CN117981037A - 延长寿命的双间接加热阴极离子源 - Google Patents

Abstract

离子源具有电弧室，该电弧室具有第一端和第二端。在电弧室的第一端处的第一阴极具有第一阴极主体和布置在第一阴极主体内的第一灯丝。在电弧室的第二端处的第二阴极具有第二阴极主体和布置在第二阴极主体内的第二灯丝。灯丝开关基于灯丝开关的位置选择性地将灯丝电源分别电耦合到第一灯丝和第二灯丝中的每一个。控制器控制灯丝开关的位置，以基于预定标准在多个切换周期内使灯丝电源的电耦合在第一灯丝和第二灯丝之间交替。预定标准可以是第一灯丝和第二灯丝的运行的持续时间。

Description

延长寿命的双间接加热阴极离子源

技术领域

本发明大体上涉及离子注入系统，更具体地涉及一种离子源，其具有多个间接加热阴极，该间接加热阴极选择性地电耦合到灯丝电源以增加离子源的寿命。

背景技术

在半导体器件的制造中，采用离子注入以利用杂质来掺杂半导体。离子注入系统通常用于用来自离子束的离子来掺杂工件，例如半导体晶片，以便在集成电路的制造过程中生成n型或者P型材料掺杂，或者形成钝化层。这种射束处理通常用于以预定能级和受控的浓度选择性地将特定掺杂剂材料的杂质注入晶片，以在集成电路的制造过程中产生半导体材料。在用于掺杂半导体晶片时，离子注入系统将选定的离子种类注入至工件中以产生所需的非本征材料。举例而言，注入从源材料(如，锑、砷或磷)产生的离子而产生“n型”非本征材料晶片，而“p型”非本征材料晶片通常由源材料(如，硼、镓或铟)产生的离子产生。

典型的离子注入机包括离子源、离子提取装置、质量分析装置、射束输送装置和晶片处理装置。离子源产生所需的原子或分子掺杂剂种类的离子。这些离子由提取系统(通常是一组电极)从源中提取，该提取系统向来自源的离子流供能并引导其流动，从而形成离子束。在质量分析装置中从离子束中分离出所需的离子，该质量分析装置通常是对所提取的离子束进行质量分散或分离的磁偶极子。射束输送装置通常是包含一系列聚焦装置的真空系统，该射束输送装置将离子束输送到晶片处理装置，同时保持或改善离子束的所需特性。最后，半导体晶片经由晶片处置系统转移到晶片处理装置中和从晶片处理装置中转移出来，该晶片处置系统可以包括一个或多个机器手臂，用于将待处理的晶片置于离子束前，以及将处理过的晶片从离子注入机移除。

离子源(通常称为电弧放电离子源)产生用于注入机的离子束，并且可以包括用于产生离子的加热灯丝阴极，这些离子成形为用于晶圆处理的适当离子束。举例而言，授予Sferlazzo等人的第5，497，006号美国专利公开了一种离子源，该离子源具有由基底支撑并且相对于气体限制室定位的阴极，用于将电离电子喷射到气体限制室。Sferlazzo等人所公开的阴极是管状导电体，其具有部分延伸到气体限制室中的端盖。灯丝支撑在管状体内并发射电子，该电子通过电子轰击来加热端盖，从而热电离地将电离电子发射到气体限制室中。

通常，灯丝位于腔室的一侧。在诸多流行的离子源中，实施了间接加热阴极(Indirectly Heated Cathode，IHC)，其中钨帽位于灯丝上，并且由此灯丝加热该钨帽，而该钨帽保护灯丝以增加离子源的寿命。然而，随着时间的推移，该钨帽或阴极会被溅射掉。这样，帽的厚度会做的很大，由此灯丝加热到高温以发射大量的电子。因此，在这种情况下，帽像灯丝一样起到发射电子的作用，但是由于其厚度很大，可以获得更长的寿命。

离子源的寿命是离子注入机关注的重要问题，其中离子源的故障可能导致不必要的定期维护和停机时间。举例来说，阴极故障通常是影响离子源寿命的主要因素，特别是当形成多电荷砷离子束时。

发明内容

因此，本公开提供了一种用于增加离子源的效率和寿命的各种系统和方法。因此，以下给出了本公开的简化概述，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。本概述不是本发明的广泛概述。其既不旨在识别本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。其目的在于以简化形式给出本发明的一些概念，作为随后呈现的更详细描述的序言。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于离子注入系统的离子源，其中离子源包括电弧室，其具有第一端和第二端。例如，与电弧室的第一端相关联的第一阴极包括第一阴极主体和布置在第一阴极主体内的第一灯丝。例如，第一阴极限定第一间接加热阴极。例如，与电弧室的第二端相关联的第二阴极包括第二阴极主体和布置在第二阴极主体内的第二灯丝。例如，第二阴极限定第二间接加热阴极。

根据一个示例，提供了灯丝电源，并且灯丝开关被配置为基于灯丝开关的位置选择性地将灯丝电源分别电耦合到第一灯丝和第二灯丝中的每一个。例如，进一步提供了控制器，且控制器被配置为控制灯丝开关的位置，以基于一个或多个预定标准在多个切换周期内使灯丝电源的选择性电耦合在第一灯丝和第二灯丝之间交替。

举例而言，一个或多个预定标准可以包括灯丝电源电耦合到第一灯丝的相应的第一预定持续时间和灯丝电源电耦合到第二灯丝的第二预定持续时间。例如，一个或多个预定标准还可以包括灯丝电源在多个切换周期内电耦合到第一灯丝的第一总时间和灯丝电源在多个切换周期内电耦合到第二灯丝的第二总时间。在一个示例中，对于多个切换周期中的至少一个，第一灯丝的电耦合的第一预定持续时间和第二灯丝的电耦合的第二预定持续时间可以彼此不同。在另一示例中，第一总时间和第二总时间大致相等。在又一示例中，一个或多个预定标准可以包括第一阴极主体和第二阴极主体的一个或多个相应壁的预定厚度。

根据另一示例方面，第一阴极主体和第二阴极主体是相同的。在另一示例方面，第一阴极主体包括面向电弧室的第二端的第一端壁，并且第二阴极主体包括面向电弧室的第一端的第二端壁。第一端壁具有第一壁厚度，第二端壁具有第二壁厚度，并且其中第二壁厚度大于第一壁厚度。

根据另一示例，灯丝开关包括继电器，其中控制器被配置为经由继电器的控制使灯丝电源的电耦合在第一灯丝和第二灯丝之间交替。

在又一示例中，离子源还包括阴极电源和阴极开关，阴极开关被配置为至少部分地基于阴极开关的位置选择性地将阴极电源分别电耦合到第一阴极和第二阴极中的每一个。例如，控制器可进一步被配置为至少部分地基于灯丝开关的位置控制阴极开关的位置。

根据另一示例性方面，提供了一种用于离子注入系统的离子源，该离子源包括电弧室，其具有第一端以及与第一端相对的第二端。例如，第一阴极定位于邻近电弧室的第一端，其中第一阴极包括第一阴极主体，其具有面向电弧室的第二端的第一端壁，和第一灯丝，其布置在第一阴极主体内。例如，第二阴极定位于邻近电弧室的第二端，其中第二阴极包括第二阴极主体，其具有面向电弧室的第一端的第二端壁，和第二灯丝，其布置在第二阴极主体内。

在本示例中，进一步提供灯丝电源和灯丝开关，其中灯丝开关被配置为基于灯丝开关的位置选择性地将所述灯丝电源分别电耦合到第一灯丝和第二灯丝中的每一个。控制器进一步被配置为控制灯丝开关的位置，以基于一个或多个预定标准在多个切换周期内使灯丝电源的电耦合在第一灯丝和第二灯丝之间交替。

例如，一个或多个预定标准可以包括灯丝电源在多个切换周期内电耦合到第一灯丝的第一总时间，以及灯丝电源在多个切换周期内电耦合到第二灯丝的第二总时间，其中第一总时间和第二总时间大致相等。

例如，一个或多个预定标准可以包括针对多个切换周期中的至少一个周期的第一灯丝的运行的第一预定持续时间，和多个切换周期中的至少一个周期的第二灯丝的运行的第二预定持续时间，其中第一灯丝的运行的第一预定持续时间和第二灯丝的运行的第二预定持续时间彼此不同。然而，在一示例中，在多个切换周期内，通过控制多个切换周期中的每一个的运行的第一和第二预定持续时间，可以使第一总时间和第二总时间大致相等。

在另一示例中，一个或多个预定标准可以包括第一端壁和第二端壁中的一个或多个的第一总时间和第二总时间的一个或多个上的预定薄化。在另一示例中，第一端壁可以由第一壁厚度初始限定，并且第二端壁可以初始由第二壁厚度限定，其中第二壁厚度大于第一壁厚度。

在又一示例中，进一步提供了阴极电源，其中阴极开关进一步被配置为至少部分地基于灯丝开关的位置选择性地将阴极电源分别电耦合到第一阴极和第二阴极中的每一个。

根据本公开的另一示例方面，提供了一种用于增加离子源的寿命的方法，例如该方法包括将源材料提供到电弧室，将灯丝电源电耦合到布置在电弧室内的第一间接加热阴极的第一灯丝，并且经由灯丝电源对第一灯丝供电，从而加热第一间接加热阴极以助于在电弧室内从源材料形成等离子体。例如，然后，灯丝电源可以从第一灯丝电解耦，并且将灯丝电源电耦合到布置在电弧室内的第二间接加热阴极的第二灯丝。因此，经由灯丝电源对第二灯丝供电，从而加热第二间接加热阴极以助于在电弧室内形成等离子体。随后，将灯丝电源从第二灯丝电解耦。例如，灯丝电源与相应的第一和第二灯丝的耦合和解耦以及对相应的第一和第二灯丝供电可以重复任意次数的迭代，直到满足一个或多个预定标准。

例如，一个或多个预定标准可以包括灯丝电源电耦合到第一灯丝的第一总时间和灯丝电源电耦合到第二灯丝的第二总时间的一个或多个。例如，第一总时间和第二总时间大致相等。在另一示例中，经由灯丝电源对第一灯丝供电第一预定持续时间，并且经由灯丝电源对第二灯丝供电第二预定持续时间，其中，第一预定持续时间和第二预定持续时间基于重复迭代选择性可变。

为了实现前述及相关的目的，本公开包括以下在权利要求中充分描述和特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例指示了可以使用本发明的原理的多种方式中的若干方式。当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优点和新颖特征将从本发明的一下详细描述中变得显而易见。

附图说明

图1是根据本公开的若干方面的利用离子源的示例性真空系统的框图；

图2是根据本公开的若干方面的示例的电弧室的侧视图的框图；

图3是根据本公开的若干方面的示例的离子源的示意框图；

图4是根据本公开的若干方面的另一个示例的离子源的示意框图；

图5是根据本公开的若干方面的改进离子源的寿命的方法；

图6是根据本公开的若干方面的使用不同厚度的阴极实现的不同离子源的寿命的曲线图。

具体实施方式

本公开大体上针对一种离子注入系统和与其相关的离子源。更具体而言，本公开针对一种用于增加离子源的离子束电流和寿命的系统和装置。因此，现在将参考附图来描述本发明，其中，通篇中相同的附图标记可以用于指代相同的元素。应当理解的是，对这些方面的描述仅仅是说明性的，并且其不应当以限制性的意义来解释。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的每一个的情况下实施。此外，本发明的范围不旨在受在下文中参照附图描述的实施方式或示例的限制，而是旨在仅受所附权利要求及其等同物的限制。

还应注意的是，提供附图是为了给出本公开实施例的一些方面的说明，因此应仅视为示意图。特别是，附图中所示出的元件不必彼此成比例，并且附图中各种元件的放置选择是为了提供对相应实施例的清晰理解，且不应被解释为在根据本发明的实施例的实施中不同部件的实际相对位置的表示。此外，除非另有特别说明，本文所描述的各种实施例和示例的特征可以相互组合。

还应当理解的是，在以下描述中，附图中所示或本文所描述的功能块、设备、组件、电路元件或者其他物理或功能单元之间的任何直接连接或者耦合也可以通过间接连接或者耦合来实现。此外，应当理解的是，附图中所示的功能块或者单元在一个实施例中可以作为单独的特征或者组件实现，并且还可以或者可替换地在另一个实施例中完全或部分地在共同的特征或组件中实现。

为了更好的地理解本公开的各个方面，现参考附图，图1示出了一种示例性的真空系统100，其可以实现本公开的各种装置、系统和方法。本示例中的真空系统100包括离子注入系统101，然而其他各种类型的真空系统也考虑在内，如等离子体处理系统或其他半导体处理系统。例如，离子注入系统包括终端102、束线组件104和终端站106。

一般而言，终端102中的离子源108耦合到电源110，由此供应到其的源气体112(也称为掺杂气体)被电离成多个离子以形成离子束114。本示例中，离子束114被引导穿过射束转向装置116，并朝向终端站106从孔118射出。在终端站106中，离子束114轰击工件120(例如，诸如硅晶片、显示面板等半导体)，工件120被选择性地夹持或安装到卡盘122(例如，静电卡盘(Electrostatic Chuck，ESC))。一旦嵌入工件120的晶格中，所注入的离子就会改变工件的物理和/或化学特性。因此，离子注入用于半导体器件制造和金属精加工，以及在材料科学研究中的各种应用。

本公开的离子束114可以采用任何形式，如铅笔束或点束、带状束、扫描束，或者离子被引导朝向终端站106的任何其他形式，并且所有这些形式都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124，诸如真空室126，其中处理环境128与处理室相关联。例如，处理室124内的处理环境128包括由真空源130(例如，真空泵)产生的真空，真空源130耦合到处理室并被配置为大体上排空处理室。此外，提供了控制器132用于真空系统100的整体控制。

本公开提供了一种装置，其被配置为提高离子源108的射束电流和利用，同时减少上述离子注入系统101中的离子源的停机时间。应理解的是，本公开的装置可以在各种半导体处理设备中实施，例如CVD、PVD、MOCVD、蚀刻设备和各种其他半导体处理设备，并且所有这些实施都落入本公开的范围内。本公开的装置进一步有利地增加了离子源108在预防性维护周期之间的使用时间，并且因此增加了真空系统100的整体生产率和使用寿命。

例如，离子源108在离子注入系统101中发挥着重要的作用。因此，离子源108的性能可在与离子注入系统101相关联的度量(诸如吞吐量、正常运行时间、故障率)以及所需的注入参数(诸如所需的离子种类的能量状态)中发挥着重要作用。

例如，当将砷(As)离子注入工件120中时，从离子源108提取多电荷砷离子以形成离子束114。然而，砷由于其高原子质量，通常在离子源内产生高溅射率。高电弧电压和电弧电流也由电源110提供以用于多电荷操作，从而进一步提高离子源108内诸如阴极(图1未示出)等组件上所看到的溅射率。在传统的系统中，这种溅射会导致离子源的阴极的寿命降低。在某种程度上，增加阴极的厚度可以增加其寿命，然而，由于难以控制这种增厚阴极的加热和操作，增加阴极的厚度以延长其使用寿命的程度是有限的。

本公开提供了一种通过在离子源内提供多个阴极来增加离子源108的寿命的新方法，其中以交替的方式将电源选择性地施加到多个阴极。如图2所示的第一个示例所示的，其示出了一种离子源室200，其中电弧室202限定了用于形成离子的封闭区域204，其中图1中的离子束114通过限定在该电弧室中的提取孔206提取。例如，图2的电弧室202具有第一端208和第二端210，其中第一阴极212定位于邻近电弧室的第一端。例如，第一阴极212包括第一阴极主体214，由此第一灯丝216布置在第一阴极主体内。在本示例中，第一阴极主体214大体上是中空的，并且包括具有第一主体壁厚度222的第一主体壁220(例如，面向电弧室202的第二端210的第一端壁221)，其中第一灯丝216大体上被第一主体壁所包围。在图2所示的布置中，第一阴极212因此大体上限定了第一间接加热阴极224。

例如，第二阴极226进一步定位于邻近电弧室202的第二端210，其中第二阴极包括第二阴极主体228，第二阴极主体228具有设置在第二阴极主体内的第二灯丝230。例如，第二阴极主体228大体上是中空的，并且包括具有第二主体壁厚度234的第二主体壁232(例如，面向电弧室202的第一端208的第二端壁233)，其中第二灯丝230大体上被第二主体壁所包围。在图2所示的布置中，第二阴极226因此大体上限定第二间接加热阴极236。

在图2所示的本示例中，第一阴极212和第二阴极226大体上相同，并且第一主体壁厚度222约等于第二主体壁厚度234。然而，应当注意的是，第一阴极212的配置、尺寸和形状可与第二阴极226的配置、尺寸和形状不同。例如，第一主体壁厚度222可以小于第二主体壁厚度234(例如，如图3所示)，或反之亦然，如下文将进一步讨论的。

如图3所示的示例性离子源250中所示的，本公开进一步提供了灯丝电源252，其中灯丝开关254被配置为基于灯丝开关的位置选择性地将灯丝电源电耦合到第一灯丝216和第二灯丝230中的每一个。如图3所示，灯丝开关254定位成从灯丝电源252向第二阴极226的第二灯丝230供电。虽然灯丝开关254可以手动控制，但本公开进一步提供了控制器256，其被配置为控制灯丝开关的位置，以使灯丝电源252的选择性电耦合在第一灯丝216和第二灯丝230之间交替。例如，灯丝开关254包括继电器258，其中控制器被配置为经由继电器的控制使灯丝电源252的电耦合在第一灯丝216和第二灯丝230之间交替。

例如，控制器256可以是用于离子源250的局部控制的独立控制器。在一个示例中，控制器256可以结合到图1所示的控制器132中，提供对真空系统100的其他各种组件的整体控制。所有这样的控制器，包括相关联的软件和逻辑，以及操作员的手动控制，都视为落入本公开的范围内。

根据本示例，例如图3中的控制器256被配置为多次将灯丝电源252交替地电耦合到相应的第一灯丝216和第二灯丝230，从而定义多个切换周期。例如，“切换周期”包括将灯丝电源252的电耦合从第一灯丝216切换到第二灯丝230，并且再切换回第一灯丝。

例如，通过控制器256对灯丝电源252在第一灯丝216和第二灯丝230之间的电耦合的交替是基于一个或多个预定标准。在一个示例中，一个或多个预定标准包括对于任何给定的切换周期，灯丝电源252电耦合到第一灯丝216的相应的第一预定持续时间，以及灯丝电源电耦合到第二灯丝230的相应的第二预定持续时间。在运行过程中，例如，在第一预定持续时间内，第一灯丝216加热第一阴极212以助于在电弧室202的封闭区域204内形成等离子体(未示出)，并随后通过提取孔206提取离子。同样，在第二预定持续时间内，第二灯丝230加热第二阴极226以助于在电弧室202的封闭区域204内形成等离子体，并随后通过提取孔206提取离子。

虽然第一预定持续时间和第二预定持续时间可以相等，但是在一个示例中，对于多个切换周期中的至少一个周期，第一预定持续时间和第二预定持续时间可以彼此不同。在一个非限制性示例中，在第一切换周期中，第一灯丝216电耦合到灯丝电源252的第一预定持续时间为60分钟，而第二灯丝230电耦合到灯丝电源的第二预定持续时间为80分钟。在第二切换周期中，第一灯丝216电耦合到灯丝电源252的第一预定持续时间为90分钟，而第二灯丝230电耦合到灯丝电源的第二预定持续时间为70分钟。应当注意的是，虽然在此提供两个切换周期作为示例，但是任何数量的切换周期以及第一预定持续时间和第二预定持续时间都被认为落入本公开的范围内。

在前述示例中，所注意到的是，在两个切换周期中，灯丝电源252电耦合到第一灯丝216的第一总时间等于灯丝电源电耦合到第二灯丝230的第二总时间(例如，150分钟)。本公开了解到，在第一灯丝216和第二灯丝230电耦合到灯丝电源252的期间，提供大致相等的第一总时间和第二总时间，可以为第一阴极212和第二阴极226两者提供大致均匀的磨损。因此，灯丝电源252在第一灯丝216和第二灯丝230之间的电耦合的交替所基于的一个或多个预定标准可以包括灯丝电源在多个切换周期内电耦合到第一灯丝的第一总时间，以及灯丝电源在多个切换周期内电耦合到第二灯丝的第二总时间。在一个示例中，用于在第一灯丝216和第二灯丝230之间的切换所耗费的时间(例如，当在工件上没有进行注入时的时间)可以考虑在内，并且可在连续的周期中进行补偿。

根据另一示例性方面，本公开还进一步理解到，一个或多个预定标准可以进一步包括第一和第二阴极主体214、228的第一和第二壁222、234中的一个或多个的预定厚度。例如，预定厚度可以与在任何等离子体形成之前的开始厚度相关，或者与在等离子体形成及其随后的溅射和侵蚀之后相应的第一和第二壁222、234的减小的厚度相关。例如，对于第一和第二阴极主体214、228的第一和第二壁222、234中的一个或多个给定初始厚度，控制器256可被配置为控制灯丝电源252与第一和第二灯丝216、230之间的电耦合的切换达预定数目的切换周期，由此第一和第二总时间大致相等。这种控制可以进一步基于图1的真空系统100的工艺参数，例如给定批次的工件120以与图1的真空系统100相关联的预定参数来处理的时间长度。

在图3所示的示例中，阴极电源260电耦合到第一阴极212和第二阴极226，由此阴极电源相对于电弧电源262偏置第一和第二阴极，并且由此电弧电源相对于地偏置电弧室202。例如，图3所示的阴极电源260同时为第一阴极212和第二阴极226供电，由此在阴极之间切换的唯一电力来自第一灯丝216和第二灯丝230之间的切换。由此，阴极/反阴极(也称为反射极)关系一般由灯丝电源252在第一和第二阴极212、226的第一和第二灯丝216、230之间的切换来确定。

在图4所示的另一示例离子源264中，进一步提供阴极开关266，且阴极开关266被配置为选择性地将阴极电源260分别电耦合到第一阴极212和第二阴极226中的每一个。例如，阴极电源260到第一阴极212和第二阴极226的每一个的选择性电耦合是基于阴极开关266的位置，其中控制器256进一步被配置为至少部分地基于灯丝开关254的位置控制阴极开关的位置。在本示例中，阴极开关266被示为将阴极电源260电耦合到第二阴极226，同时允许第一阴极212浮置。

例如，与传统系统相比，本公开可以将离子源的寿命增加多达四倍。目前所预期的是从灯丝电源252到与第一和第二阴极212、226相关联的第一和第二灯丝216、230的电源切换对清洁或以其他方式刷新相应的第一和第二阴极具有积极的作用。发明人已通过实验表明，当对第一阴极212的第一灯丝216供电(而不对第二灯丝230供电)时，来自第一阴极的钨可沉积在第二阴极226上，且反之亦然，当对第二阴极的第二灯丝供电(而不对第一灯丝供电)时，来自第二阴极的钨可沉积在第一阴极上。如此，通过将电源切换到第一和第二灯丝216、230，钨就会从第一和第二阴极212、226上反复生长并溅射，由此可实现比传统系统更长的离子源寿命。通过提供上述切换周期，相信可以实现准清洁过程，由此使第一和第二阴极212、226的磨损比传统系统保持得更加均匀。

根据又一示例性方面，图5提供了一种用于提高离子源寿命的方法300。应当注意的是，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，但是可以理解的是，本发明并不受这样的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和/或与除本文所示和描述的步骤之外的其他步骤同时发生。此外，并非所有图示步骤是实施本发明方法所必需的。此外，可以理解的是，本发明的方法即可以结合本文所示和所描述的系统来实施，也可以结合未示出的其他系统来实施。

如图6所示，该方法从动作302开始，由此将源材料(例如，As、B、P等)提供到电弧室。在动作304中，将灯丝电源电耦合到布置在电弧室内的第一间接加热阴极的第一灯丝，并且在动作306中，经由灯丝电源对第一灯丝供电，从而加热第一间接加热阴极以助于在电弧室内从源材料形成等离子体。

在动作308中，将灯丝电源从第一灯丝电解耦，并将灯丝电源电耦合到布置在电弧室内的第二间接加热阴极的第二灯丝。在动作310中，经由灯丝电源对第二灯丝供电，从而加热第二间接加热阴极以助于在电弧室内形成等离子体。在动作312中，将灯丝电源从第二灯丝电解耦，并且在动作314中，重复动作304至312，直到满足如上所述的一个或多个预定标准。

根据本公开的又一方面，图6示出了图2-4中任一图中第一和第二阴极212、226的各种配置的曲线图400。例如，本公开认识到，当用作反射极或反阴极(例如，保持在与阴极相同的电势，但不被加热以通过热离子发射来发射电子)时，阴极是以比当相同部件被加热成为阴极所观察到的速率低大约50％的速率而溅射。

然而，本公开还进一步认识到，当运行混合物种时，可以基于溅射速率进一步改变切换周期和时间。此外，反射极(例如，非活性阴极)可在运行硼时进一步增加厚度。因此，当结合上述切换方案考虑时，体壁厚度的变化和物种的变化可以进一步增加离子源的寿命。

例如，本公开的离子源可以被配置为产生硼、磷和砷的离子以及其他种类的离子。然而，在这些特定的示例物种中，砷是最重的，具有最高的溅射速率系数。在较高的电荷状态(例如，As 4+)下，还实现了高电弧电压，其可以进一步影响离子源的寿命。例如，当使用BF₃注入硼离子时，卤素周期或其他效应将允许氟(F)与第一阴极的钨(W)反应，使得钨被吸引到离子源内可能更冷的各个表面，其中，钨解离，并随后钨沉积或“生长”在这些表面上。在本示例中，当向第一阴极供电时，钨可以以多孔方式沉积在第二阴极上。

然而，当将电弧电源从第一阴极切换到第二阴极时，在启动第二阴极时可能会遇到问题，即由于多孔钨的沉积(例如，钨可能进一步与磷、硼或砷等其他元素混合)，第二阴极表面特性发生变化，从而发射可能较低。因此，可能需要相当长的时间来清理或溅射掉这样的钨沉积。

本公开通过多次切换提供给第一灯丝与第二灯丝的灯丝电源，使得提供给第一阴极和第二阴极的电源交替多次，有利地避免了清洁或溅射第二阴极所需的如此长的时间。

可以理解的是，本公开可以结合阶梯式阴极，如马萨诸塞州贝弗利的艾克塞利斯科技公司共同申请的序列号为17/330,801的美国申请中所讨论的，其内容通过引用的方式全部并入本文。例如，上述描述的本公开的第一和第二阴极中的一个或多个可以包括这样的阶梯式阴极。

尽管本发明已经针对某个或某些实施例进行了展示和描述，但是应注意的是，上述实施例仅用作实现本发明的一些实施例的示例，并且本发明的应用并不局限于这些实施例。特别是关于由上述描述的部件(组件、器件、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“手段”的任何提及)旨在对应于执行所描述部件的指定功能(例如，功能等效)的任何部件。即使在结构上不等同于在本文所示的本发明的示例性实施例中执行功能的所公开的结构。此外，虽然本发明的特定特征可以仅针对几种实施例中的一种公开，但该特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，这对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的。因此，本发明并不限于上述实施例，而是旨在仅由所附权利要求及其等同物限制。

Claims (20)

1.一种用于离子注入系统的离子源，所述离子源包括：

电弧室，其具有第一端和第二端；

第一阴极，其与所述电弧室的第一端相关联，所述第一阴极包括第一阴极主体和布置在所述第一阴极主体内的第一灯丝；

第二阴极，其与所述电弧室的第二端相关联，所述第二阴极包括第二阴极主体和布置在所述第二阴极主体内的第二灯丝；

灯丝电源；

灯丝开关，其被配置为基于所述灯丝开关的位置选择性地将所述灯丝电源分别电耦合到所述第一灯丝和所述第二灯丝中的每一个；以及

控制器，其被配置为控制所述灯丝开关的位置，以基于一个或多个预定标准在多个切换周期内使所述灯丝电源的选择性电耦合在所述第一灯丝和所述第二灯丝之间交替。

2.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述一个或多个预定标准包括与每一个相应的切换周期关联的第一预定持续时间和第二预定持续时间，其中所述灯丝电源在所述相应的切换周期内的第一预定持续时间电耦合到所述第一灯丝，并且其中所述灯丝电源在所述相应的切换周期内的第二预定持续时间电耦合到所述第二灯丝。

3.根据权利要求2所述的离子源，其中，所述一个或多个预定标准还包括所述灯丝电源在所述多个切换周期内电耦合到所述第一灯丝的第一总时间，以及所述灯丝电源在所述多个切换周期内电耦合到所述第二灯丝的第二总时间。

4.根据权利要求3所述的离子源，其中所述第一总时间和所述第二总时间大致相等。

5.根据权利要求2所述的离子源，其中对于多个切换周期中的至少一个，所述第一预定持续时间和所述第二预定持续时间彼此不同。

6.根据权利要求1所述的离子源，其中所述一个或多个预定标准包括所述第一阴极主体和所述第二阴极主体的一个或多个相应壁的预定厚度。

7.根据权利要求1所述的离子源，其中所述第一阴极主体和所述第二阴极主体是相同的。

8.根据权利要求1所述的离子源，其中所述第一阴极主体包括面向所述电弧室的第二端的第一端壁，其中所述第二阴极主体包括面向所述电弧室的第一端的第二端壁，其中所述第一端壁具有第一壁厚度，其中所述第二端壁具有第二壁厚度，并且其中所述第二壁厚度大于所述第一壁厚度。

9.根据权利要求1所述的离子源，其中所述灯丝开关包括继电器，其中所述控制器被配置为经由所述继电器的控制使所述灯丝电源的电耦合在所述第一灯丝和所述第二灯丝之间交替。

10.根据权利要求1所述的离子源，还包括：

阴极电源；以及

阴极开关，其被配置为基于所述阴极开关的位置选择性地将所述阴极电源分别电耦合到所述第一阴极和所述第二阴极中的每一个，并且其中所述控制器还被配置为至少部分地基于所述灯丝开关的位置控制所述阴极开关的位置。

11.一种用于离子注入系统的离子源，所述离子源包括：

电弧室，其具有第一端以及与所述第一端相对的第二端；

第一阴极，其定位于邻近所述电弧室的第一端，其中所述第一阴极包括：

第一阴极主体，其具有面向所述电弧室的第二端的第一端壁；和

第一灯丝，其布置在所述第一阴极主体内；

第二阴极，其定位于邻近所述电弧室的第二端，其中所述第二阴极包括：

第二阴极主体，其具有面向所述电弧室的第一端的第二端壁；和

第二灯丝，其布置在所述第二阴极主体内；

灯丝电源；

灯丝开关，其被配置为基于所述灯丝开关的位置选择性地将所述灯丝电源分别电耦合到所述第一灯丝和所述第二灯丝中的每一个；以及

控制器，其被配置为控制所述灯丝开关的位置，以基于一个或多个预定标准在多个切换周期内使所述灯丝电源的电耦合在所述第一灯丝和所述第二灯丝之间交替。

12.根据权利要求11所述的离子源，其中，所述一个或多个预定标准包括所述灯丝电源在所述多个切换周期内电耦合到所述第一灯丝的第一总时间，以及所述灯丝电源在所述多个切换周期内电耦合到所述第二灯丝的第二总时间，其中所述第一总时间和所述第二总时间大致相等。

13.根据权利要求11所述的离子源，其中，所述一个或多个预定标准包括针对所述多个切换周期中的至少一个切换周期的所述第一灯丝的运行的相应的第一预定持续时间和针对所述多个切换周期中的至少一个切换周期的所述第二灯丝的运行的第二预定持续时间，其中所述第一灯丝的运行的第一预定持续时间和所述第二灯丝的运行的第二预定持续时间彼此不同。

14.根据权利要求11所述的离子源，其中所述一个或多个预定标准包括所述第一端壁和所述第二端壁中的一个或多个的预定厚度。

15.根据权利要求11所述的离子源，其特征在于，其中所述第一端壁具有第一壁厚度，其中所述第二端壁具有第二壁厚度，且其中所述第二壁厚度大于所述第一壁厚度。

16.根据权利要求11所述的离子源，还包括：

阴极电源；以及

阴极开关，其被配置为至少部分地基于所述灯丝开关的位置选择性地将所述阴极电源分别电耦合到所述第一阴极和所述第二阴极中的每一个。

17.一种用于增加离子源的寿命的方法，所述方法包括以下动作：

(a)将源材料提供到电弧室；

(b)将灯丝电源电耦合到布置在所述电弧室内的第一间接加热阴极的第一灯丝；

(c)经由所述灯丝电源对所述第一灯丝供电，从而加热所述第一间接加热阴极以助于在所述电弧室内从所述源材料形成等离子体；

(d)将所述灯丝电源从所述第一灯丝电解耦，并将所述灯丝电源电耦合到布置在所述电弧室内的第二间接加热阴极的第二灯丝；

(e)经由所述灯丝电源对所述第二灯丝供电，从而加热所述第二间接加热阴极以助于在所述电弧室内形成所述等离子体；

(f)将所述灯丝电源从所述第二灯丝电解耦；以及

(g)重复动作(b)至(f)直到满足一个或多个预定标准。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，动作(c)在第一预定持续时间执行，且其中动作(e)在第二预定持续时间执行，其中所述第一预定持续时间和所述第二预定持续时间基于动作(g)中执行的重复而选择性地可变。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个预定标准包括所述灯丝电源电耦合到所述第一灯丝的第一总时间和所述灯丝电源电耦合到所述第二灯丝的第二总时间中的一个或多个。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一总时间和所述第二总时间大致相等。