具有双热电子源的离子源及其热电子产生方法

技术领域

本发明涉及一种离子布植机的离子源，尤其涉及一种具有双热电子源的离子源。

背景技术

离子布植机在半导体制程中是用以对半导体晶圆中的待掺杂区进行离子布植，而该离子布植机中的离子源是用来产生离子布植用的离子束，而目前离子源依照不同的热电子产生方式概有二种：其中一种伯纳式离子源(Bernas Ion Source)，另一种为间接加热阴极式离子源(Indirectly-Heated-Cathode Ion Source；IHC Ion Source)。

请配合参阅图6A所示，伯纳式离子源的热电子源直接采用一灯丝62，该灯丝62自一电弧室60外壳61一侧向内穿经并固定于该侧的内板611。当一灯丝电源供应单元70提供电流予该灯丝62，灯丝62温度会升高，当灯丝62温度升高至达到一定高温(如温度大于摄氏1000度)后会产生电子。此时，再将一电弧电源供应单元72的正、负电极分别耦接至离子源的电弧室60的内板611及该灯丝62，于电弧室60内构成一电子的加速电场，以吸引该灯丝62的电子至该电弧室60中，使该电弧室60内的掺杂源气体离子化而产生不同种类的离子。由于电弧电源供应单元72提供予电弧室60的内板611的电压落于60V至150V的电压范围中，故通过该加速电场的电子的能量大幅提升，成为高能量的热电子，高能量的热电子可多次撞击掺杂源气体，使其产生不同价的带正电或带负电离子；其中带正电离子会同样受到该加速电场吸引，而提高向外发射的能量。高能量离子会多次喷溅(Sputtering)该灯丝62，使灯丝62损坏而需更换。

为提高灯丝62的使用寿命，如图6B所示的间接加热阴极式离子源的电弧室60’，其中的热电子源进一步包含有一覆盖该灯丝62的金属遮罩，并与该电弧电源供应单元72的负电极耦接，故作为阴极621用(下称统称为阴极)。当该灯丝62升温发射电子后，由于该阴极621连接至一偏流电源供应单元71的正电极而呈正电位，而加速吸引该灯丝62发射的电子，能量被提高的电子会不停撞击该阴极621的外侧，使该阴极621的温度提高；同理，当该阴极621加热至一定温度后发射电子，电子即受到由该电弧电源供应单元72提供的电压构成的加速电场吸引，成为高能量的热电子而向该电弧室60’发射。由于高能量热电子同样使电弧室60’内的掺杂源气体离子化而产生带正、负电的离子，带正电离子同样会受到加速电场而反向加速朝向阴极621发射，从而喷溅阴极621的内侧，虽然可避免灯丝62直接被离子喷溅，但经过一段时间后，该阴极621同样会被击穿而需更换；因此，图6A及图6B的单组热电子源结构的电弧室60、60’，其放电空间的离子浓度会集中在设置热电子源的一侧，且距该热电子源愈近的离子浓度会愈高，呈现一种单一高浓度离子喷溅效应。

无论图6A或图6B的热电子源结构，其对于离子源来说均为一项耗材，也因此许多厂商投入开发延长热电子源的使用寿命的技术，以中国台湾公告第I450303号「间接加热电极式离子布植机的阴极」发明专利可知(如图7所示)，将一阴极80正对该电弧室另一侧的斥拒极81(Repeller)的中间前端801加厚，使其可延长被离子喷贱侵蚀的时间，相对延长使用寿命。再如中国大陆公告第CN203631482号「离子源及离子注入机」实用新型专利(如图8所示)，同样将阴极80’前端801’的直径及厚度增大，增加阴极的使用寿命。而中国台湾公告第I493590号「用于延长一离子源的使用寿命的装置及方法」发明专利，如图9所示，则是于电弧室内设置二组以上的热电子源80a、80b，惟一次仅使用其中一组热电子源80a，直到该组热电子源80a失效后，再切换使用第二组热电子源80b，惟需配合一旋转结构811更换斥拒极81的相对位置，才能续行离子化；因此，第I493590号发明专利实际上是藉由切换不同组热电子源80a、80b来延长更换热电子源80a、80b的时间，对于单组热电子源来说，其使用寿命并未因此而被延长。

由上述说明可知，目前实际延长热电子源的使用寿命的技术仍以结构性改良为主，惟如此必须生产不同尺寸规格的阴极，且实际可延长使用寿命的时间有限。如第I493590号发明专利提出的技术虽可延长更换离子源中热电子源的时间，但需要监测使用中的热电子源是否已失效，以即时切换至另一备用热电子源；此外，另需进一步增加于电弧室内增加旋转结构，以匹配不同的热电子源位置来维持正常使用。因此，如何在不改变电弧室结构设计的前提下，延长热电子源的使用寿命，为本领域极欲解决的技术问题。

发明内容

有鉴于前揭现有离子源的热电子源延长使用寿命的技术，均需改变电弧室结构；因此，本发明主要目的在于不改变电弧室结构下，提出一种延长热电子源使用寿命的具双热电子源的离子源及其热电子产生方法。

欲达上述目的所使用的主要技术手段令该具有双热电子源的离子源包含有：

一电弧室，包含有：

一本体，具有一放电空间；

一第一热电子源，自该本体的一第一侧穿入并电绝缘固定于该第一侧，以曝露于该本体的放电空间中；及

一第二热电子源，自该本体的一第二侧穿入并电绝缘固定于该第二侧，以曝露于该本体的放电空间中；以及

一电源供应装置，包含有：

一加热电源供应单元，耦接至该第一及第二热电子源，构成一电流回路；及

一低压电弧电源供应单元，耦接至该电弧室的本体及该第一及第二热电子源；其中该低压电弧电源供应单元同时提供落在20V至45V电压范围之间的输出电压予该第一及第二热电子源。

上述本发明主要调降该离子源的低压电弧电源供应单元的电压落在20V至45V电压范围之间，令该电弧室的本体分别与该第一及第二热电子源的间的加速电场所提供予电子及离子的能量减弱。由于该电弧室的本体内产生的离子朝向第一及第二热电子源发射能量减弱，减低对各该第一及第二热电子源的喷溅，以相对延长了各该第一及第二热电子源的使用寿命。再者，由于第一及第二热电子源产生的电子通过加速电场的能量较弱，可避免低能量的热电子多次撞击已离子化的离子，以有效减少不必要的二价或三价带正电的离子，相对提高离子束(萃取电流)中有用离子的比例。

欲达上述目的本发明所使用的主要技术手段令该离子源包括一电弧室，该电弧室的本体具有一放电空间，其中该本体二侧分别电绝缘地穿设有二个热电子源；其中该热电子产生方法包括：

提供一加热电源予该二个热电子源，使各该热电子源加热至一第一预定温度后发射热电子；以及

提供一电弧电源予该本体及各该热电子源，以加速吸引该二个热电子源所发射的该热电子至该电弧室的放电空间；其中该电弧电源提供落在20V至45V电压范围之间的电压。

上述本发明主要调降电弧电源的电压，使其落在20V至45V电压范围之间，令该电弧室的本体分别与该第一及第二热电子源之间的加速电场所提供予电子及离子的能量减弱，低能量的离子对各该第一及第二热电子源的喷溅效应得以和缓，以延长了各该第一及第二热电子源的使用寿命，而低能量的热电子则可避免热电子多次撞击已离子化的离子，有效减少不必要的二价或三价带正电的离子，相对提高离子束(萃取电流)中所需要的离子的比例。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1：本发明一离子源的立体外观图；

图2A：本发明为一伯纳式离子源的电弧室与电源供应装置的电性连接示意图；

图2B：本发明为一间接加热阴极式离子源的电弧室与电源供应装置的电性连接示意图；

图3：图1的部分剖视图；

图4：本发明散热装置第一较佳实施例的立体外观图；

图5：本发明散热装置第二较佳实施例的立体外观图；

图6A：现有一种间接加热阴极式离子源的立体外观图；

图6B：现有间接加热阴极式离子源的电弧室与电源供应装置的电性连接示意图

图7：中国台湾公告第I450303号发明专利的第二图；

图8：中国大陆公告第CN203631482号实用新型专利的图3；

图9：中国台湾公告第I493590号发明专利的第1A图。

其中，附图标记

1 离子源

10、10’ 电弧室

100 放电空间 100a 离子束

11 外壳111 底进气孔

12、12a、12b 内板14、14’ 热电子产生元件

141 灯丝 142阴极

20、20’ 散热装置21 散热本体

211 顶面 212 底面

213 侧面 214 短侧

215 凹槽 216 空间

22 冷却媒介管221、222 支管

30 基座301 顶面

31 下基座

40 进气管

50、50’ 电源供应装置51 灯丝电源供应单元

52 偏流电源供应单元53 低压电弧电源供应单元

60、60’ 电弧室61 外壳

611 内板 62 灯丝

621 阴极 63 斥拒极

70 灯丝电源供应单元71 偏流电源供应单元

72 电弧电源供应单元

80、80’ 阴极80a、80b 热电子源

801、801’ 前端81 斥拒极

811 旋转结构

具体实施方式

本发明基于不改变离子布植机的离子源中的热电子源的结构下，提出一种延长热电子源使用寿命的具双热电子源的离子源及其热电子产生方法。

首先请参阅图1所示，为本发明的一离子源1的立体外观图，其主要于一基座30的顶面301上依序迭设有一散热装置20及一电弧室10；再如图2A所示，本发明电弧室10的第一较佳实施例进一步电连接至一外部的电源供应装置50，该电弧室10包含有一本体、一第一热电子源14a及一第二热电子源14b；本实施例配合使用的该电源供应装置50则包含有一灯丝电源供应单元51及一低压电弧电源供应单元53。

再请配合参阅图2A及图3，在本实施例中，该本体包含有一外壳11及多个内板12、12a、12b，该第一热电子源14a自该本体的一第一侧穿入外壳11及对应的内板12a，并电绝缘固定于该本体的第一侧，该第二热电子源14b则自该本体的一第二侧穿入外壳11及对应的内板12b，并电绝缘固定于该本体的第二侧。在本实施例中，各该第一及第二热电子源14a、14b包含一灯丝141，该灯丝141直接曝露于该电弧室10的放电空间100中。

该灯丝电源供应单元51耦接至该第一及第二热电子源14a、14b的灯丝141，以构成一电流回路。该低压电弧电源供应单元53耦接至该本体的内板12及该第一及第二热电子源14a、14b；其中该低压电弧电源供应单元53提供落在20V至45V电压范围之间的输出电压。在本实施例中，该第一及第二热电子源14a、14b的灯丝141其中一端相互连接，而另一端则分别与该灯丝电源供应单元50的正电极(+)、负电极(-)连接，以构成该电流回路，而该低压电弧电源供应单元53的负电极(-)则连接至该电流回路，以耦接至第一及第二热电子源14a、14b，而其正电极(+)则耦接至该本体的内板12。

在本实施例中，虽然该电弧室10包含第一及第二热电子源14a、14b，但其中一热电子源14b装设于现有电弧室的斥拒极位置；因此，就本发明的电弧室10的本体结构并未被改变。当该灯丝电源供应单元51提供电流予该电流回路，该第一及第二热电子源14a、14b的灯丝141会加热至一定温度后放射热电子至该电弧室10的放电空间100中。接着，当该低压电弧电源供应单元53提供20V至45V电压范围之间的输出电压，即可于各该灯丝141与各内板12、12a、12b之间建立一加速电场，使本体二侧的灯丝141所产生的电子被加速发射至该电弧室100的放电空间100中，对通入的掺杂源气体离子化产生数种离子。

由于本发明调降提供予该电弧室内板12、12a、12b的电弧电源的电压，可使该电弧室10的本体分别与该第一及第二热电子源14a、14b之间的加速电场所提供予电子及离子的能量减弱；其中低能量的离子可减低对各该第一及第二热电子源14a、14b的灯丝141喷溅，以延长灯丝141使用寿命。同理，由于热电子在撞击后能量衰减，对于低能量的热电子来说，经一次撞击后其能量会更减低，藉此减少对一价离子再撞击出二价或三价离子的机会，有效减少不必要的二价或三价带正电的离子，相对提高离子束(萃取电流)中所需要的离子的比例。本发明于电弧室10本体的第一侧及第二侧分别设置第一及第二热电子源14a、14b，故可同时对放电空间100发射热电子，更加均匀地离子化该放电空间100内的掺杂源气体。

综上所述，本发明第一实施例的离子源热电子产生方法包含有：提供一加热电源予该二灯丝141，使各该灯丝141加热至一定温度后产生电子，并自该本体的二侧向该放电空间100发射热电子；以及提供一电弧电源予该本体及各该灯丝141，其中该本体耦接至该电弧电源的正电极，以加速吸引二侧灯丝141产生的电子；其中该电弧电源提供落在20V至45V电压范围之间的电压。

请参阅图2B所示，为本发明电弧室10’的第二较佳实施例，其相较图2A所示的第一较佳实施例的电弧室10结构大致相同，惟各第一及第二热电子源14a’、14b’进一步包含有一阴极142，以覆盖其对应的灯丝141，避免灯丝141直接曝露于放电空间100中；又，配合本实施例的电弧室10’所使用的电源供应装置50’进一步包含有一偏流电源供应单元52。该第一及第二热电子源14a’、14b’的阴极142分别耦接至该偏压电源供应单元52的正电极(+)及该低压电弧电源供应单元53的负电极(-)。该偏流电源供应单元52的负电极(-)则连接至该电流回路，即耦接至该第一及第二热电子源14a’、14b’的灯丝141。

当该灯丝电源供应单元51输出电流至该电流回路，使该第一及第二热电子源的灯丝141加热至一第一预定温度后，向放电空间放射电子；此时，该偏流电源供应单元52的正、负电极)(+)、(-)分别耦接至该阴极142及该灯丝141，以于各该阴极142及其对应的灯丝141之间建立一加速电场，吸引该灯丝141放射热电子撞击其对应的阴极142，使该阴极142加热；待该阴极142加热至一第二预定温度后即发射热电子至该电弧室100内。该低压电弧电源供应单元53的正、负电极(+)、(-)则分别耦接至该多个内板12、12a、12b及该阴极142；其中该低压电弧电源供应单元53提供落在20V至45V电压范围之间的输出电压，于各该阴极142与各内板12、12a、12b之间建立一加速电场，使该阴极142的热电子被加速发射至该放电空间100中，对通入的掺杂源气体均匀地离子化，以产生数种离子。

综上所述，本发明第二实施例的离子源热电子产生方法包含有：提供一加热电源予该二灯丝141，使各该灯丝141加热至一第一预定温度后发射电子；提供一偏流电源予各该阴极142及对应灯丝141，其中各该阴极142耦接至该偏流电源的正电极，以吸引该灯丝141发射的电子来提高阴极142的温度，于达到一第二预定温度，即向该电弧室10’内的二侧发射热电子；以及提供一电弧电源予该多个内板12、12b、12b及各该阴极142，其中该多个内板12、12b、12b耦接至该偏流电源的正电极，以加速吸引二侧的热电子；其中该电弧电源提供落在20V至45V电压范围之间的电压。

适用于本发明的掺杂源气体可为四氟化锗、锗烷、三氟化硼、二硼烷、四氟化硅、硅烷、砷化氢或磷化氢其中之一。此外，适用于本发明的掺杂源气体也可以为由一掺杂气体与一补充气体合成的一掺杂组成气体，该掺杂气体为四氟化锗、锗烷、三氟化硼、二硼烷、四氟化硅、硅烷、砷化氢或磷化氢，该补充气体为氩气、氢气、氮气、氦气、氨气、氟气或氙气；即各该参杂气体可配合该些补充气体的其中之一共同混合成该掺杂组成气体，以作为本发明的掺杂源气体之用；亦或，可分别使用各该参杂气体及其中一补充气体，令其共同流入该电弧室以构成一共流(co-flow)气体，同样可作为本发明的掺杂源气体之用。

以下进一步说明针对前揭数种不同掺杂源气体进行实验量测后，获得较佳的电弧电源电压为：

当自该电弧室通入的掺杂源气体包含有三氟化硼(BF3)或掺杂源气体为三氟化硼(BF3)，该电弧电源的电压为30V～45V。

当自该电弧室通入的掺杂源气体包含有砷化氢(AsH3)或磷化氢(PH3)，该电弧电源的电压为25V～40V。

当自该电弧室通入的掺杂源气体包含有四氟化硅(SiF4)，该电弧电源的电压为25V～40V。

由上述可知，本发明藉由较低电弧电源电压所建立的加速电场，会使得该热电子产生元件产生的热电子能量相对减弱。理论上，热电子正面撞离掺杂源气体最外围的第一个价电子所需的能量并不高，只需由8V至15V的加速电场所供予该热电子的能量即可，但若进一步撞离掺杂源气体的第二个价电子，则热电子需要22V以上的加速电场提供其更大的能量才能实现。然而，热电子的撞击方向无法被控制，故基于考虑热电子的撞击力以及一定大小的萃取电流(离子束)下，本发明调整电弧电源的电压落在20V至45V电压范围之间，有相当大的机会至少撞离掺杂源气体的最外围的第一个价电子；因此，虽然本发明相较现有离子源降低电弧电源的电压，令制造出热电子的能量相对较低，但也因为较低能量的热电子在撞击后能量衰减，而可减少撞击出二价或三价离子的机会。

以三氟化硼作为通入本发明第二实施例的电弧室(单组热电子源)及现有离子源的电弧室(单组热电子源)进行离子化；其中设定本发明电弧电源的电压为40V，而现有电弧室的电弧电源电压为85V，再调整六组由小至大的电弧电源电流(依序加大功率)，进行该电弧室的萃取电流(离子束)及其中有用的一价的硼离子(B+)的ROI电流的量测；其中ROI电流指在晶圆表面上可供布植的终端电流称为ROI电流(Region Of Interest；ROI)，实际量测结果如下表一所示。

表一

由上表一可知，当本发明设定电弧电源的电压为40V，而设定现有电弧电源的电压为85V时，同样以三氟化硼作通入电弧室后所量测得到的萃取电流及有用的一价硼离子的ROI电流数值，很明显可比较出在各组相同的萃取电流(20mA、25mA、30mA、35mA、40mA、45mA)中，本发明的一价的硼离子的ROI电流数值确实较现有离子源为高。

至于热电子源的使用寿命，则同样以前揭条件产生35mA萃取电流，并使用厚度为0.3英吋(inch)的阴极进行测试，如果如下表二所示，本发明阴极厚度由0.3英吋经过45天会减至0.28英吋，而现有电弧室则于使用0.3英吋阴极开始到阴极0.0英吋(被击穿)仅为期29天；因此，本发明确实可有效延期阴极的使用寿命。

表二

前揭量测数据是以本发明第二较佳实施例的电弧室装设单组热电子源进行量测而得，如依图2B所示安装二组热电子源14a’、14b’的电弧室10’，由于总体产生的热电子数量增加，可量测到较上表一更高的一价的硼离子的ROI电流数值；此外，相较于离子浓度集中在单组热电子源一侧的电弧室，本发明图2B的二组热电子源14a’、14b’可使总体产生的离子均匀地分布在放电空间100两侧，而且相较设置单组热电子源的电弧室的单一高浓度离子喷溅效应，本发明图2B所示的电弧室10’，可将高浓度离子喷溅效应有效地分散到该二组热电子源14a’、14b’上，令其喷溅效应减半，以大幅延长表二所示的阴极142使用天数，也可增长电弧室10’的寿命。

再请参阅图1及图3，为本发明的离子源1以多个弹性勾扣组件将该散热装置20及电弧室10紧扣于该基座30上，即该基座30的下基板31上螺设有四个等距离的L形固定件32，各该固定件32上勾设有一弹簧33的一端，该弹簧33另一端则勾扣于一勾条34一端，该勾条34另一端形成有一勾部341，以勾扣于该电弧室10的该萃取电极板13的二相对长边，于扣合后受到该弹簧33下拉的回复力，该电弧室10及其下方的散热装置20即可紧扣于在该基座30的顶面301上。

当调大电弧电源功率时，该电弧室的温度会随的提升，因此本发明使用高散热的散热装置20，该高散热的散热装置20包含有一散热本体21及至少一冷却媒介管22。该散热本体21的底面212设置于该基座30的顶面301，其顶面211全平面地贴平于该电弧室外壳11的底面，再如图4所示，本实施例的该散热本体21的二相对短侧214自该顶面211分别向下向内渐缩，该散热本体21的底面212小于顶面211；再如图5所示，为另一散热装置20’的实施例，该散热本体21的二相对短侧214的下部向下向内凹设一空间216，该散热本体21的底面212小于顶面211；相较于图5所示的散热装置30的实施例，可快速将电弧室10传导至该散热本体21的顶面211的热，较快速地集中至该散热本体21的中间。再者，为不与该进气管40干涉，再配合图3所示，该散热本体21对应该进气管40的一侧面213向内凹设有一凹槽215，该凹槽215贯穿该散热本体21的顶面211及底面212，由于且该进气管40的外管壁与该凹槽215内壁面有一间距，使该进气管40不与该散热本体21接触。各该冷却媒介管22穿经该散热本体21，并自该散热本体21底面向下穿出二支管221、222，并自该基座30的顶面301插入该基座30中，以外接一冷却媒介(图中未示)。再者，其中一支管221作为冷却媒介进入管；另一支管222则作为冷却媒介的排出管，使该冷却媒介可于该冷却媒介管22中流动。较佳地，该冷却媒介可为冷却气体或冷却液体。

综上所述，本发明散热装置20、20’主要全平面贴平于该电弧室10底面，除提供更稳固的支撑外，藉由更大接触面积提供该电弧室高热传导效率，再配合冷却媒管22内的流程冷却媒介，快速将散热本体21的热带离，使整体散热效率更佳；再者，由于该散热装置20、20’主要全平面贴平于该电弧室10的底面，纵使外壳在高温运作下不易受热变形，亦能进一步避免因使用某些易热裂解的掺杂气体堵塞该电弧室的底进气孔。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。