CN216528738U - 一种用于碳离子注入工艺的离子源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其包括起弧室、盖板、灯丝、阴极和通气孔；其中，起弧室，用于电子与气体分子碰撞产生等离子体的腔室；盖板，其上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；灯丝，其被加热之后产生第一组电子，第一组电子用于加热阴极；阴极，其被加热后，产生第二组电子，第二组电子用于起弧；通气孔，其设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体。本用于碳离子注入工艺的离子源装置可获得束流更大且更为纯净的碳离子束，并且减少了碳在起弧室、盖板、引出缝位置的堆积，从而减少了污染，提高了注入的质量，提升了产品良率。

Description

一种用于碳离子注入工艺的离子源装置

技术领域

本实用新型属于半导体制造加工领域，涉及一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其适用于离子注入设备。

背景技术

离子注入技术是半导体芯片制造领域十分重要的掺杂手段，较于采用热扩散进行掺杂，离子注入在掺杂剂量、掺杂深度及范围的精度控制上提升极大。随着半导体芯片制造技术的发展，器件逐渐小型化，为了抑制由此带来的各种负面效应，提高器件的性能，当代半导体芯片制造逐渐引入了多种元素的离子注入工艺。其中碳作为联合离子注入的一种有效手段被用来制造超浅结、突变结，并抑制硼等掺杂原子的扩散。

离子注入的过程中不仅要对注入的能量、剂量、角度等参数进行精确控制，还需要严格控制注入时的污染状况。一旦污染加重就必须对设备进行清洁维护，极大的降低了设备的有效运行时间，增加机台的运行成本。然而，碳由于其自身的特性容易造成堆积，导致离子注入时污染加重。

离子源是使中性原子或分子电离，生成等离子体的装置，是离子注入机不可缺少的部件。目前离子注入设备常用的离子源，其起弧室侧壁及开设有引出缝的盖板所用材料多为钼、钨等金属。在进行碳离子注入时，钼、钨等材料表面极易造成碳的堆积。堆积在电弧室侧壁表面的碳，会使得等离子体解离效率降低，离子束流变小；而堆积在引出缝处的碳会形成毛刺，阻挡部分离子束流前进的通道，导致离子束流整体均匀度降低，束流成形难度加大。

实用新型内容

基于现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其主要用于离子注入设备中，尤其适用于碳离子注入工艺，可减少碳的堆积以及减少杂质离子的污染。

依据本实用新型的技术方案，本实用新型提供一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，用于碳离子注入工艺的离子源是使中性原子或分子电离且生成碳等离子体的装置；其包括起弧室、盖板、灯丝、阴极和通气孔，

起弧室，其用于电子与气体分子碰撞产生等离子体的腔室；

盖板，其上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；

灯丝，其被加热之后产生第一组电子，第一组电子用于加热阴极；

阴极，其被加热后，产生第二组电子，第二组电子用于起弧；

通气孔，其设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体。

其中，起弧室为一侧具有底部、另一侧为开口的盒形，所述盖板可拆卸地固定盖合于所述起弧室的开口处；所述盖板上开设有长条形的引出缝；所述起弧室的内壁开设有一个或多个贯通的通气孔。

进一步地，起弧室与所述盖板相邻的一侧面上设置有阴极；所述阴极为一端具有底部、另一端为开口的筒状；所述阴极外套设有套筒形的阴极帽，且至少在靠近所述阴极底部的位置处所述阴极与所述阴极帽之间具有间隙；所述阴极内容纳有灯丝，所述灯丝的两末端从所述阴极的开口处穿出；所述起弧室与所述灯丝相对的一侧壁上设置有反射极。

进一步地，其还包括与所述起弧室、所述灯丝、所述阴极、所述反射极相连的电路组件；所述起弧室外设置有起弧室安装部、阴极安装板、绝缘固定板、灯丝夹以及反射极安装板；所述起弧室固定安装在所述起弧室安装部上。

进一步地，在所述盖板靠近所述起弧室内部的一面、所述引出缝的边缘处设置有倒角；所述阴极安装板上开设有贯通的第二固定孔，所述阴极的开口端固定设置于所述第二固定孔中；所述阴极上靠近开口端的外侧面设有增厚部，所述增厚部的外径大于所述阴极其他部分的外径，所述增厚部的外侧面固定套设所述阴极帽；所述起弧室与所述盖板相邻的一侧面上开设有贯通的第一固定孔，所述阴极帽穿设于所述第一固定孔中；所述灯丝夹的数量为二个，二个灯丝夹分别与所述灯丝的两末端固定连接；所述灯丝夹、所述阴极安装板均与绝缘固定板固定连接，且所述灯丝夹与所述阴极安装板之间存在间隙；绝缘固定板与所述起弧室安装部固定连接。

优选地，在所述起弧室外、靠近所述阴极和所述反射极所在的两面的位置处，设置有至少一对磁性体，所述磁性体之间具有离子源磁场。

优选地，起弧室与所述阴极相对的一侧壁上开设有第三固定孔，所述第三固定孔内嵌套有所述反射极，且所述反射极与所述第三固定孔的内侧面之间存在间隙，所述反射极的一侧位于所述起弧室内，所述反射极的另一侧上突出地设置有反射极端子；在所述第三固定孔位置、所述起弧室外侧，固定设置有绝缘的所述反射极安装板，所述反射极安装板上开设有通孔，所述反射极端子穿入所述反射极安装板的通孔固定。

更优选地，在用于碳离子注入工艺的离子源装置中，所述灯丝的两端连接有灯丝电源；

所述阴极与所述灯丝之间连接有阴极电源，使所述阴极的电位高于所述灯丝的电位；

所述起弧室和所述阴极之间连接起弧室电源，使所述起弧室以及与所述起弧室相接触的所述阴极帽的电位高于所述阴极；

所述阴极和所述反射极之间直接电连接，使所述阴极和所述反射极的电位相等。

更优选地，所述起弧室为由石墨制成的起弧室，且所述盖板为由石墨制成的盖板。反射极为由石墨制成的块体。

与现有技术相比，本实用新型的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置的有益效果为：在工作过程中，起弧室内基本不会产生其它金属离子，减少了污染，可获得更为纯净的碳离子束；以及，减少了碳在起弧室内壁及其盖板内侧面上的堆积；此外，还避免了碳堆积在引出缝的边缘棱角处、阻碍等离子体引出的问题。因此，采用本实用新型的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置可获得束流更大且更为纯净的碳离子束，从而提高了注入的质量，提升了产品良率。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的离子源装置的原理性的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例的离子源装置中部分零件的立体结构示意图。

图3为本实用新型一实施例的离子源装置阴极一侧的立体结构示意图。

图4为图3所示离子源装置反射极一侧的立体结构示意图。

图号说明：1：起弧室；2：盖板；3：引出缝；4：灯丝；5：阴极；6：反射级；7：反射极端子；8：离子源磁场；9：通气孔；10：倒角；11：阴极排斥极；12：阴极安装板；13：绝缘固定板；14：灯丝夹；15：固定杆；16：起弧室安装板；17：反射极安装板；18：第一固定孔；19：第二固定孔；20：第三固定孔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型专利实施例中的附图，对本实用新型专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型专利保护的范围。

本实用新型提供的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其中，用于碳离子注入工艺的离子源是使中性原子或分子电离且生成碳等离子体的装置；其包括起弧室、盖板、灯丝、阴极和通气孔；其中，起弧室，用于电子与气体分子碰撞产生等离子体的腔室；盖板，其上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；灯丝，其被加热之后产生第一组电子(灯丝热电子)，第一组电子用于加热阴极；阴极，其被加热后，产生第二组电子(阴极电子)，第二组电子用于起弧；通气孔，其设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体。本实用新型的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置可获得束流更大且更为纯净的碳离子束，并且减少了碳在起弧室、盖板、引出缝位置的堆积，从而减少了污染，提高了注入的质量，提升了产品良率。

具体的，请参阅图1至图4，本实用新型的一种采用物质溅射形成等离子体的离子源装置，包括起弧室1和盖板2，起弧室1为一侧具有底部、另一侧为开口的盒形，盖板2可拆卸地固定盖合于起弧室1的开口处。具体的，例如起弧室1整体呈长方体，长方体其中一面为盖板2。盖板2上开设有长条形的引出缝3。

盖板2通过例如螺钉方式可拆卸地与起弧室1固定连接，具体一种实施方式中，为采用固定杆15进行固定。如图3所示，起弧室1固定安装在起弧室安装部16上。起弧室安装部16与离子源装置的其他部分相连接。在盖板2的边缘位置开设有通孔，固定杆15穿过该通孔将盖板2与起弧室安装部16固定连接，从而使盖板2与起弧室1的相对位置固定，连接方式例如可选为螺纹连接。优选的，固定杆15有四个，均匀分布于引出缝3长度方向的两侧位置。

起弧室1与盖板2相邻的一侧面上设置有阴极5，阴极5为一端具有底部、另一端为开口的桶状。阴极5内容纳有灯丝4，灯丝4的两末端从阴极5的开口处穿出、并且连接有灯丝电源，从而在工作时对灯丝4通电，使灯丝4发射出电子。具体一些实施方式中，灯丝4中间部分的形状例如为平面的螺旋形弯曲(蚊香形)，灯丝4的两末端分别与两个灯丝夹14固定连接，灯丝夹14为导体，在灯丝夹14上连接灯丝电源。

在阴极5外套设有筒状的阴极帽11，且至少在靠近阴极5底部的位置处，阴极5与阴极帽11之间具有间隙。具体的一种实施方式中，请参阅图1、图2，阴极5上靠近开口端的外侧面设有增厚部，增厚部的外径大于阴极其他部分的外径，增厚部的外侧面固定套设阴极帽11(例如通过螺纹连接或过盈配合连接)。工作时灯丝4产生的电子撞击阴极5后，阴极5会向各个方向发射电子，阴极帽11的作用即为阻挡向阴极5侧面四周运动的电子，只留下朝向起弧室1与阴极5相对一侧面运动的电子，为此，优选的，如图1所述，阴极帽11和阴极5在靠近起弧室1内部的一端是齐平的。

起弧室1与阴极5相对的一侧壁上设置有反射极6，例如为板状或圆柱状等。还包括用于将反射极6、灯丝4、阴极5的位置固定的固定结构，使反射极6和起弧室1之间存在间隙、不导电，灯丝4和阴极5之间存在间隙、不导电，阴极帽11和起弧室1之间存在间隙、不导电，从而能够通过外加电路组件来控制各部分的电位，形成电场，进而控制电子或离子的运动轨迹。

本实用新型针对碳离子注入工艺，离子源装置中采用石墨材料制成的起弧室1和盖板2，避免了碳的堆积造成的不良影响，以及避免了其他杂质离子的产生，从而提高了离子注入工艺的产品良率。进一步的，为了避免少量电子或离子撞击反射极6，故更优选的，反射极6的材料也采用石墨。

此外，由于盖板2具有厚度，在盖板2上开设条形的引出缝3后，引出缝3的边缘处会存在垂直的棱和角，进而在这些位置处易造成碳的堆积，影响离子束流的行进。故优选的实施方式中，如图1所示，在盖板2靠近起弧室1内部的一面、引出缝3的边缘处设置有平滑的、弧形的倒角10，从而在离子束向外引出、通过引出缝3时不易产生堆积。可以理解的是，图1仅为一个方向的剖面示意图，实际引出缝3在靠近起弧室1一侧的全部楞和角(例如长方形引出缝3会产生四个棱边和四个角)均通过倒角10消除、改为平滑过渡的曲面。

具体一种实施方式中，前述用于将反射极6、灯丝4、阴极5的位置固定的固定结构包括起弧室安装部16、阴极安装板12、绝缘固定板13、灯丝夹14以及反射极安装板17。阴极安装板12为导体，例如由石墨制成，其上开设有贯通的第二固定孔19，阴极5的开口端固定设置于第二固定孔19中。第二固定孔19的内径与阴极5的外径相同，二者连接的位置位于阴极5开口一端附近，例如，通过螺纹连接固定。灯丝夹14和阴极安装板12均与绝缘固定板13固定连接(例如通过螺钉/螺栓方式固定连接)，且灯丝夹12与阴极安装板12之间存在间隙，从而形成由内至外依次设置的灯丝4、阴极5、阴极帽11的三层嵌套结构，且位置均被固定。起弧室1上阴极5所处的一侧面上开设有贯通的第一固定孔18。绝缘固定板13与起弧室安装部16固定连接，是阴极帽11位于第一固定孔18中，且阴极帽11与起弧室1存在间隙、不导电。

请参阅图1、图2、图4，起弧室1与阴极5相对的一侧壁上开设有第三固定孔20，第三固定孔20内嵌套有反射极6，且反射极6与第三固定孔20的内侧面之间具有间隙、不导电。反射极6的一侧位于起弧室1内，反射极6的另一侧上突出地设置有例如为杆状的反射极端子7；在第三固定孔20位置、起弧室1外侧，固定设置有绝缘的反射极安装板17(例如通过螺钉/螺栓方式固定连接)，反射极安装板17上开设有通孔，反射极端子7穿入反射极安装板17的通孔固定，从而使反射极6与起弧室1之间存在间隙、不导电。

如图1所示，起弧室1的至少一侧面开设有一个或多个贯穿起弧室1腔壁的通气孔9，通气孔9通过管道等连接气体供应设备，从而将所需的气体(例如一氧化碳或二氧化碳)通入起弧室1内。一具体实施方式中，起弧室1大体呈长方体，起弧室1垂直于盖板2的四条棱处，位于起弧室1内的一侧设置有例如45度倒角，形成共四个长度方向垂直于盖板2的长条形平面，在其中至少一个长条形平面的居中位置开设有通气孔9，优选为四条棱边位置均有通气孔9；当然也可以开设于其他位置。

此外，还包括与起弧室1、灯丝4、阴极5、反射极6相连的电路组件：灯丝4的两端连接有灯丝电源；阴极5与灯丝4之间连接有阴极电源，使阴极5的电位高于灯丝4的电位；起弧室1和阴极5之间连接起弧室电源，使起弧室1以及与起弧室1相接触的阴极帽11的电位高于阴极5；反射极6和阴极5之间直接电连接(例如通过导线直接相连)，使反射极6和阴极5的电位相等。可以理解的是，具体各个电源以及导线结构的固定和布局没有限制，能够实现上述电路连接的具体实施均可。

以及，在起弧室1外、靠近阴极5和反射极6所在的两面的位置处，设置有至少一对磁性体，磁性体之间具有离子源磁场8，其作用为使电子在磁场作用下作螺旋运动，增加电子运动距离。

本实用新型的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置的工作过程如下：检测本离子源装置各组件及起弧室的真空度是否正常；

将用于碳离子注入工艺的离子源装置接通电源，使各部分到达各自设定的电位和电流；

通过通气孔9将气体(例如一氧化碳或二氧化碳)通入起弧室1；

灯丝电源对灯丝4通电，灯丝4释放出电子(第一组电子，灯丝热电子)；

灯丝4与阴极5连接有阴极电源，其位置及极性如图1所示，确保阴极5的电位高于灯丝4的电位；

第一组电子在电场作用下朝向阴极5加速运动，并加热(轰击)阴极5，使阴极5发生电子雪崩，向各个方向释放出大量电子(第二组电子，阴极电子)；

第二组电子中，向阴极5侧方发射出的部分被阴极帽11阻挡，仅留下朝向反射极6运动的电子；

第二组电子与从通气孔9通入的气体分子发生碰撞，使气体分子发生电离、产生等离子体；

磁性体之间存在离子源磁场8，电子在离子源磁场8中运动，在磁场力作用下作螺旋运动，使电子运动距离增加，增大电子与气体分子的碰撞几率；

阴极5和反射极6之间直接电连接，阴极5和反射极6的电位相等，电子在运动至反射极6附近时会由于电场作用向相反方向运动，从而在起弧室1内反复振荡，增加电子运动的距离，增大电子与气体分子的碰撞几率；

在盖板2远离起弧室1的一侧具有引出电压，将生成的等离子体从引出缝3引出起弧室1，形成等离子体束。

本实用新型的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置在工作过程中，由于其中起弧室1、盖板2、反射极6均采用石墨材料，即使电子或离子与这些部分发生撞击也不会产生其它金属离子，相反的，还获得了更多的所需的碳离子，减少了污染，可获得束流更大且更为纯净的碳离子束；以及，由于采用石墨材料，减少了碳在起弧室1内壁及盖板2内侧面上的堆积，同样有助于获得纯净、均匀、束流大的离子束；此外，还避免了碳堆积在引出缝的边缘棱角处、阻碍等离子体引出的问题。因此，采用本实用新型的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置可提高注入的质量，提升整体产品良率，适用于半导体芯片先进制程领域及大规模产线的应用。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：用于碳离子注入工艺的离子源是使中性原子或分子电离且生成碳等离子体的装置；

其包括起弧室、盖板、灯丝、阴极和通气孔，

起弧室，其用于电子与气体分子碰撞产生等离子体的腔室；

盖板，其上设置有用于引出等离子体的引出缝，将等离子体引出起弧室；

灯丝，其被加热之后产生第一组电子，第一组电子用于加热阴极；

阴极，其被加热后，产生第二组电子，第二组电子用于起弧；

通气孔，其设置在起弧室的内壁，用于向起弧室输入气体。

2.如权利要求1所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：所述起弧室(1)为一侧具有底部、另一侧为开口的盒形，所述盖板(2)可拆卸地固定盖合于所述起弧室(1)的开口处；所述盖板(2)上开设有长条形的引出缝(3)；所述起弧室(1)的内壁开设有一个或多个贯通的通气孔(9)。

3.如权利要求2所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：所述起弧室(1)与所述盖板(2)相邻的一侧面上设置有阴极(5)；所述阴极(5)为一端具有底部、另一端为开口的筒状；所述阴极(5)外套设有套筒形的阴极帽，且至少在靠近所述阴极(5)底部的位置处所述阴极(5)与所述阴极帽之间具有间隙；所述阴极(5)内容纳有灯丝(4)，所述灯丝(4)的两末端从所述阴极(5)的开口处穿出；所述起弧室(1)与所述灯丝(4)相对的一侧壁上设置有反射极(6)。

4.如权利要求3所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：其还包括与所述起弧室(1)、所述灯丝(4)、所述阴极(5)、所述反射极(6)相连的电路组件；所述起弧室(1)外设置有起弧室安装部(16)、阴极安装板(12)、绝缘固定板(13)、灯丝夹(14)以及反射极安装板(17)；所述起弧室(1)固定安装在所述起弧室安装部(16)上。

5.如权利要求4所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：在所述盖板(2)靠近所述起弧室(1)内部的一面、所述引出缝(3)的边缘处设置有倒角(10)；所述阴极安装板(12)上开设有贯通的第二固定孔(19)，所述阴极(5)的开口端固定设置于所述第二固定孔(19)中；所述阴极(5)上靠近开口端的外侧面设有增厚部，所述增厚部的外径大于所述阴极其他部分的外径，所述增厚部的外侧面固定套设所述阴极帽(11)；所述起弧室(1)与所述盖板(2)相邻的一侧面上开设有贯通的第一固定孔(18)，所述阴极帽(11)穿设于所述第一固定孔(18)中；所述灯丝夹(14)的数量为二个，二个灯丝夹(14)分别与所述灯丝(4)的两末端固定连接；所述灯丝夹(14)、所述阴极安装板(12)均与绝缘固定板(13)固定连接，且所述灯丝夹(14)与所述阴极安装板(12)之间存在间隙；绝缘固定板(13)与所述起弧室安装部(16)固定连接。

6.如权利要求3所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：在所述起弧室(1)外、靠近所述阴极(5)和所述反射极(6)所在的两面的位置处，设置有至少一对磁性体，所述磁性体之间具有离子源磁场(8)。

7.如权利要求4所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：所述起弧室(1)与所述阴极(5)相对的一侧壁上开设有第三固定孔(20)，所述第三固定孔(20)内嵌套有所述反射极(6)，且所述反射极(6)与所述第三固定孔(20)的内侧面之间存在间隙，所述反射极(6)的一侧位于所述起弧室(1)内，所述反射极(6)的另一侧上突出地设置有反射极端子(7)；在所述第三固定孔(20)位置、所述起弧室(1)外侧，固定设置有绝缘的所述反射极安装板(17)，所述反射极安装板(17)上开设有通孔，所述反射极端子(7)穿入所述反射极安装板(17)的通孔固定。

8.如权利要求4所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：

所述灯丝(4)的两端连接有灯丝电源；

所述阴极(5)与所述灯丝(4)之间连接有阴极电源，使所述阴极(5)的电位高于所述灯丝(4)的电位；

所述起弧室(1)和所述阴极(5)之间连接起弧室电源，使所述起弧室(1)以及与所述起弧室(1)相接触的所述阴极帽(11)的电位高于所述阴极(5)；

所述阴极(5)和所述反射极(6)之间直接电连接，使所述阴极(5)和所述反射极(6)的电位相等。

9.如权利要求2所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：所述起弧室(1)为由石墨制成的起弧室，且所述盖板(2)为由石墨制成的盖板。

10.如权利要求7所述的一种用于碳离子注入工艺的离子源装置，其特征在于：所述反射极(6)为由石墨制成的块体。

Images