离子注入系统的离子源和同轴感应耦合器技术方案

公布一种离子源，所述离子源具有用以提供离子注入系统中所使用的带状离子束的细长狭缝。所述离子源包括在圆柱形源外壳内的用于射频激发等离子体的同轴感应耦合天线，以及设置在所述外壳内用于产生多新月形的方位磁场以实现对等离子体进行约束的周向磁体。还公布一种在等离子体与外壳壁之间设有隔热层以减轻或减少等离子体约束腔中冷凝的用于外壳内部的衬套。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及离子注入系统，特别是涉及在离子注入系统中用来提供带状光束的离子源。
技术介绍
离子注入系统或离子注入器在集成电路制造和平板显示器制造过程中广泛使用，以对半导体进行掺杂。在这样的系统中，离子源电离出所需的掺杂元素，所述掺杂元素以具有所需能量的离子束的形式从所述源中被分离出来。离子束随后被引导至工件表面，如半导体晶片的表面处，将掺杂元素注入工件。所述束中的离子穿透工件表面，以形成具有所需电导率的区域，例如在制造晶片中的晶体管器件过程中。注入工艺一般是在高真空处理腔中进行的，这就防止了离子束与残留气体分子碰撞引起的色散，并且将工件被气载颗粒污染的危险性减至最小。虽然平板显示器注入器中一般不包括质谱分析设备，但是一种典型的离子注入器包括用以产生离子束的离子源，包括用于对离子束进行质谱分析的磁体的束线，和包括要进行离子束注入的半导体晶片或其他衬底的靶腔。对于高能量注入系统，加速设备应设置在质谱分析磁体和靶腔之间，以将离子加速到高能状态。常规离子源包括等离子体约束腔，所述等离子体约束腔具有引入将要进行电离以产生等离子体的气体的进口孔和通过其分离出等离子体以形成离子束的出口孔。磷化氢气体就是一个例子。当磷化氢暴露于能量源如高能电子或射频(RF)能量中时，磷化氢解离成用于掺杂工件的带正电荷的磷离子(P+)和氢离子。一般来说，磷化氢被引入到等离子体约束腔中，然后将其暴露于能量源下，从而产生磷离子和氢离子。等离子体包括所需的用于注入工件中的离子，也包括作为解离和电离过程中出现的副产物的所不希望得到的离子。随后使用包括供能的分离电极的分离设备通过出口孔将磷离子和氢离子分离出并送入离子束中。源气体可包括的其他典型掺杂元素包括磷(P)，砷(As)或硼(B)。注入粒子的剂量和能量取决于具体应用的需要。对于某一给定的半导体材料，离子剂量控制注入离子的浓度。在一般情况下，强电流注入器用于大剂量注入，而中等电流注入器用于较小剂量的注入。离子能量用来控制半导体器件的结深(junction depth)，其中所述束中的离子能级决定注入离子的深度。当前，半导体器件不断向越来越小的趋势发展，这就需要在低能量条件下提供强射束电流的束线结构。强射束电流提供必要的剂量级，而低能量则允许浅注入。此外，器件不断向更复杂的趋势发展，这就要求对在工件上扫描的注入离子束的均匀性进行小心的控制。离子源中的电离过程由电子激发过程而实现，其中电子与离子源腔内的可电离材料发生碰撞。在此之前，使用加热的阴极或射频供能天线实现这种激发。阴极被加热以发射电子，电子再被加速到电离过程所需的足够能量；而射频天线产生将等离子体电子加速到维持电离过程所需的能量的电场。所述天线可暴露于离子源的等离子体约束腔内，也可设置在等离子体约束腔的外面，其被电介质窗隔开。天线被在等离子体约束腔内感应出随时间变化的磁场的射频交变电流供给能量。所述磁场进而在密封腔内在由自由电子占据区域感应出电场。这些自由电子受感生电场的作用而加速，在离子源腔内与可电离材料相碰撞，在等离子体腔内产生等离子体电流，所述等离子体电流一般与天线内的电流平行且方向相反。这时，离子就可以被位于小出口孔附近的一个或多个供能分离电极从等离子体腔内分离出来，这样可以产生小截面(相对于工件的尺寸来说)的离子束。在多种离子注入系统中，为达到所需的注入要求，可以通过机械扫描和/或磁扫描的方式将圆柱形离子束传送到目标晶片上。批量注入器可以对几个晶片同时进行注入，这几个晶片以可控方式旋转通过注入路径。离子束的形状由离子源分离孔和后面的形状控制器来确定，如质谱分析设备，分辨光阑，四极磁体和离子加速器，通过这些仪器，可得到小截面离子束(相对注入工件的尺寸)被照射到目标晶片上。使离子束和/或工件发生相对平动，以实现对工件的扫描。然而，为了减少注入系统的复杂性，需要简化扫描机构，以提供细长的带状离子束。对于具有足够纵向长度的带状离子束，不需要辅助的机械或磁性网格扫描装置，只要简单的机械扫描设备就可以对整个晶片进行注入。因此，在这样的注入系统中，需要提供带状离子束源，它能提供具有均匀的纵向密度分布的细长的离子束。
技术实现思路
本专利技术的目的在于用于离子注入系统中的离子源，该离子源能提供具有均匀或可控密度的用于注入工件如半导体晶片或平板显示器中的细长的或带状离子束。本专利技术提供离子源，其中在细长的等离子体约束腔内产生均匀的等离子体，具有相对较大纵横比的带状离子束通过细长的出口孔或分离狭缝从约束腔中被分离出来。然后，所述细长的带状束能在一次机械扫描中注入半导体晶片，从而简化了注入系统。在一种具体实施方式中，本专利技术可以提供400mm长的带状束，以有利于300mm的半导体晶片工件的单扫描注入。为了能够控制分离出来的离子束的均匀性，本专利技术有利地提供了在大体上为圆柱形的离子源腔内的同轴射频激发，以有利于在其中产生均匀的电离的等离子体。通过设置沿周边延伸的多新月形的磁体以在等离子体腔内产生方位磁场，进一步改善了等离子体腔内的均匀等离子体约束。然后在等离子体腔中设置细长的出口孔或分离狭缝，用于使用细长的可供能量的分离电极进行分离以形成带状束。等离子体腔内均匀的离子进而有利于产生用于均匀注入目标晶片的具有高特征密度和小特征尺寸的均匀的带状束。此外，可以在等离子体腔内设置隔热层，如圆柱形的衬套，这样可以提高等离子体温度，减少等离子体腔内等离子体的冷凝。这样有利于从一种注入物质转换到另一种注入物质，而不会存在由现有技术的射频激发离子(例如“冷壁”)源中所共同具有的冷凝物而引起的污染。本专利技术的一个方面是提供了一种离子源，包括带有沿产生等离子体的纵轴设置的圆柱形等离子体约束腔的外壳，沿所述轴线同轴设置在等离子体腔中的天线，以及用于供给天线能量的射频源。所述外壳包括在第一和第二端部之间纵向延伸的圆柱形导电腔壁，在所述端部上具有细长的沿纵向延伸的出口孔，离子束通过所述出口孔可从等离子体中分离出来。细长出口孔的长度可为任何纵向长度如约400mm，并且可具有较大的纵横比以产生细长的带状离子束。天线包括第一和第二端子，所述第一端子被连接至射频源，并且所述第二端子在第二端部处电连接至腔壁，在此所述腔壁为射频源提供了回路。位于第一和第二端子之间的一部分天线在等离子体约束腔内沿所述轴线纵向延伸，用以向等离子体腔发射能量。由此同轴天线有利于等离子体的均匀激发，从而提供可分离出带状离子束的均匀的离子源。射频源具有两个输出装置，包括与第一天线端子相连的第一输出装置和与腔壁第一端部相连的第二输出装置。以这种方式，射频源，天线和腔壁形成基本上同轴的电路，以在天线的暴露部分上产生交变电流，用于在等离子体约束腔内感生出电离场。可以在第一射频源输出装置和天线的第一端子之间，和/或腔壁的第二个端部和天线的第二端子之间设置电容器。本专利技术的另一个方面是提供一种在离子注入系统中产生离子束的离子源，所述离子源包括限定出沿纵向轴线设置的圆柱形等离子体约束腔的外壳。所述外壳包括带有细长的纵向延伸出口孔的大体上为圆柱形的导电腔壁，和在等离子体约束腔内部分延伸用于在其中发射能量的天线。设置多个磁体，所述磁体沿径向与等离子体约束腔内的所述轴线隔开并且相互间沿纵向隔开。相邻的磁体对具有相反磁极性，用以在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在离子注入系统中提供离子束的离子源，包括：外壳，所述外壳限定出沿纵轴设置的细长的等离子体约束腔，其中通过电离源材料产生等离子体，所述外壳包括在其第一端部和第二端部之间纵向延伸的通常为圆柱形的导电腔壁，所述端部相应地具有细长的 纵向延伸的出口孔，离子束通过所述出口孔可从等离子体中分离出来；天线，所述天线包括第一和第二端子，所述第二端子在第二端部处电连接到腔壁上，并且在第一和第二端子之间天线的一部分沿着使耦合能量进入等离子体腔的轴线在等离子体约束腔内纵向延伸 ；和射频源，所述射频源通过频率在１ＭＨｚ到１００ＭＨｚ之间的射频信号供给天线能量，所述射频源包括：电连接至天线的第一端子上的第一输出装置和电连接至腔壁第一端部上的第二输出装置，射频源，天线，和腔壁，其形成大体上同轴的电路，以在天线的 暴露部分上提供交变电流，用以在等离子体约束腔内感应出电离场。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2002-7-31 10/209,3971.一种用于在离子注入系统中提供离子束的离子源，包括外壳，所述外壳限定出沿纵轴设置的细长的等离子体约束腔，其中通过电离源材料产生等离子体，所述外壳包括在其第一端部和第二端部之间纵向延伸的通常为圆柱形的导电腔壁，所述端部相应地具有细长的纵向延伸的出口孔，离子束通过所述出口孔可从等离子体中分离出来；天线，所述天线包括第一和第二端子，所述第二端子在第二端部处电连接到腔壁上，并且在第一和第二端子之间天线的一部分沿着使耦合能量进入等离子体腔的轴线在等离子体约束腔内纵向延伸；和射频源，所述射频源通过频率在1MHz到100MHz之间的射频信号供给天线能量，所述射频源包括电连接至天线的第一端子上的第一输出装置和电连接至腔壁第一端部上的第二输出装置，射频源，天线，和腔壁，其形成大体上同轴的电路，以在天线的暴露部分上提供交变电流，用以在等离子体约束腔内感应出电离场。2.根据权利要求1所述的离子源，还包括第一电容器，所述电容器被连接在射频源的第一输出装置和天线的第一端子之间。3.根据权利要求2所述的离子源，还包括第二电容器，所述电容器被连接在腔壁的第二端部和天线的第二端子之间。4.根据权利要求1所述的离子源，还包括连接到腔壁的第二端部和天线的第二端子之间的电容器。5.根据权利要求1所述的离子源，还包括围绕天线的绝缘管。6.根据权利要求3所述的离子源，还包括多个磁体，所述磁体沿径向与等离子体约束腔内的所述轴线隔开并且相互间沿纵向隔开以形成至少一个相邻对，每一个相邻对具有相反的磁极性，以使腔壁附近纵向磁场能够约束等离子体约束腔内的等离子体。7.根据权利要求6所述的离子源，其中多个磁体围绕在出口孔的相对侧之间的一部分所述腔壁内部单独沿周边进行延伸。8.根据权利要求6所述的离子源，其中所述多个磁体是永磁体。9.根据权利要求1所述的离子源，还包括多个磁体，所述磁体沿径向与等离子体约束腔内的所述轴线隔开并且相互间沿纵向隔开以形成至少一个相邻对，每一个相邻对具有相反的磁极性，以便产生能够约束等离子体约束腔内的等离子体的在腔壁附近的方位磁场。10.根据权利要求1所述的离子源，还包括在等离子体约束腔内设置在腔壁和产生等离子体的轴线之间的圆柱形衬套，所述衬套在等离子体和腔壁之间形成隔热层，以防止源材料在等离子体约束腔内发生冷凝。11.根据权利要求10所述的离子源，其中所述衬套含有钨。12.根据权利要求1所述的离子源，还包括多个位于靠近出口孔的腔壁外侧的分离电极，所述分离电极可被提供能量以提供用以通过出口孔从等离子体约束腔内分离出细长的离子束的电场。13.一种用于在离子注入系统中提供离子束的离子源，包括外壳，所述外壳限定出沿纵轴设置的通常为圆柱形的等离子体约...

【专利技术属性】
技术研发人员：V本维尼斯特，W迪维吉利奥，
申请(专利权)人：艾克塞利斯技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]