TWI412052B - 以奈米粒子產生離子源之方法 - Google Patents
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Description
本發明係為一種以奈米粒子產生離子源之方法，特別為一種應用於產生離子源技術之以奈米粒子產生離子源之方法。
離子佈植技術目前已相當廣泛地應用於半導體元件之離子摻雜，而離子佈植技術是將具有一定能量的離子植入基材，藉以改變基材特性的一種技術。
第4圖係為習知之一種離子佈植機200結構。如第4圖所示，離子佈植係利用離子佈植機200進行離子佈植，而離子佈植機200的主要構造包括：離子源系統100、分析磁場230、離子加速系統240、以及靶室250，其中離子源系統100為產生離子的系統，並藉由將離子源材料離子化使其形成帶正電或負電的離子，再藉由引出電極210將離子引出，並經由分析磁場230選擇所需的離子，使所需的離子形成離子束220並進入離子加速系統240，以利用電場加速離子進入靶室250中，並使離子植入基材，進而改變基材特性。
離子源可由離子源系統100所提供，而在離子源系統100中設置有一加熱載具，並且加熱載具可將固體塊材熔化並蒸發成氣體，而氣體可藉由擴散進入電弧室內。氣體又可在電弧室內被燈絲放射出之電子撞擊而離子化，進而形成離子源。為提高離子化效率，可在電弧室外設置磁鐵以形成磁場，進而使電弧室內電子迴旋運動以提高碰撞機率，藉以提高離子化效率。
而由於離子源材料也由原本三價(如硼)或五價(如磷及砷)原子，逐漸開始採用金屬材料。然而，一般金屬離子源材料，如金、銅、鈷等，大多使用固體塊材做為離子源材料，然而因金屬的熔點高(超過900℃)，所以無法在較低的溫度環境中(10℃~800℃)產生足夠的蒸氣壓，因此不易應用於高佈植量的摻雜製程中，並且一般市售之離子佈植機是配合三價或五價原子之摻雜所設計，所以習知之離子佈植機中的加熱器無法升溫至1000℃以上，以致於限制了離子佈植技術的應用發展。
本發明係為一種以奈米粒子產生離子源之方法，其係利用奈米粒子具有低熔點之特性，將奈米粒子加熱蒸氣化為氣體，以達到降低產生離子源所需的加熱溫度之功效。
本發明係為一種以奈米粒子產生離子源之方法，其藉由奈米粒子取代固體塊材，以降低加熱所需之溫度，進而縮短離子源製備時間。
本發明係為一種以奈米粒子產生離子源之方法，藉由奈米粒子作為離子源材料，以降低加熱之溫度，因此可沿用現有之離子佈植機之硬體構造及軟體設定，而達到直接應用現有離子佈植機之功效。
為達上述功效，本發明提供一種以奈米粒子產生離子源之方法，其包括：提供一奈米粒子，且奈米粒子係放置於一加熱載具中，加熱載具係設置於一離子佈植機中之一離子源系統內，又離子源系統還包括：一電弧室，其係以一噴嘴與加熱載
具連接，且電弧室外設置有一磁鐵；加熱奈米粒子，以使得奈米粒子蒸氣化為一氣體，且氣體經由噴嘴擴散進入電弧室中；以及離子化氣體以產生一離子源，透過磁鐵產生之磁場使電弧室內之熱電子作迴旋運動，並以作迴旋運動的熱電子共振激發氣體，藉此離子化氣體以產生離子源。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、藉由奈米粒子熔點較固體塊材低之特性，以降低加熱溫度，進而達到縮短離子佈植製程時間之功效。
二、利用奈米粒子可在相同溫度下產生比固體塊材高的蒸氣壓，藉以提高離子佈植劑量，進而增加離子佈植技術的應用範圍。
三、藉由奈米粒子熔點較固體塊材低之特性，以避免因加熱溫度過高而將加熱載具內之物質蒸發，進而造成離子種類污染，以達到提高半導體元件之特性穩定度之功效。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第1圖係為本發明之一種以奈米粒子產生離子源方法之實施例流程圖。第2圖係為本發明之一種離子源系統實施例示意圖。第3A係為本發明之一種電弧室實施例示意圖。第3B圖
係為本發明之一種電子撞擊實施例示意圖。第3C圖係為本發明之一種電弧室外磁鐵配置實施例示意圖。第5圖係為本發明一種以鈷奈米粒子產生離子源後植入矽晶片之定性結果實施例示意圖。第6圖係為本發明一種以鈷奈米粒子產生離子源後植入矽晶片之鈷原子密度與深度關係之模擬與實驗比較實施例示意圖。
如第1圖所示，本實施例係為一種以奈米粒子產生離子源之方法，其包括下列步驟：提供一奈米粒子S10；加熱奈米粒子S20；以及離子化氣體以產生一離子源S30。
提供一奈米粒子S10：如第2圖所示，首先提供一奈米粒子110作為離子源材料，並且奈米粒子110可放置於離子佈植機200中之離子源系統100內的加熱載具120中。其中奈米粒子110可以為一金屬奈米粒子，如一鈷奈米粒子、一金奈米粒子或一銅奈米粒子。而奈米粒子110之直徑大小可以為小於或等於100奈米，例如可以介於50奈米至100奈米之間，也可以介於20奈米至100奈米之間。
加熱奈米粒子S20：如第2圖所示，可利用加熱載具120加熱奈米粒子110，並且可以藉由介於10℃至900℃之溫度，或者介於10℃至800℃之溫度。更佳的是，可藉由介於400℃至800℃之溫度、介於500℃至700℃之溫度，或是介於300℃至900℃之溫度加熱奈米粒子110，而加熱之溫度則取決於所使用的奈米粒子110之熔點而變化。
以鈷奈米粒子為例，將直徑範圍大小為20到30奈米之鈷奈米粒子置於離子源系統100中之加熱載具120中，並使加熱
載具120之溫度升高至約600℃，以使得鈷奈米粒子蒸氣化為氣體，而此溫度則遠低於鈷塊材之融點(大約為1495℃)，因此可得知使用鈷奈米粒子確實可降低加熱之溫度。
第2圖中，加熱奈米粒子110使其蒸氣化所產生的氣體可經由與加熱載具120連接之噴嘴130，擴散進入電弧室140中。
離子化氣體以產生一離子源S30：如第3A圖所示，電弧室140內設置有燈絲141、反射板142、及開孔143，而開孔143則連接至加熱載具120(如第2圖所示)或氣體鋼瓶。
氣體擴散進入電弧室140後，可將電弧室140內之燈絲141通以電流，而燈絲141可由各種不同材質作成，其中最普遍的為鎢絲線圈。如3B圖所示，以鎢絲線圈作為燈絲141為例，當外加電壓時，燈絲141因溫度上升而放出熱電子144，而熱電子144會朝向電位較高之電弧室壁運動，而於熱電子144之運動路徑中會撞擊由奈米粒子110蒸發產生之氣體分子外圍電子145，進而使氣體分子離子化以產生離子源。
如第3C圖所示，電弧室140外設置有磁鐵146，此磁鐵146可為電磁鐵或永久磁鐵，而磁鐵146產生之磁場可使電弧室140內之熱電子144作迴旋運動，而作迴旋運動之熱電子144亦可稱作迴旋電子，又因迴旋電子之運動路徑較長，所以可提高撞擊電弧室140內之氣體分子之機率，並使氣體可藉由迴旋電子共振激發，以提高離子化效率，進而產生滿足半導體離子佈植製程之離子源所需之離子濃度。
第4圖為離子佈植機200系統示意圖，當離子濃度足以形成離子束220時，將可利用引出電極210施以一與離子電性相
反之電壓，將離子引出至分析磁場230內，離子經分析磁場230篩選離子佈植製程所需要的離子，再經由加速系統240加速離子，以使得離子以離子束220的形式在靶室250內將離子束220植入基材，進而改變基材特性。
離子植入基材內之濃度與基材深度分析結果如第5圖所示，其係為以鈷奈米粒子產生離子源所形成之鈷離子，並利用120千電子伏特(KeV)之離子佈植能量，8E13每平方公分之佈植劑量的條件將鈷離子束加速植入矽晶圓，並以二次離子質譜儀(Secondary ion Mass Spectrometry,SIMS)之定性量測所測得之結果。由第5圖之結果可知，由奈米粒子作為離子源材料而產生之離子源，其離子佈植之功效可以符合離子佈植製程之需求。
如第6圖所示，其係為利用模擬軟體(SRIM 2008)所作的離子佈植濃度與基材深度之模擬圖與實際SIMS量測結果所做之對照圖。由第6圖之結果可知，由奈米粒子作為離子源材料而產生之離子源，其離子佈植之濃度與深度與預測之結果相符，即表示由奈米粒子作為離子源材料而產生之離子源，與習知之離子源可產生相同之離子佈植功效，並且滿足離子佈植製程所要達成之結果。
除了以鈷奈米粒子產生離子源外，其他奈米粒子，如碳奈米粒子、矽奈米粒子、銅奈米粒子、以及金奈米粒子等，都可用以產生離子源。
除了將以奈米粒子產生之離子源作為離子佈植技術之一離子佈植離子源外，其他需要離子源之技術，如二次離子質
譜儀(Secondary ion Mass Spectrometry,SIMS)，亦可使用本實施例所述之方法以奈米粒子產生離子源。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
100‧‧‧離子源系統
110‧‧‧奈米粒子
120‧‧‧加熱載具
130‧‧‧噴嘴
140‧‧‧電弧室
141‧‧‧燈絲
142‧‧‧反射板
143‧‧‧開孔
144‧‧‧熱電子
145‧‧‧外圍電子
146‧‧‧磁鐵
200‧‧‧離子佈植機
210‧‧‧引出電極
220‧‧‧離子束
230‧‧‧分析磁場
240‧‧‧離子加速系統
250‧‧‧靶室
第1圖係為本發明之一種以奈米粒子產生離子源方法之實施例流程圖。
第2圖係為本發明之一種離子源系統實施例示意圖。
第3A係為本發明之一種電弧室實施例示意圖。
第3B圖係為本發明之一種電子撞擊實施例示意圖。
第3C圖係為本發明之一種電弧室外磁鐵配置實施例示意圖。
第4圖係為習知之一種離子佈植機結構。
第5圖係為本發明一種以鈷奈米粒子產生離子源後植入矽晶片之定性結果實施例示意圖。
第6圖係為本發明一種以鈷奈米粒子產生離子源後植入矽晶片之鈷原子密度與深度關係之模擬與實驗比較實施例示意圖。
S10‧‧‧提供一奈米粒子
S20‧‧‧加熱奈米粒子
S30‧‧‧離子化氣體以產生一離子源
Claims (12)
- 一種以奈米粒子產生離子源之方法，其包括下列步驟：提供一奈米粒子，且該奈米粒子係放置於一加熱載具中，該加熱載具係設置於一離子佈植機中之一離子源系統內，又該離子源系統還包括：一電弧室，其係以一噴嘴與該加熱載具連接，且該電弧室外設置有一磁鐵；加熱該奈米粒子，以使得該奈米粒子蒸氣化為一氣體，且該氣體經由該噴嘴擴散進入該電弧室中；以及離子化該氣體以產生一離子源，透過該磁鐵產生之磁場使該電弧室內之熱電子作迴旋運動，並以作迴旋運動的該熱電子共振激發該氣體，藉此離子化該氣體以產生該離子源。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該奈米粒子係為一金屬奈米粒子。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該奈米粒子係為一鈷奈米粒子、一金奈米粒子、一銅奈米粒子。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該奈米粒子之直徑係小於或等於100奈米。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該奈米粒子之直徑係介於50奈米至100奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該奈米粒子之直徑係介於20奈米至100奈米之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方 法，其中該加熱該奈米粒子之步驟係藉由介於10℃至900℃之溫度加熱。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該加熱該奈米粒子之步驟係藉由介於10℃至800℃之溫度加熱。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該加熱該奈米粒子之步驟係藉由介於400℃至800℃之溫度加熱。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該加熱該奈米粒子之步驟係藉由介於500℃至700℃之溫度加熱。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該加熱該奈米粒子之步驟係藉由介於300℃至900℃之溫度加熱。
- 如申請專利範圍第1項所述之以奈米粒子產生離子源之方法，其中該離子源係為一離子佈植離子源。
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