TWI716600B - 用於離子源的噴霧器 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種具有若干新穎特徵以防止蒸汽冷凝及噴嘴堵塞的噴霧器。所述噴霧器被設計成使得當蒸汽從坩堝流到電弧室時，溫度沿著蒸汽所行進的路徑而升高。所述噴霧器使用將坩堝安裝在外殼體內的嵌套架構。離開所述坩堝的蒸汽穿過開孔逸出，並沿著坩堝與外殼體之間的空間行進至噴嘴，蒸汽在所述噴嘴處流到電弧室。在某些實施例中，坩堝中的開孔設置在使坩堝中的液體無法到達開孔的位置處。

Description

用於離子源的噴霧器

本發明是有關於一種與離子源一起使用的噴霧器，且特別是有關於一種可以各種取向佈置的噴霧器。

離子源用來生成用於執行各種半導體製程（例如，離子植入）的離子。在許多實施例中，摻雜劑物質常常是以氣體形式被引入到離子源的電弧室中。摻雜劑物質接著被激發，例如由已經通過電勢進行加速的高能電子進行激發或者由射頻（radio frequency，RF）能量進行激發，從而生成離子。這些離子接著以離子束的形式從電弧室被提取出。

在某些實施例中，摻雜劑物質可為固體形式，在將摻雜劑物質用於離子源的電弧室之前所述固體被汽化。舉例來說，可將固體材料設置在作為噴霧器的一部分的坩堝或管（tube）中。接著對所述坩堝進行加熱，例如通過外部加熱線圈進行加熱。蒸汽接著經由噴嘴逸出坩堝，並在噴嘴處被導向離子源的電弧室。在某些實施例中，坩堝可設置在離子源本身內。

與噴霧器相關的一個問題是冷凝。在對坩堝進行加熱時，設置在其中的固體材料達到足以產生所述固體材料所需要的蒸汽壓力的溫度。然而，當汽化的氣體逸出坩堝時，所述氣體可能會遇到溫度比坩堝內的溫度低的區。如果這一較低的溫度比含有摻雜劑的固體材料的溫度低，則蒸汽可能開始冷凝。冷凝會減少或者甚至阻止蒸汽流向離子源。

另外，在一些實施例中，噴霧器的噴嘴可定位成比噴霧器的其他部分低。換句話說，噴嘴的高度可低於噴霧器的其他部分。這在含有摻雜劑的物質為液體狀態時可能成問題。在某些應用中，含有摻雜劑的固體材料可具有比生成可用蒸汽壓力所需的溫度低的熔融溫度。在這種情形中，坩堝的溫度可能高於所述熔融溫度。在這種情形中，所述材料可能會熔融，且由液體產生蒸汽。這些液體可能會接著朝高度比管的那些其他部分低的噴嘴流動。這些液體可能會造成噴霧器堵塞。另外，液體可能會不期望地進入到離子源的電弧室。

綜上所述，當前噴霧器存在兩個主要缺陷。第一是噴霧器內的溫度梯度使噴霧器的某些部分比其他部分冷。這可能會造成噴霧器中的蒸汽的某些部分冷凝並阻擋剩餘蒸汽的流動。第二個問題是空間取向。如上所述，如果噴嘴的高度低於坩堝的其餘部分，則液體可能會朝噴嘴流動，從而造成堵塞。

因此，存在能夠解決與冷凝相關的這些問題的噴霧器將是有利的。這種噴霧器能夠在不存在冷凝材料流出噴霧器或堵塞的條件下以許多不同的取向進行佈置也將是有利的。

本發明公開一種具有若干新穎特徵以防止蒸汽冷凝及噴嘴堵塞的噴霧器。所述噴霧器被設計成使得當蒸汽從坩堝流到電弧室時，溫度沿著蒸汽所行進的路徑而升高。所述噴霧器使用將坩堝安裝在外殼體內的嵌套架構（nested architecture）。離開所述坩堝的蒸汽穿過開孔逸出，並沿著坩堝與外殼體之間的空間行進至噴嘴，蒸汽在噴嘴處流到電弧室。在某些實施例中，坩堝中的開孔設置在使坩堝中的液體無法到達開孔的位置處。

根據一個實施例，公開一種噴霧器。所述噴霧器包括：坩堝，在所述坩堝中可設置摻雜劑材料，所述坩堝具有穿過所述坩堝的側壁的開孔；外殼體，環繞所述坩堝；蒸汽通道，設置在所述外殼體與所述坩堝之間，其中所述開孔與所述蒸汽通道連通；以及氣體噴嘴，附裝到所述外殼體的一端且與所述蒸汽通道連通。在一些實施例中，所述開孔設置在使得所述坩堝中的液體無法到達所述開孔的位置處。在某些實施例中，蒸汽在從所述坩堝穿過所述開孔而進入所述蒸汽通道並到達所述氣體噴嘴的路徑中行進，且其中隨著所述蒸汽沿著從所述開孔到所述氣體噴嘴的所述路徑流動，溫度升高。在一些實施例中，襯墊設置在所述坩堝與所述外殼體之間以將所述坩堝與所述外殼體隔開。

根據另一實施例，公開一種噴霧器。所述噴霧器包括：坩堝，在所述坩堝中可設置摻雜劑材料；以及外殼體，環繞所述坩堝且具有氣體噴嘴；其中所述坩堝與所述外殼體熱隔絕。在一些實施例中，在所述坩堝中形成的蒸汽是在位於所述坩堝的外表面與所述外殼體的內表面之間的蒸汽通道中行進。在一些實施例中，所述坩堝包括穿過側壁的開孔，以使所述蒸汽通過所述開孔進入所述蒸汽通道中，其中所述開孔設置在高度等於或大於所述摻雜劑材料的高度的位置處。

根據又一實施例，公開一種噴霧器。所述噴霧器包括：坩堝，在所述坩堝中可設置摻雜劑材料，所述坩堝是圓柱形的，在兩端密封且具有穿過所述坩堝的側壁的開孔；外殼體，環繞所述坩堝，其中所述外殼體的本體是圓柱形的；以及蒸汽通道，設置在所述坩堝與所述外殼體之間，其中所述開孔與所述蒸汽通道連通；其中所述外殼體包括第一端及與所述第一端相對的第二端，氣體噴嘴附裝到所述外殼體的所述第一端且與所述蒸汽通道連通。在某些實施例中，所述噴霧器在離子源中被取向成使得所述第一端低於所述第二端，且其中所述開孔設置在所述第二端附近。在某些實施例中，所述噴霧器在離子源中被取向成使得所述第一端高於所述第二端，且其中所述開孔設置在所述第一端附近。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

如上所述，噴霧器用於對固體進行加熱以生成足夠的蒸汽壓力來使含有所需摻雜劑物質的固體材料的蒸汽可被引入到離子源的電弧室中。噴霧器通常包括：坩堝，用於容納固體材料；加熱元件，用於對坩堝進行加熱；以及噴嘴，蒸汽穿過所述噴嘴逸出噴霧器。

本噴霧器具備能夠以之前不可能實現的方式來減少可能的冷凝及堵塞的各種新穎特徵。

圖1示出根據一個實施例的噴霧器100的視圖。噴霧器100包括熱源110，所述熱源110用於向坩堝130供應熱量。熱源110可為電阻絲加熱器（resistive wire heater），其中電流流過電阻絲以使電阻絲被加熱。也可使用其他類型的熱源，例如但不限於加熱燈（heating lamp）。儘管圖1示出熱源110被設置成與噴霧器100的一側相鄰，然而也可存在其他實施例。舉例來說，在某些實施例中，熱源110可包繞整個噴霧器100，以在所有側上提供熱量。在其他實施例中，熱源110可嵌置在噴霧器100的外殼體120內。舉例來說，熱源110可為直接嵌置在外殼體120中的電阻絲加熱器。

坩堝130用於容納通常為固體形式的摻雜劑材料。坩堝130可由例如石墨、難熔金屬（refractory metal）或者陶瓷材料等任意適合的材料構成。坩堝130可具有兩元件式構造（two piece construction），使得坩堝130的兩個元件可分離以便能夠將固體摻雜劑材料放置在坩堝中。在已將固體摻雜劑材料放置在坩堝130內之後，接著將所述兩個組件接合在一起。作為例子，坩堝130可由具有一個閉合端及一個開口端的空心管與頂蓋組成。頂蓋及空心管可分別具有使這兩個元件能夠螺合在一起的螺紋，以形成兩端密封的坩堝130。

坩堝130設置在外殼體120內。外殼體120可由難熔金屬、石墨或陶瓷材料構成。在某些實施例中，坩堝130及外殼體120是圓柱形形狀，且共用一條共用主軸線，以使得坩堝130的外壁與外殼體120的內壁之間的間距在坩堝130的圓周周圍是恒定的。坩堝130的外壁與外殼體120的內壁之間的間距形成蒸汽通道125，蒸汽可穿過蒸汽通道125流動。

在某些實施例中，襯墊140用於將坩堝130在外殼體120內固定就位，從而界定蒸汽通道125。在一些實施例中，襯墊140設置在蒸汽通道125中並固定坩堝130，以使得坩堝130與外殼體120之間的蒸汽通道125可具有均勻的厚度。換句話說，襯墊140使得坩堝130與外殼體120同心。然而，在其他實施例中，襯墊140可被配置成使得圍繞圓周的蒸汽通道125的厚度不均勻。舉例來說，在其中蒸汽要流動的區中，蒸汽通道125可更寬。在某些實施例中，襯墊140可為環形的。如以下將更詳細地闡述，襯墊140可具有缺口、孔或開口以使蒸汽能夠通過蒸汽通道125。襯墊140可由例如石墨或難熔金屬等任意適合的材料構成。另外，在某些實施例中，襯墊140可用於使坩堝130與外殼體120更好地熱隔絕，以使得外殼體120的溫度將比坩堝130高。在這種情形中，襯墊可由導熱率低且熔點高的材料構成。適合的材料可包括氧化鋁或熔融二氧化矽（fused silica）。換句話說，在某些實施例中，襯墊140由熱絕緣材料構成。

在其他實施例中，坩堝130可在不使用襯墊的條件下設置在外殼體120內。舉例來說，坩堝130可相當緊地配合在外殼體120內部。在這個實施例中，可在外殼體120的內壁中生成通道。作為另外一種選擇，可在坩堝130的外壁中生成通道。通道可通過在元件生成之後將材料從外殼體120或坩堝130移除而生成。作為另外一種選擇，通道可在用於生成外殼體120或坩堝130的模具中由嵌件生成。

在這些實施例中的每一個中，形成在外殼體120或坩堝130中的通道用作蒸汽通道125。

在另一實施例中，坩堝130在兩端緊貼地配合在外殼體120內，以通過摩擦配合（friction fit）來維持坩堝130的側壁與外殼體120之間的間距。這一間距形成蒸汽通道125。

如圖5所示，外殼體120可連接到將噴霧器100附裝至離子源200的安裝基座150。舉例來說，電弧室210可位於離子源本體220頂上，包括噴霧器100在內的離子源的所有其他組件均安裝至離子源本體220。安裝基座150可使用金屬或另一種適合的材料構成。外殼體120的最靠近安裝基座150的一端可被密封。

外殼體120的與安裝基座150相對的一端可與氣體噴嘴160連通。在坩堝130中生成的蒸汽穿過氣體噴嘴160逸出噴霧器100。在一些實施例中，氣體噴嘴160可與離子源200的電弧室210連通。

圖2示出圖1所示坩堝130的視圖。如前面所述，襯墊140可圍繞坩堝130設置成使坩堝130與外殼體120隔開。儘管圖1及圖2示出兩個襯墊140，然而可使用任意數目的襯墊140，且本發明並不限制可佈置的襯墊140的數目。作為另外一種選擇，如上所述，在某些實施例中，不使用襯墊140。在坩堝130的側面中設置有開孔135。在某些實施例中，開孔135設置在坩堝130的圓柱形側壁上。然而，在其他實施例中，開孔135可設置在坩堝130的一端上。開孔135穿過坩堝130的壁並為蒸汽提供從坩堝130的內部到蒸汽通道125的通路。因此，在某些實施例中，坩堝130可為兩端密封的，其中唯一的開口是設置在坩堝130的圓柱形側壁上的開孔135。

在某些實施例（例如圖1所示實施例）中，襯墊140用於生成與開孔135及氣體噴嘴160連通的蒸汽通道125。在其他實施例中，蒸汽通道125是通過沿著外殼體120的內壁或坩堝130的外壁包括通道或缺口來生成。在這些實施例中，所述通道或缺口從開孔135延伸到氣體噴嘴160。

固體摻雜劑材料131設置在坩堝130內且通過過濾器132而與開孔135隔開。過濾器132可為石英棉（quartz wool）或另一種適合的材料。過濾器132用作使氣體能夠穿過，但阻止固體摻雜劑材料131穿過的過濾器。

上文已列舉出噴霧器100中的各種元件，現將參照圖1至圖2來闡述其操作。熱源110用於向外殼體120施加熱量，且在某些情形中，向氣體噴嘴160施加熱量。在對外殼體120進行加熱時，熱量也會被輻射到坩堝130。由於坩堝130通過襯墊140而與外殼體120隔開，因此坩堝以較低地速率受熱且可達到較低的最終溫度。隨著固體摻雜劑材料131受熱，會形成蒸汽。這些蒸汽穿過過濾器132並穿過開孔135逸出坩堝130。在某些實施例中，當噴霧器100安裝在離子源200中時，開孔135在坩堝130的側壁中設置成位於高於或等於固體摻雜劑材料的高度處。這樣一來，處於凝結相的摻雜劑材料將不會流出開孔135。

蒸汽接著在外殼體120與坩堝130之間沿著蒸汽通道125移動。由於這個蒸汽通道125與外殼體120相鄰，因此蒸汽通道125處於比坩堝130高的溫度。因此，可極大地降低冷凝的可能性。蒸汽接著穿過氣體噴嘴160逸出噴霧器100。再次，由於氣體噴嘴160比噴霧器100的其他部分更靠近離子源200的電弧室210，因此氣體噴嘴160的溫度將會更高，從而進一步降低冷凝的可能性。因此，隨著蒸汽朝離子源200的電弧室210移動，蒸汽所行進的路徑的溫度可升高。

應注意，蒸汽沿著蒸汽通道125移動，以到達氣體噴嘴160。為此，在某些實施例中，蒸汽穿過設置在蒸汽通道125中的襯墊140。為使蒸汽能夠通過，襯墊140可被設計成在其中具有一個或多個缺口、孔或開口。

圖4A示出根據一個實施例的襯墊140。這個襯墊140具有沿著襯墊140的外圓周設置的單個開口，所述開口呈缺口141的形式。在這個實施例中，所有的蒸汽均穿過這個缺口141來到達氣體噴嘴160。在某些實施例中，熱源110可沿著外殼體120的一側設置，從而使外殼體120的這一部分比其他部分熱。在這些實施例中，缺口141可設置在外殼體120的更熱的部分附近。儘管圖4A示出沿外圓周的缺口141，然而也可存在其他實施例。舉例來說，襯墊140可具有從中穿過的開口或孔。此外，缺口141可沿著襯墊140的內圓周設置。因此，襯墊140中的開口的類型或位置並不受本發明限制。

在其他實施例中，熱源110可包繞外殼體120。在這些實施例中，整個外殼體120可處於同一溫度或接近同一溫度。圖4B示出可與這種構型一起使用的襯墊145。襯墊145具有圍繞其外圓周設置的多個開口，以使蒸汽能夠穿過，所述多個開口呈缺口146的形式。同樣，可使用開口或孔來代替缺口146。此外，缺口146可沿著襯墊145的內圓周設置。

圖4C示出不具有缺口、孔或開口的襯墊148。這個襯墊148不允許蒸汽通過。以下會闡述其用途。

本文所述噴霧器100可以多種取向使用。圖3A示出噴霧器100處於其中氣體噴嘴以朝下的角度傾斜的取向。在圖3A至圖3C中，線300指向向上方向。當然，也可採用其他角度，且圖3A意在說明當氣體噴嘴160處於比坩堝130低的高度時噴霧器100的操作。

在這個實施例中，開孔135設置在更靠近設置有安裝基座150的一端處的側壁上。之所以選擇這個位置，是因為其比設置在坩堝130內的固體摻雜劑材料的水平高度高。開孔135的位置具有兩個方案。第一方案是開孔135在軸向（axial direction）上沿著側壁的位置。第二方案是開孔135沿著徑向（radial direction）的位置。在圖3A中，開孔135被示出為在軸向上位於安裝基座150附近且在徑向上設置在坩堝130的頂部附近。開孔135的這個位置為坩堝130中的蒸汽提供自然流動路徑，這是因為開孔135將不會被冷凝的摻雜劑材料阻塞。隨著摻雜劑材料汽化，蒸汽穿過過濾器132到達開孔135。一旦蒸汽逸出開孔135，其會沿蒸汽通道125、並穿過襯墊140中的開口朝氣體噴嘴160移動。由於電弧室210維持於非常低的壓力，因此蒸汽會被抽向氣體噴嘴160。

圖3B示出其中噴霧器100被安裝成使氣體噴嘴160垂直地指向上方的實施例。同樣，這個圖僅為說明性的且所述說明可應用於其中氣體噴嘴160向上傾斜的任意取向。

在這個實施例中，開孔135在軸向上設置在坩堝130的更靠近氣體噴嘴160的側壁上。這樣一來，蒸汽穿過過濾器132向上流動並穿過開孔135逸出。蒸汽接著朝低壓電弧室210流動。在這個實施例中，所使用的襯墊140可為圖4C中所示襯墊。這些襯墊148阻止蒸汽穿過蒸汽通道125流動並迫使蒸汽朝氣體噴嘴160向上流動。

圖3C示出其中噴霧器100是水平的第三取向。在這個取向中，開孔135在軸向上的位置可變化，這是因為所有位置均是處在同一高度。開孔135在徑向上可處於最高點處。儘管開孔135的位置可變化，然而在某些實施例中，開孔135設置在坩堝130的兩端中的一端處。這兩個位置使得能夠在坩堝130中設置最大量的固體摻雜劑材料131且使得能夠方便地放置過濾器132。然而，選擇這兩個位置中的哪一個位置可取決於實作方式。

如果開孔135設置在安裝基座150附近，如圖3C所示，則襯墊140中的開口可沿蒸汽通道125的頂部部分設置。這在出現冷凝時會進一步降低堵塞的可能，這是因為冷凝物將朝蒸汽通道125的下部部分流動。

本申請中的上述實施例可具有許多優點。在這些實施例中的每一個中，可發現幾種共性。

首先，在所有這些實施例中，坩堝130中的開孔135均設置在液體無法輕易到達的位置處。換句話說，即使在坩堝130內形成液體，液體也無法到達開孔135並流入蒸汽通道125中（否則液體可能堵塞此通路（passageway））。這樣一來，會大大降低堵塞的風險。

第二，在這些實施例中的每一個中，蒸汽的路徑均使得溫度隨著蒸氣沿著所述路徑流動而升高。如上所述，坩堝130與外殼體120熱隔絕，且因此坩堝的溫度低於外殼體。隨著蒸汽逸出坩堝130，蒸汽進入與外殼體120相鄰的蒸汽通道125，且因此溫度高於坩堝130。此外，隨著蒸汽朝氣體噴嘴160移動，蒸汽會進一步受熱，這是因為氣體噴嘴160也受到電弧室210加熱。因此，會極大地降低沿著從坩堝130到電弧室210的路徑出現冷凝的風險。

第三，坩堝130可以不同的構型安裝在外殼體120中。舉例來說，坩堝130可被安裝成使得開孔135更靠近氣體噴嘴160或更靠近安裝基座150。重新配置開孔135的能力使得噴霧器100能夠設置在多個取向上，包括垂直、水平、向上傾斜及向下傾斜。另外，在這些取向中的每一個中，堵塞及冷凝的風險均被最小化。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧噴霧器110‧‧‧熱源120‧‧‧外殼體125‧‧‧蒸汽通道130‧‧‧坩堝131‧‧‧固體摻雜劑材料132‧‧‧過濾器135‧‧‧開孔140、145、148‧‧‧襯墊141、146‧‧‧缺口150‧‧‧安裝基座160‧‧‧氣體噴嘴200‧‧‧離子源210‧‧‧電弧室/低壓電弧室220‧‧‧離子源本體300‧‧‧線

圖1是根據一個實施例的噴霧器。 圖2是圖1所示坩堝的放大圖。 圖3A至圖3C示出以不同取向佈置的圖1所示噴霧器。 圖4A至圖4C示出圖1所使用的襯墊的不同構型。 圖5示出佈置在離子源中的圖1所示噴霧器。

100‧‧‧噴霧器

110‧‧‧熱源

120‧‧‧外殼體

125‧‧‧蒸汽通道

130‧‧‧坩堝

132‧‧‧過濾器

135‧‧‧開孔

140‧‧‧襯墊

150‧‧‧安裝基座

160‧‧‧氣體噴嘴

Claims (13)

1. 一種噴霧器，包括：坩堝，在所述坩堝中能夠設置摻雜劑材料，所述坩堝具有穿過所述坩堝的側壁的開孔；外殼體，環繞所述坩堝；蒸汽通道，設置在所述外殼體與所述坩堝之間，其中所述開孔與所述蒸汽通道連通；氣體噴嘴，附裝到所述外殼體的一端且與所述蒸汽通道連通；以及襯墊，所述襯墊設置在所述坩堝與所述外殼體之間以將所述坩堝與所述外殼體隔開。
2. 如申請專利範圍第1項所述的噴霧器，更包括嵌置在所述外殼體中的熱源。
3. 如申請專利範圍第1項所述的噴霧器，其中所述開孔設置在使得所述坩堝中的液體無法到達所述開孔的位置處。
4. 如申請專利範圍第1項所述的噴霧器，其中蒸汽在從所述坩堝穿過所述開孔而進入所述蒸汽通道並到達所述氣體噴嘴的路徑中行進，且其中隨著所述蒸汽沿著從所述開孔到所述氣體噴嘴的所述路徑流動，溫度升高。
5. 如申請專利範圍第1項所述的噴霧器，其中所述襯墊設置在所述氣體噴嘴與所述開孔之間，且所述襯墊包括使蒸汽能夠通過的開口。
6. 如申請專利範圍第1項所述的噴霧器，其中所述坩堝與所述外殼體熱隔絕。
7. 如申請專利範圍第6項所述的噴霧器，其中在所述坩堝中形成的蒸汽是在位於所述坩堝的外表面與所述外殼體的內表面之間的所述蒸汽通道中行進。
8. 如申請專利範圍第7項所述的噴霧器，其中所述蒸汽通過所述開孔進入所述蒸汽通道中。
9. 如申請專利範圍第8項所述的噴霧器，其中所述開孔設置在高度等於或大於所述摻雜劑材料的高度的位置處。
10. 一種噴霧器，包括：坩堝，在所述坩堝中能夠設置摻雜劑材料，所述坩堝是圓柱形的，在兩端密封且具有穿過所述坩堝的側壁的開孔；外殼體，環繞所述坩堝，其中所述外殼體的本體是圓柱形的；蒸汽通道，設置在所述坩堝與所述外殼體之間，其中所述開孔與所述蒸汽通道連通；其中所述外殼體包括第一端及與所述第一端相對的第二端，氣體噴嘴附裝到所述外殼體的所述第一端且與所述蒸汽通道連通；以及襯墊，所述襯墊設置在所述坩堝與所述外殼體之間以將所述坩堝與所述外殼體隔開。
11. 如申請專利範圍第10項所述的噴霧器，其中所述噴霧器在離子源中被取向成使得所述第一端低於所述第二端，且其中所述開孔設置在所述第二端附近。
12. 如申請專利範圍第10項所述的噴霧器，其中所述噴霧器在離子源中被取向成使得所述第一端高於所述第二端，且其中所述開孔設置在所述第一端附近。
13. 如申請專利範圍第10項所述的噴霧器，其中所述襯墊設置在所述氣體噴嘴與所述開孔之間，且所述襯墊包括使蒸汽能夠通過的開口。

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