CN1610051A - 离子源中的阴极和反阴极装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离子源，其包括适用于离子注入机的阴极和反阴极。本发明提供了一种离子源，包括真空室；其可被操作以产生并容纳等离子体；阴极，其可被操作以沿着电子轨迹将电子射入所述电弧室中；设置在电子轨迹中的反阴极；分别与阴极和反阴极中的每一个单独相连的电连接，该电连接包括分别通向真空室外部的真空通路；以及位于真空室外部的电压电势调节器，该电压电势调节器通过该真空通路至少与反阴极相连接，并可被操作以改变反阴极相对于阴极的电势。
Description
技术领域
本发明涉及离子源，其包括适用于离子注入机的阴极和反阴极。
背景技术
尽管本发明可能有许多其他的应用，但它的预期应用是用于离子注入机中，该离子注入机用于半导体器件或其他材料的制造。在此类应用中，通过向晶片体内注入所需的掺杂粒子(species)的原子而形成具有不同电导率的区域，可改变半导体晶片。普通的掺杂物包括硼、磷、砷和锑。
典型地，离子注入机包括处于真空室内的真空下的离子源。该离子源利用在电弧室内生成的等离子体来产生离子。从电弧室内引出等离子体离子并使其穿过质量分析台，从而选择出所需质量的离子，使其向前行进以撞击半导体晶片。在专利号为4,754,200的美国专利中对离子注入机有更详细的描述。
在一种典型的Bernas型离子源中，阴极发射出热电子，磁场迫使该热电子沿着朝向反阴极的电子轨迹行进。电弧室内的前体气体分子之间的相互作用产生了所需的等离子体。
在一种已知的装置中，反阴极与阴极相连接，从而使它们处于共同的电势下(专利号为5,517,077和5,977,522的美国专利)。反阴极排斥从阴极射来的电子，增加了电弧室内的电离作用效率。
在另一种已知的装置中，反阴极是电绝缘的，因而它对等离子体的电势是浮置的(专利号为5,703,372的美国专利)。
通过控制磁场对注入器的质量分析台进行操作，从而选择所需质量的离子(通过它们的动量与电荷状态的比值)并排除不需要的离子(到达使不需要的离子沿磁场中的不同路径行进的程度)。例如在采用硼掺杂的情况下，通常采用BF3作为前体气体。电弧室内的离解作用产生了典型地包括有B+、BF+和BF2 +离子的等离子体。引出这一离子混合物，并使其进入质量分析台，该质量分析台确保只有所需的B/BFx粒子被传送至半导体晶片。尽管许多注入方法要求注入B+离子，但也有其他的一些采用BF2 +离子。由于BF2 +离子撞击半导体晶片时离解，使得到的硼原子以降低的能量被注入，生成了在某些应用中所要求的较浅掺杂层。
发明内容
本发明的一个目的是增加离子源的操作灵活性，例如对来源于公共源材料的用于注入不同粒子的源进行优选，或者对来自特定给料物质的特定离子物质(ion species)的输出进行优选。
第一个方面，本发明涉及离子源，其包括：真空室；电弧室，其可被操作以产生并容纳等离子体；阴极，其可被操作以沿着电子轨迹将电子射入电弧室中；设置在电子轨迹中的反阴极；分别与阴极和反阴极中的每一个单独相连的电连接，该电连接包括分别通向真空室外部的真空通路；以及位于真空室外部的电压电势调节器，该电压电势调节器通过该真空通路至少与反阴极相连接，并可被操作以改变反阴极相对于阴极的电势。
术语电压电势调节器应该被广泛解释为包括可以被操作以改变反阴极相对于阴极的电势的任何类型的器件。例如，电压电势调节器可包括开关、可变电阻、电源或分压器中的一种或多种。
因此，可改变反阴极的电势，从而能对反阴极反射电子的效率进行调节。例如，如果保持反阴极的电势与阴极的相同，则延长了阴极所发射的电子在电弧室内的寿命，从而产生强度更高的等离子体，增进了源气体分子的电离和分解(cracking)。或者，可将反阴极设置为不同的电势或可允许设置为浮置的，从而使在电弧室内导致电离和分子分解的电子的寿命变短。这对于要求较低等离子体强度以及需要限制源气体分子分解的场合可能是有利的。因此，以这种方式控制离子源可以控制电弧室内的离子物质为较低浓度，并能将离子传送到质量分析台。例如在对离子源的操作可按照要求适于采用B+、BF+或BF2 +的情况下，这对于硼注入是特别有用的。
可操作电压电势调节器以接通或断开阴极和反阴极之间的电接触。可选地，设置离子源以便当断开阴极和反阴极之间的电接触时，可操作电压电势调节器以使反阴极电绝缘。由于允许反阴极对等离子体设定的电势浮置，因此这是很方便的。
可选地，可操作电压电势调节器以选择反阴极相对于阴极的电势。电压电势调节器可包括含有开关、可变电阻、电源和分压器的组中的至少一个。在采用电源的情况下，反阴极上的电势可能并不介于浮置电势和阴极电势之间。
本发明可与包括阴极和反阴极反射器或反射极的任何离子源类型一起使用。
离子源通常进一步包括磁体，其被设置用于在电弧室内提供限定电子轨迹的磁场，尽管这样的磁性装置并非必须的。这为热电子提供了较长的电子轨迹长度，否则热电子可能被直接吸到邻近的电弧室的壁上。磁场限制电子沿着电弧室的长度行进，例如在该电弧室中，阴极和反阴极可设置在电弧室的相对端。
第二方面，本发明涉及包括前述离子源的离子注入器，其中电弧室进一步包括出口缝隙，而离子注入器进一步包括引出电极和质量分析台，该可操作引出电极以通过出口缝隙从电弧室内的等离子体中引出离子，为了将离子注入靶内，可设置该质量分析台以接收从电弧室引出的离子，并可操作该质量分析台以按照特定能量传送选定质量和电荷状态的离子。
本发明的又一方面提供了操作上述离子源的方法，包括下列步骤：设置阴极和阳极的电势；设置电压电势调节器以在反阴极上加上所需的电势；使电弧室充满气体；以及充分加热阴极以便足以引起电子发射。
附图说明
图1是离子注入器的原理图；
图2是第一种离子源的侧视图；
图3是包括有间接加热式阴极装置的第二种离子源的侧视图；
图4是具有间接加热式阴极装置的离子源简图，图中展示了根据本发明第一种实施方式的偏压装置；以及
图5是具有简单灯丝装置的离子源简图，图中展示根据本发明第二种实施方式的偏压装置。
具体实施方式
为提供本发明的上下文关系，图1示出了一个示例性应用，但应该理解这仅仅是本发明应用的一个示例而决不是限定性的。
图1示出了用于将离子注入半导体晶片12的离子注入器10，其包括根据本发明的离子源14。离子源14所产生的离子被引出并穿过质量分析台30。选择所需质量的离子，使其穿过质量分辨(mass-resolving)狭缝32后撞击半导体晶片12。
离子注入器10包括离子源14，其位于真空室15内用于产生所需粒子的离子束。离子源14通常包括电弧室16，该电弧室包含有位于电弧室一端的阴极20和由电弧室16的室壁18提供的阳极。充分加热该阴极20以产生热电子。
当然，由阴极20发射出的热电子被吸引到阳极，即邻近的室壁18上。在气体分子穿过电弧室16时，热电子电离气体分子，从而形成等离子体并生成所需的离子。
对热电子行进的轨迹进行控制，从而防止电子仅仅沿着最短的轨迹向室壁18移动。磁体46提供了延伸穿过电弧室16的磁场，从而使热电子沿着电弧室16长度上的螺旋型轨迹，朝位于电弧室16相反端的反电极44行进。
进气装置(gas feed)22用前体气体粒子，在这种情况下为BF3，充满电弧室16。电弧室16保持在由真空室提供的减压下。行进穿过电弧室16的热电子电离前体BF3气体分子并使BF3分子分解形成BF2、BF和B分子以及离子。这些以等离子体产生的离子也会含有微量的杂质离子(例如从室壁材料产生)。
相对于我们实际的离子注入器10，图1所示的离子源14(包括磁体46)旋转90°。实际上，阴极20和反阴极44排列于与页面平面相垂直的轴上，但为了清楚的缘故，将其以旋转后的排列示出。
用负偏置引出电极26通过出口缝隙28从电弧室16中引出离子。由电源21在离子源14和随后的质量分析台30之间施加电势差，以加速所引出的离子，离子源14和质量分析台30相互之间通过绝缘体(未示出)电绝缘。然后，引出的离子混合物穿过质量分析台30，使其在磁场的作用下沿着曲线轨迹行进。任何离子行进的曲率半径由其自身的质量、电荷状态和能量决定，并对磁场进行控制以便对于一个固定的射束能量，只有那些具有所需质量和电荷状态的离子会沿着与质量分辨狭缝32相一致的轨迹被引出。然后，射出的离子束传送至靶，即基底晶片12，从而注入了离子束，或者当靶位上无晶片12时，离子束传送到束挡板38。在其他方式下，采用位于质量分析台30和靶位置之间的透镜组件也可使离子束减速。
半导体晶片12是位于圆盘传送带36上的许多半导体晶片之一，该圆盘传送带进行旋转，使晶片12依次呈现给入射离子束。此外，旋转的圆盘传送带36可从一侧平移到另一侧，从而使入射离子扫描整个的每块晶片12。由于晶片12处于旋转中，离子束有时并未射到晶片12上，因此离子将延续到靶位置之外撞击束挡板38。在另一种装置中，可装配单个晶片12用于注入。
图2和3更详细地示出了两个可用于图1离子注入机10中的离子源14，图2对应灯丝装置而图3对应间接加热式阴极装置。
首先参见图2，用作阴极的灯丝40设置于电弧室16的一端，位于电子反射极42的前面。保持电子反射极42的负电势与灯丝42的相同，从而使它们都排斥电子。在电子反射极42和包括电弧室16最内部的衬里56之间存在一个小间隙。该间隙确保了电子反射极42与用作阳极的衬里56电绝缘。使该间隔最小化，从而避免前体气体从电弧室16发生损失。反阴极44位于电弧室的远端，与衬里16也有一个小间隙，以确保电绝缘并使气体泄漏最小化。可操作磁体46(仅在图1中显示)以提供磁场，该磁场使从灯丝40发射出的电子按照沿着电弧室长度的螺旋轨迹34朝反阴极44行进。通过进气装置22，或者通过可加热固体或液体的蒸发器23使电弧室16充满前体气体粒子。
用两个夹子48将灯丝40固定在适当位置上，每一个夹子都通过绝热部件(insulating block)52连接到离子源的本体50上。绝热部件52装配有护罩54，以防止任何分子逃逸出电弧室到达绝热部件。
很明显，图3与图2大部分一致，因此为了简明的缘故不再对同样的部件展开描述。此外，对相同的部件采用相同的附图标记。
图2和图3之间的差别在于电弧室的顶部，图3中示出了间接加热式阴极装置。阴极由管60的端盖58提供，管60凸入电弧室16中少许，其包括加热灯丝62。使加热灯丝62和端盖58保持于不同的电势下，以确保由灯丝62发出的热电子加速进入端盖58中，在管60和电弧室16的衬里56之间留出保持电绝缘的间隙。电子加速进入端盖58中将能量转移给端盖58，使其充分加热，从而发出热电子射入电弧室16中。
由于灯丝40会被等离子体的活性离子和离子轰击快速腐蚀，因此这种装置是对图3的灯丝装置进行的改进。为了减轻这一问题，将间接加热式阴极的加热灯丝62装在封闭的管60内，使离子不会与加热灯丝62相接触。
转到图4，图3的电弧室16的在电源64附近的简图被示出。虚线框66表示装在真空室15内的部件和位于大气70中的部件之间的界限。很清楚的是，位于大气70中的部件无需破坏真空68即可容易地进行调节。
从图4可看出，位于大气中的一系列的三个电源向离子源14的各个部件提供了不同的电势。灯丝电源72向灯丝62提供了较高的电流。偏压电源74用于设置端盖58上的电势，端盖相对于灯丝为正电势，从而使从灯丝62发射出的热电子加速向端盖58行进。电弧电源76保持电弧室16的室壁18(即衬里56)相对于端盖58为正电势。
也在反阴极44上设置电连接，该电连接穿过处于真空/大气界限66处的真空通路80，通过控制继电器78与电弧电源76相连接。控制继电器78允许接通或断开电连接而不会使真空室15与大气70连通。当关闭控制继电器78时，反阴极44被固定为与端盖58具有相同的电势，从而确保朝反阴极44行进的电子受到排斥而通过电弧室16返回，从而使电离前体气体分子和分解供给材料的机会增加。当控制继电器78打开时，反阴极对电弧室16内的等离子的电势是自由浮置的。这意味着电子不再强烈地受到反阴极44的反射。
当采用固定(tied)电势装置时，由于电弧室16中的电子密度高，在电弧室16中分解BF3分子的机会增加。因此，等离子体中的硼离子相对于全部其它离子类型(如BF和BF2离子)的百分比增加。当反阴极44处于绝缘状态并对等离子体设置的电势为浮置时，分解下降，使得等离子体中保持有更多的分子离子(如BF+和/或BF2 +)。如前所述，硼或BF2 +离子对半导体晶片12的离子注入是优选的。改变反阴极44的电势，使入射到质量分析台30上的优选离子数目达到最大，从而对于向前传送至半导体晶片12是可用的。因此，固定电势装置更适用于采用硼离子的注入，而浮置装置更适用于采用BF2 +离子的注入。
图5大致地对应于图4，因此为了简洁的缘故不再对同样的部件进行描述。此外，相同的部件的附图标记相同。
图5所示的的装置与图4的类似，但该装置具有灯丝40而不是间接加热式阴极。图2和图5的离子源14包括位于电子反射极42之前的灯丝40。通过电连接82，使灯丝40和电子反射极42始终保持为相同的负电势，电连接可位于真空68内。此外，由于灯丝40和电子反射极42之间不存在电势差，因此无需采用单独的偏压电源74。因此，单一的电弧电源76在电子反射极42和灯丝40上设置了与室壁18(或衬里56)相对的电势。
另外，图5的实施方式对应于图4的实施方式。因此，根据控制继电器78的开或关的情况，可分别将反阴极44固定为与灯丝40和电子反射极具有共同的负电势，或者对等离子体设置的电势浮置。
本领域的技术人员将会意识到，在不偏离本发明范围的情况下可对上述实施方式作出各种变化。
在上述实施方式采用控制继电器78作为使反电极44连接或断开电弧电源76的开关的同时，也可以采用其他设置。例如，可采用开关将反阴极44连接到阴极20或替代电源上。替代电源可以是图4和5所示的电源之一，或者也可是其他电源。进一步的替换方案可能是接入一个分压器以提供分压电势，以及可操作一个开关以将反电极44连接到阴极20或分压电势两者之一上。
控制继电器78的例子仅是开关装置的一种优选形式，该开关可用任何数目的典型方式实现。
很清楚的是，可按照要求选择用于构建离子源14的材料和各个部件的具体设置。
尽管上述实施方式在离子注入器10的离子源14的上下文中描述了本发明，但本发明可以用于其他应用中，例如用于离子簇射(ionshower)系统中，在该系统中从离子源14引出的离子无需经质量分析即被注入靶中，或者可用于利用反阴极44、需要选择性电离和/或分子分解的任何其他离子源14中。
Claims (10)
1.一种离子源，包括：
真空室；
电弧室，其可被操作以产生并容纳等离子体；
阴极，其可被操作以沿着电子轨迹将电子射入所述电弧室中；
设置在所述电子轨迹中的反阴极；
分别与所述阴极和所述反阴极中的每一个单独相连的电连接，该电连接包括分别通向所述真空室外部的真空通路；以及
位于所述真空室外部的电压电势调节器，该电压电势调节器通过所述真空通路至少与反阴极相连接，并可被操作以改变所述反阴极相对于所述阴极的电势。
2.根据权利要求1所述的离子源，其中所述电压电势调节器可被操作以接通或断开所述阴极和所述反阴极之间的电接触。
3.根据权利要求2所述的离子源，可设置该离子源以便当断开所述阴极和所述反阴极之间的电接触时，所述电压电势调节器可被操作以电绝缘所述反阴极。
4.根据权利要求1所述的离子源，其中所述电压电势调节器可被操作以选择所述反阴极相对于所述阴极的电势。
5.根据权利要求4所述的离子源，其中所述电压电势调节器可包括含有开关、可变电阻、电源和分压器的组中的至少一个。
6.根据前述任意一项权利要求的离子源，其中所述阴极是离子源的灯丝或间接加热式阴极型管端盖。
7.根据权利要求6所述的离子源，进一步包括位于所述离子源灯丝附近的电子反射极。
8.根据前述任意一项权利要求的离子源，进一步包括一个磁体，其被设置以在电弧室内提供磁场以限定电子轨迹。
9.一种离子注入器，包括根据权利要求1-8任意一项的离子源，其中所述电弧室进一步包括出口缝隙，而所述离子注入器进一步包括引出电极和质量分析台，该引出电极可被操作以从处于所述电弧室内的等离子体中通过所述出口缝隙引出离子，而该质量分析台可被设置以接收从所述电弧室中引出的离子并且可被操作以按照特定能量传送选定质量和电荷状态的离子以注入靶内。
10.对权利要求1到8任意一项的离子源进行操作的方法，包括以下步骤：
设置所述阴极和所述阳极上的电势；
设置所述电压电势调节器以在所述反阴极上加上所需的电势；
使所述电弧室充满气体；以及
充分加热所述阴极以引起电子发射。
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