TWI820806B

TWI820806B - 離子源以及用於間接加熱陰極離子源的成型排斥極

Info

Publication number: TWI820806B
Application number: TW111127233A
Authority: TW
Inventors: 艾力克斯恩德Ｓ培爾; 傑Ｓ強森; 蘇倫瑪德特斯; 亞當Ｍ麥勞克林; 格拉漢萊特
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2023-11-01
Also published as: TW202403814A; WO2023009287A1; KR20240036080A; CN117616537A; US11251010B1; TW202305857A

Abstract

揭露一種用於延長間接加熱陰極(IHC)離子源中的排斥極壽命的系統。所述系統包括一種其中排斥極的背表面已被成型為減少電短路可能性的IHC離子源。與排斥極的中心附近的分離距離相比，排斥極的背表面與排斥極後面的腔室壁之間的分離距離沿其外邊緣增大。此分離距離會降低所沉積材料將剝落並使排斥極短接到腔室壁的可能性。此外，在某些實施例中，排斥極的背表面與排斥極的中心附近的腔室壁之間的分離距離保持不變，以使從腔室排出的氣流最小化。排斥極的背表面可為錐形的、階梯式的或弧形的，以實現這些標準。

Description

離子源以及用於間接加熱陰極離子源的成型排斥極

本申請主張在2021年7月27日提出申請的序號為17/443,684的美國專利申請的優先權，所述美國專利申請的揭露內容全文併入本文供參考。

本發明闡述用於延長離子源中的排斥極(repeller)壽命的系統，且更具體來說，闡述將排斥極的背表面成型為降低電短路(electrical shorting)的可能性。

半導體裝置是使用多個製程來製作，其中一些製程將離子植入到工件中。可用於產生離子的一種機制是間接加熱陰極(indirectly heated cathode，IHC)離子源。IHC離子源包括設置在陰極後面的絲極(filament)。陰極可維持在比絲極正值更大的電壓。當電流通過絲極時，絲極發射熱離子電子(thermionic electron)，所述熱離子電子朝向被充電到更大正值的陰極而加速。這些熱離子電子用於對陰極進行加熱，轉而導致陰極將電子發射到離子源的腔室中。陰極設置在腔室的一端處。排斥極通常與陰極相對地設置在腔室的第二端上。排斥極可維持在與腔室壁不同的電壓或者電浮動(electrically floating)。

隨著時間的推移，來自排斥極的材料可能沉積在離子源腔室中的排斥極後面的表面上。隨著此種所沉積材料變得越來越厚，其可能會開始剝落。此種剝落的材料可能使得排斥極與排斥極後面的表面之間發生電接觸，從而導致短路(short circuit)。此種現象會影響離子源的壽命期(lifetime)。

因此，如果存在一種可通過減少排斥極附近的電短路的可能性來延長離子源壽命的排斥極，則將是有益的。此外，如果此系統可容易地用於現有的IHC離子源，則將是有利的。

揭露一種用於延長IHC離子源中的排斥極壽命的系統。所述系統包括一種其中排斥極的背表面已被成型為減少電短路的可能性的IHC離子源。與排斥極的中心附近的分離距離相比，排斥極的背表面與排斥極後面的腔室壁之間的分離距離沿其外邊緣增大。此分離距離會降低所沉積材料將剝落並使排斥極短接到腔室壁的可能性。此外，在某些實施例中，排斥極的背表面與排斥極的中心附近的腔室壁之間的分離距離保持不變，以使從腔室排出的氣流最小化。排斥極的背表面可為錐形的(tapered)、階梯式的(stepped)或弧形的(arced)，以實現這些標準。

根據一個實施例，揭露一種離子源。所述離子源包括：腔室，包括多個壁；陰極，設置在腔室的一端上；排斥極，設置在腔室的第二端上，排斥極包括排斥極杆(repeller stem)及排斥極頭(repeller head)，排斥極杆通過第二端中的開口，排斥極頭設置在腔室內且附接到排斥極杆；其中排斥極頭的背表面具有穹頂形狀(dome shape)。在某些實施例中，背表面與排斥極頭後面的表面之間的最小距離為0.05英寸或小於0.05英寸。在一些實施例中，沿排斥極頭的外邊緣測量的排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面之間的外分離距離比最小距離大至少0.100英寸。在某些實施例中，外分離距離比最小距離大至少0.150英寸。在一些實施例中，排斥極頭與第二端之間設置有襯墊，且最小距離及外分離距離是從排斥極頭的背表面到襯墊的暴露表面而測量。在某些實施例中，排斥極杆與所述開口之間界定有間隙，且其中背表面與排斥極頭後面的表面之間的最小距離小於或等於所述間隙的寬度。在一些實施例中，中間分離距離被定義為在作為排斥極頭的外邊緣與開口的外邊緣之間的中點的位置處，排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面之間的距離；並且中間分離距離比排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面之間的最小距離大至少75%。

根據另一實施例，揭露一種離子源。所述離子源包括：腔室，包括多個壁；陰極，設置在腔室的一端上；排斥極，設置在腔室的第二端上，排斥極包括排斥極杆及排斥極頭，所述排斥極杆通過第二端中的開口，排斥極頭設置在腔室內且附接到排斥極杆；其中排斥極頭的背表面被成型為使得沿排斥極頭的外邊緣測量的排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面之間的外分離距離大於在排斥極頭的中心處測量的排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面之間的內分離距離。在某些實施例中，背表面為錐形的。在一些實施例中，背表面為階梯式的。在某些實施例中，背表面為穹頂狀的。在一些實施例中，外分離距離比內分離距離大至少0.100英寸。在一些實施例中，外分離距離比內分離距離大至少0.150英寸。在某些實施例中，排斥極頭與第二端之間設置有襯墊，且內分離距離及外分離距離是從排斥極頭的背表面到襯墊的暴露表面而測量。在一些實施例中，內分離距離是排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面之間的最小距離。在某些實施例中，排斥極杆與所述開口之間界定有間隙，且其中內分離距離小於或等於間隙的寬度。在一些實施例中，中間分離距離被定義為在作為排斥極頭的外邊緣與所述開口的外邊緣之間的中點的位置處，排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面之間的距離；並且中間分離距離比內分離距離大至少75%。

根據另一實施例，揭露一種用於離子源中的排斥極。所述排斥極包括：排斥極杆；以及排斥極頭，具有比排斥極杆大的直徑，且附接到排斥極杆；其中排斥極頭的背表面具有穹頂形狀。

1:離子

10:IHC離子源

100:腔室

101:壁

103:提取板

104:第一端

105:第二端

106:氣體入口

110:陰極

111:電弧電壓電源

115:陰極偏壓電源

120:排斥極

121:排斥極杆

122、301、311、321:排斥極頭

123:排斥極電源

127:開口

128:襯墊

140:提取開孔

160:絲極

165:絲極電源

170:提取電源

180:控制器

190:磁場

200:電極

210:質量分析器

220:質量解析裝置

221:解析開孔

230:準直器

240:加速/減速級

260:台板

300:第一成型排斥極

310:第二成型排斥極

320:第三成型排斥極

330:內分離距離

335:外分離距離

338:中心軸線

339:中間分離距離

為了更好地理解本發明，參考其中利用相同編號引用相同元件的附圖，且在附圖中：

圖1是示出根據一個實施例的IHC離子源的方塊圖。

圖2是使用圖1所示IHC離子源的離子植入系統的方塊圖。

圖3A到圖3C示出根據三個不同實施例的成型排斥極(shaped repeller)。

圖1示出克服這些問題的IHC離子源10。IHC離子源10包括腔室100，腔室100包括兩個相對的端(第一端104與第二端105)以及連接到這兩個端的壁101。這些壁101包括側壁、提取板(extraction plate)103及與提取板103相對的底壁。提取板103包括提取開孔(extraction aperture)140，離子經由提取開孔140被提取。腔室100的壁101及端可由導電材料構造而成，且可彼此電連通。在腔室100中在腔室100的第一端104處設置有陰極110。在陰極110後面設置有絲極160。絲極160與絲極電源165連通。絲極電源165被配置成使電流通過絲極160，進而使得絲極160發射熱離子電子。陰極偏壓電源(cathode bias power supply)115相對於陰極110對絲極160施加負的偏壓，因此這些熱離子電子從絲極160被朝向陰極110加速，且當其撞擊陰極110的背表面時對陰極110進行加熱。陰極偏壓電源115可對絲極160施加偏壓，以使得絲極160的電壓比陰極110的電壓負例如200V至1500V之間。然後，陰極110從其前表面向腔室100中發射熱離子電子。

因此，絲極電源165向絲極160供應電流。陰極偏壓電源115對絲極160施加偏壓，以使得絲極160比陰極110的負值更大，從而使得電子從絲極160被朝向陰極110吸引。陰極110與電弧電壓電源(arc voltage power supply)111連通。電弧電壓電源111相對於腔室100向陰極供應電壓。此電弧電壓使在陰極處發射的熱離子電子加速進入到電弧腔室中，以使中性氣體電離。由此電弧電壓電源111汲取的電流是被驅動通過電漿的電流量的度量。在某些實施例中，壁101為其他電源提供地參考(ground reference)。

在腔室100中與陰極110相對地在腔室100的第二端105上設置有排斥極120。儘管也可使用其他材料，然而排斥極120可由鎢構造而成。排斥極120可包括排斥極杆121及排斥極頭122。排斥極杆121通過腔室100的第二端105中的開口127。開口127的直徑大於排斥極杆121的直徑。此外，在排斥極杆121與開口127的內徑之間可存在間隙，以使電弧放電(arcing)的風險最小化。在某些實施例中，開口127的半徑可比排斥極杆121的半徑大約0.05英寸。在某些實施例中，此種半徑差在無電弧放電的情況下保持盡可能小，此乃因來自腔室100內的氣體可經由排斥極杆121與開口127之間的間隙逸出。

排斥極頭122的直徑大於排斥極杆121的直徑。在某些實施例中，排斥極頭122可具有處於0.60英寸與1.00英寸之間的直徑。排斥極120可與排斥極電源123電連通。在其他實施例中，排斥極120可為電浮動的，其中排斥極120不連接到任何電源或地。在其他實施例中，排斥極120可連接到電弧電壓電源111。

顧名思義，排斥極120用於將從陰極110發射的電子排斥回腔室100的中心。舉例來說，在某些實施例中，排斥極120可相對於腔室100被施加為負電壓的偏壓以排斥電子。舉例來說，在某些實施例中，排斥極120相對於腔室100被施加處於0V與-150V之間的偏壓。

在一些實施例中，第二端105上可設置有襯墊128。襯墊128可由鎢或另一種適合的材料製成。在其他實施例中，不使用襯墊128。襯墊128具有暴露於腔室100內部的暴露表面及面對第二端105的隱藏表面。

在某些實施例中，在腔室100中產生磁場190。此磁場旨在沿一個方向來局限電子。磁場190通常平行於壁101從第一端104延伸到第二端105。舉例來說，電子可被局限在與從陰極110到排斥極120的方向(即，y方向)平行的列中。因此，電子在y方向上移動不會經受電磁力。然而，電子在其他方向的移動可能經受電磁力。

一種或多種氣體可經由氣體入口106進入腔室100。

提取電源170可用於使IHC離子源10相對於束線(beam line)中的其餘分量而被施加偏壓。舉例來說，台板(platen)260(參見圖2)可處於第一電壓(例如地)，同時正電壓被施加至IHC離子源10，進而使得IHC離子源10被施加比台板260負值更大的偏壓。因此，由提取電源170供應的電壓(稱為提取電壓)決定從IHC離子源10提取的離子的能量。此外，由提取電源170供應的電流是總提取束電流的度量。

在某些實施例中，在陰極偏壓電源115與提取電源170之間存在反饋回路(feedback loop)。具體來說，可能期望將所提取的束電流維持在恒定值。因此，可監控從提取電源170供應的電流，且可調節陰極偏壓電源115的輸出，以維持恒定的提取電流。此反饋回路可由控制器180實行，或者可以另一種方式實行。

控制器180可與一個或多個電源連通，進而使得由這些電源供應的電壓或電流可被監控和/或修改。控制器180可包括處理單元，例如微控制器、個人電腦、專用控制器或另一種適合的處理單元。控制器180還可包括非暫時性記憶元件，例如半導體記憶體、磁記憶體或另一種適合的記憶體。此種非暫時性記憶元件可包含使得控制器180能夠實行本文中所述功能的指令及其他資料。舉例來說，控制器180可與陰極偏壓電源115連通，以使得IHC離子源10能夠相對於絲極160改變施加到陰極的電壓。控制器180也可與排斥極電源123連通，以對排斥極施加偏壓。此外，控制器180可能夠監控由陰極偏壓電源115供應的電壓、電流和/或功率。

圖2示出使用圖1所示IHC離子源10的離子植入系統。在IHC離子源10的提取開孔外部且在提取開孔鄰近處設置有一個或多個電極200。

質量分析器210位於電極200的下游。質量分析器210使用磁場來引導所提取的離子1的路徑。磁場根據離子的質量及電荷來影響離子的遷移路徑(flight path)。質量分析器210的輸出或遠端處設置有具有解析開孔(resolving aperture)221的質量解析裝置(mass resolving device)220。通過恰當地選擇磁場，只有具有所選擇質量及電荷的那些離子1將被引導通過解析開孔221。其他離子將撞擊質量解析裝置220或者質量分析器210的壁，而將不會在系統中作出任何進一步的行進。

準直器230可設置在質量解析裝置220的下游。準直器230接受通過解析開孔221的離子1，並產生由多個平行或幾乎平行的細束(beamlet)形成的帶狀離子束(ribbon ion beam)。質量分析器210的輸出或遠端與準直器230的輸入或近端可相隔固定的距離。質量解析裝置220設置在這兩個元件之間的空間中。

加速/減速級(acceleration/deceleration stage)240可位於準直器230的下游。加速/減速級240可稱為能量純度模組(energy purity module)。能量純度模組是被配置成獨立地控制離子束的偏轉、減速及聚焦的束線透鏡組件。舉例來說，能量純度模組可為垂直靜電能量篩檢程式(vertical electrostatic energy filter，VEEF)或靜電篩檢程式(electrostatic filter，EF)。台板260可位於加速/減速級240的下游。在處理期間，工件設置在台板260上。

如上所述，在某些實施例中，來自排斥極120的材料可沉積在排斥極120後面的表面上，所述表面可為第二端105或者襯墊128的暴露表面。舉例來說，正離子可撞擊排斥極頭122的外邊緣，從而導致材料從排斥極頭122濺射。此材料可沉積在第二端105或襯墊128上。作為另外一種選擇或者另外，氟化氣體(例如BF₃)可與排斥極頭122發生化學反應，從而促進WF₆的形成。此種氣體可能在第二端105或襯墊128上凝結，從而在這些表面上沉積鎢。

不受特定理論的約束，據信沿排斥極頭122的外邊緣來增大排斥極頭122的背表面與排斥極後面的表面(即，第二端105或者襯墊128的暴露表面)之間的外分離距離可降低排斥極頭122與此表面之間發生短路的可能性。然而，在排斥極頭122的中心附近保持較小的內分離距離可為有利的。

由於在與排斥極120的中心軸對齊的第二端105中設置有開口127，因此所述內分離距離是在排斥極頭的背表面與排斥極頭後面的表面(其可為第二端105或者襯墊128的暴露表面)的平面之間測量。此外，由於排斥極杆121在中心軸線338處附接到排斥極頭，因此內分離距離可被定義為沿中心軸測量的排斥極頭的背表面與排斥極後面的表面的平面之間的最小距離。此種較小的內分離距離可有助於使經由開口127逸出的氣流最小化。此外，如果在較小的內分離距離與外分離距離之間存在過渡，則可為有利的。

圖3A到圖3C各自示出具有這些屬性的排斥極設計。在這些實施例中的每一者中，排斥極頭可為具有前表面及成型背表面的圓柱形。如從中心軸線338測量，所述圓柱體可具有處於0.3英寸與0.6英寸之間的半徑。中心軸線338通過排斥極頭的中心並通過排斥極杆121。

作為另外一種選擇，排斥極頭可具有不同的形狀，例如矩形棱柱。在此種情形中，排斥極頭的中心軸被定義為從排斥極頭的前表面通過排斥極杆的線，所述線與矩形排斥極頭的每一邊緣的中點等距。

在所有實施例中，排斥極頭的背表面附接到通過第二端105中的開口127的排斥極杆121。此種附接可沿中心軸線338進行，且可為壓配合(press fit)，或者排斥極頭與排斥極杆121可為單式部件(unitary part)。排斥極頭的前表面可為平的(flat)，或者為另一適合的形狀，例如凹的(concave)。儘管也可使用其他尺寸，然而如沿中心軸線338測量，排斥極頭可具有處於0.125英寸與0.300英寸之間的厚度。排斥極頭在外邊緣處較薄。如上所述，在一些實施例中，在排斥極頭與第二端105之間抵靠第二端105可設置有襯墊128。

圖3A示出第一成型排斥極300。在此實施例中，排斥極頭301的背表面為凸的(convex)，進而使得背表面具有穹頂形狀。端視排斥極頭的半徑及穹頂的所期望高度，背表面的曲率可具有處於0.250英寸與0.350英寸之間的半徑。在排斥極頭301的與中心軸線338對準的中心處，存在內分離距離330。此內分離距離330是排斥極頭301的背表面與排斥極頭後面的表面之間的最小分離距離。在排斥極頭301的外邊緣處，在排斥極頭301與排斥極頭301後面的表面之間存在外分離距離335。在某些實施例中，排斥極頭301的沿中心軸線338的最大厚度可處於0.200英寸與0.300英寸之間。

圖3B示出第二成型排斥極310。在此實施例中，排斥極頭311的背表面為錐形的，進而使得排斥極頭的如從中心軸線338測量的半徑隨著遠離排斥極杆121移動而增大。如圖3B中所示，增大的速率可為線性的。舉例來說，錐形的斜率可被定義為外分離距離與內分離距離之間的差除以排斥極頭311的半徑的一半。此種計算假定排斥極頭311存在以下部分：在所述部分中，從中心軸線338向外到與排斥極頭311半徑一半相等的距離為止，所述內分離距離為恒定的。如果排斥極頭311的具有所述內分離距離的部分的大小不同，則相應地修改以上計算。儘管圖3B示出線性斜率，然而增大的速率可能不是線性的。

圖3C示出第三成型排斥極320。在此實施例中，在排斥極頭321的背表面上存在一個或多個臺階(step)，從而界定兩個或更多個分離距離。舉例來說，對於小於第一值的半徑，可存在第一分離距離。對於大於第一值且小於第二值的半徑，可存在大於第一分離距離的第二分離距離。舉例來說，圖3C示出對於小於特定值的半徑，第一分離距離等於內分離距離330。對於大於第一值的半徑，第二分離距離可等於外分離距離。應注意，儘管在圖3C中示出一個臺階，然而也可使用任意數目的臺階。舉例來說，可存在附加的臺階，以使得排斥極頭的一部分位於作為內分離距離與外分離距離之間的值的分離距離處。

內分離距離可定義排斥極頭與排斥極頭後面的表面之間的最小分離距離。此最小分離距離可存在於與排斥極杆121相鄰的區中。通過此種方式，沿從腔室內部到開口127的路徑行進的氣體通過具有此內分離距離的通道(pathway)。這會增大此通道的阻力，從而減少經由開口127逸出的氣體量。在某些實施例中，內分離距離不大於排斥極杆與開口127的內徑之間的間隙的寬度。因此，如果當排斥極杆通過開口127時，在排斥極杆121的外邊緣與開口127的內徑之間存在0.050英寸的間隙，則內分離距離也可為0.050英寸或小於0.050英寸。在其他實施例中，所述間隙可小於0.075英寸，且內分離距離也可為0.075英寸或小於0.075英寸。

在某些實施例中，外分離距離與內分離距離之間的差可為至少0.100英寸。舉例來說，如果如上所述，內分離距離為0.050英寸，則外分離距離可為至少0.150英寸。在其他實施例中，外分離距離與內分離距離之間的差可為至少0.150英寸。在此實施例中，如果內分離距離為0.050英寸，則外分離距離可為至少0.200英寸。

在某些實施例中，外分離距離與內分離距離之間的差可表達為比率。舉例來說，外分離距離與內分離距離的比率可至少為3。在某些實施例中，所述比率可至少為4。

在某些實施例中，當背表面從內分離距離過渡到外分離距離時，可產生所述背表面的輪廓，以使排斥極的壽命期優化。舉例來說，在一個實施例中，背表面可全無任何尖銳邊緣(sharp edge)。尖銳邊緣被定義為兩個平面相交的直線。通過對這些邊緣進行修圓，可減少產生電弧的傾向。

在某些實施例中，背表面從內分離距離過渡到外分離距離的速率可有助於改善排斥極的壽命期。舉例來說，在某些實施例中，在與排斥極頭的外邊緣和開口127的外邊緣之間的中點相等的距離處測量的分離距離可稱為中間分離距離339。在某些實施例中，中間分離距離339可大於內分離距離330。在一些實施例中，中間分離距離339可比內分離距離330大至少0.035英寸。在一些實施例中，中間分離距離339可比內分離距離330大至少75%。在其他實施例中，中間分離距離339可為內分離距離330的至少兩倍。

本系統及方法具有許多優點。通常，IHC離子源通常由於腔室的壁與排斥極之間的電短路而失效。這是由於先前沉積在腔室壁上的材料的剝落而造成。當材料開始剝落時，剝落物同時接觸排斥極頭與腔室壁。在一個使用氟化氣體(例如BF₃)的測試中，排斥極在少於300小時內電短接到腔室壁。然而，當採用例如圖3A中所示成型排斥極頭時，在排斥極頭不發生電短路的情況下，離子源的操作時間延長了大於50%。此外，在某些實施例中，排斥極頭通常在中心(在中心軸線338附近)比沿外邊緣腐蝕得更快。因此，通過具有沿中心軸的厚度大於外邊緣附近的厚度的排斥極頭，可增加排斥極頭的壽命期。

本發明的範圍不受本文所述具體實施例限制。實際上，通過閱讀以上說明及附圖，對所屬領域中的普通技術人員來說，除本文所述實施例及修改以外，本發明的其他各種實施例及對本發明的各種修改也將顯而易見。因此，這些其他實施例及修改都旨在落在本發明的範圍內。此外，儘管本文中已針對特定目的而在特定環境中在特定實施方案的上下文中闡述了本發明，然而所屬領域中的普通技術人員將認識到，本發明的效用並非僅限於此，而是可針對任何數目的目的在任何數目的環境中有益地實施本發明。因此，應考慮到本文所述本發明的全部範圍及精神來理解以上提出的申請專利範圍。