CN114514593A - 用于固态掺杂材料的可插式标靶座的温度控制 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于容纳固态掺杂材料的标靶座的离子源。离子源包括靠近标靶座设置以监测固态掺杂材料的温度的热电偶。在某些实施例中，控制器使用此温度信息来变更离子源的一个或多个参数，例如电弧电压、阴极偏置电压、所提取射束电流或标靶座在电弧室内的位置。示出对控制器与热电偶之间的连接加以示出的各种实施例。此外，也呈现对热电偶在标靶座上的各种放置加以示出的实施例。

Description

用于固态掺杂材料的可插式标靶座的温度控制

技术领域

本公开实施例涉及一种离子源，且更确切来说涉及一种具有用于容纳固态掺杂材料的可插式标靶座的离子源，其中掺杂材料或标靶座的温度可加以测量且可选地加以控制。

背景技术

各种类型的离子源均可用于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方的细丝供应电流来操作。细丝发射热离子电子，所述热离子电子朝向阴极加速且对所述阴极进行加热，继而使得阴极将电子发射到离子源的电弧室中。阴极设置在电弧室的一个端处。推斥极可设置在电弧室的与所述阴极相对的一端处。可对阴极及推斥极进行偏置以推斥电子，从而朝向电弧室的中心往回引导所述电子。在一些实施例中，使用磁场来进一步将电子约束在电弧室内。使用多个侧来连接电弧室的两端。

沿着这些侧中的一者靠近电弧室的中心设置有提取孔口，可通过所述提取孔口提取在电弧室中形成的离子。

在某些实施例中，可期望利用呈固态形式的材料作为掺杂物种。举例来说，可使用坩埚或标靶座容纳金属，以使得当金属液化时，液化的金属留存在标靶座中。将纯固态金属直接用于离子植入能增大可用于晶片植入的射束电流。

然而，可能存在与针对固态掺杂材料使用标靶座相关联的问题。举例来说，当在承载式标靶座中使用具有低熔融温度及低沸腾温度的金属时，极高的温度可能会成为问题。举例来说，掺杂材料可变得不稳定且易于出现失控效应，所述失控效应可造成射束性能不一致且导致掺杂材料在电弧室中发生不期望的积聚。

因此，可与具有低熔融温度的固态掺杂材料(例如某些金属)一起使用且能够监测并控制其内部温度的离子源将是有益的。

发明内容

公开一种具有容纳固态掺杂材料的标靶座的离子源。所述离子源包括热电偶，所述热电偶靠近标靶座设置以监测固态掺杂材料的温度。在某些实施例中，控制器使用此温度信息来变更离子源的一个或多个参数，例如电弧电压、阴极偏置电压、所提取射束电流或标靶座在电弧室内的位置。示出对控制器与热电偶之间的连接加以示出的各种实施例。此外，也呈现对热电偶在标靶座上的各种放置加以示出的实施例。

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，设置在所述电弧室的所述第一端上；标靶座，具有用于容纳掺杂材料的囊；热电偶，与所述标靶座接触；以及控制器，与所述热电偶连通，其中所述控制器基于由所述热电偶测量的温度变更所述离子源的参数。在某些实施例中，所述离子源还包括致动器，所述致动器与所述标靶座连通以在第一位置与第二位置之间移动所述标靶座，且其中所述参数包括所述标靶座的位置。在一些实施例中，所述参数选自由以下组成的群组：电弧电压、细丝电流、阴极偏置电压、原料气体的流动速率及射束提取电流。在某些实施例中，所述离子源还包括与所述标靶座连通的加热元件，且其中所述参数包括供应到所述加热元件的电流。在一些实施例中，所述离子源还包括致动器总成，所述致动器总成包括：导线，用于将所述热电偶电连接到所述控制器；壳体，包括后壳体、前壳体及连接所述后壳体与所述前壳体的外壳体；轴，附固到所述标靶座，且具有设置在所述壳体内的固持板；波纹管，设置在所述壳体内且在一个端上附固到所述固持板并在相对的端上附固到所述后壳体；以及致动器，用于线性地平移所述轴。在一些实施例中，所述前壳体中安装有连接件，且所述导线从所述控制器穿过所述外壳体与所述波纹管之间的空间并端接在所述连接件处。在一些其他实施例中，第二连接件配合到所述连接件，且热电偶导线设置在所述第二连接件与所述热电偶之间。在一些实施例中，所述热电偶导线是盘绕的，以使得能够相对于电弧室调整标靶座的位置。在一些实施例中，热电偶导线包装在铬镍铁合金编带(Inconel braid)中。在一些实施例中，所述热电偶导线包装在氧化铝管中。在某些实施例中，所述导线穿过轴的中空内部。在某些实施例中，所述标靶座包括标靶基座、坩埚插塞、坩埚及多孔插塞。在一些实施例中，所述热电偶设置在所述坩埚的外表面上。在某些实施例中，所述标靶座的内表面上设置有空腔，且所述热电偶在所述坩埚插塞的外表面上设置在所述空腔中。在一些实施例中，使用灌封材料将所述热电偶保持在适当位置。在一些实施例中，使用紧定螺钉将所述热电偶保持在适当位置。在某些实施例中，所述空腔中设置有弹簧以将所述热电偶保持在适当位置。在一些实施例中，所述离子源包括与所述标靶座连通的加热元件，其中所述加热元件包括电阻导线。在某些实施例中，所述电阻导线与所述坩埚或所述坩埚插塞连通。

根据另一实施例，公开一种与离子源搭配使用的总成。所述总成包括连接件；热电偶；及导线，设置在所述连接件与所述热电偶之间。在某些实施例中，所述导线是盘绕的。在某些实施例中，所述导线是个别地绝缘的。在一些实施例中，绝缘导线包装在铬镍铁合金编带中。在某些实施例中，所述绝缘导线包装在氧化铝管中。

根据另一实施例，公开一种用于离子源中的容纳掺杂材料的标靶座。所述标靶座包括：标靶基座；坩埚，被成形为中空圆柱体；坩埚插塞，覆盖所述坩埚的一个敞口端且靠近所述标靶基座设置；多孔插塞，覆盖所述坩埚的相对的端，其中气态掺杂材料可穿过所述多孔插塞；以及热电偶，与所述标靶座连通。在某些实施例中，热电偶设置在所述坩埚的外表面上。在其他实施例中，所述热电偶设置在所述坩埚的所述壁中的通道中。在一些实施例中，在所述标靶基座中靠近所述坩埚插塞设置有空腔，且所述热电偶靠近所述坩埚插塞设置在所述空腔中。在某些实施例中，所述标靶基座中设置有通道，其中所述通道与所述空腔连通以使得能够将导线敷设到所述热电偶。在一些实施例中，使用灌封材料来将所述热电偶保持在适当位置。在某些实施例中，使用紧定螺钉来将所述热电偶保持在适当位置。在一些实施例中，所述标靶座包括附固到所述标靶基座的轴。在某一实施例中，所述轴的内部是中空的以使得导线能够穿过所述轴的所述中空内部敷设到所述热电偶。

根据另一实施例，公开一种间接加热式阴极离子源。所述离子源包括：电弧室，包括连接第一端与第二端的多个壁；间接加热式阴极，设置在所述电弧室的所述第一端上；标靶座，具有用于容纳掺杂材料的囊，其中所述标靶座可在所述电弧室内移动；以及控制器，其中所述控制器基于所述掺杂材料的温度变更所述标靶座在所述电弧室内的位置。在一些实施例中，使用光学测量、高温计、色点、热电偶、无线热电偶读取器或电阻温度探测器(resistance temperature detector，RTD)来确定掺杂材料的温度。在某些实施例中，使用热电偶确定所述掺杂材料的温度。在一些实施例中，基于所述电弧室内的组件的温度估计所述掺杂材料的温度。

附图说明

为更好地理解本公开，参考附图，所述附图并入本案供参考且在附图中：

图1是根据一个实施例的具有可插式标靶座的间接加热式阴极(IHC)离子源。

图2示出根据一个实施例的致动器总成及标靶座。

图3示出根据第二实施例的致动器总成及标靶座。

图4示出根据第三实施例的致动器总成及标靶座。

图5示出根据一个实施例的热电偶在标靶座上的放置。

图6示出根据第二实施例的热电偶在标靶座上的放置。

图7示出根据另一实施例的热电偶在标靶座上的放置。

图8A-8B示出根据其他实施例的热电偶在标靶座上的放置。

图9A-9C示出根据其他实施例的热电偶在标靶座上的放置。

图10示出根据其中使用电阻导线来加热标靶座的一个实施例的致动器总成及标靶座。

具体实施方式

如上文所述，在极高的温度下，离子源中的固态掺杂剂可熔融得过快且在电弧室中形成不期望的掺杂剂积聚。在低温下，固态掺杂剂可能完全不会熔融。

图1示出具有标靶座的IHC离子源10，所述IHC离子源10能克服这些问题。IHC离子源10包括电弧室100，电弧室100包括相对的两端及连接到这两端的壁101。电弧室100的壁101可由导电材料构造而成且可彼此电连通。在一些实施例中，靠近壁101中的一者或多者可设置有衬层。阴极110在电弧室100的第一端104处设置在电弧室100中。细丝160设置在阴极110后方。细丝160与细丝电源165连通。细丝电源165被配置成使电流穿过细丝160，以使得细丝160发射热离子电子。阴极偏置电源115相对于阴极110而对细丝160负性地进行偏置，以使这些热离子电子从细丝160朝向阴极110加速且在这些热离子撞击阴极110的后表面时对阴极110进行加热。阴极偏置电源115可对细丝160进行偏置，以使得细丝160具有例如比阴极110的电压负200V到1500V之间的电压。阴极110与细丝160之间的电压差可被称为阴极偏置电压。然后，阴极110在其前表面上将热离子电子发射到电弧室100中。

因此，细丝电源165向细丝160供应电流。阴极偏置电源115对细丝160进行偏置以使得细丝160具有比阴极110更负的值，从而从细丝160朝向阴极110吸引电子。在某些实施例中，可例如由偏置电源111相对于电弧室100对阴极110进行偏置。电弧室100与阴极110之间的电压差可被称为电弧电压。在其他实施例中，阴极110可电连接到电弧室100，以与电弧室100的壁101处于相同的电压下。在这些实施例中，可不采用偏置电源111且阴极110可电连接到电弧室100的壁101。在某些实施例中，电弧室100连接到电接地。

在与第一端104相对的第二端105上可设置有推斥极120。可通过推斥极偏置电源123相对于电弧室100对推斥极120进行偏置。在其他实施例中，推斥极120可电连接到电弧室100，以与电弧室100的壁101处于相同的电压下。在这些实施例中，可不采用推斥极偏置电源123且推斥极120可电连接到电弧室100的壁101。在另外的其他实施例中，不采用推斥极120。

阴极110及推斥极120各自由导电材料(例如，金属或石墨)制成。

在某些实施例中，在电弧室100中产生磁场。此磁场旨在沿着一个方向约束电子。所述磁场通常平行于从第一端104到第二端105的壁101。举例来说，电子可被约束在与从阴极110到推斥极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经受电磁力。

电弧室100的一侧上可设置有提取孔口140，电弧室100的所述一侧被称为提取板103。在图1中，提取孔口140设置在与Y-Z平面(垂直于页面)平行的一侧上。此外，IHC离子源10也包括气体入口106，可通过所述气体入口106将要被离子化的气体引入到电弧室100。

在某些实施例中，第一电极及第二电极可设置在电弧室100的相应的相对壁101上，以使得所述第一电极及所述第二电极在与提取板103相邻的壁上位于电弧室100内。第一电极及第二电极可各自被相应的电源进行偏置。在某些实施例中，第一电极及第二电极可与共同电源连通。然而，在其他实施例中，为使得灵活性能够达到最大且能够调谐IHC离子源10的输出，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，以使得可更改由这些电源所供应的电压或电流。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。此非暂时性存储元件可含有使得控制器180能够执行本文中所述的功能的指令及其他数据。

IHC离子源10还包括标靶座190，标靶座190可插入到电弧室100中及从电弧室100取出。在图1的实施例中，标靶座190沿着电弧室100的壁101中的一者进入电弧室。在某些实施例中，标靶座190可在第一端104与第二端105之间的中平面处进入电弧室100。在另一实施例中，标靶座190可在与所述中平面不同的位点处进入电弧室100。在图1中所示的实施例中，标靶座190穿过与提取孔口140相对的侧进入电弧室100。然而，在其他实施例中，标靶座190可穿过与提取板103相邻的侧而进入。标靶座190可在第一位置与第二位置之间移动。

标靶座190具有空腔或囊191，掺杂材料195可设置到空腔或囊191中。囊191可具有底表面及从所述底表面向上延伸的侧壁。在某些实施例中，侧壁可以是垂直的。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，侧壁与底表面在经修圆的边缘处交会。底表面与侧壁形成在底部处闭合的空腔。换句话说，与传统的杯子十分相似，经由敞口顶部插入或移除掺杂材料195，而侧壁与底表面形成掺杂材料195无法从中退出的密封结构。在另一实施例中，囊191可被封围起来，以使得掺杂材料195设置在囊191之内。举例来说，可采用中空圆柱形的坩埚形成囊191。可使用多孔插塞192将掺杂材料保持在囊191之内且使得蒸气能够退出囊191。举例来说，多孔插塞192可以是石墨泡沫。也可通过对多孔插塞192添加各种大小的图案化的孔或添加标靶座190的任何其他壁来控制掺杂材料从标靶座190的馈送速率。标靶座190的壁中的任一者可以是多孔材料且用于控制掺杂材料向电弧室100中的馈送。

掺杂材料195(例如铟、铝、锑或镓)可设置在标靶座190的囊191内。掺杂材料195在放置在囊191中时可呈固态形式。掺杂材料195可呈材料块、锉屑、刨屑、球体的形式或呈其他形状。在某些实施例中，掺杂材料195可熔融且成为液体。因此，在某些实施例中，标靶座190被配置成进入电弧室100，以使得敞口端面朝上且密封底部面朝下，以使得熔融的掺杂材料195无法从标靶座190流动到电弧室100中，而是留存在标靶座190中。换句话说，IHC离子源10及标靶座190被定向成使得掺杂材料195依靠重力固持在囊191内。

热电偶198可靠近标靶座190或掺杂材料195。此热电偶198可与控制器180连通。热电偶198可包括将热电偶198电连接到控制器180的一条或多条导线199。

在某些实施例中，热电偶198可固定到标靶座190的外侧。在其他实施例中，热电偶198可包括可用于相对于标靶座进行位置的坚硬护套。在另一实施例中，热电偶测量点可直接位于容纳掺杂材料195的囊191之内。在这些实施例中，可使用陶瓷绝缘体护套保护热电偶导线以防止热电偶198被腐蚀。

在操作期间，细丝电源165使电流穿过细丝160，此使得细丝160发射热离子电子。这些电子撞击可比细丝160更正的阴极110的后表面，从而使得阴极110受热，此继而使得阴极110将电子发射到电弧室100中。这些电子与通过气体入口106馈送到电弧室100中的气体的分子碰撞。可通过处于适合位置的气体入口106将载运气体(例如氩)或蚀刻气体(例如氟)引入到电弧室100中。来自阴极110的电子、气体及正电势组合而形成等离子体。在某些实施例中，电子及正离子可稍微受磁场约束。在某些实施例中，等离子体被约束成邻近电弧室100的中心且靠近提取孔口140。通过等离子体进行的化学蚀刻或溅镀将掺杂材料195变换成气相且实现离子化。然后，可通过提取孔口140提取经离子化的原料材料并用于制备离子射束。

用于将等离子体维持在比标靶座190更正的电压下，因此朝向等离子体吸引被溅镀或以其他方式从掺杂材料195释放的负离子及中性原子。

在某些实施例中，由于所述等离子体形成的热量，掺杂材料195被加热且气化。然而，在其他实施例中，也可通过额外手段对掺杂材料195进行加热。举例来说，可在标靶座190内或在标靶座190上设置加热元件170以进一步对掺杂材料195进行加热。加热元件170可以是电阻加热元件或一些其他类型的加热器。

在某些实施例中，标靶座190可由导电材料制成且可接地。在不同的实施例中，标靶座190可由导电材料制成且可电浮置。在不同的实施例中，标靶座190可由导电材料制成且可维持在与壁101相同的电压下。在其他实施例中，标靶座190可由绝缘材料制成。

在又一实施例中，可相对于电弧室100对标靶座190进行电偏置。举例来说，标靶座190可由导电材料制成且可由独立电源(未示出)进行偏置以处于与壁101不同的电压下。此电压可具有比施加到壁101的电压更正的值或更负的值。如此一来，可使用电偏置来溅镀掺杂材料195。

控制器180可使用热电偶198监测掺杂材料195的温度。在某些实施例中，控制器180可与热电偶198以及与加热元件170连通。因此，控制器180可控制加热元件170将掺杂材料195维持在所期望温度或预定温度下。换句话说，控制器180可变更通过加热元件170的电流以维持由热电偶198来进行测量的所期望温度。此可使得控制器180能够控制掺杂材料195到电弧室100中的馈送速率。在其他实施例中，控制器180可间接测量掺杂材料195的温度，例如通过测量标靶座190或一些其他组件的温度。

标靶座190与轴200的一个端连通。轴200的相对的端可与致动器总成300连通。致动器总成300可直接附接到壁101中的一者。在其他实施例中，致动器总成300可从壁101退回以使得能够从电弧室100的主圆柱体取出标靶座190。致动器总成300的动作使得标靶座190能够在电弧室100内线性地移动。

图2示出致动器总成300的一个实施例。在此实施例中，致动器总成300包括后壳体310及前壳体340。前壳体340可栓锁到或以其他方式连接到电弧室100的壁101中的一者。作为另外一种选择，前壳体340可从壁101退回。可使用外壳体360来连接后壳体310与前壳体340。

后壳体310之内具有致动器320。致动器320可具有驱动轴325。在某些实施例中，致动器320是电动机，但可使用其他类型的致动器。在一个实施例中，驱动轴325具有带螺纹的远端326。对应带螺纹的构件330可与带螺纹远端326连通。带螺纹构件330可附固到轴200。如此一来，当驱动轴325旋转时，根据旋转方向将带螺纹构件330牵引到致动器320或使螺纹构件330移动远离致动器320。由于轴200附固到带螺纹构件330，因此驱动轴325的旋转移动使轴200类似地在X方向上线性地平移。此使得标靶座190在电弧室100内设置在不同的位点中。

在此实施例中，轴200包括固持板210。固持板210在前壳体340后方设置在致动器总成300之内。固持板210焊接或以其他方式连接到波纹管350。在某些实施例中，波纹管350可以是金属。波纹管350也可焊接或以其他方式附接到后壳体310。波纹管350与固持板210形成电弧室100中的真空条件与电弧室100之外的大气条件侧之间的屏障。因此，当驱动轴325旋转时，波纹管350基于轴200的运动方向而扩张及收缩。

注意，在维护真空条件的完整性的同时将热电偶198设置在电弧室100之内且需要使导线199退出电弧室100。在图2的实施例中，第一连接件390在前壳体340上安装在电弧室100之内。导线199从致动器总成300之外延伸到第一连接件390。在此实施例中，可在后壳体310中形成通道311以使得导线199能够从致动器总成300穿行出去。然后，导线199可在波纹管350与外壳体360之间的空间中穿行。此空间是真空环境的一部分，且因此使用真空馈通件370来维持真空。真空馈通件是使得导线199能够穿行但维持馈通件两侧之间的压力差的构件。因此，导线199穿过后壳体310中的通道311，然后穿过真空馈通件370。然后，导线199穿过外壳体360与波纹管350之间的空间且最后端接在第一连接件390处。

第二连接件391与第一连接件390配合。热电偶导线197从第二连接件391延伸到热电偶198。热电偶198可以是K型热电偶。此外，附接到热电偶198的热电偶导线197可为绝缘的。举例来说，在一个实施例中，两条热电偶导线197中的每一者个别地涂布有绝缘材料。然后，所述两条热电偶导线197可一起缠绕在铬镍铁合金编带中。换句话说，个别地对热电偶导线197进行涂布以达成电绝缘且然后将热电偶导线197缠绕成对以保护其不受电弧室100中的恶劣环境影响。在另一实施例中，热电偶导线197可包装在氧化铝管中。

在某些实施例中，热电偶导线197是盘绕的，如图2中所示。如此一来，当将标靶座190延伸且取出，热电偶导线197盘绕及解开以补偿长度的改变。

在一个实施例中，热电偶198、热电偶导线197及第二连接件391可以是可替换部件。此外，如上文所述，热电偶导线197在此实施例中可个别地绝缘且然后缠绕在编带中。此外，热电偶导线197可以是盘绕的以使得能够在不发生扭结或干扰的情况下改变长度。

可将加热元件170设置在标靶座190内或设置在标靶座190上以进一步对掺杂材料195进行加热。在某些实施例中，与加热元件170相关联的导线是与热电偶导线197一起敷设。

可以多种方式将热电偶198附接到标靶座190，所述多种方式在下文加以阐述。

图3示出致动器总成300的第二实施例。组件中的很多组件与图2中所示的相同且已被给予完全相同的参考标示符。在此实施例中，轴200可以是中空的，以使得可穿过轴200的内部敷设热电偶导线197。轴200还具有通向中空内部的开口201。开口201可位于固持板210的远离标靶座190的一侧上。如此一来，开口201处于大气条件下。如果热电偶198位于轴200的中空内部内，则可不需要真空馈通件。然而，如果热电偶198位于标靶座190的外表面上(例如图4中所示)，则可使用真空馈通件370维护电弧室100内的真空。真空馈通件370将设置在通向轴200的中空内部的进口处。

热电偶导线197穿过开口201且可通过后壳体310中的通道311退出。在某些实施例中，可使用一个或多个缆线支座351将热电偶导线197保持在适当位置。在某些实施例中，与控制器180连通的导线199与穿过轴200的中空内部的热电偶导线197相同。在其他实施例中，连接件可设置在热电偶198与控制器180之间以形成两个单独的导线区段。举例来说，热电偶导线的暴露于等离子体的部分可需要更经常地替换。因此，可通过在热电偶198与控制器180之间插入连接件来将导线的此节段形成为可替换单元。

因此，在此实施例中，轴具有用于将热电偶导线197从热电偶198敷设到致动器总成300的内部的中空内部。如所述，如果热电偶198设置在真空条件下，那么可在通向轴200的内部的进口处采用真空馈通件370，如图4中所示。

在某些实施例中，热电偶导线197个别地绝缘且然后一起缠绕在铬镍铁合金编带或氧化铝管中。在其他实施例中，由于轴200保护热电偶导线，因此不采用铬镍铁合金编带。

图2-4阐述可用于将导线从控制器180敷设到热电偶198的数个系统。图5-9示出关于将热电偶198放置在标靶座190上的各种实施例。

图5示出标靶座190的放大视图。在某些实施例中，标靶座190包括标靶基座193，标靶基座193附固或以其他方式附接到轴200。标靶座190也可包括坩埚196。坩埚196容纳掺杂材料195。在某些实施例中，坩埚196可由石墨制成。在一些实施例中，坩埚196可以是具有两个敞口端的中空圆柱体。坩埚196与标靶基座193之间可设置有坩埚插塞194。坩埚插塞194用于塞住坩埚196的敞口端中的一者。可使用夹钳410将标靶基座193稳固到坩埚196。如上文所述，可使用多孔插塞192来塞住坩埚196的第二敞口端。如上文所述，此多孔插塞192可由石墨泡沫或另一适合的材料制成。

在图5的实施例中，热电偶198安装在坩埚196的外表面上。灌封材料400可用于将热电偶198保持在适当位置。可沿着标靶座190的外侧敷设热电偶导线197。

图6示出标靶座190的另一实施例。组件中的很多组件与图5中所示的相同且已被给予完全相同的参考标示符。在此实施例中，在标靶基座193中且可选地在坩埚插塞194中形成有导管420。热电偶导线197穿过导管420且热电偶198安装在坩埚196的外表面上，就像图5中一样。可使用灌封材料400将热电偶198保持在适当位置。

图7示出标靶座190的另一实施例。组件中的很多组件与图6中所示的相同且已被给予完全相同的参考标示符。在此实施例中，并非是使用灌封材料，而是使用紧定螺钉430来将热电偶198保持在适当位置。紧定螺钉430可旋拧到坩埚196中的带螺纹浅孔中。在一些实施例中，带螺纹浅孔不穿过坩埚196的内部。

注意，紧定螺钉430可与图5的实施例搭配使用。换句话说，热电偶导线197可敷设在标靶座190的外侧周围且使用紧定螺钉430稳固到坩埚196。

总之，图5-7示出热电偶198与坩埚196的外表面接触的不同的标靶座190。可使用灌封材料400或紧定螺钉430将此热电偶198附固到坩埚196。也可采用其他紧固技术。

另外，热电偶198可嵌置在坩埚196的壁中。图8A示出坩埚的壁中形成有通道440的实施例。组件中的很多组件与图6中所示的相同且已被给予完全相同的参考标示符。通道440比坩埚196的壁的宽度窄。热电偶198插入到通道440中。可使用灌封材料(未示出)将热电偶198保持在适当位置。在此实施例中，通道440可延伸穿过标靶基座193且可选地延伸穿过坩埚插塞194。在图8B中所示的另一实施例中，通道440在坩埚196的外表面上退出。在此实施例中，通道不延伸穿过标靶基座193或坩埚插塞194。

在另一实施例中，通道440可延伸到囊191，以使得热电偶198实际上与囊191的内部和/或掺杂材料195接触。在这些实施例中，可采用陶瓷绝缘体护套来保护热电偶198及热电偶导线197。

热电偶198也可与坩埚插塞194接触，如图9A-9C中所示。组件中的很多组件与图6中所示的相同且已被给予完全相同的参考标示符。在这些实施例中，标靶基座193中设置有空腔450。空腔450提供可放置热电偶198的位点。在标靶基座193中形成有从标靶基座193的外侧到空腔450的通道460。热电偶导线197经由通道460进入空腔450。图9A示出通过使用灌封材料400保持在适当位置的热电偶198。图9B示出使用紧定螺钉430保持在适当位置的热电偶198。图9C示出使用弹簧470保持在适当位置的热电偶198。当然，也可使用其他基于力的手段将热电偶198保持在适当位置。

虽然以上公开内容阐述用于将热电偶198的导线敷设到标靶座190的各种装置，但相同的技术也可用于将电阻导线敷设到标靶座190。这些电阻导线可用作加热元件170。举例来说，电阻导线可与坩埚196的外表面的全部或一部分接触，如图1-4中所示。可使用与图2-7中所示的手段相同的手段敷设电阻导线。作为另外一种选择，电阻导线可嵌置在坩埚的壁中，与图8A-8B中所示的实施例类似。在另一实施例中，电阻导线可与坩埚插塞194接触，例如图9A-9C中所示。当电流穿过电阻导线时，会产生热量。此可使得控制器180以另一机制控制掺杂材料195的温度。

在某些实施例中，电阻导线与热电偶导线197捆绑在一起。在这些实施例中，电阻导线是与热电偶导线197一起敷设。

在其他实施例中，电阻导线设置在单独的编带或捆束中，且与热电偶导线197横贯相同的路径。

在又一些其他实施例中，电阻导线可与标靶座190的一部分(例如坩埚196)接触，而热电偶198与标靶座190的另一部分(例如坩埚插塞194)接触。图10示出电阻导线500与热电偶导线197分离的实施例。此实施例类似于图2，但包括第三连接件510及第四连接件520。第三连接件510可安装到前壳体340。导线540从控制器180敷设到第三连接件510。在某些实施例中，用于敷设导线540的组件类似于用于敷设导线199的组件。举例来说，可采用通道311及真空馈通件370。电阻导线500可以是盘绕的以使得长度能够改变且可连接到坩埚的外表面或坩埚插塞。

尽管图10示出第三连接件及第四连接件，但应理解电阻导线500也可与导线199一起敷设且可使用较大的连接件。

作为另外一种选择，也可穿过轴200敷设电阻导线500，类似于图3-4中所示的导线199的敷设。

以上公开内容阐述使得控制器180能够使用热电偶198来测量组件(即坩埚、坩埚插塞等)的温度从而监测掺杂材料195的温度的各种实施例。控制器180可以各种方式使用此信息。

将掺杂材料195加热到处于预定范围内的温度可为有利的。举例来说，在低温下，掺杂材料195可不会熔融，且因此无法从标靶座190释放掺杂剂蒸气。然而，在过高的温度下，掺杂材料的熔融速率可太大。此可造成掺杂材料积聚在电弧室100中。另外，熔融速率的变化也可影响射束电流及其他参数。

通过监测标靶座190处或标靶座190附近的温度，控制器180可能够更好地调节掺杂材料195的温度。举例来说，控制器180可监测掺杂材料195的温度。如果温度未处于预定范围内，则控制器可通过细丝电源165来改变电流、改变电弧电压、改变阴极偏置电压、更改气体流动到电弧室100中的速率、改变标靶座190在电弧室100中的位置、变更射束提取电流或执行这些动作的组合。此外，如果第一电极及第二电极设置在壁101上，则也可由控制器180基于掺杂材料195的温度来变更施加到这些电极的电压。另外，在采用加热器的实施例(例如，通过使用电阻导线500)中，控制器180可变更通过加热器的电流以改变掺杂材料195的温度。

在某些实施例中，控制器180可基于掺杂材料195的温度移动标靶座190在电弧室100内的位置。举例来说，当标靶座190直接设置在界定在阴极110与推斥极120之间的圆柱形区中时，标靶座190可加热到较高的温度。为减缓对掺杂材料的加热，可将标靶座190线性地移动到此圆柱形区之外。反之，为提高掺杂材料195的温度，可将标靶座190移动到此圆柱形区中。

控制器180可采用各种闭环算法来基于热电偶198所获得的温度确定与IHC离子源10相关联的参数。

虽然以上公开内容阐述热电偶198的使用，但也可使用其他温度传感器。举例来说，光学测量、高温计及色点全部均是探测标靶座190的温度的间接方法。也可采用电阻温度探测器(RTD)及无线热电偶读取器。因此，以上公开内容并不仅限于使用热电偶。

此外，虽然以上公开内容阐述了热电偶198与标靶座190或掺杂材料195接触，但也可存在其他实施例。举例来说，热电偶198(或其他温度传感器)可测量电弧室100内的另一组件的温度且基于此测量的温度来估计掺杂材料的温度。此类其他组件可以是电弧室100的壁、轴200、推斥极120、前壳体340或另一组件。

此外，可使用开环技术执行上文所述的控制。举例来说，可收集经验数据以根据各种参数(例如，阴极偏置电压、电弧电压、原料气体流动速率及标靶座的位置)确定掺杂材料的温度。经验数据也可根据时间确定掺杂材料的温度。使用表或方程式，控制器180可变更参数中的一者或多者以将掺杂材料195维持在预定范围内。举例来说，控制器180可随时间推移而移动标靶座190以将其温度维持在所期望的范围内。

虽然以上公开内容阐述了在间接加热式阴极离子源中使用标靶座，但本公开并不仅限于此实施例。标靶座、致动器总成及热电偶也可用于其他离子源或等离子体源中，例如电容耦合等离子体源、电感耦合等离子体源、贝尔纳(Bernas)源或另一适合的源。

本申请在上文所述的实施例可具有很多优点。使用可插式标靶座使得能够在超过纯金属掺杂剂的熔融温度的环境中将所述纯金属掺杂剂用作溅镀标靶。传统上，使用含有熔融温度大于1200℃的掺杂剂的氧化物/陶瓷或其他固态复合物。使用含有掺杂剂的复合物而不是纯材料会严重稀释可用的掺杂材料。举例来说，当使用Al₂O₃作为纯铝的替代品时，陶瓷组分的化学计量不仅将杂质引入到等离子体中，进而可能引入与所关注掺杂剂重合的不期望的质量，而且也导致射束电流比纯元素标靶低。使用Al₂O₃也可导致产生例如氧化物及氮化物等不期望的副产品，所述副产品可沿着射束线沉积且损害离子植入机的操作。举例来说，可在使用Al₂O₃之后以化学方式清洁射束光学器件以维持离子射束的稳定性。

在一项实验中，使用纯铝溅镀标靶达成的射束电流高达4.7mA，而使用Al₂O₃标靶可达成的最大射束电流小于2mA。与从相同金属物种的氧化物/陶瓷所获得的射束电流相比，使用纯金属也将使多电荷射束电流提高50％到75％。通过可插式容器，可在需要时存取大体积的纯金属，且可从电弧室安全地移除固态标靶以利用其他物种。

此外，通过监测掺杂材料的温度，可对离子源加以控制以确保掺杂材料的熔融速率处于预定范围内。具体来说，在不进行温度控制的情况下，掺杂原料可能会变得不稳定且易于出现失控效应，所述失控效应可造成射束性能不一致且导致掺杂材料在电弧室中发生不期望的积聚。因此，温度控制能防止掺杂剂蒸气在电弧室中的指数增长。也使得能够更快地调谐离子源。

另外，通过监测掺杂材料的温度，可在射束调谐过程中使用此信息，因此使得射束性能更可靠。

本公开的范围不受本文中所述的具体实施例限制。实际上，通过阅读前述说明及附图，除本文中所述的实施例及润饰之外，所属领域的技术人员还将明了本公开的其他各种实施例及对本公开的各种润饰。因此，这些其他实施例及润饰皆旨在处于本公开的范围内。此外，尽管本文中已出于特定目的在特定的环境中在特定实施方案的上下文中阐述了本公开，但所属领域的技术人员应认识到，其有效性并不仅限于此且本公开可出于任何数目个目的而有益地实施在任何数目个环境中。因此，以上提出的权利要求应根据本文所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，包括：

电弧室，包括连接第一端与第二端的多个壁；

间接加热式阴极，设置在所述电弧室的所述第一端上；

标靶座，具有用于容纳掺杂材料的囊；

热电偶，与所述标靶座接触；以及

控制器，与所述热电偶连通，其中所述控制器基于由所述热电偶测量的温度变更所述离子源的参数。

2.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，所述致动器与所述标靶座连通以在第一位置与第二位置之间移动所述标靶座，且其中所述参数包括所述标靶座的位置。

3.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其中所述参数选自由以下组成的群组：电弧电压、细丝电流、阴极偏置电压、原料气体的流动速率及射束提取电流。

4.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，还包括与所述标靶座连通的加热元件，且其中所述参数包括供应到所述加热元件的电流。

5.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，还包括致动器总成，所述致动器总成包括：

导线，用于将所述热电偶电连接到所述控制器；

壳体，包括后壳体、前壳体及连接所述后壳体与所述前壳体的外壳体；

轴，附固到所述标靶座，且具有设置在所述壳体内的固持板；

波纹管，设置在所述壳体内且在一个端上附固到所述固持板并在相对的端上附固到所述后壳体；以及

致动器，用于线性地平移所述轴。

6.根据权利要求5所述的间接加热式阴极，包括安装在所述前壳体中的连接件，其中所述导线从所述控制器穿过所述外壳体与所述波纹管之间的空间并端接在所述连接件处；且所述间接加热式阴极包括第二连接件，所述第二连接件配合到所述连接件，其中热电偶导线设置在所述第二连接件与所述热电偶之间。

7.根据权利要求5所述的间接加热式阴极，其中所述导线穿过所述轴的中空内部。

8.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其中在所述标靶座的内表面上设置有空腔，且所述热电偶设置在所述空腔中。

9.一种标靶座，用于离子源中的容纳掺杂材料，所述标靶座包括：

标靶基座；

坩埚，被成形为中空圆柱体；

坩埚插塞，覆盖所述坩埚的一个敞口端且靠近所述标靶基座设置；

多孔插塞，覆盖所述坩埚的相对的端，其中气态掺杂材料能够穿过所述多孔插塞；以及

热电偶，与所述标靶座连通。

10.根据权利要求9所述的标靶座，其中所述热电偶附固到所述坩埚的外表面。

11.根据权利要求9所述的标靶座，其中所述热电偶设置在所述坩埚的壁中的通道中。

12.根据权利要求9所述的标靶座，其中在所述标靶基座中靠近所述坩埚插塞设置有空腔，且所述热电偶靠近所述坩埚插塞设置在所述空腔中。

13.根据权利要求12所述的标靶座，其中在所述标靶座中设置有通道，所述通道与所述空腔连通以允许导线敷设到所述热电偶。

14.根据权利要求9所述的标靶座，还包括附固到所述标靶基座的轴，其中所述轴的内部是中空的以允许导线穿过所述轴的中空的所述内部敷设到所述热电偶。

15.一种间接加热式阴极离子源，包括：

电弧室，包括连接第一端与第二端的多个壁；

间接加热式阴极，设置在所述电弧室的所述第一端上；

标靶座，具有用于容纳掺杂材料的囊，其中所述标靶座能够在所述电弧室内移动；以及

控制器，其中所述控制器基于所述掺杂材料的温度变更所述标靶座在所述电弧室内的位置。

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