CN1173107A - 离子注入器中产生离子的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

包含在本发明中的离子源(12)是用于离子注入器中。离子源(12)包括一个气体密封室(18),该密封室具有限定了一个气体电离区域(120)的导电室壁(112,114,116)。气体密封室(18)设有一个使离子射出室外的出口孔(126)。支架(15)固定与装置(13)相对的气体密封室(18),装置(13)使射出气体密封室的离子形成离子束。电离材料的供给源把材料送到气体密封室(18)中。固定在支架上的天线(130)具有金属射频导电部(132),该导电部直接安装在气体密封室(18)中,给气体电离区域(120)提供电离的能量。

Description

离子注入器中产生离子的方法和装置
本发明涉及一种在离子束注入器中产生离子的方法和装置，具体地说，是一种给离子源室提供电离能，并在其中产生等离子体的方法和装置。
离子束注入器是用离子束对硅片进行处理加工。这种处理能用于制造n或P型杂质材料，或者用于在集成电路的制造过程中形成保护层。
用于杂质半导体时，离子束注入器注入被选用的离子束而产生所需的杂质材料。由源材料如锑、砷或磷产生的注入离子能导致n型杂质材料片。如果想获得P型杂质材料片，就要注入由源材料如硼、镓或铟产生的离子。
离子束注入器包括离子源，其用于从电离的源材料中产生带正电荷的离子。产生的离子形成一束，并沿预定的束径被加速到注入点。离子束注入器还包括束形成装置，该装置延伸于离子源和注入点之间。束形成装置产生离子束，并限定了一细长的内部空腔或区域，离子束由此通向注入点。离子注入器工作时，其内区域必须被抽成真空，以降低由于离子束和气体分子产生碰撞而偏离预定的束径的可能性。
Eaton Corporation，本发明的代理公司，目前出售产品标号为NV10，NV-GSD/200，NV-GSD/160，和NV-GSD/80的高强度电流的离子注入器。
产生用于公知的离子注入器中的离子束的离子源通常包括直热式阴极，该阴极给源室区提供离子化的电子。这些电子与注入源室中的离子产生材料发生磁撞以便电离这些材料。这些离子通过一个出口孔射出源室。经过较短时内的使用，直热式阴极能量衰减了，它必须被更换，以便有足够的能量再产生离子。
通过一个射频耦合天线把电能传递给源室也就能产生和维持离子注入器源的电离过程。天线器射频信号激励，该射频信号在导电天线的“表层”产生交变电流。天线中的交变电流感应了一个时变磁场，该磁场在源室内由自然产生的自由电子占有的区域内依次建立电场。这些自由电子由感应电场加速，并和离子源室中的电离材料碰撞。天线的形状确定了源室中感应电场的形状。如果给源室提供一稳态的电能，离子室中等离子的电流一般与天线中的电流平行但方向相反。因此不能确定天线的直接浸入到通过从天线把能量传递给源室内部而产生的等离子体中去。为了获得电绝缘，天线要镀有一层绝缘材料。绝缘镀层要不断地浸镀，在源室中掺杂等离子体。
现有技术中的两个离子源已在lenug等发明的美国专利4,486,665和4,447,732中公开，这两个专利公开的离子源具有阴极灯丝，它在离子源室中产生电离的电子，这些阴极灯丝由直线电源供电，直流电流通过阴极灯丝而产生被发射到源室中的电子。这些电子加速后与注入到源室中的原子发生碰撞，而产生能连续使用的离子。
本发明涉及一种与离子注入器一起使用的离子源。这种所公开的离子源用一天线把电能耦合到含有电离材料的源室的内部区域中。
如本发明一个实施例所说的装置，它包括：离子源，该离子源具有限定等离子体室的可导电的室壁。该导电壁限定了一个电离区域。等离子体室也设有一个开孔，它使离子射出等离子室，这些离子形成一束并通过束径来处理加工工件。一底板位于等离子室中，与把从上述等离子室射出的离子形成离子束的装置相对。
与上述等离子体室相连的供给源把电离的材料送给等离子室。例如该能源能给等离子体室内部提供电离的气体。给源室内部传递能量的金属天线在源室中有一段裸露的金属表面，该金属天线与用一个射频信号给其供电的能源相连接，而在上述金属天线中产生一个交变电流。天线中的交变电流在等离子体室中靠近金属天线处感应一个离子化的电场。
在离子室中裸露的金属天线和产生的等离子之间通过离子护层形成电绝缘，该离子护层能限定一个在天线周围降低了电荷密度的区域。虽然该护层不是绝对的绝缘介质，但是它的导电性与等离子体的导电性及具有较强导电性的金属天线相比，要弱很多。相对于通过等离子体和金属天线中的高强电流，该护层可被认为是一个绝缘介质。该护层区是很薄的，因此它能在天线和等离子体之间提供足够的耦合。
选作天线的金属最好具有良好的导电性。最好的金属选用铝。选用铝也具有这种优点：从天线溅射到等离子体中的任何铝在离子注入器用于半导体加工过程中相对来说是一个不令人讨厌的杂质。最好的铝天线是具有厚壁的管子，这样能延长天线的使用寿命。在离子源工作过程中冷却剂流过管子。
本发明以上和其它的目的、效果及特征从下面本发明的一个最佳实施例连同附图的详细描述，将会更好地理解。
图1是对工件，例如安装在旋转片架上的硅片，用离子束处理的离子注入器的示意图；
图2是用于在图1的离子注入器中产生离子束的本发明的离子源的部分纵剖视图。
现参见附图，图1描述了一个离子束注入器，图中一般用10表示，它包括安装在“L”型支架15上的离子源12，离子源12发射经过加速并形成离子束14的离子，该离子束从离子源12旋转通过束径到达注射点16。电子控制器监控安装在注入室17中的圆片(未示)所接收到的离子辐射量，该注入室是注入点16的一个组成部分。离子束14中的离子经过被抽成真空的区域而流向预定的，所期望的束径，该区域是由位于离子源12和注入室17之间装置所限定。
离子源12包括一个等离子体室18(图2)，该等离子体室确定了一个包含源材料的内部区域，这个源材料在该室中被电离。源材料可以离子化的气体或汽化的源材料形式提供。用于离子注入过程中的某源材料是固体时，它们首先要经过汽化，然后经过等离子体室18而被电离。
如上所述，离子束的一般用途是用来给硅片搀杂质而形成半导体材料。如果需要“n”型无杂质材料，就需要使用硼，镓或铟。镓和铟是固体源材料，而硼是作为气体，典型的是硼的三氟化物或乙硼烷，被注入等离子体室18中，由于硼的气压太低而不能简单地把它加热而得到一个可使用的压力。
如果要获得一个‘P’型杂质材料，锑、砷或磷将被送作固体源材料。电能加到源材料上而在等离子体室18中产生带正电荷的离子。带电荷的离子通过叠加在等离子体室18的开口侧的盖板上的一个椭圆弓形槽发射出等离子体室内部。
离子束14从离子源12经过真空路径到达注入室17，该注入室也被抽成真空。由真空泵21把束径抽成真空，真空束径能减少由于离子束与束径中其他的粒子发生磁撞而产生的离子束扩散。构成本发明的离子源12的一个用途是用作一个“低”能量注入器。这种类型的注入器的离子束14能散离它的束径。因此注入器设计成具有一段从离子源到注入室较“短”的束径。
等离子体室18中的离子通过等离子体室中的盖板124上的孔126发射出去，并经过与等离子体室相邻的一组电极24加速，而射向固定于支撑板15上的质量分析磁铁22。这组电极24从等离子室内部提取离子并使其加速而射向由质量分析磁铁22所限定的区域，经过磁铁的离子束径是由铝束导板26限定的。
组成离子束14的离子从离子源12到达由质量分析磁铁22建立的磁场中。磁铁22产生的磁场强度和方向是由电子控制器100控制的，该电子控制器与用于调节经过磁场绕组的电流的磁连接器105相连接。
质量分析磁铁22仅使那些具有带电率的适当质量的离子到达注入点16。在等离子体室18中，源材料的电离产生一种具有所需原子质量的带正电荷的离子。然而，除了所需的这种离子外，电离过程中也会产生一部分与这种适当原子质量不同的离子。高于或低于适当原子质量的离子是不适于注入的。
质量分析磁铁22产生的磁场使离子束中的离子进入曲线轨道。电子控制器100建立的磁场是这样的，仅仅使原子质量与所需离子束的原子质量相等的离子通过弯曲的束径到达注入室17。
位于磁铁出口下方是可分拆极板40。它由透明的石墨组成，并设有一个使离子束14中的离子通过的细长小孔。在可分拆极板40上的离子束包线的宽度是最小的。
可分拆极板40的作用是与质量分析磁铁22一起消除离子束14中不需要的各种离子，这些离子的原子质量与所需离子束的原子质量相近，但不相等。如上所述，电子控制器100建立的质量分析磁铁的磁场强度和方向是这样的，仅仅使与所需离子束的原子质量相等的离子通过预定的、期望的束径而到达注入点16。比所需离子的原子质量大或小的无需离子会剧烈地偏移及与束导轨26或可分拆极板40上的孔缘发生碰撞。
如图1所示，可调分析缝41和Faraday指示器42位于可分析孔40和离子束中和器44之间。Faraday指示器与箱体50活动连接，该箱体设定了离子束的直线路。Faraday指示器40能直线移至与离子束14相交叉的位置，从而能测量离子束的特性，如果测量的结果令人满意，它就偏移出束直线路以免影响注入室17中的圆片注入。可调分析缝41包括两个可旋转的护板，护板的方向能被控制来调节孔40中射出的离子束流的大小。在一个方向两旋转护板与离子束有效部分相交叉，在另一方向，离子束没有缩减，通过选择中间的两个极的方向，就能控制离子束的大小。
束形成装置13也包括离子束中和器44，一般也称之为电子族射器，1992年11月17日出版了BenVeniste发明的美国专利No.5,164,599，该专利公开了一种离子束注入器中的电子族射装置，该装置包含在此专利中，可查阅其全部结构。等离子体室18发射出的离子是带正电荷的。如果离子上的正电荷在圆片注入前不被中和，掺杂的圆片将会有一个净正电荷。如’599专利所述，圆片上的这样一个净正电葆具有不需要的特性。
中和器44的出口端与注入室17相邻接，圆片在此注入室中注入离子。圆形圆片支架60旋转设置在注入室中。要加工的圆片位于圆片支架边缘的附近，支架由电动机62带动旋转。电动机62的输出轴通过皮带66带动支架的驱动轴64。离子束14在通过环形路径后，就射到圆片上，并对其进行加工处理。对于箱体50而言，注入点16是个中枢点，这伸缩软管70(图1)与箱体50相连接。等离子体室18
图2显示了离子源12所包括的构成本发明的等离子体室18，等离子体室18具有导电壁112，114，116，它们在离子室内部限定了一个电离区域120。侧壁114相对于电离室18的中心轴线115环形对称。
与质量分析磁铁22相对的导电壁116与等离子体室支架122相固定。该壁116支撑具有多个小孔的多孔极板124，这些小孔允许离子射出等离子体室18，然后距离多个彼此间隔的，电绝缘的发射电极24的出口处相结合形成离子束14。多孔极板124包括设计成特殊形状的许多小孔，它们与彼此间隔的发射电极上的成形多个小孔近似成一条直线。图2中所示的仅是多孔极板124上的其中之一孔126。具有允许离子从源室中发射出来的多种形状的孔的离子源在Hipple等发明的美国专利4,883,968和Benveniste等发明的美国专利5,023,458上已公开，这两个专利均由本发明的代理公司代理，可查阅包含了这两个专利的文献。
电离材料从源室外部送至等离子体室18内部的电离区域120。材料的类型和本性决定了电离后材料的类型。
金属天线130在离子室内部有一裸露的金属表面132，它用于给等离子体室18提供能量。等离子体定18外部的电源134以一射频信号给金属天线130提供能量，从而在金属天线里产生一个交变电流，并在等离子体室内，位于金属天线30的附近，交变电流感应一个离子化的电场。
等离子体室18还包括一个滤磁器140，它延伸在离子室内部的一个区域，并介于天线130和多孔极板124之间。滤磁器与文献中Leuig等发明的美国专利no.4，447，732的滤磁器的工作原理相一致，该专利已由美国政府授权。可查阅清楚地包含了Leung等发明的’732专利所公开的内容。
天线130由一活动支撑板150固定于等离子体室18内。支撑板150固定于侧壁114上，在侧壁114上设有一个圆形开口152，它可使天线穿过。固定天线130的支撑板150的尺寸限定在室壁118上的开口152的范围内，同时把天线130的裸露的U型金属部分132置于电离区域120中。
支撑板150设有两个能接纳两个真空压力管接头156的通孔。天线130的细长支管157压穿过管接头后，管端盖帽158拧到管接头上，从而密封了管接头156和支管157之间的接触区域。天线130在其发射区域最好是U型的，最好由铝构成。管子的外径选用能穿过压力管接头156的尺寸。在使用过程中，天线从其周围吸热。为了散热，冷却剂要流过管子的中心。
支撑板150通常具有一个在等离子体室内裸露的平面160，它还包括一个与离子室内部相背的平行外表面162。支撑板150的凸缘164叠加了一块环形磁铁170，该磁铁环绕在室壁118上的开口的周围，通过一个接管头172与室壁118相连接，与支撑板150相连接的铁磁性垫片174套压在磁铁170上，这样，当支撑板150位于开口152内时，铁磁性垫片174和磁铁170相互吸引以便把支撑板150固定于适当位置，同时天线130也能伸入室内部。
在离子源工作过程中，要产生热量，热量由室壁112，114，116，118吸收。吸收的热量由冷却剂从离子室18中放散出去，冷却剂通过一个进水的管接头流进整个室壁的通道，这后再由另一个出口管接头(未示)流出离子室。
在离子注入器工作过程中，支撑板150附近的天线130的一部分特别易受到溅射材料的覆盖。在天线***支撑板150前，两个护罩180应滑套在铝天线上。护罩最好由铝构成，并通过护罩与铝天线130裸露的外表面之间的摩擦配合使之固定在适当位置。
给天线130供电的最佳电源134可从Advaneed Energy Inc.of Boston，Mass大批地获得。这种电源提供一个具有13.5MHz频率的信号，并供给3KW的功率。
从以上本发明最佳实施例的描述，本领域熟悉人员将会理解其改进、变化和修改。所有这些改进，变化和修改都认为被包含在属于后面权利要求的精神或范围之列。

Claims (13)

1、用于离子注入器中的离子源，所说的离子源包括：
a)具有导电室壁(112，114，116)的等离子体室(18)，由导电室壁限定的电离室内部内设有一个电离区域(120)，所述的等离子体室设有一个使离子射出等离子体室的出口孔(126)；
b)用于固定所述等离子体室(18)的支架(15)，它与使射出等离子体室(18)的离子形成离子束(14)的装置(13)相对；
c)与上述等离子体室相连的供给源，它把电离的材料供给等离子体室(18)；
d)在离子室内部有一段裸露的金属表面(132)的金属天线(130)，它给等离子体室(18)提供能量；
e)电源(134)，它以一射频信号给金属天线(130)供电，在上述金属天线(130)中产生一个交变电流，该交变电流在等离子体室中靠近金属天线(130)处感应一个离子化的电场。
2、如权利要求1所说的离子源，其特征在于：天线(130)是由铝构成的。
3、如权利要求1所说的离子源，其特征在于天线(130)是一个厚壁金属管，还包括一种在离子注入器(16)工作过程中能流过厚壁金属管的冷却剂。
4、如权利要求3所述的离子源室，其特征在于：厚壁金属管包括在等离子体室(18)内裸露在产生等离子体中铝金属表面(132)。
5、如权利要求4所述的离子源室，其特征在于：裸露的金属管部分(132)形成一个常用的U型铝金属管。
6、如权利要求1所述的离子源室，还包括一个把天线(130)固定在等离子体(18)内的活动支架，所说的支架包括：
具有一开口区域(152)的室壁(114)，该开口区域能使天线(130)从等离子体室(18)的外部伸入等离子体室(18)的内部；
金属支撑板(150)，它用于固定天线(130)，并设定了在室壁(114)上的开口区域(152)范围内的尺寸，同时使天线(130)的裸露金属部分(132)设置在电离区域(120)中，该电离区域位于上述天线(130)的裸露金属表面(132)的附近。
7、一种在离子注入器的离子室中产生离子的方法，所述的方法包括以下步骤：
a)：设有由导电室壁(112，114，116)组成的等离子体室(18)，在导电室壁(112，114，116)限定的电离室内部设有一个电离区域(120)，还设有一个使电离室内部产生的离子射出等离子体室(18)的出口孔(126)；
b)把上述等离子体室(18)设置成与使射出上述等离子体(18)的离子形成离子束(14)的装置(13)相对；
c)：把电离的材料供给等离子体室(18)；
d)安装一个金属天线(130)以便裸露的金属表面(132)能伸入离子室内部，从而给等离子体室(18)提供能量；
e)：以一射频信号给金属天线(130)供电，而在上述金属天线(130)中产生一个交变电流，该交变电流在等离子体室(18)内的金属天线(130)的附近感应一个离子化的电场，该电场产生离子，离子射出出口孔(126)形成离子束(14)。
8、如权利要求7所述的方法，还包括：由于易受到溅射材料对天线(130)的污染，要对离子室内部的天线(130)的裸露金属表面(132)设有防护罩。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于：在离子室(18)的室壁(114)上设有一个开口区域(152)，把天线(130)固定于支撑板(150)上，该支撑板适于装配到室壁(114)上的开口区域(152)内。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于：支撑板(150)通过磁铁(170)固定于室壁(114)上，该磁铁与固定于室壁(114)或支撑板(150)中的一个上的铁磁性垫片(174)相吸引。
11、一种离子注入器，它包括：
a)：离子注入室(17)，用于把一个或更多个工件设置在真空区域，用离子束对工件进行处理；
b)：离子源(12)，它产生适于形成离子束(14)的离子，该离子束对注入室(17)的真空区域内的工件进行处理；上述离子源(12)包括导电室壁(112，114，116)，该导电室壁在室内限定了一个电离区域(120)而形成一个等离子体室(18)，所述的等离子体室(18)包括一个室壁(116)，在室壁(116)上设有一个或多个使离子射出等离子室(18)的出口孔(126)；
c)：装置(21，22，26)，用于建立一条从离子源(12)到注入室(17)的真空束径，并在真空束径中使离子形成离子束(14)；
d)：一支架(15)，它用于固定与装置(21，22，26)相对的上述等离子体室(18)，该装置(21，22，26)使射出上述等离子体室(18)的离子形成离子束；
e)：一能源，与上述等离子体室(18)相连，它把电离材料供给等离子体室(18)；
f)：一金属天线(130)，它包括一段在离子室内部裸露的金属表面(132)，并给等离子体室(18)供电；
g)：一电源(134)，它以一射频信号给金属天线(130)供电，在上述金属天线(130)中产生一个交变电流，该交变电流在等离子体室(18)内的金属天线(130)的附近感应一个离子化的电场。
12、如权利要求11所述的离子注入器，其特征在于：天线(130)在等离子体室(18)内包括一U型部。
13、如权利要求11所述的离子注入器，其特征在于：天线(130)包括一固定在等离子体室(18)内的铝金属U型部。
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