本申请要求于2016年4月4日提交的美国临时申请号62/317,892、名称为“improvedionsourcerepellershield”的权益，其内容全文引用并入本文。
本发明总体上涉及离子注入系统，更具体涉及改进的离子源推斥极护罩，用于提高氮化硼密封件使用寿命，因此大体上防止从离子源中泄漏气体。
背景技术
在半导体装置的制造中，离子注入用于将半导体掺杂有杂质。离子注入系统经常被利用来在集成电路的制造期间，将例如半导体晶片的工件掺杂有来自离子束的离子，以便产生n型或p型材料的掺杂或形成钝化层。这种射束处理常用来以预定能量水平在受控浓度下将特定掺杂材料的杂质选择性注入晶片，以在制作集成电路期间产生半导体材料。该离子注入系统用于掺杂半导体晶片时，将所选的离子种类注入到工件中，以产生所需的含杂质材料。例如，从诸如锑、砷或磷等原料所生成的注入离子产生“n型”含杂质材料晶片，而“p型”含杂质材料晶片常出自利用诸如硼、镓或铟等原料所生成的离子。
典型的离子注入机包括离子源、离子引出装置、质量分析装置、射束传输装置和晶片处理装置。离子源生成所需原子或分子掺杂种类的离子。这类离子是借由引出系统从来源引出，该引出系统通常为一组电极，这些电极激励并导控来自来源的离子流动，形成离子束。在质量分析装置中从离子束中分离出所需的离子，该质量分析装置通常是磁偶极，对引出的离子束执行质量色散或质量分离。射束传输装置将离子束传输至晶片处理装置，同时维持离子束的预期性质，该射束传输装置通常是包含一系列聚焦装置的真空系统。最后，经由晶片操纵系统，将半导体晶片送进及送出晶片处理装置，该晶片操纵系统可以包括一个或多个机械臂，用于将待处理晶片置于离子束前方并将经处理晶片从离子注入机移除。
离子源(通常称作电弧离子源)产生用于注入机的离子束并且能够包括热丝阴极来产生离子，这些离子被塑成适用于晶片处理的离子束。例如，授予sferlazzo等人的美国专利文献第5497006号公开一种具有阴极的离子源，该阴极由基座支承并相对于气闭腔室定位，以便将离子化电子喷射到该气闭腔室内。sferlazzo等人的专利文献中所述的阴极是管状导电主体，其端盖部分延伸到气闭腔室内。丝极支承于管状主体内并喷射电子，这些电子通过电子轰击加热端盖，由此以热离子方式将离子化电子射入气闭腔室内。
诸如氟等常见离子源气体或其他挥发性腐蚀物质可能会随时间蚀刻阴极和推斥极密封件的内径，从而导致挥发性气体逸出并损坏附近的绝缘体，诸如推斥极组件绝缘体。这种泄漏会缩短离子源的使用寿命，从而必须将离子注入机停机来更换其中的部件。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提出用于增长离子源使用寿命的系统和设备。据此，下文呈现本发明的简要概述，以提供对本发明的某些方面的基本理解。本发明内容部分并非本发明的详尽综述。其既非旨在确定本发明的关键元件或主要元件，亦非限定本发明的范围。其目的在于，以简化形式呈现本发明的某些构思，作为下文具体实施方式的引言。
根据本发明的某一方面，提供离子源，其包括电弧腔室，该电弧腔室具有主体，该主体界定电弧腔室的内部区域。所述内衬可操作地耦接至电弧腔室的主体，其中该内衬具有第一表面和第二表面。举例而言，第二表面自第一表面凹进，在其中界定内衬凹进区域。所述内衬进一步具有在内衬凹进区域内贯穿界定的通孔，其中该通孔具有第一直径。举例而言，所述内衬进一步包括自第二表面朝向第一表面向上延伸的内衬唇缘，其中该内衬唇缘围绕通孔并具有与其相关联的第二直径。
根据另一示例性方面，进一步提供电极，其具有轴部和头部。所述轴部具有小于第一直径的第三直径，其中该轴部穿过主体和内衬中的通孔。所述轴部进一步通过环状间隙与内衬电性隔离。举例而言，所述电极的头部具有第四直径并包括第三表面，该第三表面具有自第三表面朝向第二表面向下延伸的电极唇缘。举例而言，所述电极唇缘具有与其相关联的第五直径，其中该第五直径介于第二直径与第四直径之间。据此，内衬唇缘与电极唇缘之间的间距大体上界定迷宫式密封件并大体上防止污染物进入环状间隙。
根据另一示例性方面，所述离子源进一步包括氮化硼密封件。举例而言，所述轴部进一步包括界定于其中的具有第六直径的环形槽，其中该第六直径小于第三直径。举例而言，所述氮化硼密封件接合环形槽，在其中自电弧腔室的外部区域密封电弧腔室的内部区域。举例而言，所述环形槽协同内衬唇缘和电极唇缘大体上界定迷宫式密封件，在其中降低通过环状间隙的气体传导性。
在某一示例中，所述氮化硼密封件接合轴部的环形槽，在其中自电弧腔室的外部区域密封电弧腔室的内部区域。在另一示例中，所述环形槽保护氮化硼密封件与轴部之间的密封表面免受腐蚀性气体影响。
在又一示例中，内衬唇缘与电极唇缘之间的间距近似等于轴部与内衬之间的环状间隙。举例而言，所述电极可以包括推斥极或对阴极。在另一示例中，所述迷宫式密封件界定于轴部的外径中，其中该迷宫式密封件配置成接纳氮化硼密封件。举例而言，迷宫式密封件通过降低腐蚀性气体进入与氮化硼密封件相关联的区域的气体传导性而大体上保护轴部的密封面免受与离子源相关联的腐蚀性气体影响。
在另一示例中，所述氮化硼密封件可以进一步布置于迷宫式密封件与电弧腔室主体之间，其中该氮化硼密封件使电极与电弧腔室主体电绝缘。举例而言，迷宫式密封件通过降低腐蚀性气体进入与迷宫式密封件相关联的区域的气体传导性而大体上保护与氮化硼密封件相关联的密封面免受与离子源相关联的腐蚀性气体的影响。
根据本发明的另一示例性方面，提出一种离子源，诸如用于离子注入系统的离子源。举例而言，所述离子源包括电弧腔室和气体源，其中该气体源进一步配置成将气体引入电弧腔室主体的内部区域。
在另一示例中，所述离子源进一步包括与阴极对置的推斥极。可以进一步在电弧腔室中设置弧隙，用于从电弧腔室中引出离子。
为实现前述及有关目的，本发明包括下文完整描述且特别在权利要求书中所指出的特征。下列说明及附图详细提出于本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施方案仅表明采用本发明原理的多种不同方式中的少数几种。在结合附图考虑的情况下，由下文对本发明的详细描述会更清楚理解本发明的其他目的、优点及新颖性特征。
附图说明
图1是根据本发明几方面的利用离子源阴极护罩的示例性真空系统的框图。
图2图示出根据本发明各方面的离子源的透视图。
图3图示出图2的局部放大图，显示具有内衬但不具有凸起唇缘的电弧腔室。
图4图示出示例性离子源内衬的透视图。
图5图示出根据本发明数个示例的离子源与电弧腔室的透视图，该电弧腔室具有带凸起唇缘的内衬。
图6是图5的局部放大图，显示根据本发明数个示例的电弧腔室，该电弧腔室具有带凸起唇缘的内衬。
图7是根据本发明数个示例的示例性离子源的电弧腔室的平面图，该电弧腔室具有带凸起唇缘的内衬。
图8图示出根据本发明数个示例的带凸起唇缘的示例性离子源内衬的透视图。
图9图示出根据本发明数个示例的示例性离子源内衬的底部平面图。
图10图示出图9的剖视图，显示根据本发明数个示例的带凸起唇缘的离子源内衬。
图11图示出根据本发明各方面的示例性电弧腔室与的剖视图，该电弧腔室具有带迷宫式密封件的电极。
图12是图11的局部放大图，显示根据本发明数个示例的电弧腔室，该电弧腔室具有带凸起唇缘的内衬以及带唇缘的电极。
具体实施方式
本发明总体上涉及离子注入系统以及与其相关联的离子源。更特别地，本发明涉及改进的电弧腔室以及用于离子源的与其相关联的部件，由此提高离子源的生产率。
有鉴于此，现将参照附图对本发明予以阐述，其中相同的附图标记通篇可用于指代相同的元素。应当理解，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限定目的。出于解释目的，在下文中阐明若干具体细节，以便全面理解本发明。然而，本领域技术人员会显而易知，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实施。另外，本发明的范围不应受到下文参照附图所述的实施方案或实施例的限制，而仅受所附权利要求书及其等同变化的限制。
还需指出，附图用于说明本发明实施方案的某些方面，由此应视为仅供示意性说明。特定而言，根据本发明的实施方案，附图中所示的元素并非必然互成比例绘制，附图中各元素的布局选为可清楚理解相应的实施方案，不得理解为必然表示实施方案中各部件的实际相对位置。另外，若非特别注明，本文所述的各实施方案及实施例的特征可以彼此结合。
还应理解，在下文描述中，图中所示或文中所述的功能模块、装置、部件、元件或者其他实体部件或功能部件之间的任何直接连接或耦接亦可通过间接连接或耦接来实施。另外，还应领会，图中所示的功能模块或部件在一个实施方案中可作为单独特征形式实施，而在另一实施方案中亦可或替选作为共同特征来全部或部分实施。
现参照附图，根据本发明的某一方面，图1图示出示例性真空系统100。在本实施例中的真空系统100包括离子注入系统101，但亦涵盖其他各类型的真空系统，如等离子处理系统或其他半导体处理系统。离子注入系统101例如包括终端102、束线总成104及终端站106。
一般而言，终端102中的离子源108耦接至电源110，从而使向其供应的源气体112(亦称作掺杂剂气体)离子化成多个离子，以形成离子束114。在本实施例中，引导离子束114穿过射束控向设备116且穿出穿孔118射向终端站106。在终端站106中，离子束114轰击工件120(例如，硅晶片、显示面板等半导体)，该工件120选择性夹持或安装至夹盘122(例如，静电夹盘或esc)。一旦注入的离子嵌入工件120的晶格时，则其改变工件的物理和/或化学性质。鉴此，离子注入用于半导体装置的制造和金属表面处理以及材料科学研究中的各种应用中。
本发明的离子束114可采取任何形式，如笔形束或点束、带状束、扫描束或使离子指向终端站106的任何其他形式，并且所有这些形式均属本发明的范围内。
根据一典型方面，终端站106包括处理腔室124，如真空腔室126，其中处理环境128与该处理腔室关联。处理环境128大体上位于处理腔室124内，在某一示例中，该处理环境128包括由耦接至处理腔室并配置成大体上抽空该处理腔室的真空源130(例如，真空泵)所产生的真空。另外，控制器132被设置用于整体上控制离子注入系统100。
如上所述，本发明提出一种配置用来提高离子注入系统101中的离子源108的利用率并缩短其停机时间的设备。然而，应理解到，本发明的设备亦可实施于其他半导体处理设备中，诸如cvd、pvd、mocvd、蚀刻设备以及各种其他半导体处理设备，所有这类实施方式均应视为落入本发明的范畴内。本发明的设备有利于延长离子源108在预防性维修周期之间的使用时长，因此提高真空系统100的综合生产率及使用寿命。
例如，离子源108(亦称作离子源处理腔室)能够使用耐熔金属(钨(w)、钼(mo)、钽(ta)等)和石墨来构建，以便提供适当的高温性能，由此这类材料通常为半导体晶片生产者所采纳。在离子源108内使用源气体112，其中该源气体本质上可以导电，也可以不导电。然而，一旦源气体112爆裂或因装置碎裂而喷出，离子化气体的副产物便可能具有极强的腐蚀性。
源气体112的某一示例为三氟化硼(bf3)，其能够用作源气体在离子注入系统101中产生硼11或bf2离子束。在bf3分子的离子化过程中，产生三种含氟自由基。能够使用诸如钼和钨的耐熔金属来构建或垫衬离子源腔室108，以便在约700c左右的操作温度下维持其结构完整性。然而，耐熔氟化物具挥发性并且即使在室温下仍具极高的蒸汽压。离子源腔室108内形成的氟基侵蚀金属钨(钼或石墨)并且形成六氟化钨(wf6)(氟化钼或氟化碳)：
wf6→w++6f-(1)
或者
(mof6→mo++6f-)(2)
六氟化钨通常会在热表面上分解。例如，在图2所示的离子源200中，六氟化钨或其他生成物料可能在离子源的各个内部部件203的表面202上分解，诸如与离子源的电弧腔室208相关联的阴极204、推斥极206和弧隙光学器件(图中未示)的表面上。这称作卤素循环，如方程式(1)所示，但生成物料也可能以污染物214(例如，固态微粒污染物)的形式沉淀和/或凝结回电弧腔室208的壁部210或内衬212或其他部件以及弧隙上。例如，内衬212包括可操作地耦接至电弧腔室208的主体216的可替换构件215，其中这些内衬由石墨或各种其他材料构成。例如，可替换构件215提供在电弧腔室208运作一段时间后能够轻松置换的磨损面。
沉积到内部部件203上的污染物214的另一来源出自阴极间接受热时的阴极204(例如，由钨或钽构成的阴极)，从而使用间热式阴极来启动并维持离子源电浆(例如，热离子电子发射)。例如，间热式阴极204和推斥极206(例如，对阴极)相对于电弧腔室208的主体216成负电位，并且阴极与推斥极皆可通过离子化气体来进行溅射。例如，推斥极206能够由钨、钼或石墨构建。沉积于电弧腔室208的内部部件203上的污染物214的又一来源是掺杂材料(图中未示)本身。随时间推移，这些污染物214的沉积薄膜可能受到应力而随后脱层，由此缩短离子源200的寿命。
表面状况在基板与沉积于其上的薄膜之间发挥重要作用。例如，伦敦色散力(londondispersionforce)描述与物质不同部分相关的瞬时偶极或多极之间的弱作用，说明吸引性范德华力(vanderwaalsforce)的主要部分。这些结果在探究对不同金属基板的原子和分子吸附性的深入理解上具有重大影响。整合第一原理计算(first-principlescalculation)与动力速率方程分析(kineticrateequationanalysis)的多尺度建模表明从1000c到250-300c的生长温度的大幅下降。
由于分界区域内很难形成强原子键，故基板(例如，阴极204、内衬212和/或推斥极206)与沉积污染物214之间的热膨胀系数差异、高功率离子束与低功率离子束间转变时的热循环以及不均匀电浆边界内注入物料的分解均可能造成过早失效。这些沉积物中的残余应力包括两种类型：一种出于薄膜生长期间的瑕疵；另一种则源于基板与沉积薄膜间热膨胀系数的失配。
当污染物214的薄膜厚度增加，拉张应力和/或压缩应力将在与基板的界面处达到阈值水平，而离子源200内可能发生剥离或脱层。当发生污染物214的这种脱层时，当下脱层的污染物可能落入并穿过界定于电弧腔室208的主体216的推斥极206与内衬212之间的间隙218，如图3的局部放大图219所示，其中该间隙使施加电性偏压的推斥极与电弧腔室的主体电性解耦(decouple)。
图4图示出底部内衬220，其设置于图2和图3的离子源200中，其中该底部内衬包括凹部222和通孔224，并且该通孔被配置成接受图2和图3中的推斥极206的轴部226。照此，在轴部与底部内衬220之间设置必要的间隙218。然而，应注意，凹部222大体上呈平面，以便容纳图4的底部内衬220中的推斥极206。如图2和图3所示，推斥极206的头部228遮蔽通往推斥极的轴部226与电弧腔室208的主体216之间的间隙218的视线。然而，污染物214的微小颗粒仍会落入凹部222并随后进入轴部226与底部内衬220之间的间隙216。这类污染物214具导电性并布置于间隙218中，这可能使受偏压的推斥极206与电弧腔室208的主体216电短路，由此造成计划外的维护和/或电浆不稳定，进而又影响自其形成的离子束的品质。
据此，图5和图6图示出本发明的离子源300，其结构和部件在一定程度上类似于图2和图3的离子源300；然而，图5和图6的离子源300包括示例性电弧腔室302，其底部内衬304被配置成实质上防止污染物进入电弧腔室的电极308(例如，推斥极)与底部内衬之间的环状间隙306，从而大体上避免离子源过早失效。
根据某一示例性方面，电弧腔室302的主体320大体上界定电弧腔室的内部区域312。另外，一个或多个内衬314可操作地耦接至电弧腔室302的主体310，其中一个或多个内衬大体上界定电弧腔室内部区域312的暴露表面316。例如，一个或多个内衬314至少包括底部内衬304。应注意，尽管本发明使用术语“底部”来引用底部内衬304，但该底部内衬不必定位于电弧腔室302的最低位置。例如，暴露表面316被配置成暴露于电弧腔室302内部区域312内所产生的电浆(图中未示)且至少局部地限制该电浆。
根据某一示例，电极308(例如，推斥极)包括轴部318，该轴部具有如图7所示的第一直径320，其中该轴部穿过主体310和底部内衬304。电极308与主体310电性隔离，如下文所讨论，其中底部内衬304包括衬板322，该衬板的第一表面324带有界定于其中的凹部326。例如，凹部326具有界定于其中的第二表面328，而另有一通孔330被界定成穿过该凹部，如图8和图10详示。图9图示出底部内衬304的仰视图327，而图10图示出底部内衬的剖面329，例如，其中通孔330被配置成使图5至图7中的电极308的轴部318贯穿其中。通孔330具有第二直径332，其大于图6中的轴部318的第一直径320。据此，环状间隙306被界定于衬板322与轴部318之间，从而使轴部与底部内衬304电性隔离。
根据本发明，衬板322进一步包括自第二表面328朝第一表面324延伸的唇缘334。照此，唇缘334大体上环绕底部内衬304中的凹部326内的通孔330，同时在衬板322与电极308的轴部318之间留出环状间隙304，以供其间的电性隔离。据此，唇缘334大体上防止微粒污染物因重力而进入环状间隙306，从而防止电极308与电弧腔室302的主体310和底部内衬304之间的电短路。
根据某一示例，如图10所示，第二表面328自第一表面324凹进第一距离336。在本示例中，唇缘334自第二表面328朝第一表面324延伸第二距离338。在本示例中，第一距离336约为第二距离338的二倍，但这类距离可能基于图5至图7中的电极308的设计或者其他设计准则而改变。如图10所示，第一表面324和第二表面328中的一个或多个表面大体上呈平面。然而，尽管图中未示出，但第一表面324和第二表面328中的一个或多个表面可以呈倾斜或具有曲线轮廓，并且所有这类轮廓应视为落入本发明的范围内。
根据另一示例，唇缘334包括第三表面340，其毗邻图8中通孔330的圆周342。在某一示例中，第三表面340大体上呈平面，如图10所示。另外，根据另一示例，当沿通孔330的轴线344观察时，凹部326大体上呈u形，如图8所示。
根据又一个示例，唇缘334具有与其相关联的第三直径346，如图10所示。例如，图7的电极308可以包括推斥极348(有时称作对阴极)，其位于电弧腔室302的底部上。例如，推斥极348具有头部350，该头部暴露于电弧腔室302的内部区域312内所产生的电浆(图中未示)，其中该头部具有第四直径352，并且该第四直径大于图10的唇缘334的第三直径346。
如图5至图7中的示例所示，衬板322界定电弧腔室302的内部区域312中的底表面346，其中唇缘334大体上避免微粒污染物348因重力而进入环状间隙306。据此，自电弧腔室302内脱层的微粒污染物348大体上因重力而落到底表面346上。
尽管推斥极206可以遮蔽通往图2的电极与电弧腔室208的主体216之间的间隙218的视线，但微小颗粒物质214终将得以成功进入间隙。然而，图5至图7的电弧腔室302中的唇缘334大体上防止微粒污染物348进入间隙306。另外，本发明的唇缘334在过程中减少气体通过间隙306泄漏，因为凸起的唇缘结构会降低导通度。这种高度挥发性且典型导电性的气体将包覆电弧腔室构造中使用的任何绝缘体并缩短其使用寿命。
根据本发明的另一示例性方面，图11图示出另一示例性电弧腔室400。图11的电弧腔室400在诸多方面类似于图5的电弧腔室302，其中添加有配置成基本上降低与间隙306相关联的气体传导性的特征。如图11所示，电弧腔室400具有界定电弧腔室的内部区域404的主体402。例如，电弧腔室400包括用于从电弧腔室中提取离子的弧隙405。内衬406可操作地耦接至电弧腔室400的主体402，其中内衬具有第一表面408和第二表面410。例如，第二表面410自第一表面408凹进，在其中界定内衬凹进区域412。例如，内衬406进一步具有在内衬凹进区域412内贯穿界定的通孔414，如图12详示。例如，内衬406的通孔414具有第一直径416，其中内衬进一步包括自第二表面410朝向第一表面408向上延伸的内衬唇缘418。内衬唇缘418大体上围绕通孔414并具有与其相关联的第二直径420。
图11至图12的电弧腔室400进一步包括具有轴部424和头部426的电极422(例如，推斥极)，其中轴部具有小于第一直径416的第三直径428。据此，轴部424穿过主体402和内衬406中的通孔414并且通过环状间隙430与内衬电性隔离。例如，电极422的头部426具有第四直径432并包括第三表面434，该第三表面具有自内衬406的第三表面朝向第二表面410向下延伸的电极唇缘436。因此，电极唇缘436具有与其相关联的第五直径438，其中第五直径介于与内衬唇缘418相关联的第二直径420和电极422的头部426的第四直径432之间。据此，内衬唇缘418与电极唇缘436之间的间距440(例如，内衬唇缘与电极唇缘之间的基本配合布置)大体上防止污染物进入环状间隙430并且基本上限制通过其中的气体传导性。在某一示例中，内衬唇缘418与电极唇缘436之间的间距近似等于轴部424与内衬406之间的环状间隙430。
根据另一示例，电极422的轴部424进一步包括界定于其中的环形槽442，其中该环形槽具有与其相关联的第六直径444，其中该第六直径小于轴部的第三直径428。例如，环形槽442配置成接纳氮化硼密封件446，由此环形槽协同内衬唇缘418和电极唇缘436大体上界定迷宫式密封件448，从而减少进入轴部424与电弧腔室400的主体402之间的环状间隙430的气体流量(例如，气体传导性)。在某一示例中，氮化硼密封件446接合轴部424的环形槽442，在其中自电弧腔室的外部区域450密封电弧腔室的内部区域404。例如，环形槽442进一步保护氮化硼密封件446与轴部424之间的密封表面免受腐蚀性气体的影响，并且降低腐蚀性气体进入该区域的传导性。
照例，离子源中使用的气体可以是氟或某些其他挥发性腐蚀物质，随着时间推移，这些腐蚀物质可能蚀刻张开常规氮化硼密封件的内径，从而导致挥发性气体逸出并损坏附近的任何绝缘体，诸如阴极组件绝缘体。这种蚀刻和气体泄漏会缩短离子源的使用寿命，并且经常需要关闭离子注入机才能置换侵蚀或损坏的部件。
本发明提供了根据本发明的离子源(例如，图1的离子源108或图2的离子源200)的示例性电弧腔室400，由此改善离子源气体的泄漏。因此，本发明会延长密封件446的使用寿命，由此密封件大体上防止从离子源泄漏气体。如上所述，内衬唇缘418基本上与电极唇缘436配合，以进一步减少气体进入轴部424与电弧腔室主体402中的相应通孔414之间的环状间隙430的传导性。纳入电极422(也称为推斥极或对阴极)的轴部424的外径中的迷宫式密封设计接纳氮化硼密封件446，从而通过降低腐蚀性气体进入该区域的传导性而进一步保护密封表面免受腐蚀性气体的影响。
尽管本发明已就某一或某些实施方案予以表示及叙述，但应当指出，上述实施方案仅作本发明某些实施方案的实施示例，本发明的应用不受这些实施方案的局限。特别关于由上述部件(总成、装置、电路等)执行的各种功能，若非特别注明，否则用于描述这些部件的术语(包括提及“构件”)旨在对应于执行所述部件的特定功能(即功能上等同)的任意部件，即便其在结构上不等同于执行本文所述的本发明典型实施方案所揭示的结构亦然。此外，虽然仅就多个实施方案中的一种方案揭示本发明的特定特征，如若适于或利于任何指定或特定应用，则这一特征可结合其他实施方案的一个或多个其他特征。有鉴于此，本发明不限于上述实施方案，但旨在仅受所附权利要求书及其等同变化的限制。