TWI654642B - 離子植入系統、離子源腔室以及用於離子植入系統的離子源 - Google Patents

離子植入系統、離子源腔室以及用於離子植入系統的離子源

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TWI654642B
TWI654642B TW103144740A TW103144740A TWI654642B TW I654642 B TWI654642 B TW I654642B TW 103144740 A TW103144740 A TW 103144740A TW 103144740 A TW103144740 A TW 103144740A TW I654642 B TWI654642 B TW I654642B
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Abstract

本發明提供一種用於離子植入系統的離子源腔室，該離子源腔室包括：一外殼，其至少部分界定一離子化區域，高能量電子會從一陰極處移動穿過該區域，用以離子化被注入該外殼的一內部之中的氣體分子；一襯墊區段，用以定義該外殼內部的一或更多個內壁，其中，每一個襯墊區段皆包含一在該離子植入系統的操作期間曝露於該離子化區域的向內表面；一陰極屏蔽，其被設置在該陰極周圍；一拒斥極，其與該陰極隔開；一平板，其包含一來源孔徑，用以將離子釋出該離子源腔室；其中，該拒斥極、該襯墊區段、該陰極屏蔽、該平板、或是該平板中定義該來源孔徑的一插入件中的至少其中一者包括碳化矽，其中，該碳化矽係具有超額碳的非化學計量燒結材料。

Description

離子植入系統、離子源腔室以及用於離子植入系統的離子源
本揭示內容大體上關於離子植入系統，且更明確地說，和在離子植入系統中通常使用類型的降低軌跡金屬汙染的離子源有關，其在該離子源的弧光腔室(arc chamber)裡面呈現改善的抗腐蝕效果。
離子植入系統或離子植入機在積體電路製造中以及在平板顯示器的製造中廣泛地被用來以雜質摻雜半導體。於此些系統中，一離子源會離子化一所希望的摻雜元素，其係以具有所希望能量之離子射束的形式從該離子源處被抽出。該離子射束接著會導向工作件(例如，半導體晶圓)的表面，以便以該摻雜元素來植入該工作件。該射束的離子會穿透該工作件的表面，用以形成一具有所希望導電係數的區域，例如，在該晶圓中製作電晶體裝置。該植入製程通常係在高真空的製程腔室中被實施，其可防止因碰撞殘氣分子而導致該離子射束消散並且最小化在空氣中傳播的粒子汙染該工作件的風險。典型的離子植入機包含：一離子源，用以產生該離子射束；一束線，其包含一質量分析磁鐵，用於質量解析該離子射束；以及一目標腔室，其含有該半導體晶圓或是要被該離子射束植入的其它基板或工作件。不過，平板顯示器植入機通常不包含質量分析設備。對高能量 的植入系統來說，一加速設備可能會被提供在該質量分析磁鐵與該目標腔室之間，用以將該些離子加速至高能量。
習知的離子源包含一電漿侷限腔室，其具有：一入口孔徑，用以引進要被離子化成電漿的氣體；以及一出口孔徑開口，用以讓電漿經由該處被抽出而形成離子射束。摻雜氣體的其中一種範例為磷化氫(phosphine)。當磷化氫曝露於一能量源時(例如，有能量的電子或是射頻(Radio Frequency，RF)能量)，該磷化氫會分解而形成用以摻雜該工作件的帶正電磷離子(P+)以及經分解的氫離子。一般來說，磷化氫會被引進至該電漿侷限腔室之中並且接著曝露於該電子源，用以產生磷離子與氫離子兩者。該電漿包括用以植入至一工作件之中所希望的離子以及為該些解離及離子化製程之副產物的非所希望離子。該些磷離子與該些氫離子接著會利用一包含被供能之抽出電極的抽出設備經由該出口開口被抽出而成為離子射束。構成該來源氣體的其它典型摻雜元素的範例包含：磷(P)、砷(As)、或是硼(B)、以及許多其它元素。
被摻雜離子的劑量及能量會依照給定應用所希望的植入而改變。離子劑量控制用於一給定半導體材料的被植入離子的濃度。一般來說，高電流植入機係用於高劑量植入；而中電流植入機則係用於較低劑量的應用。離子能量用於控制半導體裝置中的接面深度，其中，射束中的離子的能量位準決定被植入離子的深度程度。持續地朝越來越小型半導體裝置的趨勢需要一種束線構造用於以低能量來傳送高射束電流。高射束電流提供必要的劑量位準，而低能量則允許有淺植入。此外，持續地朝更高裝置複雜性的趨勢需要謹慎的控制被掃描跨越該工作件的植入射束的均勻 性。
該離子源中的離子化製程係藉由激發電子而達成，該些電子 接著會撞擊該離子源腔室裡面的可離子化材料。此激發先前已利用受熱陰極或RF激發天線來達成。一陰極會被加熱用以發射電子，該些電子接著會被加速至該離子化製程所需要的足夠能量；反之，RF天線則產生電場將電漿電子加速至用於維持該離子化製程所需要的足夠能量。該天線可能曝露在該離子源的電漿侷限腔室裡面；或者，可能位於該電漿腔室外面，藉由一介電質視窗而分開。該天線係由一RF交流電流來供能，該RF交流電流會在該電漿侷限腔室裡面誘發一時變磁場。此磁場接著會在該來源腔室裡面被自然發生的自由電子佔據的一區域之中誘發一電場。此些自由電子會因該誘發電場而加速並且撞擊該離子源腔室裡面的可離子化材料，從而導致該離子腔室裡面的電漿電流，該些電漿電流通常平行且方向反向於該天線中的電流。離子接著會被位置接近一小型出口開口的一或更多個可供能的抽出電極從該電漿腔室處抽出，以便提供一小剖面(相對於工作件的尺寸)的離子射束。
批次離子植入機包含一旋轉圓盤支撐體，用以移動多個矽晶 圓通過該離子射束。當該支撐體旋轉該些晶圓通過該離子射束時，該離子射束會撞擊晶圓表面。
序列式植入機每次會處置一個晶圓。該些晶圓被支撐在一晶 匣中以及每次會被取出一個並且被放置在一支撐體上。該晶圓接著會被配向在植入配向中，俾使得該離子射束會撞擊該單一晶圓。此些序列式植入機使用射束塑形電子元件來將該射束偏離其初始軌道，並且該些序列式植 入機經常配合協同的晶圓支撐體移動來使用，以便選擇性地摻雜或處置整個晶圓表面。
產生使用在既有植入機中之離子射束的離子源通常被稱為 弧狀離子源(arc ion source)並且會包含受熱的細絲陰極用以創造會被塑形成適於晶圓處置之離子射束的離子。Sferlazzo等人獲頒的美國專利案第5,497,006號關於一種離子源，其具有一陰極，該陰極由一基底支撐並且以一氣體侷限腔室為基準被定位，用以將離子化電子射至該氣體侷限腔室之中。'006專利的陰極為一管狀的導電本體與端帽(endcap)，其部分延伸至該氣體侷限腔室之中。一細絲被支撐在該管狀本體裡面並且發出電子而經由電子轟炸來加熱該端帽。該被加熱的端帽接著會以熱離子的方式將該些離子化電子發射該氣體侷限腔室之中。
Cloutier等人獲頒的美國專利案第5,763,890號同樣揭示一種 使用在離子植入機中的弧狀離子源。該離子源包含一氣體侷限腔室，其具有界定一氣體離子化地帶的多個導體腔室壁部。該氣體侷限腔室包含一出口開口，用以讓離子離開該腔室。一基底會以從離開該氣體侷限腔室的離子中形成離子射束的結構為基準來定位該氣體侷限腔室。
用於定義該離子源腔室的目前材料通常係由防火的金屬及/或石墨所形成，其中，比較常用的防火金屬包含鎢、鉬、鉭、以及類似物。當離子化以氟為基礎的化合物(例如，BF3、GeF4、SiF4、B2F4)及/或以氧為基礎的化合物(例如，CO以及CO2)時，此些材料會發生腐蝕，其會顯著地縮短此些材料的壽命並且在離子植入期間不利地引進雜質。舉例來說，含氟化合物的離子化會產生F，其會與含有目前所運用的防火金屬(鎢、鉬、鉭、 石墨、以及類似物)的外露表面反應。舉例來說，當曝露於F離子時會形成MoFx、WFx、TaFx、以及類似物，其中，在大部分的實例中，x為1至6的整數。此些材料本身有腐蝕性，並且在該腔室裡面存在此些腐蝕性材料會進一步傳播鹵素循環(halogen cycle)，此些材料可能會在此循環中沉積在該離子源腔室裡面，其會明顯地縮短此些組件的操作壽命。當離子化以氧為基礎的化合物(例如，CO以及CO2)時，對應防火氧化物的形成同樣會導致該離子源腔室裡面的離子源組件(該些組件包含，但是並不限制於，陰極、襯墊、陰極屏蔽(也就是，陰極拒斥極)、拒斥極(也就是，反陰極)、來源孔徑狹縫(也就是，離子源光學板)、以及類似物)的腐蝕，從而會縮短操作壽命並且需要替換。
除了上面提及的會影響操作壽命的腐蝕問題之外，在曝露於 已離子化的氟及/或氧物種時所產生的防火金屬氟化物及/或防火金屬氧化物本身經常會揮發。不幸地，此些揮發性化合物會連同該些所希望的摻雜離子一起被傳輸至正在被處理的基板，其會直接影響裝置效能以及產出。
所以，在離子植入系統中需要有改善的離子源腔室組件，其 中，該改善要提供與目前所運用的材料(舉例來說，以鎢為基礎、以鉬為基礎、以及以類似的防火金屬為基礎的材料)相等或更佳的效能並且在處理期間大體上為惰性，以便提供延長的操作壽命，而不會產生會影響裝置效能以及產出的揮發性化合物。
本文中揭示一種使用在離子植入系統之中的降低軌跡金屬汙染的離子源。於其中一實施例中提供一種用於離子植入系統的離子源腔 室，該離子源腔室包括：一外殼，其至少部分界定一離子化區域，高能量電子會從一陰極處移動穿過該區域，用以離子化被注入該外殼的一內部之中的氣體分子；一襯墊區段，用以定義該外殼內部的一或更多個內壁，其中，每一個襯墊區段皆包含一在該離子植入系統的操作期間曝露於該離子化區域的向內表面；一陰極屏蔽，其被設置在該陰極周圍；一拒斥極，其與該陰極隔開；一平板，其包括一來源孔徑，用以將離子釋出該離子源腔室；其中，該拒斥極、該襯墊區段、該陰極屏蔽、該平板、或是該平板中定義該來源孔徑的一插入件中的至少其中一者包括碳化矽，其中，該碳化矽係化學式為SiCx的非化學計量燒結材料，其中，x在1.1至1.45的範圍之中。
於另一實施例中提供一種離子植入系統，其包括：一離子源 腔室；一陰極，其位在該離子源腔室的其中一端；以及一拒斥極，其係由碳化矽被形成在該陰極的直徑反向處，其中，該碳化矽係化學式為SiCx的非化學計量燒結材料，其中，x在1.1至1.45的範圍之中。
於又一實施例中提供一種用於離子植入系統的離子源，該離 子源包括：一離子化區域；以及曝露於該離子源裡面的離子化區域的一或更多個表面，其中，該一或更多個表面包括碳化矽，其中，該碳化矽係具有超額碳的非化學計量燒結材料。
參考本揭示內容之各項特點的下面詳細說明以及其中所包 含的範例可以更容易瞭解本揭示內容。
10‧‧‧離子射束植入系統
12‧‧‧離子源
14‧‧‧離子射束
14a‧‧‧扇形帶狀離子射束
16‧‧‧射束路徑
20‧‧‧末端站或植入站
22‧‧‧真空腔室或植入腔室
24‧‧‧工作件
26‧‧‧使用者控制台
27‧‧‧真空唧筒
28‧‧‧離子射束抽出裝配件
30‧‧‧分析磁鐵
32‧‧‧射束擋板
36‧‧‧四極透鏡系統
40‧‧‧偏折磁鐵
41‧‧‧控制器
42‧‧‧平行化磁鐵
44‧‧‧能量濾波器
50‧‧‧工作件支撐結構
60‧‧‧裝載鎖定器
62‧‧‧自動臂
70‧‧‧晶匣
71‧‧‧晶匣
72‧‧‧晶匣
73‧‧‧晶匣
80‧‧‧機器人
82‧‧‧機器人
84‧‧‧配向器
110‧‧‧來源區塊
112‧‧‧凸緣
114‧‧‧握柄
120‧‧‧電漿弧光腔室
124‧‧‧陰極
126‧‧‧出口來源孔徑
128‧‧‧平板
130a‧‧‧側壁
130b‧‧‧側壁
130c‧‧‧頂端壁
130d‧‧‧底部壁
130e‧‧‧後壁
132‧‧‧支撐凸緣
133‧‧‧襯墊區段
135‧‧‧襯墊區段
137‧‧‧襯墊區段
139‧‧‧襯墊區段
140‧‧‧接針
142‧‧‧傳送管
143‧‧‧氣體連接歧管
144‧‧‧開口
150‧‧‧絕緣鑲嵌區塊
152‧‧‧鑲嵌板
153‧‧‧陰極屏蔽
154‧‧‧末端蓋部
170‧‧‧鑲嵌臂
171‧‧‧鑲嵌臂
172‧‧‧連接器
173‧‧‧導體夾鉗
174‧‧‧導體夾鉗
178‧‧‧細絲
180‧‧‧拒斥極
182‧‧‧軀幹部
183‧‧‧圓柱形開口
184‧‧‧頭部
現在將參考下面的圖式，其中，相同的元件有相同的元件符 號：圖1所示的係用於對一工作件進行離子射束處置的離子植入系統的略圖，例如，該工作件為被鑲嵌在一旋轉支撐體上的矽晶圓；圖2所示的係根據本揭示內容的離子源的透視圖；圖3所示的係根據本揭示內容的離子源腔室的剖視圖；以及圖4所示的係從圖3中的直線4-4所定義的平面中所看見的剖視圖。
本文中揭示一種離子植入系統，其提供離子源腔室改善的抗腐蝕效果。該離子植入系統大體上包含以雷同大小的碳化矽(SiC)組件來置換該離子源腔室裡面的防火金屬組件及/或石墨組件中的一或更多者。適合使用在本揭示內容中的碳化矽係一種化學式為SiCx的非化學計量導電燒結碳化矽，其中，x為碳與矽的莫耳比並且含有超額的碳，其可能呈現為石墨、非晶碳、或是它們的混合物。於大部分的實施例中，x大於1，通常大於約1.1，但是小於約1.45。於某些實施例中，碳的莫耳比可以超過1.45；然而，於此些實施例中，機械特性可能變成該特殊離子源腔室組件的考量。於大部分的實施例中，晶粒尺寸通常從4微米至10微米。
合宜的非化學計量導電燒結碳化矽能夠根據美國專利案第5,594,963號來製造，本文以引用的方式將其完整併入。合宜的SiC亦可向Saint Gobain Ceramics購買商品名稱為Hexoloy® SG的產品，其為沒有自由矽金屬的非化學計量導電燒結碳化矽。
除了其它特性之外，優點係，在離子源腔室裡面使用SiC組件為此些組件提供改善的抗腐蝕效果；並且，另外的優點係，該SiC還能 夠被配置成用以提供適合離子植入的導電係數。經由對照，SiC的氧化速率為據報在1200℃處為0.045gm/120個小時，其明顯優於石墨的據報氧化速率(從650℃開始並且據報在1000℃處的氧化速率為每分鐘0.069gm(0.069gm/min))以及鎢的氧化(在1300℃處的氧化速率據報為5E-8cm/sec，其會在約10-3陶爾壓力處於乾燥氧氣中轉變成約5埃/秒或是每小時1.8微米)。SiC的電阻係數通常小於10ohm-cm。於許多情況中，尤其是倘若存在接近最大允許數額的超額碳數額的話，或者，倘若目標物的密度為或靠近該材料的理論密度的話，那麼，電阻係數將會小於，通常不會大於約2.0ohm-cm。又，於其它實施例中，該非化學計量碳化矽的碳含量經過選擇，以便提供小於1.0ohm-cm的電阻係數。如所述的導電係數可允許DC磁控濺鍍速率為約鋁的一半。相較於其它材料，本文中所述的碳化矽還會提供卓越的導熱係數。
除了顯著改善的抗氧化效果之外，使用碳化矽產生的揮發性 化合物還會低於當鎢、鉭、石墨、鉬曝露於富含能量的氟離子或氧離子時所看見的揮發性化合物之產生。如【先前技術】段落中所提，鎢會形成揮發性的氟化鎢、氧化鎢、以及類似物，其會在離子植入製程期間被傳輸至基板。同樣地，氟化鉬以及氧化鉬亦會被形成並且接著被傳輸至基板。因為碳化矽晶格結構沒有自由矽的關係，所以，在曝露於諸如氟及氧的離子時所產生的揮發性化合物會顯著減少。該碳化矽能夠為塗層的形式或者具有使用在離子源腔室中之組件形狀的一單晶結構。
應該注意的係，該特殊的離子植入系統並沒有限制的意圖， 只要該系統包含一離子源腔室即可。舉例來說，合宜的離子植入系統可以 為高電流或中電流系統。高電流系統通常用於低能量及/或高劑量應用，其通常操作在200eV至60或80keV。中電流系統使用於較低劑量的應用並且有最寬的能量範圍，其通常為約2keV至900keV。
現在參考圖式，圖1所示的係一種示範性離子射束植入系統 10的略圖。該植入機包含一離子源12，用以創造會形成離子射束14的離子，該離子射束14會被塑形並且選擇性地偏折，以便橫越一射束路徑抵達一末端站或植入站20。該植入站包含一真空腔室或植入腔室22，其會定義一內部區域，一工作件24(例如，半導體晶圓)會被定位在該內部區域之中以便讓組成離子射束14的離子植入。如控制器41所圖示的控制電子元件係被提供用以監視並且控制被工作件24接收的離子劑量。送往該控制電子元件的操作者輸入係透過位在該末端站20附近的一使用者控制台26來實施。當離子射束14橫越該來源與該植入腔室之間的一區域時，該射束中的離子會趨於發散。為降低此發散性，該區域會由一或更多個真空唧筒27維持在低壓處。
離子源12包含一電漿腔室，其會定義一內部區域，多個來 源材料會被注入於該內部區域之中。該些來源材料可以包含一可離子化氣體或是已蒸發的來源材料。被產生於該電漿腔室裡面的離子會由離子射束抽出裝配件28抽出該腔室，該離子射束抽出裝配件28包含數個金屬電極，用以創造一離子加速電場。
一分析磁鐵30會被定位在射束路徑16中，其會彎折該離子 射束14並且引導其穿過一射束擋板32。射束14會在該射束擋板32之後通過一四極透鏡系統(quadrupole lens system)36，其會聚焦該射束14。該射束接著會通過一偏折磁鐵40，該偏折磁鐵40由控制器41來控制。控制器 41提供一交流信號給磁鐵40的導體線圈，其接著會讓該離子射束14反覆地偏折或是以數百個赫茲的頻率從側至側掃描。於其中一已揭示的實施例中會使用從200至300赫茲的掃描頻率。此偏折或是側至側掃描會產生一薄的扇形帶狀離子射束14a。
於該扇形帶狀射束裡面的離子會在離開磁鐵40之後遵循發 散路徑。該些離子會進入一平行化磁鐵42，組成射束14a的離子會於其中再次被彎折不同的數額，俾使得它們會離開該平行化磁鐵42沿著大體上平行的射束路徑移動。該些離子接著會進入一能量濾波器44，其會因該些該些離子的電荷的關係而將它們往下偏折(圖1中的y方向)。這會移除在進行上游射束塑形期間便已進入該射束的中性粒子。
離開該平行化磁鐵42的離子射束14a係一剖面基本上形成 一超窄矩形的離子射束，也就是，延伸在其中一個方向中的射束，舉例來說，垂直範圍受限(舉例來說，約1/2英吋)並且在正交方向中的範圍會因磁鐵40造成的掃描或偏折的關係而朝外增寬，以便完全涵蓋一工作件(例如，一矽晶圓)的直徑。
一般來說，帶狀離子射束14a的範圍被掃描時足以植入工作件24的整個表面。假設工作件24的水平維度為300mm(或是直徑300mm)。磁鐵40會偏折該射束，俾使得該帶狀離子射束14a的水平範圍在撞擊該植入腔室22裡面的工作件24的植入表面時將會至少300mm。
一工作件支撐結構50會在植入期間支撐該工作件24並且相對於該帶狀離子射束14來移動該工作件24(在y方向中上下移動)，俾使得工作件24的整個植入表面會被離子均勻地植入。因為該植入腔室內部區域 被排空，所以，工作件必須經由裝載鎖定器60進入與離開該腔室。一被鑲嵌在該植入腔室22裡面的自動臂62會將晶圓工作件自動移往及移出該裝載鎖定器60。一工作件24以水平位置被顯示在圖1中的裝載鎖定器60裡面。 該手臂藉由旋轉該工作件24通過一拱形路徑而將該工作件從該裝載鎖定器60處移到支撐體50。在植入之前，該工作件支撐結構50會旋轉該工作件24至一垂直或接近垂直的植入位置。倘若該工作件24為垂直的話，也就是，相對於離子射束14為垂直，那麼，介於該離子射束與該工作件表面的法線之間的植入角度或角度則為0度。
於一典型的植入操作中，未被摻雜的工作件(通常為半導體 晶圓)會由兩個機器人80、82中的其中一者從許多晶匣70至73中的其中一者處取回，該些機器人80、82會將一工作件24移到一配向器84，該工作件24會於該處被旋轉至一特殊配向。一自動臂會取回該已配向的工作件24並且將其移到裝載鎖定器60之中。該裝載鎖定器會密閉並且被抽吸至所希望的真空，並且接著張開至該植入腔室22之中。自動臂62會抓取該工作件24，將其帶往植入腔室22裡面，並且將其放置在工作件支撐結構50的靜電夾鉗或夾頭。該靜電夾鉗會被供能用以在植入期間將該工作件24固持在正確地方。合宜的靜電夾鉗已揭示在Blake等人於1995年7月25日獲頒的美國專利案第5,436,790號以及Blake等人於1995年8月22日獲頒的美國專利案第5,444,597號之中，兩案皆已受讓給本發明的受讓人。本文以引用的方式將'790專利與'597專利的個別完整內容併入。
在工作件24的離子射束處理之後，該工作件支撐結構50會 將該工作件24送回一水平位置並且該靜電夾鉗會被去能，以便式放該工作 件。手臂62會在此離子射束處置之後抓取該工作件24並且將其從該支撐體50處移回至該裝載鎖定器60之中。根據替代的設計，該裝載鎖定器有被獨立排空及加壓的一頂端區與一底部區，並且於此替代實施例中，在該植入站20處的第二自動臂(圖中並未顯示)會抓取該已植入的工作件24並且將其從該植入腔室22處移回至該裝載鎖定器60。該些機器人中的其中一者的自動臂會將該已植入的工作件24移回到該些晶匣70至73中的其中一者，且最典型的係，移回到其剛開始被取出的晶匣。
如圖2中所示，該離子產生源12包含一來源區塊110，其 受到一凸緣112支撐，該凸緣112有多個握柄114，藉以能夠從該植入機處移除該來源12。該來源區塊110支撐一電漿弧光腔室，圖中大體上以120所示。該高密度電漿弧光腔室在一平板128中有一細長、通常為橢圓形的出口來源孔徑126，離子會經由該出口來源孔徑126離開該來源。關於其中一種先前技術離子源的額外細節已揭示在Benveniste等人獲頒的美國專利案第5,026,997號之中，該案已受讓給本發明的受讓人並且本文以引用的方式將其併入。當離子從該弧光腔室120處遷移時，它們會因相對於該出口孔徑被定位的射束抽出裝配件所建立的電場而被加速遠離腔室120。
一弧狀離子源已被定義在Ed.W.Kunkel所著作，由 MacGraw-Hill在1966出版的「電漿物理理論與應用(Plasma Physics in Theory and Application)」教科書之中，應該注意的係，不論在陰極處或是在該電漿本體中的特定條件為何，eVc<E(Vc為陰極電壓降，E為離子化能量)的所有(電氣)放電都會被歸類為電弧。顯見地，依此方式，弧狀的範疇非常大，因為氣壓或電流密度都沒有任何限制。事實上，所有熱離子二極體都必須併 入於此中，只要有足夠的氣體離子化發生用以產生該空間電荷的實質中性化即可，因此，放電電漿一詞仍可適用。弧狀放電可能相依於氣體密度、電流密度、以及陰極處的條件而有非常不同的特徵性質。本文中以「熱細絲(hot filament)」離子源來概述此定義為有足夠能量的電子從一被直接供能的細絲(其因而充當一陰極)處被發射或是來自一被供能細絲的電子先撞擊一陰極該陰極接著再發射有足夠能量的電子，用以離子化一弧光腔室裡面的氣體。
一來源磁鐵(圖中並未顯示)會環繞該電漿弧光腔室120，用以將該些電漿生成電子侷限在該腔室120裡面的嚴格受限的前進路徑。來源區塊110會定義多個凹腔，它們容納多個噴霧器烤箱(vaporizer oven)，該些噴霧器烤箱充滿可蒸發的固體(例如，砷)，它們會先被蒸發成氣體並且接著藉由傳送噴嘴被注入該電漿腔室之中。
如圖3與4中更清楚顯示，該電漿弧光腔室120係一細長、經過加工的防火金屬或石墨區塊，其定義一內部離子化區域R，該區域由兩個細長側壁130a、130b、頂端壁與底部壁130c、130d、一後壁130e、以及前方平板128來界定，該前方平板128鄰接該離子化區域R。碳化矽製成的內部襯墊區段133、135、137、139被設置在該些壁部周圍。圖中雖然沒有顯示；不過，一襯墊區段會覆蓋後壁130e。該前方平板128可以包含一襯墊，其具有內部表面面向由碳化矽所形成的離子化區域R。或者，該前方平板本身可以由碳化矽所形成或者具有一碳化矽塗層。又進一步言之，該前方平板128可以包含一定義該來源孔徑126(參見圖2)的插入件，其中，該插入件係由根據本揭示內容的碳化矽所形成。一支撐凸緣132向外延伸靠 近該來源區塊的前方，該支撐凸緣132會支撐該弧光腔室120。
多根接針140延伸穿過凸緣132的角邊，用以支撐該平板128並且定位該出口孔徑126。多個彈簧(圖中並未顯示)會對該平板加壓，使其扣接該弧光腔室。已蒸發的材料會由一傳送管142從來源區塊110處被注入至該電漿弧光腔室120的內部之中，該傳送管藉由一被附接至該弧光腔室之側邊的氣體連接歧管143將已蒸發的材料傳送至該腔室內部之中。或者，氣體亦能夠藉由該腔室的後壁130e中的一埠口或開口(圖中並未顯示)直接被傳送至該弧光腔室內部區域R之中。於此替代排列中，一噴嘴(圖中並未顯示)鄰接此開口並且從位於該離子源外部的一來源或供應器處將氣體直接注入該弧光腔室之中。
末端壁130c與襯墊137定義一開口144，其大小可以讓陰極124延伸進入該電漿弧光腔室的一內部之中，而不會碰觸定義該開口144的腔室壁130c或襯墊137。該陰極124受到一絕緣鑲嵌區塊150支撐，該絕緣鑲嵌區塊150以支撐該陰極124的弧光腔室的末端為基準被附接至來源區塊110。一配接至該開口144之中的陰極本體被鑲嵌至一石墨金屬鑲嵌板152，該鑲嵌板152受到該絕緣鑲嵌區塊150支撐。該絕緣區塊150通常係一細長的陶瓷電氣絕緣區塊，其係由99%的純三氧化二鋁(Al2O3)所構成。
該陰極本體係由三個金屬部件建構而成。該陰極124的一外側管狀部件係由鉬合金材料製成並且具有一鄰接鑲嵌板152的下端。一內側管狀部件同樣係由鉬合金材料製成並且具有一被旋入該鑲嵌板152中的一有螺紋開口之中的有螺紋下端部分。該些管狀部件通常為圓柱形。陰極124的一末端蓋部154為導體並且通常係由鎢材料製成。該蓋部154適配在 該些管狀部件其中一者的一末端的埋頭孔(counterbore)裡面。該埋頭孔有一向內延伸的脊部，其內徑略小於蓋部154的直徑。在陰極124的裝配期間，該蓋部會被緊壓適配於該管狀部件並且在該離子植入機10的操作期間以摩擦力被固持在正確地方。該些內側管狀部件與外側管狀部件的長度經過選擇，俾使得該末端蓋部154會向上延伸超越該外側管狀部件的末端進入該弧光腔室之中。
兩個導體鑲嵌臂170、171支撐該陰極124內部的一細絲 178。該些臂部170、171藉由連接器172直接被附接至絕緣區塊150，該些連接器172穿過該些臂部，用以扣接在該區塊150中的有螺紋的開口。導體夾鉗173、174被耦合至該細絲並且由經由被連接至該些臂部的電氣饋線所傳送的信號來供能。
兩個夾鉗將一鎢質細絲178固定在由該陰極的最內側管狀 部件所定義的一凹腔裡面。該細絲178係由鎢線製成，其被彎折而形成一螺旋狀環圈。細絲178的末端由鉭質腳部支撐，該些鉭質腳部藉由夾鉗173、174保持電氣接觸該兩個臂部170、171。一陰極屏蔽153環狀圍繞該陰極124。該陰極屏蔽可以由碳化矽所形成。
當該鎢線細絲178藉由施加一電位差跨越該兩個臂部170、 171而被供能時，該細絲會發射電子，該些電子會朝陰極124的蓋部154加速並且撞擊該蓋部154。當蓋部154因電子轟炸而被充分加熱時，其便會發射電子至該弧光腔室的內部之中，其接著會撞擊氣體分子並且在該弧光腔室裡面創造離子。一離子電漿會被創造，並且此電漿裡面的離子會離開開口126，用以形成該離子射束。該蓋部154會保護該細絲，避免接觸該腔室 裡面的離子電漿並且延長該細絲的壽命。
由陰極124所產生而被發射至該弧光腔室之中但是沒有與 一氣體離子化地帶裡面的氣體分子接合的電子會移到一拒斥極180的附近，該拒斥極180包含一頭部184以及一軀幹部182。該拒斥極180將電子偏折回到一氣體離子化區域R之中，以便接觸一氣體分子。該拒斥極180通常係由鉬或鎢製成並且與該電漿弧光腔室120的壁部130d分隔一間隙，該間隙由一圓柱形開口183來定義，其內徑大於該拒斥極軀幹182的外徑。 所以，該陰極124與拒斥極180兩者會與弧光腔室壁部電氣隔離。於本揭示內容中，該拒斥極能夠由碳化矽形成。
腔室120的壁部保持在一局部接地或是參考電位處。包含該 陰極末端蓋部154的陰極會保持在該些腔室壁部之局部接地以下50伏特至150伏特之間的電位處。此電位藉由一電力饋線被耦合至平板152，電力饋線會將一電氣導體附接至支撐該陰極的平板152。細絲178通常保持在該末端蓋部154的電壓以下200伏特與600伏特之間的電壓處。介於該細絲與該陰極之間的大額電壓差提供高能量給離開該細絲的電子，該能量足以加熱該末端蓋部154並且以熱離子的方式發射電子至腔室120之中。該拒斥極180位在陰極電位處，因為有一金屬帶將兩個裝配件連接至一共用的DC電源供應器；不過，在一選擇性的作法中，該拒斥極180亦能夠被連接至一分離的DC電源供應器並且被設定在一獨立的電壓位準處。
於本揭示內容中，定意該離子源腔室120之內部表面的襯墊 中的一或更多者係由碳化矽所形成。這包含，但是並不限制於下面的離子源腔室組件中的至少一或更多者：陰極屏蔽153，拒斥極180，頂端，底部， 側邊，以及襯墊區段133、135、137、以及139，平板，保護該平板的襯墊區段，及/或定義弧光開口126的平板的一部分。就定義弧光開口126的平板128的該部分來說，可以運用兩件式的構造來最小化成本，其中，一包含該開口126的插入件會被附接至該平板。圖中雖然並未顯示；不過，覆蓋向後的壁部130e的襯墊區段亦可以由碳化矽來形成。
為更容易瞭解本發明，請參考下面的範例，其用意在解釋本發明，而並非限制本發明的範疇。
範例
於此範例中，在具有鎢質拒斥極的Axcelis Technologies,Inc.市售的Optima HDx的離子植入系統中以及在利用相同維度的碳化矽拒斥極取代該鎢質拒斥極的相同離子植入系統中測量BF2 14keV高劑量植入物的表面金屬汙染。SiC為Hexoloy SG。具有200埃熱成長氧化物的裸晶圓在本範例中以14mA的射束電流被5x1015個離子/cm2的劑量植入。該些BF2離子係從BF3來產生。鎢質拒斥極以及碳化矽拒斥極兩者的所有其它測試參數完全相同。在每一次樣品試產(sample run)之前，該離子源腔室會先曝露於30分鐘的高功率氬氣射束中。表面汙染則係利用氣相分解感應耦合電漿質譜儀(Vapor Phase Decomposition Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy，VPD ICP-MS)來測量。測量結果顯示在下面的表1中。
如上面所示，根據本揭示內容，利用碳化矽拒斥極取代市售離子植入系統中的鎢質拒斥極，表面汙染顯著減少約86%。
本書面說明利用範例來揭示本發明，包含本發明的最佳模式在內，並且使得熟習本技術的人士可以製造與使用本發明。本發明之可申請專利的範疇係由下面申請專利範圍來定義，並且可以包含熟習本技術的人士便會明瞭的其它範例。本發明希望此些其它範例落在本發明申請專利範圍的範疇裡面，只要它們的結構性元件和申請專利範圍的字面語言沒有差別或者它們包含等效的結構性元件而和申請專利範圍的字面語言沒有實質差別。

Claims (21)

  1. 一種用於一離子植入系統的離子源腔室，該離子源腔室包括：一外殼，其至少部分界定一離子化區域，高能量電子會從一陰極處移動穿過該離子化區域，用以離子化被注入該外殼的一內部之中的氣體分子；一襯墊區段，其定義該外殼內部的一或更多個內壁，其中，每一個襯墊區段皆包含在該離子植入系統的操作期間曝露於該離子化區域的一向內表面；一陰極屏蔽，其被設置在該陰極周圍；一拒斥極，其與該陰極隔開；一平板，其包括一來源孔徑，用以將離子釋出該離子源腔室；其中，該拒斥極、該襯墊區段、該陰極屏蔽、該平板、或是該平板中定義該來源孔徑的一插入件中的至少其中一者包括碳化矽，其中，該碳化矽係化學式為SiCx的一非化學計量燒結材料，其中，x從1.1至1.45。
  2. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該來源孔徑為一狹縫。
  3. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該碳化矽為一塗層。
  4. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該碳化矽為一單晶結構。
  5. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該非化學計量燒結碳化矽被配置以提供小於10ohm-cm的一電阻係數。
  6. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該非化學計量燒結碳化矽被配置以提供小於2.0ohm-cm的一電阻係數。
  7. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該非化學計量燒結碳 化矽被配置以提供小於1.0ohm-cm的一電阻係數。
  8. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該非化學計量燒結碳化矽的晶粒尺寸從4微米至10微米。
  9. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該襯墊區段的該向內表面包括一碳化矽塗層。
  10. 根據申請專利範圍第1項的離子源腔室，其中，該來源孔徑為橢圓形。
  11. 一種離子植入系統，其包括：一離子源腔室；一陰極，其位在該離子源腔室的其中一端；以及一拒斥極，其係由碳化矽所形成而位在該陰極的直徑反向處，其中，該碳化矽係化學式為SiCx的一非化學計量燒結材料，其中，x從1.1至1.45。
  12. 根據申請專利範圍第11項的離子植入系統，其中，該非化學計量燒結碳化矽被配置以提供小於10ohm-cm的一電阻係數。
  13. 根據申請專利範圍第11項的離子植入系統，其中，該非化學計量燒結碳化矽被配置以提供小於2.0ohm-cm的一電阻係數。
  14. 根據申請專利範圍第11項的離子植入系統，其中，該非化學計量燒結碳化矽被配置以提供小於1.0ohm-cm的一電阻係數。
  15. 根據申請專利範圍第11項的離子植入系統，其中，該非化學計量燒結碳化矽的晶粒尺寸從4微米至10微米。
  16. 根據申請專利範圍第11項的離子植入系統，其中，該離子源腔室包括一襯墊區段，其定義該腔室的一內部的一或更多個內壁，其中，每一個 襯墊區段皆包含在該離子植入系統的操作期間曝露於一離子化區域的一向內表面，且其中，每一個襯墊區段皆包括該碳化矽。
  17. 根據申請專利範圍第16項的離子植入系統，其中，包括該碳化矽的該襯墊區段為一塗層。
  18. 根據申請專利範圍第16項的離子植入系統，其中，該襯墊區段包括該碳化矽的一單晶結構。
  19. 根據申請專利範圍第16項的離子植入系統，其中，該陰極進一步包括由該碳化矽所形成而環狀圍繞該陰極的一陰極屏蔽。
  20. 一種用於離子植入系統的離子源，該離子源包括：一離子化區域；以及曝露於該離子源裡面的該離子化區域的一或更多個表面，其中，該一或更多個表面包括碳化矽，其中，該碳化矽係具有超額碳的一非化學計量燒結材料，化學式為SiCx，其中，x從1.1至1.45。
  21. 根據申請專利範圍第20項的離子源，其中，該一或更多個表面為該離子源的組件，選自下列組成之群組：一拒斥極、一襯墊、一陰極屏蔽、包含用以將離子從該離子源釋出之一來源孔徑的一平板、定義來源腔室之一位於該平板中的插入件、以及前述組件的組合。
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