具体实施方式

本发明总体涉及离子注入系统以及与之相关的电弧或等离子体室。相应地，现参考附图描述本发明，其中，相同的附图标记可以始终用于指代相同的元件。应当理解，这些方面的描述仅仅是说明性的，不应被解释为具有限制意义。在以下描述中，出于解释说明的目的，阐述了许多具体细节和特征以提供对本发明的更全面理解。显然，对于本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。

本公开的各个示例性方面和特征有利于用于将离子注入工件的离子注入过程。根据一个示例性方面，提供了一种离子注入系统，该离子注入系统具有：离子源，其配置成形成离子束；束线组件，其配置成选择性地传输离子束；以及终端站，其配置成接受离子束，以将离子注入到工件中。

作为与本公开相关联的各个方面的概述，图1示出了示例性离子注入系统100。本示例中的离子注入系统100包括示例性离子注入装置101，但是也可以考虑各种其他类型的基于真空的半导体处理系统，例如等离子体处理系统或其他半导体处理系统。例如，离子注入装置101包括终端102、束线组件104和终端站106。

一般而言，终端102中的离子源108耦接到电源110，以将掺杂剂气体离子化为多个离子并形成离子束112。本示例中，离子束112沿着束线113被引导通过质量分析装置114，并从孔116出来而被引导向终端站106。在终端站106中，离子束112轰击被选择性地夹持或安装到卡盘120的工件118(例如，诸如硅晶片的基体、显示面板等)。例如，卡盘120可以包括静电卡盘(ESC)或机械夹具卡盘，其中卡盘可以配置成选择性地控制工件118的温度。一旦嵌入到工件118的晶格中，注入的离子就会改变工件的物理和/或化学性质。因此，离子注入用于半导体器件制造和金属精加工以及材料科学研究中的各种应用。

本公开的离子束112能够采用任何形式，比如铅笔或点状射束、带状射束、扫描射束或离子被引导朝向终端站106的任何其他形式，所有这样的形式均被认为落入本公开的范围内。

根据一个示例性方面，终端站106包括处理室122，例如真空室124，其中，处理室内大体上保持真空环境126。例如，真空源128(例如，一个或多个真空泵)能够配置成在终端102、束线组件104和终端站106中的一个或多个内产生真空环境126(例如，基本上真空)。例如，真空源128能够流体式耦接到离子源108、束线组件104和处理室122中的一个或多个，以基本上将相应的离子源、束线组件和处理室抽真空。

例如，工件118可以经由一个或多个负载锁定室130和转移装置132选择性地传送到处理室122或从处理室122传送，其中，该一个或多个负载锁定室分别将真空环境126与外部环境134(例如大气环境)隔离。例如，还提供控制器136，以控制与离子注入系统100的终端102、束线组件104和终端站106相关联的各种装置和系统中的一个或多个。

因此，本公开提供用于替换或更换离子源的电弧室的各种装置、系统和方法，其优点是不破坏离子源的真空。再次参考图1，本公开提供了可操作地耦接、附接和/或设置在离子源108内的多个电弧室150，以显著提高离子源的可靠性，以及允许将专用硬件应用于各种注入物质。例如，多个电弧室150配置成使一种或多种掺杂剂材料电离，用于以离子束112形式从中提取一种或多种掺杂剂物质。

在一个示例中，多个电弧室150中的每一个配置成基本相同，由此可以从该多个电弧室中的每一个中提取单个预定物质的离子。在另一示例中，多个电弧室150中的一个或多个配置成与该多个电弧室中的其余电弧室不同。例如，可以从多个电弧室中的每一个中提取多种物质和/或与特定物质相关联的多个条件。这样，例如，离子源108配置成从多个电弧室150中的任何一个提取并形成离子束112，而不必将离子源108内的真空环境126开放或以其他方式暴露于外部环境134。

多个电弧室150设置在、耦接到平移装置152上或以其他方式与平移装置152相关联，平移装置152配置成选择性地将多个电弧室中的每一个平移到提取位置154。例如，提取位置154大体上限定图1的离子束112的末端156，在该处，离子束从与离子源108相关联的提取孔158射出。例如，多个电弧室150在图2中示出为大致呈十字形的四个电弧室160A-160D。虽然示出了四个呈十字形的电弧室160A-160D，但应当理解，任何数量的电弧室及其相对于平移装置152的构造都被认为落入本公开的范围内。

根据一个示例，图2中示出的平移装置152包括转盘162。例如，转盘162包括相对于提取位置154旋转式固定的静态圆筒164。例如，动态圆筒166还可旋转地连接到静态圆筒164以限定转盘162，其中，多个电弧室150可操作地耦接到动态圆筒并围绕动态圆筒沿周向间隔开。因此，动态圆筒166相对于静态圆筒164的旋转位置选择性地将每个电弧室160A-160D与提取位置154对准。

例如，转盘162配置成选择性地定位多个电弧室150中的每一个，使得在任何给定时间，只有一个电弧室(例如，图2所示示例中的电弧室160A)位于提取位置154。例如，因此从位于提取位置154处的、多个电弧室150中选择的一个电弧室中提取图1的离子束112。

根据一个示例，如图3-4所示，平移装置152还包括可操作地耦接到齿轮组170的输入轴168。在本示例中，齿轮组170包括可操作地耦接到动态圆筒166的第一齿轮172和可操作地耦接到输入轴168的第二齿轮174。例如，输入轴168因此配置成经由齿轮组170使动态圆筒166旋转，从而提供了多个电弧室150中的每一个电弧室到提取位置154的选择性平移。在一个示例中，齿轮组170可以包括松配合的非标准齿轮，与更紧密、更传统的齿轮组相比，这些齿轮在与热膨胀、材料沉积和允许在离子注入系统中使用的润滑剂的常见限制相关的容限方面具有优势。

例如，齿轮组170可具有由于大齿间距的低精密度。为了将多个电弧室150对准到提取位置，一个或多个锁止器175，例如弹簧锁止器，可以与动态圆筒166和静态圆筒164中的一个或多个相关联。例如，当多个电弧室150中的每一个与提取位置154选择性对准时，一个或多个锁止器175选择性地锁定动态圆筒166相对于静态圆筒164的旋转位置。在一个示例中，一个或多个锁止器175可以包括耦接到静态圆筒164的一个或多个弹簧柱塞(未示出)，其中，柱塞延伸到动态圆筒166上的一个或多个凹口或槽(未示出)中，以便引导转盘162的精密旋转。例如，一个或多个锁止器175可以包括由于经受高温环境而由铬镍铁合金材料构成的弹簧。

在另一示例中，在本示例中的平移装置152还包括可操作地耦接到输入轴168的电机176(例如，步进电机或伺服电机)，其中，电机配置成选择性地使轴旋转，从而选择性地旋转或平移多个电弧室150。例如，电机176可以由图1的控制器136控制。

例如，如图2所示，气体连接元件178还分别与多个电弧室150中的每一个相关联，用于使气体流入位于提取位置154的电弧室(如图2所示的160A)。例如，每个气体连接元件178配置成基于动态圆筒166的旋转位置选择性地与和静态圆筒164相关联的固定气体导管180接合。例如，每个气体连接元件178配置成在多个电弧室150中的每一个与提取位置154选择性对准时与固定气体导管180对准。在一个示例中，气体连接元件178和固定气体导管180以大约0.025mm的间隙间隔开，以使通过连接而逸出的气体减少到最少。

根据另一示例，一个或多个电气连接元件182分别与多个电弧室150中的每一个相关联。例如，该一个或多个电气连接元件182中的每一个配置成基于动态圆筒的旋转位置选择性地与和静态圆筒164相关联的一个或多个固定电气元件184接合。例如，图4中所示的一个或多个固定电气元件184与多个电弧室150中的每个电弧室相关联，例如，并且包括与相应电弧室的阴极(未示出)相关联的相应阴极电气连接186和与多个电弧室中相应的每个电弧室的灯丝(未示出)相关联的灯丝电气连接188。

例如，所述连接可以由静态圆筒164到动态圆筒166中的通槽形成。尽管未示出，但例如可以提供带状导电材料以用于弯曲并适应移动，并且在动态圆筒166相对于静态圆筒旋转时，可以使用弹簧来推动和缩回导体，以提供适当的电气接触。

应当注意，图1的离子源108通过图3-5中示出的真空凸缘190保持真空环境126与外部环境134的隔离，由此为输入轴168、一个或多个固定电气元件184等提供穿过真空凸缘的通道192。例如，还提供了铁磁流体密封件194以隔离输入轴168。

根据另一实施例，例如，图2的多个电弧室150可以被设置为大体相同的。例如，多个电弧室150中的每一个配置成注入特定物质(例如硼)。因此，如果当前在提取位置154处使用的、多个电弧室150中的一个电弧室(例如电弧室160A)出现故障或达到预定寿命，则多个电弧室中的另一个(例如，电弧室160B、160C或160D)可以用最少的停机时间并且基本上不改变真空环境126的情况下平移到注入位置。因此，减少了与维护离子注入系统100相关的停机时间。例如，由于耦接到转盘162的四个电弧室160A-160D，本示例预期将离子注入系统的正常运行时间增加到大约四倍。还应注意的是，虽然在本示例中描述了四个电弧室160A-160D，但任何数量的电弧室都是可行的。

在另一示例性实施例中，多个电弧室150(例如，四个电弧室160A-160D)中的每一个设置在转盘162中，相对于彼此具有独特的构造，由此，例如，每个独特的电弧室配置用于特定的掺杂物质(例如，硼、碳、砷等)或一组预定的注入特性(例如，预定电流、功率、射束类型等)。例如，设置多个电弧室150中的每一个的相应配置以用于多种不同物质，用于在注入选定的一种或多种物质时增强离子注入系统100的性能，并且/或者用于防止特定物质特有的失效模式。例如，电弧室160A可以配置成产生硼离子，电弧室160B可以配置成产生碳离子，等等。

或者，多个电弧室150可以包括独特且相同的电弧室160A-160D的组合。例如，电弧室160A和160B可以设置成彼此大体上相同；而电弧室160C和160D可以设置成彼此大体上相同，同时还共同相对于电弧室160A和160B是独特的。因此，独特且相同的电弧室160A-160D的任何组合以及多个电弧室150的数量都被认为落入本公开的范围内。

应注意，图中所示的转盘162的配置不应被视为限制性的，因为可以考虑用于将多个电弧室150之一选择性地定位在提取位置154处的任何机构，包括但不限于旋转、线性和振荡机构。

因此，本公开提供了一种用于如下系统和装置的设计：该系统和装置用于将多个电弧室150中的每一个放置在离子注入系统的提取位置154处，而基本上不干扰与其相关联的真空环境126。例如，该设计可包括通过动态圆筒和齿轮、对准辅助柱塞、圆筒之间的定向气体连接和弹簧加载式电气触点来移动多个电弧室。考虑了用于静态圆筒中的电气连接的额外支撑，同时提供了弹簧柱塞作为易于更换的部件，以及用于将气体输入到静态圆筒的O形环。

除了当前公开的切换电弧室150的构思之外，本公开还提供了各种电气和气体连接的选择性耦接(例如，接通和/或断开连接)以使得单组电源和气体系统能够供给多个腔室，从而使得与系统相关的成本最小化。本公开还提供了特征定位以大体上确保电弧室出口孔相对于束线的其余部分正确定向。

还应理解，本公开不限于图中所示的特定平移装置。例如，可以设想各种其他平移装置，例如由皮带、滑轮、杠杆的平移装置、直接驱动、间接驱动或手动的平移装置。此外，虽然旋转是使多个电弧室150平移的一个实施例，但可以考虑各种其他平移，例如线性平移的一排线性电弧室、设置在均匀或非均匀轨道上的电弧室或各种其他平移系统。

在本公开的另一方面，图6示出了用于形成离子束的方法300。应当注意，虽然示例性方法在本文中被图示和描述为一系列动作或事件，但是应当理解，本公开不受这些动作或事件的图示顺序的限制，因为，一些步骤可以根据本公开以不同的顺序执行，并且/或者与除本文所示和所述的步骤之外的其他步骤同时执行。此外，实现根据本公开的方法时并非示出的所有步骤都是必须的。此外，应当理解，这些方法可以与本文所示出和描述的系统相关联地实现，也可以与未示出的其他系统相关联地实现。

例如，图2中所示的方法300开始于动作302：提供具有与其可操作地耦接的多个电弧室的离子源。在动作304中，将多个电弧室中的一个平移(例如，经由上述转盘旋转)到束线位置。在执行动作304之前，可以选择多个电弧室中的一个用于动作304，其中，该选择可以基于植入的期望特性(例如，物质、温度、功率、污染程度等)。

在动作306中，利用多个电弧室中的一个电弧室形成离子束。在动作308中，将多个电弧室中的另一个电弧室平移到束线位置。例如，在执行动作308之前，可以选择多个电弧室中的另一个以用于动作308，其中，该选择可以基于植入的另一期望特性(例如，物质、温度、功率、污染程度等)。在动作310中，利用多个电弧室中的另一个形成另一离子束。

尽管相对于某个或某些优选实施例示出和描述了本公开，但是在阅读和理解本说明书和附图后，本领域的其他技术人员显然可以想到等效的改变和修改。特别地，对于由上述部件(组件、设备、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应于执行上述部件的指定功能的任何部件(即功能上等同的部件)，即使在结构上不等同于执行本文所示的本公开的示例性实施例中的行所述功能的所公开的结构，亦是如此。此外，虽然可能仅针对若干实施例中的一个实施例公开了本公开的特定特征，但是，对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的情况下，这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合。