CN114242549B - 一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其包括起弧室、盖板、灯丝、阴极、通气孔和反射极，起弧室用于电子与气体分子碰撞产生等离子体的腔室；盖板上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；灯丝被加热之后产生第一组电子，第一组电子用于加热阴极；阴极被加热后，产生第二组电子，第二组电子用于起弧；通气孔设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体；反射极设置于起弧室与阴极相对的一侧的内壁上。本发明采用物质溅射形成等离子体的离子源装置的反射极采用目标掺杂元素所对应的金属材料制成，在工作时被电离出的离子撞击反射极，溅射、电离出目标掺杂元素离子，解决了掺杂元素离子难以获得的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造加工领域，涉及一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其适用于离子注入设备。
背景技术
离子注入是近年来半导体制造领域获得广泛应用的技术之一，其原理是将掺杂源(掺杂源为提供掺杂原子的前驱体)中呈电中性的原子或者分子电离，得到等离子体，再经过萃取、筛选、整形、加减速等步骤，获得符合注入条件的离子束，最终以一定的角度入射到衬底材料(如晶圆)之中，从而完成掺杂。
将掺杂源中呈电中性的原子或者分子电离，生成等离子体的装置便是离子源。掺杂源一般分为气态源和固态源，但掺杂源在工作应用中非常受限，主要原因在于：(1)对于一些特殊的目标掺杂元素，很难找到其气态化合物或其气态化合物无法在常温下稳定存在，故其所使用的掺杂源受到目标掺杂元素的限制；(2)固态源一般是在离子源上增加加热装置，使固态源粉末升华；但是对于某些固态源粉末，其升华温度较高、利用困难；且升华出来的气态物质容易在通气管路中凝华、堵塞管路，导致最终得到的离子束流减少。
因此需要对离子源装置设计加以优化，来保证离子注入时能够获得更大的离子束流，尤其对于目标掺杂元素不存在适于应用的气态源及固态源的情况。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明提供一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其主要用于在离子注入工艺中产生目标掺杂元素所对应的离子，尤其适用于目标掺杂元素不存在稳定的气态源且目标掺杂元素对应的升华温度较高的固态源。
依据本发明的技术方案，本发明提供了一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其包括起弧室、盖板、灯丝、阴极、通气孔和反射极；起弧室用于电子与气体分子碰撞产生等离子的腔室；盖板，其上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；灯丝，其被加热之后产生第一组电子，第一组电子用于加热阴极；阴极，其被加热后，产生第二组电子，第二组电子用于起弧；通气孔，其设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体；反射极，其设置于起弧室与阴极相对的一侧的内壁上；反射极和起弧室之间连接有反射极电源，反射极电源是独立于阴极且是相对于阴极电位能够调控自身电位的可调电源。
优选的，反射极朝向阴极的外表面为内凹的曲面。
进一步的，起弧室外设置有起弧室安装部、阴极安装板、绝缘固定板、灯丝夹以及反射极安装板；起弧室固定安装在起弧室安装部上。
进一步的，反射极电源负极连接反射极，反射极电源正极连接起弧室，反射极的电位低于起弧室的电位。
优选的，反射极的电位比起弧室的电位低50伏至500伏。
另外地，反射极在朝向阴极的一面固定设置有由目标掺杂元素所对应的金属制成的块体或涂层。
另外地，反射极为由目标掺杂元素所对应的金属制成的块体。
优选的，在起弧室外、靠近阴极和反射极所在的两面的位置处，设置有至少一对磁性体，磁性体之间具有离子源磁场。
进一步的，阴极安装板上开设有贯通的第二固定孔，阴极的开口端固定设置于第二固定孔中；阴极上靠近开口端的外侧面设有增厚部，增厚部的外径大于阴极其他部分的外径，增厚部的外侧面固定套设阴极帽；起弧室与盖板相邻的一侧面上开设有贯通的第一固定孔，阴极帽穿设于第一固定孔中；灯丝夹的数量为二个，二个灯丝夹分别与灯丝的两末端固定连接；灯丝夹、阴极安装板均与绝缘固定板固定连接，且灯丝夹与阴极安装板之间存在间隙；绝缘固定板与起弧室安装部固定连接；起弧室与阴极相对的一侧壁上开设有第三固定孔，第三固定孔内嵌套有反射极，且反射极与第三固定的内侧面之间存在间隙；反射极的一侧位于起弧室内，反射极的另一侧上突出地设置有反射极端子；在第三固定孔位置、起弧室外侧，固定设置有绝缘的反射极安装板，反射极安装板上开设有通孔，反射极端子穿入反射极安装板的通孔固定。
进一步的，还包括蒸气通道部件和坩埚，蒸气通道部件为管状，蒸气通道部件的一端与起弧室连接并连通，蒸气通道部件的另一端与坩埚连接并连通。
与现有技术相比，本发明的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置的有益效果为：反射极采用目标掺杂元素所对应的金属材料制成，在工作时被电离出的离子撞击反射极，溅射、电离出目标掺杂元素离子，起弧室内离子浓度随溅射的进行逐渐增加，进一步增加溅射强度，从而产生更多的目标掺杂元素离子，解决了某些掺杂元素离子难以获得的问题；此外，在反射极和起弧室之间连接有可调电源，能够更便捷地调整起弧室内的电场大小，从而控制电子或离子的运动强度，例如使离子加速撞击反射极从而完成上述溅射过程。
附图说明
图1为依据本发明的采用物质溅射形成等离子体的离子源装置的原理结构示意图。
图2为依据本发明的采用物质溅射形成等离子体的离子源装置中部分零件的爆炸分解示意图。
图3为采用物质溅射形成等离子体的离子源装置的阴极一侧的立体结构示意图。
图4为图3所示采用物质溅射形成等离子体的离子源装置的反射极一侧的立体结构示意图。
图号说明：1：起弧室；2：盖板；3：引出缝；4：灯丝；5：阴极；6：反射极；7：反射极端子；8：离子源磁场；9：通气孔；11：阴极帽；12：阴极安装板；13：绝缘固定板；14：灯丝夹；15：固定杆；16：起弧室安装部；17：反射极安装板；18：第一固定孔；19：第二固定孔；20：第三固定孔；21：反射极电源。
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
本发明的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其包括起弧室、盖板、灯丝、阴极、通气孔和反射极，其中：起弧室，用于电子与气体分子碰撞产生等离子的腔室；盖板，其上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；灯丝，其被加热之后产生第一组电子，第一组电子用于加热阴极；阴极，其被加热后，产生第二组电子，第二组电子用于起弧；通气孔，其设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体；反射极，其设置于起弧室与阴极相对的一侧的内壁上。进一步的，反射极朝向阴极的外表面为内凹的曲面。进一步的，反射极和起弧室之间连接有反射极电源，反射极电源是独立于阴极且是相对于阴极电位能够调控自身电位的可调电源。本发明一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置中的反射极采用目标掺杂元素所对应的金属材料制成，在工作时被电离出的离子撞击反射极，溅射、电离出目标掺杂元素离子，解决了掺杂元素离子难以获得的问题。
请参阅图1至图4，本发明的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其包括起弧室1和盖板2，起弧室1为一侧具有底部、另一侧为开口的盒形，盖板2可拆卸地固定盖合于起弧室1的开口处。具体的，例如起弧室1整体呈长方体，长方体其中一面为盖板2。盖板2上开设有长条形的引出缝3。
盖板2通过例如螺钉方式可拆卸地与起弧室1固定连接，具体一种实施方式中，为采用固定杆15进行固定。如图3所示，起弧室1固定安装在起弧室安装部16上。起弧室安装部16与离子源装置的其他部分相连接。在盖板2的边缘位置开设有通孔，固定杆15穿过该通孔将盖板2与起弧室安装部16固定连接，从而使盖板2与起弧室1的相对位置固定，连接方式例如可选为螺纹连接。优选的，固定杆15有四个，均匀分布于引出缝3长度方向的两侧位置。
起弧室1与盖板2相邻的一侧面上设置有阴极5，阴极5为一端具有底部、另一端为开口的桶状。阴极5内容纳有灯丝4，灯丝4的两末端从阴极5的开口处穿出、并且连接有灯丝电源，从而在工作时对灯丝4通电，使灯丝4发射出电子。具体一些实施方式中，灯丝4中间部分的形状例如为平面的螺旋形弯曲，类似蚊香形或螺旋盘状，灯丝4的两末端分别与两个灯丝夹14固定连接，灯丝夹14为导体，在灯丝夹14上连接灯丝电源。
在阴极5外套设有筒状的阴极帽11，且至少在靠近阴极5底部的位置处，阴极5与阴极帽11之间具有间隙。请参阅图1、图2，阴极5上靠近开口端的外侧面设有增厚部，增厚部的外径大于阴极其他部分的外径，增厚部的外侧面固定套设阴极帽11，阴极帽11优选通过螺纹连接或过盈配合连接。工作时灯丝4产生的电子撞击阴极5后，阴极5会向各个方向发射电子，阴极帽11阻挡向阴极5侧面四周运动的电子，只留下朝向起弧室1与阴极5相对一侧面运动的电子，为此，优选的，如图1所述，阴极帽11和阴极5在靠近起弧室1内部的一端是齐平的。
起弧室1与阴极5相对的一侧壁上设置有反射极6，例如为板状或圆柱状等。还包括用于将反射极6、灯丝4、阴极5的位置固定的固定结构，使反射极6和起弧室1之间存在不导电的间隙，灯丝4和阴极5之间存在不导电的间隙，阴极帽11和起弧室1之间也存在不导电的间隙，通过外加电路组件来控制起弧室1内各部分的电位，形成电场，进而控制电子或离子的运动轨迹。
具体一种实施方式中，上述固定结构包括起弧室安装部16、阴极安装板12、绝缘固定板13、灯丝夹14以及反射极安装板17。阴极安装板12为导体，例如由石墨制成，其上开设有贯通的第二固定孔19，阴极5的开口端固定设置于第二固定孔19中。第二固定孔19的内径与阴极5的外径相同，二者连接的位置位于阴极5开口一端附近，例如，通过螺纹连接固定。灯丝夹14和阴极安装板12均与绝缘固定板13固定连接(例如通过螺钉/螺栓方式固定连接)，且灯丝夹14与阴极安装板12之间存在间隙，从而形成由内至外依次设置的灯丝4、阴极5、阴极帽11的三层嵌套结构，且位置均被固定。起弧室1上阴极5所处的一侧面上开设有贯通的第一固定孔18；绝缘固定板13与起弧室安装部16固定连接，是阴极帽11位于第一固定孔18中，且阴极帽11与起弧室1存在不导电的间隙。
请参阅图1、图2和图4，起弧室1与阴极5相对的一侧壁上开设有第三固定孔20，第三固定孔20内嵌套有反射极6，且反射极6与第三固定孔20的内侧面之间具有不导电的间隙。反射极6的一侧位于起弧室1内，反射极6的另一侧上突出地设置有例如为杆状的反射极端子7；在第三固定孔20位置、起弧室1外侧，固定设置有绝缘的反射极安装板17(例如通过螺钉/螺栓方式固定连接)，反射极安装板17上开设有通孔，反射极端子7穿入反射极安装板17的通孔固定，从而使反射极6与起弧室1之间存在不导电的间隙。
如图1所示，起弧室1的至少一侧面开设有一个或多个贯穿起弧室1腔壁的通气孔9，通气孔9通过管道等连接气体供应设备，从而将所需的气体通入起弧室1内。一具体实施方式中，起弧室1大体呈长方体，起弧室1垂直于盖板2的四条棱处，位于起弧室1内的一侧设置有例如45度倒角，形成共四个长度方向垂直于盖板2的长条形平面，在其中至少一个长条形平面的居中位置开设有通气孔9，优选为四条棱边位置均有通气孔9；当然也可以开设于其他位置。又一具体实施方式中起弧室1的至少一侧面开设有通气孔9，通气孔9连接有方向垂直于盖板2向下的硬质的蒸气通道部件，蒸气通道部件底部连接有蒸发室(例如坩埚)，蒸发室内容纳有待蒸发的材料，例如为金属氧化物；对蒸发室进行加热至一定高温，其中的材料升华为气体，通过蒸气通道部件进入起弧室1，进而被电离；进一步优选的，蒸发室、蒸气通道部件以及该功能的通气孔9设置有二组，分别位于起弧室1上平行于引出缝3长度方向的两侧壁的居中位置。当然的，上述具体实施例可进行组合，其中，用于输送室温下呈气体的物质的通气孔及管道系统，与具有蒸发室的、输送室温下呈固体的物质的通气孔及蒸气通道部件系统，二者之间是相互独立、不相交、不共用的。
反射极6至少在靠近阴极5的一部分是由目标掺杂元素所对应的金属制成的块体，这样，通过离子与该目标掺杂元素所对应的金属的撞击、溅射即可产生该目标掺杂元素所对应的离子。具体方式例如在现有反射极上、与阴极相对的一面通过蒸发镀膜设置一层目标掺杂元素所对应的金属的涂层，或者，在现有反射极上、与阴极相对的一面固定设置一块目标掺杂元素所对应的金属块体(例如通过螺钉/螺栓、绑扎等方式固定)等；优选的，反射极6为全部由目标掺杂元素所对应的金属制成的块体，这样生产成本相对更低。
优选的，反射极6朝向阴极5的外表面为内凹的曲面，这样离子的利用率比较高，溅射效果更好。
此外，采用物质溅射形成等离子体的离子源装置还包括与起弧室1、灯丝4、阴极5、反射极6相连的电路组件：灯丝4的两端连接有灯丝电源；阴极5与灯丝4之间连接有阴极电源，使阴极5的电位高于灯丝4的电位；起弧室1和阴极5之间连接起弧室电源，使起弧室1以及与起弧室1相接触的盖板2的电位高于阴极5；反射极6和起弧室1之间连接有反射极电源21，反射极电源21为可调电源。可以理解的是，具体各个电源以及导线结构的固定和布局没有限制，能够实现上述电路连接的具体实施均可。
以及，在起弧室1外、靠近阴极5和反射极6所在的两面的位置处，设置有至少一对磁性体，磁性体之间具有离子源磁场8，其作用为使电子在磁场作用下作螺旋运动，增加电子运动距离。
本发明的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置的工作原理主要为，通过将固态掺杂源物质放置到反射极上，将物质溅射出来，以便在起弧室内形成该物质对应的离子，将所述离子引出离子源，以离子束形式注入靶体。其中，该物质优选金属类材料，或者含有金属元素的材料，例如镧、锑、钨等。
本发明的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置的具体工作过程如下：
检测本离子源装置各组件运行状态及起弧室真空度是否正常；
将本离子源各装置接通电源，使各部分到达各自设定的电位和电流；
通过通气孔9将气体(例如氩气或用坩埚蒸发出气态的注入元素的化合物)通入起弧室1；灯丝电源对灯丝4通电，灯丝4释放出电子(第一组电子，灯丝热电子)；
灯丝4与阴极5连接有阴极电源，其位置及极性如图1所示，使阴极5的电位高于灯丝4的电位；
热电子在电场作用下朝向阴极5加速运动，并加热(轰击)阴极5，使阴极5发生电子雪崩，向各个方向释放出大量电子(第二组电子，阴极电子)；
阴极5向侧方发射出的电子被阴极帽11阻挡，仅留下向上运动的电子；
电子与从通气孔9通入的气体分子发生碰撞，使气体分子发生电离、产生等离子体；
起弧室1与阴极5之间连接有起弧室电源，其位置及极性如图1所示，使起弧室1(和盖板2)的电位高于阴极5的电位，产生的正离子在靠近起弧室1(和盖板2)时会被排斥，从而大部分正离子不会撞击起弧室1(和盖板2)；
磁性体之间存在离子源磁场8，电子在离子源磁场8中运动，在磁场力作用下作螺旋运动，使电子运动距离增加，增大电子与气体分子的碰撞几率；
调节反射极电源21的极性和大小，反射极电源21负极连接反射极6，反射极电源21正极连接起弧室1，使反射极6的电位低于阴极5的电位，正离子在电场力的作用下朝向反射极6加速运动、进而撞击反射极6；
反射极6被离子撞击溅射出反射极6的材料对应的离子，起弧室1内离子浓度随溅射的进行逐渐增加，进一步增加溅射强度，产生更多的反射极6的材料对应的离子；
可随后再根据需要调节反射极电源21的大小，从而改变起弧室1内电场的强度；
在盖板2远离起弧室1的一侧具有引出电压，将生成的等离子体从引出缝3引出起弧室1，形成等离子体束。
可以理解的是，反射极6电位相对于起弧室的电位越低(越负)，轰击反射极6的离子能量就越越高，产生的离子越多。优选的，调整反射极电源21使反射极6的电位比起弧室1的电位低50伏至500伏。
需要说明的是，若目标掺杂元素具有对应的且可用的固态源或气态源，可将本发明的方案作为增加目标掺杂元素所对应的离子数量的辅助手段：例如锑具有对应的固态源三氧化二锑，仍可使用现有技术中蒸发室(坩埚)等部分，加热坩埚使三氧化二锑升华为气体并进入起弧室1，随即被电离产生锑离子，锑离子在反射极电源21所产生的电场中朝向锑制成的反射极加速运动并撞击，溅射产生更多锑离子。
若目标掺杂元素不具有对应的且可用的固态源或气态源，例如镧，则完全由本发明的方案产生目标掺杂元素所对应的离子：向起弧室1中通入例如氩气进行电离，产生氩离子，利用氩离子撞击镧制成的反射极，从而溅射出所需的镧离子；随后，镧离子和氩离子均参与溅射过程，产生更多镧离子；当镧离子的量达到一定程度后，可不再通入氩气，仅靠镧离子继续溅射产生镧离子；经实验，采用此方案离子束流强度可达4至5毫安。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其特征在于：
所述离子源装置包括起弧室、盖板、灯丝、阴极、通气孔和反射极，
起弧室，用于电子与气体分子碰撞产生等离子体的腔室；
盖板，其上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；
灯丝，其被加热之后产生第一组电子，第一组电子用于加热阴极；
阴极，其被加热后，产生第二组电子，第二组电子用于起弧；
通气孔，其设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体；
反射极，其设置于起弧室与阴极相对的一侧的内壁上；反射极和起弧室之间连接有反射极电源，反射极电源是独立于阴极且是相对于阴极电位能够调控自身电位的可调电源，反射极电源的极性和大小均可调节；
反射极朝向阴极的外表面为内凹的曲面；
还包括蒸气通道部件和坩埚，蒸气通道部件为管状，蒸气通道部件的一端与起弧室通过一通气孔连接并连通，蒸气通道部件的另一端与坩埚连接并连通；
还包括用于输送室温下呈气体的物质的通气孔及管道系统，用于输送室温下呈气体的物质的通气孔及管道系统与蒸气通道部件之间相互独立、不共用通气孔；
反射极在朝向阴极的一面固定设置有由目标掺杂元素所对应的金属制成的块体或涂层，或者，反射极为由目标掺杂元素所对应的金属制成的块体。
2.如权利要求1所述的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其特征在于：所述起弧室(1)外设置有起弧室安装部(16)、阴极安装板(12)、绝缘固定板(13)、灯丝夹(14)以及反射极安装板(17)；所述起弧室(1)固定安装在所述起弧室安装部(16)上。
3.如权利要求2所述的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其特征在于：反射极电源(21)负极连接反射极(6)，反射极电源(21)正极连接起弧室(1)，反射极(6)的电位低于所述起弧室(1)的电位。
4.如权利要求3所述的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其特征在于：反射极(6)的电位比起弧室(1)的电位低50伏至500伏。
5.如权利要求1所述的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其特征在于：在所述起弧室(1)外、靠近所述阴极(5)和所述反射极(6)所在的两面的位置处，设置有至少一对磁性体，所述磁性体之间具有离子源磁场(8)。
6.如权利要求2所述的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，其特征在于：
所述阴极安装板(12)上开设有贯通的第二固定孔(19)，所述阴极(5)的开口端固定设置于所述第二固定孔(19)中；所述阴极(5)上靠近开口端的外侧面设有增厚部，所述增厚部的外径大于所述阴极其他部分的外径，所述增厚部的外侧面固定套设有阴极帽(11)；所述起弧室(1)与所述盖板(2)相邻的一侧面上开设有贯通的第一固定孔(18)，所述阴极帽(11)穿设于所述第一固定孔(18)中；所述灯丝夹(14)的数量为二个，二个灯丝夹(14)分别与所述灯丝(4)的两末端固定连接；所述灯丝夹(14)、所述阴极安装板(12)均与绝缘固定板(13)固定连接，且所述灯丝夹(14)与所述阴极安装板(12)之间存在间隙；绝缘固定板(13)与所述起弧室安装部(16)固定连接；
所述起弧室(1)与所述阴极(5)相对的一侧壁上开设有第三固定孔(20)，所述第三固定孔(20)内嵌套有所述反射极(6)，且所述反射极(6)与所述第三固定孔(20)的内侧面之间存在间隙，所述反射极(6)的一侧位于所述起弧室(1)内，所述反射极(6)的另一侧上突出地设置有反射极端子(7)；在所述第三固定孔(20)位置、所述起弧室(1)外侧，固定设置有绝缘的所述反射极安装板(17)，所述反射极安装板(17)上开设有通孔，所述反射极端子(7)穿入所述反射极安装板(17)的通孔固定。
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