專利名稱：用于從離子源提取供在離子植入中使用的離子的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生離子束，其中在提取電極從中提取離子的離子源中離子化一個(gè)或 一個(gè)以上氣體或經(jīng)氣化進(jìn)料。本發(fā)明還涉及一種用于操作離子源及提取電極來產(chǎn)生離 子束以對(duì)半導(dǎo)體襯底及平板顯示器的襯底進(jìn)行離子植入的方法及設(shè)備。特定來說，本 發(fā)明關(guān)注產(chǎn)生離子束的系統(tǒng)的產(chǎn)生時(shí)間(即，"正常運(yùn)行時(shí)間")的延長(zhǎng)及在所述產(chǎn) 生時(shí)間期間維持穩(wěn)定的離子提取狀況。
背景技術(shù)：
離子束由從離子源提取出的離子形成。離子源通常采用連接到高電壓電源的離子 化室。所述離子化室與離子化能量源相關(guān)聯(lián)，例如電弧放電、來自發(fā)射電子的陰極的 高能電子或者射頻或微波天線。將所期望的離子物質(zhì)以氣態(tài)或氣化形式作為進(jìn)料引入 到離子化室內(nèi)，以在離子化室中經(jīng)受離子化能量的作用。通過提取孔從所述室中提取 所產(chǎn)生的離子是基于離子的電荷來進(jìn)行的。提取電極位于所述離子化室之外、與提取 孔對(duì)齊且處于低于離子化室的電壓。所述電極用于抽取出離子，通常形成離子束。視 所期望的用途而定，可對(duì)所述離子束進(jìn)行質(zhì)量分析以建立質(zhì)量及能量純度、使其加速、 集中及承受掃描力。然后將離子束運(yùn)送到其使用地點(diǎn)，例如運(yùn)送到處理室中。由于離 子束具有準(zhǔn)確的能量質(zhì)量，因而可將其離子以高的準(zhǔn)確度植入到半導(dǎo)體襯底中所期望
的深度。
離子束的準(zhǔn)確質(zhì)量會(huì)受到進(jìn)料或其分解產(chǎn)物在離子束產(chǎn)生系統(tǒng)的表面上一且特 定來說在會(huì)影響離子化、離子提取及加速的表面上一冷凝及沉積的嚴(yán)重影響。 離子植入工藝
向半導(dǎo)體晶片中引入摻雜元素的常規(guī)的方法是通過引入受控能量離子束來進(jìn)行 離子植入。此會(huì)將所期望的雜質(zhì)物質(zhì)引入到半導(dǎo)體襯底的材料中而形成所期望深度的 經(jīng)摻雜(或"雜質(zhì)")區(qū)域。雜質(zhì)元素經(jīng)選擇以與半導(dǎo)體材料相鍵合而形成電載流子， 從而改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電率。電載流子既可以是電子(由N型摻雜劑產(chǎn)生)，也可以是由P型摻雜劑產(chǎn)生的空穴(即不存在電子)。如此引入的摻雜劑雜質(zhì)的濃度會(huì)決 定經(jīng)摻雜區(qū)域的導(dǎo)電率。為形成晶體管結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)及其它此類電子結(jié)構(gòu)(其統(tǒng)統(tǒng) 用作半導(dǎo)體裝置)，必須形成許多此類N型及P型雜質(zhì)區(qū)域。
為產(chǎn)生用于離子植入的離子束，氣體或蒸氣進(jìn)料經(jīng)選擇以含有所期望的摻雜元 素。將所述氣體或蒸氣引入到高電壓真空離子化室中，同時(shí)引入能量來將其離子化。 此會(huì)形成含有摻雜劑元素的離子(例如，在硅中，元素AS、 P及Sb為施主或N型摻 雜劑，而B及In為受主或P型摻雜劑)。由所述提取電極提供加速電場(chǎng)來將通常帶正 電荷的離子提取出離子化室并使其加速，從而形成所期望的離子束。當(dāng)需要具有較高 純度時(shí)，通過質(zhì)量分析來運(yùn)送離子束以選擇所屬技術(shù)領(lǐng)域中已知的要植入的物質(zhì)。所 述離子束最終被運(yùn)送到處理室以供植入到半導(dǎo)體晶片中。
在平板顯示器(FPD)的制造中使用類似的技術(shù)，這種顯示器并入襯底上驅(qū)動(dòng)器 電路來操作組裝于顯示器上的薄膜晶體管。在此情形中，襯底是已涂覆有半導(dǎo)體層的 透明板(例如玻璃)。在FPD制造中使用的離子源通常在物理上較大，以便形成含硼、 磷及砷的材料的大面積離子束，這些離子束被引導(dǎo)到含有待植入的襯底的室中。大多 數(shù)EPD植入機(jī)并不在離子束到達(dá)襯底之前對(duì)離子束進(jìn)行質(zhì)量分析。 離子污染
大體來說，例如P或As等N型摻雜劑的離子束不應(yīng)包含任何明顯的P型摻雜劑 離子部分，且例如B或In等P型摻雜劑的離子束不應(yīng)包含任何明顯的N型摻雜劑離 子部分。這一狀況稱作"交叉污染"且是不合乎需要的。當(dāng)源進(jìn)料在離子源中積聚并 隨后改變?cè)催M(jìn)料時(shí)，例如當(dāng)首先使用元素磷進(jìn)料來產(chǎn)生N型P+束、且然后變換成BF3 氣體來產(chǎn)生P型BF2+束時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)交叉污染。
當(dāng)迸料在離子源內(nèi)積聚從而干擾所述源成功地操作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的污染效應(yīng)。 這一狀況總是要求移除所述離子源及所述提取電極來進(jìn)行清洗或更換，從而導(dǎo)致整個(gè) 離子植入系統(tǒng)的"停機(jī)時(shí)間"延長(zhǎng)以及因此造成的產(chǎn)量損失。
用于裝置晶片制造的離子植入機(jī)中所用的許多離子源是"熱"的，也就是說，其 通過持續(xù)電弧放電并產(chǎn)生稠密的等離子體來操作；這一"熱"源的離子化室可達(dá)到800 'C或更高的操作溫度，在許多情況下可大致減少固體沉積物的積聚。此外，在此類源 中使用BF3來產(chǎn)生含硼的離子束會(huì)進(jìn)一步減少沉積物，這是因?yàn)樵诋a(chǎn)生BF3等離子體 時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氟離子；氟可蝕刻離子源的壁，且特定來說，通過以化學(xué)方式產(chǎn)生氣 態(tài)的BF3來回收所沉積的硼。然而，對(duì)于其它進(jìn)料來說，則已在熱的離子源中形成有 害的沉積物。其實(shí)例包含銻(Sb)金屬及固態(tài)的銦(In),其離子用于摻雜硅襯底。
在離子源的設(shè)計(jì)包含必須保持低于其居里(Curie)溫度的永久磁鐵的應(yīng)用中，或 在離子源經(jīng)設(shè)計(jì)以使用在暴露到熱的表面時(shí)會(huì)被分解的熱敏進(jìn)料的應(yīng)用中，或者在同 時(shí)存在這兩種狀況的應(yīng)用中，則使用冷的離子源，例如使用浸沒式RF天線來激勵(lì)源 等離子體的RF桶型離子源(例如參見萊翁(Leung)等人的美國(guó)專利第6，094，012號(hào)， 其以引用方式并入本文中)。冷的離子源會(huì)比熱的離子源在更大程度上受到進(jìn)料的沉積的影響。使用鹵代進(jìn)料來形成摻雜劑可有助于在一定程度上減少沉積物，然而在某 些情形中，卻偏好使用例如氫化物等非鹵素進(jìn)料而不使用鹵代化合物。在非鹵素應(yīng)用 中，使用例如氣態(tài)82&、 AsH3及PH3等離子源進(jìn)料。在某些情形中，使用氣化形式 的元素As及P。在冷的離子源中使用這些氣體及蒸氣已造成了明顯的材料沉積且要求 移除并清洗所述離子源一有時(shí)要頻繁進(jìn)行。使用B2He及PH3的冷離子源如今在FPD 植入工具中很常用。這些離子源會(huì)受到交叉污染(N型摻雜劑與P型摻雜劑之間)且 還會(huì)因存在沉積物而形成粒子。當(dāng)運(yùn)送到襯底時(shí)，粒子會(huì)對(duì)產(chǎn)率產(chǎn)生不良影響。在歷 史上，交叉污染效應(yīng)一直迫使FPD制造商使用專用的離子植入機(jī)對(duì)N型離子使用一 種離子植入機(jī)，對(duì)P型離子使用一種離子植入機(jī)，這已嚴(yán)重影響了所有者的成本。 氫化硼
作為離子植入源材料，諸如Bu)HM (十硼烷)及B,sH22 (十八硼烷)等氫化硼材 料已引起了人們的關(guān)注。在適當(dāng)?shù)臓顩r下，這些材料形成離子BK)Hx+、 B1()HX—、 B1SHX+ 及B,sH/。當(dāng)被植入時(shí)，這些離子會(huì)形成非常淺的高劑量P型植入以在CMOS制造過 程中形成淺的接面。由于這些材料在室溫下為固體，因而必須將其氣化并將蒸氣引入 到離子源中來進(jìn)行離子化。其為低溫材料(例如十硼烷在IO(TC下熔化，且在室溫下 的蒸氣壓力約為0.2托；此外，十硼烷還在350。C以上離解)，且因而必須在冷離子源 中使用。其為脆弱的分子，例如在熱的等離子體源中容易離解。 氫化硼的污染問題
諸如十硼烷及十八硼烷等氫化硼在用于產(chǎn)生離子束時(shí)會(huì)因其易于在離子源內(nèi)離 解這一傾向而造成嚴(yán)重的沉積問題。這些材料在伯納斯(Bernas)類型的電弧放電離 子源中以及在電子碰撞("軟")離子化源中的使用已證實(shí)，含有硼的沉積物以相當(dāng) 大的速率在離子源內(nèi)積聚。實(shí)際上，引入到所述源中的氫化硼蒸氣有多達(dá)一半會(huì)以離 解的、冷凝的材料形式滯留于離子源中。最終，視離子源的設(shè)計(jì)而定，所堆積的冷凝 材料會(huì)干擾所述源的操作且使得有必要移除及清洗所述離子源。
在使用這些材料時(shí)，提取電極的污染也一直是一個(gè)問題。直接離子束轟擊及冷凝 的蒸氣二者均可形成會(huì)使離子束形成光學(xué)元件的操作劣化的層，因?yàn)檫@些含硼的層看 起來是電絕緣性的。 一旦沉積電絕緣層，其就會(huì)積聚電荷并在擊穿時(shí)形成真空放電或 者所謂的"閃信號(hào)此類不穩(wěn)定性會(huì)影響離子束的準(zhǔn)確質(zhì)量并可能導(dǎo)致形成污染粒子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于通過在提取電極處放電來產(chǎn)生離子束而不擾亂所 述離子束的穩(wěn)定性的方法及設(shè)備且提供一種用于產(chǎn)生可增加服務(wù)壽命且減少設(shè)備停工 時(shí)間的離子束的方法及設(shè)備。
本發(fā)明特征是一種用于從離子源提取離子的提取電極，其中所述電極包含有源熱 控制系統(tǒng)。本發(fā)明的另一特征是一種用于離子源及相關(guān)聯(lián)的提取電極以及離子束產(chǎn)生系統(tǒng) 的類似組件的原位清洗程序及設(shè)備，其可周期性地以化學(xué)方式移除沉積物，從而延長(zhǎng) 使用壽命且增強(qiáng)性能而無需將系統(tǒng)解體。
本發(fā)明的特征還在于一種有效受熱的離子提取電極，其由一種會(huì)減少放電的頻率 及發(fā)生率的材料組成，此材料優(yōu)選地為一種金屬。
另一特征在于，大體來說，將提取電極加熱到離子源的進(jìn)料的冷凝溫度以上，在 優(yōu)選情形中，所述電極由金屬(優(yōu)選地為鋁或鉬)構(gòu)成。
本發(fā)明的特征還有一種適用于原位反應(yīng)性氣體清洗的由鋁構(gòu)成的離子提取電極。 優(yōu)選的實(shí)施例包含提供用于對(duì)適用于所述電極經(jīng)構(gòu)造以與其一起操作的離子源類型的 提取電極的有效溫度控制。各實(shí)施例的特征為用于與冷操作離子源一起操作的提取電 極的有效加熱、用于與熱操作離子源一起操作的提取電極的有效冷卻及用于選擇性地 與冷及熱操作離子源一起操作的對(duì)提取電極的有效加熱及冷卻。
本發(fā)明的這些及其它創(chuàng)新可包含一個(gè)或一個(gè)以上如下特征
提供反應(yīng)性氣體的供應(yīng)并將其引入到離子源中，且通過暴露到來自所述供應(yīng)的反 應(yīng)產(chǎn)物(例如，氟原子F或氟分子F2)來原位清洗離子源及提取電極；將所述氟原子 或氟分子從遠(yuǎn)程等離子體源注入到所述離子源中；通過暴露到從遠(yuǎn)程供應(yīng)流過的氣體 CIF3來清洗所述離子源及提取電極；在操作的清洗階段期間將離子化設(shè)備的反應(yīng)組件 與反應(yīng)性氣體屏蔽開；所述離子源由鋁制成；所述提取電極由鋁制成；所述提取電極 的前面不具有尖銳或粗糙特征；對(duì)所述提取電極的板進(jìn)行有效的溫度控制；有效地加
熱所述提取電極的板；對(duì)所述提取電極的加熱是輻射式或電阻式的；有效地冷卻其它 情況下的提取電極的板。
另一特征是使用與適于形成特別易于熱分解及沉積的進(jìn)料的"簇"或"分子"離 子束的設(shè)備一起描述的特征。
盡管大多數(shù)離子植入專家認(rèn)同，使用氫化硼來形成諸如Bn)Hx+及B,sH/等"簇" 離子束對(duì)于形成淺的接面來說極具吸引力，然而用于離子化及運(yùn)送這些大的分子的構(gòu) 件已造成了某些問題。例如，美國(guó)專利第6,288,403號(hào)及第6，452，338號(hào)描述了已成功 產(chǎn)生十硼烷離子束的離子源。然而，己發(fā)現(xiàn)，與其它用于進(jìn)行離子植入的市售離子源 相比，此類十硼烷離子源具有特別短的使用壽命。這樣短的使用壽命主要?dú)w因于含硼 沉積物在離子源內(nèi)的積聚及絕緣涂層在離子提取電極上的沉積一此造成了離子束不穩(wěn) 定性，從而需要使植入機(jī)停機(jī)并進(jìn)行維護(hù)。
根據(jù)另一特征，提供用于明顯減少此種沉積物在氫化硼離子源中及在離子提取電 極上的沉積的構(gòu)件，并提供用于清洗這些組件上的沉積物而無需將其從離子植入機(jī)移 除(即，原位進(jìn)行)的構(gòu)件。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制造中具有長(zhǎng)使用壽命的氫化硼簇 離子束的商業(yè)使用。
本發(fā)明的一個(gè)特定方面是一種用于產(chǎn)生離子束的系統(tǒng)，其包括離子源與經(jīng)有效溫 度控制的提取電極及反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)的組合，所述離子源包括連接到高電壓電源且具有氣態(tài)或氣化進(jìn)料入口的離子化室、用于在所述離子化室內(nèi)將所述進(jìn)料離子化的 可通電的離子化系統(tǒng)及與真空外殼連通的提取孔，所述真空外殼由真空抽吸系統(tǒng)抽成 真空，所述提取電極設(shè)置于所述離子化室外面的所述真空外殼中、與所述離子化室的 所述提取孔對(duì)齊并適于維持在低于所述離子化室的電壓以下的電壓，以通過所述孔從 所述離子化室內(nèi)提取離子，且所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)可在所述離子化室及離子化系 統(tǒng)被斷電時(shí)工作，以提供通過所述離子化室且通過所述離子提取孔的反應(yīng)性氣體流來 與所述離子產(chǎn)生系統(tǒng)的至少某些表面上的沉積物反應(yīng)并移除所述沉積物。 此方面的優(yōu)選實(shí)施例具有一個(gè)或一個(gè)以上如下特征-
所述系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以用于在半導(dǎo)體晶片中植入離子，所述離子化室具有小于約100 ml的容積及小于約200 cm2的內(nèi)表面面積。
所述系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以以小于約2標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的流速產(chǎn)生流入所述離子化室中的反 應(yīng)性氣體流。
所述提取電極經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生適于運(yùn)送到利用地點(diǎn)的加速的離子束。 所述提取電極位于從所述提取孔向所述真空抽吸系統(tǒng)移動(dòng)的反應(yīng)性氣體路徑內(nèi)，
以使所述提取電極由所述反應(yīng)性氣體清洗。
所述提取電極與加熱器相關(guān)聯(lián)，以在所述提取電極提取產(chǎn)生于所述離子化室中的
離子期間使所述電極維持在較高的溫度，例如高于從固體形成的熱敏蒸氣的冷凝溫度、
低于離解溫度。
所述提取電極與冷卻裝置相關(guān)聯(lián)，例如當(dāng)所述電極由熱敏材料制成并與熱的離子 源一起使用時(shí)。
所述提取電極具有光滑的、無特征的外表。
所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)包括等離子體室，所述等離子體室經(jīng)布置以接收能夠
被等離子體離解的饋送氣體以產(chǎn)生通過室出口的反應(yīng)性氣體流；及用于將所述反應(yīng)性
氣體運(yùn)送到所述離子化室的導(dǎo)管。
所述等離子體室經(jīng)構(gòu)造及布置以接收及離解一種能夠被離解成氟原子的化合物，
例如NF3、 C3Fs或CF4。
所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造及布置以共享與所述離子源相關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)施。 所述系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以引導(dǎo)離子束穿過質(zhì)量分析器，其中所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)經(jīng)
構(gòu)造及布置以與所述質(zhì)量分析器共享輔助設(shè)施。
所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)包括來自高壓反應(yīng)性氣體(例如C1F3)容器的導(dǎo)管。 所述系統(tǒng)與終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，所述終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)適于至少協(xié)助檢測(cè)所述反應(yīng)
性氣體與用于產(chǎn)生離子束的系統(tǒng)的表面上的污染物的反應(yīng)基本完成。
所述終點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)包括用于已在所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)操作期間暴露到所述
表面的氣體的化學(xué)組成的分析系統(tǒng)。
溫度檢測(cè)器經(jīng)布置以檢測(cè)所述反應(yīng)性氣體與所述系統(tǒng)的表面上的污染物的放熱
反應(yīng)基本結(jié)束。于所述離子化室內(nèi)或與所述離子化室連通的易 于受到所述反應(yīng)性氣體損壞的組件，且經(jīng)提供以將所述組件與流過所述系統(tǒng)的反應(yīng)性 氣體屏蔽開的構(gòu)件。
用于屏蔽所述組件的所述構(gòu)件包括用于產(chǎn)生穿過所述組件的惰性氣體(例如氬) 流的布置。
用于屏蔽組件的所述構(gòu)件包括不能透過所述反應(yīng)性氣體的屏蔽部件。 所述系統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以與作為反應(yīng)性氣體的反應(yīng)鹵素氣體一起使用，且所述提取電極
及相關(guān)聯(lián)零件包括鋁(Al)或氧化鋁(A1203)。
所述離子源經(jīng)構(gòu)造以經(jīng)由電弧放電、RF場(chǎng)、微波場(chǎng)或電子束在所述離子化室內(nèi)
產(chǎn)生離子。
所述系統(tǒng)與可冷凝固態(tài)進(jìn)料氣化器相關(guān)聯(lián)以用于產(chǎn)生饋送給所述離子化室的饋 送蒸氣。
所述離子源經(jīng)構(gòu)造以將能夠形成簇離子或分子離子的進(jìn)料氣化，且所述離子化系 統(tǒng)經(jīng)構(gòu)造以將所述材料離子化以形成用于植入的簇離子或分子離子。
所述系統(tǒng)的真空外殼與抽吸系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，所述抽吸系統(tǒng)包括能夠產(chǎn)生高真空的高 真空泵及能夠產(chǎn)生真空的預(yù)抽泵，所述高真空泵可在所述離子源操作期間操作，且能 夠在所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)操作期間與所述真空外殼隔離，所述預(yù)抽泵可在所述反 應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)操作期間操作。
所述系統(tǒng)與離子植入設(shè)備相關(guān)聯(lián)，所述設(shè)備經(jīng)構(gòu)造以在真空室內(nèi)的提取電極植入 站之后運(yùn)送離子。在優(yōu)選實(shí)施例中，包含隔離閥以在所述反應(yīng)性氣體清洗系統(tǒng)操作期 間將所述植入站與離子化室及提取電極相隔離。
所述離子源經(jīng)構(gòu)造以且適于產(chǎn)生用于半導(dǎo)體處理的摻雜劑離子，且所述反應(yīng)性氣 體清洗系統(tǒng)適于向所述離子化室或所述提取電極遞送氟(F)離子或氯(Cl)離子以便 從表面清洗沉積物。
所述離子源適于受到溫度控制以達(dá)到既定溫度。
所述離子源適于產(chǎn)生含硼的離子束；在優(yōu)選實(shí)施例中，所述含硼的離子束通過向 所述離子源中饋送氣化氫化硼材料(尤其是十硼垸(B1QH14)或十八硼垸(B18H22)) 來產(chǎn)生。
所述離子源適于產(chǎn)生含砷的離子束。 所述離子源適于產(chǎn)生含磷的離子束。 所述離子源的離子化室包括鋁。
所述離子源的離子化室或所述提取電極包括耐受諸如氟(F)等鹵素氣體侵蝕的 材料。
本發(fā)明的另一個(gè)特定方面是一種使用前文說明中的任一者的系統(tǒng)或與離子植入 機(jī)相關(guān)聯(lián)的離子源及經(jīng)溫度控制的離子提取電極的系統(tǒng)進(jìn)行原位清洗的方法，其中在 離子源斷電且處于真空狀態(tài)時(shí)反應(yīng)鹵素氣體流入到所述離子源中。200780016534.1
此方面的實(shí)施例具有一個(gè)或一個(gè)以上如下特征-所述反應(yīng)鹵素氣體為氟(F)。 所述反應(yīng)鹵素氣體為氯(Cl)。
所述氟氣體從遠(yuǎn)程等離子體源引入到所述離子源中。 所述氟氣體由NF3等離子體在所述遠(yuǎn)程等離子體源中產(chǎn)生。 所述氟氣體由C3F8或CF4等離子體在所述遠(yuǎn)程等離子體源內(nèi)產(chǎn)生。 所述反應(yīng)性鹵素氣體為C1F3。
在所述離子源已將十硼烷Bu)Hw離子化后進(jìn)行所述清洗程序來移除沉積物。
在所述離子源已將十八硼垸B,8H22離子化后實(shí)施所述清洗程序來移除沉積物。
在所述離子源已將含砷的化合物(例如砷化三氫AsH3)或元素砷As離子化后進(jìn) 行所述清洗程序來移除沉積物。
在所述離子源已將含磷的化合物(例如元素磷P或三氫化磷PH3)離子化后進(jìn)行 所述清洗程序來移除沉積物。
在所述離子源已將含銻的化合物(例如三甲基銻Sb(CH4)3或五氟化銻SbF5)離子 化后進(jìn)行所述清洗程序來移除沉積物。
在為植入不同的離子物質(zhì)而更換離子源進(jìn)料的中間在離子植入機(jī)中原位地對(duì)離 子源進(jìn)行所述清洗程序。
本發(fā)明的另一特定方面是一種離子植入系統(tǒng)，其具有離子源及用于從所述離子源 提取離子的提取電極，其中所述提取電極包含加熱器，所述加熱器經(jīng)構(gòu)造以將所述電 極維持在足以明顯減少正被離子化的氣體或蒸氣及從中產(chǎn)生的產(chǎn)物在所述電極上的冷 凝的較高溫度。另一方面是這樣一種提取電極，其本身在這種系統(tǒng)中是有用的。
這些方面的實(shí)施例具有一個(gè)或一個(gè)以上如下特征
所述電極包括鋁。 所述電極由鉬構(gòu)成。 所述電極通過輻射式加熱來進(jìn)行加熱。 所述電極由電阻式加熱元件來加熱。
所述電極的溫度被控制到所期望的溫度，在某些實(shí)施例中，所述溫度介于150°C 與250'C之間。
所述電極通過暴露到含鹵素的反應(yīng)性氣體而周期性地被清洗。 所述電極包括從離子源沿離子束路徑緊靠連續(xù)地構(gòu)造及布置的至少兩個(gè)電極元 件，所述電極元件具有細(xì)長(zhǎng)的狹槽形式的可供帶狀離子束穿過的離子束孔，所述加熱 器包含設(shè)置在所述狹槽形式的孔的較長(zhǎng)側(cè)中的每一者上的加熱器部分。在某些優(yōu)選形 式中，至少一個(gè)電極元件包括界定其離子束孔的內(nèi)部部分及以導(dǎo)熱形式與所述內(nèi)部部 分關(guān)聯(lián)的外部部分，所述外部部分界定熱接收體面以吸收輻射的熱。在某些優(yōu)選形式 中，所述電極元件中的至少一者包括界定其離子束孔的部分，此部分經(jīng)暴露以用作用 于吸收輻射的熱接收體。
11所述加熱器包括連續(xù)的電阻加熱元件。在優(yōu)選形式中，此加熱元件經(jīng)布置以通過 輻射式加熱來加熱多個(gè)電極元件。優(yōu)選地將所述加熱元件密封在保護(hù)管內(nèi)以形成管式 加熱器，所述管經(jīng)構(gòu)造以由加熱元件內(nèi)部地加熱，且所述管經(jīng)暴露以通過輻射式加熱 來加熱電極元件，且所述管優(yōu)選地為環(huán)形配置且經(jīng)設(shè)置以環(huán)繞界定所述電極元件的各 部分的離子束路徑。
在優(yōu)選的形式中， 一種電極元件包括界定其離子束孔的內(nèi)部部分及以導(dǎo)熱形式與 所述內(nèi)部部分相關(guān)的外部部分，所述外部部分界定熱接收體面以吸收輻射的熱，管式 加熱器環(huán)繞所述離子束路徑且以輻射加熱的關(guān)系與所述接收體面相對(duì)。在一個(gè)優(yōu)選形 式中，提取電極的一對(duì)電極元件各自包括界定其離子束孔的內(nèi)部部分及以導(dǎo)熱形式與 所述內(nèi)部部分相關(guān)的外部部分，所述外部部分界定熱接收體面以吸收輻射的熱，所述 管式加熱器設(shè)置在其間，且與這兩個(gè)電極元件的接收體面成輻射加熱關(guān)系。此布置可 用于兩個(gè)電極元件的配置或具有兩個(gè)以上電極元件的配置中。在一個(gè)優(yōu)選形式中，除 所述對(duì)電極元件外，所述對(duì)之間至少設(shè)置有第三電極元件，所述第三電極元件包括界 定其離子束孔的部分，此部分經(jīng)暴露以用作用于從周圍的管式加熱器放射狀地向內(nèi)輻 射熱的熱接收體。
本發(fā)明的另一方面是一種原位清洗所描述的系統(tǒng)中的任一者的離子提取電極或 與離子植入機(jī)相關(guān)聯(lián)的經(jīng)溫度控制的離子提取電極的方法，其中在所述電極位于原位 且處于真空狀態(tài)時(shí)使反應(yīng)鹵素氣體在所述離子提取電極上方流動(dòng)。另一方面是經(jīng)構(gòu)造 以用于由此氣體進(jìn)行原位清洗的經(jīng)溫度控制的離子提取電極。
此方面的實(shí)施例具有一個(gè)或一個(gè)以上如下特征
所述反應(yīng)鹵素氣體為氟(F)或氯(Cl)。
將氟氣體從遠(yuǎn)程等離子體源引入到其中裝有所述提取電極的真空外殼中。 所述氟氣體由NF3等離子體在所述遠(yuǎn)程等離子體源中產(chǎn)生。 所述氟氣體由C3^或CF4等離子體在所述遠(yuǎn)程等離子體源中產(chǎn)生。
所述反應(yīng)性氣體為C1F3。
在所述離子源已將十硼烷B^HM離子化后進(jìn)行所述清洗程序來移除沉積物。
在所述離子源已將十八硼烷B^H22離子化后執(zhí)行所述清洗程序來移除沉積物。
在所述離子源已將含砷的化合物(例如三氫化砷AsH3)或元素砷As離子化后進(jìn) 行所述清洗程序來移除沉積物。
在所述離子源已將含磷的化合物(例如元素磷P或三氫化磷PH3)離子化后進(jìn)行 所述清洗程序來移除沉積物。
在為植入不同的離子物質(zhì)而更換離子源進(jìn)料的中間執(zhí)行所述清洗程序。 提供有原位蝕刻清洗的離子源及離子提取電極
根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，所述原位化學(xué)清洗工藝?yán)肍原子氣體在所述離子源及提取電 極仍保持安裝于離子束產(chǎn)生系統(tǒng)中時(shí)從離子源且從離子提取電極有效地清洗沉積物。 在優(yōu)選實(shí)施例中，采用具有受冷卻室壁的電子碰撞離子源。優(yōu)選地，所述離子經(jīng)室及源塊及提取電極包括鋁(即，由鋁或由含鋁的合金制造而成)，從而使得氟化鋁形成 于鋁表面上來充當(dāng)鈍化層，這樣可防止受到F的進(jìn)一步化學(xué)侵蝕。所述組合件的絕緣 體優(yōu)選地由同樣耐受F侵蝕的氧化鋁(A1203)形成。
此特征的一個(gè)實(shí)施例使用直接耦接到所述離子源的入口的遠(yuǎn)程反應(yīng)性氣體源的 出口。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述反應(yīng)性氣體源是用于向輔助離子化室中引入諸如N&或 C3Fs等蝕刻饋送氣體的等離子體源。通過在所述輔助室中維持等離子體，會(huì)產(chǎn)生諸如 F及F2等反應(yīng)性氣體，且這些反應(yīng)性氣體在引入到主離子源中之后會(huì)對(duì)所沉積的材料 產(chǎn)生化學(xué)侵蝕。氣體相的所釋放副產(chǎn)物通過所述離子化室的提取孔吸出，通過提取電 極，并由所述裝備的真空系統(tǒng)抽離，從而對(duì)所述室及所述離子提取電極進(jìn)行清洗。 沉積模型
通常所遵循的物理學(xué)原理是當(dāng)兩個(gè)物體相互作用時(shí)，可存在一種以上的結(jié)果。此 外，可為每一種結(jié)果指派概率或可能性，以便當(dāng)考慮所有可能的結(jié)果時(shí)，其單獨(dú)的概 率的和為100%。在原子及分子物理學(xué)中，有時(shí)將此類可能的結(jié)果稱為"通道"，且 與每一相互作用通道相關(guān)聯(lián)的概率稱作"剖面"。更確切地說，兩個(gè)微粒(比如電子 與氣體分子)彼此以任何方式相互作用的可能性為"總剖面"，而以某些類型相互作 用(例如由電子自身粘附到氣體分子從而形成負(fù)離子、或通過從氣體分子上移除電子 從而形成正離子、或通過將分子離解成若干片斷、或通過以靜電方式從分子散開而分 子無任何化學(xué)變化所表示的相互作用)的可能性為"部分剖面"。
此事件狀態(tài)可由數(shù)學(xué)關(guān)系式來表示，所述數(shù)學(xué)關(guān)系式將總的剖面。T表示為其/個(gè)
部分剖面的和
(1) CJT = CTi + Cf2 + (73 +…CJi , or
(2) Or=i:。i.
在離子植入機(jī)中使用的離子源通常顯示出不太大的離子化比例。也就是說，饋送 到離子源中的氣體或蒸氣中僅有很小比例(從百分之幾到百分之幾十)被離子化。其 余的氣體或蒸氣通常以氣相形式以其原始狀態(tài)或以某一其它中性狀態(tài)離開所述源。也 就是說，離子化剖面遠(yuǎn)小于總剖面。當(dāng)然，某些氣體成分可作為已沉積材料滯留在離 子源中，雖然對(duì)于常用的植入進(jìn)料來說這往往占總量的很小比例。盡管諸如元素As 或P等通過加熱而氣化的進(jìn)料比通常為氣態(tài)的進(jìn)料更易于產(chǎn)生沉積物，然而如果離子 源的壁處于比氣化器更高的溫度且不會(huì)造成嚴(yán)重的沉積風(fēng)險(xiǎn)，則受熱蒸氣往往以氣相 形式滯留。然而，當(dāng)(例如)從氣態(tài)BF3饋送氣體產(chǎn)生硼離子束以及從In及Sb產(chǎn)生 離子束時(shí)，仍可能會(huì)產(chǎn)生大量的有害沉積物。
此外， 一般來說，隨著時(shí)間的流逝，在提取電極上及在離子產(chǎn)生系統(tǒng)的某些其它 組件上確實(shí)會(huì)出現(xiàn)可冷凝材料的沉積物，從而會(huì)影響其在解體及清洗之前的操作壽命。
此外，在使用氫化硼的情況下，代表與離子化介質(zhì)(即離子源中的電子)的所有 相互作用的總剖面看起來較大，而離子化剖面較小，且最大的剖面代表氫化硼分子離解成若干非易失性片斷并隨后留存在離子源表面上的通道。這些片斷的沉積的問題會(huì) 受到為減小進(jìn)料熱分解而對(duì)離子化室的壁進(jìn)行冷卻的不利影響?？傊?，看起來所述源 中來自含硼片斷的氫化硼的沉積是一種基本的現(xiàn)象，其在作用于此材料的任何類型的 離子源中均會(huì)觀察到，且所述問題的解決受到半導(dǎo)體制造行業(yè)的廣泛、密切關(guān)注。還 發(fā)現(xiàn)，絕緣沉積物對(duì)離子提取電極的污染是氫化硼的一個(gè)問題，如下文中將更全面地 描述。
適用于氫化硼的電子碰撞離子源
一種特別適用于氫化硼的離子源是一種受到完全溫度控制的電子碰撞式離子源
(參見美國(guó)專利第6,452,338號(hào)及第6,686,595號(hào)；以及國(guó)際專利申請(qǐng)案第 PCT/US03/20197號(hào)一其均以引用方式并入本文中)；還參見圖7。所述離子源并非轟 擊電弧放電等離子體來形成離子，而是通過以一個(gè)或一個(gè)以上聚焦的電子束形式注入 的高能電子對(duì)工藝氣體使用"軟"的電子碰撞離子化。此"軟"離子化工藝會(huì)保持這 些大的分子從而形成離子化的簇。如圖7中所示，固體氫化硼材料在氣化器中受到加 熱且蒸氣通過蒸氣導(dǎo)管流到金屬室，即離子化室。位于所述離子化室外部的電子槍將 高能電子的高電流流運(yùn)送到離子化室中；此電子流大體平行于所述室正面中的細(xì)長(zhǎng)槽 而定向并與其相鄰。由離子提取電極從此槽提取出離子，從而形成高能離子束。在將 升華的氫化硼蒸氣運(yùn)送到離子化室期間，使所有表面保持在高于氣化器溫度(但遠(yuǎn)遠(yuǎn) 低于離解溫度)的溫度，以防止蒸氣冷凝。很多個(gè)小時(shí)的測(cè)試已證實(shí)，當(dāng)實(shí)施這一溫 度控制時(shí)，蒸氣饋送及閥門的表面確實(shí)會(huì)保持清潔。 延長(zhǎng)在使用十硼烷時(shí)在各次清洗之間的離子源壽命
以定量方式對(duì)蒸氣流量對(duì)源壽命(維護(hù)間隔)的影響進(jìn)行了研究。使電子碰撞式 離子源以既定的蒸氣流量在受控條件下以十硼烷進(jìn)料連續(xù)運(yùn)行，直到已確定材料堆積 正導(dǎo)致十硼垸束電流顯著降低為止。測(cè)試了從約0.40 sccm到1.2 sccm不等的五種不 同的流速。這可形成從約150 )iA到700 mA不等的經(jīng)質(zhì)量分析的十硼垸束電流
(B1QHx+)。應(yīng)注意，在離子植入中使用的離子源中的典型饋送氣體流量在介于1到 約3sccm之間，因而將此測(cè)試范圍視為"低"流量狀況。
在圖5中歸納了這些壽命測(cè)試的結(jié)果。其顯示為簡(jiǎn)單的模型一雙曲線函數(shù)。這不 會(huì)使人感到意外；如果采用O蒸氣流量，則源壽命原理上將為無限大；而如果采用極 高的蒸氣流量，則源壽命將漸進(jìn)地降低到O。因此，可將所述模型表達(dá)為-(3)(流速)X(流動(dòng)持續(xù)時(shí)間)-常數(shù)。
方程式(3)僅僅表明壽命(即，流動(dòng)持續(xù)時(shí)間)與流速成反比；所述常數(shù)為所 沉積材料的量。如果方程式(3)是準(zhǔn)確的，則所沉積材料的比例與材料的流速無關(guān)， 這與我們的描述離解及隨后的沉積為固定剖面的模型相一致。這些數(shù)據(jù)顯示，在以約 0.5 sccm的十硼垸蒸氣流量使用電子碰撞式離子源時(shí)，可使得專門使用十硼垸保持達(dá) 100小時(shí)以上。盡管在許多情況下這是可以接受的，但在商業(yè)化半導(dǎo)體制造設(shè)施中， 卻期望使源壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于200個(gè)小時(shí)。而當(dāng)將離子源與本發(fā)明的新穎的原位清洗程序結(jié)合使用時(shí)，就會(huì)獲得大大延長(zhǎng)的源壽命。所述原位清洗包含如下文所全面描述的對(duì) 離子提取電極的清洗。
原位離子源及離子提取電極化學(xué)清洗的某些特征的優(yōu)點(diǎn)
使用輔助離子源產(chǎn)生反應(yīng)性氣體以便原位清洗離子源及離子提取電極會(huì)存在幾 種非常重要的優(yōu)點(diǎn)。已開發(fā)出此類等離子體源來用于從工藝排放系統(tǒng)中移除流出物的 應(yīng)用(例如由優(yōu)儀(Advanced Energy)公司提供的石蕊(Litmus) 1501)、及用于清 洗大的CVD處理室(例如MKS阿斯創(chuàng)(MKSAstron)反應(yīng)性氣體產(chǎn)生器)，但就本 發(fā)明發(fā)明者所知，先前人們還未認(rèn)識(shí)到可將遠(yuǎn)程反應(yīng)性氣體產(chǎn)生器有用地應(yīng)用于對(duì)用 于產(chǎn)生離子束的離子源的離子化室及提取電極進(jìn)行原位清洗。己使用諸如MKS阿斯 創(chuàng)(MKSAstron)等遠(yuǎn)程反應(yīng)性氣體產(chǎn)生器來清洗處理室(即，其中處理半導(dǎo)體晶片 的相對(duì)大的真空室)，這是一種使用高饋送氣體流量(數(shù)標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(SLM))的應(yīng) 用，且對(duì)等離子體源施加高RF功率(約6kW)。本發(fā)明的系統(tǒng)可對(duì)于被清洗的離子 源的離子化室的極小容積(半導(dǎo)體晶片植入機(jī)的離子化室的容積通常小于約100 ml， 例如僅約75ml，且表面積小于約200 cm2，例如約100 cm2)使用小得多的饋送氣體 流速(例如小于約0.5 SLM的NF》及小得多的RF功率(小于約2.5kW)。流入離 子化室中的反應(yīng)性氣體流小于約2標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘。
人們可能會(huì)對(duì)使用外部離子源產(chǎn)生等離子體副產(chǎn)物來引入到系統(tǒng)的主離子源中 而感到奇怪；為什么不只是將(例如NF3)氣體直接引入到主離子源中以在所述源內(nèi) 直接形成等離子體副產(chǎn)物？理由看起來并不明顯。為了在離子植入系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí) 間(生產(chǎn)周期)的很小的比例期間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過饋送氣體沉積速率的蝕刻速率，已發(fā) 現(xiàn)，與在離子植入時(shí)主離子源的典型饋送流速處于1-3 sccm范圍內(nèi)相比，必須使反應(yīng) 性氣體以相對(duì)極高的流量產(chǎn)生并引入到小的離子化室中(例如流量處于102至103 sccm 數(shù)量級(jí))；如此高的流量將會(huì)使主離子源的離子化室內(nèi)的壓力遠(yuǎn)超過其經(jīng)設(shè)計(jì)以進(jìn)行 離子植入的操作壓力。此外，在主離子源內(nèi)維持高密度NF3等離子體將會(huì)蝕刻掉敏感 組件，例如熱的鎢燈絲。這是因?yàn)辂u素氣體會(huì)以隨溫度以指數(shù)方式升高的高速率蝕刻 掉耐高溫金屬。(例如，羅斯納(Rosner)等人提出一種用于對(duì)鎢襯底進(jìn)行F蝕刻的 模型
(4) 速率(微米/分鐘)=2.92xlO'"TVlNFe'3900;T，
其中Np為氟的濃度，單位為原子/cm3，且T為以開爾文溫度表示的襯底溫度。) 由于實(shí)際上用于離子植入的所有離子源均包含熱的燈絲，且由于在許多情形中，
離子源室也由例如Mo及W等耐高溫金屬或石墨(其會(huì)受到F的強(qiáng)烈侵蝕)制成，因 而在高溫操作條件下這些離子源將很快地失效，從而無法使用蝕刻清洗過程。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，使氟原子以100 sccm或以上的流速進(jìn)入斷電的主離子源 的低溫離子化室中，且流入離子化室內(nèi)的總氣體流量為500sccm或以上。在這些條件 下，離子化室內(nèi)的氣體壓力約為0.5托，而植入機(jī)的真空源外殼內(nèi)的壓力則為數(shù)十毫 托或以上。在優(yōu)選操作模式中，在清洗階段之前，關(guān)閉離子源的真空外殼與植入機(jī)真空系統(tǒng)之間的隔離閥，并對(duì)離子源的渦輪分子泵進(jìn)行隔離。然后，用真空系統(tǒng)中的大容量低真空泵(即，通常對(duì)渦輪分子泵進(jìn)行支持并將真空系統(tǒng)抽空到"低"真空的泵)來抽吸離子源的所述外殼，其中包含含有離子提取電極的空間。 '
圖5所示的相關(guān)蝕刻清洗過程的不同實(shí)施例是利用一種例如CIF3的"干蝕刻"氣體。如在上文所看到，C1F3分子在接觸到待清洗的沉積表面時(shí)會(huì)分解；從而釋放出氟
原子及氯原子而無需產(chǎn)生等離子體。盡管C1F3氣體因具有高度的反應(yīng)性而需要使用專門設(shè)備，然而其在原理上可將化學(xué)清洗過程簡(jiǎn)化到不需要輔助的反應(yīng)性氣體等離子體源的程度。由于有毒氣體是按例行程序饋送離子植入機(jī)的離子源內(nèi)，因而所述設(shè)備中的大部分己構(gòu)造成"有毒氣體友好"形式，且可直接增設(shè)一種包含C1F3的單獨(dú)的氣體分配系統(tǒng)。
對(duì)離子植入機(jī)的離子源及離子提取電極進(jìn)行原位化學(xué)清洗的優(yōu)點(diǎn)包含a)將源的壽命延長(zhǎng)到數(shù)百或者可能數(shù)千小時(shí)后才需要維護(hù)；b)減輕或消除因更換物質(zhì)而引起的交叉污染，例如當(dāng)從十八硼垸離子植入變換到砷或磷離子植入時(shí)，及從砷或磷離子植入變換到十八硼垸離子植入時(shí)；及c)在離子源的使用壽命期間保持最高的離子源性能。
例如，每八個(gè)小時(shí)(即操作人員每換一次班)及在每一次物質(zhì)更換的中間執(zhí)行10分鐘化學(xué)清洗協(xié)議對(duì)植入機(jī)正常運(yùn)行時(shí)間的影響將微乎其微，且對(duì)于現(xiàn)代半導(dǎo)體制作工廠來說將是可接受的。終點(diǎn)檢測(cè)
已認(rèn)識(shí)到，在清洗過程期間提供終點(diǎn)檢測(cè)以便可產(chǎn)生關(guān)于清洗過程的功效及所需持續(xù)時(shí)間的定量信息并可確保所述化學(xué)清洗過程的重復(fù)性將是有益的。圖3顯示用于對(duì)所述清洗過程進(jìn)行取樣的壓差四極質(zhì)量分析器(殘余氣體分析器，RGA)。例如，通過監(jiān)測(cè)諸如F、 Cl、 BF3、 AsF3、 A1F3、 WF6等清洗氣體產(chǎn)物的濃度，可對(duì)清洗過程進(jìn)行微調(diào)及校正?；蛘撸衫帽O(jiān)測(cè)所述過程的光學(xué)構(gòu)件。FTIR光學(xué)分光計(jì)可通過視口來監(jiān)測(cè)存在于植入機(jī)離子源的真空外殼中的氣體。在某些情形中，對(duì)于原位監(jiān)測(cè)裝置來說，可優(yōu)選地使用此非侵入性(移位)方法來識(shí)別化學(xué)物質(zhì)。或者，參見圖4，可抽取的FTIR分光計(jì)可耦合到所述源真空外殼來進(jìn)行終點(diǎn)監(jiān)測(cè)。 一種用于完成終點(diǎn)檢測(cè)的新穎方法由如下來組成在清洗期間監(jiān)測(cè)離子化室的溫度。由于化學(xué)反應(yīng)會(huì)放出熱量，因而在反應(yīng)期間會(huì)釋放出能量，從而使室的溫度升高。在原理上可使用此效應(yīng)來確定反應(yīng)速率何時(shí)逐漸減小。新穎的離子提取電極
諸如十硼垸及十八硼烷等氫化硼是熱敏材料。其在溫度為2(TC與IO(TC之間氣化
并冷凝。因此，使這些材料所接觸到的所有表面的溫度保持高于氣化器溫度(但低于其離解溫度)以防止冷凝是很重要的。我們已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用這一氫化硼時(shí)，對(duì)提取電極的污染會(huì)成為一個(gè)問題。直接離子束轟擊與冷凝的饋送蒸氣或其分子離解產(chǎn)物二者均可使用于形成離子束的光學(xué)裝置的操作降級(jí)，因?yàn)檫@些含硼的層看起來是電絕緣的。一旦沉積形成電絕緣層，其就會(huì)獲取電荷("充電")并在電擊穿時(shí)形成真空放電或
16"閃信號(hào)"。這一放電會(huì)導(dǎo)致離子束電流不穩(wěn)定并可導(dǎo)致形成可到達(dá)離子束所射向的處理室的粒子。在現(xiàn)代半導(dǎo)體制造設(shè)施中，離子束產(chǎn)生系統(tǒng)每小時(shí)經(jīng)歷許多次閃信號(hào)的離子植入機(jī)將被認(rèn)為不具備生產(chǎn)用價(jià)值。此外，即使在因絕緣涂層變厚而不存在此類放電時(shí)，電極表面上的電荷也會(huì)形成可造成束調(diào)向效應(yīng)的不期望的雜散電場(chǎng)，從而造成離子束損失并可能不利地影響離子束的質(zhì)量。
新的信息的發(fā)現(xiàn)己促成了一種對(duì)此問題的健全的解決方案。大多數(shù)植入機(jī)離子提取電極是由石墨制成的。人們已發(fā)現(xiàn)石墨在此應(yīng)用中具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中包含材料成本低、易于機(jī)械加工、導(dǎo)電率高、熱膨脹系數(shù)低及在高溫下具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。然而，在使用石墨提取電極時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生氫化硼離子束之后存在不穩(wěn)定性。懷疑是電極表面已變成絕緣性。已收集了電極沉積物的樣本并用X射線熒光分光計(jì)進(jìn)行了化學(xué)分析。研究表明，其化學(xué)計(jì)量成分與一種B2C形式的硼-碳化合物一致，而人們發(fā)現(xiàn)B2C為絕緣性的。另外，離子源附近的金屬表面，包含離子源的前面板(即離子提取孔板)在長(zhǎng)期使用后看起來也已沉積有絕緣涂層。當(dāng)時(shí)設(shè)想用鋁來制成所述電極，并提供輻射式加熱器來將電極板(即抑制電極及接地電極)保持在經(jīng)良好控制的高到足以防止十硼垸及十八硼垸冷凝的高溫下(參見圖9、 11)。此外，面朝離子源的抑制電極是由單件經(jīng)過機(jī)械加工的鋁制成，具有光滑、無特征的外觀，且所有緊固件均位于板的背面上D此配置顯著減小了在萬一形成絕緣涂層時(shí)放電點(diǎn)的數(shù)目及嚴(yán)重程度，其采用了如下原理"點(diǎn)"或尖銳特征處的電場(chǎng)強(qiáng)度要比光滑表面處的電場(chǎng)強(qiáng)度大許多倍。
由此產(chǎn)生的提取電極表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并以極低的閃信號(hào)頻率可靠地操作了IOO小時(shí)以上(至少為石墨電極的十倍)。此巨大的改進(jìn)歸因于i )采用了 Al構(gòu)造
(即金屬與石墨相比)，ii)對(duì)電極板進(jìn)行了有效的加熱及溫度控制，及(iii)電極表面光滑。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用十硼烷時(shí)使電極板在200'C下操作會(huì)得到良好的結(jié)果，從而顯著減少沉積的材料量。 一般來說，應(yīng)使提取電極的溫度保持低于進(jìn)料的離解溫度。在使用十硼垸的情況下，應(yīng)使溫度保持低于35(TC，優(yōu)選地處于15(TC到25(TC范圍內(nèi)。在使用十八硼垸進(jìn)行操作時(shí)，溫度則不應(yīng)超過16(TC，因?yàn)樵诟哂诖藴囟葧r(shí)會(huì)在十八硼烷中發(fā)生化學(xué)變化；當(dāng)使用十八硼垸時(shí)，使提取電極溫度處于12(TC與150'C之間會(huì)得到良好的結(jié)果。
圖11中所示的輻射式設(shè)計(jì)表現(xiàn)出極佳的溫度均勻性。在包含電阻式加熱器、尤其是如圖12所圖解說明使用鋁電極時(shí)，也可產(chǎn)生良好的均勻性并得到一種需要更少維護(hù)的更緊湊的設(shè)計(jì)。參照?qǐng)D1A-1L描述了并入來自圖11及12兩種設(shè)計(jì)的所期望特征的另一設(shè)計(jì)。
其它金屬(例如鉬)也將適用于構(gòu)造受熱提取電極。鉬具有耐高溫的優(yōu)點(diǎn)，因而其可耐受極高的溫度。其還具有良好的導(dǎo)熱性。另一方面，鋁像In及B—樣是周期表中的ni族元素，且因此具有僅是硅中的輕微污染物的優(yōu)點(diǎn)(其是硅中的p型摻雜劑)，而諸如鉬等過渡金屬則非常不利于集成電路中的載流子壽命。鋁還不易受到鹵素的侵蝕，而諸如鉬等過渡金屬則易于受到侵蝕，尤其是在高溫情況下。然而，鋁的主要缺點(diǎn)在于其不是高溫材料且應(yīng)在約40(TC以下使用。
出于這些原因，視特定用途而定，所述受熱電極通常由一種選定的耐高溫材料構(gòu)成，當(dāng)與原位蝕刻清洗結(jié)合使用時(shí)，通常優(yōu)選地使用鋁或含鋁的合金。
通過提供有效電極冷卻以及有效加熱的替代方案，由鋁構(gòu)成的適于進(jìn)行鹵素清洗的經(jīng)溫度控制的離子提取電極可與不同類型的可互換離子源或與多模離子源一起使用。所述鋁電極可與冷離子源一起使用(在此期間加熱提取電極以阻止污染并避免不穩(wěn)定操作)，且與熱離子源一起使用(在此期間冷卻提取電極以將其溫度保持在約400
匸以下以維持其空間穩(wěn)定性)。


圖1:包含反應(yīng)性氣體清洗的離子束產(chǎn)生系統(tǒng)。
圖1A:可用于圖1的系統(tǒng)的離子提取電極組合件。
圖1B及1C:分別沿圖1A的線1B及1C截取的剖面。
圖1D:所述組合件的分解圖1E及1F:安裝于操縱器上的組合件的透視圖。圖1G、 1H及1I:圖1A的組合件的加熱器的正交圖；圖1J及1K:加熱器的末端部分的剖視及側(cè)視圖；圖1L:加熱器控制電路。
圖2:包含反應(yīng)性氣體清洗的離子束產(chǎn)生系統(tǒng)的第二實(shí)施例。圖3:類似于圖1但包含氣化器及某些氣體分配元件的離子束產(chǎn)生系統(tǒng)。圖4:類似于圖2但包含氣化器及某些氣體分配元件的離子束產(chǎn)生系統(tǒng)。圖5:包含通過引入C1F3來進(jìn)行反應(yīng)性氣體清洗的離子產(chǎn)生系統(tǒng)。圖6:離子植入機(jī)的氣箱，其包含反應(yīng)性氣體等離子體源、饋送蒸氣源、離子源電子裝置及用于等離子體源的設(shè)施。
圖6A:類似于圖6的視圖，其顯示蒸氣流控制系統(tǒng)。圖6B:離子束產(chǎn)生系統(tǒng)的閥門示意圖。圖7:電子碰撞離子源。
圖7A:圖7的一部分的放大圖，其顯示對(duì)各元件的屏蔽。
圖7B: —實(shí)施例的控制圖。
圖8:離子提取電極。
圖9:離子提取電極光學(xué)裝置。
圖9A: B^H/離子束輪廓。
圖9B:具有加熱及冷卻特征及兩個(gè)電極元件的提取電極。
圖9C:具有加熱及冷卻特征及三個(gè)電極元件的提取電極組合件。圖10提取電極及操縱器。
圖11電極的端頭分解圖。
圖12電極端頭的第二實(shí)施例。
圖13B,oH/離子束電流-十硼烷流速曲線圖。
圖14壽命-十硼垸蒸氣流速曲線圖。
圖15Si試樣的蝕刻速率。
圖16離子植入機(jī)。
具體實(shí)施方式
新穎的離子束產(chǎn)生系統(tǒng)
圖l顯示離子束產(chǎn)生系統(tǒng)。如在此實(shí)例中所示，其適于產(chǎn)生用于運(yùn)送到離子植入
室以供植入到半導(dǎo)體晶片或平板顯示器中的離子束。圖中顯示離子源400、提取電極405、真空外殼410、由電絕緣材料制成的電壓絕緣套管415、真空抽吸系統(tǒng)420、真空外殼隔離閥425、反應(yīng)性氣體入口 430、饋送氣體及蒸氣入口 441、蒸氣源445、饋送氣體源450、反應(yīng)性氣體源455、離子源高電壓電源460及所形成的離子束475。以411來指示離子束運(yùn)送外殼。離子源400經(jīng)構(gòu)造以提供簇離子及分子離子，例如氫化硼離子Bu)Hx+、 Bl0Hx-、 B18HxlB18Hx-，或者另外提供更常規(guī)的離子束，例如P+、 As+、B+、 In+、 Sb+、 Si+及Ge+。離子源400可以是伯納斯(Bernas)類型的電弧放電離子源(其在離子植入中最為常用)，或者"桶"型水冷離子源，其使用(例如)用于形成RF場(chǎng)以產(chǎn)生離子的浸沒式RF (射頻)天線、微波離子源或電子撞擊離子化源。用于待離子化的氣態(tài)進(jìn)料的氣體及蒸氣入口 441連接到適當(dāng)?shù)恼魵庠?45,蒸氣源445可緊靠氣體及蒸氣入口 441或者可位于更遠(yuǎn)的位置，例如位于終端殼體內(nèi)其它位置的氣體分配箱中。終端殼體是封閉所述離子束產(chǎn)生系統(tǒng)的金屬箱(未圖示)。其含有離子源所需的設(shè)施，例如抽吸系統(tǒng)、電源分配、氣體分配及控制設(shè)施。當(dāng)采用質(zhì)量分析來選擇離子束中的離子物質(zhì)時(shí)，所述質(zhì)量分析系統(tǒng)也可位于所述終端殼體中。
為提取出能量界定分明的離子，由高電壓電源460使離子源400相對(duì)于提取電極405及真空外殼410保持高的正電壓(在其中產(chǎn)生帶正電荷的離子束的更常見情形中)。提取電極405靠近離子化室的提取孔504設(shè)置并與其對(duì)齊。其由至少兩個(gè)含有孔的電極板組成最接近離子化室500的所謂的抑制電極406及"接地"電極407。抑制電極406相對(duì)于接地電極407承受負(fù)偏壓，以拒斥或抑制當(dāng)產(chǎn)生帶正電荷的離子束時(shí)被吸引到承受正偏壓的離子源400的不希望有的電子。接地電極407、真空外殼410及終端殼體(未圖示)全部處于所謂的終端電位(其處于接地電位，除非期望使整個(gè)終端在接地電位以上浮動(dòng))，在某些植入系統(tǒng)(例如對(duì)于中等電流離子植入機(jī)來說)中即為此種情形。提取電極405可以是下文所描述的新穎的溫度控制金屬設(shè)計(jì)。
(如果產(chǎn)生帶負(fù)電荷的離子束，則使離子源保持處于高的負(fù)電壓并進(jìn)行其它適當(dāng)?shù)淖兓?，終端殼體通常仍保持在接地電位。)新穎的經(jīng)有效加熱的提取電極
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易了解離子植入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中提取電極的離子加速及離子束形成效應(yīng)("離子光學(xué)效應(yīng)")。
如本文中將隨后描述，圖9、 9B、 9C、 11及12中顯示經(jīng)有效溫度控制的提取電極設(shè)計(jì)。圖1A到1L中顯示適于十硼烷及十八硼烷的離子束的"三明治"形式的經(jīng)有效加熱的提取電極布置，現(xiàn)在將對(duì)其進(jìn)行描述。
參照?qǐng)D1A到1L，提取電極805由沿離子束路徑緊密連續(xù)安裝的抑制電極元件810及接地電極元件820構(gòu)成。所述離子通過電場(chǎng)效應(yīng)從圖1的加正偏壓的離子源400抽取到提取電極805。所述離子作為高能的聚焦的帶狀離子束475沿離子束軸線530穿過電極805而傳播。將接地電極維持在周圍真空外殼410的電位且在離子束前進(jìn)越過提取電極時(shí)建立所述離子束的電位。相對(duì)于接地電極偏壓到負(fù)的幾千伏特的抑制電極810用于抑制因離子束轟擊而從所述抑制電極向下游產(chǎn)生的二級(jí)電子。這可防止高能電子流回到承受正偏壓的離子源400中。
抑制電極元件810及接地電極元件820由鋁制成，且具有光滑的經(jīng)細(xì)致拋光的表面以使局部電場(chǎng)最小化。由這些元件構(gòu)成的提取光學(xué)組件805安裝于如圖1E及1F中所示的操縱器610A上。此操縱器用于(例如)使電極805與離子源及下游組件對(duì)齊，且用于改變離子光學(xué)系統(tǒng)的焦距。如圖所指示，所述操縱器能夠在橫切于狹槽狀孔的短尺寸的X方向上及沿離子束的軸線的Z方向上進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。其還使得能夠繞X軸旋轉(zhuǎn)。
電極元件810及820各自由兩部分構(gòu)成，分別為孔界定的內(nèi)部部分810A及820A以及圓盤狀的外部部分810B及820B。加熱器830設(shè)置("夾置")在這些電極元件之間，但不與其接觸而隔開以使得從加熱器到電極元件的熱傳遞通過輻射來完成。內(nèi)部部分810A及820A在電極元件中形成細(xì)長(zhǎng)的狹槽狀孔A以供來自離子源400的離子通過，且用于建立電場(chǎng)以供所述離子暴露到其中。電極元件的外部部分810B及820B可提供多種功能其支撐內(nèi)部電極部分，其充當(dāng)軸向的寬闊的熱接收體以吸收從設(shè)置在其間的輻射式加熱器830大體軸向輻射的熱，且其界定低電阻的導(dǎo)熱路徑，熱可沿所述路徑以傳導(dǎo)方式放射狀地從外部部分流向內(nèi)部部分。在所顯示的優(yōu)選形式中，每一電極元件均為一件經(jīng)機(jī)械加工的鋁，且同樣提供從其外部電極部分到其內(nèi)部電極部分的優(yōu)良的導(dǎo)熱路徑。在其它設(shè)計(jì)中，所述電極的內(nèi)部部分可離散地形成為可替換單元，且可通過壓縮在這兩部分之間的導(dǎo)熱金屬襯墊熱連接到永久安裝的外部部分。此外，所述電極元件的外部部分不是平坦的圓盤，而是其可呈其它熱接收形式，例如呈圓錐形或彎曲的剖面。
安裝在兩個(gè)外部電極部分810A與820A之間的輻射式加熱器830經(jīng)配置以環(huán)繞內(nèi)部電極部分810B及820B及離子束路徑。在此實(shí)施方案中，所述加熱器為環(huán)形管加熱器，如圖1A及1F?？傊睆酱笥讵M槽狀離子束孔A的長(zhǎng)尺寸L的加熱器830環(huán)繞所述孔。其位于離子束軸線530的中心上。加熱器830由抗化學(xué)腐蝕的中空外部輻射管831構(gòu)成，例如，由諸如IncaloyTM等不銹鋼制成。管831內(nèi)部的中央是電阻加熱元件832，例如，鎳鉻鐵合金線。由絕緣材料833 (例如氧化鎂，見圖1J)將電阻線保持在其中央位置。此類加熱器可作為(例如)WatrodTM加熱器從瓦特隆(Watlow)獲得。為防止加熱線在反應(yīng)性氣體清洗期間受到化學(xué)蒸氣侵蝕，在加熱管末端采用玻璃氣密端密封835。鍍鎳的鋼頭導(dǎo)體834穿過密封件的中央從外部延伸，直到與管內(nèi)的電阻元件832電連接。在具有適當(dāng)選擇的絕緣支座(例如，由氧化鋁(A1203)制成)的情況下，且通過采用不銹鋼連接器，整個(gè)提取電極單元是耐氟的，且適于由反應(yīng)性氣體來原位清洗。
圖1L中顯示用于加熱器830的合適的功率控制電路的實(shí)例。熱電偶850以良好熱接觸的方式連接到提取電極組合件805的熱代表部分。熱電偶850饋送回到閉合循環(huán)PBD控制器860，例如歐姆龍E5CK (Omron E5CK)?？刂破?60連接到功率電路870的固態(tài)繼電器865。在操作時(shí)，在離子束產(chǎn)生系統(tǒng)的總體控制單元880處確定加熱提取電極組合件的設(shè)定點(diǎn)。所述設(shè)定點(diǎn)饋送到閉環(huán)PID控制器860?？刂破?60解釋設(shè)定點(diǎn)信號(hào)，讀取熱電偶850的溫度輸出并以將來自功率源875的適當(dāng)電功率施加到加熱器830以在熱電偶850處實(shí)現(xiàn)所期望溫度的方式來控制繼電器865的開與關(guān)階段。
在下文所描述的其它實(shí)施例中，此加熱布置能夠?qū)⑻崛‰姌O維持在經(jīng)良好控制的高到足以防止從將要描述的圖7及7A的相對(duì)冷操作離子源發(fā)出的十硼垸或十八硼垸蒸氣冷凝的高溫下。由耐氟材料制成的提取電極能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所述電極的周期性原位清洗，以采用通過相關(guān)聯(lián)的離子源400的提取孔吸出的氟蒸氣來移除任何沉積物?，F(xiàn)在將對(duì)此類清洗系統(tǒng)加以描述。
反應(yīng)性氣體清洗
圖1顯示處于終端電位的反應(yīng)性氣體源455，其中反應(yīng)性氣體入口 430包含高電壓斷口431，高電壓斷口431通常由(例如)諸如八1203等絕緣陶瓷制成。由于一般來說可將用于離子植入的離子源偏壓到高達(dá)約90kV的最高電壓，因而在所述應(yīng)用中，此高電壓斷口 431必須耐受90 kV。如下文將描述，所述清洗系統(tǒng)僅在離子化源及高電壓斷開(斷電)時(shí)使用，因而當(dāng)真空外殼410處于高真空狀態(tài)下時(shí)斷口 431兩端僅存在高電壓，這使得高電壓支座間隙要求更易得到滿足。與真空外殼410連通的專用的終點(diǎn)檢測(cè)器470用于在化學(xué)清洗期間檢測(cè)反應(yīng)性氣體產(chǎn)物。
對(duì)于適合與離子植入系統(tǒng)一起使用的離子源(例如用于摻雜半導(dǎo)體晶片)來說，離子化室較小(容積小于約100ml)，具有小于約200 cr^的內(nèi)表面面積，且經(jīng)構(gòu)造以以低于約200標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘的流速接收反應(yīng)性氣體流(例如氟原子或含氟的反應(yīng)化合物)。
可以看出，圖1所示的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)原位清洗，即無需將離子源及提取電極從其在真空外殼中的操作位置移出，且?guī)缀醪粫?huì)使運(yùn)行中斷。
圖2圖解說明另一實(shí)施例。圖2相對(duì)于圖1的主要差別在于，反應(yīng)性氣體源455
21及反應(yīng)性氣體入口 430處于離子源的電位。此方法具有雙重優(yōu)點(diǎn)其布置更加緊湊，
且其允許將反應(yīng)性氣體源455及其相關(guān)聯(lián)氣體供應(yīng)源容納于處于離子源電位且向離子 源400供應(yīng)氣體及功率的氣箱中，在商用離子植入系統(tǒng)中通常如此。 化學(xué)清洗系統(tǒng)
圖3所示實(shí)施例具有許多類似于圖1的特征，其經(jīng)構(gòu)造以選擇性地產(chǎn)生簇離子及 單體離子二者。其具有用于通常為氣態(tài)的進(jìn)料的專用氣體入口 435并通過閥門443與 用于產(chǎn)生氫化硼及其它氣化進(jìn)料的蒸氣源445相連通。為對(duì)離子源及電極進(jìn)行原位化 學(xué)清洗，遠(yuǎn)程等離子體源455將清洗氣體供應(yīng)源465所提供的氣體(例如NF3)離解 成分解產(chǎn)物(例如F， F2)及含N的化合物。當(dāng)希望進(jìn)行清洗時(shí)，在將離子源斷電后， 通過專用反應(yīng)性氣體入口 430將所述分解產(chǎn)物從遠(yuǎn)程等離子體源455的出口 456饋送 到離子化室中。遠(yuǎn)程等離子體源455安裝于電壓隔離套管415的終端電位側(cè)上。由于 離子源400在高電壓下運(yùn)行，因而處于真空中的高電壓斷口 431會(huì)提供電壓隔離。
在要起始清洗循環(huán)時(shí)，關(guān)斷離子源并關(guān)閉真空外殼隔離閥425;將真空抽吸系統(tǒng) 420的高真空泵421隔離并通過在由預(yù)抽泵422有效地抽吸所述外殼時(shí)引入干燥的N2 而將真空外殼410置于<1托的低真空狀態(tài)。 一旦處于低真空狀態(tài)下，即向等離子體源 455中引入氬氣(從Ar氣源466)并由將射頻(RF)功率耦合到等離子體源455中的 板上電路對(duì)等離子體源通電。 一旦開始進(jìn)行等離子體放電，Ar流就會(huì)減少且含F(xiàn)的清 洗氣體饋送465 (例如NF》就會(huì)被引入到等離子體源455中。呈中性形式的反應(yīng)性F 氣體及經(jīng)離解的清洗氣體饋送465的其它副產(chǎn)物通過反應(yīng)性氣體入口 430被引入到離 子源400的已斷電離子化室500中。例如，Ar及NF3的流速較高，介于0.1 SLM (標(biāo) 準(zhǔn)升/分鐘)與數(shù)SLM之間。因此，可以此方式以離解產(chǎn)物的形式向離子源400中引 入多達(dá)約1SLM的反應(yīng)性F。由于離子化室500的容積及表面積較小，因而此會(huì)得到 對(duì)所沉積材料的極高的蝕刻速率。離子化室500具有面向所述提取電極且含有剖面積 介于約0.2cr^與2cr^之間的提取孔504的前面板，在通電操作過程中，由提取電極 405通過提取孔504提取出離子。在清洗過程中，由真空外殼410通過孔504從離子 化室500中吸出反應(yīng)性氣體負(fù)載；然后由低真空泵422從殼410中抽吸出所述氣體負(fù) 載。由于提取電極405 (例如，其構(gòu)造為圖1A的電極805)靠近并面朝離子化室500 的孔504，因而電極表面會(huì)截交相當(dāng)大量的反應(yīng)性氣體流。由此形成電極清洗作用， 從而從電極表面上移除沉積物，尤其是從抑制電極406 (例如，圖1A的抑制電極810) 的處于接收到最多沉積物的位置的正面表面上移除沉積物。因此，可有益地制造提取 電極及其由諸如A1 (鋁或鋁合金)等耐氟材料制成的裝備，以及由八1203制成的絕緣 體元件。
圖3所示實(shí)施例也具有終點(diǎn)檢測(cè)器，所述終點(diǎn)檢測(cè)器由經(jīng)構(gòu)造以用于腐蝕性環(huán)境 的壓差殘余氣體分析器(RGA)組成。分析器RGA與真空外殼410相連通。其將通 過監(jiān)測(cè)含F(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物(例如通過B與F相結(jié)合而得到的BF3氣體)的分壓而用作清洗 作用的終點(diǎn)的檢測(cè)器。也可使用其它類型的終點(diǎn)檢測(cè)器，圖中顯示RGA只是為了圖解說明一個(gè)特定實(shí)施例。當(dāng)RGA處的含硼分壓減小時(shí)，所述清洗過程即基本結(jié)束。 一旦所述清洗過程結(jié)束，即可將等離子體源455關(guān)閉并用Ar氣(其還吹掃離子化室 500、殼410及其中含有的元件)短時(shí)地吹掃等離子體源455。然后將低真空泵422隔 離而不再與真空外殼410直接連通，開啟高真空泵421的隔離閥，并使真空外殼410 恢復(fù)到高真空狀態(tài)(約為1X10—5托或以下)。然后開啟真空外殼隔離闊425。此時(shí)， 該系統(tǒng)即準(zhǔn)備重新進(jìn)行離子束的產(chǎn)生?？蓪?duì)離子源電壓源460通電并按正常方式操作 離子源400。
圖3所示實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于，支持遠(yuǎn)程等離子體源455所需的輔助設(shè)施(例如冷 卻水循環(huán)及電源)可處于離子植入機(jī)的終端電位(參見圖16中的208)。此能夠?qū)崿F(xiàn) 與植入機(jī)的質(zhì)量分析器磁鐵230共享在S處所標(biāo)記的設(shè)施，例如冷卻水及電源。在清 洗模式過程中，當(dāng)對(duì)等離子體源455通電時(shí)，分析器230被斷電且因而不需要使用水 或電源，在離子束產(chǎn)生模式中則與此相反。此"共享"可通過在S'處所示意性表示的 合適的控制方案來實(shí)現(xiàn)，所述控制方案視所采用的操作模式而將諸如冷卻水循環(huán)及電 源接線等輔助設(shè)施或者引到分析器磁鐵230 (虛線箭頭S)或者引到遠(yuǎn)程等離子體源 455 (實(shí)線箭頭S)。
圖4顯示類似于圖2的用于對(duì)源400及提取電極405進(jìn)行原位化學(xué)清洗的實(shí)施方 案。將三個(gè)入口通道整合到離子源400中，以分別用于來自等離子體源455的反應(yīng)性 氣體430、來自選定的若干個(gè)存儲(chǔ)空間450中的一者的饋送氣體435及來自氣化器445 的饋送蒸氣440。不同于圖3，圖4所示實(shí)施例具有處于離子源400的高電壓下的基于 等離子體的反應(yīng)性氣體源455。這使得遠(yuǎn)程等離子體源455能夠共享離子源400的控 制點(diǎn)，且還使得能夠通過從處于源電位的離子源氣體分配箱(還參見圖6及6A)供應(yīng) 來自存儲(chǔ)裝置466的清洗饋送氣體465及氬吹掃氣體。圖中還顯示不同類型的終點(diǎn)檢 測(cè)器，即傅立葉(Fourier)變換紅外線(FTIR)光學(xué)分光計(jì)。此檢測(cè)器可通過石英窗 而移位(在真空外殼外)工作。如圖4所示，也可轉(zhuǎn)而使用一種提取類型的FTIR分 光計(jì)，其在清洗過程中直接在真空外殼410中對(duì)氣體進(jìn)行取樣。此外，溫度傳感器TD 可通過感測(cè)離子化室的表面中絕熱的代表性區(qū)域來感測(cè)斷電的離子化室的溫度。傳感 器TD可監(jiān)測(cè)通過F與污染性沉積物的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱，以用作終點(diǎn)檢測(cè)。
圖5顯示類似于圖4但包含基本不同類型的反應(yīng)性氣體源455的離子束產(chǎn)生系統(tǒng)。 在此情形中，將氣瓶中含有的反應(yīng)C1F3氣體直接饋送到離子源400中而不使用遠(yuǎn)程等 離子體源。由于不需要用于遠(yuǎn)程等離子體源的電源及控制，因而此會(huì)潛在地降低設(shè)備 成本及占用面積。然而，由于C1F3是自燃性的，因而其屬于危險(xiǎn)品且需要進(jìn)行專門的 氣體運(yùn)送，而NF3 (例如)主要是一種窒息性物質(zhì)，且其毒性小于諸如BF3、 PH3或 AsH3等許多半導(dǎo)體氣體，因而更為安全。
圖6顯示氣箱B內(nèi)所包含的等離子體源455、蒸氣源445、源電子裝置及用于所 述等離子體源的輔助設(shè)施S，所述氣箱B意在改裝到現(xiàn)有離子植入機(jī)設(shè)備中。
圖6a所示實(shí)施例不同于上文圖6所示實(shí)施例之處在于，其包含如下文所描述的優(yōu)選的氣化器及流量控制系統(tǒng)。圖6B為圖4所示離子源及自清洗系統(tǒng)的閥門示意圖。 優(yōu)選的離子源及氣化器
圖7為優(yōu)選離子源10及其各種組件的圖式，并參見圖7A。其詳細(xì)構(gòu)造以及其優(yōu) 選操作模式類似于由霍斯基(Horsky)-等人在2003年6月26日提出申請(qǐng)且名稱為"一 種離子植入裝置及一種通過植入氫化硼簇離子來制造半導(dǎo)體的方法(An ion implantation device and a method of semiconductor manufacturing by the implantation of boron hydride cluster ions)"的國(guó)際申請(qǐng)案第PCT/US03/20197號(hào)中以及由霍斯基 (Horsky)在2002年6月26日提出申請(qǐng)且名稱為"電子碰撞式離子源(Electron impact ionsource)"的美國(guó)專利申請(qǐng)案第10/183,768號(hào)中所揭示，這兩個(gè)申請(qǐng)案均以引用方 式并入本文中。離子源IO是一種新穎電子碰撞式離子化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。圖7是所 述源構(gòu)造的剖面示意圖，其用于闡明構(gòu)成離子源10的各組件的功能。離子源10經(jīng)制 作以通過安裝凸緣36介接到離子植入機(jī)的己抽空的真空室。因此，圖7中所示離子源 10的處于凸緣36右側(cè)的部分處于高真空狀態(tài)(壓力〈1X10—4托)。將氣態(tài)材料引入 到離子化室44中，其中通過來自電子束70的電子碰撞將氣體分子離子化，電子束70 通過電子入口孔71進(jìn)入離子化室44以使電子束70與離子提取孔81對(duì)準(zhǔn)(即，相鄰、 平行于提取孔81延伸)。由此，相鄰于離子提取孔81 (其看上去為離子提取孔板80 中的狹槽)形成離子。然后，由位于離子提取孔板80前面的提取電極220 (圖8及9) 提取所述離子并使其形成高能離子束475。參照?qǐng)D7，例如，諸如氬、磷化氫或砷等氣 體可經(jīng)由氣體導(dǎo)管33饋送到離子化室44中。諸如十硼烷或十八硼烷等固體進(jìn)料29 則可在氣化器28中氣化，并將蒸氣通過源塊35內(nèi)的蒸氣導(dǎo)管32饋送到離子化室44 中。通常，離子化室44、離子提取孔板80、源塊35 (其中包含蒸氣導(dǎo)管32)及氣化 器外殼30均由鋁制成。通過氣化器外殼30的閉合循環(huán)溫度控制使固體進(jìn)料29保持均 勻的溫度。在鎮(zhèn)氣空間31中積聚的升華的蒸氣50通過導(dǎo)管39且通過節(jié)流閥100及截 止閥110饋送。節(jié)流閥100與截止閥110之間的蒸氣50的標(biāo)稱壓力是由受熱的壓力表 60 (優(yōu)選地為電容式壓力計(jì))來監(jiān)測(cè)。由于蒸氣50通過位于源塊35中的蒸氣導(dǎo)管32 饋送到離子化室44中，且氣體通過氣體導(dǎo)管33饋送，因而此離子源既可對(duì)氣態(tài)材料 也可對(duì)氣化材料進(jìn)行離子化，其能夠根據(jù)需要形成由分子離子(例如B18HX+)或單體 離子(例如As+)組成的離子束475。所述離子源可另外地是多模離子源，例如2006 年4月4日發(fā)布的名稱為"離子植入離子源，系統(tǒng)及方法(Ion Implantation Ion Source, System and Method)"的美國(guó)專利第7,022,999號(hào)或2005年11月7日提出申請(qǐng)的名稱 為"用于離子植入及形成具有磷及砷離子的N型區(qū)域的雙模式離子源(Dual Mode ion Source for Ion Implantation and Forming N-Type Regions with Phosphorus and Arsenic Ions)"序列號(hào)為11/268,005的美國(guó)專利申請(qǐng)案中所描述的離子源，描述多模離子源 的這兩個(gè)申請(qǐng)案中的每一者的內(nèi)容均整體地以引用方式并入本文中。 流入到離子產(chǎn)生系統(tǒng)中的蒸氣流量控制
流到圖7所示離子化室的蒸氣流量(且參見圖7B)取決于剛好位于蒸氣饋送通道32之前(即位于圖7所示截止閥110內(nèi))的區(qū)域中的蒸氣壓力。這是由位于節(jié)流閥 100與截止閥110之間的壓力表60 (例如電容壓力計(jì))來測(cè)量的。 一般來說，流速與 蒸氣壓力成正比。這使壓力信號(hào)能夠代表流量，且用作設(shè)定點(diǎn)來對(duì)流量進(jìn)行選擇。為 產(chǎn)生流入到離子源中的所需蒸氣流量，使氣化器外殼30到達(dá)當(dāng)節(jié)流閥100處于其完全 開啟位置時(shí)會(huì)超過所期望流速的溫度。然后，調(diào)節(jié)節(jié)流閥100以達(dá)到所期望的壓力輸 出。
為形成隨時(shí)間穩(wěn)定的流量，使用雙PID控制器(例如歐姆龍E5CK(Omron E5CK)
控制回路數(shù)字控制器)來分別實(shí)施對(duì)氣化器溫度及蒸氣壓力的單獨(dú)的閉環(huán)控制?？刂?br> (反饋)變量對(duì)于溫度來說是熱電偶輸出、對(duì)于壓力來說是壓力表輸出。圖7B所示
圖式顯示用于執(zhí)行這些閉環(huán)控制功能的數(shù)字蒸氣饋送控制器220。
在圖7B中，將來自壓力表60的壓力表輸出250施加到節(jié)流閥位置控制裝置245，
由節(jié)流閥位置控制裝置245對(duì)節(jié)流閥100施加節(jié)流閥位置控制信號(hào)247。將來自氣化
器28的熱電偶輸出225施加到氣化器加熱器控制裝置215，由氣化器加熱器控制裝置
215控制施加到氣化器28的加熱器功率248。
由數(shù)字饋送控制器220實(shí)施第二級(jí)慢速控制，以將固體進(jìn)料氣化速率調(diào)節(jié)為隨其
開口表面積(尤其是固體-真空接口處的可用表面積)而變化。隨著氣化器內(nèi)的進(jìn)料隨
時(shí)間的進(jìn)行而被消耗，此可用表面積會(huì)穩(wěn)定地減小，直到蒸氣的散發(fā)速率不能支持所
需的蒸氣流速，從而造成節(jié)流閥100上游的蒸氣壓力降低為止。這稱作"散發(fā)速率有
限"操作。因此，當(dāng)向氣化器中新添加進(jìn)料時(shí)，在標(biāo)稱節(jié)流閥位置處于其動(dòng)態(tài)范圍的
低端(即節(jié)流閥僅部分地開啟)時(shí)，比如25'C的氣化器溫度就可支持所需的蒸氣流量。
隨著時(shí)間的進(jìn)行(例如，在進(jìn)料消耗掉20%之后)，閥門位置將一再地進(jìn)一步開啟以
維持所期望的流量。當(dāng)節(jié)流閥接近其動(dòng)態(tài)范圍的高電導(dǎo)極限(即開啟量最大)時(shí)，由
控制器220感測(cè)到此閥門位置并向氣化器加熱器控制裝置215發(fā)送新的更高加熱器設(shè)
定點(diǎn)溫度。所述增量經(jīng)選擇以在一旦氣化器溫度穩(wěn)定到其新的值時(shí)，即會(huì)使標(biāo)稱節(jié)流
閥操作點(diǎn)重新接近其動(dòng)態(tài)范圍的低端。因此，數(shù)字控制器220既能適應(yīng)設(shè)定點(diǎn)蒸氣壓
力的短時(shí)間變化又能適應(yīng)氣化器溫度的長(zhǎng)時(shí)間變化的能力使在所填充進(jìn)料的壽命內(nèi)對(duì)
蒸氣流量的控制非常強(qiáng)健有力。此控制會(huì)防止向離子化室過量地饋送蒸氣。其效果是
限制離子產(chǎn)生系統(tǒng)表面上不希望有的沉積物的量，從而延長(zhǎng)在兩次清洗之間的離子源 豐人
符口卩o
圖8顯示面朝新穎的離子源10的離子提取電極220的俯視圖(向下看)。離子 源IO相對(duì)于處于本地接地電位(即處于真空外殼的電位)的離子提取電極220保持處 于正電位VA。離子提取電極220是簡(jiǎn)單的二極管；電極板302為"接地"電極且板 300為"抑制"電極，通常由抑制電源Vs使其保持低于接地電位數(shù)千伏特。圖中顯示 離子源10的離子化室44及離子提取孔板80面朝提取電極220。這三個(gè)板80、 300、 302含有用于從中提取出離子90的矩形狹槽或孔；圖8沿"短"的或散開的方向顯示 槽的輪廓。新穎受熱電極的進(jìn)一步實(shí)施例
在圖14所示的十硼烷壽命測(cè)試期間，使用了一種新穎的受熱鋁電極。圖9在一 維"狹槽"孔透鏡的發(fā)散平面中顯示所述提取系統(tǒng)的基本光學(xué)設(shè)計(jì)的俯視圖。在所使 用的植入機(jī)中，由圖8所示的高電壓正電源Va使萬子源的寓子化室490保持處于所 需的離子束能量。例如，如果希望得到20keV的離子束，則使V^20kV。使離子提 取孔板500與離子化室490電絕緣，以便可由雙極電源Vb対其施加-750V—750V的 偏壓。所述絕緣是通過夾在離子提取孔板500與離子化室490之間的導(dǎo)熱性電絕緣聚 合物襯墊來實(shí)現(xiàn)的。離子源本體中暴露到蒸氣的各個(gè)部件(圖7中的源塊35、離子化 室44及提取孔板80)彼此保持良好的熱接觸，以在源操作期間維持各表面處于受控 溫度。在離子化室490中所產(chǎn)生的離子由提取電極540通過離子提取孔板500中的孔 提取出，所述提取電極540由抑制電極510及接地電極520組成。離子以聚焦的離子 束的形式沿離子束軸線530傳播。被電源Vs偏壓到負(fù)的數(shù)千伏特的抑制電極510用于 抑制因離子束轟擊而從抑制電極向下游產(chǎn)生的二級(jí)電子，從而防止這些高能電子流回 到承受正偏壓的離子源中。離子化室490、離子提取孔板500、抑制電極510及接地電 極520全部由鋁制成，并具有光滑的、經(jīng)細(xì)致拋光的表面以使局部電場(chǎng)最小化。
對(duì)離子提取孔板500施加偏壓的重要效應(yīng)是改變圖9所示離子光學(xué)系統(tǒng)的焦距。 負(fù)的偏壓會(huì)使焦距增大，而正的偏壓則使焦距減小。在偏壓較大時(shí)，此種效應(yīng)可能會(huì) 很明顯。出于診斷目的，安裝了位于分析器磁鐵入口處、剛好位于源外殼隔離閥下游 的掃描線輪廓曲線儀(圖16中的210)。此掃描儀記錄了離子束電流在發(fā)散平面中的 分布，此適用于確定離子束在發(fā)散平面中聚焦的良好程度。在圖9a中針對(duì)-483V、 0 及+300V三種不同的偏壓條件顯示了 20 keV十八硼烷離子束的輪廓。在0伏特條件下 基本上過聚焦，在正電壓條件下過聚焦的程度變大，而在負(fù)電壓條件下則正確地聚焦。 在這三次測(cè)量中，電極位置保持恒定不變。如人們所預(yù)期，正確的聚焦條件得到了最 高的離子?xùn)c電流。
能改變光學(xué)焦距并由此對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)以獲得最高離子束電流的能力使得 可向氣化器中引入最少量的進(jìn)料。同樣，此具有能限制離子產(chǎn)生系統(tǒng)表面上不希望有 的沉積物的量，從而延長(zhǎng)兩次清洗之間的離子源壽命的有利效果。
除了剛才所描述的對(duì)提取孔板施加偏壓以使系統(tǒng)聚焦外，本發(fā)明還提供用于使提 取電極光學(xué)元件相對(duì)于系統(tǒng)中的其它組件移動(dòng)的構(gòu)件。圖10顯示安裝于三軸線操縱器 610上的新穎電極600,所述三軸線操縱器610能允許沿由座標(biāo)系620所界定的X、 Z 及0方向運(yùn)動(dòng)(相對(duì)于離子源)。致動(dòng)器613控制X方向的運(yùn)動(dòng)，終端機(jī)612控制Z 方向的運(yùn)動(dòng)，且致動(dòng)器611控制 方向的運(yùn)動(dòng)。操縱器610經(jīng)由安裝凸緣615安裝到 植入機(jī)真空外殼的側(cè)面。
圖11顯示所述新穎電極端頭的受輻射加熱形式的局部分解圖。圖中顯示抑制電 極700、接地電極710、加熱器板720及輻射加熱絲730。所述抑制電極及接地電極由 鋁制成，加熱器板由不銹鋼制成，且加熱絲730由鎳鉻鐵合金制成。當(dāng)在20(TC下操作所述電極時(shí)，用于維持所述溫度的功率消耗約為60W。加熱器功率是由閉環(huán)PID控 制器歐姆龍E5CK (OmronE5CK)基于熱電偶的回讀來控制的。
圖12顯示所述新穎電極端頭的受電阻加熱型式的局部分解圖。圖中顯示抑制電 極800、接地電極810及電阻加熱器820。這四個(gè)電阻加熱器820裝配到套管830中， 其中每一電極板中裝配兩個(gè)。套管830為對(duì)分式設(shè)計(jì)，以使加熱器裝配到所述套管中， 從而實(shí)現(xiàn)緊密接觸。加熱器與電極之間的緊密接觸對(duì)于確保對(duì)電極正確地加熱及防止 加熱器過早燒壞而來說很重要。同樣，歐姆龍E5CK (OmronE5CK)或同等控制器可 基于熱電偶的回讀來控制電極溫度。
如上文所描述，對(duì)提取電極使用這些加熱方案可維持受到良好控制的足夠高的高 溫，以防止例如因圖7及7A中由相對(duì)冷操作離子源所產(chǎn)生的十硼垸及十八硼烷的冷 凝。由耐氟材料(例如鋁)制成的提取電極能實(shí)現(xiàn)對(duì)所述電極的周期性原位清洗，以 移除由通過提取孔抽出的氟蒸氣所形成的任何沉積物。
對(duì)于固有運(yùn)行方式會(huì)熱到熱量可能會(huì)損壞提取電極組合件(如果由低溫材料制 成)的等離子體離子源，會(huì)遇到一種不同的情形。參照?qǐng)D9，其以虛線形式顯示分別 與鋁電極部件510及522的背面成熱傳遞關(guān)系固定的循環(huán)冷卻盤管512及522。冷卻 流體在這些冷卻盤管中循環(huán)可對(duì)鋁電極進(jìn)行冷卻，以防止由來自熱離子源的熱量引起 變形。這使得能夠?qū)μ崛‰姌O使用耐氟材料，例如鋁或含鋁的絡(luò)合物，這些耐氟材料 能耐受由進(jìn)料或反應(yīng)性清洗氣體所帶來的任何氟的侵蝕。
參照?qǐng)D9B，提供經(jīng)溫度控制提取電極540A以與能夠分別在低溫與高溫模式下操 作的多模離子源490A —起使用，或與在相應(yīng)的低溫與高溫模式下操作的可替換單元 一起使用。由(例如)鋁形成的提取電極組合件540A經(jīng)裝備以用于有效加熱及冷卻。
在適用于十硼烷及十八硼垸的冷離子源模式下，可有效地加熱所述提取電極以阻 止在電極表面上方形成沉積物。所述離子源可通過(例如)"軟"電子碰撞來操作。 在此情況下，所述離子源如上文結(jié)合圖7及7A所描述而采用經(jīng)聚焦電子束70。
在高溫模式下，有效地冷卻所述提取電極以使其能夠由諸如鋁的相對(duì)低溫材料形 成。例如，對(duì)于熱模式離子源來說，可通過電弧放電將熱等離子體維持在離子化室內(nèi)， 所述電弧放電是由發(fā)射電子的陰極及設(shè)置在有限的磁場(chǎng)內(nèi)承受負(fù)偏壓的電子反射極產(chǎn) 生的。電弧放電等離子體離子源的設(shè)計(jì)及構(gòu)造原理本身是眾所周知的，例如在弗里曼 (Freeman)的美國(guó)專利第4,017,403號(hào)及魯賓遜(Robinson)的美國(guó)專利第4,258,266 號(hào)中，其就此而言以引用方式并入本文中。所述電弧放電形成可將引入到離子化室的 氣體離子化的相對(duì)熱的等離子體。在熱操作與冷操作兩種離子源模式中，所產(chǎn)生的離 子束均可為帶狀，其細(xì)長(zhǎng)的剖面是由離子源的提取孔及通過提取電極的孔類似的細(xì)長(zhǎng) 形狀所產(chǎn)生的。
如圖9B中所示，諸如參照?qǐng)D1A-1K描述的管狀加熱器的輻射管加熱器550與來 自離子源的離子的帶狀路徑530共軸布置。加熱器550的直徑大于通過電極元件的狹 槽狀孔的長(zhǎng)尺寸。將所述管狀加熱器安裝在所述抑制電極元件下游的適當(dāng)位置處，以便向接地電位的提取電極元件520及相對(duì)為負(fù)電位的抑制電極元件510兩者的外部結(jié)
構(gòu)直接輻射熱。所述抑制電極元件具有上文所描述的形狀，其中圓盤形狀的外部部分
界定寬闊的軸向表面區(qū)域，所述區(qū)域適用于接收及吸收來自加熱器550的熱輻射且將 所述熱放射狀地傳導(dǎo)到所述電極元件的內(nèi)部部分。所述接地電極元件具有較小的輻射 范圍，且經(jīng)構(gòu)造以主要通過從周圍的加熱器放射狀地向內(nèi)進(jìn)行熱輻射來被加熱。
通過進(jìn)行合適的溫度感測(cè)，如由圖1L的熱電偶進(jìn)行溫度感測(cè)，來檢測(cè)提取電極 組合件的代表性溫度。通過使用合適的控制器，電熱流流過管狀加熱器的內(nèi)部電阻元 件以將所述熱電偶的溫度維持在已設(shè)定點(diǎn)。對(duì)于圖1L所示的控制器，所述已設(shè)定點(diǎn) 經(jīng)選擇以防止到達(dá)提取電極的饋送蒸氣冷凝。例如，當(dāng)對(duì)十硼垸及十八硼烷進(jìn)行離子 化時(shí)，可通過由加熱器進(jìn)行有效地加熱來將提取電極的溫度維持在約150°C。
圖9B的提取電極組合件還裝備有環(huán)繞離子束路徑的冷卻盤管512及522。所述 盤管以導(dǎo)熱傳遞關(guān)系的方式固定到鋁電極元件510及522的背部。如針對(duì)圖9所描述， 冷卻流體在冷卻盤管中循環(huán)可冷卻鋁電極元件，且可防止由來自熱離子源的熱導(dǎo)致的 電極變形，否則可能會(huì)干擾電極元件所產(chǎn)生的電場(chǎng)。
當(dāng)期望在熱模式下采用多模離子源設(shè)備以產(chǎn)生合適種類的離子束時(shí)，可準(zhǔn)許離子 化室的壁在相當(dāng)?shù)母邷叵虏僮?，例如，?0(TC以上。在此操作模式中，停止對(duì)提取 電極組合件的加熱且將冷卻液體流維持在盤管512及522中以將鋁電極元件冷卻到電 極可發(fā)生有害扭曲的溫度以下，即，在約40(TC以下。
此電極組合件與多離子源組合在一起適用于具有原位反應(yīng)性氣體清洗的系統(tǒng)中， 如結(jié)合圖1到圖6B及7B所描述。所述電極元件的鋁組合物及所述管狀加熱器的耐腐 蝕外殼可耐受來自氟的侵蝕。
參照?qǐng)D9C，所述提取組合件可替代地包括三個(gè)電極元件抑制電極510 (如圖 9B所示)、中央電極515及主要提取電極520'。電極520'維持在接地(外殼)電位， 中央電極515的電位是可變的且可維持在接地與一個(gè)相當(dāng)大的值之間的選定電位，例 如-30KeV。抑制電極510的電位可相對(duì)于中央電極在電壓Vs處浮動(dòng)，例如-10KeV。 在此布置中，離子系統(tǒng)的離子加速及焦距調(diào)節(jié)效應(yīng)可不同，以獲得離子束期望的效應(yīng)。
所述電極元件是嵌套式，如圖9C所示，以便使穿過電極元件的離子束僅暴露到 所述三個(gè)元件的相應(yīng)電位。在所顯示的布置中，所述兩個(gè)外部電極元件由環(huán)形輻射熱 接收導(dǎo)熱圓盤部分支撐，而中央電極具有較小的橫切范圍且由合適的支撐結(jié)構(gòu)(未顯 示)被支撐在外部電極之間。具有合適尺寸的管狀加熱器560設(shè)置在兩個(gè)外部電極結(jié) 構(gòu)510、 520'之間并環(huán)繞內(nèi)部電極結(jié)構(gòu)515。所述加熱器經(jīng)構(gòu)造及布置以通過分別向所 述三個(gè)電極結(jié)構(gòu)中的每一者進(jìn)行直接輻射來將其加熱。輻射通常朝向兩個(gè)外部電極元 件的外部圓盤部分軸向地前進(jìn)，且朝向中央電極向內(nèi)軸向地前進(jìn)。通過合適的溫度感 測(cè)(如通過先前提及的熱電偶)可檢測(cè)電極組合件的代表性溫度。通過管狀加熱器的 電加熱流將溫度維持在己設(shè)定點(diǎn)以防止到達(dá)所述組合件的饋送蒸氣在電極上冷凝。例 如，當(dāng)通過"軟"電子碰撞將十硼垸及十八硼烷離子化時(shí)，電極元件的溫度可維持在約150°C。類似于圖9B的實(shí)施例，所述電極結(jié)構(gòu)中的每一者還提供有冷卻盤管512及 522，且可如離子源在熱模式下操作時(shí)所描述來替代地冷卻圖9C的組合件。
雖然圖9C中已針對(duì)多模離子源顯示了三電極系統(tǒng)的受熱布置，但所述布置當(dāng)然 可用于可替換熱與冷模式離子源。當(dāng)僅用于冷操作離子源時(shí)(例如圖7及7A中所示)， 可從電極組合件中省去冷卻特征，或可保留冷卻特征以供用于可不時(shí)地由軟電子碰撞 源取代的電弧放電熱等離子體源。 使用十硼烷工作時(shí)的源壽命測(cè)量
圖14顯示在寬廣的十硼烷流量范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試的源壽命的結(jié)果。對(duì)這些數(shù)據(jù)的
擬合是根據(jù)方程式(3)進(jìn)行的。在這些測(cè)試過程中未記錄到離子源故障；而是，當(dāng)十
硼烷離子電流降到其初始水平的大約一半時(shí)結(jié)束各個(gè)測(cè)試。在檢查離子源時(shí)，發(fā)現(xiàn)在 離子化室內(nèi)沉積有大量的含硼材料，這些材料大多粘附在所述室的內(nèi)壁上。在某些情
形中，離子提取孔也被部分地堵塞。方程式(3)中的模型看起來與所述數(shù)據(jù)非常相符， 并表明"貧乏"操作是在兩次原位化學(xué)清洗程序或解體之間延長(zhǎng)離子源壽命的關(guān)鍵。 在F清洗過程中對(duì)離子化室內(nèi)蝕刻速率的測(cè)量
使用具有圖7所示離子源10的系統(tǒng)對(duì)位于離子化室44內(nèi)的1 mm厚的硅試樣進(jìn) 行F清洗過程測(cè)試，并迸行了如下修改并非包含專用的反應(yīng)性饋送導(dǎo)管，而是采用 蒸氣饋送導(dǎo)管32來引入反應(yīng)性氣體。使用Si是因?yàn)镕對(duì)Si的蝕刻已眾所周知，且純 Si材料可以Si晶片的形式得到。此測(cè)試需要在兩個(gè)清洗循環(huán)之間移除氣化器。對(duì)兩個(gè) 試樣位置進(jìn)行了測(cè)試其中一個(gè)試樣位置與反應(yīng)性氣體入口 (即蒸氣饋送32)成視線 關(guān)系，另一個(gè)則不成視線關(guān)系。在圖15中顯示蝕刻速率隨NF3的流速而變化。在此過 程中，使流入遠(yuǎn)程等離子體源中的氬的流量保持為700 sccm，而NF3的流速則在50 sccm到500 sccm之間變化。視線幾何排列顯示蝕刻速率增大約五倍，且因此如果可 均勻地進(jìn)行，則是一種優(yōu)選的兒何排列。為此，圖3所描繪的幾何排列應(yīng)比圖4所示 的幾何排列提供對(duì)離子源離子化室44的更好的蝕刻均勻性。所述測(cè)試還表明，將對(duì)蝕 刻敏感的組件的位置與氣體流屏蔽開能有效地為這些組件提供一定程度的保護(hù)。
為延長(zhǎng)自清洗離子產(chǎn)生系統(tǒng)中各組件的壽命，應(yīng)選擇能耐受反應(yīng)性氣體的構(gòu)造材 料，并可采取措施對(duì)敏感組件進(jìn)行屏蔽。
在離子化室的內(nèi)部，如上文所指示，在離子化作用的溫度準(zhǔn)許的情況下采用鋁， 因?yàn)殇X組件能耐受反應(yīng)性氣體氟。當(dāng)期望進(jìn)行更高溫度的離子化操作時(shí)，鋁-碳化硅 (AlSiC)合金是離子化室或提取電極表面的一個(gè)較好的選擇。用于離子化室中的表面 的其它材料為硼化鈦(TiB2)、碳化硼(B4C)及碳化硅(SiC)。
對(duì)于暴露到氟但不暴露到離子化作用的組件(例如諸如電極等電子源組件)來說， 可使這些組件由鎳基合金(Hastdloy)、耐氟的不銹鋼及鍍鎳的金屬(例如鍍鎳的鉬) 制成。
惰性氣體屏蔽及可移動(dòng)的物理障蔽二者均可保護(hù)系統(tǒng)中的組件在清洗過程中免 受反應(yīng)性氣體的作用。例如，參照?qǐng)D7A，用于惰性氣體(例如氬)的導(dǎo)管113從氣體源(未顯示)延伸出。其出口在離子源中處于關(guān)鍵位置，以便在使惰性氣體流開始進(jìn) 行清洗循環(huán)時(shí)使惰性氣體流籠罩要保護(hù)的組件。在圖7A中，惰性氣體導(dǎo)管113的出 口 113a將溢流的氬氣流引導(dǎo)到電子槍112的各有效組件(其中包含發(fā)射電子的陰極) 上。在圖7A中還顯示可移動(dòng)的屏蔽部件73，其可在清洗循環(huán)中移動(dòng)到適當(dāng)位置。在 所示實(shí)例中，其可在通向束流收集器72或另一電子槍(當(dāng)設(shè)置在離子化室44的那一 側(cè)上時(shí))的孔71A上方移動(dòng)。
進(jìn)行上述清洗過程來觀察其對(duì)硼在離子化室內(nèi)及在圖7所示新穎離子源10中的 離子提取孔內(nèi)側(cè)上的沉積的影響。所觀察到的蝕刻速率的特性類似于圖15中的曲線， 但降低了三分之一。因此，在NF3流速為500sccm時(shí)，對(duì)十硼垸沉積物的蝕刻速率為 7 |im/min (不成視線關(guān)系)及36 |im/min (成視線關(guān)系)。在以0.8 sccm的蒸氣流量 以十硼垸運(yùn)行4小時(shí)后，離子提取孔內(nèi)側(cè)在清洗之前具有約133(am厚的含硼沉積物。 在使用這些流速進(jìn)行一次5分鐘的F清洗之后及進(jìn)行一次15分鐘的F清洗之后進(jìn)行 觀察。孔板的一側(cè)與蒸氣進(jìn)料口成視線關(guān)系。從清洗圖案觀察到蒸氣饋送孔在豎直方 向上居中。在經(jīng)過15分鐘的清洗之后，所述板上的沉積物幾乎完全被清洗。此外，在 長(zhǎng)時(shí)間操作之后移除圖10所示的新穎的受熱鋁離子提取電極并進(jìn)行檢査。其非常干凈 且不存在任何明顯的十硼垸沉積物。這無疑是由于所述電極被暴露到反應(yīng)性F (F可 經(jīng)過位于蒸氣導(dǎo)管前面的離子源離子提取孔流到其正前面的提取電極)。此外，Al電 極組合件的高溫也會(huì)增大對(duì)其沉積物的有效蝕刻速率。
對(duì)于離子化室，同樣，在進(jìn)行15分鐘的蝕刻清洗后，在所述室中幾乎不存在沉 積物。進(jìn)行其中以下列方式使所述系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)循環(huán)的測(cè)試采用十硼垸操作兩小時(shí) (所分析離子束電流>500^\)，關(guān)閉所述源并允許燈絲冷卻，隨后以500 sccm的 NF3饋送氣體及700 sccm的Ar進(jìn)行15分鐘的化學(xué)清洗，來看進(jìn)行重復(fù)的化學(xué)清洗步 驟是否對(duì)離子源或提取電極有任何害處。在進(jìn)行21個(gè)循環(huán)之后，離子源或電極的操作 特性未出現(xiàn)任何可測(cè)量到的變化。此結(jié)果證實(shí)，此F清洗過程能夠使離子源在以可冷 凝物質(zhì)操作時(shí)具有極長(zhǎng)的壽命。 包含在例示性離子植入機(jī)中的離子產(chǎn)生系統(tǒng)
圖16顯示商業(yè)離子植入機(jī)中的各基本要素，其中安裝有包含圖7所示離子源的 新穎離子束產(chǎn)生系統(tǒng)的實(shí)施例。離子源10插入于到離子植入機(jī)的源真空外殼209中。 其通過絕緣體211與外殼209電絕緣。離子提取電極220從離子源10提取離子并使其 加速以形成離子束200。離子束200完全在真空中傳播；其從電極220進(jìn)入分析器殼 290、 300，在此處由雙極分析器磁鐵230使其變彎并分散成若干以其電荷對(duì)質(zhì)量比來 區(qū)分的單獨(dú)的細(xì)束。所關(guān)注的細(xì)離子束穿過質(zhì)量分辨孔270并進(jìn)入最終的加速(或減 速)級(jí)310。由此產(chǎn)生、選定及加速的離子束240離開離子束形成系統(tǒng)208并被引入 到處理室330中，其在此處截交旋轉(zhuǎn)盤314上的一個(gè)或一個(gè)以上裝置晶片312?？赏?過關(guān)閉隔離閥210來使離子源真空外殼209與植入機(jī)真空系統(tǒng)的其余部分相隔離。例 如，在對(duì)離子源及離子提取電極220進(jìn)行原位清洗之前關(guān)閉隔離閥210?？梢陨衔乃?br> 30描述方式中的任一種對(duì)提取電極220進(jìn)行溫度控制。
顯然，可根據(jù)上文教示對(duì)本發(fā)明作出許多修改及改動(dòng)。因此，應(yīng)了解，可在所附 權(quán)利要求書范圍內(nèi)以不同于上文具體描述的另外的方式來實(shí)踐本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種離子提取電極，其經(jīng)構(gòu)造以在具有具備低溫操作模式的離子源的離子植入系統(tǒng)中使用，所述離子提取電極經(jīng)構(gòu)造且適于從所述離子源提取離子以離子束形式運(yùn)送到用于離子植入的表面，所述離子提取電極與可控制加熱器組合，所述可控制加熱器經(jīng)構(gòu)造以將所述提取電極維持在高溫下以阻止離開所述離子源的氣體或蒸氣在所述電極上冷凝。
2、 如權(quán)利要求l所述的離子提取電極，其由鋁構(gòu)成。
3、 如權(quán)利要求l所述的離子提取電極，其由鉬構(gòu)成。
4、 如權(quán)利要求1所述的離子提取電極，其由鋁構(gòu)成且還經(jīng)構(gòu)造以在具有具備相 對(duì)高溫操作模式的離子源的離子植入系統(tǒng)中使用，所述離子提取電極與冷卻裝置組合 以在所述離子源的高溫操作期間進(jìn)行操作，同時(shí)使所述加熱器斷電以將所述電極冷卻 到低于約40(TC的溫度。
5、 如權(quán)利要求1所述的離子提取電極，其經(jīng)構(gòu)造及布置以被加熱到約15(TC與 25(TC之間的溫度。
6、 如權(quán)利要求1所述的離子提取電極，其經(jīng)構(gòu)造以與包含用于十硼烷或十八硼 垸的氣化器的低溫操作離子源一起使用。
7、 如權(quán)利要求6所述的離子提取電極，其能夠被加熱到約15(TC以與十硼烷及十 八硼烷進(jìn)行替代操作。
8、 一種離子植入系統(tǒng)，其包括如權(quán)利要求l、 2或4所述的離子提取電極，所述 離子提取電極安裝在真空外殼中與離子源相鄰的位置以通過提取孔從所述離子源提取 離子以形成用于植入的離子束。
9、 如權(quán)利要求8所述的離子植入系統(tǒng)，其中所述離子提取電極經(jīng)布置以通過在 所述真空外殼中時(shí)暴露于含鹵素的反應(yīng)性氣體而被周期性地清洗。
10、 如權(quán)利要求9所述的離子植入系統(tǒng)，其中所述電極經(jīng)布置以暴露于通過離子 提取孔從所述離子源的離子化室發(fā)出的含鹵素的反應(yīng)性氣體。
11、 如權(quán)利要求l所述的離子提取電極，其經(jīng)構(gòu)造以用于從離子源提取帶正電荷 的離子且包括至少兩個(gè)連續(xù)的電極元件，所述電極元件沿著穿過所述電極元件的離子 束路徑，經(jīng)構(gòu)造以最接近于所述離子源的所述電極元件包括抑制電極，所述抑制電極 適于被維持在比后續(xù)電極元件更負(fù)的電壓以抑制電子朝向所述離子源移動(dòng)。
12、 如權(quán)利要求l所述的離子提取電極，其中所述加熱器經(jīng)構(gòu)造以通過輻射來加 熱所述離子提取電極。
13、 如權(quán)利要求l所述的離子提取電極，其具有適于傳遞帶狀離子束以運(yùn)送到用 于離子植入的表面的細(xì)長(zhǎng)狹槽狀孔。
14、 如權(quán)利要求13所述的離子提取電極，其中所述加熱器包含設(shè)置在所述狹槽狀孔的長(zhǎng)邊中的每一者上的加熱器部分。
15、 如權(quán)利要求14所述的離子提取電極，其中所述加熱器包括具有設(shè)置到所述 狹槽狀孔的所述長(zhǎng)邊中的每一者的部分的連續(xù)的電阻元件。
16、 如權(quán)利要求15所述的離子提取電極，其中所述加熱器包括管狀加熱器，所述管狀加熱器包括所述電阻元件在其中延伸的管，所述管狀加熱器的各部分設(shè)置到所 述狹槽狀孔的所述長(zhǎng)邊中的每一者。
17、 如權(quán)利要求13所述的離子提取電極，其中所述加熱器包括多個(gè)離散的筒式 加熱器單元，所述加熱器單元中的至少一者設(shè)置到所述狹槽狀孔的所述長(zhǎng)邊中的每一者。
18、 如權(quán)利要求l所述的離子提取電極，其中所述提取電極的至少一個(gè)電極元件 包括界定離子束孔的內(nèi)部部分及以與所述內(nèi)部部分成導(dǎo)熱關(guān)系的外部部分，所述外部 部分界定用于吸收從所述加熱器輻射的熱的熱接收表面。
19、 如權(quán)利要求18所述的離子提取電極，其中所述熱接收表面大體面向離子束 路徑延伸穿過所述電極的方向，且所述加熱器在所述離子束路徑的延伸方向上與所述 熱接收表面間隔開。
20、 如權(quán)利要求19所述的提取電極，其中所述熱接收表面具有圓盤形狀。
21、 如權(quán)利要求19所述的離子提取電極，其中存在兩個(gè)電極元件，每一電極元 件均具有用于吸收熱的熱接收表面，所述加熱器包括位于所述兩個(gè)電極元件的所述熱 接收表面之間適當(dāng)位置處以通過輻射來加熱其每一者的熱輻射器。
22、 如權(quán)利要求21所述的離子提取電極，其中所述元件中的每一者的所述熱接 收表面具有圓盤形狀，且所述加熱器包括經(jīng)形成以大致環(huán)繞所述離子束路徑的管狀加 熱器單元。
23、 如權(quán)利要求21所述的離子提取電極，其具有設(shè)置在所述前文提及的電極元 件之間的第三電極元件，所述提取電極的所述第三電極元件包括既界定離子束孔又界 定用于吸收從所述加熱器輻射的熱的熱接收表面的部分。
24、 如權(quán)利要求l所述的離子提取電極，其中所述提取電極的至少一個(gè)電極元件 包括既界定離子束孔又界定用于吸收從所述加熱器輻射的熱的熱接收表面的部分。
25、 如權(quán)利要求8所述的離子植入系統(tǒng)，其中所述低溫操作離子源包含用于十硼 烷或十八硼烷的氣化器。
26、 如權(quán)利要求29所述的離子植入系統(tǒng)，其中所述離子提取電極能夠被加熱到 約15(TC以與十硼烷及十八硼烷進(jìn)行替代操作。
27、 一種包括離子提取電極的離子植入系統(tǒng)，所述離子提取電極安裝在真空外殼 中鄰近離子源的位置處以通過提取孔從所述離子源提取離子以形成用于植入的離子 束，所述離子源具有高溫操作模式，所述離子提取電極由鋁構(gòu)成且與冷卻裝置組合以 在所述離子源的高溫操作期間進(jìn)行操作以將所述電極冷卻到低于約40(TC的溫度。
28、 如權(quán)利要求27所述的離子植入系統(tǒng)，其中所述電極經(jīng)布置以通過在所述真空外殼中時(shí)暴露于含鹵素的反應(yīng)性氣體而被周期性地清洗。
29、 如權(quán)利要求28所述的離子植入系統(tǒng)，其中所述電極經(jīng)布置以暴露于通過離子提取孔從所述離子源的離子化室發(fā)出的含鹵素的反應(yīng)性氣體。
30、 一種離子提取電極，其供安裝在真空外殼中鄰近離子源的位置處以通過提取孔從所述離子源提取離子以形成用于植入的離子束，所述離子源具有高溫操作模式， 所述離子提取電極由鋁構(gòu)成且與冷卻裝置組合以在所述離子源的高溫操作期間進(jìn)行操作以將所述電極冷卻到低于約40(TC的溫度。
31、 一種產(chǎn)生用于離子植入的離子束的方法，其采用離子源及提取電極來產(chǎn)生離 子束供運(yùn)送到用于離子植入的表面，所述方法包含用電加熱器來加熱所述提取電極的 步驟。
32、 如權(quán)利要求31所述的方法，其中在選定溫度下操作所述離子源且通過電加 熱將所述提取電極維持在高于所述選定溫度的溫度下。
33、 如權(quán)利要求32所述的方法，其中采用所述離子源來產(chǎn)生選定氫化硼的離子 且將所述提取電極加熱到約15(TC與25(TC范圍內(nèi)的溫度。
34、 如權(quán)利要求33所述的方法，其中采用所述離子源來產(chǎn)生十硼垸或十八硼垸 的離子且將所述提取電極加熱到約15(TC。
35、 如權(quán)利要求31所述的方法，其中加熱是通過來自電加熱器的輻射進(jìn)行的。
全文摘要
為離子束產(chǎn)生系統(tǒng)的提取電極提供熱控制，所述熱控制防止沉積物的形成及不穩(wěn)定操作且使得能夠與從可冷凝蒸氣產(chǎn)生的離子及能夠進(jìn)行冷及熱操作的離子源一起使用。采用對(duì)所述提取電極的電加熱以提取十硼烷或十八硼烷離子。在與熱離子源一起使用期間的有效冷卻可防止電極損壞，從而允許所述提取電極為導(dǎo)熱及耐氟的鋁組合物。通過使用反應(yīng)性鹵素氣體提供對(duì)所述離子源及提取電極的原位蝕刻清洗且通過具有可延長(zhǎng)清洗之間的工作持續(xù)時(shí)間的特征來增強(qiáng)所述系統(tǒng)的工作壽命，其中包含準(zhǔn)確的蒸氣流量控制及對(duì)離子束光學(xué)裝置的準(zhǔn)確聚焦。出于清洗所述離子源及所述提取電極中的沉積物的目的，遠(yuǎn)程等離子體源將F或Cl離子遞送到斷電的離子源。這些技術(shù)在運(yùn)行可冷凝的饋送氣體(例如升華的蒸氣)時(shí)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間，且尤其適用于與所謂的冷離子源及通用離子源一起使用。本文描述了當(dāng)使用十硼烷及十八硼烷作為進(jìn)料時(shí)以及當(dāng)使用氣化的砷元素及磷元素時(shí)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)間且有助于在離子植入期間增強(qiáng)離子束穩(wěn)定性的方法及設(shè)備。
文檔編號(hào)H01JGK101512716SQ200780016534
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者喬治·P·薩科, 托馬斯·N·霍爾斯基, 羅伯特·W·米爾蓋特, 韋德·艾倫·克魯爾 申請(qǐng)人:山米奎普公司