TWI441228B - 具有電子生成與聚焦溝之陰極、離子源及其方法 - Google Patents

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Description

具有電子生成與聚焦溝之陰極、離子源及其方法
本揭露案大體上是關於離子植入，且特別是關於一種用於離子植入器之離子源之具有電子生成與聚焦溝的陰極、離子源及其方法。
陰極(cathod)以及反射極(repeller)定位於離子植入器(ion implanter)之離子源(ion source)內，藉由將電子注入至源氣體(source gas)而產生離子電漿(ion plasma)。反射極具有與陰極相同的電勢但不經受加熱，反射極之用途是藉由將電子反射回電漿而防止電子逃逸出電漿。陰極以及反射極兩者在安裝後皆向源氣體提供實質上平坦的工作表面。然而，隨著離子源的使用，陰極以及反射極之工作表面被磨損成凹形表面(concave surface)，其中陰極工作表面尤為嚴重。凹形表面會增加離子源之輸出，尤其是在陰極接近其使用壽命(useful life)的極限時。特定而言，陰極之凹形表面將熱離子電子聚焦於電漿之中央區域中，此舉會增加輸出。不幸的是，由於陰極達到了其使用壽命的極限，所以所增加之輸出的持續時間有限。
一種利用所增加之輸出的方法是建置具有凹形表面的陰極。然而，出於若干原因，這種方法並不奏效。首先，凹形表面陰極可能會由於中央區域較薄而縮短陰極之使用壽命。通常會在陰極中央處出現斷裂。此外，凹形表面陰極可能會要求能呈現較高熱質量(thermal mass)的結構， 而所述結構例如在陰極表面之邊緣較厚的情況下難以加熱及控制。
揭露一種具有用於離子植入器系統之離子源之電子生成與聚焦溝的陰極、離子源及其方法。在一個實施例中，陰極包括工作表面，所述工作表面中定位有多個電子生成與聚焦溝。離子源之反射極可用類似方式構造。
本揭露案之第一態樣提供一種用於離子植入器之離子源的陰極，所述陰極包括：工作表面，所述工作表面中定位有多個電子生成與聚焦溝。
本揭露案之第二態樣提供一種用於離子植入器之離子源，所述離子源包括：源氣體入口；包括工作表面之陰極，所述工作表面中定位有多個電子生成與聚焦溝；以及離子電漿出口。
本揭露案之第三態樣提供一種產生離子電漿之方法，所述方法包括：提供源氣體；將偏壓施加至鄰近於源氣體之陰極上，以便產生離子電漿，所述陰極包括工作表面，所述工作表面中定位有多個電子生成與聚焦溝。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。
揭露用於離子源的陰極、離子源及其方法。首先，圖1繪示根據本揭露案之說明性離子植入器系統(ion implanter system)100。植入器系統100包括離子束產生器(ion beam generator)102，其用於產生離子束(ion beam)104並將所產生之離子束傳輸至植入腔室(implant chamber)108中之目標(target)106。離子束產生器102可以是當前已知或以後將研發的任何離子束產生器，諸如，可自Varian Semiconductor Equipment Associates(瓦利安半導體設備公司)購得的離子束產生器。目標106通常包括安放於壓板(platen)114上的一個或多個半導體晶圓。可由壓板驅動總成(platen drive assembly)116以及目標垂直掃描系統位置控制器(target vertical scan system position controller)118來控制壓板114之特徵並因此控制目標106之特徵，其中壓板驅動總成116旋轉目標106(即晶圓)，而目標垂直掃描系統位置控制器118控制目標106之垂直位置。驅動總成116以及位置控制器118皆回應系統控制器120而操作。
除了上述組件以外，離子束產生器102可包括：氣流140；離子源142，包括源磁鐵(source magnet)144以及源偏壓控制器(source bias voltage controller)146；抑制電極(suppression electrode)148、提取電極(extraction electrode)150、以及用於電極148、150之一個或多個操縱器馬達(manipulator motor)152；分析器磁鐵(analyzer magnet)154；加速器聚焦電極(accelerator focus electrode)156；加速器抑制電極(accelerator suppression electrode)258；質量狹縫(mass slit)160；掃描前抑制電極(pre－scan suppression electrode)162；水平掃描板(horizontal scan plate)164；掃描後抑制電極(post－scan suppression electrode)166；氮氣(N2 )洩氣孔(bleed)168；校正器磁鐵(corrector magnet)170；限制孔徑(limiting aperture)172；以及剖面儀系統(profiler system)112。由系統控制器120監視上述組件中之每一者，且所述每一者回應系統控制器120而操作。由於吾人已知離子植入器系統100之操作，所以本文中不再進一步描述細節。
同到離子源142，根據本揭露案之一個實施例，如圖2至圖3所示，離子源142包括：源氣體入口(source gas inlet)200，其例如耦接到氣流140(圖1)；以及蓋204中之離子電漿出口(ion plasma outlet)202(僅圖2繪示)。圖2繪示橫截面側視圖，且圖3繪示移除離子電漿出口蓋後的俯視圖。離子源142亦包括陰極210以及反射極212，用於將偏壓施加至進入離子源142之氣體，從而產生經由離子電漿出口202離開的離子電漿(未繪示)。
如圖4以及圖5中最佳繪示，陰極210包括工作表面214，工作表面214中定位有多個電子生成與聚焦溝(electron production and focusing groove)216。在圖4至圖5中，電子生成與聚焦溝216構成實質上同心之溝。托架(mount)215耦接到工作表面214之背側，以用於耦接至離子源142(圖2)之夾具(clamp)217(圖2)。圖5繪示陰極210之部分橫截面圖。多個電子生成與聚焦溝216中之每一者包括成角表面(angled surface)218，成角表面 218相對於工作表面214之平坦部分220成角度。如圖2中所繪示，每一溝216之成角表面218皆面向與工作表面214相隔距離D處的焦點(focal point)FP。亦即，自每一成角表面218實質上垂直延伸之線相交於焦點FP處。焦點FP可鄰近於離子電漿出口202。在一個實施例中，每一溝216之成角表面218之角度可不同，例如，使其皆面向焦點FP，或確保隨著陰極210的老化，成角表面218在儘可能長的持續時間內面向焦點FP。然而，此做法並非必要，因為例如出於製造簡便之目的，每一溝216之成角表面218之角度可能實質上相等。另外，成角表面218無需為平坦的(如所繪示)，且亦可採用使所產生之電漿聚焦的其他配置(例如，凹形)。在一個實施例中，與工作表面214相隔之距離D可為近似30毫米。當然，可視離子源142之尺寸而改變此距離。
圖6繪示替代實施例，其中電子生成與聚焦溝216並不以實質上同心之方式定位(亦即，並非圓形)且不連續。圖6之電子生成與聚焦溝216仍提供與本文中所描述類似的優點。儘管圖4至圖6繪示特定數目之溝216(例如，3個溝)，但應瞭解，可採用任何數目之溝。
在圖4以及圖5中，工作表面214具有實質上均一之厚度。亦即，除了溝216以外，工作表面214之厚度相同。因此，整個工作表面具有實質上均一之厚度。圖7繪示替代實施例，其中工作表面214之中央區域230比工作表面214之外部區域232厚。
參照圖2，離子源142亦可包括反射極212，反射極212之結構實質上類似於陰極210。亦即，反射極212可具有工作表面314，工作表面314中定位有多個電子聚焦溝(electron focusing groove)316。反射極212之每一溝316皆包括成角表面318，其相對於反射極212之工作表面314之平坦部分320成角度。在此種狀況下，每一溝216之成角表面218、溝316之成角表面318，可面向與陰極210之工作表面214以及反射極212之工作表面314，相隔距離D處的焦點FP。
在操作中，使用離子源142來產生離子電漿250(圖2)。特定而言，經由氣流140(圖1)將源氣體提供至離子源142。將偏壓施加至鄰近於源氣體之陰極210上，以便產生離子電漿。亦將偏壓施加至鄰近於源氣體之反射極212上，以便反射電子。在一個實施例中，反射極212與陰極210具有相同電勢，但此舉並非必需。工作表面214將熱離子電子聚焦於離子電漿250之中央區域中，此舉會增加輸出，就仿佛工作表面為凹形一樣。以此方式，陰極210起到類似於光學系統中所使用之費涅(Fresnel)型透鏡的作用。然而，陰極210不會遭受工作表面214實質上變薄的問題(如同起初平坦但逐漸老化之陰極)，而工作表面214變薄會縮短陰極210之使用壽命。與開始使用時完全平坦之陰極的輸出相比，陰極210可提供近似40%至50%範圍內的增加輸出。隨著陰極210的使用，陰極210將變成凹形，且溝216之深度隨時間減小。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因為本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧離子植入器系統
102‧‧‧離子束產生器
104‧‧‧離子束
106‧‧‧目標
108‧‧‧植入腔室
112‧‧‧剖面儀系統
114‧‧‧壓板
116‧‧‧壓板驅動總成
118‧‧‧目標垂直掃描系統位置控制器
120‧‧‧系統控制器
140‧‧‧氣流
142‧‧‧離子源
144‧‧‧源磁鐵
146‧‧‧源偏壓控制器
148‧‧‧抑制電極
150‧‧‧提取電極
152‧‧‧操縱器馬達
154‧‧‧分析器磁鐵
156‧‧‧加速器聚焦電極
158‧‧‧加速器抑制電極
160‧‧‧質量狹縫
162‧‧‧掃描前抑制電極
164‧‧‧水平掃描板
166‧‧‧掃描後抑制電極
168‧‧‧氮氣洩氣孔
170‧‧‧校正器磁鐵
172‧‧‧限制孔徑
200‧‧‧源氣體入口
202‧‧‧離子電漿出口
204‧‧‧蓋
210‧‧‧陰極
212‧‧‧反射極
214‧‧‧工作表面
215‧‧‧托架
216‧‧‧電子生成與聚焦溝
217‧‧‧夾具
218‧‧‧成角表面
220‧‧‧平坦部分
230‧‧‧中央區域
232‧‧‧外部區域
250‧‧‧離子電漿
314‧‧‧工作表面
316‧‧‧電子聚焦溝
318‧‧‧成角表面
320‧‧‧平坦部分
D‧‧‧距離
圖1繪示根據本揭露案之離子植入器系統的示意圖。
圖2繪示根據本揭露案之離子源的橫截面側視圖。
圖3繪示圖2之離子源在移除離子電漿出口蓋後的俯視圖。
圖4繪示根據本揭露案之陰極的等角圖。
圖5繪示圖4之陰極的部分橫截面圖。
圖6繪示圖4至圖5之替代實施例的俯視圖。
圖7繪示圖4至圖6之替代實施例的部分橫截面圖。
210‧‧‧陰極
214‧‧‧工作表面
215‧‧‧托架
216‧‧‧電子生成與聚焦溝
218‧‧‧成角表面
220‧‧‧平坦部分

Claims (24)

  1. 一種用於離子植入器之離子源之陰極，所述陰極包括：工作表面，其中定位有多個電子生成與聚焦溝，其中所述電子生成與聚焦溝中之每一者包括相對於所述工作表面之平坦部分成角度的成角表面，且所述電子生成與聚焦溝中之每一者之所述成角表面面向與所述工作表面相隔一段距離的焦點。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入器之離子源之陰極，其中所述多個電子生成與聚焦溝包括多個實質上同心之溝。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入器之離子源之陰極，其中所述多個溝中之每一者之所述成角表面的所述角度實質上相等。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入器之離子源之陰極，其中與所述工作表面相隔之所述距離為近似30毫米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入器之離子源之陰極，其中所述工作表面之中央區域比所述工作表面之外部區域厚。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於離子植入器之離子源之陰極，其中所述工作表面具有實質上均一之厚度。
  7. 一種用於離子植入器之離子源，所述離子源包括：源氣體入口； 陰極包括工作表面，所述工作表面中定位有多個電子生成與聚焦溝；以及離子電漿出口，其中所述多個電子生成與聚焦溝中之每一者包括相對於所述工作表面之平坦部分成角度的成角表面，且所述電子生成與聚焦溝中之每一者之所述成角表面面向與所述工作表面相隔一段距離的焦點。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源，其中所述多個電子生成與聚焦溝包括多個實質上同心之溝。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源，其中所述多個溝中之每一者之所述成角表面的所述角度實質上相等。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源，其中與所述工作表面相隔之所述距離為近似30毫米。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源，更包括輸出孔徑，其中所述焦點鄰近於所述輸出孔徑。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源，其中所述工作表面之中央區域比所述工作表面之外部區域厚。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源，其中所述工作表面具有實質上均一之厚度。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源，更包括具有工作表面之反射極，所述工作表面內定位有多個電子生成與聚焦溝。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之用於離子植入器之離子源，其中所述陰極之所述多個電子生成與聚焦溝中之每一者包括相對於所述陰極之所述工作表面之平坦部分成角度的成角表面，且所述反射極之所述多個電子聚焦溝中之每一者包括相對於所述反射極之所述工作表面之平坦部分成角度的成角表面。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之用於離子植入器之離子源，其中所述多個電子生成與聚焦溝中之每一者之所述成角表面，面向與所述陰極以及所述反射極之所述工作表面相隔一段距離的焦點。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之用於離子植入器之離子源，其中所述焦點鄰近於所述離子電漿出口。
  18. 一種包括如申請專利範圍第7項所述之用於離子植入器之離子源。
  19. 一種產生離子電漿之方法，所述方法包括：提供源氣體；將偏壓施加至鄰近於所述源氣體之陰極上，以便產生所述離子電漿，所述陰極包括工作表面，所述工作表面中定位有多個電子生成與聚焦溝，其中所述多個電子生成與聚焦溝中之每一者包括相對於所述工作表面之平坦部分成角度的成角表面，且所述電 子生成與聚焦溝中之每一者之所述成角表面面向與所述工作表面相隔一段距離的焦點。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之產生離子電漿之方法，其中所述多個電子生成與聚焦溝中之每一者之所述成角表面的所述角度實質上相等。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之產生離子電漿之方法，其中與所述工作表面相隔之所述距離為近似30毫米。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之產生離子電漿之方法，其中所述工作表面之中央區域比所述工作表面之外部區域厚。
  23. 如申請專利範圍第19項所述之產生離子電漿之方法，其中所述工作表面具有實質上均一之厚度。
  24. 如申請專利範圍第19項所述之產生離子電漿之方法，更包括將偏壓施加至鄰近於所述源氣體之反射極上，所述反射極包括工作表面，所述工作表面中定位有多個電子聚焦溝。
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