TWI559355B

TWI559355B - 離子源

Info

Publication number: TWI559355B
Application number: TW103144908A
Authority: TW
Inventors: 扣霖胡; 白曉; 志民萬; 麗暖陳; 增烜馮
Original assignee: 漢辰科技股份有限公司
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2016-11-21
Also published as: CN105719927A; CN105719927B; TW201624517A

Description

離子源

本發明係有關於一種離子源，特別是有關於一種具有蒸發器(vaporizer)的離子源，此蒸發器使用一溫度調整機構使欲蒸發材料的溫度不再僅由鄰近電弧室(arc chamber)的熱決定，亦特別有關於一種具有由稀土元素構成的斥拒極(repeller)之離子源。

離子佈植對於現代元件製造技術，例如半導體元件製造或平面面板製造而言，係必須但昂貴的製程。離子佈植主要是用於將化學活躍材料物摻雜-引入至例如通常是矽之半導體材料的工作件內。在多數的情況下並無可替代離子佈植的其他製程。離子佈植在其他應用方面亦有增加的趨勢，例如元件上關鍵區域的定義以及工作件內摻質遷移率(mobility)的控制。

目前主流使用中的離子佈植機為離子束線型(beam-line type)離子佈植機，其中電漿係於一電弧室內生成與維持，且其中大量的離子被連續地自電弧室中抽取接著在一工作件被佈植前被調整成為一具有所需種類離子的離子束。很明顯地當離子被連續地自電弧室中抽取時，具有所需種類離子的材料必續被連續地供應至電弧室內以維持電漿。

一般而言，當一具有一特定種類離子之氣體狀態材料可在室溫下存在時，為了簡化硬體與操作，此氣體狀態材料系儲存於電弧室外接著被傳送至電弧室，使一具有此特定種類離子之電漿可被維持。例如被廣泛使用用於提供磷的磷化氫(PH3)氣體、被廣泛使用用於提供砷的砷化氫(AsH3)氣體以及被廣泛使用用於提供硼的三氟化硼 (BF 3)氣體。不過對於某些其他特別種類離子而言，例如稀土元素，並無可用的氣體狀態材料，至少無商業上可用的氣體狀態材料。例如銻(Sb)、銦(In)與鋁(Al)對於半導體製程而言係有價值的材料，但並沒有商業上可用的氣體狀態材料形式存在。例如稀土元素材料的佈植為一新發展的課題，但大部分稀土元素材料係以化合物的形式存在，例如室溫下的金屬氧化物。

當一特定種類離子在室溫下無法由氣體狀態材料提供時，一鄰近一電弧室的蒸發器被廣泛用於維持一具有此特定種類離子的固態材料能自蒸發器傳送蒸發後材料至附近的電弧室。第一A圖顯示一常見離子源蒸發器結構。一蒸發器10鄰近設置於一電弧室18並具有一容器(canister)11、一擴散器(diffuser)12與一噴嘴(nozzle)13。容器11，例如一箱型或一管形容器，係固定於蒸發器10內並用於儲存將蒸發或蒸發的固態材料。擴散器12，例如一具有開孔之金屬管，係連接至容器11以使被蒸發的材料可擴散通過，且噴嘴13連接擴散器12與電弧室18使被蒸發的材料可有效且均勻傳送至電弧室18。由於電弧室18與蒸發器10之間的短距離，且由於電弧室的溫度通常至少達攝氏數百度，甚至超過攝氏一千度，電弧室18的熱通常可將容器11內的材料蒸發。請注意一具有稀土元素的固態材料的蒸發溫度可由低於攝氏五十度至高於攝氏一千度。第一B圖顯示另一常見離子源蒸發器結構。二相同容器11固定於蒸發器10內並具有與電弧室18之間的相同距離。如此若每一容器11內均具有相同之固態材料，固態材料的使用壽命可加倍。此外，蒸發器10具有一環繞二相同容器11的外殼14，且外殼14直接與電弧室18接觸使被蒸發的材料可直接經外殼14上的開孔15傳送至電弧室18，而不使用任何擴散器12與任何噴嘴13。

儘管如此，其中仍有一些缺點。首先，不同固態材料通常具有不同蒸發溫度，甚至含有相同種類離子的不同固態材料亦具有不同蒸發溫度，但電弧室的溫度通常無法特別調整至各個固態材料所需的蒸發溫度，這是因為電弧室溫度不可避免會影響電弧室內的電漿，接著不可避免地會影響取自電漿的離子數量。因此，對於某些固態材料而言，電弧室的溫度需較高，甚至是顯著較高於其蒸發溫度，使得此固態材料的蒸發速率既快且不穩定。因此不僅電弧室內的電漿不穩定，儲存在蒸發器內的固態材料的壽命亦縮短。相反地，對於某些固態材料而言，電弧室的溫度是低於其蒸發溫度，使此固態材料無法蒸發。其次，由於實際操作的限制，電弧室的溫度可能起伏變動，甚至電弧室內的電漿並非動態調整以提供具有不同密度的離子。因此傳送至容器的熱能並不穩定而接著蒸發器10內的材料蒸發速率亦不穩定，其不可避免地影響電弧室18內的電漿。第三，在容器至電弧室的傳送路徑上，蒸發材料的流速可能會不可控制地起伏變動或可能無法受控制地調整。因此蒸發材料傳送至電弧室的流速可能無法最佳化。第四，使用蒸發器不可避免地增加成本與離子源的複雜性，特別是當使用不同固態材料時蒸發器的某些部份需要更換。

因此，需要發展一新穎的離子源蒸發器其能以適當溫度與適當蒸發速率來蒸發材料，藉以改善當直接使用來自鄰近的電弧室的熱以蒸發離子源蒸發器內的材料之作法的缺點。

本發明提出應用於一離子佈植機的離子源，其使用一具有溫度調整機制的蒸發器以調整蒸發器內材料如何被加熱。溫度調整機制可使用以下一或更多方式：容器與電弧室之間可調整的距離、相同蒸發器的不同容器與電弧室之間不同的距離、用以將熱能帶入容器及/或將熱能帶離容器之加熱器/冷卻器、以及用於阻擋來自電弧室之熱輻射的熱遮罩。

本發明一些較佳實施例係關於一具有一蒸發器之一離子源，其中一可移動之容器係置於蒸發器中。因此與傳統容器為固定的蒸發器比較，這些實施例可調整電漿源(電弧室)與容器之間的距離，亦即電漿源與欲蒸發材料之間的距離。合理地，由於一熱源與一物體之間的距離主要決定物體的溫度與熱源溫度之間的差異，這些實施例可調整欲蒸發材料之溫度而無須改變電漿溫度。在此如何移動容器並不受限制。

本發明一些較佳實施例係關於一具有一蒸發器之一離子源，其中二容器係置於蒸發器中，不同容器與電弧室之間具有不同距離。因此與傳統之不同容器與電弧室之間都具有相同距離的蒸發器比較，這些實施例可允許由相同電弧室將不同容器分別加熱至不同溫度。再一次地，由於一熱源與一物體之間的距離決定物體如何被熱源加熱，這些實施例可將不同的容器內的材料加熱至不同溫度而無須改變電弧室之溫度。簡短地說，相同蒸發器可適用於不同欲蒸發材料，因此可減少用於不同欲蒸發材料的不同蒸發器的成本，並可簡化更換已整合進入離子源之蒸發器的操作。此外，對於設置於距電弧室相對較近的容器而言，距電弧室相對較短的距離可減少沿容器與電弧室之間路徑上發生固態凝結的風險，特別是當一噴嘴被用於傳送被蒸發的固態材料至電弧室時。

本發明一些較佳實施例係關於一具有一蒸發器之一離子源，其中使用加熱器及/或冷卻器調整容器的溫度。舉例來說，一熱電阻可被嵌入蒸發器外殼至少一部分以加熱蒸發器內的容器。舉例來說，一冷卻氣體管線可環繞蒸發器外殼至少一部分以將熱帶離蒸發器並減少到達容器的熱能。因此與僅使用來自電弧室熱能蒸發材料的傳統離子源蒸發器比較，這些實施例可允許容器溫度不同於(甚至明顯不同於)電弧室溫度，以蒸發一些無法由電弧室熱能蒸發的材料。特別是當固態材料的蒸發溫度明顯低於電弧室溫度時，氣體管線的使用可減少並穩定固態材料的蒸發速率以使取自電弧室的離子束流穩定並增加蒸發器內固態材料的壽命。此外，藉由動態調整加熱器及/或冷卻器，當電弧室溫度的起伏不定時容器的溫度可維持穩定。

本發明一些較佳實施例係關於一具有一蒸發器之一離子源，其中一熱遮罩設置鄰近於電弧室，特別是靠近於鄰近但未接觸蒸發器的部分電弧室。因此與熱既可藉由二者之間界面直接傳導而亦可藉由與蒸發器隔開的部分離子源室輻射傳送的傳統蒸發器比較，這些實施例可減少自電弧室輻射至蒸發器的熱能並且減少容器內材料蒸發速率過高的風險。此外，熱遮罩為可移動以更彈性地調整容器的溫度，並且可有冷卻器及/或嵌入其內以進一步調整自熱遮罩輻射至已蒸發材料之熱能。

更進一步地說，當有一些商業化可行方式可以動態監控離子束的實際狀況時，可選擇使用一或更多這些方式以決定離子束應被如何調整而對應調整溫度調整機制的細節，進而達成針對傳送至電弧室的已蒸發材料量以調整離子束的即時控制。在此這些方式包含，但不限於以下方式：用於量測離子束流的法拉第杯、偵測離子束路徑的攝影機以及用於調整功率與其他輸入電弧室之氣體的元件。

本發明同時提供一用於執行稀土元素佈植之離子佈植機的離子源，其中斥拒極係由稀土元素構成而非由傳統的鎢構成。換句話說，在欲蒸發材料傳送進入電弧室時，並無蒸發器被用於蒸發此材料。當斥拒極放置電弧室內時，藉由至少使用適當欲離子化之氣體以濺鍍斥拒極，此特別元素的離子會直接出現在電弧室內，以產生並維持所需的電漿。如此一來，所需材料種類本質上係以濺鍍機制產生進入電漿，因此上述傳統蒸發器的缺點可被避免。

本發明一些較佳實施例係關於一具有一蒸發器之一離子源，其中由稀土元素構成的斥拒極置於蒸發器內。因此當斥拒極與電弧室內電漿反應時，特別是由電漿內離子濺鍍轟擊時，稀土元素被濺鍍離開斥拒極並加入電漿。當斥拒極由鐿 (Yb)、鉺(Er)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、錫(Sn)及/與銻(Sb)稀土元素構成，用於形成電漿的氣體為氟 (F)、氬 (Ar)、氙(Xe)、磷化氫(PH3)與砷化氫(AsH3)。更進一步地說，一伴隨氣體(co-gas)，例如惰性氣體，可用於使取自電弧室的離子量更穩定。此外，若稀土元素的氧化物被採用作為斥拒極，可使用一含有氫的氣體，例如氫氣、磷化氫與砷化氫氣體，以平衡電弧室內氧化現象以獲得較佳離子源壽命。

本發明的詳細描述將藉由以下的實施例討論，這些實施例並非用於限制本發明的範圍，而且可適用於其他應用中。圖示揭露了一些細節，必須理解的是揭露元件的設計的細節可不同於已透露者，除非是明確限制元件的特徵的情形。

本發明一實施例之離子源如第二A圖與第二B圖所示，一蒸發器20設置鄰近於一相鄰電弧室28 使得蒸發器20內固態材料可被蒸發並接著被傳送至電弧室28內以使電弧室28內具有大量所需種類離子之電漿。此外，蒸發器20至少具有一鄰近電弧室28的外殼21、一設置於外殼21內並用於置放將蒸發的固態材料的容器22以及一用於調整容器22與電弧室28之間距離的致動元件(actuating device) 23。在此，第二A圖顯示容器22移動遠離電弧室28的情況，而第二B圖顯示容器22移動靠近電弧室28的情況。

合理的，當容器22沿一與電弧室28相交的方向移動時，當電弧室28溫度本質上固定時，容器22在不同位置則具有不同溫度。當移動範圍越大，溫度範圍也越大。因此當不同固態材料位於相同容器22內但被移動至與電弧室28有不同距離時，不同固態材料可分別被適當地蒸發。此外，由於蒸發速率係與固態材料的溫度成正比，藉由致動元件23移動容器22以調整固態材料的蒸發速率則成為可能。

因此，與傳統容器與電弧室之間距離固定的離子源蒸發器比較，本發明此實施例具有至少以下主要優點：不同固態材料可分別被適當地蒸發而無須使用不同蒸發器或改變電弧室溫度，且固態材料之蒸發速率可動態控制。此外，致動元件23的細節並不受限。舉例來說，致動元件23可為一螺絲、一滾珠螺桿、一絞鍊或任何可用於移動容器22的商售元件，容器22例如一箱型或一管形容器，或任何可用於置放固態材料的商售元件。儘管如此，當容器22由致動元件23移動時，應小心避免蒸發材料甚至其他氣體自蒸發器20洩漏且並未傳輸至電弧室28。

本發明另一實施例之離子源如第二C圖所示，一蒸發器20設置鄰近於一相鄰電弧室28 使得蒸發器20內固態材料可被蒸發接著可被傳送至電弧室28內以使電弧室28內具有大量所需種類離子之電漿。此外，蒸發器20至少具有一鄰近電弧室28的外殼21、設置於外殼21內並用於置放將蒸發或蒸發的固態材料的一第一容器223與一第二容器226。此外，第一容器223與第二容器226隔開，特別是，第一容器223與電弧室28之間的距離與第二容器226與電弧室28之間的距離不同。

合理地，當二容器223/ 226與電弧室28之間的距離不同，當電弧室溫度本質上固定，不同容器223/ 226將具有不同的溫度。與電弧室之間的距離越遠，容器的溫度範圍越低。因此置於不同容器223/ 226的不同固態材料可分別適當地蒸發，其中具有較高蒸發溫度的固態材料應被置於離電弧室28較近的容器，而具有較低蒸發溫度的固態材料應被置於離電弧室28較遠的容器。此外，由於蒸發速率係與固態材料的溫度成正比，當一特定固態材料同時置於容器223/ 226以增加欲蒸發固態材料的量時，延長此特定固態材料的壽命將成為可能。此外，對於距離電弧室相對較近的容器而言，由於來自電弧室的熱能可連續對已蒸發固態材料加熱，特別是當一噴嘴被用於傳送被蒸發的固態材料至電弧室時，在沿容器與電弧室之間路徑上發生固態凝結的風險可進一步降低。

因此與具有一或更多容器與電弧室之間距離固定的傳統離子源蒸發器比較，本發明此實施例具有至少以下主要優點：當不同固態材料被分別置於不同容器時，不同固態材料可分別被適當地蒸發而無須使用不同蒸發器或改變電弧室溫度，且當不同容器同時放置相同固態材料時，欲蒸發固態材料的壽命可增加，同時可減少被蒸發的固態材料在容器與電弧室之間路徑上的凝結。

此外，此實施例僅限制容器223/ 226與電弧室28之間的距離不同。換句話說，容器223/ 226的體積可以不同，容器223/ 226的形狀可以不同，甚至容器223/ 226在外殼21內的幾何結構也可彈性變化。

更進一步地說，為了增加容器223/ 226之間的溫度差異，甚至為了彈性調整容器223/ 226的溫度，可選擇在容器223/ 226之一或二者的一部分外環繞一傳送一氣體的氣體管線。因此，藉由調整氣體管線內的氣體流速及/或氣體管線內的氣體溫度，容器223/ 226之一或二者的溫度可進一步調整。在此，第二D圖顯示第二容器223離電弧室28較遠且一氣體管線24環繞第二容器223之一遠端使得第二容器223的溫度可進一步低於第一容器226的溫度，此意謂二容器223/ 226可分別適於置放一具有較高蒸發溫度(例如攝氏七百度)的固態材料與另一具有較低蒸發溫度(例如攝氏五十度)的固態材料。

另一實施例為第二E圖所示的一離子源，一蒸發器20設置鄰近於一相鄰電弧室28 使得蒸發器20內固態材料可被蒸發接著可被傳送至電弧室28內以使電弧室28內具有大量所需種類離子之電漿。此外，蒸發器20至少具有一鄰近電弧室28的外殼21、設置於外殼21內的一容器22與一機械連接至外殼21的氣體管線24。此處氣體管線24如何機械連接至外殼21則不受限。第二E圖僅顯示氣體管線24直接連接外殼21的一部分。在其他未顯示的實施例中，氣體管線24可環繞容器22，甚至直接與容器22接觸，且氣體管線24可位於鄰近容器22且距離電弧室28較遠的一端。

合理地，藉由使用氣體管線24，容器22的溫度不再僅由來自電弧室的熱能決定，同時可藉由氣體管線24帶走多少熱能與多快帶走熱能決定。氣體管線24帶走熱能越多與越快，容器22的溫度就越低。因此蒸發器20可適用於任何具有蒸發溫度低於電弧室溫度的固態材料。舉例來說，當電弧室溫度明顯高於置於容器22內固態材料的蒸發溫度，藉由適當地增加氣體管線24內的氣體流速，可降低並穩定固態材料的蒸發速率，亦可穩定電弧室28輸出的離子束流。明顯地，此實施例對於蒸發溫度低於通常高於攝氏五百度之電弧室溫度的稀土元素材料而言有價值。此外，當如何自氣體管線24帶走熱能為可調整時，且當固態材料蒸發溫度不高於電弧室溫度時，不同固態材料可分別被適當地蒸發。換句話說，在此情況下，蒸發器20可適用於具有不同蒸發溫度的不同固態材料。

因此與容器22的溫度僅由來自電弧室28的熱能決定的傳統離子源蒸發器比較，本發明此實施例具有至少以下主要優點：相同蒸發器可適用於位於一個大蒸發溫度範圍內的不同固態材料，並且具有低蒸發溫度的固態材料仍可穩定蒸發。

此外，此實施例並不限制如何調整自氣體管線24帶走熱能的速率。舉例來說，氣體管線24的氣體流速可藉由調整氣體管線24上的氣閥調整，或藉由改變氣體如何由一氣源提供調整，或當一加熱器、一冷卻器及/或一熱交換元件連接至氣體管線24並位於蒸發器20上游時，藉以改變氣體管線24內氣體的溫度來調整帶走熱能的速率。因此，容器22的實際溫度可明顯低於電弧室溫度。如此，同一個容器22可分別適用於一具有較高蒸發溫度(例如攝氏七百度)的固態材料與另一具有較低蒸發溫度(例如攝氏五十度)的固態材料。

另一實施例為第二F圖所示的一離子源，一蒸發器20設置鄰近於一相鄰電弧室28 使得蒸發器20內固態材料可被蒸發接著可被傳送至電弧室28內以使電弧室28內具有大量所需種類離子之電漿。此外，蒸發器20至少具有一鄰近電弧室28的外殼21、設置於外殼21內的一容器22與一環繞容器22的加熱器25。此處加熱器25可用於加熱容器22至一高於電弧室溫度的溫度，以蒸發無法僅由來自電弧室的熱能蒸發的固態材料。當然，加熱器25亦可用於提供一低於電弧室溫度的特定溫度，以維持容器22的溫度永不低於一較低溫度下限值，此溫度下限值為特定溫度的函數即使傳輸到容器22的熱能並不穩定。

合理地，藉由使用加熱器25，容器22的溫度不再僅由來自電弧室的熱能決定，同時可藉由加熱器25提供多少熱能決定。加熱器25提供的熱能越多，容器22的溫度就越高。因此當加熱器25的溫度可上升至高於固態材料蒸發溫度時，蒸發器20可適用於任何具有蒸發溫度高於電弧室溫度的固態材料。在此情況下，蒸發器20的操作可獨立於電弧室溫度。此外，當來自電弧室28的熱能不穩定時，為了穩定蒸發器20內的固態材料的蒸發速率，甚至為了避免電弧室溫度的起伏不定而於短暫期間低於固態材料蒸發溫度的風險，加熱器25是有助益的，特別是當加熱器25的溫度是可調整的。

因此與容器22的溫度僅由來自電弧室28的熱能決定的傳統離子源蒸發器比較，本發明此實施例具有至少以下主要優點：蒸發器可用於蒸發具有蒸發溫度高於電弧室溫度的固態材料，且電弧室溫度的起伏不定時容器的溫度更加穩定。

此外，此實施例並不限制加熱器25的細節。舉例來說，加熱器25可為一或更多熱電阻，亦可為一或更多加熱線圈。同時加熱器可被嵌入外殼21的至少一部分、機械接觸容器22、設置於部分外殼21內壁及接觸容器22、環繞容器22等依此類推。

另一實施例為第二G圖所示的一離子源，一蒸發器20設置鄰近於一相鄰電弧室28 使得蒸發器20內固態材料可被蒸發接著可被傳送至電弧室28內以使電弧室28內具有大量所需種類離子之電漿。此外，蒸發器20至少具有一鄰近電弧室28的外殼21、設置於外殼21內的一容器22與一位於電弧室28與外殼21之間的熱遮罩26。此處熱遮罩26可用於阻擋(至少本質上阻擋)電弧室28與蒸發器20之間的熱輻射。此處熱遮罩26的尺寸、熱遮罩26的形狀，以及電弧室28、蒸發器20與熱遮罩26之間的相對幾何關係為如何阻擋熱輻射的關鍵因素。

合理地，藉由使用熱遮罩26，由熱輻射傳送至蒸發器20的熱能可有效的減少，甚至幾乎阻擋，且熱能僅可藉由電弧室28與蒸發器20之間的機械連接透過傳導方式被傳輸至蒸發器20。因此若電弧室溫度明顯高於固態材料蒸發溫度，使用熱遮罩26可減少傳送至蒸發器20的熱能使固態材料的蒸發速率減低而延長固態材料的壽命。當熱遮罩26減少傳送至蒸發器20的熱能，電弧室28溫度變化引起的蒸發器20的溫度變化也可被抑制。此外，熱遮罩26與蒸發器20之間的熱輻射亦為一熱傳輸通道，為了進一步彈性地且精確地控制蒸發器20接收的熱輻射，可選擇整合一氣體管線進入熱遮罩26以控制熱遮罩的溫度。此處氣體管線的細節與前述氣體管線24類似，而相關的敘述則在此予以省略。此外，當熱遮罩26可動態影響熱輻射如何被阻擋以彈性調整蒸發器20內固態材料的溫度，可選擇熱遮罩26為可移動式。

因此與電弧室28的熱能可藉由傳導與輻射傳送至蒸發器20的傳統離子源蒸發器比較，本發明此實施例具有至少以下主要優點：可減少傳送至蒸發器20的熱能，特別是當電弧室溫度高於固態材料的蒸發溫度時，並且在電弧室的溫度起伏不定時可使容器的溫度更加穩定。

此外，此實施例並不限制熱遮罩26的細節。舉例來說，熱遮罩26可為一金屬板，例如一鋼板，或一由數片金屬板組成的組合。舉例來說，熱遮罩26靠近部分電弧室28，這部分電弧室28鄰近但不接觸蒸發器20。舉例來說，熱遮罩26可於電弧室與外殼之間移動，例如沿與電弧室28與蒸發器20之界面平行方向移動。

簡短地說，上述實施例分別應用四種不同方式控制蒸發器20內固態材料的溫度以使固態材料的蒸發不再主要僅由來自電弧室的熱能決定，特別是四種方式中的每一種方式的硬體與操作均為相互獨立。這是說對於本發明而言，即使並未特別顯示如何同時使用二或更多方式，其他實施例仍可應用任何其中之二、其中之三、甚至全部四種方式。

此外，雖然在上述實施例中並未顯示，本發明可應用至少一噴嘴及/或至少擴散器以有效將已蒸發的材料傳送至電弧室。噴嘴為商售產品且可用於控制已蒸發的材料傳送至電弧室的方向、分佈與特性。擴散器為一用於將已蒸發的材料自容器(或蒸發器) 有效傳送至噴嘴(或電弧室)的硬體。舉例來說，一具有一些開孔的金屬管，此具有開孔的金屬管一端係插入容器(或蒸發器)，此金屬管另一端連接至噴嘴(或電弧室)。因此出現在容器(或蒸發器)內已蒸發的材料可直接透過擴散器傳送。此外，噴嘴與擴散器可分別置換，當不同固態材料置於容器(或蒸發器)內時，其均可分別置換。此外，不同噴嘴與/或擴散器可被置換以分別控制不同已蒸發的材料的流速。

因此，本發明另一實施例為一離子源，包含一設置鄰近於一電弧室的外殼、至少一設置於外殼內的容器、一用於調整容器溫度以使容器溫度不再主要僅由電弧室溫度決定的溫度調整元件以及一用於調控溫度調整元件運作的控制元件。

於此實施例中，控制元件如何調控溫度調整元件運作可基於一些預定的訊息，亦可基於離子束的實際條件。舉例來說，其可基於電弧室的參數值，例如輸入電弧室的功率與傳輸至電弧室所有氣體的流速。其亦可基於電漿是如何在電弧室內維持以及離子束是如何被調整。舉例來說，其可基於法拉第杯偵測到的離子束流、光學元件(例如攝影機)偵測到的離子束路徑。其可進一步基於容器的實際狀況，例如容器的溫度與容器內欲蒸發材料的量。因此控制元件可根據電弧室、電漿與離子束的實際狀況動態調整蒸發器。簡單一句話來說，控制元件可處理一及時反饋迴路以將一具有此離子源之離子佈植機執行的離子佈植製程最佳化。

此外，為了即時調整蒸發器內的蒸發效果，在某些未顯示實施例中，一設置鄰近於容器的第一溫度感測器可用於偵測容器內的固態材料的溫度，一設置鄰近於一與外殼整合之加熱器的第二溫度感測器可用於偵測可用於計算熱能如何加入容器之加熱器溫度，及一設置鄰近於一與外殼整合之氣體管線的第三溫度感測器可用於偵測可用於計算熱能如何自容器移出之氣體管線溫度。在偵測的溫度之基礎上，加熱器、氣體管線甚至其他相關硬體的操作可即時調整。舉例來說，當容器的溫度高於一可接受的範圍時，氣體管線可被啟動以減低容器溫度直到容器溫度降至可接受的範圍。舉例來說，當容器的溫度低於一可接受的範圍時，加熱器可被啟動以增加容器溫度直到容器溫度升高至可接受的範圍。

請注意本發明並不限制控制元件的細節。控制元件可為一積體電路、一控制器、一嵌入具有此離子源的離子佈植機之韌體、及/或一由一嵌入或連接至此離子佈植機之電腦執行的電腦程式。此外溫度調整元件包含一或更多上述實施例中描述的硬體。因此相關的敘述則省略。此外，基於溫度調整元件的可能細節，控制元件的可能操作包含但不限於以下項目：沿一與電弧室相交的方向移動容器、當外殼內有至少二容器時調整環繞一距電弧室較遠之特定容器之至少一部份的氣體管線的氣體流速、調整機械連接至外殼之氣體管線的氣體流速、調整位於外殼內之加熱器的溫度，以及移動設置於外殼之外與位於電弧室與外殼之間的熱遮罩。

儘管如此，所有上述實施例均使用蒸發器以蒸發置於蒸發器內的固態材料並將已蒸發材料傳送至電弧室。蒸發器的使用不可避免會增加硬體成本以及離子源複雜度。因此本發明提出根據另一種方式的一些實施例：直接將固態材料置於電弧室內並且固態材料由濺鍍反應進行離子化。

另一實施例為第三圖所示的一離子源。離子源30具有一電弧室31與一提供所需氣體進入電弧室31的氣體供應源32。此外，在電弧室31內，放置一由稀土元素構成的斥拒極33。同時一功率元件34，例如一燈絲或一天線，設置於電弧室31內以提供能量並離子化輸入氣體以於電弧室31內產生並維持電漿。因此當斥拒極33與電漿反應，特別是由電漿內離子濺鍍轟擊時，稀土元素被濺鍍離開斥拒極33並加入電漿，以產生並維持內有大量形成斥拒極33的稀土元素離子的離子束。

當然為了改進形成此離子束的效率，所使用的氣體應由形成斥拒極33的稀土元素種類決定。舉例來說，當斥拒極33由以下稀土元素中至少之一構成: 鐿 (Yb)、鉺(Er)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、錫(Sn)與銻(Sb)，氣體供應源32應提供以下至少一種氣體進入電弧室31內：氟 (F)、氬 (Ar)、氙(Xe)、磷化氫(PH3)與砷化氫(AsH3)。一般而言，針對一特定稀稀土元素所選的氣體同時也作為載流氣體(carrier gas)以維持電漿的穩定性。

更進一步地說，當斥拒極33由稀土元素構成，例如鐿、鉺、鋱、鏑、錫與銻，一伴隨氣體(co-gas)，例如惰性氣體，可輸入電弧室31以使自電弧室31輸出之離子束的總離子束流更穩定。此外，若稀土元素的氧化物被採用為斥拒極的材料，可使用一含有氫的氣體，例如氫氣、磷化氫與砷化氫氣體，以平衡電弧室31內氧化現象以獲得較佳離子源壽命。儘管如此，引入含氫的氣體可能減少稀土元素流而因此必須作出取捨。

合理地，藉由使用稀土元素構成的斥拒極33取代傳統由鎢構成的斥拒極以及上述討論的蒸發器，稀土元素可直接加入電弧室內的電漿。依此方式，可避免蒸發器的成本與複雜度，同時電弧室31內電漿的生成與維持不會明顯衰減。

雖然本發明已透過較佳的實施例進行說明，可被理解的是其他不超出本發明如申請專利範圍所主張之精神與範圍所做的修改和變化均可達成，而被本發明所涵蓋。

10‧‧‧蒸發器
11‧‧‧容器
12‧‧‧擴散器
13‧‧‧噴嘴
14‧‧‧外殼
15‧‧‧開孔
18‧‧‧電弧室
20‧‧‧蒸發器
21‧‧‧外殼
22‧‧‧容器
223‧‧‧第一容器
226‧‧‧第二容器
23‧‧‧致動元件
24‧‧‧氣體管線
25‧‧‧加熱器
26‧‧‧熱遮罩
28‧‧‧電弧室
31‧‧‧電弧室
32‧‧‧氣體供應源
33‧‧‧斥拒極
34‧‧‧功率元件

第一A圖至第一B圖分別顯示常見離子源蒸發器結構。第二A圖與第二G圖分別顯示本發明所提出離子源的一些實施例。第三圖顯示本發明所提出離子源的一實施例。

20‧‧‧蒸發器

21‧‧‧外殼

22‧‧‧容器

23‧‧‧致動元件

28‧‧‧電弧室

Claims

一種離子源，包含：一電弧室；及一設置鄰近於該電弧室的蒸發器，包含：一鄰近於該電弧室的外殼；一位於該外殼內之可移動容器；及一用於調整該容器與該電弧室之間距離的致動元件。
如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中該致動元件選自由螺絲、滾珠螺桿與絞鍊所組成的群組。
如申請專利範圍第1項所述之離子源，其中該致動元件沿一與該電弧室相交的方向移動該可移動容器。
一種離子源，包含：一電弧室；及一設置鄰近於該電弧室的蒸發器，包含：一鄰近於該電弧室的外殼；一位於該外殼內之第一容器；及一位於該外殼內之第二容器；其中該第一容器與該第二容器分開；其中該電弧室與該第一容器之間的距離與該電弧室與該第二容器之間的距離不同。
如申請專利範圍第4項所述之離子源，其中該第二容器係由一傳送一氣體的氣體管線部分環繞。
如申請專利範圍第5項所述之離子源，其中當該第一容器靠近該電弧室時，該第二容器遠離該電弧室。
一種離子源，包含：一電弧室；及一設置鄰近於該電弧室的蒸發器，包含：一鄰近於該電弧室的外殼；一位於該外殼內之容器；及一機械連接至該外殼的氣體管線。
如申請專利範圍第7項所述之離子源，其中該氣體管線的配置包含：該氣體管線環繞該容器；及該氣體管線位於鄰近該容器且距離該電弧室較遠的一端。
如申請專利範圍第7項所述之離子源，其中該氣體管線的配置包含：該氣體管線的氣體流速可藉由調整該氣體管線上的氣閥調整；一氣體源供應的氣體速度為可調整；及當一加熱器、一冷卻器及/或一熱交換元件連接至該氣體管線並位於該蒸發器上游時，該氣體管線內氣體的溫度為可調整。
一種離子源，包含：一電弧室；及一設置鄰近於該電弧室的蒸發器，包含：一鄰近於該電弧室的外殼；一位於該外殼內之容器；及一位於該電弧室與該外殼之間的熱遮罩。
如申請專利範圍第10項所述之離子源，其中該熱遮罩靠近部分該電弧室，該部分該電弧室鄰近但不接觸該蒸發器。
如申請專利範圍第10項所述之離子源，其中該熱遮罩可於該電弧室與該外殼之間移動。
如申請專利範圍第10項所述之離子源，更包含一與該熱遮罩結合以傳送一氣體將熱能帶離該熱遮罩之氣體管線。
一種離子源，包含：一電弧室；及一設置鄰近於該電弧室的蒸發器，包含：一鄰近於該電弧室的外殼；至少一位於該外殼內之容器；一用於調整該容器溫度以使容器溫度不再主要僅由該電弧室之溫度決定的溫度調整元件；及一用於調控該溫度調整元件運作的控制元件，該控制元件調控該溫度調整元件運作係根據以下至少其中之一：法拉第杯偵測到的離子束流；該電弧室的參數值，例如輸入該電弧室的功率與傳輸至該電弧室所有氣體的流速；及該容器內欲蒸發材料的量。
如申請專利範圍第14項所述之離子源，該溫度調整元件包含以下至少其中之一：一用於調整該容器與該電弧室之間距離的致動元件；當該外殼內有至少二容器時，一環繞一具有與該電弧室之間較遠距離的特定容器之至少一部份的氣體管線；一機械連接至該外殼的氣體管線，其中該氣體管線內的氣體流速為可調整；一位於該外殼內的加熱器；及一位於該電弧室與該外殼之間的熱遮罩。
如申請專利範圍第15項所述之離子源，該控制元件的運作包含以下至少其中之一：沿一與該電弧室相交的方向移動該容器；當外殼內有至少二容器時調整環繞一距電弧室較遠之特定容器之至少一部份的氣體管線的氣體流速；調整機械連接至該外殼之該氣體管線的氣體流速；調整位於該外殼內之該加熱器的溫度；及移動設置於該外殼之外與位於該電弧室與該外殼之間的熱遮罩。
如申請專利範圍第14項所述之離子源，更包含以下至少其中之一：一設置鄰近於該容器的第一溫度感測器以偵測該容器內的固態材料的溫度；一設置鄰近於一與該外殼整合之加熱器的第二溫度感測器；及一設置鄰近於一與該外殼整合之一氣體管線的第三溫度感測器。
如申請專利範圍第17項所述之離子源，其中該控制元件的操作係由以下至少其中之一調整：由該第一溫度感測器偵測之該容器內固態材料的的實際溫度；由該第二溫度感測器偵測之該加熱器的溫度；及由該第三溫度感測器偵測之該氣體管線的溫度。
一種應用於執行稀土元素佈植之離子佈植機的離子源，包含：一電弧室；至少一提供至少一氣體進入該電弧室的氣體供應源；及一位於該電弧室內的斥拒極，其中該斥拒極由至少一種稀土元素構成。
如申請專利範圍第19項所述之離子源，其中該斥拒極由以下材料中至少其中之一構成：鐿(Yb)、鉺(Er)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、錫(Sn)與銻(Sb)。
如申請專利範圍第19項所述之離子源，其中該氣體係選自以下由氟(F)、氬(Ar)、氙(Xe)、磷化氫(PH₃)與砷化氫(AsH₃)所組成的群組。
如申請專利範圍第19項所述之離子源，其中該斥拒極係由被佈植稀土元素的氧化物構成，使用一含氫的氣體。
如申請專利範圍第22項所述之離子源，其中該含氫的氣體係選自以下由氫氣、磷化氫與砷化氫氣體所組成的群組。