TW202418328A

TW202418328A - 用於將摻雜劑材料保持在離子源中的設備及間接加熱式陰極離子源

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Publication number: TW202418328A
Application number: TW112119198A
Authority: TW
Inventors: 奎格Ｒ錢尼; 格拉漢萊特
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2023-05-23
Publication date: 2024-05-01

Abstract

本發明提供一種具有坩堝的離子源。在一些實施例中，坩堝包含固體摻雜劑材料，例如金屬。在坩堝中設置有與固體摻雜劑材料接觸的多孔芯吸尖端。多孔芯吸尖端可為具有一個或多個內部導管的管。作為另外一種選擇，多孔尖端可為兩個同心的圓柱體，多個杆設置於所述兩個圓柱體之間的環形環中。作為另外一種選擇，多孔尖端可為捲繞在一起的一個或多個箔層。在這些實施例中的每一者中，芯吸尖端可用於對熔融摻雜劑材料向電弧室的流動速率進行控制。

Description

於離子源可調式氣化之熔融液體運輸

本發明是有關於一種離子源，且特別是有關於一種具有帶有多孔芯吸尖端的坩堝的離子源。

可使用各種類型的離子源來形成在半導體處理裝備中使用的離子。舉例來說，間接加熱式陰極（indirectly heated cathode，IHC）離子源通過向設置於陰極後方的細絲供應電流來運行。細絲發射熱離子電子，所述熱離子電子朝向陰極加速且對所述陰極進行加熱，繼而使得陰極將電子發射到離子源的電弧室（arc chamber）中。陰極設置於電弧室的一端處。推斥極通常設置於電弧室的與所述陰極相對的一端上。可對陰極及推斥極施加偏壓以對電子進行推斥，從而朝向電弧室的中心往回引導所述電子。在一些實施例中，使用磁場來進一步將電子約束在電弧室內。

在某些實施例中，可能期望利用固體形式的進料（feed material）作為摻雜劑物種。然而，存在與IHC離子源一起使用固體進料相關聯的問題。舉例來說，與離子源一起使用的氣化器難以在大於750攝氏度的溫度下運行。此外，在對氣化器與電弧室進行連接的管中可能存在熱遮罩（heat shielding）及冷凝的問題。這些問題可能會妨礙許多固體在氣化器中的使用，這是因為所述許多固體在750攝氏度處的蒸氣壓過低。將固體進料引入到離子源中也可能會存在問題。可能會出現例如濺出（spillage）及未經調節的氣化等問題。

因此，可不受這些限制地與固體進料一起使用的離子源將是有益的。此外，能夠對氣化速率進行調諧或調節將是有利的。

本發明提供一種具有坩堝的離子源。在一些實施例中，坩堝包含固體摻雜劑材料，例如金屬。這種材料可為晶體、團塊、粉末或化合物材料。在坩堝中設置有與固體摻雜劑材料接觸的多孔芯吸尖端。多孔芯吸尖端可為具有一個或多個內部導管的管。作為另外一種選擇，多孔尖端可為兩個同心的圓柱體，多個杆設置於所述兩個圓柱體之間的環形環中。作為另外一種選擇，多孔尖端可為捲繞在一起的一個或多個箔層。在這些實施例中的每一者中，芯吸尖端可用於對熔融摻雜劑材料向電弧室的流動速率進行控制。

在本發明的一實施例中，揭露一種用於將摻雜劑材料容放於離子源中的設備。所述設備包括：坩堝；以及芯吸尖端，設置於坩堝中，其中芯吸尖端包括本體、一個或多個開口以及芯吸空腔，所述本體具有一個或多個內部導管；所述一個或多個開口使所述一個或多個內部導管與本體的外部及坩堝的內部連通；所述芯吸空腔設置於芯吸尖端的前端處，其中所述一個或多個內部導管流動到芯吸空腔中。在一些實施例中，本體包括包含多個內部導管的圓柱形部分。在某些實施例中，本體的一部分包括主外徑，所述主外徑被界定成使得所述多個內部導管完全包含於具有主外徑的部分內，且其中輸送環設置於本體的其他的部分上以形成所述一個或多個開口，所述輸送環是具有比主外徑小的直徑的區。在某些實施例中，其中所述多個內部導管連接到芯吸空腔之處的通道的橫截面積小於所述多個內部導管的組合橫截面積，從而形成阻塞點（choke point）。在一些實施例中，所述多個內部導管的組合橫截面積比所述多個內部導管連接到芯吸空腔之處的通道的橫截面積大3倍到12倍。在一些實施例中，本體及所述一個或多個內部導管是彎曲的。在一些實施例中，芯吸空腔包括凹的空腔。在一些實施例中，本體僅包括一個內部導管。在一些實施例中，本體包括中空外部圓柱體及實心內部圓柱體，其中在中空外部圓柱體與實心內部圓柱體之間形成環形環，其中芯吸尖端還包括設置於環形環中的杆，其中環形環中的杆之間的間距包括所述一個或多個內部導管。在一些實施例中，本體包括箔，所述箔捲繞以形成本體；其中箔的相鄰的層之間的間距包括所述一個或多個內部導管。

在本發明的另一實施例中，揭露一種間接加熱式陰極離子源。所述IHC離子源包括：電弧室，具有第一端及第二端；陰極，設置於第一端上；以及以上所述的設備，設置於第二端處。

在本發明的另一實施例中，揭露一種間接加熱式陰極離子源。所述IHC離子源包括：電弧室，具有第一端、第二端以及連接第一端與第二端的側壁；陰極，設置於第一端上；致動器，適合於延伸到電弧室中及從電弧室縮回；以及以上所述的設備，設置於致動器的端上。

在本發明的另一實施例中，揭露一種用於將摻雜劑材料容放於離子源中的設備。所述設備包括：坩堝；以及芯吸尖端，設置於坩堝中，其中芯吸尖端包括實心內部圓柱體以及多個杆，所述實心內部圓柱體設置於中空外部圓柱體中以形成環形環；所述多個杆設置於環形環中。在一些實施例中，所述多個杆之間的間距形成內部導管，摻雜劑材料行進穿過所述內部導管。在一些實施例中，所述多個杆在芯吸尖端的後端處延伸超過中空外部圓柱體以提供開口，從而使摻雜劑材料能夠進入內部導管。在一些實施例中，中空外部圓柱體在前端比所述多個杆延伸得更遠以形成空腔，來自內部導管的摻雜劑材料被收集到空腔中。在一些實施例中，所述多個杆包含鉭、難熔金屬或高溫導線。

如上所述，揭露一種具有芯吸尖端的坩堝。存在芯吸尖端的多個實施例。

存在可與芯吸尖端一起使用的IHC離子源的多個實施例。這些實施例中的一者包括位於電弧室的第二端上的坩堝。第二實施例包括設置於側壁上的坩堝。將對這些實施例中的每一者進行更詳細的闡述。

圖1示出具有帶有芯吸尖端的坩堝的IHC離子源10的第一實施例，所述坩堝設置於第二端處。IHC離子源10包括電弧室100，電弧室100包括兩個相對的端及連接到這些端的側壁101。電弧室100還包括底壁及頂壁。電弧室100的壁可由導電材料構造而成且可彼此電連通。在電弧室100中在電弧室100的第一端104處設置有陰極110。在陰極110後方設置有細絲160。細絲160與細絲電源165連通。細絲電源165被配置成使電流穿過細絲160，以使得細絲160發射熱離子電子。陰極偏壓電源115相對於陰極110而對細絲160施加負偏壓，以使這些熱離子電子從細絲160朝向陰極110加速，且在這些熱離子電子撞擊陰極110的後表面時對陰極110進行加熱。陰極偏壓電源115可對細絲160施加偏壓，使得細絲160具有例如比陰極110的電壓負200伏特（V）到1500 V之間的電壓。然後，陰極110在其前表面上將熱離子電子發射到電弧室100中。

因此，細絲電源165向細絲160供應電流。陰極偏壓電源115對細絲160施加偏壓，使得細絲160具有比陰極110負的值，進而使得從細絲160朝向陰極110吸引電子。在某些實施例中，可例如由偏壓電源111相對於電弧室100對陰極110施加偏壓。在其他實施例中，陰極110可電連接到電弧室100，以與電弧室100的側壁處於相同的電壓下。在這些實施例中，可不採用偏壓電源111且陰極110可電連接到電弧室100的側壁。在某些實施例中，電弧室100連接到電接地。

在此實施例中，坩堝120設置於電弧室100中，位於電弧室100的與陰極110相對的第二端105上。坩堝120可由導電材料製成且可電連接到電弧室100的側壁。坩堝120的頂部可與第二端105齊平。

在某些實施例中，在電弧室100中產生磁場190。此磁場旨在沿著一個方向約束電子。所述磁場190通常平行於從第一端104到第二端105的側壁101。舉例來說，電子可被約束於與從陰極110到坩堝120的方向（即y方向）平行的柱中。因此，電子不會經受任何電磁力而在y方向上移動。然而，電子在其他方向上的移動可能會經受電磁力。

在圖1中所示的實施例中，第一電極130a及第二電極130b可設置於電弧室100的相應的相對的側壁101上，使得第一電極130a及第二電極130b位於電弧室100內。第一電極130a及第二電極130b可各自承受由相應的電源施加的偏壓。在某些實施例中，第一電極130a及第二電極130b可與共用電源連通。然而，在其他實施例中，為能夠以最大的靈活性及能力對IHC離子源10的輸出進行調諧，第一電極130a可與第一電極電源135a連通，而第二電極130b可與第二電極電源135b連通。

第一電極電源135a及第二電極電源135b用於相對於電弧室100的側壁分別為第一電極130a及第二電極130b施加偏壓。在某些實施例中，第一電極電源135a及第二電極電源135b可相對於電弧室100的側壁101正向地或負向地對第一電極130a及第二電極130b施加偏壓。在某些實施例中，電極中的至少一者可相對於電弧室100的側壁101承受介於40伏特與500伏特之間的偏壓。

陰極110、坩堝120及電極中的每一者均由導電材料（例如，金屬或石墨）製成。

在電弧室100的被稱為面板103的另一側上可設置有提取孔口140。在圖1中，提取孔口140設置於與X-Y平面平行（與頁面平行）的一側上。此外，IHC離子源10還包括氣體入口106，待電離的氣體通過氣體入口106而被引入電弧室100。

控制器180可與電源中的一者或多者連通，使得可更改由這些電源所供應的電壓或電流。控制器180可包括處理單元，例如微控制器、個人電腦、專用控制器或另一適合的處理單元。控制器180還可包括非暫時性記憶元件，例如半導體記憶體、磁性記憶體或另一適合的記憶體。此非暫時性記憶元件可包含使得控制器180能夠實行本文中所述的功能的指令及其他資料。

摻雜劑材料125（例如，銦、鋁、銻或鎵）可設置於坩堝120內。當放置于坩堝120中時，摻雜劑材料125可以固體形式存在。在一些實施例中，摻雜劑材料125可為晶體、團塊、粉末或化合物材料。然而，在某些實施例中，摻雜劑材料125可被熔融且變為液體。因此，在某些實施例中，離子源10被配置成使得坩堝120位於最低側（即，最靠近地的一側）上，使得熔融摻雜劑材料不會從坩堝120流動到電弧室100中，而是保留於坩堝120中。換句話說，離子源10被定向成使得摻雜劑材料125通過重力而保留於坩堝120中。

芯吸尖端170設置於坩堝120中。芯吸尖端170延伸到坩堝120中。在一些實施例中，芯吸尖端170延伸到坩堝的底部，使得即使當摻雜劑材料被消耗時，摻雜劑材料125也保持與芯吸尖端170接觸。坩堝120可包括形成坩堝空腔121的前表面。此坩堝空腔121可為凹的或者為另一種向內的凹陷。前表面是指與電弧室100的內部連通的表面。在某些實施例中，芯吸尖端170包括芯吸空腔171。芯吸空腔171可為凹的。然而，應理解，也可使用其他的形狀。舉例來說，芯吸空腔171可為具有不同形狀的沉孔（counterbore）。前表面上的任何向內的凹陷或孔均可用作芯吸空腔171。在一些實施例中，坩堝120及芯吸尖端170二者均具有凹的空腔。在實施例中的每一者中，來自等離子體的熱量將熔融摻雜劑材料朝向電弧室吸入。隨著摻雜劑材料125沿芯吸尖端170向上行進，摻雜劑材料125對芯吸空腔171進行填充。如果過量的摻雜劑材料填充進芯吸空腔171，則可能會形成彎月面（meniscus）。引入附加的摻雜劑材料可能使摻雜劑材料從芯吸空腔171流動到坩堝空腔121中。這些空腔二者均可與電弧室100的內部直接接觸。此有利於使坩堝空腔121及芯吸空腔171中的摻雜劑材料氣化。此外，芯吸尖端170的設計對摻雜劑材料125沿芯吸尖端170向上行進的速率進行控制，從而對摻雜劑材料125氣化的速率進行控制。

在運行期間，細絲電源165使電流穿過細絲160，此使細絲160發射熱離子電子。這些電子撞擊可具有比細絲160正的值的陰極110的後表面，從而使得陰極110被加熱，此繼而使得陰極110將電子發射到電弧室100中。這些電子與通過氣體入口106而被饋送到電弧室100中的氣體的分子碰撞。載氣（carrier gas）（例如，氬氣）或蝕刻氣體（例如，含鹵素的氣體）可通過適當定位的氣體入口106而被引入到電弧室100中。來自陰極110的電子、氣體與正電位元的組合形成等離子體145。等離子體145可通過由第一電極130a及第二電極130b形成的電場而被約束及操縱。此外，在某些實施例中，電子及正離子可在某種程度上受到磁場190的約束。在某些實施例中，等離子體145被約束成鄰近電弧室100的中心，靠近提取孔口140。在一些實施例中，等離子體145可被偏壓於接近施加到第一電極130a的電壓與施加到第二電極130b的電壓的平均值的電壓。等離子體145內的熱量使坩堝120中的摻雜劑材料125熔融以形成液體。熱量將所述液體朝向電弧室吸入，使得所述液體沿芯吸尖端170向上行進並流動到芯吸空腔171中。液體摻雜劑材料一旦進入芯吸空腔171中便會被氣化，並且會產生來自摻雜劑材料的離子且所述離子會成為等離子體145的一部分。作為另外一種選擇，一些液體摻雜劑材料可從芯吸空腔171流動到坩堝空腔121中，所述一些液體摻雜劑材料在坩堝空腔121中被氣化。

在某些實施例中，陰極110的電壓具有不如等離子體145的電壓正的值。舉例來說，在一個實施例中，陰極110可與電弧室100的側壁處於相同的電壓。第一電極130a可被偏壓於150 V，而第二電極130b可被偏壓於0 V或20 V。因此，由陰極110產生的電子被吸引向等離子體145。在一些實施例中，這些所發射的電子或其他粒子也可撞擊摻雜劑材料125，從而使摻雜劑材料125發生濺射。

儘管圖1示出兩個電極，但應理解，在一些實施例中，可消除這些電極中的一者（例如，第二電極130b）及與第二電極130b相關聯的第二電極電源135b。在另一實施例中，第二電極130b設置於電弧室100內，但電連接到電弧室100的側壁101。因此，在此實施例中，可消除第二電極電源135b。

圖2A到圖2B示出利用具有芯吸尖端170的坩堝120的IHC離子源12的第二實施例。此IHC離子源12中的許多元件與第一實施例中的元件等同並已給予等同的參考識別字。與圖1中所示的IHC離子源10不同，在此實施例中，推斥極150設置於與第一端104相對的第二端105上。推斥極150可利用推斥極偏壓電源153而相對於電弧室100承受偏壓。在其他實施例中，推斥極150可電連接到電弧室100以處於與電弧室100的壁相同的電壓。在這些實施例中，可不採用推斥極偏壓電源153且推斥極150可電連接到電弧室100的壁。在又一些其他實施例中，不採用推斥極150。推斥極150由導電材料（例如，金屬或石墨）製成。

在此實施例中，坩堝120與致動器195的一端連通。圖2A示出處於延伸位置中的致動器195，使得坩堝120設置於電弧室100的內部中。致動器195的相對端可與支撐件197連通。在某些實施例中，此支撐件197可為IHC離子源12的殼體。在某些實施例中，致動器195可能能夠改變坩堝120的總位移。舉例來說，致動器195可為伸縮式設計。

圖2B示出帶有處於縮回位置中的致動器195的IHC離子源12。在此位置中，坩堝120完全位於電弧室100外。在某些實施例中，當坩堝120位於電弧室100外時，摻雜劑材料125冷卻。通過此種方式，當致動器195處於縮回位置中時，沒有摻雜劑材料125會進入電弧室100。

坩堝120經由連接第一端104與第二端105的所述多個側壁101中的一者進入電弧室100的內部。在某些實施例中，坩堝120可通過與提取孔口140相對的側壁進入電弧室100的內部。在其他實施例中，坩堝120可通過與面板103相鄰的側壁進入電弧室100的內部。

芯吸尖端170設置於坩堝120中。芯吸尖端170延伸到坩堝120中。在一些實施例中，芯吸尖端170延伸到坩堝的底部，使得即使在摻雜劑材料正在被消耗時，摻雜劑材料125仍保持與芯吸尖端170接觸。坩堝120可包括形成坩堝空腔121的前表面。在某些實施例中，芯吸尖端170包括芯吸空腔171。在一些實施例中，坩堝及芯吸尖端二者均具有空腔。在實施例中的每一者中，當摻雜劑材料125沿芯吸尖端170向上行進時，摻雜劑材料125填充進芯吸空腔171。如果過量的摻雜劑材料填充進芯吸空腔171，則可能會形成彎月面。引入附加的摻雜劑材料可能會使摻雜劑材料從芯吸空腔171流動到坩堝空腔121中。這兩個空腔均可與電弧室100的內部直接接觸。此有利於使坩堝空腔121及芯吸空腔171中的摻雜劑材料氣化。此外，芯吸尖端170的設計會對摻雜劑材料125能夠沿芯吸尖端170向上行進的速率進行控制，從而對摻雜劑材料125被氣化的速率進行控制。

圖3A到圖3E示出芯吸尖端170的第一實施例。在此實施例中，芯吸尖端170包括芯吸管200。如圖3A到圖3B中所示，芯吸管200可為具有長度及主外徑的圓柱形本體。沿著芯吸管200的長度包括一個或多個輸送環210。輸送環210是具有比主外徑小的外徑的區。在一些實施例中，主外徑231（參見圖3D）介於0.125英寸與0.75英寸之間，而輸送環210的外徑介於0.087英寸與0.62英寸之間。輸送環210的高度不受限制，但視期望的流動速率而定，可介於0.25英寸與2.0英寸之間。具體來說，輸送環210的高度的增大會增大將芯吸管200的外部連接到導管220的開口的大小。

在芯吸管200記憶體在一個或多個導管220。這些導管220的直徑可能會變化且在一些實施例中可介於0.062英寸與0.250英寸之間。這些導管220完全包含於主外徑231內，如圖3B的俯視圖以及圖3D中所示。換句話說，如果整個芯吸管200具有等於主外徑231的直徑，則導管220將完全位於圓柱形本體內。然而，輸送環210的外徑（在圖3E中示為直徑232）小於容納導管220所需的直徑。因此，輸送環210切入到導管220中，從而形成使得能夠存在從芯吸管200外到導管220的路徑的開口250。

圖3D到圖3E還示出芯吸空腔230。在芯吸空腔230與導管220交疊之處，形成從導管220到芯吸空腔230的通道。由於這些通道的橫截面積小於所述多個導管220的組合橫截面積，因此會形成阻塞點。阻塞點的大小及通道的橫截面積對所述多個導管220的組合橫截面積的比率可確定摻雜劑材料到芯吸空腔230的流動速率。

在芯吸管200內可存在多於一個導管220。通過此種方式，芯吸管200的一部分甚至存在於輸送環210的區域中。

在另一實施例中，可僅利用一個導管220。在此實施例中，可在徑向方向上沿著芯吸管200的長度形成開口250而非利用輸送環來形成開口250，以將芯吸管200的外側連接到導管220，如圖4D中所示。這些開口250可為漸縮的，從而增加可進入每一開口250的材料的量。

圖4E中示出對圖4D所示芯吸管的修改。在此圖中，存在合併到上部芯吸管202中的多個下部芯吸管201。如圖4D中所示，下部芯吸管201具有開口250。另外，與圖4D中的導管相似地，下部芯吸管201也具有一個或多個導管220。隨後這些導管220進入上部芯吸管202且可作為獨立的導管保留於上部芯吸管202中。在其他實施例中，導管220可合併到上部芯吸管202中的一個導管中。在上部芯吸管202的頂部處，導管220連接到芯吸空腔230。

芯吸管200可由任何合適的材料（例如，石墨或難熔金屬（例如，鎢、鉭或鉬））製成。可基於坩堝120的深度來確定芯吸管200的長度。可選擇導管220的直徑以對液體摻雜劑材料行進到芯吸空腔230的速率進行控制。更大的直徑會使得能夠輸送更多的材料且也會增大將芯吸管200的外部連接到導管220的開口的大小。此外，導管的數目是可調節的。

如圖3C中所示，在所有的這些實施例中，芯吸管200的前表面可包括芯吸空腔230。用語“前表面”是指與電弧室100連通的表面。芯吸空腔230可為凹的。然而，應理解，也可使用其他的形狀。舉例來說，芯吸空腔230可為具有不同形狀的沉孔。前表面上的任何向內的凹陷或孔均可用作芯吸空腔230。當熔融摻雜劑材料125沿導管220向上行進時，熔融摻雜劑材料125收集於芯吸空腔230中。可基於將要暴露於等離子體的熔融摻雜劑材料的量來選擇芯吸空腔230的深度、形狀及半徑。更深的芯吸空腔230可容放更多的摻雜劑材料，從而使等離子體中的摻雜劑離子的濃度更高。

在某些實施例中，導管220可從芯吸空腔230到遠端穿過芯吸管200的整個長度。在其他實施例中，芯吸管200的後端可為封閉的，使得導管220不暴露於後端上。用語“後端”是指芯吸管200的與前表面相對的端。然而，在所有的實施例中，芯吸管200包括具有在芯吸管200內設置有一個或多個導管220的結構。這些導管220與設置於芯吸管200的前表面處的芯吸空腔230連通。可沿著芯吸管200的將芯吸管200的外部連接到導管220的長度設置有一個或多個開口250。導管220及開口的數目及大小可有助於確定摻雜劑材料行進到芯吸空腔230的速率。

此外，儘管圖3A到圖3E將芯吸管200示出為具有圓柱形本體，然而其他形狀也是可能的。舉例來說，芯吸管200可為矩形棱柱體或其他形狀。

圖4A示出在部分地填充有摻雜劑材料125的坩堝120中設置的圖3A到圖3E所示芯吸管200。注意，在運行中，摻雜劑材料125熔融，沿著輸送環210進入開口250，且沿導管220向上行進到與電弧室100連通的芯吸空腔230。圖4A中所示的定向適用於圖1中所示的離子源，其中坩堝120維持於直立位置或垂直位置中。在此實施例中，芯吸管200的中心軸可與坩堝120的中心軸同軸，使得芯吸管200在徑向方向上位於坩堝120的中心中。在這些實施例中，坩堝120可為中空圓柱體或中空矩形棱柱體。在其他實施例中，坩堝120可為漸縮的，使得坩堝的頂部比坩堝120的底部寬。

圖4B示出在水準方向上定向（例如在圖2A到圖2B中所示的實施例中所定向）的坩堝120中設置的芯吸管200。在此實施例中，使芯吸管200相對於坩堝120的中心軸偏移可能有所裨益。通過此種方式，即使在摻雜劑材料125正在被消耗時，摻雜劑材料125也可保持與芯吸管200接觸。如果需要，則芯吸管200可在坩堝120中設置成使得芯吸管200接觸或靠近坩堝120的最低側。在這些實施例中，坩堝120可為中空圓柱體或中空矩形棱柱體。在其他實施例中，坩堝120可為漸縮的，使得坩堝的頂部比坩堝120的底部寬。通過使用漸縮形狀，摻雜劑材料125可能會由於坩堝120的傾斜壁而被朝向坩堝120的頂部吸入。坩堝120的前表面可具有空腔，所述空腔可為凹面、凸面或者使摻雜劑材料125自芯吸空腔230的任何溢出均能夠被保持的精細表面。

圖4C示出可與圖4B中所示的坩堝一起使用的不同的芯吸管240。在此實施例中，改變芯吸管240的形狀來適應水準定向而非移動坩堝120內的芯吸空腔230的位置。在此實施例中，芯吸管240的本體是彎曲的。本體內的導管220將會相似地彎曲。此種配置使芯吸管200的前表面（即，芯吸空腔230）沿著坩堝120的中心軸定位，同時還使芯吸管的至少部分能夠靠近坩堝120的最低側。

圖4D示出芯吸管200的不同配置。在此實施例中，並非使用輸送環210，而是芯吸管的本體的橫截面積在芯吸管的整個長度的至少部分上可為恒定。開口250設置於芯吸管200中，開口250與設置於芯吸管200的圓柱形本體內的所述一個或多個導管220連通。如上所述，這些開口可為漸縮的，以增加可進入每一開口250的材料的量。

圖5A到圖5C示出根據另一實施例的芯吸尖端。在此實施例中，芯吸尖端被構造為芯吸導線總成300。圖5C示出芯吸導線總成300的剖視圖。芯吸導線總成300包括設置於外部中空圓柱體310中的實心內部圓柱體320。所述圓柱體可由石墨、陶瓷、高溫材料或難熔金屬構造而成。在位於外部中空圓柱體310與實心內部圓柱體320之間的環形環340中，設置有多個杆330。在一個實施例中，杆330中的每一者的直徑近似等於環形環340的寬度。在其他實施例中，多個杆330可在徑向方向上設置於環形環340中。杆330由石墨或難熔金屬（例如，鉭或鎢）構造而成。儘管只要在杆330之間形成空間，其他形狀也是可能的，然而杆330可具有圓形橫截面。環形環340中的杆330之間的空間為熔融摻雜劑材料提供朝向芯吸導線總成300的頂端行進的導管。在一個實施例中，杆330的頂端在位於外部中空圓柱體310的端之前的前端處終止。此會在芯吸導線總成300的前端處形成芯吸空腔，熔融摻雜劑材料125可被收集於所述空腔中。在某些實施例中，實心內部圓柱體320可在前端中延伸超過外部中空圓柱體310，使得實心內部圓柱體320延伸到電弧室100中。此用於對實心內部圓柱體320進行進一步加熱，此有助於使摻雜劑材料125熔融。在此實施例中，芯吸空腔可為環形形狀的。在一些實施例中，杆330及實心內部圓柱體320在底部方向上比外部中空圓柱體310延伸得更遠。通過在底部方向上在杆330及實心內部圓柱體320之前終止外部中空圓柱體310，使得可使用更多的表面積來使熔融摻雜劑材料125進入環形環340。不存在外部中空圓柱體310的區使杆330能夠與位於芯吸導線總成300外部的摻雜劑材料直接接觸。因此，此區用作使熔融摻雜劑材料能夠進入內部導管的開口。

在一些實施例中，杆330可為鉭絲（tantalum wire）。在運行中，摻雜劑材料125熔融，進入杆330之間的空間並在環形環340中的杆330之間行進到與電弧室100連通的空腔。杆330可具有介於0.005英寸與0.125英寸之間的直徑。環形環340可具有介於0.125英寸與0.750英寸之間的寬度。在一些實施例中，在環形環340中可設置有三個到一百個杆330。杆330可具有相同的長度或者長度可不同。長度可介於0.5英寸與2.0英寸之間。

圖5A中所示的定向適合於圖1中所示的離子源，其中坩堝120維持於直立位置或垂直位置中。如上所述，坩堝120可在坩堝120的前表面處包括坩堝空腔121。杆330可全部或大部分延伸到坩堝120的底部，以使即使當摻雜劑材料正在被消耗時，杆330仍與摻雜劑材料接觸。

圖5B中所示的定向適用於圖2A到圖2B中所示的離子源，其中坩堝120維持于水準位置中。在此實施例中，芯吸導線總成300設置於坩堝120內，使得芯吸導線總成300的底部與坩堝120的最下壁接觸。因此，芯吸導線總成300可傾斜地設置。此使熔融摻雜劑材料即使在一些摻雜劑材料已被消耗之後仍能夠與芯吸導線總成300的杆330接觸。

因此，在此實施例中，杆330之間的環形環340中的空間用作熔融摻雜劑材料可移動穿過的導管。環形環的寬度以及杆的大小及類型確定熔融摻雜劑材料移動到芯吸導線總成300的前表面的速率。

圖6A到圖6F示出芯吸尖端170的另一實施例。在此實施例中，箔400捲繞以形成多孔圓柱體。當進行捲繞時，箔400包括多個箔層。用語“箔”用於表示厚度介於約0.005英寸與0.050英寸之間的材料的片材。用於形成“箔”或“箔層”的材料可為難熔金屬。箔400可為具有多個孔410的矩形片，例如圖6A中所示。孔410使熔融摻雜劑材料在箔400中的相鄰的層之間移動。作為另外一種選擇，如圖6B中所示，箔400可具有帶有孔410及突出部420的矩形片。當箔被捲繞時，突出部420傾向於確保相鄰的層之間的最小分隔或間距。通過此種方式，當箔包括突出部420時，箔400的層可被進一步間隔開。突出部420可與傾向於非常光滑的金屬箔一起利用，以在層之間引入最小的間距。在另一實施例中，箔400可具有突出部420且可能不具有孔。突出部420可從箔400向外延伸且可具有為箔400的厚度的0.5倍與4.0倍之間的高度。突出部420可為圓形，或者可為正方形、三角形或另一形狀。如圖6A到圖6C中所示，孔410可為圓形。然而，在其他實施例中，孔可為橢圓形、六邊形、正方形或另一形狀。

作為另外一種選擇，箔400的一個邊緣可為傾斜的，如圖6C中所示。當圖6C所示箔從較小側開始進行捲繞時，在箔400的前端處形成空腔。與其他實施例中的箔400相似地，此使得能夠有效地形成芯吸空腔。

箔400可以多種不同的方式進行折疊及捲繞。在一個實施例中，如圖6E中所示，箔400以螺旋形進行捲繞。如果箔如圖6C中所示般被成形，則會形成芯吸空腔。在另一實施例中，如圖6D中所示，箔400被折疊為三角形。在此實施例中，實心圓柱體450可放置於三角形形狀的箔的內側以對導管的大小進行控制。實心圓柱體450可延伸超過箔400的頂表面、到達箔400的頂表面、或者可在箔的頂表面之前終止。如果實心圓柱體450在箔之前終止，則在箔400內側的頂部處形成空腔，其中箔層之間的空間全部流動到空腔中。在另一實施例中，如圖6F中所示，箔400被折疊為六邊形。在此實施例中，實心圓柱體450可放置於六邊形形狀的箔的內側，以對導管的大小進行控制。當然，箔400可被折疊成包括正方形、五邊形、八邊形及橢圓形在內的任何期望的形狀。在所有的這些實施例中，熔融摻雜劑材料在箔400的相鄰的層之間的間距中行進。箔400中的孔410使熔融材料能夠從一組層移動到另一組層。這可實現通過間距中的每一者的更均勻的流動。

箔的相鄰的層之間的間距用作導管。箔的相鄰的層之間的間距以及箔的表面粗糙度可確定熔融摻雜劑材料移動到箔400的前表面的速率。此外，孔410用作使熔融摻雜劑材料能夠進入內部導管的開口。

捲繞箔（例如，圖6D到圖6F中所示的捲繞箔）可插入到坩堝120中。在另一實施例中，可使用中空外部圓柱體及實心內部圓柱體來形成環形環。捲繞箔（例如，圖6D到圖6F中所示的捲繞箔）可設置於此環形環中。中空外部圓柱體、實心內部圓柱體與捲繞箔的組合構成芯吸尖端。在另一實施例中，可經由在形狀（無論所述形狀是圓柱形形狀、三角形形狀、六邊形形狀還是另一形狀）的周圍夾緊環或管來實行捲繞箔的容放。在捲繞箔周圍對環或管進行機械壓縮。在另一實施例中，捲繞箔也可在正橫方向上被釘住。形狀可為任何有機形狀（organic shape）或幾何形狀，只要存在從後到前的通道即可。

在圖3到圖6中所示的實施例中的每一者中，芯吸尖端170包括本體，所述本體中具有熔融摻雜劑材料可流動穿過的一個或多個內部導管。在圖3A到圖3E中所示的實施例中，此內部導管是導管220。在圖5A到圖5C中所示的實施例中，此內部導管是環形環340中的杆330之間的空間。在圖6A到圖6F中所示的實施例中，此內部導管是捲繞箔的相鄰的層之間的間距。此外，在每一實施例中，存在使內部導管能夠與芯吸尖端的外部連通的一個或多個開口。最後，每一實施例還包括用於收集流動穿過內部導管的熔融摻雜劑材料的芯吸空腔。另外，這些實施例中的每一者中的芯吸尖端170均設置於坩堝中。此坩堝可在坩堝的前表面上具有坩堝空腔，以收集流出芯吸空腔的熔融摻雜劑材料。

本申請中的以上所述實施例可具有許多優點。

首先，本文中所述的芯吸尖端的使用使熔融摻雜劑材料能夠以受控的速率移動到坩堝的前表面。此速率是基於通向芯吸空腔的芯吸尖端內的導管的大小來確定。另外，將芯吸尖端170的外部連接到導管的開口的大小及數目也對流動速率有所說明。

第二，圖3A到圖3E中的芯吸尖端的配置包括阻塞點。存在與芯吸空腔230連通的多個導管220。在一些實施例中，導管220與芯吸空腔230相交之處的通道的橫截面積小於導管220的組合橫截面積。如圖3D中最佳所示，所述通道的橫截面積比所述三個導管220的組合面積小得多。此會形成限制摻雜劑材料流動到芯吸空腔230中的阻塞點。在一些實施例中，導管220的組合橫截面積比連接導管220與芯吸空腔230的通道的橫截面積大1倍到12倍。在一些實施例中，導管220的組合橫截面積比連接導管220與芯吸空腔230的通道的橫截面積大3倍到12倍。

第三，這些芯吸尖端使坩堝能夠以垂直配置或水準配置進行定向。由於流動速率受到控制，因此熔融摻雜劑材料濺出到電弧室100中的風險很小。

另外，芯吸尖端包括芯吸空腔。芯吸空腔是當摻雜劑材料通過熱量而被饋送到此處時向電弧室的內部提供大量表面積以供使用的地方。此種更大量的表面積可為凹面、凸面、沉孔、單個埠或多個埠、以及具有深度及形狀的任何幾何形狀或有機形狀。這些形狀用於供應隨後會被氣化的可用體積的摻雜劑材料。所述空腔還能夠容放摻雜劑材料，使得摻雜劑材料不會滴落或濺出到電弧室中。

本發明的範圍不受本文中所述的具體實施例限制。實際上，根據前述說明及附圖，對所屬技術領域具有通常知識者來說，除本文中所述的實施例及潤飾之外，本發明的其他各種實施例及對本發明的各種潤飾也將顯而易見。因此，這些其他實施例及潤飾皆旨在落於本發明的範圍內。此外，儘管本文中已出於特定目的在特定的環境中在特定實施方案的上下文中闡述了本發明，但所屬領域的普通技術人員應認識到，其有效性並不僅限於此且本發明可出於任何數目個目的在任何數目的環境中有益地實施。因此，發明申請專利範圍應根據本文中所述的本發明的全部範疇及精神來加以解釋。

10:離子源/IHC離子源 12:IHC離子源 100:電弧室 101:側壁 103:面板 104:第一端 105:第二端 106:氣體入口 110:陰極 111:偏壓電源 115:陰極偏壓電源 120:坩堝 121:坩堝空腔 125:摻雜劑材料/熔融摻雜劑材料 130a:第一電極 130b:第二電極 135a:第一電極電源 135b:第二電極電源 140:提取孔口 145:等離子體 150:推斥極 153:推斥極偏壓電源 160:細絲 165:細絲電源 170:芯吸尖端 171、230:芯吸空腔 180:控制器 190:磁場 195:致動器 197:支撐件 200、240:芯吸管 201:下部芯吸管 202:上部芯吸管 210:輸送環 220:導管 231:主外徑 232:直徑 250:開口 300:芯吸導線總成 310:外部中空圓柱體 320:實心內部圓柱體 330:杆 340:環形環 400:箔 410:孔 420:突出部 450:實心圓柱體 X:方向 Y:方向 Z:方向

圖1是依照本發明的一實施例的具有帶有芯吸尖端的坩堝的間接加熱式陰極（IHC）離子源的示意圖。圖2A是依照本發明的另一實施例的具有帶有處於延伸位置中的芯吸尖端的坩堝的間接加熱式陰極（IHC）離子源的示意圖。圖2B是具有帶有芯吸尖端的處於縮回位置中的坩堝的圖2A所示間接加熱式陰極（IHC）離子源的示意圖。圖3A到圖3E是依照本發明的一實施例的芯吸尖端的示意圖。圖4A到圖4B是設置於坩堝中的圖3A到圖3E所示芯吸尖端的示意圖。圖4C是圖3A中所示的芯吸尖端的變型的示意圖。圖4D是設置於坩堝中的圖3A到圖3E所示芯吸尖端的變型的示意圖。圖4E是圖3A到圖3E所示芯吸頂端的另一變型的示意圖。圖5A到圖5C是依照本發明的另一實施例的芯吸尖端的示意圖。圖6A到圖6F是依照本發明的另一實施例的芯吸尖端的示意圖。

10:離子源/IHC離子源

100:電弧室

101:側壁

103:面板

104:第一端

105:第二端

106:氣體入口

110:陰極

111:偏壓電源

115:陰極偏壓電源

120:坩堝

121:坩堝空腔

125:摻雜劑材料/熔融摻雜劑材料

130a:第一電極

130b:第二電極

135a:第一電極電源

135b:第二電極電源

140:提取孔口

145:等離子體

160:細絲

165:細絲電源

170:芯吸尖端

171:芯吸空腔

180:控制器

190:磁場

X:方向

Y:方向

Z:方向

Claims

一種用於將摻雜劑材料保持在離子源中的設備，包括：坩堝；以及芯吸尖端，設置於所述坩堝中，其中所述芯吸尖端包括：本體，具有一個或多個內部導管；一個或多個開口，使所述一個或多個內部導管與所述本體的所述外部及所述坩堝的內部連通；以及芯吸空腔，設置於所述芯吸尖端的前端處，其中所述一個或多個內部導管流動到所述芯吸空腔中。
如請求項1所述的設備，其中所述本體包括包含多個內部導管的圓柱形部分。
如請求項2所述的設備，其中所述本體的一部分包括主外徑，所述主外徑被界定成使得所述多個內部導管完全包含於具有所述主外徑的所述部分內，且其中輸送環設置於所述本體的其他的部分上以形成所述一個或多個開口，所述輸送環是具有比所述主外徑小的直徑的區。
如請求項2所述的設備，其中所述多個內部導管連接到所述芯吸空腔之處的通道的橫截面積小於所述多個內部導管的組合橫截面積，從而形成阻塞點。
如請求項4所述的設備，其中所述多個內部導管的所述組合橫截面積比所述多個內部導管連接到所述芯吸空腔之處的通道的所述橫截面積大3倍到12倍。
如請求項3所述的設備，其中所述本體及所述一個或多個內部導管是彎曲的。
如請求項2所述的設備，其中所述芯吸空腔包括凹的空腔。
如請求項1所述的設備，其中所述本體僅包括一個內部導管。
如請求項1所述的設備，其中所述本體包括中空外部圓柱體及實心內部圓柱體，其中在所述中空外部圓柱體與所述實心內部圓柱體之間形成環形環，其中所述芯吸尖端還包括設置於所述環形環中的杆，其中所述環形環中的所述杆之間的間距包括所述一個或多個內部導管。
如請求項1所述的設備，其中所述本體包括箔，所述箔捲繞以形成所述本體；其中所述箔的相鄰的層之間的間距包括所述一個或多個內部導管。
一種間接加熱式陰極離子源，包括：電弧室，具有第一端及第二端；陰極，設置於所述第一端上；以及如請求項1所述的設備，設置於所述第二端處。
一種間接加熱式陰極離子源，包括：電弧室，具有第一端、第二端以及連接所述第一端與所述第二端的側壁；陰極，設置於第一端上；致動器，適合於延伸到所述電弧室中及從所述電弧室縮回；以及如請求項1所述的設備，設置於所述致動器的端上。
一種用於將摻雜劑材料保持在離子源中的設備，包括：坩堝；以及芯吸尖端，設置於所述坩堝中，其中所述芯吸尖端包括：實心內部圓柱體，設置於中空外部圓柱體中以形成環形環；以及多個杆，設置於所述環形環中。
如請求項13所述的設備，其中所述多個杆之間的間距形成內部導管，摻雜劑材料行進穿過所述內部導管。
如請求項14所述的設備，其中所述多個杆在所述芯吸尖端的後端處延伸超過所述中空外部圓柱體以提供開口，從而使所述摻雜劑材料能夠進入所述內部導管。
如請求項14所述的設備，其中所述中空外部圓柱體在前端比所述多個杆延伸得更遠以形成空腔，來自所述內部導管的摻雜劑材料被收集到所述空腔中。
如請求項13所述的設備，其中所述多個杆包含鉭、難熔金屬或高溫導線。
一種間接加熱式陰極離子源，包括：電弧室，具有第一端及第二端；陰極，設置於所述第一端上；以及如請求項13所述的設備，設置於所述第二端處。
一種間接加熱式陰極離子源，包括：電弧室，具有第一端、第二端以及連接所述第一端與所述第二端的側壁；陰極，設置於第一端上；致動器，適合於延伸到所述電弧室中及從所述電弧室縮回；以及如請求項13所述的設備，設置於所述致動器的端上。