侧面或朝电弧腔室的底部的表面上。腔囊810还可具有连接腔囊810的内部与靶容纳器800的外部的管道。举例来说，这种管道可设置在靶容纳器800的端部上或者靶容纳器800的不同的侧上。在此实施例中，套管830可用于覆盖腔囊810的开放的顶部，以将掺杂物材料保持在靶容纳器800中。来自掺杂物材料的蒸汽通过管道离开腔囊810。注意，即使开放的顶部不朝上，靶容纳器800也仍被取向成使重力将掺杂物材料保持在靶容纳器中。
本申请中的上述实施例可具有许多优点。使用可插入式靶容纳器使得能够将纯金属掺杂物在超过其熔化温度的环境中用作溅镀靶。传统上，使用氧化物/陶瓷或其它包含熔化温度高于1200℃的掺杂物的固态化合物。使用含掺杂物的化合物而不是纯材料会严重稀释可用的掺杂物材料。举例来说，当使用Al2O3作为纯铝的替代物时，陶瓷组合物的化学计量不仅将杂质引入到等离子体中(这可能会引入与感兴趣的掺杂物的不期望的质量重合(mass coincidence))，而且会导致束电流比纯元素靶低。在一个实验中，使用纯Al溅镀靶获得了高达4.7mA的束电流，而使用Al2O3靶则可获得小于2mA的最大束电流。与从相同金属物质的氧化物/陶瓷获得的束电流相比，使用纯金属还会使多电荷束电流增加50％到75％。通过使用可插入式容纳器，当需要时可取用大量的纯金属且可安全地将固态靶从电弧腔室移除以利用其他物质。
固态靶掺杂物的另一优点是其比汽化器物质(vaporizer species)具有更优异的调谐时间(tune time)。从冷启动开始，调谐时间比汽化器快。另外，当从单电荷物质调谐到多电荷物质时，固态靶掺杂物实现更快的调谐时间。
此外，另一优点是固态材料可容易从电弧腔室移除。这使得电弧腔室能够用于其他掺杂物及化学物质而不存在交叉污染的风险。
另外，对于各种金属掺杂物(例如镧、铟、铝及镓)，可实现更高的束电流。另外，使用固态溅镀靶而不是汽化器物质存在电荷寿命优势。另外，对于一些液态金属，如果蒸汽压力足够低，则掺杂物材料可直接升华，从而不再需要对掺杂物进行刻蚀。相反，可使用少量氩气来对电弧腔室中的等离子体进行初始化及稳定。
本公开的范围不受本文所述特定实施例限制。实际上，通过阅读前述说明及附图，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以外的本公开的其他各种实施例及对本公开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公开的范围内。此外，尽管本文中已在用于特定目的的特定环境中的特定实施方式的上下文中阐述了本公开，但所属领域中的普通技术人员应认识到，其有效性并不仅限于此且本公开可出于任意数目的目的而有益地实施在任意数目的环境中。因此，以上提出的权利要求应根据本文所述本公开的全部广度及精神来加以解释。

Claims (9)

1.一种间接加热式阴极离子源，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壁；
间接加热式阴极，设置在所述电弧腔室的所述第一端上；以及
靶容纳器，具有用于容纳掺杂物材料的封闭的腔囊，使得所述掺杂物材料不暴露于电弧腔室中产生的等离子体，其中所述靶容纳器在所述电弧腔室中被取向成使重力将所述掺杂物材料保持在所述靶容纳器中，所述靶容纳器经过所述多个壁中的一者进入所述电弧腔室，所述靶容纳器具有其中所述封闭的腔囊位于所述电弧腔室之外的第一位置及其中所述封闭的腔囊的至少一部分设置在所述电弧腔室中的第二位置，使得所述等离子体加热所述封闭的腔囊中的所述掺杂物材料。
2.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其中所述靶容纳器还包括从所述封闭的腔囊到所述靶容纳器的外部的管道，使得在所述第二位置上，所述管道从所述封闭的腔囊通向所述电弧腔室的内部。
3.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其中所述靶容纳器是由多孔材料制成，使得汽化或升华的所述掺杂物材料穿过所述多孔材料并进入所述电弧腔室。
4.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其中所述靶容纳器包括加热元件。
5.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其中所述靶容纳器相对于所述电弧腔室被施加电偏压。
6.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，还包括致动器，所述致动器与所述靶容纳器连通以将所述靶容纳器从所述第一位置移动到所述第二位置。
7.一种间接加热式阴极离子源，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壁；
间接加热式阴极，设置在所述电弧腔室的所述第一端上；以及
靶容纳器，具有顶表面以及用于容纳掺杂物材料的腔囊，所述靶容纳器设置在所述第二端处，所述靶容纳器具有其中所述腔囊的至少一部分设置在所述电弧腔室中的第一位置及其中所述腔囊设置在所述电弧腔室之外的第二位置，其中在所述第二位置上，所述靶容纳器的所述顶表面用作所述电弧腔室的所述第二端。
8.根据权利要求7所述的间接加热式阴极离子源，还包括致动器，所述致动器与所述靶容纳器连通以将所述靶容纳器从所述第一位置移动到所述第二位置。
9.一种将不同的掺杂物离子化的方法，所述方法使用根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其中所述间接加热式阴极离子源还包括致动器，所述致动器与靶容纳器连通以将所述靶容纳器从第一位置移动到第二位置，
所述方法包括：
将固态形式的掺杂物设置到所述靶容纳器的封闭的腔囊中；
引入气体并将所述气体离子化以形成等离子体；
致动致动器以将所述封闭的腔囊设置在电弧腔室中；
从所述间接加热式阴极离子源抽取包含所述掺杂物的离子；
将所述致动器缩回以将所述封闭的腔囊设置在所述电弧腔室之外；
在所述电弧腔室中引入包含第二掺杂物的第二气体并将所述第二气体离子化；以及
从所述间接加热式阴极离子源抽取包含所述第二掺杂物的离子。
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