CN1241798A - 具有宽输出电流工作范围的离子源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于离子源的一种衰减器。该离子源包括一等离子体室,在该室内由一激励器将一种气体电离以产生等离子体,通过等离子体室的开有隙缝部分内的至少一条隙缝抽取该等离子体。衰减器包括一位于室内、介于激励器和至少一条隙缝之间的一元件,该元件有对应该至少一条隙缝的至少一开口,并关于该至少一隙缝在第一位置和第二位置之间移动。

Description

具有宽输出电流工作范围的离子源
本发明通常涉及用于离子注入设备的离子源，特别涉及一种具有较宽输出电流工作范围的离子源。
在如集成电路和平面显示器产品的大规模制造中，离子注入已经成为以杂质来掺杂如硅片或玻璃衬底等工件的行业公认标准技术。传统的离子注入系统包括一离子源，它使一种所期望的掺杂元素电离，然后使其加速形成一具有规定能量的离子束。该离子束直射在工件的表面将掺杂元素注入工件内。该离子束的高能离子穿透工件表面，使得离子嵌入工件材料的晶格内形成具有理想导电性的区域。注入过程是通常在高真空处理室中完成的，该真空处理室能防止由剩余气体分子冲撞引起的离子束散射，并减小空气中的微粒对工件沾污的危险。
普通离子源包括一室，通常由石墨构成，具有一入缝和一出缝，入缝将要电离的气体引入等离子区，通过出缝抽取等离子以形成离子束。气体由如一电阻丝或位于该室内或接近该室的射频(RF)天线的激励源电离。该等离子体密度以及此后经抽取的离子束的输出电流可以通过提高加在激励源的功率来增大。
但是，提高用于激励源的输入功率会影响除束电流之外的束特性而不是束电流。例如，输入功率是决定构成等离子体的不同的原子和分子种类的相对数量的一个因素。因此，这一特性与束电流密切配合，而且二者不能单独改变。这样，采用公知的离子源，不改变等离子体构成是不可能改变束电流，而该束电流对确定用于特定注入过程的精确剂量是必要的。
一些离子注入系统包括质量分析系统，如束线磁体，它使不合要求的原子和分子种类离开随后输送到工件的离子束。在这样的系统中，该质量分析系统能补偿由于改变束电流而造成的束构成的差异。这样，改变束电流就不会带来大问题了。
但是，在不发生质量分析的离子注入系统中，仍存在易变的束构成的问题。例如，在注入大表面区域的应用中，如平面显示器，常常利用一带状束离子源。在序号为U.S 08/756,970和专利号为U.S 4,447,732中给出这样的一种离子源的一个实例。多个出孔提供了调节带状束宽度的性能。多个出孔的每条隙缝输出由离子源输出的整个离子束的一部分。由位于周围隙缝之间的隙缝输出的束部分与由这些周围隙缝输出的束部分交迭。但是在这样一种带状束系统中，不进行离子束的质量分析。
因此，本发明的目的在于提供一种离子源，其内的输出束电流可独立于束构成而改变。
本发明进一步的目的在于提供一种离子源，用于不包括有质量分析系统的离子注入系统中。
本发明进一步的目的还在于提供一种关于离子源的机构，它提供输出束电流的一宽工作范围，但是保持由离子源产生的等离子体构成。
本发明提供用于一离子源的一种衰减器。该离子源包括一等离子室，在其内由一激励器将一种气体电离以产生一等离子体，该等离子体可通过在室的开缝部的至少一条隙缝引出而形成一离子束。该衰减器包括一位于该离子室内介于激励器和至少一条隙缝之间的一元件，该元件提供至少一对应于该至少一条隙缝的第一开口，并且可在关于该至少一条隙缝的第一和第二位置之间移动。
在一个实施例中，在第一位置该元件位于邻近该隙缝的位置以至少遮住隙缝的一部分的位置，在第二位置该元件位于不遮住该隙缝的远离该隙缝的位置。在第二实施例中，隙缝处于隙缝板上并且(i)当该元件位于第一位置时，该元件和该隙缝板在该隙缝板和离子室之间形成通常封闭的区域，以及(ii)当该元件位于第二位置时，该隙缝与离子室直接相通。在这个第二实施例中，在第一位置，离子室内的等离子体在通过该隙缝抽取之前通过通常封闭的区域扩散，在第二位置，离子室内的等离子体通过该隙缝直接抽取。
图1是一离子注入系统的透视图，其内设置一根据本发明原理构造的离子源；
图2是一根据本发明原理构造的离子源的透视图；
图3是图2所示离子源的沿图2中划线3-3的横截面侧视图；
图4是图2所示离子源的另一实施例沿图2中划线3-3的横截面侧视图；
图5和6是图3所示离子源的一部分的放大横截面视图，分别显示离子源的在打开和关闭位置的可调衰减器；
图7是包括一用于该衰减器的电压电源的本发明另一实施例的横截面侧视图；
图8和9是现有技术的离子源工作特性图示；以及
图10和11是本发明的离子源工作特性图示。
现在参照附图，图1给出一离子注入系统10，其内结合有一本发明离子源磁滤波器。所示的该离子注入系统10通常注入大区域衬底，如平面显示板P。
系统10包括一对板盒12和14、一加载锁定总成16、一用于该加载锁定总成和该板盒之间的传递板的自动装置或末端操纵装置18、一具有一加工室22的加工室外壳20以及一具有一离子源26的离子源外壳24(见图2-6)。板在加工室22内按顺序由从离子源发出的离子束进行加工，该离子束穿过加工室外壳20上的开口28。绝缘衬套30使加工室外壳20和离子源外壳24之间彼此绝缘。
一板P由系统10进行如下加工。末端操作装置18从板盒12移动一块要加工的板，将其旋转180°，将已移动的板装入加载锁定总成16内的一选定位置。该加载锁定总成16提供可装入板的多个位置。加工室22具有一转换总成，它包括一结构与末端操作装置18相似的取出臂32。
由于取出臂32从相同位置移动板，加载锁定总成可在垂直方向移动以固定装在对应取出臂的其多个存放位置的任一位置的一块选定板。为此，电机34驱动一导螺杆36垂直移动该加载锁定总成。加载锁定总成上的线状轴承38沿固定圆轴40滑动，以保证加载锁定总成16位于加工室壳体20的正确位置。当取出臂32从加载总成的最低位置移出一块板时，虚线42表示加载锁定总成16可采用的最高垂直位置。在加载锁定总成16和加工室壳体20之间有一滑动真空密封装置(未示)以保持二者内在加载锁定总成垂直移动时的真空状态。
取出臂32从加载锁定总成16取出一块板P放置于水平位置P1(即当该板位于板盒12和14内和当该板由末端操作装置18把握时的相同的相关位置)。然后取出臂32将该板从水平位置P1沿箭头44的方向移向垂直位置P2，如图1虚线所示。传递总成接着从图1左到右在扫描方向移动垂直位置的板，横切由离子源发出并从开口28射出的离子束的轨迹。
离子源发出带状束。此处使用的术语“带状束”意为具有沿延长轴延长的长度和宽度实际上不超过其长度的并且沿与延长轴正交的轴伸展的延伸离子束。此处使用的术语“正交的”实际意为垂直的。已经证实在某种程度上带状束在注入大表面区域工件是有效的，因为其简化了工件的机械操作。例如，为了注入整个工件，现有技术要求离子束在两正交方向扫描工件。相比之下，当使用的带状束的长度超过工件的至少一个尺寸时，为注入整个工件只需要对该工件扫描一次。
在图1所示的系统中，带状束所具有的长度超过至少一所加工平板的较小尺寸。采用这样一种结合图1中离子注入系统的带状束除具有单次扫描完成注入的特性外还具有几个优点。例如，该带状束离子源具有采用同一系统内同一离子源来加工不同尺寸的板的能力，并根据相应的离子束流通过控制对板的扫描速度以容许一统一注入量。
图2-6更详细显示离子源26。图2给出位于图1所示的离子源壳体24内的离子源26的透视图。如图2所示，离子源26一般呈现平行六面体的形状，具有一前壁件或等离子体电极50、一后壁52、一顶壁54、一底壁56和一侧壁58和60。从图2所示的透视图看，后壁52、底壁56和侧壁60从图中是看不到的。这些壁有外表面(在图2中可见)和内表面(从图2中看不见)共同构成等离子体封闭室76(见图3)。离子源的壁由铝或其他适当的材料构成，可以衬有石墨或其他适当的材料。
在离子源26的等离子体电极50内有多个细长隙缝64。在图示的实施例中，显示了5个这样的隙缝64a-64e，向着一个方向彼此平行。每条隙缝输出由离子源26输出的整个离子束的一部分。由位于周围隙缝之间隙缝(即中隙缝)输出的束部分与由这些周围隙缝(即外隙缝)输出的束部分交迭。因此，由离子源射出的离子束宽度可通过选择隙缝的数量和外形来调节。
每个细长隙缝64具有高的长宽比，即隙缝或窄槽沿纵向轴66的长度远远大于隙缝沿垂直方向轴68(垂直于轴66)的宽度。两个轴66和68位于作为等离子体电极50的同一平面内，因此也就是作为细长隙缝64的同一平面。一般，隙缝(沿轴66)的长度至少50倍于隙缝(沿轴68)的宽度。这样一高长宽比(例如超过50∶1)形成了一带状离子束，特别适合于注入大表面区域的工件。
如图3所示，离子源的各壁构成等离子室76，在离子室中以下述方式产生等离子体。如现有技术所知，通过入口77将源气体引入等离子室76，由至少一个由电压电源82通过导电体80对之电激励的圈形丝或激励器78将源气体电离。绝缘体84使激励器78与离子源82的后壁52电绝缘。激励器各自均由钨丝构成，当其加热到一适当温度时热离发射电子。也可采用射频(RF)激励装置如一RF天线发射电离电子。电子与源气体反应并电离源气体，以在等离子体室内形成等离子体，在等离子室76内电离的源气体的一个样例是由氢(H)稀释了的乙硼烷(B2H6)或磷化氢(PH3)。
根据本发明，可调节的开闭器或衰减器90(处于如图3所示的打开位置)放置在等等离子室76的激励器78和等离子体电极之间，下面将对其目的做进一步的说明。从等离子体室76通过(沿轴91双向移动的)衰减器90内的隙缝97提取离子，然后通过等离子体电极50形成离子束92。在所示的打开位置，衰减器90内的隙缝97与等离子体电极50内的隙缝64排成一直线并至少与其一样大。这样，该衰减器不阻塞等离子体流或形成的离子束构成。但是在关闭或部分关闭位置，隙缝97与隙缝64不成一条直线，有效变窄等离子体通路并降低形成的离子束内的离子密度。本发明考虑了隙缝64和97的任何数量型式。但是，在控制等离子体电极隙缝64的机械透明度中，衰减器保持相同的功能。
图4给出衰减器90的另一实施例，包括通过绕枢点99A和99B转动来开闭的两部分90A和90B。因此衰减器的部分90A和90B分别沿弧线形路径91A和91B做双向移动。图4所示衰减器90处于打开位置。到达关闭位置，衰减器的部分90A和90B需要分别绕点99A和99B向下转动。
如图3或4所示的衰减器90分别设计构成两种结构之一。在第一种结构中，在关闭位置的衰减器90接近等离子体电极50，它们之间有很小的或没有间隔。衰减器在打开和关闭位置之间的移动仅仅改变等离子体电极隙缝64的机械透明度。在打开位置，衰减器不阻挡隙缝64，在关闭和部分关闭位置，衰减器阻挡隙缝64的一部分，有效衰减形成的离子束密度。
就本技术所知，位于等等离子室76外的提取电极94通过等离子体电极内的细长隙缝64和其对应的提取电极94内的隙缝96抽取离子。离子抽取所必需的等离子体和提取电极间的电势差由电压电源98提供，工作在5至10千伏(kV)级。提取电极94的电势低于等离子体电极50的电势。抽取的离子束84接着射向目标板。
图5和6更详细给出离子源26内的可调节衰减器90的第二种结构。图5显示的衰减器90处于打开位置。在该位置，通过等离子体电极的隙缝64抽取等离子体室76内产生的高密度等离子体，不受衰减器阻挡。在打开位置，衰减器90内的隙缝100最小与等离子体电极50内的隙缝64一样大。区域102位于衰减器90内的隙缝100和等离子体电极50内的隙缝64之间，它与室76相连，这样就容纳密度与充满等离子体室76的等离子体相同的等离子体。因此，由离子源输出的离子束92是高电流束。
图6显示的衰减器90处于关闭位置。在这个位置，从等离子体室76到区域102的高密度等离子体的通路的一部分由衰减器内的隙缝104阻挡，隙缝104小于隙缝100。区域102是一通常由衰减器90和等离子体电极50封闭的凹腔。因此，等离子体从等等离子室76内的高密度区域通过隙缝104扩散，扩散过程通过降低其中的密度来减弱等离子体。这样，位于衰减器90内的隙缝104和等离子体电极50内的隙缝64之间的区域102容纳的等离子体其密度低于充满等离子体室76的等离子体密度。例如，区域102内的等离子体可为等离子体室76内的等离子体密度的10-2(1％)级。由于在隙缝64和104之间具有一低密度等离子体区域，等离子体通过衰减器90扩散，改善抽取离子束的空间均匀性和提高束能衰减的程度。
因此，对于等离子体室76内一特定等离子体密度和施加于激励器78一特定输入功率，由如图6(衰减器关闭)所示离子源输出的离子束92是低于图5所示(衰减器打开)离子源输出的离子束的电流束。但是，由于输入激励器的功率不改变，就离子种类的相对量来说，在低电流(图6)和高电流(图5)两种条件下离子束构成很大程度上保持不受影响。
图5和6所示的衰减器可沿等离子体电极50的平面滑动，可通过手动或一控制系统的自动装置完成该衰减器的移动。离子束的衰减程度可通过改变衰减器在等离子体室内的位置来改变。设置一位移机构来使衰减器向着或离开等离子体电极50变换位置。
图7给出本发明的第二实施例，电压电源106使衰减器90关于等离子体电极50具有一电偏压。绝缘体108使衰减器和电压电源之间的电连接与底壁56绝缘。通过调节加在衰减器上的偏压电压控制衰减器具有的衰减度和组成离子束的种类的相对量。电压电源106一般工作在+\-2千伏(kV)的特定范围内，可对应等离子体电极50正偏压或负偏压。
图8至11为基于已知的离子源的本发明提供的改进电流工作区域示意图。。如图8所示，采用已知离子源而没有使用本发明提供的衰减器，作图表示相对于激励器输入功率W的离子束流J和特定束谱参数P(如由一特定原子或分子种类组成的离子束的一部分)。束流J和参数P取决于激励器输入功率W。
因此，对给定输入功率W，一理想束电流J必同一特定参数值P相配，同样地，一理想参数P必同一特定束流J相配。这样，如图9所示，当作图表示束流J相对于参数P时，离子源工作区域是一窄的一维区域。J和P都是激励器输入功率W的函数，不能独立于激励器功率而改变。
但是采用了本发明的离子源，可改变离子束流J而不依赖于激励器输入功率W和参数P。尽管一特定束流J依赖于W和P，但是对于激励器输入功率W和参数P的给定值组合，可由双位衰减器90的位置来调节特定束流。如图10所示，当衰减器90处于对应于图5的打开位置时离子束流较高(J开，实线)，当衰减器处于对应于图6所示的关闭位置时，离子束流较低(J闭，虚线)。
这样，期望束电流J不必同参数P的一特定值相配，同样，一期望的参数P不必同束流J的一特定值相配。因而，如图11所示，当作图表示相对于参数P的束流J开和J闭时，由两个窄的一维区域组成的离子源工作区域较大。离子束流J可不依赖于激励器输入功率W和参数P而改变。
如图5和6所示的衰减器90可设置超过两个按大小排好的隙缝100和104。例如，衰减器可具有一个或超过一个尺寸的隙缝，该尺寸为介于隙缝100和104大小之间的尺寸。这样，可分别获得如图5和6所示隙缝之间的线状束流函数和工作区域。为此，为离子源提供多个离散工作模式。通过设置足够数量大小的隙缝，如图11所示的离子源工作区域可有效覆盖介于所示的两窄线状区域之间的整个区域。
另一方面，可设置一组隙缝，其尺寸大小在全开和全闭位置之间无限变化。具有可变尺寸开口的一衰减器可由一控制系统操作，如一伺服机构，它接收作为输入的操作状态并进行响应以控制隙缝的尺寸大小。而且，此系统提供给离子源操作区，包括图11所示的两个窄线形区之间的整个区域，具有宽的无限可调动态范围的离子束电流，它并不取决于如构成束的特定原子或分子种类的参数而选择。
因此，上面已经说明了用于离子源的衰减器的最佳实施例。虽然有了上述描述，但是应该明白该描述仅仅是通过举例的方式进行的，本发明不局限于所描述的特定实施例，可以实现各种不背离由下述权利要求和其等同物限定的关于前面的描述的各种重新布置、变形和替换。

Claims (20)

1.一种用于离子源(26)的衰减器(90)，所述离子源包括一等离子室(76)，在该室内由一激励器(78)将一种气体电离以产生等离子体，通过所述等离子室的一开缝部(50)内的至少一条隙缝(64)提取该等离子体以形成一离子束，所述衰减器(90)包括：
一元件(90)，位于所述等离子室(76)内、介于所述激励器(78)和所述至少一条隙缝(64)之间，所述元件具有至少一个对应于所述至少一条隙缝(64)的第一开口(97)，所述元件可在关于所述至少一条隙缝的第一和第二位置之间移动。
2.如权利要求1所述的离子源衰减器(90)，其中所述元件从(i)所述第一位置移动到(ii)所述第二位置，所述第一位置是所述元件位于邻近所述隙缝(64)以遮挡至少所述隙缝的一部分的位置，所述第二位置是所述元件位于离开所述隙缝从而不遮挡所述隙缝的位置。
3.如权利要求2所述的离子源衰减器(90)，其中所述隙缝(64)位于隙缝板50内，通过在平行于所述隙缝平板平面的方向滑动使所述元件在所述第一位置和第二位置之间移动。
4.如权利要求2所述的离子源衰减器(90)，所述隙缝(64)位于一隙缝板(50)内，所述元件(90)包括两部分(90A，90B)，这两部分分别通过转向和转离所述隙缝板(50)在所述第一和第二位置之间移动。
5.如权利要求1所述的离子源衰减器(90)，其中所述隙缝(64)位于隙缝板(50)内，当所述元件位于所述第一位置时，所述元件和所述隙缝板在所述隙缝板和所述等离子室(76)之间构成一通常封闭的区域(102)，当所述元件位于所述第二位置时，所述隙缝(64)与所述等离子体室(76)直接相通，使得在第一位置，所述等离子室(76)内的等离子体通过所述区域(102)扩散并通过所述隙缝被提取，在第二位置，直接通过所述隙缝提取所述等离子体室内的等离子体。
6.如权利要求5所述的离子源衰减器(90)，其中包含在所述通常封闭的区域(102)内的等离子体密度低于包含在所述等离子室(76)内的等离子体密度。
7.如权利要求2所述的离子源衰减器(90)，其中所述元件具有对应于第一和第二位置的第一和第二开口(104，100)，所述第二开口(100)的尺寸比所述第一开口(104)的尺寸较大。
8.如权利要求7所述的离子源衰减器(90)，其中所述元件内的所述第一和第二开口(104，100)由其大小可变的单个可变开口构成。
9.如权利要求8所述的离子源衰减器(90)，其中所述单个可变开口的大小可进行无级变化以提供所述离子源的无数个工作模式，所述单个开口大小由控制系统决定，控制系统接受收到离子源工作状态作为输入信号，然后进行响应，控制单个可变开口的大小。
10.如权利要求2所述的离子源衰减器(90)，其中所述元件对应所述室隙缝电偏压。
11.一种离子源26，包括：
一等离子室(76)，在其内由一激励器(78)将一种气体电离以产生一等离子体，该等离子体可通过所述室的隙缝部(50)的至少一条隙缝(64)抽出而形成一离子束，所述衰减器包括：
一元件(90)，位于所述等离子体室(76)内介于激励器(78)和所述至少一条隙缝(76)之间，该元件提供至少一对应于所述至少一条隙缝(64)的第一开口(97)，所述元件可在关于所述至少一条隙缝的第一和第二位置之间移动。
12.如权利要求11所述的离子源(26)，其中所述元件从(i)所述第一位置移动到(ii)所述第二位置，所述第一位置是所述元件位于邻近所述隙缝(64)以遮挡至少所述隙缝的一部分的位置，所述第二位置是所述元件位于离开所述隙缝从而不遮挡所述隙缝的位置。
13.如权利要求12所述的离子源(26)，其中所述隙缝(64)位于隙缝板50内，通过在平行于所述隙缝平板平面的方向滑动使所述元件在所述第一位置和第二位置之间移动。
14.如权利要求12所述的离子源(26)，其中所述隙缝(64)位于一隙缝板(50)内，所述元件(90)包括两部分(90A，90B)，这两部分分别通过转向或转离所述隙缝板(50)在所述第一和第二位置之间移动。
15.如权利要求11所述的离子源(26)，其中所述隙缝(64)位于隙缝板(50)内，当所述元件位于所述第一位置时，所述元件和所述隙缝板在所述隙缝板和所述等离子体室(76)之间构成一通常封闭的区域(102)，当所述元件位于所述第二位置时，所述隙缝(64)与所述等离子体室(76)直接相通，使得在所述第一位置，所述等离子体室(76)内的等离子体通过所述区域(102)扩散并通过所述隙缝抽取，在所述第二位置，直接通过所述隙缝抽取所述等离子体室内的等离子体。
16.如权利要求15所述的离子源(26)，其中所述包含在所述通常封闭的区域(102)内的等离子体密度低于包含在所述等离子体室(76)内的等离子体密度。
17.如权利要求12所述的离子源(26)，其中所述元件具有对应于所述第一和第二位置的第一和第二开口(104，100)，所述第二开口(100)的尺寸比所述第一开口的尺寸较大。
18.如权利要求17所述的离子源(26)，其中所述元件内的所述第一和第二开口(104，100)由其大小可变的单个可变开口构成。
19.如权利要求18所述的离子源(26)，其中所述单个可变开口的大小可进行无级变化以提供所述离子源的无数个工作模式，所述单个开口大小由控制系统决定，控制系统接受收到离子源工作状态作为输入信号，然后进行响应控制单个可变开口的大小。
20.如权利要求12所述的离子源(26)，其中所述元件对应所述室隙缝电偏压。
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