用于离子源的四极管提取设备的制作方法

相关申请的引用

本申请要求2018年12月20日提交的名称为“用于离子源的四极管提取设备”的美国申请第16/227，296号的权益，其内容以全文引用的方式并入本文。

本发明大体上涉及离子注入系统，并且更具体地涉及具有用于高电流离子注入机的离子源的具有接地-抑制-接地电极的四极管提取设备。

背景技术：

在半导体器件和其他离子相关产品的制造中，离子注入系统用于将掺杂剂元素赋予半导体晶片、显示面板或其他类型的工件中。典型的离子注入系统或离子注入机利用已知的配方或工艺用离子束撞击工件，以产生n型或p型掺杂区，或在工件中形成钝化层。当用于掺杂半导体时，离子注入系统注入选择的离子种类以产生所需的外部材料。典型地，掺杂剂原子或分子被离子化和隔离，有时加速或减速，形成射束，并且注入工件中。掺杂剂离子经物理轰击并进入工件的表面，并且随后以其晶格结构停留在工件表面下方。

在传统的离子注入系统中，所谓的“三极管”设计用于从离子源提取离子束，由此抑制电极和接地电极位于离子源的开口的前面以提取离子束。离子束随后由amu或质量分析器磁体分析。然而，随着高提取电流(例如，所谓的“高电流注入机”)，离子束将具有由于空间电荷而膨胀或“放大”的趋势，借此离子束的个别离子倾向于彼此排斥。例如，当提取正离子束时，由于静电排斥或空间电荷，正离子彼此排斥。典型地，也存在残余气体，因此产生倾向于中和射束的二次电子。然而，在提取区域中，这些二次电子由于强静电场而被去除，从而防止射束被中和。因此，离子束变得越来越大，直到整个离子束不再能够通过质量分析器磁体传输，并且在离子束的顶部和底部处被夹住。

与利用三极管设计来提取离子束相反，可以利用“四极管”设计，由此实现更大程度的灵活性。首先参考图1，示出了常规的四极管提取组件10，如美国专利6，559，454中所公开的。四极管提取组件10包括壳体15，壳体15具有安装到其上的弧形腔室20a。衬套20b用作绝缘体，以将等离子体源20与壳体15的其余部分隔离。形成在弧形腔室20a中的离子通过源20的正面中的出口孔21从等离子体源20中提取，其中在等离子体源20的源电位处限定源电极22。提取电极23、抑制电极24和接地电极25(在下文中分别称为e-s-g)中的每一个包括导电板，所述导电板具有穿过其中的相应孔，以允许离子束30从离子源组件10穿过而出。

例如，对于正离子束30，离子源20被偏置到大的正电位(10-90kv)，由此大体上确定离子束30的最终能量。提取电极23被负偏置到与源电极22相关联的源电位，以从等离子体源20提取离子，并且抑制电极24相对于接地电极25被负偏置，以防止接地电极下游的电子回流到等离子体源，并且因此保持射束中和。提取电极23典型地通过绝缘体44安装在等离子体源20的臂43上，并且相对于等离子体源利用电源偏置。

常规的四极管提取组件10使用三个电源(未示出)和相应的馈通件(未示出)来分别为源电极22、提取电极23和抑制电极24供电，由此可以经历涂层和/或电短路。此外，常规离子源组件10可遭受与提取电极相关联的绝缘体44的涂层或绝缘体之间的其它电短路。另外，分别具有与源电极22、提取电极23、抑制电极24和接地电极25相关联的四个孔，与所有四个孔的对准相关的各种问题可能是有问题的。

技术实现要素：

本发明通过用于高电流离子注入系统提供有效的提取电极系统克服了现有技术的限制。因此，以下呈现了本发明的简化概述，以便提供对本发明的一些方面的基本理解。该概述不是本发明的广泛概述。它既不旨在标识本发明的关键或重要元素，也不旨在描绘本发明的范围。其目的是以简化形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

根据本发明的一个示例性方面，提供了一种用于离子源的电极系统，其中所述电极系统包括与离子源相关联的源电极。源电极在离子源腔室的外壁中大体上限定源孔径，其中源孔径被配置为电性耦接至源电源。第一接地电极定位于靠近源电极，其中第一接地电极大体限定第一接地孔径。第一接地电极电性耦接至电接地电位，且经配置以沿着射束线从离子源提取离子。抑制电极沿着射束线定位在第一接地电极的下游，其中抑制电极大体上限定抑制孔径。例如，抑制电极被配置为电性耦接至抑制电源。

第二接地电极进一步沿着射束线定位在抑制电极的下游。第二接地电极大体上限定第二接地孔径，其中在一个示例中，第一接地电极和第二接地电极固定地彼此耦接并且电性耦接至电接地电位。

在一个示例中，源电极通过源间隙与第一接地电极电隔离。例如，源电源被配置为向源电极供应相对于接地电位为正的源电压。例如，抑制电源可以被配置为相对于接地电极向抑制电极施加负电位。

在另一示例中，一个或多个接地杆将第一接地电极固定地耦接到第二接地电极。例如，一个或多个接地杆是导电的并且将第一接地电极电性耦接至第二接地电极。在另一示例中，接地元件电性耦接至第一接地电极和第二接地电极中的一个或多个，其中接地元件将第一接地电极和第二接地电极电性耦接至电接地。例如，接地元件可以包括电线、电缆和杆中的一个或多个。

在另一示例中，第一接地电极、抑制电极和第二接地电极固定地彼此耦接，其中抑制电极与第一接地电极和第二接地电极电绝缘。例如，第一接地电极、抑制电极和第二接地电极大体上可以限定提取操纵器，其中提取操纵器被配置为至少在相对于所述源的一个或多个方向上平移。

根据另一示例性方面，提供了一种用于离子注入系统的离子源，其中弧形腔室具有内部区域，并且其中弧形腔室被配置为形成包含正离子的等离子体。源电极大体上在弧形腔室的外壁中限定源孔径并且大体上包围弧形腔室的内部区域，其中源孔径被配置为电性耦接至源电源。例如，第一接地电极定位于源电极附近，其中第一接地电极大体上限定第一接地孔径，并且其中第一接地电极电性耦接至电接地电位并且被配置为沿着射束线从离子源提取正离子。抑制电极还沿着射束线定位在第一接地电极的下游，其中抑制电极大体上限定抑制孔径，并且其中抑制电极被配置为电性耦接至抑制电源。例如，第二接地电极沿着射束线定位在抑制电极的下游，其中第二接地电极大体上限定第二接地孔径，并且其中第一接地电极和第二接地电极固定地彼此耦接并且电性耦接至电接地电位。

根据又一示例性方面，提供了一种离子注入系统，其中，所述离子注入系统包括被配置为形成等离子体的离子源，如上述示例中的任一个示例。离子注入系统还包括质量分析器，其被配置为沿着射束线对离子束进行质量分析。还提供了加速/减速装置，该加速/减速装置被配置为将离子束加速或减速至所需的注入能量。此外，终端站被配置为支撑用于沿着射束线注入的工件。

在一个示例中，真空腔室大体上至少包围离子源和电极系统，其中源电源和抑制电源未被包围在真空腔室内。真空源(例如真空泵)经配置以提供真空腔室内的真空，且一个或多个真空馈通件进一步与真空腔室相关联。例如，一个或多个真空馈通件被配置为将源电源和抑制电源电性耦接至相应的源电极和抑制电极，同时维持真空腔室内的真空。在一个示例中，第一接地电极和第二电极处于与真空腔室相同的电位。

为了实现前述和相关的目的，本发明包括下文中充分描述且在权利要求书中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例指示可以采用本发明原理的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，根据本发明的以下详细描述，本发明的其它目的、优点和新颖特征将变得显而易见。

附图说明

图1是现有技术离子源提取设备的示意图；

图2示出了根据本发明的一个方面的离子注入系统；

图3是根据本发明的一个方面的离子源设备的截面图；

图4示出了根据本发明的另一方面的离子源电极设备的截面图；

图5是根据本发明的又一示例性方面的电极的立体图。

具体实施方式

本发明大体上涉及一种用于离子注入系统的改进的离子提取电极设备、系统和方法。因此，现将参考附图描述本发明，其中相同的附图标记可以用于始终指代相同的元件。应当理解，这些方面的描述仅仅是说明性的，并且它们不应当被解释为具有限制意义。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。此外，本发明的范围不旨在受下文参考附图描述的实施例或示例的限制，而是旨在仅受所附权利要求及其等同者的限制。

还应注意，提供图式以给出本发明的实施例的一些方面的说明，且因此应被视为仅是示意性的。具体地，附图中所示的元件不一定彼此按比例绘制，并且附图中的各种元件的放置被选择为提供对相应实施例的清楚理解，并且不应当被解释为在根据本发明的实施例的实施方式中必然表示各种部件的实际相对位置。此外，除非另有特别说明，否则本文描述的各种实施例和示例的特征可以彼此组合。

还应当理解，在以下描述中，附图中所示或本文所述的功能块、设备、部件、电路元件或其他物理或功能单元之间的任何直接连接或耦接也可以通过间接连接或耦接来实现。此外，应当理解，在一个实施例中，附图中示出的功能块或单元可以被实现为单独的特征或电路，并且在另一个实施例中也可以或替代地完全或部分地实现在共同的特征或电路中。例如，若干功能块可以被实现为在诸如信号处理器的公共处理器上运行的软件。还应当理解，在以下说明书中被描述为基于有线的任何连接也可以被实现为无线通信，除非相反地指出。

为了更好地理解本发明，图2示出了根据本发明的各种示例性方面的离子注入系统100。出于说明性目的呈现系统100，且应了解，本发明的方面不限于所描述的离子注入系统，且还可采用具有不同配置的其它合适的离子注入系统。离子注入系统100具有终端102、射束线组件104和终端站106，终端站106大体上限定离子注入系统的射束线108。

在所示的示例中，终端102包括离子源110(例如，等离子体产生部件)、阴极112、细丝114(例如，由钨或钨合金组成的杆)、阳极116、排斥极118、气体源120和离子源电极系统122，如将在下文中进一步详细讨论。例如，掺杂剂气体可以通过气体导管126从气体源120馈送到离子源110的离子源腔室124中。气体源120将一种或多种前体气体(例如，经由导管126)提供到离子源102的产生离子的区域128中。例如，细丝114被加热(例如，到大约2500°k)以激发其中的电子，并且以便与由气体源120供应的掺杂剂气体的分子碰撞。例如，阴极112可以进一步被供电以提供额外的能量，以使电子的热离子发射到区域128中，其中掺杂剂气体位于区域128中。阳极116辅助将电子吸引到区域128中。例如，阳极116可以包括离子源110的侧壁134。在一个示例中，阳极116可以进一步被供电，使得可以在阴极112和阳极116之间设定偏置，以便将额外电子吸引到区域128中。

例如，排斥极118还可以辅助将电子维持在区域128内。特别地，施加到排斥极118的偏置被配置成将从阴极112发射的电子排斥回到区域128中。类似地，由源磁体(未示出)在离子源110内感应的磁场可以用于将电子维持在区域128内并且远离源110的侧壁。在区域128内移动的电子与从气体源120提供的掺杂剂气体分子碰撞，以形成或以其他方式产生离子。特别地，与具有足够动量的掺杂剂气体分子碰撞的电子使一个或多个电子从掺杂剂气体分子中脱离，从而产生带正电荷的离子。

虽然附图未示出，但是本发明涵盖了除上述电弧放电离子源之外的各种其他类型的离子源。例如，离子源可以包括用于产生离子的rf激励装置。此来源公开于美国专利第5，661，308号中，其全部内容通过引用并入本文。本发明涵盖的其他类型的离子源可以包括通过电子束注入的激发以产生离子。本发明应用的离子源的另一个实例是包括微波激发以产生多个离子的离子源。

根据本发明，源电极130与离子源110相关联，其中源电极大体上在离子源腔室124的外壁134中限定源孔径132。例如，源孔径132电性耦接至源电源136。源电源被配置为向源电极供应相对于接地电位为正的源电压(例如，在大约10-100kev的范围内)。

此外，第一接地电极138定位于靠近源电极130，其中第一接地电极大体上限定第一接地孔径140。例如，第一接地电极138电性耦接至电端子接地电位142，借此第一接地电极经配置以通过源孔径132从离子源110提取离子，借此形成大体上限定射束线146的离子束144。例如，源电极130通过源间隙148与第一接地电极电隔离(例如，电绝缘)。

因此，处于接地电位的第一接地电极138相对于离子源110被负偏置，从而跨越源间隙148将正离子吸引到其上。根据一个示例，离子束144包括高能量离子束(例如，在大约10-100kev的范围内)，然而，离子束的其他能量也被认为落入本发明的范围内。

根据本发明的实例，进一步提供抑制电极150，以用于抑制沿着射束线146经吸引朝向离子源110的电子，借此抑制电极大体上经由抑制电源152相对于接地电位负偏置。例如，抑制电源152被配置为向抑制电极150施加负电位，该负电位相对于由源电源136供应到源电极130的电位更低，同时相对于端子接地电位142为正的。举例来说，抑制电极150经配置以电性耦接至抑制电源，且大体上限定离子束144穿过的抑制孔径154。

此外，第二接地电极156沿着射束线146定位在抑制电极150的下游，借此第二接地电极进一步电性耦接至接地电位142。例如，第二接地电极156大体上限定离子束144穿过的第二接地孔径158。

根据本发明的一个示例性方面，第一接地电极138和第二接地电极156固定地彼此耦接，并且两者都电性耦接至电端子接地电位142。此外，抑制电极150可以固定地耦接到第一接地电极138和第二接地电极156中的一个或多个，同时进一步与其电绝缘。因此，在一个示例中，离子源电极系统122可以作为一个单元相对于离子源110移动，由此可以控制源间隙148而不影响第一接地电极138、第二接地电极156和抑制电极150相对于彼此的位置。在另一示例中，第一接地电极138和第二接地电极156可以固定地彼此耦接，同时独立于抑制电极150的位置，由此第一接地电极和第二接地电极可以作为一个单元相对于源孔径132和抑制电极150中的一个或多个移动。

本发明涵盖第一接地电极138、抑制电极150和第二接地电极156中的任一个，进一步分别包括单个板或两个或更多个分离的板(未示出)中的一个，由此第一接地孔径140、抑制孔径154和第二接地孔径158可以具有相应的固定或可变宽度，本领域技术人员也称其为可变孔径电极(vae：variableapertureelectrode)。

离子源电极130和抑制电极150彼此电绝缘，并且与第一接地电极138和第二接地电极156电绝缘。例如，抑制电源152和源电源136进一步耦接到控制器160(例如，控制系统)，控制器160被配置为产生用于控制抑制电极150和离子源腔室124中的每一个上的电位的控制信号，并且在一个示例中，进一步选择性地控制间隙148。因此，可测量离子能量并将其用于反馈回路中以控制离子产生中的参数，例如间隙148、孔径宽度、孔径大小及孔径对准，以及施加到抑制电极150及离子源腔室124的电位等。例如，控制器160还可以被配置为依赖于测量的能量产生用于控制离子束144的各种参数的控制信号。

在穿过离子源电极系统122之后，离子束144进入射束线组件104和相关联的质量分析器磁体162。例如，质量分析器磁体162可以以大约九十度的角度或另一角度来实现，由此在其中产生磁场。当离子束144进入质量分析器磁体162时，离子束相应地由磁场弯曲，使得具有不适当的荷质比的离子被拒绝。更具体地，具有太大或太小的荷质比的离子被偏转到质量分析器磁体162的侧壁164中。以这种方式，质量分析器磁体162选择性地仅允许具有所需荷质比的离子保留在射束144中并且完全自其穿过。

例如，控制器160可以调节磁场的强度和方向，以及其他特性。例如，可以通过调节流过质量分析器磁体162的线圈绕组的电流量来控制磁场。应当理解，控制器160可以包括可编程微控制器、处理器和/或用于整体控制离子注入系统100的其他类型的计算机制(例如，由操作者、由之前和/或当前获取的数据和/或程序)。

例如，根据射束路径146可调整接近于质量分析器磁体162的出口的解析孔径166。在一个示例中，解析孔径166可围绕x方向移动，以便在其穿过离开时适应更改的路径。在另一示例中，解析孔径166被塑形，以适应更改路径的选择范围。质量分析磁体162和解析孔径166允许磁场和导致更改路径的变化，同时维持离子注入系统100的合适的质量解析度。

例如，离子束144可以具有相对窄的轮廓(例如，“铅笔”或“点”射束)。应当注意的是，虽然离子束144可以被描述为具有相对窄的轮廓，但是离子束可以可选地具有细长轮廓(例如，当从沿着标称射束路径146观察时大体上为卵形的横截面，并且大体上被称为“带状”离子束)，并且所有这样的离子束被认为落入本发明的范围内。在一个实例中，提供扫描和/或聚焦系统168，借此提供扫描元件170及聚焦和/或转向元件172中的一个或多个，以用于分别扫描及聚焦/导引离子束144。在当前示出的示例中，离子束144由扫描和/或聚焦系统168扫描以限定经扫描离子束174。

例如，经扫描射束174穿过在所示示例中包括偶极磁体178的并行器/校正器176。在本示例中，偶极磁体178基本上是梯形的，并且定向成彼此镜像，以使射束144(例如，经扫描离子束174)弯曲成基本上s形(例如，偶极具有相等的角度和半径以及相反的曲率方向)。因此，并行器/校正器176使经扫描离子束174改变其路径，使得无论扫描角度如何，射束平行于射束轴行进。因此，在位于终端站106中的工件支撑件182上的工件180上，注入角度相对均匀。

例如，一个或多个减速台184可以进一步位于并行器/校正器176的下游。至此，在离子注入系统100中，离子束144大体上以相对高的能量水平传输，以减轻射束放大的倾向，例如，在射束密度升高时，其可以特别高，例如在扫描顶点186处。例如，一个或多个减速台184可以包括可操作以使离子束144减速的一个或多个减速电极或透镜188。

应当理解，示例性扫描元件170、聚焦和/或转向元件172和减速台184可以包括任何合适数量的电极或线圈，其被布置和偏置以加速和/或减速离子，以及使离子束144聚焦、弯曲、偏转、会聚、发散、扫描、平行化和/或去污，例如授予rathmell等人的美国专利第6，777，696号中提供的，其全部内容以引用方式并入本文。

例如，终端站106接收朝向工件180引导的离子束144(例如，经扫描离子束174)。应当理解，在离子注入系统100中可以采用不同类型的终端站106。例如，“批量”型终端站可以在旋转支撑结构上同时支撑多个工件180(未示出)，其中工件旋转通过离子束144的路径，直到所有工件被完全注入。另一方面，“串行”型终端站沿着射束路径146支撑单个工件180以用于注入，其中多个工件以串行方式一次一个地注入，其中每个工件在下一个工件的注入开始之前被串行注入。在混合系统中，工件180可以在第一(y或慢速扫描)方向上机械地平移，而离子束144在第二(x或快速扫描)方向上被扫描，以在整个工件180上赋予离子束。

例如，进一步提供控制系统160以控制、通信和/或调整离子源10、质量分析器162、解析孔径166、扫描和/或聚焦系统168、并行器178和减速台184。控制系统160可以包括计算机、微处理器等，并且可操作以获取射束特性的测量值并相应地调整参数。例如，控制系统160可以经由一个或多个相应的电源(未示出)耦接到产生离子束的终端102以及射束线组件104的质量分析器162、扫描元件170、聚焦和转向元件172、并行器178和减速台184。因此，可以通过控制系统160调整这些元件中的任何元件以促进所需的离子注入。例如，通过调整由源电源136施加到源电极132的偏置和由抑制电源152施加到抑制电极150的偏置，射束的能级可以适于来调整结深度。

应当理解，射束电流可能受到离子注入系统100的许多部件的影响。例如，相对于第一接地电极138和第二接地电极156的接地电位，离子源电极130和抑制电极150上的相应偏置可影响离子束144的射束电流。因此，可以通过分别选择性地控制离子源电源136和抑制电源152中的一个或多个来调制射束电流。还应当理解，第一接地电极138和第二接地电极156大体上可以用与离子源电极130和抑制电极150不同的电压来调制，而电压在第一接地电极和第二接地电极两者中相等，而与端子接地电位142相同或不同。

可经由控制器160基于测量系统190来控制上文所论述的电压供应，例如，借此测量系统(例如，包含法拉第杯)可提供在离子注入期间利用的经扫描离子束174的扫描结束射束电流的指示。

根据本发明，现参考图3，更详细地示出了示例性离子源110和离子源电极组件122。如上文所论述，第一接地电极138及第二接地电极156彼此耦接，借此第一接地电极及第二接地电极电性耦接至接地电位142。如图3所示，第一接地电极138和第二接地电极156通过一个或多个接地杆192彼此耦接，其中一个或多个接地杆将第一接地电极固定地联接到第二接地电极。例如，一个或多个接地杆192是导电的并且将第一接地电极138电性耦接至第二接地电极156。

在一个示例中，进一步提供接地元件194，由此接地元件电性耦接至第一接地电极138和第二接地电极156中的一个或多个。例如，接地元件194可以包括电线、电缆和杆中的一个或多个，其中接地元件将第一接地电极138和第二接地电极156电性耦接至接地电位142(例如，端子接地)。由于第一接地电极138和第二接地电极156彼此电性耦接，因此本发明可以有利地提供通过图2的真空外壳198的用于第一接地电极和第二接地电极两者的单个电馈通件196。

在一个示例中，第一接地电极138、抑制电极150和第二接地电极156固定地彼此耦接，其中抑制电极与第一接地电极和第二接地电极电绝缘。例如，第一接地电极138、抑制电极150和第二接地电极156大体上限定提取操纵器200，其中提取操纵器被配置为相对于射束线至少在一个或多个方向(例如，x方向、y方向和z方向中的一个或多个)上平移。

因此，利用单个间隙提取来提供提取方案，例如，随后是单透镜(einzellens)，由此强聚焦能力通过amu磁体实现低射束发散和增强的射束传输，同时仍然防止电子回流到源。图4和图5示出了提取操纵器200的示例，由此抑制电极150由第一接地电极138经由一个或多个绝缘体202支撑，并且与第一接地电极138电绝缘。

因此，本发明有利地提供第一接地电极138以从离子源110提取离子束144，而常规系统提供相对于源的负偏置电极，其典型地需要分离的馈通件和电源，因此增加成本并引入与用于负偏置电极的真空馈通件相关联的可靠性问题(例如，馈通件涂层和短路等)。本发明将第一接地电极138和第二接地电极156电性和物理耦接，由此单个真空馈通件可用于耦接到电接地电位。

相比于传统系统，本发明进一步提供了更好的热膨胀特性，以及更好的射束校正。例如，当从离子源110提取离子时，离子被与离子源相关联的磁场偏转。这种偏转在提取间隙148中是最大的，因为离子在离开离子源时将具有最低能量，并且其中源磁场也将是最强的。为了校正这种偏转，可以相应地移动整个提取操纵器200。不同种类的离子束，例如硼、砷、磷等，可在离子注入系统100中使用，由此相应地提供不同的提取能量。因此，可以改变具有不同源磁场的不同设置和校正，并且本发明为这样的实例提供了额外的灵活性。

本发明提供了紧凑的提取操纵器200，因此提高了可靠性，具有较少的绝缘体被残留物涂覆，并且提供了比传统系统更少的故障机制，由此减少了电极对准问题。

尽管已经关于特定的一个或多个优选实施例示出和描述了本发明，但是显而易见的是，在阅读和理解本说明书和附图之后，本领域的其他技术人员将想到等同的改变和修改。特别地，关于由上述部件(组件、装置、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的任何部件(即，功能上等同的)，即使在结构上不等同于执行本文所示的本发明的示例性实施例中的功能的所公开的结构。另外，虽然本发明的特定特征可能已经关于若干实施例中的仅一个实施例公开，但是这样的特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合，这对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的。