TWI450303B - 間接加熱電極式離子佈植機之陰極 - Google Patents

Description

間接加熱電極式離子佈植機之陰極

本發明是有關於間接加熱電極式離子佈植機之陰極，特別是有關於可以同時增加陰極使用時間而又不會增加陰極升溫時間之間接加熱電極式離子佈植機的陰極。

離子佈植技術已經普備地應用在許多現代裝置的生產上，例如積體電路、太陽能電池與發光二極體等等。為了更有效率與更低成本的生產，有必要提昇離子佈植機之產能(throughput)與兩次維修之間的有效工作時間，不論是改善離子佈植機內之各個元件本身或是改善離子佈值機內各個元件之互動。

離子源(ion source)是離子佈值機中用以產生所需離子 的裝置。現有技術之離子束離子佈植機(beam-line type ion implanter)基本上都是先在離子源中形成電漿(plasma)，然後將需要之具有特殊荷電比(charger-to-mass ratio)的離子，甚至其它的離子，帶出離子源之後再進一步處理以產生基本上僅由所需離子所形成之離子束，然後將離子束佈植至晶圓上。由於產生與維持電漿所需之高溫環境，還有電漿中正離子與負離子之化學活性，離子源中容易出現電漿侵蝕與顆粒污染等缺失。因此，離子源每運作一段時間便必須停機，進行內部清潔與替換受損元件，使得整體之產能降低與生產成本增高。

離子源中，最容易受損的往往是用以激發與維持電漿用的燈絲(filament)及/或陰極(cathode)，這是由於此二者的工作溫度高而且靠近電漿，當與電漿接觸時與電漿之相互作用會格外強烈。即便是在普遍使用之間接加熱電極式(indirectly heated cathode type,IHC type)離子佈植機中，雖然燈絲係被陰極所保護而使得電漿僅接觸到陰極，使得燈絲被電漿侵蝕的問題可以大致解決。但是陰極仍會被電漿侵蝕，使得被燈絲發射之熱電子所加熱之陰極發射電子的數量、能量與分佈等會發生變化，進而影響到電漿之激發與維持。特別是，當陰極被電漿侵蝕至產生破洞或裂縫時，電漿便會跑到陰極內容而侵蝕燈絲，嚴重時可能導致燈絲斷裂而使得整個離子源完全不能工作。

綜上所述，有必要發展新的間接加熱電極式離子佈植機之陰極，以及使用此新陰極的間接加熱電極式離子源。

本發明提供具有特殊輪廓之間接加熱電極式離子佈植機的陰極，以及使用此具有特殊輪廓之陰極的間接加熱電極式離子源。

本發明一較佳實施例為一種間接加熱電極式離子佈植機的陰極。此陰極可以區分為二部分：位於燈絲與電漿區域之間的頂蓋，以及環繞燈絲且機械性連接到離子源反應室外殼之側壁。在此陰極之一大特徵在於這個頂蓋的厚度不是均勻的，而是頂蓋的中間部份較厚而邊緣部份較薄。這是由於間接加熱電極式離子佈植機之離子源的設計，陰極係用以發射熱電子至離子源反應室內部以激發與產生電漿，使得電漿的分佈基本上係對稱於此陰極之軸心。亦即，靠近陰極頂蓋中間部份的電漿強度較強，使得電漿對陰極之侵蝕較強。因此，本實施例讓電漿侵蝕較強烈的陰極頂蓋中間部份有較厚的厚度，從而減緩陰極頂蓋因為電漿侵蝕而發生裂縫或破洞的過程。另外，由於本實施例讓電漿侵蝕較緩和的陰極頂蓋邊緣部份有較較薄的厚度，因此電極被來自燈絲之熱電子所加熱所需之升溫時間(warm up time)不會因為陰極頂蓋中間部份之較厚厚度而大幅增加。

本發明另一較佳實施例為一種間接加熱電極式離子源。其與習知技術之間接加熱電極式離子源的一大差別，在於將習知技術之平頂式陰極替換為本發明上一實施例所提供之具有不均勻厚度頂蓋之陰極。藉此，習知技術之平頂式陰極容易在陰極頂蓋中間部份因為電漿侵蝕而出現裂縫或孔隙的缺點可以改善，進而可以延長離子源在兩次 維修之間的有效工作時間。

本發明之不同實施例中，陰極頂蓋之中間較厚而邊緣較薄的特徵，可以有許多不同的進一步變化。例如，陰極頂蓋之輪廓可以對稱於陰極之軸心。例如，陰極頂蓋之彎曲部份的輪擴可以是半圓形、半橢圓形、梯形、多邊形或由多數條線條(直線或弧線)所連接而成之輪廓。例如，與習知技術之平頂式陰極相比較，可以具有相同之陰極質量與陰極體積，而僅是將習知平頂式陰極之陰極頂蓋邊緣的一部份，移動到相對應之陰極頂蓋中間。藉此，除可達成陰極頂蓋之中間較厚而邊緣較薄的特徵，還可以保持陰極之總質量與總體積，進而使得陰極之升溫時間不會變長。

10/20‧‧‧外殼

11/21‧‧‧燈絲

12/22‧‧‧陰極

13/23‧‧‧制動器

14/24‧‧‧狹縫

40‧‧‧軸向

41‧‧‧側壁

42‧‧‧頂蓋

43‧‧‧開口

第一圖為一習知技術之間接加熱電極式離子源的橫截面示意圖。

第二圖為本發明一實施例的橫截面示意圖。

第三A圖與第三B圖為習知技術與本發明一實施例之比較用橫截面示意圖。

第四A圖為本發明一實施例之示意用爆炸圖。

第四B圖至第四F圖為本發明一些實施例的橫截面示意圖。

本發明的一些實施例將詳細描述如下。然而，除了如下描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且本發明的範圍並不受實施例之限定，其以之後的專利範圍為準。再者，為提供更清楚的描述及更易理解本發明，圖式內各部分並沒有依照其相對尺寸繪圖，而且與發明特徵不相關之細節部分也未完全繪出，以求圖式的簡潔。

習知技術之間接加熱電極式離子源，如第一圖所示，在離子源反應室之外殼(chamber wall)10的內部，燈絲(filament)11與陰極(cathode)12位於一側而制動器(repeller)13位於另一側，同時在外殼10之另一側有一個狹縫(slit)14。當電流或電壓被施加在燈絲11，燈絲11會被加熱而發射出熱電子，陰極12會吸收這些熱電子並被加熱，使得陰極12也會發射出熱電子到外殼10所圍繞的空間。致動器13被施加一個電位，使得射向致動器13之熱電子會被反射或折射。藉此，熱電子會在陰極12與制動器13來回移動，而當反應氣體被輸入到離子源反應示內部時，這些熱電子會將反應氣體解離而形成電漿。由於熱電子會集中在陰極12與制動器13之間，大多數的電漿也會分佈在此空間。狹縫14之位置係對應到陰極12與制動器13之間電漿集中之區域，使得大量的離子可以透過狹縫14被拉出離開離子源反應室並被進一步處理，進而形成所需要之離子束。

在此，陰極12係直接機械性連接到外殼10並與燈絲11相互分離，使得燈絲11與電漿完全分離，而不會被電漿所侵蝕。陰極12之結構，可以大致分為直接面向制動器13與大多數電漿之陰極頂蓋，以及圍繞燈絲11並與外殼10機械性連接之陰極側壁。由於電漿大多 是位於陰極12與制動器13之間，陰極12會被電漿侵蝕的部份多在陰極頂蓋，所以陰極頂蓋的厚度明顯地較陰極側壁的厚度來得厚，以延長陰極12在被電漿侵蝕到出現裂縫或孔隙等之前的有效使用時間。習知技術中，或為了製造方便或為了結構強度或為了其它之理由，厚度較厚之陰極頂蓋係具有均勻之厚度，這就是習知商業化產品之平頂式陰極。

近年來對間接加熱電極式離子源之各種不同應用，特別是對於間接加熱電極式離子源之高產能與長有效運作時間的需求，特別是使用高密度高能量之電漿以產生離子的需求，使得第一圖所示之陰極12面臨一個顯著的缺點。由於電漿在陰極12與制動器13之間的分佈不是均勻的，陰極頂蓋之不同部份被電漿侵蝕而出現裂縫孔隙的速率不一樣，因此，整個陰極12往往因為某部份特別容易被電漿侵蝕出裂縫孔隙，而必需要將整台離子佈植機停機以進行陰極12之替換，導致整體的產能下降與維修成本增加。一般的解決方式是整體等比例地增加陰極12的厚度，特別是整體等比例地增加陰極頂蓋的厚度，來延長被電漿侵蝕出裂縫孔隙所需要的時間。但如此作，一方面會增加使用的材料成本，另一方面也會增長陰極12的升溫時間(相同之燈絲11所發射出之熱電子需要加熱比較多質量之陰極12)。

本發明之一較佳實施例為一間接加熱電極式離子源，如第二圖所示，在離子源反應室之外殼20的內部，燈絲21與陰極22位於一側而制動器23位於另一側，同時在外殼20之又一側有一個狹縫24。在此，陰極22係直接機械性連接到外殼20並與燈絲21相互分離，使得燈 絲21與電漿完全分離，而不會被電漿所侵蝕。受電流或電壓而發熱的燈絲21會發出熱電子到陰極22，被熱電子加熱的陰極22會發出熱電子而在陰極22與制動器23之間形成與激發電漿。

本實施例之特徵在於陰極結構的變化。陰極22之結構，可以大致分為直接面向制動器23與大多數電漿之陰極頂蓋，以及圍繞燈絲21並與外殼20機械性連接之陰極側壁。除了由於電漿大多是位於陰極22與制動器23之間，使得陰極頂蓋的厚度明顯地較陰極側壁的厚度來得厚之外，在本實施例，陰極頂蓋的厚度也不是均勻的，而是中間部份較厚而邊緣部分較薄。嚴格講，是在與連接燈絲21與制動器23之直線相互垂直之平面上，陰極頂蓋的中間部份較厚而邊緣部份較薄。

本實施例之陰極頂蓋具有不均勻厚度的特徵，使得在陰極頂蓋被電漿侵蝕的時候，陰極頂蓋不同部份有不同厚度的陰極材料供電漿侵蝕。而由於間接加熱電極式離子源的設計係使得位於陰極22與制動器23間之電漿的分佈基本上是上下對稱也左右對稱，陰極頂蓋中間部份所面對的電漿最濃密電漿侵蝕作用最明顯，陰極頂蓋邊緣部份所面對的電漿較不濃密而電漿侵蝕作用較不明顯。因此，本實施例可以用不同的陰極22頂蓋厚度來抵銷掉不同電漿侵蝕作用的影響，使得習知技術之陰極12會有某個地方(如陰極頂蓋之中間部份)特別容易被電漿侵蝕出裂縫孔隙的缺點可以被改善，從而延長陰極22在電漿侵蝕下的有效工作時間，減少將離子佈植機停機更換陰極22的需求，導致整體的產能上升與維修成本減少。相較於習知作法之整體地增加陰極12(至少陰極12之頂蓋)的質量，本實施例也不需要為了讓電漿侵蝕較強烈處有較長的使用 壽命，而過度地增加電漿侵蝕較微弱處之厚度，從而可以減少使用之陰極材料，進而降低陰極22之硬體成本。

特別是，本發明之另一實施例可以保持陰極22之頂蓋的總質量與陰極12之頂蓋的總質量相同。本實施例只是改變陰極12之頂蓋的質量分佈，將部份的陰極頂蓋邊緣部份的質量轉移到陰極頂蓋中間部份，並讓修改過之陰極頂蓋的輪廓對稱於連接燈絲21與制動器23之直線，便形成陰極22之頂蓋。因此，僅管本實施例增加了陰極頂蓋中間部份的厚度，本實施例仍可以保持陰極之總質量與總體積，使得陰極之升溫時間不會變長，從而避免此間接加熱電極式離子源之工作效率地降低。

第三A圖與第三B圖顯示一個實施例，顯示如何在大致不改變陰極總質量的前提下，將第三A圖所顯示之陰極12變更為第三B圖所顯示之陰極22。在此，顯示之數據之單位為公釐，並且，這只是一樣實施例並不代表本發明之其它實施例需受限於這樣的輪廓與大小。

必須強調地是，本發明只要求陰極頂蓋之輪廓是中間部份較厚而邊緣部份較薄，本發明並沒有限制要如何達到”中間部份較厚而邊緣部份較薄”。第二圖與第三B圖所繪示之陰極22都只是範例。

由於第二圖所示之實施例的重點在於陰極結構的改變，因此本發明之另一較佳實施例為一種間接加熱電極式離子佈植機之陰極，如第四A圖與第四B圖所示，包含側壁41與頂蓋42。側壁41係著軸向40圍繞一空間，並且側壁41沿軸向40之一終端係圍繞開口43，頂 蓋42與側壁41之終端相互機械式連接，並且完全封閉住開口43，亦即頂蓋42之橫截面積並不小於開口43之橫截面積。在此，頂蓋42之中間部份的厚度較其邊緣部份之厚度較厚。一般來說，由於整個陰極會與離子源反應室之外殼相連接，並將燈絲與離子源反應室內之電漿分隔開來，因此軸向40通常是連接離子源反應室內燈絲與制動器之方向。一般來說，燈絲便是放在被側壁所圍繞之空間中，雖有些應用是將燈絲放在離子源反應室之外殼內的凹洞以進一步減少燈絲被電漿侵蝕的可能，但本發明僅著重在陰極結構之改變，而不受限於此。

顯然地，頂蓋42之輪廓可以有許多的變化。舉例來說，如第四A圖所示，頂蓋42面對側壁41之表面為一平面，而頂蓋42面背對側壁41之表面為一凸面，這樣除了可以達成”陰極頂蓋之中間較厚而邊緣較薄”之特徵，也可以將較厚之頂蓋中間部份與離子源內電漿較密集的區域直接接觸。但本發明之其它實施例，也可以是頂蓋42面對側壁41之表面為一凸面，而頂蓋42面背對側壁41之表面為一平面；或是，頂蓋42面對與背對側壁41之二個表面都是凸面，但二個凸面之彎曲程度並不相同。

在此所謂的凸面僅指某個表面沿著軸向40之方向(或與軸向40剛好相反之方向)凸出，而完全不限制怎樣凸除的細節。可以如第四C圖所示，頂蓋42僅包含彎曲部份，在與軸向40垂直之一平面上，彎曲部份之不同部份有不同之厚度。也可以如第四D圖，頂蓋42除了包含彎曲部份，更包含平坦部份，在與軸向40垂直之平面上平坦部份之厚度係為一定值，並且平坦部份係與側壁41直接機械式接觸而使得開口43完 全為頂蓋之平坦部份所封閉。甚且，彎曲部份之中間可以為平頂。在此，頂蓋42之彎曲部份的橫截面面積與開口43之橫截面面積二者之間，沒有必然之大小關係，隨然一些常用的實施例中，頂蓋42之彎曲部份的橫截面面積並不小於開口43之橫截面面積，藉以讓整個頂蓋42直接位於燈絲與電漿(或制動器)之間的部份，都可以用不同的厚度來平衡掉不同電漿濃度(或說強度)的不同侵蝕狀況。

一般來說，在與軸向40垂直之平面上，彎曲部份之輪廓係對稱於軸向40。並且，輪廓可以是半圓形、半橢圓形、子彈形、梯形、三角形、四邊形、多邊形等等，或著是由至少二段落所組合而成，並且任一段落或是直線或是弧線。在此，第四E圖與第四F圖繪示了兩種可能的陰極之頂蓋42的橫截面輪廓，但本發明並不受限於上述討論與圖示中所舉例之輪廓。

最後，先前之討論是建立在間接加熱電極式離子佈植機之離子源的設計，係使得電漿的分佈為上下對稱也左右對稱的前提，這也是一般普遍使用之間接加熱電極式離子佈植機之離子源的特徵。但若有特殊的設計等使得電漿的分佈不是如此對稱，本發明之”陰極頂蓋中間部份較厚而邊緣較薄”之特徵，將隨之演變為”陰極頂蓋之對應到較濃密電漿的部份有較厚之厚度而對應到較稀薄電漿的部份有較薄之厚度”。舉例來說，必須強調的是，上述圖示中陰極頂蓋的輪廓都是對稱於此軸向40，但若電漿的濃度(強度)不再是上下對稱與左右對稱，上述實施例之各種陰極頂蓋之輪廓都可以變成不對稱於此軸向40。

上述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此技藝之人士能了解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即凡其他未脫離本發明所揭示精神所完成之各種等效改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內，均應包含在下述之申請專利範圍內。

20‧‧‧外殼

21‧‧‧燈絲

22‧‧‧陰極

23‧‧‧制動器

24‧‧‧狹縫

Claims (19)

1. 一種間接加熱電極式離子佈植機之陰極，包含：一側壁，沿一軸向圍繞一空間，該側壁沿該軸向之一終端係圍繞一開口；以及一頂蓋，與該側壁之該終端相互機械式連接，並且完全封閉住該開口；其中，該頂蓋之中間部份的厚度較其邊緣部份之厚度較厚，且該頂蓋包含一彎曲部份，在與該軸向垂直之一平面上，該彎曲部份之不同部份係有不同之厚度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，該空間係用以放置與該側壁及該頂蓋皆相互分離之一燈絲。
3. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，該頂蓋面對該空間之一第一表面係為一平面，而該頂蓋背對該空間之一第二表面係為一凸面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，該頂蓋背對該空間之一第二表面係為一平面，而該頂蓋面對該空間之一第一表面係為一凸面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，該頂蓋更包含一平坦部份，該平坦部份直接與該側壁機械性接觸並完全封閉該開口，並且該平坦部份之厚度係為一定值。
6. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，在與該軸向垂直之一平面上，該彎曲部份之橫截面面積係不小於該開口之橫截面面積。
7. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，在與該軸向平行之一平面上， 該彎曲部份之輪廓係對稱於該軸向。
8. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，在與該軸向平行之一平面上，該彎曲部份之輪廓係為一半圓形。
9. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，在與該軸向平行之一平面上，該彎曲部份之輪廓係選自下列之一；半橢圓形、子彈形、梯形、三角形、四邊形、多邊形及其組合。
10. 如申請專利範圍第1項所述之陰極，在與該軸向平行之一平面上，該彎曲部份之輪廓係由至少二段落所組合而成，並且任一段落係選自下列之一：直線與弧線。
11. 一種間接加熱電極式離子源，包含：一反應室；一燈絲，位於該反應室內，該燈絲靠近該反應室之一外殼的一第一側，但與該外殼相互分離；一陰極，位於該反應室內並與該燈絲相互分離，該陰極與該外殼相互機械式連接而完全圍繞該燈絲；以及一開口，位於該外殼；在此，該陰極分為一側壁與一頂蓋，該頂蓋位於該燈絲與該外殼與該第一側相對之一第二側之間，而該側壁位於該燈絲與該外殼之其它側之間；在此，該開口係位於該外殼之一第三側，該第三側係位於該第一側與該第二側之間；在此，該頂蓋之中間部份較其邊緣部份來得厚。
12. 如申請專利範圍第11項所述之離子源，該頂蓋面對該第一側之一第一表面係為一平面，而該頂蓋面對該第二側之一第二表面係為一凸面。
13. 如申請專利範圍第11項所述之離子源，該頂蓋面對該第二側之一第二表面係為一平面，而該頂蓋面對該第一側之一第一表面係為一凸面。
14. 如申請專利範圍第11項所述之離子源，該頂蓋包含一彎曲部份，在與連接該第一側與該第二側之一軸向垂直之一平面上，該彎曲部份之不同部份係有不同之厚度。
15. 如申請專利範圍第14項所述之離子源，該頂蓋更包含一平坦部份，該頂蓋直接與該側壁接觸，並且與連接該第一側與該第二側之一軸向垂直之一平面上，該平坦部份之厚度係為一定值。
16. 如申請專利範圍第14項所述之離子源，在與連接該第一側與該第二側之一軸向平行之一平面上，該彎曲部份之輪廓係對稱於該軸向。
17. 如申請專利範圍第14項所述之離子源，在與連接該第一側與該第二側之一軸向平行之一平面上，該彎曲部份之輪廓係為一半圓形。
18. 如申請專利範圍第14項所述之離子源，在與連接該第一側與該第二側之一軸向平行之一平面上，該彎曲部份之輪廓係選自下列之一；半橢圓形、子彈形、梯形、三角形、四邊形、多邊形及其組合。
19. 如申請專利範圍第14項所述之離子源，在與連接該第一側與該第二側之一軸向平行之一平面上，該彎曲部份之輪廓係由至少二段落所組合而 成，並且任一段落係選自下列之一：直線與弧線。