CN101512716B - 用于从离子源提取供在离子植入中使用的离子的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

为离子束产生系统的提取电极提供热控制，所述热控制防止沉积物的形成及不稳定操作且使得能够与从可冷凝蒸气产生的离子及能够进行冷及热操作的离子源一起使用。采用对所述提取电极的电加热以提取十硼烷或十八硼烷离子。在与热离子源一起使用期间的有效冷却可防止电极损坏，从而允许所述提取电极为导热及耐氟的铝组合物。通过使用反应性卤素气体提供对所述离子源及提取电极的原位蚀刻清洗且通过具有可延长清洗之间的工作持续时间的特征来增强所述系统的工作寿命，其中包含准确的蒸气流量控制及对离子束光学装置的准确聚焦。出于清洗所述离子源及所述提取电极中的沉积物的目的，远程等离子体源将F或Cl离子递送到断电的离子源。这些技术在运行可冷凝的馈送气体(例如升华的蒸气)时实现较长的设备正常运行时间，且尤其适用于与所谓的冷离子源及通用离子源一起使用。本文描述了当使用十硼烷及十八硼烷作为进料时以及当使用气化的砷元素及磷元素时实现较长设备正常运行时间且有助于在离子植入期间增强离子束稳定性的方法及设备。

Description

用于从离子源提取供在离子植入中使用的离子的方法及设备
对相关申请案的交叉参考
本申请案主张2006年6月12日提出申请的美国专利申请案第11/452,003号的权益。 
技术领域
本发明涉及产生离子束，其中在提取电极从中提取离子的离子源中离子化一个或一个以上气体或经气化进料。本发明还涉及一种用于操作离子源及提取电极来产生离子束以对半导体衬底及平板显示器的衬底进行离子植入的方法及设备。特定来说，本发明关注产生离子束的系统的产生时间(即，“正常运行时间”)的延长及在所述产生时间期间维持稳定的离子提取状况。 
背景技术
离子束由从离子源提取出的离子形成。离子源通常采用连接到高电压电源的离子化室。所述离子化室与离子化能量源相关联，例如电弧放电、来自发射电子的阴极的高能电子或者射频或微波天线。将所期望的离子物质以气态或气化形式作为进料引入到离子化室内，以在离子化室中经受离子化能量的作用。通过提取孔从所述室中提取所产生的离子是基于离子的电荷来进行的。提取电极位于所述离子化室之外、与提取孔对齐且处于低于离子化室的电压。所述电极用于抽取出离子，通常形成离子束。视所期望的用途而定，可对所述离子束进行质量分析以建立质量及能量纯度、使其加速、集中及承受扫描力。然后将离子束运送到其使用地点，例如运送到处理室中。由于离子束具有准确的能量质量，因而可将其离子以高的准确度植入到半导体衬底中所期望的深度。 
离子束的准确质量会受到进料或其分解产物在离子束产生系统的表面上-且特定来说在会影响离子化、离子提取及加速的表面上-冷凝及沉积的严重影响。 
离子植入工艺
向半导体晶片中引入掺杂元素的常规的方法是通过引入受控能量离子束来进行离子植入。此会将所期望的杂质物质引入到半导体衬底的材料中而形成所期望深度的经掺杂(或“杂质”)区域。杂质元素经选择以与半导体材料相键合而形成电载流子，从而改变半导体材料的导电率。电载流子既可以是电子(由N型掺杂剂产生)，也可以是由P型掺杂剂产生的空穴(即不存在电子)。如此引入的掺杂剂杂质的浓度会决定经掺杂区域的导电率。为形成晶体管结构、绝缘结构及其它此类电子结构(其统统用作半导体装置)，必须形成许多此类N型及P型杂质区域。 
为产生用于离子植入的离子束，气体或蒸气进料经选择以含有所期望的掺杂元素。将所述气体或蒸气引入到高电压真空离子化室中，同时引入能量来将其离子化。此会形成含有掺杂剂元素的离子(例如，在硅中，元素As、P及Sb为施主或N型掺杂剂，而B及In为受主或P型掺杂剂)。由所述提取电极提供加速电场来将通常带正电荷的离子提取出离子化室并使其加速，从而形成所期望的离子束。当需要具有较高纯度时，通过质量分析来运送离子束以选择所属技术领域中已知的要植入的物质。所述离子束最终被运送到处理室以供植入到半导体晶片中。 
在平板显示器(FPD)的制造中使用类似的技术，这种显示器并入衬底上驱动器电路来操作组装于显示器上的薄膜晶体管。在此情形中，衬底是已涂覆有半导体层的透明板(例如玻璃)。在FPD制造中使用的离子源通常在物理上较大，以便形成含硼、磷及砷的材料的大面积离子束，这些离子束被引导到含有待植入的衬底的室中。大多数EPD植入机并不在离子束到达衬底之前对离子束进行质量分析。 
离子污染 
大体来说，例如P或As等N型掺杂剂的离子束不应包含任何明显的P型掺杂剂离子部分，且例如B或In等P型掺杂剂的离子束不应包含任何明显的N型掺杂剂离子部分。这一状况称作“交叉污染”且是不合乎需要的。当源进料在离子源中积聚并随后改变源进料时，例如当首先使用元素磷进料来产生N型P+束、且然后变换成BF3气体来产生P型BF2 +束时，就可能会出现交叉污染。 
当进料在离子源内积聚从而干扰所述源成功地操作时，会出现严重的污染效应。这一状况总是要求移除所述离子源及所述提取电极来进行清洗或更换，从而导致整个离子植入系统的“停机时间”延长以及因此造成的产量损失。 
用于装置晶片制造的离子植入机中所用的许多离子源是“热”的，也就是说，其通过持续电弧放电并产生稠密的等离子体来操作；这一“热”源的离子化室可达到800℃或更高的操作温度，在许多情况下可大致减少固体沉积物的积聚。此外，在此类源中使用BF3来产生含硼的离子束会进一步减少沉积物，这是因为在产生BF3等离子体时会产生大量的氟离子；氟可蚀刻离子源的壁，且特定来说，通过以化学方式产生气态的BF3来回收所沉积的硼。然而，对于其它进料来说，则已在热的离子源中形成有害的沉积物。其实例包含锑(Sb)金属及固态的铟(In)，其离子用于掺杂硅衬底。 
在离子源的设计包含必须保持低于其居里(Curie)温度的永久磁铁的应用中，或在离子源经设计以使用在暴露到热的表面时会被分解的热敏进料的应用中，或者在同时存在这两种状况的应用中，则使用冷的离子源，例如使用浸没式RF天线来激励源等离子体的RF桶型离子源(例如参见莱翁(Leung)等人的美国专利第6,094,012号，其以引用方式并入本文中)。冷的离子源会比热的离子源在更大程度上受到进料的沉 积的影响。使用卤代进料来形成掺杂剂可有助于在一定程度上减少沉积物，然而在某些情形中，却偏好使用例如氢化物等非卤素进料而不使用卤代化合物。在非卤素应用中，使用例如气态B2H6、AsH3及PH3等离子源进料。在某些情形中，使用气化形式的元素As及P。在冷的离子源中使用这些气体及蒸气已造成了明显的材料沉积且要求移除并清洗所述离子源—有时要频繁进行。使用B2H6及PH3的冷离子源如今在FPD植入工具中很常用。这些离子源会受到交叉污染(N型掺杂剂与P型掺杂剂之间)且还会因存在沉积物而形成粒子。当运送到衬底时，粒子会对产率产生不良影响。在历史上，交叉污染效应一直迫使FPD制造商使用专用的离子植入机：对N型离子使用一种离子植入机，对P型离子使用一种离子植入机，这已严重影响了所有者的成本。 
氢化硼
作为离子植入源材料，诸如B10H14(十硼烷)及B18H22(十八硼烷)等氢化硼材料已引起了人们的关注。在适当的状况下，这些材料形成离子B10Hx +、B10Hx -、B18Hx +及B18Hx -。当被植入时，这些离子会形成非常浅的高剂量P型植入以在CMOS制造过程中形成浅的接面。由于这些材料在室温下为固体，因而必须将其气化并将蒸气引入到离子源中来进行离子化。其为低温材料(例如十硼烷在100℃下熔化，且在室温下的蒸气压力约为0.2托；此外，十硼烷还在350℃以上离解)，且因而必须在冷离子源中使用。其为脆弱的分子，例如在热的等离子体源中容易离解。 
氢化硼的污染问题
诸如十硼烷及十八硼烷等氢化硼在用于产生离子束时会因其易于在离子源内离解这一倾向而造成严重的沉积问题。这些材料在伯纳斯(Bernas)类型的电弧放电离子源中以及在电子碰撞(“软”)离子化源中的使用已证实，含有硼的沉积物以相当大的速率在离子源内积聚。实际上，引入到所述源中的氢化硼蒸气有多达一半会以离解的、冷凝的材料形式滞留于离子源中。最终，视离子源的设计而定，所堆积的冷凝材料会干扰所述源的操作且使得有必要移除及清洗所述离子源。 
在使用这些材料时，提取电极的污染也一直是一个问题。直接离子束轰击及冷凝的蒸气二者均可形成会使离子束形成光学元件的操作劣化的层，因为这些含硼的层看起来是电绝缘性的。一旦沉积电绝缘层，其就会积聚电荷并在击穿时形成真空放电或者所谓的“闪信号此类不稳定性会影响离子束的准确质量并可能导致形成污染粒子。 
发明内容
本发明的目标是提供一种用于通过在提取电极处放电来产生离子束而不扰乱所述离子束的稳定性的方法及设备且提供一种用于产生可增加服务寿命且减少设备停工时间的离子束的方法及设备。 
本发明特征是一种用于从离子源提取离子的提取电极，其中所述电极包含有源热控制系统。
本发明的另一特征是一种用于离子源及相关联的提取电极以及离子束产生系统的类似组件的原位清洗程序及设备，其可周期性地以化学方式移除沉积物，从而延长使用寿命且增强性能而无需将系统解体。 
本发明的特征还在于一种有效受热的离子提取电极，其由一种会减少放电的频率及发生率的材料组成，此材料优选地为一种金属。 
另一特征在于，大体来说，将提取电极加热到离子源的进料的冷凝温度以上，在优选情形中，所述电极由金属(优选地为铝或钼)构成。 
本发明的特征还有一种适用于原位反应性气体清洗的由铝构成的离子提取电极。优选的实施例包含提供用于对适用于所述电极经构造以与其一起操作的离子源类型的提取电极的有效温度控制。各实施例的特征为用于与冷操作离子源一起操作的提取电极的有效加热、用于与热操作离子源一起操作的提取电极的有效冷却及用于选择性地与冷及热操作离子源一起操作的对提取电极的有效加热及冷却。 
本发明的这些及其它创新可包含一个或一个以上如下特征： 
提供反应性气体的供应并将其引入到离子源中，且通过暴露到来自所述供应的反应产物(例如，氟原子F或氟分子F2)来原位清洗离子源及提取电极；将所述氟原子或氟分子从远程等离子体源注入到所述离子源中；通过暴露到从远程供应流过的气体CIF3来清洗所述离子源及提取电极；在操作的清洗阶段期间将离子化设备的反应组件与反应性气体屏蔽开；所述离子源由铝制成；所述提取电极由铝制成；所述提取电极的前面不具有尖锐或粗糙特征；对所述提取电极的板进行有效的温度控制；有效地加热所述提取电极的板；对所述提取电极的加热是辐射式或电阻式的；有效地冷却其它情况下的提取电极的板。 
另一特征是使用与适于形成特别易于热分解及沉积的进料的“簇”或“分子”离子束的设备一起描述的特征。 
尽管大多数离子植入专家认同，使用氢化硼来形成诸如B10Hx +及B18Hx +等“簇”离子束对于形成浅的接面来说极具吸引力，然而用于离子化及运送这些大的分子的构件已造成了某些问题。例如，美国专利第6,288,403号及第6,452,338号描述了已成功产生十硼烷离子束的离子源。然而，已发现，与其它用于进行离子植入的市售离子源相比，此类十硼烷离子源具有特别短的使用寿命。这样短的使用寿命主要归因于含硼沉积物在离子源内的积聚及绝缘涂层在离子提取电极上的沉积—此造成了离子束不稳定性，从而需要使植入机停机并进行维护。 
根据另一特征，提供用于明显减少此种沉积物在氢化硼离子源中及在离子提取电极上的沉积的构件，并提供用于清洗这些组件上的沉积物而无需将其从离子植入机移除(即，原位进行)的构件。本发明能实现半导体制造中具有长使用寿命的氢化硼簇离子束的商业使用。 
本发明的一个特定方面是一种用于产生离子束的系统，其包括离子源与经有效温度控制的提取电极及反应性气体清洗系统的组合，所述离子源包括连接到高电压电源 且具有气态或气化进料入口的离子化室、用于在所述离子化室内将所述进料离子化的可通电的离子化系统及与真空外壳连通的提取孔，所述真空外壳由真空抽吸系统抽成真空，所述提取电极设置于所述离子化室外面的所述真空外壳中、与所述离子化室的所述提取孔对齐并适于维持在低于所述离子化室的电压以下的电压，以通过所述孔从所述离子化室内提取离子，且所述反应性气体清洗系统可在所述离子化室及离子化系统被断电时工作，以提供通过所述离子化室且通过所述离子提取孔的反应性气体流来与所述离子产生系统的至少某些表面上的沉积物反应并移除所述沉积物。 
此方面的优选实施例具有一个或一个以上如下特征： 
所述系统经构造以用于在半导体晶片中植入离子，所述离子化室具有小于约100ml的容积及小于约200cm2的内表面面积。 
所述系统经构造以以小于约2标准升/分钟的流速产生流入所述离子化室中的反应性气体流。 
所述提取电极经构造以产生适于运送到利用地点的加速的离子束。 
所述提取电极位于从所述提取孔向所述真空抽吸系统移动的反应性气体路径内，以使所述提取电极由所述反应性气体清洗。 
所述提取电极与加热器相关联，以在所述提取电极提取产生于所述离子化室中的离子期间使所述电极维持在较高的温度，例如高于从固体形成的热敏蒸气的冷凝温度、低于离解温度。 
所述提取电极与冷却装置相关联，例如当所述电极由热敏材料制成并与热的离子源一起使用时。 
所述提取电极具有光滑的、无特征的外表。 
所述反应性气体清洗系统包括：等离子体室，所述等离子体室经布置以接收能够被等离子体离解的馈送气体以产生通过室出口的反应性气体流；及用于将所述反应性气体运送到所述离子化室的导管。 
所述等离子体室经构造及布置以接收及离解一种能够被离解成氟原子的化合物，例如NF3、C3F8或CF4。 
所述反应性气体清洗系统经构造及布置以共享与所述离子源相关联的辅助设施。 
所述系统经构造以引导离子束穿过质量分析器，其中所述反应性气体清洗系统经构造及布置以与所述质量分析器共享辅助设施。 
所述反应性气体清洗系统包括来自高压反应性气体(例如ClF3)容器的导管。 
所述系统与终点检测系统相结合，所述终点检测系统适于至少协助检测所述反应性气体与用于产生离子束的系统的表面上的污染物的反应基本完成。 
所述终点检测系统包括用于已在所述反应性气体清洗系统操作期间暴露到所述表面的气体的化学组成的分析系统。 
温度检测器经布置以检测所述反应性气体与所述系统的表面上的污染物的放热反应基本结束。
所述可通电的离子化系统包含位于所述离子化室内或与所述离子化室连通的易于受到所述反应性气体损坏的组件，且经提供以将所述组件与流过所述系统的反应性气体屏蔽开的构件。 
用于屏蔽所述组件的所述构件包括用于产生穿过所述组件的惰性气体(例如氩)流的布置。 
用于屏蔽组件的所述构件包括不能透过所述反应性气体的屏蔽部件。 
所述系统经构造以与作为反应性气体的反应卤素气体一起使用，且所述提取电极及相关联零件包括铝(Al)或氧化铝(Al2O3)。 
所述离子源经构造以经由电弧放电、RF场、微波场或电子束在所述离子化室内产生离子。 
所述系统与可冷凝固态进料气化器相关联以用于产生馈送给所述离子化室的馈送蒸气。 
所述离子源经构造以将能够形成簇离子或分子离子的进料气化，且所述离子化系统经构造以将所述材料离子化以形成用于植入的簇离子或分子离子。 
所述系统的真空外壳与抽吸系统相关联，所述抽吸系统包括能够产生高真空的高真空泵及能够产生真空的预抽泵，所述高真空泵可在所述离子源操作期间操作，且能够在所述反应性气体清洗系统操作期间与所述真空外壳隔离，所述预抽泵可在所述反应性气体清洗系统操作期间操作。 
所述系统与离子植入设备相关联，所述设备经构造以在真空室内的提取电极植入站之后运送离子。在优选实施例中，包含隔离阀以在所述反应性气体清洗系统操作期间将所述植入站与离子化室及提取电极相隔离。 
所述离子源经构造以且适于产生用于半导体处理的掺杂剂离子，且所述反应性气体清洗系统适于向所述离子化室或所述提取电极递送氟(F)离子或氯(Cl)离子以便从表面清洗沉积物。 
所述离子源适于受到温度控制以达到既定温度。 
所述离子源适于产生含硼的离子束；在优选实施例中，所述含硼的离子束通过向所述离子源中馈送气化氢化硼材料(尤其是十硼烷(B10H14)或十八硼烷(B18H22))来产生。 
所述离子源适于产生含砷的离子束。 
所述离子源适于产生含磷的离子束。 
所述离子源的离子化室包括铝。 
所述离子源的离子化室或所述提取电极包括耐受诸如氟(F)等卤素气体侵蚀的材料。 
本发明的另一个特定方面是一种使用前文说明中的任一者的系统或与离子植入机相关联的离子源及经温度控制的离子提取电极的系统进行原位清洗的方法，其中在离子源断电且处于真空状态时反应卤素气体流入到所述离子源中。
此方面的实施例具有一个或一个以上如下特征： 
所述反应卤素气体为氟(F)。 
所述反应卤素气体为氯(Cl)。 
所述氟气体从远程等离子体源引入到所述离子源中。 
所述氟气体由NF3等离子体在所述远程等离子体源中产生。 
所述氟气体由C3F8或CF4等离子体在所述远程等离子体源内产生。 
所述反应性卤素气体为ClF3。 
在所述离子源已将十硼烷B10H14离子化后进行所述清洗程序来移除沉积物。 
在所述离子源已将十八硼烷B18H22离子化后实施所述清洗程序来移除沉积物。 
在所述离子源已将含砷的化合物(例如砷化三氢AsH3)或元素砷As离子化后进行所述清洗程序来移除沉积物。 
在所述离子源已将含磷的化合物(例如元素磷P或三氢化磷PH3)离子化后进行所述清洗程序来移除沉积物。 
在所述离子源已将含锑的化合物(例如三甲基锑Sb(CH4)3或五氟化锑SbF5)离子化后进行所述清洗程序来移除沉积物。 
在为植入不同的离子物质而更换离子源进料的中间在离子植入机中原位地对离子源进行所述清洗程序。 
本发明的另一特定方面是一种离子植入系统，其具有离子源及用于从所述离子源提取离子的提取电极，其中所述提取电极包含加热器，所述加热器经构造以将所述电极维持在足以明显减少正被离子化的气体或蒸气及从中产生的产物在所述电极上的冷凝的较高温度。另一方面是这样一种提取电极，其本身在这种系统中是有用的。 
这些方面的实施例具有一个或一个以上如下特征： 
所述电极包括铝。 
所述电极由钼构成。 
所述电极通过辐射式加热来进行加热。 
所述电极由电阻式加热元件来加热。 
所述电极的温度被控制到所期望的温度，在某些实施例中，所述温度介于150℃与250℃之间。 
所述电极通过暴露到含卤素的反应性气体而周期性地被清洗。 
所述电极包括从离子源沿离子束路径紧靠连续地构造及布置的至少两个电极元件，所述电极元件具有细长的狭槽形式的可供带状离子束穿过的离子束孔，所述加热器包含设置在所述狭槽形式的孔的较长侧中的每一者上的加热器部分。在某些优选形式中，至少一个电极元件包括界定其离子束孔的内部部分及以导热形式与所述内部部分关联的外部部分，所述外部部分界定热接收体面以吸收辐射的热。在某些优选形式中，所述电极元件中的至少一者包括界定其离子束孔的部分，此部分经暴露以用作用于吸收辐射的热接收体。
所述加热器包括连续的电阻加热元件。在优选形式中，此加热元件经布置以通过辐射式加热来加热多个电极元件。优选地将所述加热元件密封在保护管内以形成管式加热器，所述管经构造以由加热元件内部地加热，且所述管经暴露以通过辐射式加热来加热电极元件，且所述管优选地为环形配置且经设置以环绕界定所述电极元件的各部分的离子束路径。 
在优选的形式中，一种电极元件包括界定其离子束孔的内部部分及以导热形式与所述内部部分相关的外部部分，所述外部部分界定热接收体面以吸收辐射的热，管式加热器环绕所述离子束路径且以辐射加热的关系与所述接收体面相对。在一个优选形式中，提取电极的一对电极元件各自包括界定其离子束孔的内部部分及以导热形式与所述内部部分相关的外部部分，所述外部部分界定热接收体面以吸收辐射的热，所述管式加热器设置在其间，且与这两个电极元件的接收体面成辐射加热关系。此布置可用于两个电极元件的配置或具有两个以上电极元件的配置中。在一个优选形式中，除所述对电极元件外，所述对之间至少设置有第三电极元件，所述第三电极元件包括界定其离子束孔的部分，此部分经暴露以用作用于从周围的管式加热器放射状地向内辐射热的热接收体。 
本发明的另一方面是一种原位清洗所描述的系统中的任一者的离子提取电极或与离子植入机相关联的经温度控制的离子提取电极的方法，其中在所述电极位于原位且处于真空状态时使反应卤素气体在所述离子提取电极上方流动。另一方面是经构造以用于由此气体进行原位清洗的经温度控制的离子提取电极。 
此方面的实施例具有一个或一个以上如下特征： 
所述反应卤素气体为氟(F)或氯(Cl)。 
将氟气体从远程等离子体源引入到其中装有所述提取电极的真空外壳中。 
所述氟气体由NF3等离子体在所述远程等离子体源中产生。 
所述氟气体由C3F8或CF4等离子体在所述远程等离子体源中产生。 
所述反应性气体为ClF3。 
在所述离子源已将十硼烷B10H14离子化后进行所述清洗程序来移除沉积物。 
在所述离子源已将十八硼烷B18H22离子化后执行所述清洗程序来移除沉积物。 
在所述离子源已将含砷的化合物(例如三氢化砷AsH3)或元素砷As离子化后进行所述清洗程序来移除沉积物。 
在所述离子源已将含磷的化合物(例如元素磷P或三氢化磷PH3)离子化后进行所述清洗程序来移除沉积物。 
在为植入不同的离子物质而更换离子源进料的中间执行所述清洗程序。 
提供有原位蚀刻清洗的离子源及离子提取电极
根据优选实施例，所述原位化学清洗工艺利用F原子气体在所述离子源及提取电极仍保持安装于离子束产生系统中时从离子源且从离子提取电极有效地清洗沉积物。在优选实施例中，采用具有受冷却室壁的电子碰撞离子源。优选地，所述离子经室及 源块及提取电极包括铝(即，由铝或由含铝的合金制造而成)，从而使得氟化铝形成于铝表面上来充当钝化层，这样可防止受到F的进一步化学侵蚀。所述组合件的绝缘体优选地由同样耐受F侵蚀的氧化铝(Al2O3)形成。 
此特征的一个实施例使用直接耦接到所述离子源的入口的远程反应性气体源的出口。 
在优选实施例中，所述反应性气体源是用于向辅助离子化室中引入诸如NF3或C3F8等蚀刻馈送气体的等离子体源。通过在所述辅助室中维持等离子体，会产生诸如F及F2等反应性气体，且这些反应性气体在引入到主离子源中之后会对所沉积的材料产生化学侵蚀。气体相的所释放副产物通过所述离子化室的提取孔吸出，通过提取电极，并由所述装备的真空系统抽离，从而对所述室及所述离子提取电极进行清洗。 
沉积模型
通常所遵循的物理学原理是当两个物体相互作用时，可存在一种以上的结果。此外，可为每一种结果指派概率或可能性，以便当考虑所有可能的结果时，其单独的概率的和为100％。在原子及分子物理学中，有时将此类可能的结果称为“通道”，且与每一相互作用通道相关联的概率称作“剖面”。更确切地说，两个微粒(比如电子与气体分子)彼此以任何方式相互作用的可能性为“总剖面”，而以某些类型相互作用(例如由电子自身粘附到气体分子从而形成负离子、或通过从气体分子上移除电子从而形成正离子、或通过将分子离解成若干片断、或通过以静电方式从分子散开而分子无任何化学变化所表示的相互作用)的可能性为“部分剖面”。 
此事件状态可由数学关系式来表示，所述数学关系式将总的剖面σT表示为其i个部分剖面的和： 
(1)  σT＝σ1+σ2+σ3+...σi，or 
(2)  σT＝∑σi. 
在离子植入机中使用的离子源通常显示出不太大的离子化比例。也就是说，馈送到离子源中的气体或蒸气中仅有很小比例(从百分之几到百分之几十)被离子化。其余的气体或蒸气通常以气相形式以其原始状态或以某一其它中性状态离开所述源。也就是说，离子化剖面远小于总剖面。当然，某些气体成分可作为已沉积材料滞留在离子源中，虽然对于常用的植入进料来说这往往占总量的很小比例。尽管诸如元素As或P等通过加热而气化的进料比通常为气态的进料更易于产生沉积物，然而如果离子源的壁处于比气化器更高的温度且不会造成严重的沉积风险，则受热蒸气往往以气相形式滞留。然而，当(例如)从气态BF3馈送气体产生硼离子束以及从In及Sb产生离子束时，仍可能会产生大量的有害沉积物。 
此外，一般来说，随着时间的流逝，在提取电极上及在离子产生系统的某些其它组件上确实会出现可冷凝材料的沉积物，从而会影响其在解体及清洗之前的操作寿命。 
此外，在使用氢化硼的情况下，代表与离子化介质(即离子源中的电子)的所有相互作用的总剖面看起来较大，而离子化剖面较小，且最大的剖面代表氢化硼分子离 解成若干非易失性片断并随后留存在离子源表面上的通道。这些片断的沉积的问题会受到为减小进料热分解而对离子化室的壁进行冷却的不利影响。总之，看起来所述源中来自含硼片断的氢化硼的沉积是一种基本的现象，其在作用于此材料的任何类型的离子源中均会观察到，且所述问题的解决受到半导体制造行业的广泛、密切关注。还发现，绝缘沉积物对离子提取电极的污染是氢化硼的一个问题，如下文中将更全面地描述。 
适用于氢化硼的电子碰撞离子源
一种特别适用于氢化硼的离子源是一种受到完全温度控制的电子碰撞式离子源(参见美国专利第6,452,338号及第6,686,595号；以及国际专利申请案第PCT/US03/20197号—其均以引用方式并入本文中)；还参见图7。所述离子源并非轰击电弧放电等离子体来形成离子，而是通过以一个或一个以上聚焦的电子束形式注入的高能电子对工艺气体使用“软”的电子碰撞离子化。此“软”离子化工艺会保持这些大的分子从而形成离子化的簇。如图7中所示，固体氢化硼材料在气化器中受到加热且蒸气通过蒸气导管流到金属室，即离子化室。位于所述离子化室外部的电子枪将高能电子的高电流流运送到离子化室中；此电子流大体平行于所述室正面中的细长槽而定向并与其相邻。由离子提取电极从此槽提取出离子，从而形成高能离子束。在将升华的氢化硼蒸气运送到离子化室期间，使所有表面保持在高于气化器温度(但远远低于离解温度)的温度，以防止蒸气冷凝。很多个小时的测试已证实，当实施这一温度控制时，蒸气馈送及阀门的表面确实会保持清洁。 
延长在使用十硼烷时在各次清洗之间的离子源寿命
以定量方式对蒸气流量对源寿命(维护间隔)的影响进行了研究。使电子碰撞式离子源以既定的蒸气流量在受控条件下以十硼烷进料连续运行，直到已确定材料堆积正导致十硼烷束电流显著降低为止。测试了从约0.40sccm到1.2sccm不等的五种不同的流速。这可形成从约150μA到700μA不等的经质量分析的十硼烷束电流(B10Hx+)。应注意，在离子植入中使用的离子源中的典型馈送气体流量在介于1到约3sccm之间，因而将此测试范围视为“低”流量状况。 
在图5中归纳了这些寿命测试的结果。其显示为简单的模型—双曲线函数。这不会使人感到意外；如果采用0蒸气流量，则源寿命原理上将为无限大；而如果采用极高的蒸气流量，则源寿命将渐进地降低到0。因此，可将所述模型表达为： 
(3)(流速)×(流动持续时间)＝常数。 
方程式(3)仅仅表明寿命(即，流动持续时间)与流速成反比；所述常数为所沉积材料的量。如果方程式(3)是准确的，则所沉积材料的比例与材料的流速无关，这与我们的描述离解及随后的沉积为固定剖面的模型相一致。这些数据显示，在以约0.5sccm的十硼烷蒸气流量使用电子碰撞式离子源时，可使得专门使用十硼烷保持达100小时以上。尽管在许多情况下这是可以接受的，但在商业化半导体制造设施中，却期望使源寿命远远高于200个小时。而当将离子源与本发明的新颖的原位清洗程序 结合使用时，就会获得大大延长的源寿命。所述原位清洗包含如下文所全面描述的对离子提取电极的清洗。 
原位离子源及离子提取电极化学清洗的某些特征的优点
使用辅助离子源产生反应性气体以便原位清洗离子源及离子提取电极会存在几种非常重要的优点。已开发出此类等离子体源来用于从工艺排放系统中移除流出物的应用(例如由优仪(Advanced Energy)公司提供的石蕊(Litmus)1501)、及用于清洗大的CVD处理室(例如MKS阿斯创(MKS Astron)反应性气体产生器)，但就本发明发明者所知，先前人们还未认识到可将远程反应性气体产生器有用地应用于对用于产生离子束的离子源的离子化室及提取电极进行原位清洗。已使用诸如MKS阿斯创(MKS Astron)等远程反应性气体产生器来清洗处理室(即，其中处理半导体晶片的相对大的真空室)，这是一种使用高馈送气体流量(数标准升/分钟(SLM))的应用，且对等离子体源施加高RF功率(约6kW)。本发明的系统可对于被清洗的离子源的离子化室的极小容积(半导体晶片植入机的离子化室的容积通常小于约100ml，例如仅约75ml，且表面积小于约200cm2，例如约100cm2)使用小得多的馈送气体流速(例如小于约0.5SLM的NF3)及小得多的RF功率(小于约2.5kW)。流入离子化室中的反应性气体流小于约2标准升/分钟。 
人们可能会对使用外部离子源产生等离子体副产物来引入到系统的主离子源中而感到奇怪；为什么不只是将(例如NF3)气体直接引入到主离子源中以在所述源内直接形成等离子体副产物？理由看起来并不明显。为了在离子植入系统的正常运行时间(生产周期)的很小的比例期间实现远远超过馈送气体沉积速率的蚀刻速率，已发现，与在离子植入时主离子源的典型馈送流速处于1-3sccm范围内相比，必须使反应性气体以相对极高的流量产生并引入到小的离子化室中(例如流量处于102至103sccm数量级)；如此高的流量将会使主离子源的离子化室内的压力远超过其经设计以进行离子植入的操作压力。此外，在主离子源内维持高密度NF3等离子体将会蚀刻掉敏感组件，例如热的钨灯丝。这是因为卤素气体会以随温度以指数方式升高的高速率蚀刻掉耐高温金属。(例如，罗斯纳(Rosner)等人提出一种用于对钨衬底进行F蚀刻的模型： 
(4)速率(微米/分钟)＝2.92×10-14T1/2NFe-3900/T， 
其中NF为氟的浓度，单位为原子/cm3，且T为以开尔文温度表示的衬底温度。) 
由于实际上用于离子植入的所有离子源均包含热的灯丝，且由于在许多情形中，离子源室也由例如Mo及W等耐高温金属或石墨(其会受到F的强烈侵蚀)制成，因而在高温操作条件下这些离子源将很快地失效，从而无法使用蚀刻清洗过程。 
在本发明优选实施例中，使氟原子以100sccm或以上的流速进入断电的主离子源的低温离子化室中，且流入离子化室内的总气体流量为500sccm或以上。在这些条件下，离子化室内的气体压力约为0.5托，而植入机的真空源外壳内的压力则为数十毫托或以上。在优选操作模式中，在清洗阶段之前，关闭离子源的真空外壳与植入机真 空系统之间的隔离阀，并对离子源的涡轮分子泵进行隔离。然后，用真空系统中的大容量低真空泵(即，通常对涡轮分子泵进行支持并将真空系统抽空到“低”真空的泵)来抽吸离子源的所述外壳，其中包含含有离子提取电极的空间。 
图5所示的相关蚀刻清洗过程的不同实施例是利用一种例如ClF3的“干蚀刻”气体。如在上文所看到，ClF3分子在接触到待清洗的沉积表面时会分解；从而释放出氟原子及氯原子而无需产生等离子体。尽管ClF3气体因具有高度的反应性而需要使用专门设备，然而其在原理上可将化学清洗过程简化到不需要辅助的反应性气体等离子体源的程度。由于有毒气体是按例行程序馈送离子植入机的离子源内，因而所述设备中的大部分已构造成“有毒气体友好”形式，且可直接增设一种包含ClF3的单独的气体分配系统。 
对离子植入机的离子源及离子提取电极进行原位化学清洗的优点包含：a)将源的寿命延长到数百或者可能数千小时后才需要维护；b)减轻或消除因更换物质而引起的交叉污染，例如当从十八硼烷离子植入变换到砷或磷离子植入时，及从砷或磷离子植入变换到十八硼烷离子植入时；及c)在离子源的使用寿命期间保持最高的离子源性能。 
例如，每八个小时(即操作人员每换一次班)及在每一次物质更换的中间执行10分钟化学清洗协议对植入机正常运行时间的影响将微乎其微，且对于现代半导体制作工厂来说将是可接受的。 
终点检测
已认识到，在清洗过程期间提供终点检测以便可产生关于清洗过程的功效及所需持续时间的定量信息并可确保所述化学清洗过程的重复性将是有益的。图3显示用于对所述清洗过程进行取样的压差四极质量分析器(残余气体分析器，RGA)。例如，通过监测诸如F、Cl、BF3、AsF3、AlF3、WF6等清洗气体产物的浓度，可对清洗过程进行微调及校正。或者，可利用监测所述过程的光学构件。FTIR光学分光计可通过视口来监测存在于植入机离子源的真空外壳中的气体。在某些情形中，对于原位监测装置来说，可优选地使用此非侵入性(移位)方法来识别化学物质。或者，参见图4，可抽取的FTIR分光计可耦合到所述源真空外壳来进行终点监测。一种用于完成终点检测的新颖方法由如下来组成：在清洗期间监测离子化室的温度。由于化学反应会放出热量，因而在反应期间会释放出能量，从而使室的温度升高。在原理上可使用此效应来确定反应速率何时逐渐减小。 
新颖的离子提取电极
诸如十硼烷及十八硼烷等氢化硼是热敏材料。其在温度为20℃与100℃之间气化并冷凝。因此，使这些材料所接触到的所有表面的温度保持高于气化器温度(但低于其离解温度)以防止冷凝是很重要的。我们已发现，当使用这一氢化硼时，对提取电极的污染会成为一个问题。直接离子束轰击与冷凝的馈送蒸气或其分子离解产物二者均可使用于形成离子束的光学装置的操作降级，因为这些含硼的层看起来是电绝缘的。一旦沉积形成电绝缘层，其就会获取电荷(“充电”)并在电击穿时形成真空放电或 “闪信号”。这一放电会导致离子束电流不稳定并可导致形成可到达离子束所射向的处理室的粒子。在现代半导体制造设施中，离子束产生系统每小时经历许多次闪信号的离子植入机将被认为不具备生产用价值。此外，即使在因绝缘涂层变厚而不存在此类放电时，电极表面上的电荷也会形成可造成束调向效应的不期望的杂散电场，从而造成离子束损失并可能不利地影响离子束的质量。 
新的信息的发现已促成了一种对此问题的健全的解决方案。大多数植入机离子提取电极是由石墨制成的。人们已发现石墨在此应用中具有许多优点，其中包含材料成本低、易于机械加工、导电率高、热膨胀系数低及在高温下具有良好的机械稳定性。然而，在使用石墨提取电极时，却发现在产生氢化硼离子束之后存在不稳定性。怀疑是电极表面已变成绝缘性。已收集了电极沉积物的样本并用x射线荧光分光计进行了化学分析。研究表明，其化学计量成分与一种B2C形式的硼-碳化合物一致，而人们发现B2C为绝缘性的。另外，离子源附近的金属表面，包含离子源的前面板(即离子提取孔板)在长期使用后看起来也已沉积有绝缘涂层。当时设想用铝来制成所述电极，并提供辐射式加热器来将电极板(即抑制电极及接地电极)保持在经良好控制的高到足以防止十硼烷及十八硼烷冷凝的高温下(参见图9、11)。此外，面朝离子源的抑制电极是由单件经过机械加工的铝制成，具有光滑、无特征的外观，且所有紧固件均位于板的背面上。此配置显著减小了在万一形成绝缘涂层时放电点的数目及严重程度，其采用了如下原理：“点”或尖锐特征处的电场强度要比光滑表面处的电场强度大许多倍。 
由此产生的提取电极表现出优异的性能，并以极低的闪信号频率可靠地操作了100小时以上(至少为石墨电极的十倍)。此巨大的改进归因于：i)采用了Al构造(即金属与石墨相比)，ii)对电极板进行了有效的加热及温度控制，及(iii)电极表面光滑。我们发现，当使用十硼烷时使电极板在200℃下操作会得到良好的结果，从而显著减少沉积的材料量。一般来说，应使提取电极的温度保持低于进料的离解温度。在使用十硼烷的情况下，应使温度保持低于350℃，优选地处于150℃到250℃范围内。在使用十八硼烷进行操作时，温度则不应超过160℃，因为在高于此温度时会在十八硼烷中发生化学变化；当使用十八硼烷时，使提取电极温度处于120℃与150℃之间会得到良好的结果。 
图11中所示的辐射式设计表现出极佳的温度均匀性。在包含电阻式加热器、尤其是如图12所图解说明使用铝电极时，也可产生良好的均匀性并得到一种需要更少维护的更紧凑的设计。参照图1A-1L描述了并入来自图11及12两种设计的所期望特征的另一设计。 
其它金属(例如钼)也将适用于构造受热提取电极。钼具有耐高温的优点，因而其可耐受极高的温度。其还具有良好的导热性。另一方面，铝像In及B一样是周期表中的III族元素，且因此具有仅是硅中的轻微污染物的优点(其是硅中的p型掺杂剂)，而诸如钼等过渡金属则非常不利于集成电路中的载流子寿命。铝还不易受到卤素的侵 蚀，而诸如钼等过渡金属则易于受到侵蚀，尤其是在高温情况下。然而，铝的主要缺点在于其不是高温材料且应在约400℃以下使用。 
出于这些原因，视特定用途而定，所述受热电极通常由一种选定的耐高温材料构成，当与原位蚀刻清洗结合使用时，通常优选地使用铝或含铝的合金。 
通过提供有效电极冷却以及有效加热的替代方案，由铝构成的适于进行卤素清洗的经温度控制的离子提取电极可与不同类型的可互换离子源或与多模离子源一起使用。所述铝电极可与冷离子源一起使用(在此期间加热提取电极以阻止污染并避免不稳定操作)，且与热离子源一起使用(在此期间冷却提取电极以将其温度保持在约400℃以下以维持其空间稳定性)。 
附图说明
图1：包含反应性气体清洗的离子束产生系统。 
图1A：可用于图1的系统的离子提取电极组合件。 
图1B及1C：分别沿图1A的线1B及1C截取的剖面。 
图1D：所述组合件的分解图； 
图1E及1F：安装于操纵器上的组合件的透视图。 
图1G、1H及1I：图1A的组合件的加热器的正交图； 
图1J及1K：加热器的末端部分的剖视及侧视图； 
图1L：加热器控制电路。 
图2：包含反应性气体清洗的离子束产生系统的第二实施例。 
图3：类似于图1但包含气化器及某些气体分配元件的离子束产生系统。 
图4：类似于图2但包含气化器及某些气体分配元件的离子束产生系统。 
图5：包含通过引入ClF3来进行反应性气体清洗的离子产生系统。 
图6：离子植入机的气箱，其包含反应性气体等离子体源、馈送蒸气源、离子源电子装置及用于等离子体源的设施。 
图6A：类似于图6的视图，其显示蒸气流控制系统。 
图6B：离子束产生系统的阀门示意图。 
图7：电子碰撞离子源。 
图7A：图7的一部分的放大图，其显示对各元件的屏蔽。 
图7B：一实施例的控制图。 
图8：离子提取电极。 
图9：离子提取电极光学装置。 
图9A：B18Hx +离子束轮廓。 
图9B：具有加热及冷却特征及两个电极元件的提取电极。 
图9C：具有加热及冷却特征及三个电极元件的提取电极组合件。
图10：提取电极及操纵器。 
图11：电极的端头分解图。 
图12：电极端头的第二实施例。 
图13：B10Hx +离子束电流-十硼烷流速曲线图。 
图14：寿命-十硼烷蒸气流速曲线图。 
图15：Si试样的蚀刻速率。 
图16：离子植入机。 
具体实施方式
新颖的离子束产生系统
图1显示离子束产生系统。如在此实例中所示，其适于产生用于运送到离子植入室以供植入到半导体晶片或平板显示器中的离子束。图中显示离子源400、提取电极405、真空外壳410、由电绝缘材料制成的电压绝缘套管415、真空抽吸系统420、真空外壳隔离阀425、反应性气体入口430、馈送气体及蒸气入口441、蒸气源445、馈送气体源450、反应性气体源455、离子源高电压电源460及所形成的离子束475。以411来指示离子束运送外壳。离子源400经构造以提供簇离子及分子离子，例如氢化硼离子B10Hx +、B10Hx -、B18Hx +及B18Hx -，或者另外提供更常规的离子束，例如P+、As+、B+、In+、Sb+、Si+及Ge+。离子源400可以是伯纳斯(Bernas)类型的电弧放电离子源(其在离子植入中最为常用)，或者“桶”型水冷离子源，其使用(例如)用于形成RF场以产生离子的浸没式RF(射频)天线、微波离子源或电子撞击离子化源。用于待离子化的气态进料的气体及蒸气入口441连接到适当的蒸气源445，蒸气源445可紧靠气体及蒸气入口441或者可位于更远的位置，例如位于终端壳体内其它位置的气体分配箱中。终端壳体是封闭所述离子束产生系统的金属箱(未图示)。其含有离子源所需的设施，例如抽吸系统、电源分配、气体分配及控制设施。当采用质量分析来选择离子束中的离子物质时，所述质量分析系统也可位于所述终端壳体中。 
为提取出能量界定分明的离子，由高电压电源460使离子源400相对于提取电极405及真空外壳410保持高的正电压(在其中产生带正电荷的离子束的更常见情形中)。提取电极405靠近离子化室的提取孔504设置并与其对齐。其由至少两个含有孔的电极板组成：最接近离子化室500的所谓的抑制电极406及“接地”电极407。抑制电极406相对于接地电极407承受负偏压，以拒斥或抑制当产生带正电荷的离子束时被吸引到承受正偏压的离子源400的不希望有的电子。接地电极407、真空外壳410及终端壳体(未图示)全部处于所谓的终端电位(其处于接地电位，除非期望使整个终端在接地电位以上浮动)，在某些植入系统(例如对于中等电流离子植入机来说)中即为此种情形。提取电极405可以是下文所描述的新颖的温度控制金属设计。 
(如果产生带负电荷的离子束，则使离子源保持处于高的负电压并进行其它适当 的变化，终端壳体通常仍保持在接地电位。) 
新颖的经有效加热的提取电极
所属技术领域的技术人员可容易了解离子植入系统的设计中提取电极的离子加速及离子束形成效应(“离子光学效应”)。 
如本文中将随后描述，图9、9B、9C、11及12中显示经有效温度控制的提取电极设计。图1A到1L中显示适于十硼烷及十八硼烷的离子束的“三明治”形式的经有效加热的提取电极布置，现在将对其进行描述。 
参照图1A到1L，提取电极805由沿离子束路径紧密连续安装的抑制电极元件810及接地电极元件820构成。所述离子通过电场效应从图1的加正偏压的离子源400抽取到提取电极805。所述离子作为高能的聚焦的带状离子束475沿离子束轴线530穿过电极805而传播。将接地电极维持在周围真空外壳410的电位且在离子束前进越过提取电极时建立所述离子束的电位。相对于接地电极偏压到负的几千伏特的抑制电极810用于抑制因离子束轰击而从所述抑制电极向下游产生的二级电子。这可防止高能电子流回到承受正偏压的离子源400中。 
抑制电极元件810及接地电极元件820由铝制成，且具有光滑的经细致抛光的表面以使局部电场最小化。由这些元件构成的提取光学组件805安装于如图1E及1F中所示的操纵器610A上。此操纵器用于(例如)使电极805与离子源及下游组件对齐，且用于改变离子光学系统的焦距。如图所指示，所述操纵器能够在横切于狭槽状孔的短尺寸的X方向上及沿离子束的轴线的Z方向上进行线性调节。其还使得能够绕X轴旋转。 
电极元件810及820各自由两部分构成，分别为孔界定的内部部分810A及820A以及圆盘状的外部部分810B及820B。加热器830设置(“夹置”)在这些电极元件之间，但不与其接触而隔开以使得从加热器到电极元件的热传递通过辐射来完成。内部部分810A及820A在电极元件中形成细长的狭槽状孔A以供来自离子源400的离子通过，且用于建立电场以供所述离子暴露到其中。电极元件的外部部分810B及820B可提供多种功能：其支撑内部电极部分，其充当轴向的宽阔的热接收体以吸收从设置在其间的辐射式加热器830大体轴向辐射的热，且其界定低电阻的导热路径，热可沿所述路径以传导方式放射状地从外部部分流向内部部分。在所显示的优选形式中，每一电极元件均为一件经机械加工的铝，且同样提供从其外部电极部分到其内部电极部分的优良的导热路径。在其它设计中，所述电极的内部部分可离散地形成为可替换单元，且可通过压缩在这两部分之间的导热金属衬垫热连接到永久安装的外部部分。此外，所述电极元件的外部部分不是平坦的圆盘，而是其可呈其它热接收形式，例如呈圆锥形或弯曲的剖面。 
安装在两个外部电极部分810A与820A之间的辐射式加热器830经配置以环绕内部电极部分810B及820B及离子束路径。在此实施方案中，所述加热器为环形管加热器，如图1A及1F。总直径大于狭槽状离子束孔A的长尺寸L的加热器830环绕所 述孔。其位于离子束轴线530的中心上。加热器830由抗化学腐蚀的中空外部辐射管831构成，例如，由诸如Incaloy TM等不锈钢制成。管831内部的中央是电阻加热元件832，例如，镍铬铁合金线。由绝缘材料833(例如氧化镁，见图1J)将电阻线保持在其中央位置。此类加热器可作为(例如)Watrod TM加热器从瓦特隆(Watlow)获得。为防止加热线在反应性气体清洗期间受到化学蒸气侵蚀，在加热管末端采用玻璃气密端密封835。镀镍的钢头导体834穿过密封件的中央从外部延伸，直到与管内的电阻元件832电连接。在具有适当选择的绝缘支座(例如，由氧化铝(Al2O3)制成)的情况下，且通过采用不锈钢连接器，整个提取电极单元是耐氟的，且适于由反应性气体来原位清洗。 
图1L中显示用于加热器830的合适的功率控制电路的实例。热电偶850以良好热接触的方式连接到提取电极组合件805的热代表部分。热电偶850馈送回到闭合循环PBD控制器860，例如欧姆龙E5CK(Omron E5CK)。控制器860连接到功率电路870的固态继电器865。在操作时，在离子束产生系统的总体控制单元880处确定加热提取电极组合件的设定点。所述设定点馈送到闭环PID控制器860。控制器860解释设定点信号，读取热电偶850的温度输出并以将来自功率源875的适当电功率施加到加热器830以在热电偶850处实现所期望温度的方式来控制继电器865的开与关阶段。 
在下文所描述的其它实施例中，此加热布置能够将提取电极维持在经良好控制的高到足以防止从将要描述的图7及7A的相对冷操作离子源发出的十硼烷或十八硼烷蒸气冷凝的高温下。由耐氟材料制成的提取电极能够实现对所述电极的周期性原位清洗，以采用通过相关联的离子源400的提取孔吸出的氟蒸气来移除任何沉积物。现在将对此类清洗系统加以描述。 
反应性气体清洗
图1显示处于终端电位的反应性气体源455，其中反应性气体入口430包含高电压断口431，高电压断口431通常由(例如)诸如Al2O3等绝缘陶瓷制成。由于一般来说可将用于离子植入的离子源偏压到高达约90kV的最高电压，因而在所述应用中，此高电压断口431必须耐受90kV。如下文将描述，所述清洗系统仅在离子化源及高电压断开(断电)时使用，因而当真空外壳410处于高真空状态下时断口431两端仅存在高电压，这使得高电压支座间隙要求更易得到满足。与真空外壳410连通的专用的终点检测器470用于在化学清洗期间检测反应性气体产物。 
对于适合与离子植入系统一起使用的离子源(例如用于掺杂半导体晶片)来说，离子化室较小(容积小于约100ml)，具有小于约200cm2的内表面面积，且经构造以以低于约200标准升/分钟的流速接收反应性气体流(例如氟原子或含氟的反应化合物)。 
可以看出，图1所示的系统能够实现原位清洗，即无需将离子源及提取电极从其在真空外壳中的操作位置移出，且几乎不会使运行中断。 
图2图解说明另一实施例。图2相对于图1的主要差别在于，反应性气体源455 及反应性气体入口430处于离子源的电位。此方法具有双重优点：其布置更加紧凑，且其允许将反应性气体源455及其相关联气体供应源容纳于处于离子源电位且向离子源400供应气体及功率的气箱中，在商用离子植入系统中通常如此。 
化学清洗系统
图3所示实施例具有许多类似于图1的特征，其经构造以选择性地产生簇离子及单体离子二者。其具有用于通常为气态的进料的专用气体入口435并通过阀门443与用于产生氢化硼及其它气化进料的蒸气源445相连通。为对离子源及电极进行原位化学清洗，远程等离子体源455将清洗气体供应源465所提供的气体(例如NF3)离解成分解产物(例如F，F2)及含N的化合物。当希望进行清洗时，在将离子源断电后，通过专用反应性气体入口430将所述分解产物从远程等离子体源455的出口456馈送到离子化室中。远程等离子体源455安装于电压隔离套管415的终端电位侧上。由于离子源400在高电压下运行，因而处于真空中的高电压断口431会提供电压隔离。 
在要起始清洗循环时，关断离子源并关闭真空外壳隔离阀425；将真空抽吸系统420的高真空泵421隔离并通过在由预抽泵422有效地抽吸所述外壳时引入干燥的N2而将真空外壳410置于<1托的低真空状态。一旦处于低真空状态下，即向等离子体源455中引入氩气(从Ar气源466)并由将射频(RF)功率耦合到等离子体源455中的板上电路对等离子体源通电。一旦开始进行等离子体放电，Ar流就会减少且含F的清洗气体馈送465(例如NF3)就会被引入到等离子体源455中。呈中性形式的反应性F气体及经离解的清洗气体馈送465的其它副产物通过反应性气体入口430被引入到离子源400的已断电离子化室500中。例如，Ar及NF3的流速较高，介于0.1SLM(标准升/分钟)与数SLM之间。因此，可以此方式以离解产物的形式向离子源400中引入多达约1SLM的反应性F。由于离子化室500的容积及表面积较小，因而此会得到对所沉积材料的极高的蚀刻速率。离子化室500具有面向所述提取电极且含有剖面积介于约0.2cm2与2cm2之间的提取孔504的前面板，在通电操作过程中，由提取电极405通过提取孔504提取出离子。在清洗过程中，由真空外壳410通过孔504从离子化室500中吸出反应性气体负载；然后由低真空泵422从壳410中抽吸出所述气体负载。由于提取电极405(例如，其构造为图1A的电极805)靠近并面朝离子化室500的孔504，因而电极表面会截交相当大量的反应性气体流。由此形成电极清洗作用，从而从电极表面上移除沉积物，尤其是从抑制电极406(例如，图1A的抑制电极810)的处于接收到最多沉积物的位置的正面表面上移除沉积物。因此，可有益地制造提取电极及其由诸如Al(铝或铝合金)等耐氟材料制成的装备，以及由Al2O3制成的绝缘体元件。 
图3所示实施例也具有终点检测器，所述终点检测器由经构造以用于腐蚀性环境的压差残余气体分析器(RGA)组成。分析器RGA与真空外壳410相连通。其将通过监测含F反应产物(例如通过B与F相结合而得到的BF3气体)的分压而用作清洗作用的终点的检测器。也可使用其它类型的终点检测器，图中显示RGA只是为了图 解说明一个特定实施例。当RGA处的含硼分压减小时，所述清洗过程即基本结束。一旦所述清洗过程结束，即可将等离子体源455关闭并用Ar气(其还吹扫离子化室500、壳410及其中含有的元件)短时地吹扫等离子体源455。然后将低真空泵422隔离而不再与真空外壳410直接连通，开启高真空泵421的隔离阀，并使真空外壳410恢复到高真空状态(约为1×10-5托或以下)。然后开启真空外壳隔离阀425。此时，该系统即准备重新进行离子束的产生。可对离子源电压源460通电并按正常方式操作离子源400。 
图3所示实施例的优点在于，支持远程等离子体源455所需的辅助设施(例如冷却水循环及电源)可处于离子植入机的终端电位(参见图16中的208)。此能够实现与植入机的质量分析器磁铁230共享在S处所标记的设施，例如冷却水及电源。在清洗模式过程中，当对等离子体源455通电时，分析器230被断电且因而不需要使用水或电源，在离子束产生模式中则与此相反。此“共享”可通过在S’处所示意性表示的合适的控制方案来实现，所述控制方案视所采用的操作模式而将诸如冷却水循环及电源接线等辅助设施或者引到分析器磁铁230(虚线箭头S)或者引到远程等离子体源455(实线箭头S)。 
图4显示类似于图2的用于对源400及提取电极405进行原位化学清洗的实施方案。将三个入口通道整合到离子源400中，以分别用于来自等离子体源455的反应性气体430、来自选定的若干个存储空间450中的一者的馈送气体435及来自气化器445的馈送蒸气440。不同于图3，图4所示实施例具有处于离子源400的高电压下的基于等离子体的反应性气体源455。这使得远程等离子体源455能够共享离子源400的控制点，且还使得能够通过从处于源电位的离子源气体分配箱(还参见图6及6A)供应来自存储装置466的清洗馈送气体465及氩吹扫气体。图中还显示不同类型的终点检测器，即傅立叶(Fourier)变换红外线(FTIR)光学分光计。此检测器可通过石英窗而移位(在真空外壳外)工作。如图4所示，也可转而使用一种提取类型的FTIR分光计，其在清洗过程中直接在真空外壳410中对气体进行取样。此外，温度传感器TD可通过感测离子化室的表面中绝热的代表性区域来感测断电的离子化室的温度。传感器TD可监测通过F与污染性沉积物的放热反应所产生的热，以用作终点检测。 
图5显示类似于图4但包含基本不同类型的反应性气体源455的离子束产生系统。在此情形中，将气瓶中含有的反应ClF3气体直接馈送到离子源400中而不使用远程等离子体源。由于不需要用于远程等离子体源的电源及控制，因而此会潜在地降低设备成本及占用面积。然而，由于ClF3是自燃性的，因而其属于危险品且需要进行专门的气体运送，而NF3(例如)主要是一种窒息性物质，且其毒性小于诸如BF3、PH3或AsH3等许多半导体气体，因而更为安全。 
图6显示气箱B内所包含的等离子体源455、蒸气源445、源电子装置及用于所述等离子体源的辅助设施S，所述气箱B意在改装到现有离子植入机设备中。 
图6a所示实施例不同于上文图6所示实施例之处在于，其包含如下文所描述的 优选的气化器及流量控制系统。图6B为图4所示离子源及自清洗系统的阀门示意图。 
优选的离子源及气化器
图7为优选离子源10及其各种组件的图式，并参见图7A。其详细构造以及其优选操作模式类似于由霍斯基(Horsky)等人在2003年6月26日提出申请且名称为“一种离子植入装置及一种通过植入氢化硼簇离子来制造半导体的方法(An ionimplantation device and a method of semiconductor manufacturing by the implantation ofboron hydride cluster ions)”的国际申请案第PCT/US03/20197号中以及由霍斯基(Horsky)在2002年6月26日提出申请且名称为“电子碰撞式离子源(Electron impaction source)”的美国专利申请案第10/183,768号中所揭示，这两个申请案均以引用方式并入本文中。离子源10是一种新颖电子碰撞式离子化系统的一个实施例。图7是所述源构造的剖面示意图，其用于阐明构成离子源10的各组件的功能。离子源10经制作以通过安装凸缘36介接到离子植入机的已抽空的真空室。因此，图7中所示离子源10的处于凸缘36右侧的部分处于高真空状态(压力<1×10-4托)。将气态材料引入到离子化室44中，其中通过来自电子束70的电子碰撞将气体分子离子化，电子束70通过电子入口孔71进入离子化室44以使电子束70与离子提取孔81对准(即，相邻、平行于提取孔81延伸)。由此，相邻于离子提取孔81(其看上去为离子提取孔板80中的狭槽)形成离子。然后，由位于离子提取孔板80前面的提取电极220(图8及9)提取所述离子并使其形成高能离子束475。参照图7，例如，诸如氩、磷化氢或砷等气体可经由气体导管33馈送到离子化室44中。诸如十硼烷或十八硼烷等固体进料29则可在气化器28中气化，并将蒸气通过源块35内的蒸气导管32馈送到离子化室44中。通常，离子化室44、离子提取孔板80、源块35(其中包含蒸气导管32)及气化器外壳30均由铝制成。通过气化器外壳30的闭合循环温度控制使固体进料29保持均匀的温度。在镇气空间31中积聚的升华的蒸气50通过导管39且通过节流阀100及截止阀110馈送。节流阀100与截止阀110之间的蒸气50的标称压力是由受热的压力表60(优选地为电容式压力计)来监测。由于蒸气50通过位于源块35中的蒸气导管32馈送到离子化室44中，且气体通过气体导管33馈送，因而此离子源既可对气态材料也可对气化材料进行离子化，其能够根据需要形成由分子离子(例如B18Hx +)或单体离子(例如As+)组成的离子束475。所述离子源可另外地是多模离子源，例如2006年4月4日发布的名称为“离子植入离子源，系统及方法(Ion Implantation Ion Source，System and Method)”的美国专利第7,022,999号或2005年11月7日提出申请的名称为“用于离子植入及形成具有磷及砷离子的N型区域的双模式离子源(Dual Mode ionSource for Ion Implantation and Forming N-Type Regions with Phosphorus and ArsenicIons)”序列号为11/268,005的美国专利申请案中所描述的离子源，描述多模离子源的这两个申请案中的每一者的内容均整体地以引用方式并入本文中。 
流入到离子产生系统中的蒸气流量控制
流到图7所示离子化室的蒸气流量(且参见图7B)取决于刚好位于蒸气馈送通 道32之前(即位于图7所示截止阀110内)的区域中的蒸气压力。这是由位于节流阀100与截止阀110之间的压力表60(例如电容压力计)来测量的。一般来说，流速与蒸气压力成正比。这使压力信号能够代表流量，且用作设定点来对流量进行选择。为产生流入到离子源中的所需蒸气流量，使气化器外壳30到达当节流阀100处于其完全开启位置时会超过所期望流速的温度。然后，调节节流阀100以达到所期望的压力输出。 
为形成随时间稳定的流量，使用双PID控制器(例如欧姆龙E5CK(Omron E5CK)控制回路数字控制器)来分别实施对气化器温度及蒸气压力的单独的闭环控制。控制(反馈)变量对于温度来说是热电偶输出、对于压力来说是压力表输出。图7B所示图式显示用于执行这些闭环控制功能的数字蒸气馈送控制器220。 
在图7B中，将来自压力表60的压力表输出250施加到节流阀位置控制装置245，由节流阀位置控制装置245对节流阀100施加节流阀位置控制信号247。将来自气化器28的热电偶输出225施加到气化器加热器控制装置215，由气化器加热器控制装置215控制施加到气化器28的加热器功率248。 
由数字馈送控制器220实施第二级慢速控制，以将固体进料气化速率调节为随其开口表面积(尤其是固体-真空接口处的可用表面积)而变化。随着气化器内的进料随时间的进行而被消耗，此可用表面积会稳定地减小，直到蒸气的散发速率不能支持所需的蒸气流速，从而造成节流阀100上游的蒸气压力降低为止。这称作“散发速率有限”操作。因此，当向气化器中新添加进料时，在标称节流阀位置处于其动态范围的低端(即节流阀仅部分地开启)时，比如25℃的气化器温度就可支持所需的蒸气流量。随着时间的进行(例如，在进料消耗掉20％之后)，阀门位置将一再地进一步开启以维持所期望的流量。当节流阀接近其动态范围的高电导极限(即开启量最大)时，由控制器220感测到此阀门位置并向气化器加热器控制装置215发送新的更高加热器设定点温度。所述增量经选择以在一旦气化器温度稳定到其新的值时，即会使标称节流阀操作点重新接近其动态范围的低端。因此，数字控制器220既能适应设定点蒸气压力的短时间变化又能适应气化器温度的长时间变化的能力使在所填充进料的寿命内对蒸气流量的控制非常强健有力。此控制会防止向离子化室过量地馈送蒸气。其效果是限制离子产生系统表面上不希望有的沉积物的量，从而延长在两次清洗之间的离子源寿命。 
图8显示面朝新颖的离子源10的离子提取电极220的俯视图(向下看)。离子源10相对于处于本地接地电位(即处于真空外壳的电位)的离子提取电极220保持处于正电位VA。离子提取电极220是简单的二极管；电极板302为“接地”电极且板300为“抑制”电极，通常由抑制电源VS使其保持低于接地电位数千伏特。图中显示离子源10的离子化室44及离子提取孔板80面朝提取电极220。这三个板80、300、302含有用于从中提取出离子90的矩形狭槽或孔；图8沿“短”的或散开的方向显示槽的轮廓。
新颖受热电极的进一步实施例
在图14所示的十硼烷寿命测试期间，使用了一种新颖的受热铝电极。图9在一维“狭槽”孔透镜的发散平面中显示所述提取系统的基本光学设计的俯视图。在所使用的植入机中，由图8所示的高电压正电源VA使离子源的离子化室490保持处于所需的离子束能量。例如，如果希望得到20keV的离子束，则使VA＝20kV。使离子提取孔板500与离子化室490电绝缘，以便可由双极电源VB对其施加-750V—750V的偏压。所述绝缘是通过夹在离子提取孔板500与离子化室490之间的导热性电绝缘聚合物衬垫来实现的。离子源本体中暴露到蒸气的各个部件(图7中的源块35、离子化室44及提取孔板80)彼此保持良好的热接触，以在源操作期间维持各表面处于受控温度。在离子化室490中所产生的离子由提取电极540通过离子提取孔板500中的孔提取出，所述提取电极540由抑制电极510及接地电极520组成。离子以聚焦的离子束的形式沿离子束轴线530传播。被电源VS偏压到负的数千伏特的抑制电极510用于抑制因离子束轰击而从抑制电极向下游产生的二级电子，从而防止这些高能电子流回到承受正偏压的离子源中。离子化室490、离子提取孔板500、抑制电极510及接地电极520全部由铝制成，并具有光滑的、经细致抛光的表面以使局部电场最小化。 
对离子提取孔板500施加偏压的重要效应是改变图9所示离子光学系统的焦距。负的偏压会使焦距增大，而正的偏压则使焦距减小。在偏压较大时，此种效应可能会很明显。出于诊断目的，安装了位于分析器磁铁入口处、刚好位于源外壳隔离阀下游的扫描线轮廓曲线仪(图16中的210)。此扫描仪记录了离子束电流在发散平面中的分布，此适用于确定离子束在发散平面中聚焦的良好程度。在图9a中针对-483V、0及+300V三种不同的偏压条件显示了20keV十八硼烷离子束的轮廓。在0伏特条件下基本上过聚焦，在正电压条件下过聚焦的程度变大，而在负电压条件下则正确地聚焦。在这三次测量中，电极位置保持恒定不变。如人们所预期，正确的聚焦条件得到了最高的离子束电流。 
能改变光学焦距并由此对光学系统进行微调以获得最高离子束电流的能力使得可向气化器中引入最少量的进料。同样，此具有能限制离子产生系统表面上不希望有的沉积物的量，从而延长两次清洗之间的离子源寿命的有利效果。 
除了刚才所描述的对提取孔板施加偏压以使系统聚焦外，本发明还提供用于使提取电极光学元件相对于系统中的其它组件移动的构件。图10显示安装于三轴线操纵器610上的新颖电极600，所述三轴线操纵器610能允许沿由座标系620所界定的X、Z及Θ方向运动(相对于离子源)。致动器613控制X方向的运动，终端机612控制Z方向的运动，且致动器611控制
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方向的运动。操纵器610经由安装凸缘615安装到植入机真空外壳的侧面。 
图11显示所述新颖电极端头的受辐射加热形式的局部分解图。图中显示抑制电极700、接地电极710、加热器板720及辐射加热丝730。所述抑制电极及接地电极由铝制成，加热器板由不锈钢制成，且加热丝730由镍铬铁合金制成。当在200℃下操 作所述电极时，用于维持所述温度的功率消耗约为60W。加热器功率是由闭环PID控制器欧姆龙E5CK(Omron E5CK)基于热电偶的回读来控制的。 
图12显示所述新颖电极端头的受电阻加热型式的局部分解图。图中显示抑制电极800、接地电极810及电阻加热器820。这四个电阻加热器820装配到套管830中，其中每一电极板中装配两个。套管830为对分式设计，以使加热器装配到所述套管中，从而实现紧密接触。加热器与电极之间的紧密接触对于确保对电极正确地加热及防止加热器过早烧坏而来说很重要。同样，欧姆龙E5CK(Omron E5CK)或同等控制器可基于热电偶的回读来控制电极温度。 
如上文所描述，对提取电极使用这些加热方案可维持受到良好控制的足够高的高温，以防止例如因图7及7A中由相对冷操作离子源所产生的十硼烷及十八硼烷的冷凝。由耐氟材料(例如铝)制成的提取电极能实现对所述电极的周期性原位清洗，以移除由通过提取孔抽出的氟蒸气所形成的任何沉积物。 
对于固有运行方式会热到热量可能会损坏提取电极组合件(如果由低温材料制成)的等离子体离子源，会遇到一种不同的情形。参照图9，其以虚线形式显示分别与铝电极部件510及522的背面成热传递关系固定的循环冷却盘管512及522。冷却流体在这些冷却盘管中循环可对铝电极进行冷却，以防止由来自热离子源的热量引起变形。这使得能够对提取电极使用耐氟材料，例如铝或含铝的络合物，这些耐氟材料能耐受由进料或反应性清洗气体所带来的任何氟的侵蚀。 
参照图9B，提供经温度控制提取电极540A以与能够分别在低温与高温模式下操作的多模离子源490A一起使用，或与在相应的低温与高温模式下操作的可替换单元一起使用。由(例如)铝形成的提取电极组合件540A经装备以用于有效加热及冷却。 
在适用于十硼烷及十八硼烷的冷离子源模式下，可有效地加热所述提取电极以阻止在电极表面上方形成沉积物。所述离子源可通过(例如)“软”电子碰撞来操作。在此情况下，所述离子源如上文结合图7及7A所描述而采用经聚焦电子束70。 
在高温模式下，有效地冷却所述提取电极以使其能够由诸如铝的相对低温材料形成。例如，对于热模式离子源来说，可通过电弧放电将热等离子体维持在离子化室内，所述电弧放电是由发射电子的阴极及设置在有限的磁场内承受负偏压的电子反射极产生的。电弧放电等离子体离子源的设计及构造原理本身是众所周知的，例如在弗里曼(Freeman)的美国专利第4,017,403号及鲁宾逊(Robinson)的美国专利第4,258,266号中，其就此而言以引用方式并入本文中。所述电弧放电形成可将引入到离子化室的气体离子化的相对热的等离子体。在热操作与冷操作两种离子源模式中，所产生的离子束均可为带状，其细长的剖面是由离子源的提取孔及通过提取电极的孔类似的细长形状所产生的。 
如图9B中所示，诸如参照图1A-1K描述的管状加热器的辐射管加热器550与来自离子源的离子的带状路径530共轴布置。加热器550的直径大于通过电极元件的狭槽状孔的长尺寸。将所述管状加热器安装在所述抑制电极元件下游的适当位置处，以 便向接地电位的提取电极元件520及相对为负电位的抑制电极元件510两者的外部结构直接辐射热。所述抑制电极元件具有上文所描述的形状，其中圆盘形状的外部部分界定宽阔的轴向表面区域，所述区域适用于接收及吸收来自加热器550的热辐射且将所述热放射状地传导到所述电极元件的内部部分。所述接地电极元件具有较小的辐射范围，且经构造以主要通过从周围的加热器放射状地向内进行热辐射来被加热。 
通过进行合适的温度感测，如由图1L的热电偶进行温度感测，来检测提取电极组合件的代表性温度。通过使用合适的控制器，电热流流过管状加热器的内部电阻元件以将所述热电偶的温度维持在已设定点。对于图1L所示的控制器，所述已设定点经选择以防止到达提取电极的馈送蒸气冷凝。例如，当对十硼烷及十八硼烷进行离子化时，可通过由加热器进行有效地加热来将提取电极的温度维持在约150℃。 
图9B的提取电极组合件还装备有环绕离子束路径的冷却盘管512及522。所述盘管以导热传递关系的方式固定到铝电极元件510及522的背部。如针对图9所描述，冷却流体在冷却盘管中循环可冷却铝电极元件，且可防止由来自热离子源的热导致的电极变形，否则可能会干扰电极元件所产生的电场。 
当期望在热模式下采用多模离子源设备以产生合适种类的离子束时，可准许离子化室的壁在相当的高温下操作，例如，在400℃以上。在此操作模式中，停止对提取电极组合件的加热且将冷却液体流维持在盘管512及522中以将铝电极元件冷却到电极可发生有害扭曲的温度以下，即，在约400℃以下。 
此电极组合件与多离子源组合在一起适用于具有原位反应性气体清洗的系统中，如结合图1到图6B及7B所描述。所述电极元件的铝组合物及所述管状加热器的耐腐蚀外壳可耐受来自氟的侵蚀。 
参照图9C，所述提取组合件可替代地包括三个电极元件：抑制电极510(如图9B所示)、中央电极515及主要提取电极520′。电极520′维持在接地(外壳)电位，中央电极515的电位是可变的且可维持在接地与一个相当大的值之间的选定电位，例如-30KeV。抑制电极510的电位可相对于中央电极在电压Vs处浮动，例如-10KeV。在此布置中，离子系统的离子加速及焦距调节效应可不同，以获得离子束期望的效应。 
所述电极元件是嵌套式，如图9C所示，以便使穿过电极元件的离子束仅暴露到所述三个元件的相应电位。在所显示的布置中，所述两个外部电极元件由环形辐射热接收导热圆盘部分支撑，而中央电极具有较小的横切范围且由合适的支撑结构(未显示)被支撑在外部电极之间。具有合适尺寸的管状加热器560设置在两个外部电极结构510、520′之间并环绕内部电极结构515。所述加热器经构造及布置以通过分别向所述三个电极结构中的每一者进行直接辐射来将其加热。辐射通常朝向两个外部电极元件的外部圆盘部分轴向地前进，且朝向中央电极向内轴向地前进。通过合适的温度感测(如通过先前提及的热电偶)可检测电极组合件的代表性温度。通过管状加热器的电加热流将温度维持在已设定点以防止到达所述组合件的馈送蒸气在电极上冷凝。例如，当通过“软”电子碰撞将十硼烷及十八硼烷离子化时，电极元件的温度可维持在 约150℃。类似于图9B的实施例，所述电极结构中的每一者还提供有冷却盘管512及522，且可如离子源在热模式下操作时所描述来替代地冷却图9C的组合件。 
虽然图9C中已针对多模离子源显示了三电极系统的受热布置，但所述布置当然可用于可替换热与冷模式离子源。当仅用于冷操作离子源时(例如图7及7A中所示)，可从电极组合件中省去冷却特征，或可保留冷却特征以供用于可不时地由软电子碰撞源取代的电弧放电热等离子体源。 
使用十硼烷工作时的源寿命测量
图14显示在宽广的十硼烷流量范围内进行测试的源寿命的结果。对这些数据的拟合是根据方程式(3)进行的。在这些测试过程中未记录到离子源故障；而是，当十硼烷离子电流降到其初始水平的大约一半时结束各个测试。在检查离子源时，发现在离子化室内沉积有大量的含硼材料，这些材料大多粘附在所述室的内壁上。在某些情形中，离子提取孔也被部分地堵塞。方程式(3)中的模型看起来与所述数据非常相符，并表明“贫乏”操作是在两次原位化学清洗程序或解体之间延长离子源寿命的关键。 
在F清洗过程中对离子化室内蚀刻速率的测量
使用具有图7所示离子源10的系统对位于离子化室44内的1mm厚的硅试样进行F清洗过程测试，并进行了如下修改：并非包含专用的反应性馈送导管，而是采用蒸气馈送导管32来引入反应性气体。使用Si是因为F对Si的蚀刻已众所周知，且纯Si材料可以Si晶片的形式得到。此测试需要在两个清洗循环之间移除气化器。对两个试样位置进行了测试：其中一个试样位置与反应性气体入口(即蒸气馈送32)成视线关系，另一个则不成视线关系。在图15中显示蚀刻速率随NF3的流速而变化。在此过程中，使流入远程等离子体源中的氩的流量保持为700sccm，而NF3的流速则在50sccm到500sccm之间变化。视线几何排列显示蚀刻速率增大约五倍，且因此如果可均匀地进行，则是一种优选的几何排列。为此，图3所描绘的几何排列应比图4所示的几何排列提供对离子源离子化室44的更好的蚀刻均匀性。所述测试还表明，将对蚀刻敏感的组件的位置与气体流屏蔽开能有效地为这些组件提供一定程度的保护。 
为延长自清洗离子产生系统中各组件的寿命，应选择能耐受反应性气体的构造材料，并可采取措施对敏感组件进行屏蔽。 
在离子化室的内部，如上文所指示，在离子化作用的温度准许的情况下采用铝，因为铝组件能耐受反应性气体氟。当期望进行更高温度的离子化操作时，铝-碳化硅(AlSiC)合金是离子化室或提取电极表面的一个较好的选择。用于离子化室中的表面的其它材料为硼化钛(TiB2)、碳化硼(B4C)及碳化硅(SiC)。 
对于暴露到氟但不暴露到离子化作用的组件(例如诸如电极等电子源组件)来说，可使这些组件由镍基合金(Hastelloy)、耐氟的不锈钢及镀镍的金属(例如镀镍的钼)制成。 
惰性气体屏蔽及可移动的物理障蔽二者均可保护系统中的组件在清洗过程中免受反应性气体的作用。例如，参照图7A，用于惰性气体(例如氩)的导管113从气体 源(未显示)延伸出。其出口在离子源中处于关键位置，以便在使惰性气体流开始进行清洗循环时使惰性气体流笼罩要保护的组件。在图7A中，惰性气体导管113的出口113a将溢流的氩气流引导到电子枪112的各有效组件(其中包含发射电子的阴极)上。在图7A中还显示可移动的屏蔽部件73，其可在清洗循环中移动到适当位置。在所示实例中，其可在通向束流收集器72或另一电子枪(当设置在离子化室44的那一侧上时)的孔71A上方移动。 
进行上述清洗过程来观察其对硼在离子化室内及在图7所示新颖离子源10中的离子提取孔内侧上的沉积的影响。所观察到的蚀刻速率的特性类似于图15中的曲线，但降低了三分之一。因此，在NF3流速为500sccm时，对十硼烷沉积物的蚀刻速率为7μm/min(不成视线关系)及36μm/min(成视线关系)。在以0.8sccm的蒸气流量以十硼烷运行4小时后，离子提取孔内侧在清洗之前具有约133μm厚的含硼沉积物。在使用这些流速进行一次5分钟的F清洗之后及进行一次15分钟的F清洗之后进行观察。孔板的一侧与蒸气进料口成视线关系。从清洗图案观察到蒸气馈送孔在竖直方向上居中。在经过15分钟的清洗之后，所述板上的沉积物几乎完全被清洗。此外，在长时间操作之后移除图10所示的新颖的受热铝离子提取电极并进行检查。其非常干净且不存在任何明显的十硼烷沉积物。这无疑是由于所述电极被暴露到反应性F(F可经过位于蒸气导管前面的离子源离子提取孔流到其正前面的提取电极)。此外，Al电极组合件的高温也会增大对其沉积物的有效蚀刻速率。 
对于离子化室，同样，在进行15分钟的蚀刻清洗后，在所述室中几乎不存在沉积物。进行其中以下列方式使所述系统进行重复循环的测试：采用十硼烷操作两小时(所分析离子束电流>500μA)，关闭所述源并允许灯丝冷却，随后以500sccm的NF3馈送气体及700sccm的Ar进行15分钟的化学清洗，来看进行重复的化学清洗步骤是否对离子源或提取电极有任何害处。在进行21个循环之后，离子源或电极的操作特性未出现任何可测量到的变化。此结果证实，此F清洗过程能够使离子源在以可冷凝物质操作时具有极长的寿命。 
包含在例示性离子植入机中的离子产生系统
图16显示商业离子植入机中的各基本要素，其中安装有包含图7所示离子源的新颖离子束产生系统的实施例。离子源10插入于到离子植入机的源真空外壳209中。其通过绝缘体211与外壳209电绝缘。离子提取电极220从离子源10提取离子并使其加速以形成离子束200。离子束200完全在真空中传播；其从电极220进入分析器壳290、300，在此处由双极分析器磁铁230使其变弯并分散成若干以其电荷对质量比来区分的单独的细束。所关注的细离子束穿过质量分辨孔270并进入最终的加速(或减速)级310。由此产生、选定及加速的离子束240离开离子束形成系统208并被引入到处理室330中，其在此处截交旋转盘314上的一个或一个以上装置晶片312。可通过关闭隔离阀210来使离子源真空外壳209与植入机真空系统的其余部分相隔离。例如，在对离子源及离子提取电极220进行原位清洗之前关闭隔离阀210。可以上文所 描述方式中的任一种对提取电极220进行温度控制。 
显然，可根据上文教示对本发明作出许多修改及改动。因此，应了解，可在所附权利要求书范围内以不同于上文具体描述的另外的方式来实践本发明。

Claims (34)

1.一种离子提取电极，其经构造以在具有具备低温操作模式和高温操作模式的离子源的离子植入系统中使用，所述离子提取电极经构造且适于从所述离子源提取离子以离子束形式运送到用于离子植入的表面，所述离子提取电极与可控制加热器组合，所述可控制加热器经构造以将所述提取电极维持在高温下以阻止在低温操作模式中离开所述离子源的气体或蒸气在所述电极上冷凝，所述离子提取电极与冷却装置组合以在所述离子源的高温操作模式期间进行操作，同时使所述加热器断电以将所述电极冷却到低于约400℃的温度。
2.如权利要求1所述的离子提取电极，其由铝构成。
3.如权利要求1所述的离子提取电极，其由钼构成。
4.如权利要求1所述的离子提取电极，其经构造及布置以被加热到约150℃与250℃之间的温度。
5.如权利要求1所述的离子提取电极，其经构造以与包含用于十硼烷或十八硼烷的气化器的低温操作离子源一起使用。
6.如权利要求5所述的离子提取电极，其能够被加热到约150℃以与十硼烷及十八硼烷进行替代操作。
7.如权利要求1所述的离子提取电极，其经构造以用于从离子源提取带正电荷的离子且包括至少两个连续的电极元件，所述电极元件沿着穿过所述电极元件的离子束路径，经构造以最接近于所述离子源的所述电极元件包括抑制电极，所述抑制电极适于被维持在比后续电极元件更负的电压以抑制电子朝向所述离子源移动。
8.如权利要求1所述的离子提取电极，其中所述加热器经构造以通过辐射来加热所述离子提取电极。
9.如权利要求1所述的离子提取电极，其具有适于传递带状离子束以运送到用于离子植入的表面的细长狭槽状孔。
10.如权利要求9所述的离子提取电极，其中所述加热器包含设置在所述狭槽状孔的长边中的每一者上的加热器部分。
11.如权利要求10所述的离子提取电极，其中所述加热器包括具有设置到所述狭槽状孔的所述长边中的每一者的部分的连续的电阻元件。
12.如权利要求11所述的离子提取电极，其中所述加热器包括管状加热器，所述管状加热器包括所述电阻元件在其中延伸的管，所述管状加热器的各部分设置到所述狭槽状孔的所述长边中的每一者。
13.如权利要求9所述的离子提取电极，其中所述加热器包括多个离散的筒式加热器单元，所述加热器单元中的至少一者设置到所述狭槽状孔的所述长边中的每一者。
14.如权利要求1所述的离子提取电极，其中所述提取电极的至少一个电极元件包括界定离子束孔的内部部分及以与所述内部部分成导热关系的外部部分，所述外部部分界定用于吸收从所述加热器辐射的热的热接收表面。
15.如权利要求14所述的离子提取电极，其中所述热接收表面大体面向离子束路径延伸穿过所述电极的方向，且所述加热器在所述离子束路径的延伸方向上与所述热接收表面间隔开。
16.如权利要求15所述的离子提取电极，其中所述热接收表面具有圆盘形状。
17.如权利要求15所述的离子提取电极，其中存在两个电极元件，每一电极元件均具有用于吸收热的热接收表面，所述加热器包括位于所述两个电极元件的所述热接收表面之间适当位置处以通过辐射来加热其每一者的热辐射器。
18.如权利要求17所述的离子提取电极，其中所述元件中的每一者的所述热接收表面具有圆盘形状，且所述加热器包括经形成以大致环绕所述离子束路径的管状加热器单元。
19.如权利要求17所述的离子提取电极，其具有设置在所述前文提及的电极元件之间的第三电极元件，所述提取电极的所述第三电极元件包括既界定离子束孔又界定用于吸收从所述加热器辐射的热的热接收表面的部分。
20.如权利要求1所述的离子提取电极，其中所述提取电极的至少一个电极元件包括既界定离子束孔又界定用于吸收从所述加热器辐射的热的热接收表面的部分。
21.一种离子植入系统，其包括如权利要求1或2所述的离子提取电极，所述离子提取电极安装在真空外壳中与离子源相邻的位置以通过提取孔从所述离子源提取离子以形成用于植入的离子束。
22.如权利要求21所述的离子植入系统，其中所述离子提取电极经布置以通过在所述真空外壳中时暴露于含卤素的反应性气体而被周期性地清洗。
23.如权利要求22所述的离子植入系统，其中所述电极经布置以暴露于通过离子提取孔从所述离子源的离子化室发出的含卤素的反应性气体。
24.如权利要求21所述的离子植入系统，其中所述低温操作离子源包含用于十硼烷或十八硼烷的气化器。
25.一种包括多模离子源的多模离子植入系统，所述多模离子源具有离子提取电极，所述离子提取电极安装在真空外壳中邻近离子源的位置处以通过提取孔从所述离子源提取离子以形成用于植入的离子束，所述离子源具有高温操作模式和低温操作模式，所述离子提取电极由铝构成且与冷却装置组合以在所述离子源的高温操作期间进行操作以将所述电极冷却到低于约400℃的温度，且所述离子提取电极与可控制加热器组合以将所述提取电极维持在高温下以阻止在所述低温操作模式中离开所述离子源的气体或蒸气在所述电极上冷凝。
26.如权利要求25所述的离子植入系统，其中所述电极经布置以通过在所述真空外壳中时暴露于含卤素的反应性气体而被周期性地清洗。
27.如权利要求26所述的离子植入系统，其中所述电极经布置以暴露于通过离子提取孔从所述离子源的离子化室发出的含卤素的反应性气体。
28.如权利要求25所述的离子植入系统，其中所述离子提取电极能够被所述可控制加热器加热到约150℃以在所述低温操作模式中与十硼烷及十八硼烷进行替代操作。
29.一种离子提取电极，其供安装在真空外壳中邻近离子源的位置处以通过提取孔从所述离子源提取离子以形成用于植入的离子束，所述离子源具有高温操作模式或低温操作模式，所述离子提取电极由铝构成且与冷却装置组合以在所述离子源的高温操作期间进行操作以将所述电极冷却到低于约400℃的温度，且所述离子提取电极与加热装置组合以用于在所述低温操作模式中加热所述提取电极以将所述提取电极维持在高温下以阻止离开所述离子源的气体或蒸气在所述电极上冷凝。
30.一种产生用于离子植入的离子束的方法，其采用离子源及提取电极来产生离子束供运送到用于离子植入的表面，所述方法包含冷却所述提取电极或用电加热器来加热所述提取电极的步骤。
31.如权利要求30所述的方法，其中在选定温度下操作所述离子源且通过电加热将所述提取电极维持在高于所述选定温度的温度下。
32.如权利要求31所述的方法，其中采用所述离子源来产生选定氢化硼的离子且将所述提取电极加热到约150℃与250℃范围内的温度。
33.如权利要求32所述的方法，其中采用所述离子源来产生十硼烷或十八硼烷的离子且将所述提取电极加热到约150℃。
34.如权利要求30所述的方法，其中加热是通过来自电加热器的辐射进行的。
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