CN1192575A - 具有间接加热阴极的离子源阴极装置 - Google Patents
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Abstract
一种采用本发明的离子源(12)可用于离子掺杂器(10)上。此离子源有一气体密闭腔(76),该腔(76)有围成一气体离化区(R)的导电腔壁(130a、130b、130c、130d、130e、132)。气体密闭腔有一将离子发射出该腔(76)的一发射孔(78)。一基座(80,82,120)将气体密闭腔(76)相对结构(90,14)定位安置,将由气体密闭腔(76)中发射出的离子形成离子束(20)。
Description
本发明涉及具有离子发生源的离子掺杂器。离子发生源发射离子形成离子束，用于工件的离子束处理。
离子移植器广泛地用于处理硅片，它用离子束来轰击硅片。离子束以控制浓度的杂质来掺杂硅片，形成一半导体晶片，这些晶片又用来制造集成电路，在掺杂器中的重要的参数是在给定时间中能够处理的晶片数量即生产率。
高离子流掺杂器包括一转盘支承，用于将多个硅片移动通过离子束。随着支承转动晶片穿过离子束，离子束就冲击晶片表面。
中离子流掺杂器一次处理一片晶片。晶片放置于一盒子中，而且一次找出一片，将这一片置于台板上。然后使晶片沿掺杂方向定向，使离子束轰击这片晶片。这类中离子流掺杂器采用离子束成形电子线路，使较窄的离子束偏离其原始轨迹，对整个晶片表面有选择地掺杂处理。
在现有的掺杂器中用以产生离子束的离子源，一般包括加热的丝状阴极，它使用时逐渐消耗。在使用较短的一段时间后，丝状阴极必须更换，便再产生足够量的离子。加大丝状阴极更换间隔，使得用于掺杂硅片的时间加长，因而也就增大了掺杂器的效率。
授予Sferlazzo等的美国专利US5497006涉及一种离子源，其阴极支承于一基座上且与一气体密封腔相对，用于将离化电子射入气体密封腔内。此专利的阴极包括一管状导体和端盖，端盖部份地伸入到气体密封腔中。一丝极安装入该管状体内，并发射电子，通过电子轰击加热端盖，以热离子方式将离化电子发射入气体密封腔中。
本发明涉及一种离子掺杂器，它采用新型改良的离子发生源。本发明的离子发生源采用一种使阴极的丝极与等离子体流隔离的阴极。阴极及丝极的这种方案使更换或修理容易而快捷，使掺杂器的停机时间减少。
本发明的离子源有一气体密封腔，该腔有构成气体电离区域的腔壁，还有可使离子射出气体密封腔的出口。一气体输送系统将可离化的气体送入气体密封腔中。一基座支承着气体密封腔，使之正对着一种结构，该结构使得自气体密封腔射出的离子形成离子束。
将一阴极安装在相对所述气体密封腔的电离区域处，使之向气体密封腔的区域发射离化电子。将绝缘件与气体密封腔相连用以支承该阴极，使阴极与气体密封腔电气绝缘。阴极有一导电阴极体，阴极体有一内部区域及一外部表面，并伸入到气体密封腔中。一丝极由一绝缘件支承于阴极的导电阴极体内部，用于加热导电阴极体，使之将导电离电子从阴极体发射入所述气体密封腔中。
绝缘件既使阴极与气体密封腔对准，又使丝极与阴极体电气绝缘，推荐的绝缘料是一种由氧化铝作的陶瓷架。此架包括一制有沟槽的绝缘架体，沟槽从绝缘架体裸露表面向内延伸，以便在离子源运作期间阻止此裸露表面被离子源发射的材料涂覆。由于将导电材料置入绝缘件内，此绝缘件的设计使离子源故障减少。
在结合附图阅读了说明书后，对本发明所属领域的那些人员来说，就会进一步了解本发明的其余特点。对附图简要说明如下。
图1是用于对置于旋转支承上的硅片等工件进行离子束处理的离子掺杂器简图。
图2是体现本发明的离子发生源的局部剖示图。用于在图1所示掺杂器内产生离子束。
图3是离子发生源的一平面图，展示对丝极供电用的电子线路连接，丝极构成离子源阴极一部份并被隔离屏蔽。
图4是离子发生源的正视图，示意了离子发射出离子源所经过的弧槽。
图5是用于安装源阴极的结构的平面放大图。
图6是沿图5的6-6线剖切的视图。
图7是沿图5的7-7线剖切的视图。
图8是根据本发明设计的离子源部件立体图。
图9是用于将源阴极与等离子体腔电绝源的绝缘架的俯视图。
图10是沿图9的10-10平面看的视图。
图11是图9所示绝缘架的仰视图。
图12是图9所示绝缘架的一局部剖视视图。
图13是在离子源运作期间将电离电子发射入弧腔内部的一阴极端盖的侧视图。
图14是一离子源弧腔的正视图。
图15是沿图14之平面15-15观察的弧腔视图。
图16是沿图15之平面16-16观察的弧腔视图。
图17是沿图14之平面17-17观察的弧腔视图。
图18是沿图14之平面18-18观察的弧腔视图。
图19是将阴极体安装定位于弧腔中的一安装板的平面图。
图20是沿图19之线20-20观察的安装板视图。
图1示意离子掺杂系统10，它具有可体现本发明的一离子发生源12及由一高压壳座16支承的离子束分解磁体14。由源12发射的离子束20沿着一可控的行进轨道运行，从壳座16中射出，穿过真空管18，进入一离子掺杂腔22。沿着从源12到掺杂腔22的离子束20行进轨迹，离子束20被成形、过滤和加，使之达到具有所期望的掺杂能量。
分解磁体14只是使那些具有合适质荷比的离子到达掺杂腔22。在离子束20射出壳架16的区域，离子束穿过一个高压绝缘壳套26，它由电绝缘材料构成的、将高压壳架16与掺杂腔22绝缘。
离子掺杂腔22由可动的支座28支承，使得掺杂腔22与离子束20对准。离子束22轰击支承于可绕轴线42转动的晶片支承件40上的一片或多片硅片。晶片支承件40上沿其外周支承着多片硅片，并使这些硅片沿一园形轨道运动。离子束20撞击每一片硅片，并有选择地以离子杂质掺杂那些晶片。晶片支承件40的高速转动是由马达50控制，它使支承件40和晶片转动。线性驱动器52使支承件40在腔22内前后转换位置。支承件40的安装应使得来处理的晶片能移入到腔22中，已处理过的晶片则能从腔22中移走。与现有技术中的掺杂系统有关的其他细节包含在授权于Armstrong等的美国专利4672210中，该专利已转让于本发明的受让人了。该专利的基本内容作为本申请的参数文献。
硅片由机器人臂70通过一真空口71插入到离子掺杂腔22中。腔22由真空泵72抽真空，使其中的低压与真空管18的压力相同。机器人臂70将晶片从贮存晶片的盒箱73中来回传送。能完成这种传送的装置在现有技术中已广为人知。附加的真空泵74、75将从离子源12到掺杂腔22之间的离子束路径轨道抽真空。
离子源12有一个高密度等离子体弧腔76(图2)，在其前壁上有一长的大致为椭圆形的射出孔78，通过孔78离子从离子源中射出(图4)。安装在突缘82上的大致为园柱形的源壳80将弧腔76对离子束轨迹通道定位安装，且支承于高压壳架16内。有关现有技术中离子源的其它细节，公开在授予Benveriste等的美国专利US5026997，此专利已转让于本发明的受让人。在本申请中，将此专利作为参考资料，随着离子从等离子腔76移出，离开腔76后，它们由轴提式电极90(extraction electrode)建立起来的电场加速(图1)，抽提式电极90则刚好置于射出孔的外侧。分解磁体1 4产生一磁场。使具有合适质量的离子拐弯，进入掺杂轨道。这些离子自分解磁体14射出，并沿着通向掺杂腔22的行进轨道加速。掺杂器的控制器82置于高压壳架16内，它通过控制磁体磁场线圈内的电流，来调整分解磁体14的磁场强度。
离子源12产生大量的离子颗粒，其质量与用以掺杂的离子的质量不同。这些不需要的离子也被分解磁体14弯曲，使之离开掺杂轨道。重离子沿着半径大的轨迹，而轻于重离子用于掺杂作业的离子则沿一较小半径轨道传送。
离子源
本发明的离子发生源12(图2-5)有一个由源壳80后壁82支承的源支架120。支架120又支承着等离子体弧腔76及电子发射阴极124，在本推荐实施例中，阴极124由弧腔76支承，但是与弧腔76之间电绝缘。
一个源磁体(图中未示出)环绕着等离子体弧腔76(图14-18)，使等离子体产生的电子被约束在腔76内的行进轨道里。源支架120还构成了容纳汽化炉122、123的腔室，汽化炉122、123内可注入可汽化的固体如砷，这些固体汽化，通过排放喷嘴126、128射入等离子腔76中，等离子弧腔76也是一个长形金属铸件，它形成一个离化的内部区域R，它是由两长形侧壁1 30a、130b、顶壁和底壁130c、130d及前板132围成，前壁板132靠贴着离子化区R，弧腔76的两侧壁130a、130b向外伸出构成一支承突缘134，用以支承弧腔76。
板132与源壳80对准。如授予Trueira的美国专利US5420415所述，(该专利在此引作参考文献)，板132连接于校准件95，而校准件又安装于壳80上。简单地说，将标准件95插入源壳，使该件的平面与离子束轴线垂直。一旦安置定位完成，离子源就通过安装在对准件上的插塞销P(如图4所示)插上而与对准件连接。
四个长螺栓136各以其制有螺纹的端部分别穿过突缘134中的四个通孔138与源架120上的螺孔140结合。四个螺栓136穿过套146及簧148，簧148沿脱离源架120的方向推弧腔78，以便于弧腔与对准件95结合。
四个销150(在图8中仅能看到一个)插入到弧腔突缘132四个角部上的孔151中。这些销由弹簧152沿脱开源架120的方向推压。这些销略微加大的端150a装配于板132内，使板132与弧壳体76连接在一起。
汽化了的材料通过排放喷嘴126、128，从支承架120注入等离子体弧腔76中。在腔76的另一侧，通道141从腔76后端延伸，穿过一腔体，通向等离子体弧腔76内。此外，汽体可以通过此腔后壁130e上的孔口142导入腔76中。喷嘴144靠贴孔口142，并从一汽源或外供汽源中将汽导入弧腔76。
壁130d上有一个孔158，其大小可使得阴极124插入到等离子体弧腔76内，而不与其上开有孔158的腔壁130d接触。阴极124由安装到腔76后部的绝缘安装件150支承。装配于孔158的阴极体安装在由绝缘安装件150支承的金属安装板152上。
阴板体由三个金属件160，162及164构成。阴极124的外管件160由一种钼合金制作，管件160的下端161贴接安装板152。内管件162也由钼合金制作，其下端部是一制有螺纹的端部163。内管件162上的螺纹端163拧入安装板152上的螺纹孔167中。管件160、162最好做成圆柱形。
阴极124的端盖164(图13)是导电的，由钨制作。盖164安装于管件162端部的沉头孔中。沉头孔中有向内延伸的，其内径略小于盖164直径的一内突棱。在装配阴极124时，将盖164压入管件162中，而且在离子掺杂器10运作期间靠摩擦力使其保持在安装位置上。内、外管件160，162的长度这样选择，使盖164超出外管件160的端部，向上伸入到弧腔76。
两个导电安装臂170，171将一丝极178支承于阴极124内。臂170，171由穿过些臂与件150上的螺孔结合的连接件172，直接固定在绝缘架150上。导电的供能带来173，174与丝极连接，并通过动力传输线175，176由壳体80的突缘82传出的讯号供能。
两压板177a、177b将钨丝极178固定于由阴极的最靠内的管件162构成的腔C中。丝极178由弯成螺旋环状的钨丝制成(见图5)。丝极178的端部由第一和第二钼随件179a，179b支承，件179a，179b通过压板177a、177b与两臂170，171保持通电连接。
动力速接线175，176的电位差向钨丝极178供能时，丝极就发射电子，电子被加速撞向阴极124的端盖164。在盖164通过电子轰击而被充份加热时，就向弧腔76发射电子，电子撞击汽体分子，并在腔76中产生离子。于是形成了等离子体，等离子体内的离子射出孔78而形成离子束。盖164将丝极与腔76内的等离子件分隔开，因而延长丝极的寿命。此外，丝极的支承方式也有利于更换丝极。
由阴极124产生的电子，射入弧腔76后并不与汽体离化区内的气体分了结合，而是运动至反射板180附近。反射板180有一位于弧腔76内的金属件181，件181将电子反射入汽体离化区与汽体分子接触。金属件181是由钼作的。陶瓷绝缘件182将反射件181与等离子体弧腔76的下壁130℃的电位隔离。因此阴极124和反射板180与弧腔壁在电气与传热方面均是绝缘的。金属盖184防止反射件181短路，它防止了离子涂覆绝缘件182。
腔76的壁保持接地或一个基准电位。包括端盖164的阴极在腔壁接地的情况下保持50-150伏的电位。此电位通过动力连接线186加在板152上，动力连接线186将导电件187与支承阴板的板152连接。丝极178在端盖164接地的情况下保持200-600伏电压，阴极与丝极间的大电压差将高能传送给脱离丝极的电子，这些能量足以使端盖164加热并热发射电子进入腔76。在腔76内的汽体等离子体的电位作用下，使得反射件181浮动。
在授予Sferlazzo等的美国专利US5497006中公开了一种控制阴极与阳极(弧腔的腔壁)之间的电弧电流的线路草图。在此专利中介绍了该线路的运作情况，这些也作为本申请的参考文献。在产生离子期间，由于将离化能量射入弧腔而使源加热。该能量并不全用来离化弧腔中汽体，也产生一定量的热。此腔有供水连接器190，192，它们将冷却水通入源支架，并将加热水排出弧腔。
绝缘支架150
除了使阴极与弧腔绝缘外，绝缘架150还使丝极178相对阴极体及使阴极体相对弧腔定位安置。图9-12详细地展示了绝缘支架150。
绝缘支架150是一种细长形陶瓷电气绝缘架，它由99％的纯氧化铝Al2O3制作。架150有大致平的第一表面200，面200延伸至架的全宽、全长。平表面200与从弧腔76的后壁130e延伸出来的阴极安装突缘202相接(见图17)。在与第一平表面200相反的另一表面上，绝缘架150具有一个大致平整的阴极支承表面210，用于支承阴极124，及大致平整的第二丝极支承面212、用于支承与阴极分隔开的阴极丝极178。从图9中的平面图上可以清楚地看到，阴极支承面210上包括带有孔222、223的两个角部凹槽220、221，孔222，223贯穿由凹槽划定的绝缘架150上整个厚度减小的部份。
两个带有加大头部225的连接件224穿过孔222，223，将绝缘支架固定于弧腔76的突缘202。连接件224沿其纵长方向制有螺纹。连接件224拧入突缘202的螺纹孔204中。背板206(图7)也有螺纹孔，连接件穿过这些孔，将支架150紧固于弧腔76。在绝缘支架150紧固于弧腔76时，大致平整的第一表面220大致沿与腔76后壁130e垂直的角度延伸，两个定位销203沿背离突缘202的202a表面方向延伸，销203装配入绝缘支架150的表面200上相应的孔226中，这在装配期间有助于绝缘支架150的对准。
如图所示，支承三个阴极体的金属板152贴靠于支架150的阴极支承面210，从该表面向外伸出，将阴极体对准孔158。螺纹连接件228伸入绝缘支架150表面200上的两个开槽壁230，并穿过支架150上的通孔232后拧入平板152的螺孔234中。
平板152带着两个定位销236。在平板152安装在绝缘支架150上时，销236就插入支架150上的对准孔238中。这有助于在装配阴极以及在使用掺杂器10后维护阴极时，使支架150与板152对准，方便这两者的连接。
平板152固定于支架150、支架150固定于弧腔76后，确定三件阴板体位置的平板152上的螺孔167，就与弧腔76的壁130d上的孔158对准。
细长支腿170、171的平表面240与绝缘支架表面212相连并由后者支承着，表面212与200由绝缘支架150的最大厚度处隔开。具有加大头部的螺纹连接件250穿过支腿170、171的孔252后，拧入丝极支承面212上的螺孔254中。在图7中可最清楚地看到，绝缘支架150的表面210，212的间隙，在平板152的表面262与支腿170，171的表面240间构成一缝隙G。由于缝隙G及陶瓷是电气绝缘材料，不仅使两支腿相互绝缘，而且还使它们与支承阴极体的平板152绝缘。在丝极支承腿170，171上的孔与绝缘体150上的孔对准，使丝极178准确地定位安装于阴极体内部。
如图9-12所示，绝缘架的陶瓷绝缘体有数个细长沟槽N1-N3。这些沟槽分割了绝缘支架150的大致平的表面。将绝缘架安装在弧腔附近时，绝缘架被离子涂覆。公开在授予Sferlazzo等的美国专利中的这些绝缘支架，在离子源工作期间其表面被涂覆。涂覆层会引起过早飞弧或短路，从而使离子源出故障。在单个支架绝缘件150上的沟槽N1-N5使此支架自屏蔽，亦即离子不能将整个绝缘支架的表面涂覆，因而减少飞弧倾向。
阴极盖164
阴极盖164是机械加工成的钨热发射器，它在弧腔中提供电弧电流。这个简单的盘状盖公开了授予Sferlazzo等的美国专利US5497006用盖164来代替，盖164可与US5497006专利中所示阴极结构相匹配。
盖164具有一直径减小的发射表面165及一较宽的突缘表面166，表面166贴靠在内管件162的一端部。
盖164显著地降低包括绝缘支架150的支承的热负荷。由于产生出一定值弧腔电流只要较小加热功率对丝极178供能，所以盖164亦更有效地利用了丝极加热功率。利用现有的电弧腔控制器线路，使盖164可达到更高的电弧电流。使用这种盖已经使所有的离子，尤其是使多电荷离子的产生效率提高。对于单电荷离子来说，由于分子离子的分散明显增加，因而其效率也提高(如BF3和BF2的分解)。较高的电子流密度(由于减少了发射面积)和较高的发射器温度(由于热质量较小及发射器热绝缘的改进)的结合，也导致了多电荷离子所占的百分比提高。
从对本发明推荐实施例的介绍，本领域的那些熟练人员可以提出许多改进、改型、变化。这些改进、改型、变化均应属于所附权利要求覆盖的范围。
Claims (10)
1.一种用于离子掺杂器(10)的离子源(12)，它具有：
a)一气体密封腔(76)，它有围成一气体离子化区(R)的腔壁(130a，130b，130c，130d，130e及132)，还有使得离子射出此腔的一射出孔(78)，其特征在于，一个腔壁(130e)上有从一腔壁延伸出的突缘(202)；
b)一用于将可离化气体送入该气密封腔中的气体输送系统(122，123，126，128，144)；
c)一基座(80，82，120)，用于将该气密封腔(76)支承在对着结构(90，14)位置处，使从所述气密封腔(76)中射出的离子形成一离子束(20)；
d)一个相对所述气密封腔(76)的离化区定位安置的阴极(124)，它用以向气密封腔76中离化区发射电离电子，使气体分子离化；
e)一具有一大致平的第一表面(200)，安装于气密封腔(76)壁的突缘上的绝缘架(150)，它用以支承所述阴极，使该阴极与气密封腔(76)电气绝缘；
f)该阴极包括一导电的阴极体(160，162，164)，该阴极体围成一内部区域并有一外表面，它伸入至气密封腔(76)内，还包括由所述绝缘架支承的丝极(178)，它位于阴极导电体内部，用于使导电体加热，由此而使电离电子从导电体射入气密封腔(76)内。
2.如权利要求1所述离子源，其特征在于，所述绝缘架是由一种陶瓷绝缘材料制作的。
3.如权利要求1所述离子源，其特征在于，所述绝缘架有一支承件，该支承体有一大致平的第一阴极支承表面(210)用于支承阴极体，及一大致平的第二丝极支承表面(212)用于支承所述丝极，所述丝极与阴极体有一定间隔，使所述丝板与阴板体之间保持电绝缘。
4.如权利要求3所述离子源，其特征在于，还具有与所述绝缘架的丝极支承表面相接的第一和第二安装支腿(170，171)。
5.如权利要求3所述离子源，其特征在于，所述阴极与一大致平的安装板(152)连接，该板(152)与所述绝缘架的大致平的第一阴极支承表面相连。
6.如权利要求3所述离子源，其特征在于，所述绝缘架件上有沟槽(N1，N2及N3)，该沟槽从绝缘架裸露表面向内延伸，以防止在离子源运行期间由离子源发射出的材料涂覆该裸露表面。
7.如权利要求3所述离子源，其特征在于，所述突缘具有贯穿该突缘的定位销(203)，而且所述绝缘体上有用于安装此定位销的对准孔(226)。
8.一种用于离子掺杂器(10)的离子发生源(12)，它具有：
a)一气体密封腔(76)，它具有围成一气体离化区(R)的导电腔壁(130a，130b，130c，130d，130e及132)及一个使得离子自该气体密封腔(76)射出的射出孔(78)；
b)一支承(80，82，120)用于使所述气体密封腔(76)相对结构(90，14)定位安置，使得从所述气体密封腔(76)射出的离子形成一离子束；
c)一个与所述气体密封腔(76)连通的气体输送系统(122，123，126，128，144)用于将可离化的材料输入该气体密封腔(76)中；
d)一个阴极(124)用以向由气体密封腔(76)确定的气体离化区发射离化电子，所述阴极(124)包括管状导电体(160，162)，部份延伸入气体密封腔(76)中，还有一个面向气体密封腔(76)、用于将离化电子发射入气体密封腔(76)的导电盖(164)；
e)一个与所述气体密封腔(76)连接的电气绝缘架(150)，它支承着所述阴极管状导电体，该阴极管状导电体与气体密封腔(76)的导电腔壁分隔开；
f)一个由该绝缘架支承、置于所述阴极导电管状体内部的丝极(178)，用以加热该导电盖，使离化电子从导电盖射入气体密封腔(76)；
该绝缘架有一绝缘架体，该绝缘架体构成一支承阴极体用的平面状阴极支承区(210)，及一个平面状丝极支承区(212)，它与平面状阴极支承区分隔开用来支承与阴极体有一定间隔的丝极，保持丝板与阴板体之间电绝缘。
9.如权利要求要求8所述离子发生源，其特征在于，所述气体密封腔(76)在一壁(130d)上有一孔(158)，用于将所述管状导电体插入气体密封腔(76)；而且所述电气绝缘架支承着与气体密封腔(76)中该壁隔开的管导电体。
10.一种用于离子源(12)产生离子束(20)的改进型阴极结构，它具有：
一阴极(124)，它相对气体密闭腔(76)安装定位，以便将离化电子发射入气体密封腔(76)的一气体离化区(R)内，所述阴极(124)具有管状导电体(160，162)及导盖(164)，该盖(164)由管状导电体支承，用于将离化电子发射入气体密封腔(76)；
一丝极(178)，支承于所述阴极的管状导电件(160，162)内，用以加热导电盖，并使离化电子从此导电盖发射入气体密闭腔(76)；及
一与所述气体密闭腔(76)连接的电气绝缘架(150)，用于使阴极相对该密闭腔(76)定位安置、并支承着阴极及丝极，使二者彼此分隔开，而且还使它们均与气体密闭腔(76)的导电腔壁隔开；
所述电绝缘架(150)具有一绝缘架体，该架体有一大致平的第一阴极支承面(210)，用于支承阴极体，以及与第一支承表面(210)分隔开的、大致平的第二丝极支承面(212)用于支承着丝极，使之与阴极体分隔开从而维持丝极与阴极体间电气绝缘。
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20020306 Address after: Massachusetts, USA Applicant after: Esselis Technologies Co. Address before: ohio Applicant before: Eaton Corp. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20031203 Termination date: 20101030 |