专利名称：具有曲折导电路径的离子源源体丝极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个在离子注入机的弧室中用于电离源材料的丝极，尤其是涉及，一个包括两个螺旋线缝从而形成一个曲折导电路径的钨源体的丝极。
一个对半导体晶片进行掺杂的现有技术包括沿离子迁移路径引导离子束和选择硅晶片的位置与离子束相交。
工业用的离子注入机之一是Eaton型NV20离子注入机。该Eaton离子注入机包括一个离子源，它有一个形成室内区的弧室，气化的源材料，如电离的气体(如氧气)和汽化的掺杂剂材料(如砷)以控制浓度被注入到这个室内区中。一个盖板或引出部件盖在弧室的开口侧。引出部件包括一个椭圆形开口或弧缝隙，被电离的粒子就从这里逸出弧室的室内区。
阴极包括一个丝极，它被安装在弧室内。丝极被通电而升温发射电子到弧室的室内区。电子和源材料气体分子碰撞，输出能量以电离该分子。己电离的粒子从弧室的室内空间区的弧缝隙选出，并沿其迁移路径被加速，从而形成离子束，离子束在注入位置与靶晶片相交并把电离的掺杂剂粒子注入到晶片中。一种使用阴极灯丝的离子源被美国专利No4,714,834公开了，Shubaly是该发明专利的代理人。
在现有技术的离子注入机中，阴极灯丝通常包括一个简单的钨丝环。电压加在灯丝上把灯丝加热到热电离发射的温度，于是电子就通过灯丝被发射出来。在弧室的室内区中气态源材料的电离便产生高电离气体的等离子体，其离子和电子的数目近似相等。该离子和电子的密度，即所谓的Debye屏蔽长度，远小于灯丝的尺寸。该Debye屏蔽长度是一个在气态源材料等离子体中的一个特定的距离，超过它，带电粒子的电场就被具有相反符号的电荷粒子屏蔽。只有与施加在弧室上的磁场垂直的灯丝的那个部分才实际承受热电离发射。因为它被安排在气态离子源材料等离子体中，离子溅射就发生在通电灯丝的整个外表面上。溅射作用侵蚀整个灯丝的外表面并过早造成它的损坏。
用于热电离发射电子的丝极源体或丝极板是被安排在弧室的室内空间区。然后，弧室被安排在离子源体的真空室内空间区。丝极板是用钨制作的。电离的气态源材料被注入到源体的弧室的室内区中。丝极板被通电到热离子发射温度，使产生的电子撞击电离的气态源材料并产生源离子等离子体。较好的丝极板包括在两个空间分布的螺旋缝隙，该缝隙口切成一个板的宽度。两个缝隙在其对应的全长部分上完全相互平行并且每个缝隙的终端都靠近板的中心区。缝隙形成一个曲折的螺旋形的导电通路而用于板的热电离加热。
两个缝隙是以一个间隔为特点的，间隔形成缝隙的侧壁表面之间的垂直距离。在缝隙全部长度上，每个缝隙具有一个完全均匀的间隔宽度。并且两个缝隙具有完全相等的间隔。对于每一个缝隙，间隔的宽度最好不大于带电源材料等离子体的Debye屏蔽长度的10倍。这样一个缝隙这样一个缝隙间隔的宽度很快衰减进入缝隙的带电等离子体的能量，从而可成缝隙的灯丝板内壁表面被等离子侵蚀的情况就被减到最小。
丝极在邻近板的相反两端上有两个空间隔开的孔。给丝极源体通电的导电杆穿过弧室边缘的源的侧壁中的孔。一个绝缘体安排在每个孔中，以便使导电杆与弧室的边壁绝缘。加在导电杆之间的电压产生一个电流，该电流沿缝隙形成的曲折的螺旋引导电路经而流过丝极板。丝极板的顶部表面被安排在弧室之中，从而通过位于离子源外边的电磁极，顶部表面就与施加在弧室上的磁场垂直。
当丝极板被通电和加热到热电离发射温度的时候，发射的自由电子就进入到弧室的室内区。丝极板的顶部表面提供了一个大的，有效的热电离发射表面，它超过了现有技术的环形导线丝极。
本发明的目的是提供一个在离子注入机中使用的源材料电离丝极，它有较长的使用寿命。
本发明的另一个目的是提供一个丝极，它的溅射侵蚀被限制到一个小于丝极的总表面面积上。
本发明还有一个目的是提供一种丝极，它的热发射面积足够大，以便于源材料的有效电离。
本发明的其它目的和优点，特点通过结合附图的详细描述最佳实施例将会被更好地理解。
图1是本发明离子注入机的离子源部分的原理透视图。
图2是离子源的截面视图。
图3是包括本发明的灯丝板的弧室的顶平面视图。
图4是从图34-4线表示的平面看去的图3的弧室的截面中的部分和正视图的一部分视图；图5是图3的灯丝板的透视图；图6是图3的灯丝板的顶平面视图；图7是通过图6中的7-7线表示的平面看去的图3的平板灯丝的侧视图。
图8是从图6中8-8线表示的平面看去的图3的平面灯丝的正视图；图9是本发明的灯丝平面的第二实施例的透视图。
图10是图9的灯丝平面的顶平面视图；图11是从图10中11-11线表示的平面看去的图9的灯丝板的侧视图；和图12是从图10中线12-12表示的平面看去的图9的灯丝平面的正视图。
参看附图，离子注入机的离子束电流装置在图1和2中是用标号10表示的。离子束电源装置10包括一个立体形状的离子源外壳12。离子源外壳12是由铝制成的，它有一个内室舱14，当离子束电源工作的时候它被泵抽成真空(未示出)。一个弧室62被安排在离子源12中。弧室62有一个基座64和从基座上伸出的边壁66。边壁66和基座64形成一个室内空间区68。离子源材料，当其被激励的时候，就产生离子等离子体，并被发送到弧室室内区68。弧室62的一个开口侧被一个引出部件60盖住。在弧室62中产生的离子就从引出部件60中的缝70穿过而引出，并通过形成离子束的引出电极38而成形为一个离子束。离子束通过一个外壳壁28中的开口18而穿出离子源箱体12。
安排在弧室室内区68的是本发明的丝极板80和电子反射极板82，丝极板80，通过电流从导电杆106到导电杆108流过该板而被加热到热离子发射温度，发射自由电子。丝极极板80被安排在相对于弧室62的负电位，从而加速发射出的电子，该电子是与注入到弧室室内空间区68的电离的气态源材料碰撞的电子。电子—源材料碰撞的结果就使源材料电离。反射极板82带负电排斥丝极极板80产生的电子，从而减小电子损失。被电离的气态源材料被注入到弧室室内区68，是通过气体入口孔84进行的，一根源材料管道(图2)穿过该孔84。
参见图5-7，丝极极板80是由钨做成的，最好如图6所示，弯成一个等腰三角形形状。两个螺旋缝隙96，98通过丝极极板80的宽W而被切成。最好是，缝隙96，98用导线EDM(电子放电机械加工)方法，做在丝极极板80里面，这是本熟悉技术的人员所知道的。缝隙96，98分别从电壁92，94伸出来在朝向丝极极板80的公共中心区C的逐渐紧缩的半径上向内螺旋盘绕。如图6所示，缝隙96，98在其绝大部分长度上是叠交的和平行的。在形成每个缝隙96，98的丝极极板80的相对的室内壁表面之间间隔宽度或正常距离沿缝的长度是均匀的。并且，每个间隔的宽度对于每个缝隙而言完全相同。短边壁90，92的长度，长边壁94的长度L2，丝极板80的宽度W和间隔宽度的最合适的尺寸如下L1(短边壁90，92的长度) 1.2cmL2(长边壁94的长度) 2.0cmW(丝极板80的宽度) 0.3cm每个缝隙96，98的间隔宽度距离 0.3cm丝极板80包括两个彼此隔开的膛孔，从角100，102向内贯穿。一对空间分开的导电杆106，108，被压制装配到相应的开口中去。如图3和4所示，灯丝极板80被安排在弧室室内区68中与边壁66隔开，极板80的取向是，丝极极板80的顶部表面110完全和支持反射极板82的边壁平行。导电杆106，108穿过在弧室边壁66中的一对对准的孔。绝缘件109被夹在导电杆106，108之间，边壁开孔把弧室和导电杆隔开。保护板107被安排在导电杆106，108上，而导电杆106，108是在绝缘件109和丝极板80之间。保护极板107是用于防止金属沉淀在绝缘体109上。
两个供电电源88(其中一个在图2中可见)被连到导电杆106，108上。当供电电源被接通的时候，电流就沿螺旋曲径(图6)通过极板80而流动。在缝隙96，98交叠处，电流路径1具有完全恒定的宽度，该路径即从灯丝极板80的外部到公共中心区C，宽度就是沿半径测量的相邻的缝隙之间的间隔。从公共中心区C向外延伸是完全恒定的。
通过丝极极板80的电流1适于调升极板的温度到热电离发射温度，以使极板发射自由电子。丝极极板80的顶部表面110(图6)是一个大的，有效的热离子发射表面。
最好是，缝96，98的间隔宽度不完全大于带电等离子体的Debye屏蔽的10倍的长度，该带电等离子是注入到弧室室内区68中的典型源材料产生的。具有砷，磷或锑源材料的等离子体的Debye屏蔽长度的范围是在0.1-0.5mm之间。因此，最好间隔宽度0.30mm，它不大于一个0.1mm Debyt屏蔽长度的等离子体的Debye屏蔽长度。这样一个缝隙的宽度是如此的狭窄，从而使带电等离子体不能保持在间隔中，即，进入该缝隙96，98的带电等离子体的能量会很快被衰减，于是形成每个缝隙96，98的丝极极板80的室内壁表面的被等离子体侵蚀就减到最小。
通过溅射产生的侵蚀完全被限制在丝极极板80的顶部表面110上。溅射不会发生在丝极极板80的底部表面112，因为在丝极底部表面112和弧室边壁66的区域之间形成的弧室室内区58的体积非常小，不能保留等离子体，其中导电杆106，108是穿过弧室边壁66的。
图9-11是本发明的丝极极板的另一个实施例。丝极极板120侧面是一个矩形，它具有一个圆形角。丝极极板120有两个螺旋缝122，124，它们穿过板的宽W。缝隙122，124从相应的边壁126，128沿伸并螺旋朝向丝极板120的中心区C。如图10所示，缝隙122，124在它们相应长度的绝大部分上是叠交的。在形成每个缝隙122，124的丝极极板120的相对的室内壁表面之间的间隔或正常距离沿缝隙的长度是均匀的。并且对于每个缝隙，间隔的宽度完全相等。短边壁126，128的长度L1’，长边壁132，134的长度L2’，丝极极板120的宽度W1和间隔宽度的合适的尺寸如下尺寸L1’1.5cmL2’2.0cmW’ 0.3cm每个缝隙122，124的间隔宽度距离，0.3mm。
丝极极板120有两个彼此隔开的膛孔，从边壁126，128向内贯穿。一对空间隔开的导电杆140，142被压制装配到相应的孔中。供电电源88被连到导电杆140，142上。当供电电源88供电的时候/电流沿螺旋曲径1’(图10)流过板120。
流过灯丝极板120的电流的大小最好调到板温升高，电流l’流过该极板，达到热电离发射的温度，使该极板发射自由电子。灯丝板120的上表面144是一个大的，有效的热离子发射表面。
缝隙120，124的间隔的宽度完全不大于10倍的带电等离子体的Debye屏蔽长度，该带电等离子体是由注入到弧室室内空间68的典型源材料产生的。这就把进入缝隙122，124的间隔的带电等离子体的穿透频率减到最小。这样，也就把形成缝隙的室内壁表面的侵蚀减到最小。如第一个实施例所指出的，通过溅射产生的侵蚀完全被限于丝极极板120的顶部表面144，溅射1会在丝极极板120的底部表面144上产生，因为形成在丝极极板底部表面144和弧室边壁66之间的弧室室内空间58非常小，不能保留等离子体，其中边壁66有导电杆140，142穿过。
上面，已对本发明做了某种程度的描述，但是企图对己公开的最佳设计与本发明做各种修改，都属于本发明的精神之内，属于所附权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种把电子发射到离子源弧室的室内空间中的带电等离子体中去的设备，它包括a)一个导电材料80的源体，它具有一个顶部表面(110)和一个底部表面(112)，它能通过边壁(90，92，92)隔开，至少有一个顶部和一个底部表面发射电离的电子到弧室的室内空间区，当电流流过该源体的时候；b)第一和第二导电部件(106，108)电连接到该源体上，把电位差加在该部件的两个空间隔开的位置之间，使电流流过在两个隔开的部分之间安排的该源体；c)形成至少一个缝隙(96，98)的源体，缝隙通过从该源体的边壁沿伸出的部件的宽度，进入该源体室内以延长在两个空间间隔部分之间的电流通路。
2.权利要求1的设备，其中源体80是由钨制做的。
3.如权利要求1的设备，其中形成缝隙(96，98)的对准表面之间的间隔宽度不大于10倍的在弧室室内空间中保存的带电电离子的Debye长度。
4.权利要求1的设备，其中源体的顶部表面(110)和底部表面(112)通常是平面，源体包括两个不相交叉的缝隙(96，98)，它们从边壁延伸到室内。
5.权利要求4的设备，其中两个缝隙(96，98)从边壁向内延伸，在相应的空间间隔的螺旋形状中它终于源体的中心区C，以形成螺旋形的曲折电流通路，通过两个缝隙至少被限制在部分中。
6.权利要求5的设备，其中两个缝隙96，98关于源体80的中心区而逐渐螺旋紧缩盘绕，而形成一个电流通路，其宽度是与源体的电子发射表面外部到内部的宽度相等。
7.一种沿离子束迁移路径发射离子的离子源，用于离子束处理工件包括a)形成电离室的装置，它具有一个室内边界限，是通过出孔(70)形成的，以使发射离子，和只有一个把电离的材料引进室内空间的输入口；和b)一个丝极，被安排在室内空间，用于发射电子到室内空间去电离电离材料，它包括1)导电材料制成的源体，它具有一个电子发射表面，当电流流过源体的导电材料时，它就电离电子，和(ii)第1和第2电极(106，108)，与源体电连接，把电压加在空间相隔的源体的两个位置之间，在电极之间产生电流，其中上述源体形成1个或多个间隔(96，98)，它们从源体的外表面沿伸到源体的室内空间。加长在彼此相隔的位置上的两个电极之间的电流路径。
8.一种制造用于把离子注入到电离室内的丝极的方法，其步骤如下a)提供一个导电材料的源体(80)，它具有平的导电表面(110，112)，用于通过边壁而发射电子。b)机械加工间隔(96，98)，它穿过导电材料10的源体而产生通过导电材料的电流流动的路径；c)在电流流通路径的相对的两端上把电极(106，108)固装到导电材料制成的源体上，这是一个机械加工步骤。
全文摘要
本发明公开了一种离子注入机的离子束电源装置(10)的丝极极板(80)。丝极极板是由钨做成的,它有两个空间隔开的缝(96,98)。该缝穿过极板的宽度。缝隙的间隔的宽度完全小于10倍的离子的等离子体Debye的长度,该等离子体是通过把电子发射到弧室(62)而形成的。平板丝极被安排在一个弧室中,电离的源材料就被注入到这个弧室之中。板极有两个导电杆(106,108)被压装到板极的孔中,以便加热板极到离子发射温度。导电杆穿过弧室的边壁中的绝缘开孔。
文档编号H01J37/08GK1184324SQ9712623
公开日1998年6月10日 申请日期1997年12月5日 优先权日1996年12月5日
发明者V·M·本维尼斯特 申请人:易通公司