阅读说明：本技术 用于离子注入机的氢气发生器 (Hydrogen generator for ion implanter ) 是由 尼尔·科尔文 哲-简·谢 理查德·雷舒特 温迪·科尔比 于 2019-01-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于离子注入系统的终端,其中该终端具有用于支撑离子源(108)的终端壳体(154),该离子源配置成形成离子束。该终端壳体内的气体箱(146)具有氢气发生器(144),该氢气发生器配置成产生用于离子源的氢气。气体箱与终端壳体电隔离并进一步电耦合到离子源。离子源和气体箱通过多个电绝缘体与终端壳体电隔离。多个绝缘支座(156)使终端壳体与大地电隔离。终端电源使终端壳体相对于大地电偏置到终端电势。离子源电源使离子源相对于终端电势电偏置到离子源电势。导电管(148)使气体箱与离子源电耦合。(A terminal for an ion implantation system is provided, wherein the terminal has a terminal housing (154) for supporting an ion source (108) configured to form an ion beam. A gas box (146) within the terminal housing has a hydrogen generator (144) configured to generate hydrogen for an ion source. The gas box is electrically isolated from the terminal housing and further electrically coupled to the ion source. The ion source and the gas box are electrically isolated from the terminal housing by a plurality of electrical insulators. A plurality of insulative standoffs (156) electrically isolate the terminal housing from ground. The terminal power supply biases the terminal housing to a terminal potential with respect to ground. An ion source power supply electrically biases the ion source to an ion source potential relative to the terminal potential. A conductive tube (148) electrically couples the gas box to the ion source.)

用于离子注入机的氢气发生器

优先权文件

本申请要求申请日为2018年01月22日、名称为“HYDROGEN GENERATOR FOR AN IONIMPLANTER(用于离子注入机的氢气发生器)”、申请号为US 62/620,144的美国非临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及离子注入系统，更具体涉及一种具有氢气发生器的离子注入系统，该氢气发生器用于离子注入系统的离子源。

背景技术

在半导体器件的制造中，使用离子注入将半导体掺杂杂质。常用离子注入系统将来自离子束的离子掺杂到注入半导体晶片的工件中，以便在集成电路的制造过程中产生n型或p型材料掺杂或者形成钝化层。这种射束处置常用于以预定的能量水平并以控制下的浓度选择性向晶片注入特定掺杂剂材料的杂质，以在集成电路的制造过程中产生半导体材料。使用离子注入系统来掺杂半导体晶片时，该系统将选定的离子种类注入到工件以产生期望的非本征材料。注入由如锑、砷或磷等源材料所生成的离子例如得出“n型”非本征材料晶片，而“p型”非本征材料晶片则通常得自如硼、镓或铟等源材料所生成的离子。

典型的离子注入机包括离子源、离子引出装置、质量分析装置、射束传输装置和晶片处理装置。离子源生成期望原子或分子掺杂剂种类的离子。这些离子由引出系统(通常是一组电极)从离子源中引出，该系统会激发并引导来自离子源的离子流，从而形成离子束。在质量分析装置(通常是磁偶极子)中，从离子束中分离出期望的离子，从而对所引出的离子束进行质量分散或分离。射束传输装置(通常是包含一系列聚焦装置的真空系统)将离子束传输到晶片处理装置，同时保持期望的离子束特性。最后，半导体晶片经由晶片操作系统进出晶片处理装置，该晶片处理系统可以包括一个或多个机械臂，用于将待处置的晶片放置在离子束前面，并从离子注入机中移除处置过的晶片。

离子注入机中的离子源通常通过将源材料在电弧腔室中进行离子化而生成离子束，其中，源材料的成分是期望的掺杂元素。然后将期望的掺杂元素以离子束形式从离子化的源材料中引出。在某些情况下，期望的掺杂元素可以包括金属离子，诸如铝。

常规上，当铝离子是期望的掺杂元素时，出于离子注入目的，使用诸如氮化铝(AlN)和氧化铝(Al₂O₃)等材料作为铝离子的源材料。氮化铝或氧化铝是固体的绝缘材料，通常将它们放置在电弧腔室中，其中形成等离子体(在离子源中)。常规上，引入蚀刻剂气体(例如含氟气体)以化学方式蚀刻含铝材料，由此将源材料离子化，并且引出铝并使其沿束线转移到位于端站的碳化硅工件，以便注入其中。然而，蚀刻工艺会产生绝缘材料(例如AlF_X、AlN、Al₂O₃等)，该绝缘材料连同预期的铝离子一起从电弧腔室中散发出去，导致绝缘材料在离子注入系统的各组件之间产生有害的电弧。

发明内容

下文提出本发明的发明内容，以提供对本发明某些方面的基本了解。本发明内容并非本发明的广泛概述。既非旨在认定本发明的主要或关键元素，也非阐明本发明的范围。其目的在于，以简化形式呈现本发明的某些构思，作为下文

具体实施方式

的引言。

本发明的各方面有助于将铝离子注入到工件中的离子注入过程。根据某一示例性方面，提供一种离子注入系统，该离子注入系统具有配置成形成离子束的离子源、配置成选择性传输离子束的束线总成以及配置成接受离子束以将铝离子注入工件的端站。

根据某一示例性方面，提供一种用于离子注入系统的终端系统。该终端系统例如包括终端壳体以及布置于终端壳体内的离子源。气体箱例如电耦合到离子源，并且氢气发生器布置于气体箱内。氢气发生器例如配置成产生用于离子源的氢气并与离子源具有相同的电势。

在某一实例中，离子源和气体箱通过多个电绝缘体与终端壳体电隔离。在另一实例中，进一步设置多个绝缘支座以使终端壳体与大地电隔离。

例如，设置终端电源，该终端电源配置成使终端壳体相对于大地电偏置到终端电势，诸如300keV。在另一实例中，设置引出电源，该引出电源配置成使气体箱和离子源电偏置到相对于终端电势更高的电势。气体箱和离子源电势例如相对于终端电势升高约60keV。

根据另一实例，设置导电管以使气体箱电耦合到离子源，其中该导电管提供氢气发生器与离子源之间的流体连通。导电管例如包括不锈钢管。

根据另一示例性方面，进一步揭示一种离子注入系统。该离子注入系统包括终端，该终端具有终端壳体、配置成形成离子束的离子源以及气体箱。该气体箱例如包括氢气发生器，该氢气发生器配置成产生用于离子源的氢气，其中该气体箱与终端壳体电隔离，且其中该气体箱与离子源电耦合。在某一实例中，该离子注入系统进一步包括配置成选择性传输离子束的束线总成以及配置成接受离子束以将离子注入工件的端站。

上述发明内容仅旨在简要概述本发明某些实施方案的某些特征，而其他实施方案可能包括相比前述内容的附加和/或区别特征。本发明内容特别是不应解释为限制本申请的范围。故本发明达成上述相关目的的解决方案包括下文描述并在权利要求书中具体指出的特征。下述内容及附图具体阐明本发明的某些说明性实施方案。但这些实施方案指明各种方式中可运用本发明原理的几种方式。结合附图，参阅下文的具体实施方式，本发明的更多方面、优点及新颖性特征将显而易见。

附图说明

图1示出根据本发明几方面的示例性真空系统利用氢气发生器的框图；

图2示出根据本发明另一方面的示例性终端包括离子源和气体箱的透视图；

图3示出根据本发明又一方面的示例性终端包括离子源和气体箱的平面图。

具体实施方式

本发明总体上针对一种离子注入系统以及与之相关联的用于生成氢气的气源。更具体地，本发明针对用于为所述离子注入系统生成氢气的氢气发生组件。本发明将氢气发生器定位于与离子源相关联的气体箱中，以使气体箱维持升高的电压。据此，气体箱封壳的密闭性和安全性方面有利地改善了重复硬件和气体输送管道。

据此，现结合附图对本发明予以阐述，其中相同的附图标记始终指代相同的元素。应当理解，对这些方面的描述仅供说明，而不得解释为限定意义。出于解释目的，在下文中阐明若干具体细节，以便全面理解本发明。然而，本领域技术人员显而易见的是，本发明可在不具备这些具体细节的情况下实施。另外，本发明的范围不应受限于下文结合附图所述实施方案或实施例，而仅由所附权利要求书及其等同变化限定。

还应指出，附图用来说明本发明实施方案的某些方面，由此应视为仅作示意性说明。特定而言，根据本发明的实施方案，附图中所示的元素不必互成比例绘制，附图中各元素的布置选为可清楚理解相应的实施方案，不得理解为必然表示实施中各组件的实际相对位置。此外，本文所描述的各种实施方案和实施例的特征可相互组合，除非另作特别注明。

还应理解，在下文中，图中所示或文中所述的功能模块、器件、组件、电路元件或其他实际单元或功能单元之间的任何直接连接或耦接亦可通过间接连接或耦接来实施。此外，还应领会，图中所示的功能模块或单元可在某一实施方案中实施为分立的特征或电路，并可在另一实施方案中作为补充或备选完全或部分实施为共同的特征或电路。举例而言，几个功能模块可作为在共同处理器(如信号处理器)上运行的软件形式实施。还应理解，下文基于导线所述的任何连接又可实施为无线通信形式，除非另作相反规定。

根据本发明的一方面，图1表示示例性的真空系统100。在本实施例中的真空系统100包括离子注入系统101，但亦涵盖其他各类型的真空系统，如等离子处理系统或其他半导体处理系统。离子注入系统101例如包括终端102、束线总成104和端站106。

一般而言，终端102中的离子源总成108具有电弧腔室110，其耦接至电源112，以使掺杂剂气体离子化成多个离子而形成离子束114。可以对引出电极116施加偏压以抑制离子源总成108附近或引出电极下游生成的电子逆流。可以将本发明的离子源材料118提供给离子源总成108中的电弧腔室110，其中，基于期望的离子注入，离子源材料可以包括BF₃、PF₃、NF₃或其他材料。在某一实例中，可以将诸如三碘化铝(AlI₃)的汽化材料120供应到电弧腔室110，或者可以将汽化材料安装在汽化器122中，其作为与电弧腔室相关联的离子源总成108的一部分的，参阅下文详述。

在本例中，引导离子束114穿过射束控向设备124且穿出穿孔126射向端站106。在端站106中，离子束114轰击工件128(例如硅晶片、显示面板等半导体)，该工件118选择性夹持或安装至夹盘130(例如静电夹盘或ESC)。一旦注入的离子嵌入工件128的晶格时，这些离子改变工件的物理和/或化学性质。正因如此，离子注入用于制造半导体器件和金属表面处理以及材料科学研究中的各种应用。

本发明的离子束114可采取任何形式，如笔束或点束、带状束、扫描束或使离子指向端站106的任何其他形式，所有这些形式均属本发明的范围内。

根据某一示例性方面，端站106包括处理腔室132，如真空腔室134，其中处理环境136与该处理腔室相关联。处理环境136一般存在于处理腔室132内，在某一实例中，处理环境126包括由耦接至处理腔室并配置成大体上将该处理腔室抽成真空的真空源138(例如真空泵)所产生的真空。此外，控制器140设置用于整体上控制真空系统100。

本发明领会到，经发现，工件128上形成的碳化硅基器件相比硅基器件的热特性和电特性更佳，特别是在用于诸如电动车等高压高温装置的应用中。然而，离子注入到碳化硅中所用的注入掺杂剂类别与硅工件所用的注入掺杂剂类别不同。在碳化硅注入物中，经常执行铝和氮的注入。例如，氮注入相对简单，因为氮可作为气体引入，并提供相对容易的调试、清理等。但铝就不易如此，因为目前还未知几种良好的气态铝溶液。

出于离子注入目的，可以使用诸如氮化铝(AlN)、氧化铝(Al₂O₃)等材料作为铝离子源。氮化铝或氧化铝是固体的绝缘材料，它们放置在电弧腔室中，其中形成等离子体(在离子源中)。可以引入气体(例如氟气)以采用化学方式蚀刻含铝材料，由此将材料离子化，引出铝并使其沿束线转移到定位于端站的碳化硅工件。例如，含铝材料在电弧腔室内常与某种形式的蚀刻剂气体(例如BF₃、PF₃、NF₃等)一起用作铝离子源。这类材料的不良副作用是产生绝缘材料(例如AlN、Al₂O₃等)，这种绝缘材料连同预期的离子一起从电弧腔室中释放出来。

绝缘材料随后可覆盖组件，诸如与离子源总成108的离子源壳体142相关联的引出电极116，然后开始产生电荷，不利地改变这些电极的静电特性并在这些电极上积累电荷。这会导致积聚的电荷向其他组件和/或地面放出电弧，使得这些电极发生俗称为毛刺或电弧放电的行为。在极端情况下，电源部的行为可能发生变化和失真。这就导致无法预测束线行为，因此需要频繁的预防性维护来清洁这些组件并减少束电流。此外，在电弧腔室110以及离子源总成108和离子源壳体142中形成这类材料的碎片和其他残余物，因此改变其操作特性，从而造成频繁的清洁。

根据某一方面，本发明考虑使用三碘化铝(AlI₃)产生原子铝离子，由此不会产生且不会堆积上述绝缘材料、碎片等，从而延长离子源和电极的使用寿命，产生更稳定的离子束运行，并允许显著提高的束电流。因此，根据本发明，在室温至1000℃的温度下，由三碘化铝(AlI₃)固体源材料产生单原子的铝离子，以电性掺杂碳化硅、硅或其他衬底，从而相较于现有技术改善源寿命、束电流及操作特性。

在另一实例中，各种离子注入过程可以利用基于卤素的掺杂剂气体或诸如BF₃、GeF₄、SiF₄等化合物。当这些化合物在电弧腔室110中裂化时，所得的氟副产物可能对离子源和整个束线的稳定性和使用寿命产生有害影响，因为氟副产物具高度电负性，很容易与组成离子源和引出电极总成的各种难熔金属、石墨和陶瓷组件发生反应。

当使用三碘化铝(AlI₃)作为离子源总成108的起始材料(例如供应给汽化器122的汽化材料120)，所得的副产物(例如碘)可能用绝缘覆层覆盖离子源壳体142内的各种组件。在高压场附近时，绝缘覆层例如可以随后充电和放电。在这两种情形下，离子束114可能会变得极不稳定，以至于随着时间推移，可能需要从生产环境中移除诸如离子源总成108等组件以便进行维护、清洁或更换。为了缓解这类掺杂剂副产物的负面影响，可以将共伴氢气引入到电弧腔室110，由此共伴氢气与氟反应形成HF或H₂F，从而消除卤素循环。对于碘，氢反应通常会形成挥发性气体，可以将其安全地泵出离子源。

例如，在离子源中使用四氟化锗(GeF₄)和氢气作为共伴气体，可能发生以下反应：

4GeF4+2H2+2W→4Ge++2WF6+4HF(g) (1)

以及

2WF6(g)+6H2(g)→2W(s)+12HF(g) (2)

使用GeF4而不使用氢气作为共伴气体时，可能发生以下反应：

6GeF4+4W→6Ge++4WF6 (3)

以及

4WF6(g)→4W(s)+24F·(g) (4)

等式(4)的结果通常不具热稳定性，而可能分解回元素钨(W)并将F·释放回等离子体。

使用三碘化铝(AlI₃)和氢气作为共伴气体时，可能发生以下反应：

AlI₃+H₂+H₂O→Al(s)+3HI(g)+OH (5)

等式(5)中的水(H₂O)例如来自腔阱中的水分。来自碘化物和氢气的反应动力的优势例如在于，形成挥发性气体副产物(HI)时不断将其泵走，在形成该挥发性气体副产物之后降低总能量。

可能存在几种为离子源总成108供应或生成氢气(例如供应给离子源壳体142)或为电弧腔室110供应或生成氢气的方法。例如，可以使用含氢的高压瓶作为气源，由此可以将高压瓶流体耦合至离子源总成108。就此而言，在与之相关的重大故障情况下，在气源的输出端处使用孔口来防止释放大量气体。为离子源总成108或电弧腔室110供应氢气的另一替代例可以包括真空触发瓶，其用作利用低压瓶的安全输送系统(SDS)，从而到离子源的气体输送管线处于真空条件下。

为离子源总成108或电弧腔室110供应氢气的又一替代例可以包括氢气发生器144。例如，能够使用一个或几个串联的电解池来进行水离解。每个电解池均包括阳极电极(例如用于产生氧气)、阴极电极(例如用于产生氢气)和隔膜(例如用于分离氧气和氢气)。储槽例如可以配置成仅存储该过程所需的足够氢气，从而针对存在高压氢气瓶的应用，采用氢气发生器144作为安全的替代方案。

本发明设想在与终端102相关联的气体箱146中设置氢气发生器144，由此气体箱处于离子源总成108的引出电势(例如，气体箱处于相同的高电势或引出电压)，从而氢气发生器的输出能够通过使用导电管148(例如不锈钢管)直接排入离子源用作共伴气体。因此，可利用气体箱146的安全性和密闭性特征，从而能够避免使用非导电管桥接高压间隙的问题。例如，非导电管很容易受损，因此有可能在离子源总成108外部附近释放易燃的氢气和/或有毒的掺杂剂。气体箱146例如是图2所示的终端102中的封壳并与离子源总成108相关联，由此定位包含注入物相关联的各种气体的加压气瓶。通过将氢气发生器144定位于气体箱146中(在某一实例中，该气体箱已经处于自地电势升高的电压)，可利用气体箱封壳的密闭性和安全性，从而避免重复的设计/硬件，包括气体输送管道。

常规上，气体箱维持引出电势(例如自地电势升高的电势)，其范围可为约1keV至60keV。常规上，当实施用于产生离子源用共伴氢气的氢气发生器(图中未示出)，该氢气发生器作为独立的组件在终端之外置于地电势的地面上。在这样的地电势，独立氢气发生器的电势可能远低于离子源。照此，非导电管(诸如聚乙烯管，例如管，或管)本身用来跨接地电位与终端之间的高压间隙，以便将气体传输到气体箱中而连接到流量控制器，以使氢气流入离子源。但目前应领会到，这样使用非导电管跨接高压间隙存在各种有害缺陷，诸如断路风险，潜在爆炸性的氢气有可能泄漏到周围环境中。

因此，根据本发明某一示例性方面，设置氢气发生器144，其尺寸设定为装配到气体箱146中正常放置常规气瓶的槽部中。这样就能提供各种安全性特征，由此可以将氢气注入到离子源总成108中，同时与离子源总成处于相同的电势。气体箱146例如搁置在多个电绝缘体150上，由此气体箱和用于离子源总成108的各种控制器(图中未示出)与离子源处于相同的电势，同时与终端102的终端壳体152电隔离。因此，通过将氢气发生器144定位于气体箱146中，氢气发生器与离子源108之间不存在压降。因此，从气体箱146中的氢气发生器144到离子源108的流体连通能够有利地包括导电管148，诸如不锈钢管，从而导电管在二者之间提供稳固又安全的流体耦合。

本发明提供的氢气有利地处于高于地电势基准的升高电压。这样就不必重复使用各种密闭装置和控制装置等来减轻低流量易燃气体相关的电火花问题。尽管可以替代地将高压氢气瓶放置在气体箱146中，但这样定位高压瓶可燃气体可能会因瓶的掉落或瓶上截止阀的破裂而导致灾难性故障，因此造成氢气失控泄漏。另外，出于各种原因，诸如这类高压瓶的实施管理法规，将它们运输到容纳离子注入系统的建筑物中可能会成问题。

本发明的氢气发生器144例如可以配置成使氢气以约10sccm的速率流动。在某一实例中，氢气发生器144具有约5psi以下相对较小的存储容量。这样氢气就不会以上述高压气瓶通常相关的高压(例如2000psi)存储。另外，氢气发生器144保持与离子源108相同的电势(例如高于地电势的升高电压)，该电势可能高于地电势约达1keV至60keV。

据此，本发明提供了图2至图3所示的用于离子注入系统101的终端系统154(例如图1所示的终端102)，其包括与离子源总成108具有相同电势的氢气发生器144。如图2至图3所示，终端系统154例如可以通过多个绝缘支座156与大地电隔离。因为终端系统154通过绝缘支座156与大地电隔离，该终端系统可视为地电势基准(例如回降基准)，从而能够将终端系统154偏置到各种电压，诸如大约-300keV。气体箱146和离子源总成108例如与上述导电管148耦合，因此彼此处于相同的电势，由此气体箱和离子源皆可处于高于终端壳体152的升高电势(例如60keV)，同时进一步通过多个绝缘支座156与大地电隔离，从而提供高于地电势的360keV的气体箱和离子源。

尽管本发明已就某一或某些实施方案予以图示及叙述，但应指出，上文所述的实施方案仅举例说明本发明的某些实施方案，而本发明的应用不局限于这些实施方案。特别是关于上述组件(总成、装置、电路等)执行的各种功能，若非特别注明，则用于描述这些组件的术语(包括提及“构件”)旨在对应于执行所述组件的特定功能(即功能上等同)的任意组件，即便其在结构上不等同于执行本文所述的本发明典型实施方案所公开的结构亦然。此外，虽然仅就多种实施方案之一披露本发明的具体特征，如若适于或利于任何指定或特定的应用，则这一特征可结合其他实施方案中的一个或多个其他特征。据此，本发明不限于上述实施方案，而旨在仅受所附权利要求书及其等同变化限定。