CN206379326U - 离子源 - Google Patents

Abstract

一种离子源，包含有一电弧室及一电源供应装置；其中该电弧室于一外壳内设有多个内板、一萃取电极板及一热电子产生元件，而该电源供应装置则包含有一加热电源供应单元及一低压电弧电源供应单元；其中该加热电源供应单元耦接至该热电子产生元件，使该热电子产生元件加热至一预定温度，而该低压电弧电源供应单元则产生20V至45V低电压范围的输出电压至该多个内板及该热电子产生元件，使该热电子产生元件产生的热电子能量减弱，有效减少不被需要的二价或三价带正电的离子，相对提高离子束(萃取电流)中有用离子的比例。

Description

离子源

技术领域

本实用新型涉及一种离子布植机的离子源，特别是一种提高离子束(萃取电流)中有用离子的比例的离子源。

背景技术

离子布植机在半导体工艺中是用以对半导体晶圆中的待掺杂区进行离子布植，而该离子布植机中的离子源是则是用来产生离子布植用的离子束。

请参阅图8所示，该离子源60主要于一基座61上依序设有一支撑组件62及一电弧室63。该电弧室63的外壳630的顶面开口设有一萃取电极板631，该萃取电极板631形成有一萃取孔隙631a，而该外壳630的底面与一进气管64连通，掺杂源气体通过该进气管64进入该电弧室63。当该电弧室63通电产生热电子，热电子会碰撞掺杂源气体，并将掺杂源气体予以离子化，以产生多种带正、负电的离子。为了将离子布植用的带正电的离子自该电弧室63中萃取出来，该萃取电极板631会再通电以产生电场，将该电弧室63内的带正电的离子通过该萃取电极板的萃取孔隙631a向外吸引，以构成一离子束。

目前离子源依照不同的热电子产生方式概有二种：其中一种为间接加热阴极式离子源(Indirectly-Heated-Cathode Ion Source；IHC Ion Source)，另一种为伯纳式离子源(Bernas Ion Source)，以下进一步说明较常见的间接加热阴极式离子源的热电子产生结构及方法。

请配合参阅图9所示，该电弧室63外壳630内进一步包含有四内侧板632、一内底板633、一电隔离设置于其中一内侧板632的一灯丝634及一阴极635，以及一电隔离设置于另一相对内侧板的斥拒极636；其中该灯丝634位在该阴极635的外侧且相互保持一间隔。当该灯丝634及阴极635通电后，该灯丝634发射的电子会不停撞击该阴极635的外侧，于撞击时即能量转换予该阴极，使该阴极635的温度提高，达到加热阴极635的作用。当该阴极635加热至一定温度，且提供一高压(一般为60V至150V)予该电弧室63的内侧板632及内底板633时，该高温的阴极635会向该电弧室63内空间发射高能量的热电子，以多次撞击掺杂源气体。

当掺杂源气体被撞击后离子化并会产生许多不同种类的离子，以三氟化硼(BF3)的掺杂源气体来说，被第一次放射出来的高能量热电子撞击后，可能产生一价带正电离子，但由于此时热电子仍有充足能量，故一价的带正电离子有机会再被撞击出二价或三价带正电离子，一般来说概一价带正电离子包含有BF3+、BF2+、BF+、B+、F+，而二价带正电离子包含有BF++,B++,F++；然而，当对半导体晶圆进行B+离子布植所需要的离子只有一价带正电的硼离子B+；由此可知，自该电弧室63萃取出来的离子束即包含该些带正电的一价及二价离子，并非全然为硼离子B+；因此，不必要的离子仍占萃取电流中很高的比例，对于离子布植的效率及品质均非最佳，有必要进一步改善。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是鉴于现有技术离子源所产生的萃取电流中有用的离子比例低的缺陷，提供一种离子源，以拉高所有有用的离子在萃取电流中的比例。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种离子源，其中，包括：

一电弧室，包含有：

一外壳，包含有多个内壁，并具有一上开口及一供一掺杂源气体通入该电弧室内的底进气孔；多个内板，分别设置于该外壳的对应内壁上；

一萃取电极板，盖合于该外壳的上开口，该萃取电极板中间形成有一第一萃取间隙；以及

一热电子产生元件，电隔离地设置于该外壳的一侧及对应该外壳一侧的内板上；以及

一电源供应装置，包含有：

一使该热电子产生元件加热至一预定温度的加热电源供应单元，耦接至该热电子产生元件；以及

一低压电弧电源供应单元，耦接至该多个内板及该热电子产生元件，并产生20V至45V的输出电压予该多个内板及该热电子产生元件。

上述的离子源，其中：

该热电子产生元件由外至内包含有一灯丝及一阴极，其中该灯丝与该阴极之间保持一间隔；

该加热电源供应单元耦接至该灯丝，加热灯丝至该预定温度；

该电源供应装置进一步包含有一偏流电源供应单元，该偏流电源供应单元的正、负电极分别耦接至该阴极及该灯丝；

该低压电弧电源供应单元的正、负电极分别耦接至该多个内板及该阴极。

上述的离子源，其中：

该热电子产生元件包含一灯丝；

该加热电源供应单元耦接至该灯丝，加热灯丝至该预定温度；

该低压电弧电源供应单元的正、负电极分别耦接至该多个内板及该灯丝。

上述的离子源，其中，进一步包含有：

一抑制电极板，间隔设置于该萃取电极板的一外侧，并形成有一第二萃取间隙；其中该第二萃取间隙对准该萃取电极板的第一萃取间隙；以及

一接地电极板，间隔设置于该抑制电极板一外侧，并形成有一第三萃取间隙；其中该第三萃取间隙对准该抑制电极板的第二萃取间隙；其中：

该萃取电极板耦接至一第一高压电源供应单元的正电极；

该抑制电极板耦接至一第二高压电源供应单元的负电极，该第二高压电源供应单元的正电极则耦接至该第一高压电源供应单元的负电极；

该接地电极板耦接到地。

上述的离子源，其中，进一步包含有：

一基座，其顶面凸设有一进气管；以及

一散热装置，设置于该基座的顶面与该电弧室的外壳的底面之间。

上述的离子源，其中，该散热装置包含有：

一散热本体，其底面设置于该基座的顶面，其顶面全平面地贴平于该电弧室底板的底面，该散热本体对应该进气管的一侧面向内凹设有一贯穿其顶面及其底面的凹槽，且该进气管的外管壁与该凹槽内壁面有一间距；以及

至少一冷却媒介管，穿经该散热本体，并自该散热本体底面向下穿出二支管，该冷却媒介管通过该二支管填充有一流动的冷却媒介。

上述的离子源，其中，该冷却媒介为冷却气体或冷却液体。

上述的离子源，其中，进一步包含有多个弹性勾扣组件，其中各弹性勾扣组件包含有：

一L形固定件，螺设于该基座的一下基板上；

一弹簧，其一端勾设于该L形固定件；

一勾条，其一端勾扣于该弹簧的另一端，该勾条的另一端形成有一勾部，以勾扣于位于该电弧室的该萃取电极板的侧边。

本实用新型的有益功效在于：

本实用新型主要借由该低压电弧电源供应单元产生落在20V至45V低电压范围的输出电压，令该热电子产生元件所产生的热电子能量减弱，避免热电子多次撞击已离子化的离子；如此，即可有效减少不必要的二价或三价带正电的离子，相对提高离子束(萃取电流)中有用离子的比例。

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

附图说明

图1为本实用新型一离子源的立体外观图；

图2为图1的部分剖面图；

图3A为本实用新型为一间接加热阴极式离子源的电弧室与电源供应装置的电性连接示意图；

图3B为本实用新型为一伯纳式离子源的电弧室与电源供应装置的电性连接示意图；

图4为图1电弧室与抑制电极板及接地电极板的电性连接示意图；

图5为图3A与现有技术间接加热阴极式离子源的电弧电源功率与萃取电流的量测曲线图；

图6为本实用新型散热装置第一较佳实施例的立体外观图；

图7为本实用新型散热装置第二较佳实施例的立体外观图；

图8为现有技术一种间接加热阴极式离子源的立体外观图；

图9为现有技术间接加热阴极式离子源的电弧室与电源供应装置的电性连接示意图。

其中，附图标记

1离子源

10、10’电弧室

100放电空间 100a离子束

11外壳 111底进气孔

12、12a、12b内板 13萃取电极板

131第一萃取间隙 14、14’热电子产生元件

141灯丝 142阴极

143斥拒极 15抑制电极板

151第二萃取间隙 16接地电极板

161第三萃取间隙

20、20’散热装置 21散热本体

211顶面 212底面

213侧面 214短侧

215凹槽 216空间

22冷却媒介管 221、222支管

30基座 301顶面

31下基座

40进气管

50、50’电源供应装置 51灯丝电源供应单元

52偏流电源供应单元 53低压电弧电源供应单元

54第一高压电源供应单元 55第二高压电源供应单元

60离子源 61基座

62支撑组件 63电弧室

630外壳 631萃取电极板

631a萃取孔隙 632内侧板

633内底板 634灯丝

635阴极 636斥拒极

64进气管

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

本实用新型针对一种离子布植机的离子源进行改良，使其产生的萃取电流中有用离子比例拉高；以下谨以具体实施例及实际量测数据说明本实用新型技术内容。

首先请参阅图1所示，为本实用新型的一离子源1的立体外观图，其主要于一基座30的顶面301上依序叠设有一散热装置20及一电弧室10；再如图3A所示，该电弧室10进一步电连接至一外部的电源供应装置50。

请配合参阅图2及图3A所示，图3A所示为本实用新型第一较佳实施例，即该离子源为一间接加热阴极式离子源，其中该电弧室10包含有一外壳11、多个内板12、12a、12b、一萃取电极板13及一热电子产生元件；于本实施例中，该热电子产生元件14为一间接加热阴极组件；其中该外壳11具有一上开口及一底进气孔111；其中该上开口盖合该萃取电极板13，而该底进气孔111供该基座30上的一进气管40连接。该萃取电极板13在中间位置平行一长边方向形成有一第一萃取孔隙131。该多个内板12、12a、12b分别设置于该外壳11的对应内壁上，以构成一放电空间100。该间接加热阴极组件电隔离地设置于该外壳11的一侧及对应该外壳一侧的内板12a上，且由外至内包含有一灯丝141及一阴极142；其中该灯丝141及阴极142之间保持一间隔。该电弧室外壳11的另一相对侧及对应该侧的内板12b上设置有一斥拒极143。如图4所示，该电弧室10的萃取电极板13外进一步间隔地设置有一抑制电极板15及一接地电极板16。该抑制电极板15间隔设置于该萃取电极板13的一外侧，并形成有一第二萃取间隙151，且该第二萃取间隙151对准该萃取电极板13的第一萃取间隙131。该接地电极板16间隔设置于该抑制电极板15一外侧，并形成有一第三萃取间隙161，且该第三萃取间隙161对准该抑制电极板15的第二萃取间隙151。

该电源供应装置50包含有一灯丝电源供应单元51、一偏流电源供应单元52及一低压电弧电源供应单元53；其中该灯丝电源供应单元51耦接至该灯丝141，使该灯丝141加热至一第一预定温度后放射电子；该偏流电源供应单元52的正、负电极分别耦接至该阴极142及该灯丝141，以于该阴极142及该灯丝141之间建立一加速电场，吸引该灯丝141放射电子撞击该阴极142，使该阴极142加热；待该阴极142加热至一第二预定温度后即发射热电子。该低压电弧电源供应单元53的正、负电极则分别耦接至该多个内板12、12a、12b及该阴极142；其中该低压电弧电源供应单元53提供落在20V至45V电压范围之间的输出电压，于该阴极142与各内板12、12a、12b之间建立一加速电场，使该阴极142的热电子被加速发射至该电弧室的放电空间100中，对通入之掺杂源气体离子化，以产生数种离子。

再如图4所示，为顺利将带正电的离子自该电弧室10的萃取电极板13的第一萃取孔隙131取出来构成一离子束100a，该萃取电极板13耦接至一第一高压电源供应单元54的正电极，而该抑制电极板15耦接至一第二高压电源供应单元55的负电极，该第二高压电源供应单元55的正电极则耦接至该第一高压电源供应单元54的负电极。该抑制电极板15与该萃取电极板13之间建立一加速电场，将该电弧室10内带正电的离子加速萃取出来，并调整被萃取出的带正电的离子的行进方向以通过该第一萃取间隙131，再调整被萃取出的带正电的离子的行进方向。上述接地电极板16耦接到地，将萃取离子束过程中产生的电子旁路到地。

同理，本实用新型第二较佳实施例，如图3B所示，其大多与图3A所示的第一较佳实施例相同，惟其离子源为一伯纳式离子源，其电弧室10’的热电子产生元件14’为一灯丝141，而其电源供应装置50’包含有一灯丝电源供应单元51及一低压电弧电源供应单元53。该灯丝电源供应单元51耦接至该灯丝141，使该灯丝141加热至一预定温度后放射电子，而该低压电弧电源供应单元53的正电极同样耦接至该多个内板12、12a、12b，而负电极则连接至该灯丝电源供应单元51的负电极，以与灯丝141耦接；其中该低压电弧电源供应单元53提供落在20V至45V电压范围之间的输出电压，以于各内板12、12a、12b之间建立一加速电场。

适用于本实用新型的掺杂源气体可为四氟化锗、锗烷、三氟化硼、二硼烷、四氟化硅、硅烷、砷化氢或磷化氢其中之一。此外，适用于本实用新型的掺杂源气体也可以为由一掺杂气体与一补充气体合成的一掺杂组成气体，该掺杂气体为四氟化锗、锗烷、三氟化硼、二硼烷、四氟化硅、硅烷、砷化氢或磷化氢，该补充气体为氩气、氢气、氮气、氦气、氨气、氟气或氙气；即各该参杂气体可配合该些补充气体的其中之一共同混合成该掺杂组成气体，以作为本实用新型的掺杂源气体之用；亦或，可分别使用各该参杂气体及其中一补充气体，令其共同流入该电弧室以构成一共流(co-flow)气体，同样可作为本实用新型的掺杂源气体之用。

本实用新型提供该电弧室内板的输出电压为落在20V至45V电压范围之间，借由低输出电压所建立的加速电场，会使得该热电子产生元件产生的热电子能量相对减弱。理论上，热电子正面撞离掺杂源气体最外围的第一个价电子所需的能量并不高，只需由8V至15V的加速电场所供予该热电子的能量即可，但若进一步撞离掺杂源气体的第二个价电子，则热电子需要22V以上的加速电场提供其更大的能量才能实现。然而，热电子的撞击方向无法被控制，故基于考虑热电子的撞击力以及一定大小的萃取电流(离子束)下，本实用新型调整输出电压落在20V至45V低电压范围之间，有相当大的机会至少撞离掺杂源气体的最外围的第一个价电子；因此，本实用新型所制造出热电子的能量相对较低，使得较低能量的热电子在撞击后能量衰减，而可减少撞击出二价或三价离子的机会。

本实用新型以三氟化硼作为通入本实用新型电弧室进行离子化，并设定该低压电弧电源供应单元的输出电压为40V，再调整六组由小至大的输出电流(依序加大功率)，进行该电弧室的萃取电流(离子束)及其中有用的一价的硼离子(B+)的ROI电流的量测；其中ROI电流指在晶圆表面上可供布植的终端电流称为ROI电流(Region Of Interest；ROI)，实际量测结果如下表所示。

如图5所示，由于本实用新型的低压电弧电源供应单元的输出电压落在20V至45V低电压范围之间，当本实用新型第一佳实施例的电源供应装置50设定电弧电源的电压为40V，并以三氟化硼作通入电弧室后所量测得到的萃取电流及有用的一价硼离子的ROI电流数值，很明显可比较出本实用新型与现有技术间接加热阴极式离子源，在各组相同的萃取电流(25mA、30mA、35mA、40mA、45mA)中，本实用新型的一价的硼离子的ROI电流数值的曲线L2确实较现有技术间接加热阴极式离子源的曲线L1为高。

再请参阅图1及图2，为本实用新型的离子源1以多个弹性勾扣组件将该散热装置20及电弧室10紧扣于该基座30上，即该基座30的下基板31上螺设有四个等距离的L形固定件32，各该固定件32上勾设有一弹簧33的一端，该弹簧33另一端则勾扣于一勾条34一端，该勾条34另一端形成有一勾部341，以勾扣于该电弧室10的该萃取电极板13的二相对长边，于扣合后受到该弹簧33下拉的回复力，该电弧室10及其下方的散热装置20即可紧扣于在该基座30的顶面301上。

当调大低压电弧电源供应单元的输出功率时，该电弧室的温度会随之提升，因此本实用新型使用高散热的散热装置20，该高散热的散热装置20包含有一散热本体21及至少一冷却媒介管22。该散热本体21的底面212设置于该基座30的顶面301，其顶面211全平面地贴平于该电弧室外壳11的底面，再如图6所示，本实施例的该散热本体21的二相对短侧214自该顶面211分别向下向内渐缩，该散热本体21的底面212小于顶面211；再如图7所示，为另一散热装置20’的实施例，该散热本体21的二相对短侧214的下部向下向内凹设一空间216，该散热本体21的底面212小于顶面211；相较于图6所示的散热装置30的实施例，可快速将电弧室10传导至该散热本体21的顶面211的热，较快速地集中至该散热本体21的中间。再者，为不与该进气管40干涉，再配合图2所示，该散热本体21对应该进气管40的一侧面213向内凹设有一凹槽215，该凹槽215贯穿该散热本体21的顶面211及底面212，由于且该进气管40的外管壁与该凹槽215内壁面有一间距，使该进气管40不与该散热本体21接触。各该冷却媒介管22穿经该散热本体21，并自该散热本体21底面向下穿出二支管221、222，并自该基座30的顶面301插入该基座30中，以外接一冷却媒介(图中未示)。再者，其中一支管221作为冷却媒介进入管；另一支管222则作为冷却媒介的排出管，使该冷却媒介可于该冷却媒介管22中流动。较佳地，该冷却媒介可为冷却气体或冷却液体。

综上所述，本实用新型散热装置20、20’主要全平面贴平于该电弧室10底面，除提供更稳固的支撑外，借由更大接触面积提供该电弧室高热传导效率，再配合冷却媒管22内的流程冷却媒介，快速将散热本体21的热带离，使整体散热效率更佳；再者，由于该散热装置20、20’主要全平面贴平于该电弧室10的底面，纵使外壳在高温运作下不易受热变形，亦能进一步避免因使用某些易热裂解的掺杂气体堵塞该电弧室的底进气孔。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种离子源，其特征在于，包括：

一电弧室，包含有：

一外壳，包含有多个内壁，并具有一上开口及一供一掺杂源气体通入该电弧室内的底进气孔；多个内板，分别设置于该外壳的对应内壁上；

一萃取电极板，盖合于该外壳的上开口，该萃取电极板中间形成有一第一萃取间隙；以及

一热电子产生元件，电隔离地设置于该外壳的一侧及对应该外壳一侧的内板上；以及

一电源供应装置，包含有：

一使该热电子产生元件加热至一预定温度的加热电源供应单元，耦接至该热电子产生元件；以及

一产生20V至45V输出电压的低压电弧电源供应单元，耦接至该多个内板及该热电子产生元件。

2.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，

该热电子产生元件由外至内包含有一灯丝及一阴极，其中该灯丝与该阴极之间保持一间隔；

该加热电源供应单元耦接至该灯丝，加热灯丝至该预定温度；

该电源供应装置进一步包含有一偏流电源供应单元，该偏流电源供应单元的正、负电极分别耦接至该阴极及该灯丝；

该低压电弧电源供应单元的正、负电极分别耦接至该多个内板及该阴极。

3.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，

该热电子产生元件包含一灯丝；

该加热电源供应单元耦接至该灯丝，加热灯丝至该预定温度；

该低压电弧电源供应单元的正、负电极分别耦接至该多个内板及该灯丝。

4.如权利要求1至3中任一项所述的离子源，其特征在于，进一步包含有：

一抑制电极板，间隔设置于该萃取电极板的一外侧，并形成有一第二萃取间隙；其中该第二萃取间隙对准该萃取电极板的第一萃取间隙；以及

一接地电极板，间隔设置于该抑制电极板一外侧，并形成有一第三萃取间隙；其中该第三萃取间隙对准该抑制电极板的第二萃取间隙；其中：

该萃取电极板耦接至一第一高压电源供应单元的正电极；

该抑制电极板耦接至一第二高压电源供应单元的负电极，该第二高压电源供应单元的正电极则耦接至该第一高压电源供应单元的负电极；

该接地电极板耦接到地。

5.如权利要求4所述的离子源，其特征在于，进一步包含有：

一基座，其顶面凸设有一进气管；以及

一散热装置，设置于该基座的顶面与该电弧室的外壳的底面之间。

6.如权利要求5所述的离子源，其特征在于，该散热装置包含有：

一散热本体，其底面设置于该基座的顶面，其顶面全平面地贴平于该电弧室底板的底面，该散热本体对应该进气管的一侧面向内凹设有一贯穿其顶面及其底面的凹槽，且该进气管的外管壁与该凹槽内壁面有一间距；以及

至少一冷却媒介管，穿经该散热本体，并自该散热本体底面向下穿出二支管，该冷却媒介管通过该二支管填充有一流动的冷却媒介。

7.如权利要求6所述的离子源，其特征在于，该冷却媒介为冷却气体或冷却液体。

8.如权利要求7所述的离子源，其特征在于，进一步包含有多个弹性勾扣组件，其中各弹性勾扣组件包含有：

一L形固定件，螺设于该基座的一下基板上；

一弹簧，其一端勾设于该L形固定件；

一勾条，其一端勾扣于该弹簧的另一端，该勾条的另一端形成有一勾部，以勾扣于位于该电弧室的该萃取电极板的侧边。