CN113632197B - 液态金属离子源 - Google Patents

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Abstract

离子源配置成形成离子束并且具有电弧室，电弧室围封电弧室环境。储集器装置可以配置为推斥极并且向电弧室环境提供液态金属。偏置电源相对于电弧室对储集器装置进行电偏置，以使液态金属在电弧室环境中蒸发形成等离子体。储集器装置具有杯体和封盖，杯体和封盖限定用于液态金属的储集器环境，储集器环境通过封盖中的孔与电弧室环境流体联接。部件从杯体延伸到储集器中并接触液态金属，以通过毛细作用将液态金属朝向电弧室环境馈送。结构、表面积、粗糙度和材料改变毛细作用。该部件可以是延伸到液态金属中的环形圈、杆或管。

Description

液态金属离子源
相关申请的引用
本申请要求2019年3月22日提交的名称为“Liquid Metal Ion Source”的美国临时申请62/822,313的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及离子注入系统，更具体地涉及用于为离子源提供源材料的装置、系统和方法。
背景技术
对使用金属离子的离子注入物的需求日益增加。例如，铝注入对于电力器件市场很重要，电力器件市场是一个很小但增长非常快的市场部分。对于许多金属(包括铝)，向离子源供应馈料是有问题的。虽然可以使用含有铝或其它金属的气体分子，但金属原子往往附着于碳和/或氢，这会导致离子源出现问题。先前已经提供了利用蒸发器的系统，该蒸发器是位于离子源的电弧室外部的小烘箱，由此金属盐被加热以产生足够的蒸气压以将蒸气供应到离子源。然而，烘箱远离电弧室并且需要时间来加热到期望的温度、产生蒸气流、启动等离子体、启动离子束等。此外，如果需要从一种金属物质改变为一些其他物质，则需要花费时间等待烘箱充分冷却以用于物质的这种改变。
另一常规技术是在电弧室内放置诸如铝或另一金属的含金属材料。对于铝，含金属材料可以包括氧化铝、氟化铝或氮化铝，所有这些都可以承受等离子体室的大约800℃的温度。在这种系统中，离子直接从等离子体中的材料溅射出来。另一种技术是使用含有诸如氟的蚀刻剂的等离子体来实现金属的化学蚀刻。虽然可以使用这些不同的技术获得可接受的射束电流，但是氧化铝、氯化铝和氮化铝的化合物(所有这些都是良好的电绝缘体)往往会在相对短的时间内(例如，5-10小时)沉积在与离子源相邻的电极上。因此，可以看到各种不利影响，例如高电压不稳定性和被注入的离子剂量的相关变化。
发明内容
本公开的各方面促进了用于增加离子注入系统的离子源在预防性维护周期之间的使用时长的离子注入工艺，从而增加离子注入系统的总体生产率和寿命。
根据一个示例，提供了一种离子源，其配置成形成离子束，其中，离子源包括电弧室，电弧室大体上围封电弧室环境。还提供了储集器装置，其配置成向电弧室环境提供液态金属。一偏置电源还配置成使储集器装置相对于电弧室而电偏置。储集器装置例如包括杯体，该杯体配置成在其中大体上容纳液态金属。例如，杯体配置成通过重力在其中大体上容纳液态金属。
在一个示例性方面中，储集器装置还包括封盖，其中，封盖选择性地与杯体接合并且大体上围封储集器装置的顶部部分，在顶部部分中限定与液态金属相关联的储集器环境。例如，液态金属驻留于储集器环境中，其中，储集器装置还配置成选择性地蒸发其中的液态金属的至少一部分。例如，储集器装置配置成通过经由热源选择性地加热引入装置来选择性地蒸发液态金属的至少一部分。
在一个示例中，热源包括以下中的一者或多者：在电弧室内产生的等离子体、与来自撞击储集器装置的等离子体的离子相关联的能量、辅助加热器。
在另一示例方面中，封盖包括限定于其中的一个或多个孔，其中，该一个或多个孔提供储集器环境与电弧室环境之间的流体连通。在一个示例中，封盖还包括延伸到储集器中的一个或多个部件，其中，该一个或多个部件配置成接触储集器内的液态金属并且通过毛细作用将液态金属朝向电弧室环境馈送。例如，该一个或多个部件包括以下中的一者或多者：配置成提供毛细作用的表面材料、表面粗糙度、预定表面积。在另一示例中，该一个或多个部件包括以下中的一者或多者：从封盖延伸到储集器中的环形部件、从储集器向封盖延伸的储集器部件、从封盖的中心部分延伸到储集器内的液态金属中的细长部件。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于形成离子束的电弧室，其中，电弧室包括大体上围封电弧室环境的壳体。在电弧室环境内，例如设置有储集器装置，其中，储集器装置配置成在电弧室环境中容纳液态金属。进一步地，提供了偏置电源，其配置成使储集器装置电偏置并且在电弧室环境内形成等离子体。
在一个示例中，储集器装置包括杯体和封盖，其中，杯体配置成在其中至少部分地容纳液态金属，其中，封盖选择性地与杯体接合并且大体上围封储集器装置的顶部部分，在顶部部分中限定与液态金属相关联的储集器环境。液态金属例如驻留于储集器环境中，其中，储集器装置还配置成选择性地蒸发其中的液态金属的至少一部分。
在另一示例中，储集器装置配置成通过经由热源选择性地加热储集器装置来选择性地蒸发液态金属的至少一部分，其中，热源包括产生于电弧室内的等离子体、与离子束相关联的能量以及辅助加热器中的一者或多者。
例如，封盖可以在其中包括一个或多个孔，其中，该一个或多个孔提供储集器环境与电弧室环境之间的流体连通，并且，该一个或多个孔具有一个或多个直径，并且，该一个或多个孔被定向成使得电弧室中的等离子体不与储集器中的液态金属直接接触。
在另一示例中，封盖还可以包括延伸到杯体中的一个或多个部件，其中，该一个或多个部件配置成接触储集器内的液态金属并且通过毛细作用将液态金属朝向电弧室环境馈送。例如，该一个或多个部件可以包括限定在封盖中的环形圈中的一个或多个，其中，环形唇缘从封盖的主要部分延伸到储集器内的液态金属中。在另一示例中，该一个或多个部件包括细长部件，该细长部件从封盖的主要部分延伸到储集器内的液态金属中。
在本公开的又一示例方面中，提供了一种用于形成离子束的方法，其中，将元素金属提供至电弧室的内部环境并且加热至液态。进一步蒸发元素金属并向元素金属供能以在电弧室内形成金属离子。
以上发明内容仅旨在给出本公开的一些实施例的一些特征的简要概述，其他实施例可以包括与上述特征相比附加的和/或不同的特征。特别地，该发明内容不应被解释为限制本申请的范围。因此，为了实现前述和相关的目的，本公开包括以下描述的以及在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本公开的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅是可以采用本公开的原理的各种方式中的一些方式。在结合附图理解本公开的以下具体实施方式时，本公开的其他目的、优点和新颖特征将变得明显。
附图说明
图1是根据本公开的几个方面的示例性真空系统的框图。
图2是根据本公开的一个示例的离子源的示意图。
图3A是根据本公开的各种示例的用于容纳液态金属的储集器装置的立体图。
图3B是根据本公开的各种示例的图3A的储集器装置的部分截面图。
图4是根据本发明的各种示例的离子源的电弧室的部分截面图。
图5A是根据本公开的各种示例的具有封盖的储集器装置的立体图。
图5B是根据本公开的各种示例的图5A的储集器装置的侧视图。
图5C是根据本公开的各种示例的图5A的储集器装置的截面图。
图6A是根据本公开的各种示例的具有封盖的另一储集器装置的立体图。
图6B是根据本公开的各种示例的图6A的储集器装置的侧视图。
图6C是根据本公开的各种示例的图6A的储集器装置的截面图。
图7A是根据本公开的各种示例的用于储集器装置的封盖的立体图。
图7B是根据本公开的各种示例的图7A的封盖的侧视图。
图7C是根据本公开的各种示例的图7A的封盖的截面图。
图8是示出根据本公开的另一示例的用于从液态金属源形成离子的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本发明大体上涉及与将离子注入到工件中相关联的各种装置、系统及方法。更具体地，本公开涉及一种离子源，该离子源配置成在电弧室内提供液态金属以从其中提取离子。
相应地，现参考附图描述本发明，其中，相同的附图标记可以始终用于指代相同的元件。应当理解，这些方面的描述仅仅是说明性的，不应被解释为具有限制意义。在以下描述中，出于解释说明的目的，阐述了许多具体细节以提供对本发明的全面理解。显然，对于本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。此外，本发明的范围不受下文参考附图描述的实施例或示例的限制，而仅由所附权利要求及其等同物的限制。
还应注意，提供附图是为了给出本发明的实施例的一些方面的说明，因此应被视为仅是示意性的。特别地，附图中所示的元件不一定彼此按比例绘制，并且附图中的各种元件的布置用于提供对相应实施例的清楚理解，而不应被解释为必然表示根据本发明的实施例的实施方式中各种组件的实际相对位置。此外，除非另有特别说明，否则本文描述的各种实施例和示例的特征可以彼此组合。
还应理解，在以下描述中，附图中所示或本文所述的功能块、设备、组件、电路元件或其他物理单元或功能单元之间的任何直接连接或耦合也可以通过间接连接或耦合来实现。此外，应当理解，附图中示出的功能块或单元在一个实施例中可以被实现为单独的特征或电路，而在另一个实施例中也可以或替选地完全或部分地实现在共同的特征或电路中。例如，几个功能块可以被实现为在诸如信号处理器等的公共处理器上运行的软件。还应理解，除非有相反说明，否则在以下说明书中描述为基于有线的任何连接也可以实现为无线通信。
在半导体器件的制造过程中，离子注入用于给半导体掺杂杂质。离子注入系统通常用于利用来自离子束的离子对诸如半导体晶片的工件进行掺杂，以便在集成电路的制造期间形成钝化层或产生n型或p型材料掺杂。这种射束处理通常用于：在集成电路的制造期间，以预定能级和受控浓度，利用特定掺杂材料的杂质对工件进行选择性地注入，以产生期望的半导体材料。例如，当用于对半导体晶片进行掺杂时，离子注入系统将选定的一种离子物质注入工件中以产生期望的非本征材料。例如，注入由锑、砷或磷等源材料产生的离子会产生“n型”非本征材料晶片，而“p型”非本征材料晶片通常由利用硼、镓或铟等源材料产生的离子产生。
离子注入机包括离子源、离子提取设备、质量分析设备、射束传输设备以及工件处理设备。离子源产生期望的原子或分子掺杂剂种类的离子。通过提取系统从离子源提取这些离子，该提取系统例如为一组电极，该电极激励和引导来自离子源的离子流，从而形成离子束。在质量分析设备(例如，对提取的离子束执行质量分散或分离的磁偶极子)中，期望的离子从离子束中分离。射束传输设备，例如包含一系列聚焦设备的真空系统，将离子束传输至工件处理设备，同时维持离子束的所需性质。最后，通过工件处理系统将诸如半导体晶片之类的工件传送至工件处理设备中以及从工件处理设备中传送出，工件处理系统可以包括一个或多个机械臂，用于将待处理的工件放置在离子束前以及将处理后的工件从离子注入机中移出。
举例来说，本公开提供优于常规离子源的优点，这种常规离子源使用铝或其他金属元素或化合物作为常规离子源内的溅射靶材或作为使用碘化铝、氯化铝或其他金属化合物的蒸发器中的馈料，其中，此类常规方法具有低射束电流并且将除所需掺杂剂之外的原子引入到了常规离子源内的等离子体中。
传统上，离子注入机用于注入各种各样的物质。如果可以使用气态前驱体，则通常优选这种前驱体，因为它们提供了物质之间的相对快速的切换，并且使电弧室内材料的沉积最小化，该材料的沉积在其它物质运行时会导致交叉污染。然而，对于一些材料，例如镓、铟和铝，通常不能获得便利的气态前驱体。在这种情况下，蒸发器系统用于向离子源供应包含靶材原子的蒸气。选择在大约100℃至800℃的温度下具有在大约1mTorr至1Torr的蒸气压的材料，并且材料通常在离子源的电弧室外部的烘箱中加热。烘箱通过喷嘴与电弧室连通，从而蒸气从烘箱流动到电弧室。然而，由于烘箱和喷嘴系统具有较高热质量以及较长稳定时间，这样的系统往往表现出较长的时间以在被蒸发的物质之间进行转换。
作为替代方案，含有原子的固体靶材可以放置于电弧室内部的推斥极端和/或于侧壁上，使得在电弧室内形成的等离子体将材料从固体靶材溅射到等离子体中。可以通过将含氟气体或其他反应性气体引入等离子体中来通过化学效应增强这种溅射。然而，可用材料的范围是有限的，因为它们应能承受电弧室中600℃至1000℃温度而不会熔化或升华。例如，大多数这样的材料，特别是对于技术上令人感兴趣的金属镓和铝，是氧化物、氟化物或氮化物。这些材料在与反应性气体组合时可能会导致绝缘化合物沉积在高压电极上，该高压电极用于提取和成形从离子源引出的离子束。这种沉积可导致离子源的寿命缩短以及高电压不稳定性。此外，即使在提取其他物质时，固体靶材也会暴露于等离子体，导致提取的射束污染和固体靶材的磨损。然而，本公开目前认识到在向等离子体提供纯的掺杂物质源以提供相对短的时间来开启和关闭离子源方面的优点。
根据本公开的一个方面，图1示出了示例性真空系统100。本示例中的真空系统100包括离子注入系统101，然而也可以考虑各种其他类型的真空系统，例如等离子体处理系统或其他半导体处理系统。例如，离子注入系统101包括终端102、束线组件104和终端站106。
一般来说，终端102中的离子源108耦合到电源110，由此源材料112(也称为掺杂材料)被供应到电弧室114并被离子化成多个离子以形成离子束116且经由提取孔隙117提取离子束116。本示例中的离子束116被引导穿过射束转向装置118(也称为源磁体)，并穿出孔隙120朝向终端站106。在终端站106中，离子束116轰击工件122(例如，半导体，例如硅晶片、显示面板等)，该工件被选择性地夹持或安装到卡盘124(例如，静电卡盘或ESC)。一旦嵌入到工件122的晶格中，注入的离子就会改变工件的物理和/或化学性质。因此，离子注入用于半导体器件制造和金属精加工，以及材料科学研究中的各种应用。
本公开的离子束116可以采用任何形式，例如铅笔形或点状射束、带状射束、扫描射束或使离子引导朝向终端站106的任何其他形式，所有这样的形式都被认为落入本公开的范围内。
根据一个示例性方面，终端站106包括处理室126，例如真空室128，其中，处理环境130与处理室相关联。处理环境130通常存在于处理室126内，并且在一个示例中，包括由真空源132(例如真空泵)产生的真空，真空源132耦合到处理室并且配置成基本上抽空处理室。此外，提供控制器134以用于对真空系统100及其部件的总体控制。
应当理解，本公开的装置可以实施于其它半导体处理设备中，例如CVD、PVD、MOCVD、蚀刻设备及各种其它半导体处理设备，所有这些实施方式都被认为落入本公开的范围内。本公开的装置有利地增加了离子源108在预防性维护周期之间的使用时长，因此增加了真空系统100的总体生产率和寿命。
例如，离子源108(也称为离子源室)可以使用难熔金属(W、Mo、Ta等)和石墨来构造，以提供合适的高温性能，由此这些材料被半导体芯片制造商普遍接受。根据本公开，源材料112包括或由金属(例如铝、镓、铟或其他金属)组成，该金属有利地以液态形式提供在离子源108内(例如在电弧室114中)。
例如，在图2中示意性地示出了离子源108的电弧室114，由此本公开的离子源可以配置成通过使用来自诸如铝、铟、镓、锑或其他金属的金属源材料136的蒸发来提供具有高射束电流的离子束116。金属源材料136在电弧室114内被加热以形成或以其他方式保持液态，从而限定液态金属138，其中，液态金属在电弧室内被进一步蒸发以形成等离子体140。例如，液态金属138可以直接暴露于其中形成等离子体140的电弧室环境142。替选地或另外地，本公开可以提供毛细作用以将液态金属138抽吸到等离子体140，在等离子体140中，液态金属138通过物理或化学作用结合到等离子体中，如下文进一步讨论的。例如，金属源材料136(例如液态金属138)可以保持或以其他方式包含或容纳在储集器装置144中。举例来说，储集器装置144包括限定于离子源108的推斥极148中的杯体146，由此杯体通过由推斥极电源152提供的偏置电压150(例如，0至500V)相对于电弧室114被负偏压。例如，偏置电压150(例如推斥极电源电压)可以响应于电弧电流、提取电流或用于控制目的的其他因素的变化而改变。图3A-3B示出了示例性储集器装置144，其中，金属源材料136可以包含在杯体146的凹槽154内。在一个示例中，图2的离子源108的电弧室114的几何形状设置成使得液态金属138通过重力保持在杯体146中并且在离子源108的操作期间不倾斜或溢出。
根据一个示例，通过改变偏置电压150、图1的源磁体118的输入参数和/或与图2的等离子体140相关联的其他参数，来自等离子体的电量可以被控制并被提供给液态金属138，从而将其温度升高到足以使蒸气压达到维持电弧室114内的等离子体。例如，可以可选地将支持气体156引入电弧室114以进一步维持等离子体140，其中，支持气体可以是惰性的(例如，氩)或者是可以与源材料136发生化学反应的(例如，氟、氯)。例如，偏置电压150还可以用于提供源材料136的直接溅射，例如通过支持气体156的轰击来提供。例如，支持气体156可以通过溅射材料进一步提高离子源108的效率，该溅射材料在一个或多个壁158(也称为侧壁)上冷凝，壁158大体上围封电弧室114并将溅射的材料转换回等离子体140。例如，偏置电压150可以由施加到离子源108的阴极162的电弧电压160(例如，0至150V)进一步提供、控制或增强，或者可以替选地由阴极电源164提供。
因此，本公开的储集器装置144(例如，坩埚)提供优于常规系统的优点，由此，举例来说，可以在与推斥极148相关联的推斥极位置166和离子源108的电弧室114的侧壁158中的一者或多者中设置储集器装置，其中，储集器装置配置成大体上保持或容纳上述液态金属138形式的源材料136。
图4示出了根据本公开的另一方面的电弧室114的另一示例。在图4所示的示例中，电弧室114内的储集器装置144还包括大体上覆盖杯体146的封盖168(也称为盖子)，其中，储集器装置位于电弧室的推斥极位置166中。例如，图4中所示的储集器装置144可以用作如上文参考图2所讨论的推斥极148，或者替选地，储集器装置可以在不耦合到电源的情况下实施，而仅位于电弧室114的推斥极位置166中。例如，图4的电弧室114可以有利地实现在由马萨诸塞州比佛利市的Axelis Technologies公司制造的“Purion”离子注入系统中，由此储集器装置144可以在垂直对准的离子源的底部垂直地定向。例如，封盖168包括一个或多个孔170，由此孔被配置和定向成使得图2的离子源108中的等离子体140不与保持在杯体146中的源材料136直接接触。
例如，附图5A-5C示出了储集器装置200，其中，该储集器装置可以以类似于储集器装置144的方式构造。图5A-5C的储集器装置200例如包括杯体202，杯体202具有可操作地耦接到其上的封盖204，其中，图5C所示的凹槽206被配置成大体上保持或约束图2所示的液态金属138(例如，最初为固体形式，诸如粉末形式的固态铝)。例如，图5A-5C的封盖204可以例如经由与杯体和封盖中的一个或多个相关联的一个或多个紧固部件208(例如，一个或多个槽、销、夹具等)，搁置在杯体202上或以其他方式固定到杯体202，从而大体上覆盖凹槽206。凹槽206可以具有变化的直径。储集器装置200例如可以填充有或以其他方式容纳处于液态的图2的一种或多种源材料136，由此该一种或多种源材料具有在由推斥极148所经历的温度(例如，大约800℃)下的低蒸气压(例如，<1mTorr)。同样，这样的材料例如可以包括但不限于铝、镓和铟。
例如，图5A至图5C的封盖204还可以包括限定在封盖中的一个或多个孔210，其中，该一个或多个孔配置成使凹槽206暴露于图2的电弧室环境142。例如，图5A-5C的封盖204中的一个或多个孔210的布局和构造可以被选择为任何数量、位置和尺寸，例如具有图5C中所示的一个或多个直径212，由此布局和构造可以基于可通过一个或多个孔传输的期望量的蒸气。储集器装置200例如可以配置成使得图2的金属源材料136大体上保持在液位214，这样液态金属138大体上将杯体202中的凹槽206填充至该液位。因此，例如，图5C中所示的在金属源材料136的液位214上方的空腔216可以配置成提供用于蒸气压的顶部空间，该蒸气压产生并随后扩散出封盖204上的一个或多个孔210从而形成图2的等离子体140。相应的杯体202和封盖204例如还配置成提供沿侧壁218、220的芯吸和/或空腔216内的蒸发。
在图6A-6C所示的另一示例中，示出了储集器装置300的另一示例，其中，储集器装置可以再次以类似于图2的储集器装置144的方式配置。例如，图6A-6C的储集器装置300可以实施为图2的推斥极148，由此金属源材料136被液化并随后转变为气相。例如，图6C的储集器装置300示出为包括杯体302和封盖304，其中，封盖包括一个或多个孔306。在图6C的示例中示出的一个或多个孔306进一步是成角度的。此外，封盖304例如包括延伸到杯体302的凹槽310中的一个或多个部件308。在图6C所示的示例中，一个或多个部件308延伸到图2的金属源材料136大体上维持的液位312以下，这样，该一个或多个部件延伸到液态金属138中。一个或多个部件308例如包括环形圈316。虽然未示出，但是环形圈或圆柱体316例如能够延伸到杯体302的底部318(或靠近底部)，并且可以可选地包括圆柱体中的径向孔(未示出)，使得当杯体中的液态金属的液位312降低时，继续与封盖进行接触以用于额外的毛细作用，如下文所讨论的。
再次，例如，图6C中所示的在金属源材料136的液位312上方的空腔314可以进一步配置成提供用于蒸气压的顶部空间，用于产生蒸气压并随后从封盖304上的一个或多个孔306扩散出来。相应的封盖304例如进一步配置成提供沿侧壁320的芯吸或毛细作用和/或在空腔314内的蒸发。
图7A-7C示出了封盖400的另一示例，其中，封盖包括具有不同直径404A、404B的多个孔402，以及配置成在液态金属的液面下方延伸的一个或多个部件406(例如，环形圈408)，如上所述。如图6C和7C的示例中所见，相应的封盖304、400配置成覆盖杯体302并且提供沿侧壁409的芯吸和/或在杯体中的液态金属的顶部之间的空腔内的蒸发。
再次参考图4的示例，当源材料136(例如，最初为固体或粉末形式)被加热而熔化变成液态金属138时，允许液化金属源材料经由毛细作用芯吸到推斥极148的封盖168中的一个或多个孔170。本公开考虑毛细作用，例如，以帮助将液化金属源材料传递到封盖168中的一个或多个孔170，由此金属源材料进一步转变为气相。例如，封盖168借由由推斥极148上的负偏压引起的离子电流而成为储集器装置144的最热表面，从而实现到气相的转变。
例如，本公开提供了一种引入装置，该引入装置配置成将液态金属引入电弧室114内(例如，靠近推斥极或代替推斥极)，并且对液态金属施加电偏置以控制施加到液态金属的电量。在电弧室114中大约800℃的温度下，例如，蒸气压通常太低而不能维持某些金属的等离子体。然而，如果将金属加热到1000℃至1200℃，则蒸气压可以足以使等离子体可以直接从纯金属(例如，元素金属而不是分子形式的金属)获得。因此，与常规技术相比，可以获得更好的射束电流，因为与以分子形式提供的金属源的各种其他成分相反，在等离子体中只有金属离子(或与诸如氩气的气体一起使用时的金属离子)。这样的装置因此提供了用于打开和关闭系统的更快响应，因为蒸气压对温度曲线通常是指数的，并且本公开的推斥极状结构具有比常规蒸发器小得多的热质量。因此，在具有足够蒸气压的情况下温度变化可仅降低30至50℃，例如，由此蒸气压因此降低一个或两个数量级，因此快速地“关闭”电弧室114中的金属蒸发。这种快速过渡可以进一步使污染降至最低，并且具有其他益处。
本公开目前认识到，当液态金属的表面直接暴露于等离子体时，其倾向于以不稳定的方式操作，其中，液态金属上的一个位置处的垂直的较高等离子体密度在该位置处局部加热金属，从而释放更多的蒸气并使等离子体更密集，并且进一步反馈到其自身，因此导致快速且不稳定的加热。
因此，本公开提供了一种储集器装置，该储集器装置具有液态金属的杯体或坩埚，具有位于杯体上方的封盖或盖子，其中，封盖具有形成在其中的一个或多个孔，使得在储集器装置的内部的液态金属与电弧室的空间之间提供用于形成离子的区域。因此，本公开的液态金属源可以稳定运行超过40小时，而不是像以前用铝注入物的离子源所见的那样仅运行5至10小时；同时进一步提供比常规系统更大的射束电流。
本公开考虑了蒸发和等离子体形成的两种潜在机制；一种机制提供了液态金属的纯蒸发，而另一种机制提供在液态金属与杯体(例如由钨形成)的内表面之可发生的芯吸效应。通过将液态金属向着杯体的侧壁或部件上方芯吸或牵引，并且通过毛细作用自封盖中的孔芯吸或牵引出，一旦液态金属穿过孔(或稍早一点)，液态金属即遇到等离子体且被蒸发并进入等离子体。本公开提供蒸发和芯吸两者作为反应效果，并且认识到，对于各种参数，例如杯体和/或封盖的材料构成、金属源材料、杯体和/或封盖的表面处理和/或储集器装置的温度，蒸气和毛细作用之间的相互作用可以不同，由此可以针对各种注入物种类定制所述参数。例如，可以修改表面结构、纹理、材料成分和可用于芯吸的区域等的变化，以控制材料的蒸发和芯吸，以控制等离子体，并且所有这样的修改都被认为落入本公开的范围内。
例如，图7C的封盖400可以配置成类似于蜡烛，由此封盖的中心区域410包括突出到容纳在杯体中的液态金属(未示出)中的一个或多个细长部件412，使得液态金属(例如液态铝)可以向着该一个或多个细长部件的上方拉取。该一个或多个细长部件结构例如可以包括柱、管、杆或其他结构中的一个或多个。
图6C和图7C的相应环形圈316、408和/或图7C的一个或多个细长部件412可以延伸到杯体中的凹槽的底部附近，使得当杯体中的液态金属的液位下降时，继续与封盖进行接触以产生额外的毛细作用。利用这种毛细作用，诸如槽的修改、材料构成的变化或提供烧结材料等可以进一步增加或以其他方式改变毛细效应。此外，可以修改杯体或封盖中的孔的尺寸和数量，以提供液态金属或蒸气对等离子体的各种程度的暴露。例如，毛细作用可以发生在杯体的侧壁上至封盖中的孔中，沿着在封盖与储集器装置的空腔之间延伸并进入液态金属中的一个或多个柱(例如，像烛形物或多个柱的中心结构)，封盖中限定的圆柱体具有配置成延伸到空腔中的唇缘和/或封盖中的成角度的孔，由此封盖和杯体的几何形状和构造使液态金属通过孔暴露(例如，通过孔向上芯吸)。此外，液态金属也可以在空腔内达到气相。
图7A-7C的封盖400例如还包括凸顶414，由此凸顶使通过孔402芯吸的任何过量材料流向中心区域410，由此，由于中心区域处温度较高，因此过量材料可以有利地蒸发。例如，通过提供凸顶414，大体上防止通过孔402芯吸的过量材料自封盖400的侧面416向下滴落或流动，从而大体上防止封盖与其他部件之间短路。
例如，本公开提供了两种机制以将一种或多种源材料从储集器装置引入电弧室或离子源；即蒸发和毛细作用。在第一种情况下，通过调整与等离子体相关联的参数(例如，电弧电流、与源磁体相关联的参数等)或通过对推斥极施加电偏置，可以将储集器装置的温度升高到蒸气范围(例如，1000℃至1200℃)，以提供足以充分操作离子源的蒸气压。本公开的储集器装置还有利地提供：当至离子源的输入电力降低时，例如，储集器装置的温度迅速降低，由此仅几十度的温度下降就足以将蒸气压时间降低一个数量级或更多，使得材料的损失最小化并且消除交叉污染。因此，例如可以通过控制对储集器装置的热输入和损失以及储集器装置与离子源的电弧室之间的传导来控制蒸发作用。
根据本公开的另一示例，可以利用毛细作用，使得液体材料被抽吸到与储集器装置相关联的侧壁或部件上，由此液体材料穿过封盖中的孔，从而将液体材料暴露于等离子体，由此液体材料被等离子体蒸发。例如，这种毛细作用或“芯吸”的速率可以受以下因素的影响或以其他方式控制：储集器装置的内表面积；部件(诸如柱、管或中心芯或与封盖相关联的其他部件)的存在或不存在；对杯体和封盖中的一个或多个的表面处理，例如在其表面中提供槽或条纹；以及杯体和封盖的各种部件的材料选择。
例如，与杯体和封盖中的一个或多个相关联的蒸发和毛细作用之间的相互作用因此可以通过几何形状、材料选择、表面处理或其他考虑因素来改变，例如封盖形成有具有不同热特性的中央区域和外部区域。由钨构成(或包含钨)的储集器装置可以非常适合与例如液态铝的金属源材料一起使用。本公开进一步考虑了其它耐火材料，例如钼、石墨、氮化硼、氮化铝、氧化铝和钽，其可替选地用于形成储集器装置。
例如，可以保持或保留于电弧室内部的储集器装置内的金属源材料的体积通常受到电弧室的几何形状的限制。例如，可以通过提供与电弧室内的储集器装置流体连通的辅助供应器(例如，附件储集器、罐或其他体积)来增加或补充储集器装置内提供的源材料的体积，其中，辅助供应器通过管道(诸如导管)向储集器装置的杯体提供更大体积的金属源材料。例如，辅助供应器配置成通过从等离子体室和/或外部加热器收集的热量将金属源材料的温度维持在金属源材料的熔点以上。
根据另一示例，本公开的储集器装置适用于在离子源中提供10mA的Ga+离子束电流以及>2mA的Al+及1mA的Al++的Al离子束电流超过40小时的时间段，借此利用储集器装置的离子源可有利地运行超过40小时而无需大量维护。相比之下，在电弧室内使用AlN溅射靶材的常规离子源的操作提供大约10小时的典型寿命，其中，寿命通常受到在离子源提取电极上形成的沉积物的限制。
在另一示例中，本公开的离子源可以配置成用于镓离子的注入，由此包含液态镓的金属源材料被容纳于作为离子源中的推斥极而提供的储集器装置中。例如，推斥极被偏置的比阴极更负，从而可以增加并控制从等离子体传递到金属源材料的能量。因此，金属源材料的温度可以有利地增加到1300K至1400K，对于镓，这将导致足够高的蒸气压以维持等离子体。本公开进一步认识到，各种其他金属源材料可以受益于对推斥极杯体的这种加热，并且预期所有这样的材料都落入本公开的范围内。
例如，计算表明镓在1200K下具有大约1mTorr的蒸气压，在1320K下具有10mTorr的蒸气压。在隔离的推斥极结构中，例如，可以达到大约1000℃的温度，由此进一步将推斥极偏置得比阴极更负可以达到这些升高的温度以获得期望的蒸气压。
对于所需的镓面积，如果源和靶材在1300K下处于平衡状态，则根据动力学理论，对于8mTorr压力：
镓原子的气体数量密度＝5.9×1019m-3。
其中，通量＝9.2×1021原子/m2/s，其等于5.5×1023原子/m2/min、0.92mol/m2/min或20600sccm/m2。因此，为了维持示例性注入物5sccm的流量，2.4×10-4m2的面积或每边15mm的正方形被认为是合理的。
例如，对于下一代PMOS S/D，应当理解，可以通过使用镓掺杂来实现低接触电阻。例如，镓-69是一种熔点为302.91°K(29.76℃或85.57℉)的金属。例如，镓-69通常在略高于室温的温度下处于液态。例如，诸如氩气之类的气体可以用作源气体以产生蒸发镓所需的温度。
举例来说，储集器装置中的液态金属可以在其被电弧室中的等离子体加热时保持液态，并且可以通过改变或控制等离子体的密度、改变或控制电弧电流和/或通过改变或控制源磁体的参数来改变加热量。在封盖和杯体采用推斥极形式的情况下，这样的控制可以将等离子体集中到推斥极上以进一步控制其加热。此外，可以在封盖和杯体周围使用辐射屏蔽件(未示出)以使其更热或以其他方式控制加热。另外，可在从杯体延伸的杆部分中实施凹口和/或槽以减少热损失，其中杆保持在夹具中，该夹具具有可以类似地配置成减少或控制热传递的横截面。
在另一示例中，封盖的中心可以具有较大厚度，在该处发生离子轰击。例如，等离子体柱最密集的部分是大多数离子撞击和溅射的地方，由此推斥极可以进一步被偏置到不同的电压以增加或减少离子撞击其表面的能量，从而进一步控制推斥极的加热。举例来说，通过由图2所示的推斥极电源来偏置封盖，可以几乎瞬时地对电力进行电控制以控制施加到推斥极和封盖和/或杯体的电量。
封盖中孔的构造、大小、数量、位置等可以被修改，圆柱体、柱或其他部件的数量和构造也可以被修改，以适合特定注入物的特定需要。如上所述，本公开例如提供从杯体到液态金属与等离子体相遇的位置的液态金属的芯吸。例如，通过控制材料温度，可以调节液态金属的芯吸的流速，使得可以将恒定的液态金属源提供至等离子体中以维持或控制等离子体。例如，金属可以从杯体被芯吸至孔并芯吸至封盖的外表面，然后通过面向等离子体的全部力而蒸发。
本公开进一步认识到，例如对于镓注入物，可以实现直接蒸发，由此大约1100℃的温度允许蒸气压单独承受等离子体。在这种情况下，虽然仍可以实现芯吸，但是这可能不是必需的，因为杯体中的液态金属的蒸发可以允许蒸发的金属通过孔“泄漏”。例如，如图9A-9C所示，示出了在侧壁上方的封盖(其中，没有部件延伸到杯体中)，杯体内的体积随着侧壁尽可能地增大，由此，限定在其中的空腔具有顶部空间，以包含一些蒸发的金属。
在一些实验中，使用本文所述的液态金属装置已经获得了超过100小时的运行时间。此外，例如，当在图2所示的垂直方向上在离子源电弧室的底部提供推斥极装置(例如，杯体和封盖)时，重力可以提供进一步的优点，因为杯体可以通过常规技术直接支撑在电弧室的底部，从而为液态金属提供足够大小的储集器。然而，本公开进一步考虑提供外部储集器，该外部储集器可操作地耦接或连接到电弧室内的封盖状结构，例如通过管道或其他导管耦接或连接。例如，只要外部储集器保持在金属的熔点以上，液态金属就可以以多种方式馈送至电弧室中，从而进一步潜在地延长电弧室的组件的寿命。类似地，恒定液位的液态金属可以通过阿基米德原理进一步保持于杯体中，由此液态金属可以被馈送到储集器装置中以延长电弧室的操作时间。例如，可以在电弧室周围设置辅助储集器(例如，保持在600至700℃下)，并且保持在一定温度以将金属保持在液相。本公开认识到，镓在室温下熔化，而铟在130℃下熔化，因此也可以提供不同程度的主动加热。
本公开进一步认识到，可以以其他方式向电弧室提供液态金属，而不一定经由推斥极提供引入。例如，本公开考虑了电弧室中的配置成向电弧室的内部提供液态金属的任何偏置或非偏置结构。例如，在一些离子源中，离子源电弧室设置在水平位置，由此本公开的装置可以实现芯吸作用，以供应液态金属和/或加热液态金属以提供金属蒸气。例如，(例如当电弧室水平定向时)这样的装置可以定位在离子源的一侧，由此可以向装置提供热源(例如，可以在装置周围提供加热器)。此外，如果提供水平结构，则杯体可以被定向成例如使得重力将液态金属保持在杯体中，由此封盖可以相对于杯体成角度(例如，成90度或其他角度)，由此也可以获得芯吸作用和/或直接蒸发。可以类似地在电弧室的侧面提供喷头型或其它构造。
再次，虽然在本公开的若干示例中提供了推斥极，但是本公开的构思不限于推斥极。此外，通过控制本文讨论的材料选择、温度和配置，液态金属不必一直暴露于等离子体。如果沿着离子源的侧面放置液态金属浴槽，则每当等离子体激活时，液态金属可暴露于等离子体。本公开还提供了开启和关闭液态金属暴露于等离子体的能力。例如，本公开因此提供了用于向离子源的内部区域供应液态金属的储集器或其他装置。
根据另一示例性方面，图8中提供了一种方法500，用于向离子源提供液态金属以形成离子束，以将离子注入到工件中。应当注意，虽然示例性方法在本文中被图示和描述为一系列动作或事件，但是应当理解，根据本公开，本公开不受这些动作或事件的图示顺序的限制，因为一些步骤可以以不同的顺序发生和/或与除本文中所示和所述的步骤之外的其他步骤同时发生。此外，实现根据本公开的方法时并非所有示出的所有步骤都是必须的。此外，应当理解，这些方法可以与本文所示出和描述的系统相关联地实现，以及与未示出的其他系统相关联地实现。
应当注意，图1的控制器134可以配置成执行图8的方法500，由此可以以本文所述的方式实现对上述各种组件的控制。如图8所示，示例性方法500开始于动作502，其中将金属，例如元素形式的金属，以固体形式提供至离子源。金属可以是粉末或其他固体形式。例如，金属被提供至定位于电弧室内的储集器装置的杯体，如上文若干示例中所述的。
在动作504中，将金属加热到液态，在动作506中，将液化的金属提供至电弧室的内部区域。动作504和506可以以各种顺序依次或同时执行。在一个示例中，在动作504中金属可以在电弧室外部被加热至液态，并且随后在动作506中被提供至电弧室的内部区域。在动作508中，液态金属被蒸发以形成等离子体。
尽管已经针对一个或多个特定实施例示出和描述了本发明，但是应当注意，上述实施例仅用作本发明的一些实施例的实现示例，本发明的应用不限于这些实施例。特别地，关于由上述部件(组件、设备、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件(即功能上等同的部件)，即使在结构上不等同于执行本文所示的本发明的示例性实施例中的功能的所公开的结构，亦是如此。另外，虽然本发明的特定特征可能仅针对若干实施例中的一个实施例而被公开，但是，如果对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的，则这种特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合。因此，本发明不限于上述实施例，而旨在仅由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (14)

1.一种离子源，其配置成形成离子束，所述离子源包括：
电弧室，其大体上围封电弧室环境；
储集器装置，其配置成向所述电弧室环境提供液态金属；以及
偏置电源，其配置成使所述储集器装置相对于所述电弧室而电偏置；
所述储集器装置包括杯体，所述杯体具有凹槽，所述凹槽配置成在其中大体上容纳所述液态金属；
其中，所述储集器装置还包括封盖，其中，所述封盖选择性地与所述杯体接合并且大体上围封所述储集器装置的顶部部分，在所述顶部部分中限定与所述液态金属相关联的储集器环境；以及
其中，所述封盖还包括延伸到所述凹槽中的一个或多个部件，其中，所述一个或多个部件配置成接触所述凹槽内的所述液态金属并且经由毛细作用将所述液态金属朝向所述电弧室环境馈送。
2.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述杯体配置成通过重力在其中大体上容纳所述液态金属。
3.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述液态金属驻留于所述储集器环境中，其中，所述储集器装置还配置成选择性地蒸发其中的所述液态金属的至少一部分。
4.根据权利要求3所述的离子源，其中，所述储集器装置配置成通过经由热源选择性地加热所述储集器装置来选择性地蒸发所述液态金属的所述至少一部分。
5.根据权利要求4所述的离子源，其中，所述热源包括以下中的一者或多者：在所述电弧室内产生的等离子体、与来自撞击所述储集器装置的所述等离子体的离子相关联的能量、辅助加热器。
6.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述一个或多个部件包括以下中的一者或多者：配置成提供所述毛细作用的表面材料、表面粗糙度、预定表面积。
7.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述一个或多个部件包括以下中的一者或多者：从所述封盖延伸到所述凹槽中的环形部件、从所述凹槽向所述封盖延伸的储集器部件、从所述封盖的中心部分延伸到所述凹槽内的所述液态金属中的细长部件。
8.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述液态金属由铝、镓和铟中的一种构成。
9.一种用于形成离子束的电弧室，所述电弧室包括：
壳体，其大体上围封电弧室环境；
储集器装置，其定位于所述电弧室环境内，其中，所述储集器装置配置成在所述电弧室环境中容纳液态金属；以及
偏置电源，其配置成使所述储集器装置电偏置并且在所述电弧室环境内形成等离子体；
其中，所述储集器装置包括杯体和封盖，其中，所述杯体具有凹槽，所述凹槽配置成在其中至少部分地容纳所述液态金属，其中，所述封盖选择性地与所述杯体接合并且大体上围封所述储集器装置的顶部部分，在所述顶部部分中限定与所述液态金属相关联的储集器环境，其中，所述液态金属驻留于所述储集器环境中，其中，所述储集器装置还配置成选择性地蒸发其中的所述液态金属的至少一部分；
其中，所述封盖包括延伸到所述杯体中的一个或多个部件，其中，所述一个或多个部件配置成接触所述凹槽内的所述液态金属并且经由毛细作用将所述液态金属朝向所述电弧室环境馈送。
10.根据权利要求9所述的电弧室，其中，所述储集器装置配置成通过经由热源选择性地加热所述储集器装置来选择性地蒸发所述液态金属的所述至少一部分，其中，所述热源包括产生于所述电弧室内的等离子体、与所述离子束相关联的能量以及辅助加热器中的一者或多者。
11.根据权利要求10所述的电弧室，其中，所述封盖在其中包括一个或多个孔，其中，所述一个或多个孔提供所述储集器环境与所述电弧室环境之间的流体连通，其中，所述一个或多个孔具有一个或多个直径，其中，所述一个或多个孔被定向成使得所述电弧室中的等离子体不与所述凹槽中的所述液态金属直接接触。
12.根据权利要求9所述的电弧室，其中，所述一个或多个部件包括限定在所述封盖中的环形圈中的一个或多个，其中，所述环形圈从所述封盖的主要部分延伸到所述凹槽内的所述液态金属中。
13.根据权利要求9所述的电弧室，其中，所述一个或多个部件包括细长部件，所述细长部件从所述封盖的主要部分延伸到所述凹槽内的所述液态金属中。
14.一种用于形成离子束的方法，包括：
将元素金属加热至液态至根据权利要求9至13任一项所述的电弧室的内部环境中；
蒸发所述元素金属；以及
向所述元素金属供能以在所述电弧室内形成金属离子。
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