针对离子注入系统的降低轨迹金属污染的离子源

摘要

一种针对离子注入系统的离子源室(120)包括：外壳，至少部分地界定离子化区域，高能电子会从阴极(124)移动穿过所述离子化区域，以对注入所述外壳内部的气体分子进行离子化；衬垫区段(133、135、137、139)，限定所述外壳内部的一个或更多个内壁，其中每个衬垫区段包括面向内部表面，所述面向内部表面在所述离子注入系统的操作期间暴露于所述离子化区域；阴极屏蔽(153)，布置在所述阴极周围；排斥极(180)，与所述阴极相分离；板(128)，包括用于从离子源室释放离子的源孔(126)；其中，所述排斥极、所述衬垫区段、所述阴极屏蔽、所述板或在限定源孔的板中的插入件中的至少一个包括碳化硅，其中，碳化硅具有超额碳的非化学计量烧结材料。

权利要求

1.一种用于离子注入系统的离子源室，所述离子源室包括：外壳，至少部分地界定离子化区域，高能电子会从阴极移动穿过所述离子化区域，以对注入所述外壳内部的气体分子进行离子化；

衬垫区段，限定所述外壳内部的一个或更多个内壁，其中每个衬垫区段包括面向内部表面，所述面向内部表面在所述离子注入系统的操作期间暴露于所述离子化区域；

阴极屏蔽，布置在所述阴极周围；

排斥极，与所述阴极相分离；

板，包括用于从离子源室释放离子的源孔；

其中，所述排斥极、所述衬垫区段、所述阴极屏蔽、所述板或限定源孔的板中的插入件中的至少一个包括碳化硅，其中，碳化硅是化学式为SiCx的非化学计量烧结材料，其中，x从

1.1到1.45。

2.根据权利要求1所述的离子源室，其中，所述源孔是狭缝。

3.根据权利要求1所述的离子源室，其中，所述碳化硅是涂层。

4.根据权利要求1所述的离子源室，其中，所述碳化硅是单片结构。

5.根据权利要求1所述的离子源室，其中，非化学计量烧结的碳化硅被配置为提供小于

10ohm-cm的电阻率。

6.根据权利要求1所述的离子源室，其中，非化学计量烧结的碳化硅被配置为提供小于

2.0ohm-cm的电阻率。

7.根据权利要求1所述的离子源室，其中，非化学计量烧结的碳化硅被配置为提供小于

1.0ohm-cm的电阻率。

8.根据权利要求1所述的离子源室，其中，非化学计量烧结的碳化硅的颗粒尺寸从4微米至10微米。

9.根据权利要求1所述的离子源室，其中，所述衬垫区段的面向内部表面包括碳化硅涂层。

10.根据权利要求1所述的离子源室，其中，所述源孔是椭圆形的。

11.一种离子注入系统，包括：

离子源室；

阴极，位于所述离子源室的一端；以及

排斥极，由与所述阴极直接相对的碳化硅形成，其中，所述碳化硅是化学式为SiCx的非化学计量烧结材料，其中，x从1.1至1.45。

12.根据权利要求11所述的离子注入系统，其中，非化学计量烧结的碳化硅被配置为提供小于10ohm-cm的电阻率。

13.根据权利要求11所述的离子注入系统，其中，非化学计量烧结的碳化硅被配置为提供小于2.0ohm-cm的电阻率。

14.根据权利要求11所述的离子注入系统，其中，非化学计量烧结的碳化硅被配置为提供小于1.0ohm-cm的电阻率。

15.根据权利要求11所述的离子注入系统，其中，非化学计量烧结的碳化硅的颗粒尺寸从4微米至10微米。

16.根据权利要求11所述的离子注入系统，其中，所述离子源室包括：衬垫区段，限定所述室的内部的一个或更多个内壁，其中，每个衬垫区段包括面向内部表面，所述面向内部表面在所述离子注入系统的操作期间暴露于离子化区域，其中，每个衬垫区段包括碳化硅。

17.根据权利要求16所述的离子注入系统，其中，所述包括碳化硅的衬垫区段是涂层。

18.根据权利要求16所述的离子注入系统，其中，所述衬垫区段包括所述碳化硅的单片结构。

19.根据权利要求16所述的离子注入系统，其中，所述阴极还包括：阴极屏蔽，由碳化硅形成并且环绕所述阴极。

20.一种用于离子注入系统的离子源，所述离子源包括：离子化区域；以及

一个或更多个表面，暴露于所述离子源内的离子化区域，其中，所述一个或更多个表面包括碳化硅，其中，碳化硅是具有超额碳的非化学计量烧结材料。

21.根据权利要求20所述的离子源，其中，所述具有超额碳的碳化硅的化学式为SiCx，其中，x从1.1至1.45。

22.根据权利要求20所述的离子源，其中，所述一个或更多个表面是从包括以下各项的组中选择的所述离子源的组件：排斥极、衬垫、阴极屏蔽、包括用于从离子源释放离子的源孔的板、限定源室的板中的插入件及其组合。

说明书

针对离子注入系统的降低轨迹金属污染的离子源

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及离子注入系统，更具体地，涉及在离子注入系统中通常使用的类型的降低轨迹金属污染的离子源，所述降低轨迹金属污染的离子源在该离子源的电弧室(arc chamber)中呈现改善的抗腐蚀效果。

背景技术

[0002] 在集成电路制造和平板显示器制造中，将离子注入系统或离子注入机广泛用于用杂质掺杂半导体。在这种系统中，离子源对期望掺杂剂元素进行离子化，所述期望掺杂剂元素以具有期望能量的离子束的形式提取自所述源。然后，将离子束导向工件(例如，半导体晶片)的表面，以便将掺杂剂元素注入所述工件。所述离子束的离子穿透所述工件的表面，以形成具有期望导电性的区域，例如，在晶片中制作晶体管器件的过程中。通常在高真空工艺室中执行所述注入工艺，这样防止由于与剩余气体分子的碰撞而导致离子束消散，并最小化在空气中传播的粒子污染该工件的风险。尽管平板显示器注入机通常不包括质量分析设备，然而典型的离子注入机包括：离子源，用于产生离子束；束线(beamline)，包括用于对离子束进行质量解析的质量分析磁铁；以及目标室，含有所述半导体晶片或是要通过离子束进行注入的其它基板或工件。对于高能注入系统，加速设备可以设置在该质量分析磁铁与该目标室之间，用于将所述离子加速至高能量。

[0003] 熟知的离子源包括等离子体局限室(confinement chamber)，具有用于引入气体以便将所述气体离子化为等离子体的入口孔以及出口孔开口，其中将所述等离子体提取穿过出口孔开口以形成离子束。掺杂气体的一个示例是磷化氢(phosphine)。当磷化氢曝露于能量源时(例如，有能量的电子或是射频(RF)能量)时，该磷化氢可以分解以形成用以掺杂该工件的带正电磷离子(P+)以及经分解的氢离子。一般来说，将磷化氢引入等离子体局限室中，接着将其曝露于电子源，以便产生磷离子与氢离子两者。该等离子体包括用于注入至工件的期望离子以及作为所述解离及离子化工艺的副产物的非期望离子。接着，通过使用含有通电型提取电极的提取装置，经由出口开口将所述磷离子与所述氢离子提取为离子束。源气体所包括的其它典型掺杂剂元素的示例包括：磷(P)、砷(As)或硼(B)等。

[0004] 注入离子的剂量及能量根据特定应用所需的注入而改变。离子剂量控制针对特定半导体材料的注入离子的浓度。通常，将高电流注入机用于高剂量注入；而将中电流注入机用于较低剂量应用。离子能量用于控制半导体器件中的结深度，其中，粒子束中的离子的能量水平确定注入离子的深度程度。持续地朝越来越小的半导体器件发展的趋势需要用于以低能量来传送高束电流的束线构造。高束电流提供必要的剂量水平，而低能量允许较浅的注入。此外，持续地朝更高设备复杂性发展的趋势需要谨慎控制在该工件上扫描的注入波束的均匀性。

[0005] 该离子源中的离子化工艺是通过激发电子而实现的，其中所述电子接着会撞击该离子源室内的可离子化材料。之前，已通过使用受热阴极或RF激发天线来实现这种激发。对阴极进行加热以便发射电子，随后所述电子被加速至离子化工艺所需的足够能量；而RF天线产生电场，所述电场将等离子体电子加速至用于维持该离子化工艺所需的足够能量。该天线可以暴露在该离子源的等离子体局限室内；或可以位于该等离子体室外部，经由介质窗分隔。该天线由RF交流电流来供能，其中RF交流电流在该等离子体局限室内诱发时变磁场。该磁场转而在由源室内的自然生成的自由电子占据的区域中诱发电场。这些自由电子由于该诱发电场而加速并且撞击该离子源室内的可离子化材料，从而在该离子室内引起等离子体电流，所述等离子体电流通常与该天线中的电流平行并与其方向相反。然后，可通过位于小型出口开口周围的一个或更多个可供能提取电极来从等离子体室提取离子，以便提供较小横截面(相对于工件的尺寸)的离子束。

[0006] 批量离子注入机包括旋转圆盘支撑件，用于使多个硅晶片移动通过该离子束。随着支撑件旋转所述晶片通过离子束，离子束会撞击晶片表面。

[0007] 连续注入机每次处理一个晶片。将所述晶片支撑在晶匣(cassette)中，且每次取出一个晶片并将其放置在支撑件上。然后，使晶片的方向布置为注入方向，使得离子束撞击单个晶片。这些连续注入机使用波束成形电子组件来使该波束偏离其初始轨道，且所述连续注入机通常与协同晶片支撑件移动结合使用，以选择性地掺杂或处理整个晶片表面。

[0008] 产生用于现有注入机的离子束的离子源通常被称作电弧离子源(arc ion source)，且可以包括用于产生被塑形成适于晶片处理的离子束的离子的加热细丝阴极。Sferlazzo等人的美国专利No.5,497,006涉及一种离子源，具有阴极，该阴极由基底支撑并且相对气体局限室布置，以便将离子化电子射入该气体局限室。‘006专利的阴极是管状导电主体与端帽(endcap)，部分延伸至该气体局限室。细丝被支撑在该管状主体内，并经由电子轰击发出对该端帽进行加热的电子。然后，被加热的端帽以热离子的方式将所述离子化电子发射到该气体局限室。

[0009] Cloutier等人的美国专利No.5,763,890同样公开了一种用于离子注入机的电弧离子源。该离子源包括具有导体室臂的气体局限室，其中所述导体室臂界定气体离子化区。气体局限室包括出口开口，以便让离子离开该室。基底将该气体局限室相对用于根据从该气体局限室出射的离子形成离子束的结构布置。

[0010] 目前限定该离子源室的材料通常包括：防火的金属和/或石墨，其中，比较常用的防火金属包括钨、钼、钽等。当离子化基于氟的化合物(例如，BF3、GeF4、SiF4、B2F4)和/或基于氧的化合物(例如，CO以及CO2)时，这些材料发生腐蚀，这样会明显缩短这些材料的寿命并在离子注入期间不利地引进杂质。例如，含氟化合物的离子化会产生F-，其中F-可能与含有目前所用的防火金属(钨、钼、钽、石墨等)的暴露表面发生反应。例如，当暴露于F-离子时，可能形成MoFx、WFx、TaFx等，其中，在大多数实例中，x为1至6的整数。这些材料本身有腐蚀性，且在该室内存在这些腐蚀性材料还可能传播卤素循环(halogen cycle)，在所述卤素循环中，这些材料可能沉积在该离子源室里面，使得明显缩短这些组件的操作寿命。当对基于氧的化合物(例如，CO以及CO2)进行离子化时，对应防火氧化物的形成同样可能导致腐蚀该离子源室内的离子源组件(所述组件包括但不限制于，阴极、衬垫、阴极屏蔽(即，阴极排斥极)、排斥极(即，反阴极)、源孔狭缝(即，离子源光学板)等)，从而缩短操作寿命并需要替换。

[0011] 除了上述影响操作寿命的腐蚀问题之外，当暴露于已离子化的氟和/或氧物质时所产生的防火金属氟化物和/或防火金属氧化物本身经常挥发。不幸地是，这些挥发性化合物会连同所述期望掺杂离子一起被传输至正在进行处理的基板，这样直接影响设备性能和产量。

[0012] 因此，在离子注入系统中需要改善的离子源室组件，其中，所述改善要提供与目前所用的材料(例如，基于钨的、基于钼的、以及基于类似防火金属的材料)相同或更佳的性能，且在处理期间大体上为惰性，以便提供延长的操作寿命，而不会产生会影响设备性能和产量的挥发性化合物。

发明内容

[0013] 本文公开了一种用于离子注入系统的降低轨迹金属污染的离子源。在一个实施例中，提供了一种用于离子注入系统的离子源室，所述离子源室包括：外壳，至少部分地界定离子化区域，高能电子会从阴极移动穿过所述离子化区域，以对注入所述外壳内部的气体分子进行离子化；衬垫区段，限定所述外壳内部的一个或更多个内壁，其中每个衬垫区段包括面向内部表面，所述面向内部表面在所述离子注入系统的操作期间暴露于所述离子化区域；阴极屏蔽，布置在所述阴极周围；排斥极，与所述阴极相分离；板，包括用于从离子源室释放离子的源孔；其中，该排斥极、该衬垫区段、该阴极屏蔽、该板、或是限定该源孔的板中的插入件中的至少一个包括碳化硅，其中，该碳化硅系化学式为SiCx的非化学计量烧结材料，其中，x在1.1至1.45的范围之中。

[0014] 在另一实施例中，提供了一种离子注入系统，包括：离子源室；阴极，位于所述离子源室的一端；以及排斥极，由与所述阴极直接相对的碳化硅形成，其中所述碳化硅是化学式为SiCx的非化学计量烧结材料，其中x的范围从1.1至1.45。

[0015] 在又一实施例中，提供一种用于离子注入系统的离子源，该离子源包括：离子化区域；以及一个或更多个表面，暴露于所述离子源内的离子化区域，其中所述一个或更多个表面包括碳化硅，其中，碳化硅是具有超额碳的非化学计量烧结材料。

[0016] 参考对本公开各种特征的下面详细描述以及其中所包括的示例，可以更容易理解本公开。

附图说明

[0017] 现将参考附图，附图中，相同的组件用相似的附图标记来表示：

[0018] 图1是用于对工件(例如，安装在旋转支撑件上的硅晶片)进行离子束处理的离子注入系统的示意图；

[0019] 图2是根据本公开的离子源的透视图；

[0020] 图3是根据本公开的离子源室的截面图；以及

[0021] 图4是从由图3中的线4-4限定的平面所看见的截面图。

具体实施方式

[0022] 本文公开了一种离子注入系统，所述离子注入系统向离子源室提供改善的抗腐蚀性。该离子注入系统大体上包括以类似大小的碳化硅(SiC)组件来替换该离子源室内的防火金属组件和/或石墨组件中的一个或更多个。适合在本公开中使用的碳化硅是化学式为SiCx的非化学计量导电烧结的碳化硅，其中，x为碳与硅的摩尔比并含有超额的碳，超额的碳可以呈现为石墨、非晶碳、或是它们的混合物。在大部分实施例中，x大于1，通常大于约1.1，但小于约1.45。在某些实施例中，碳的摩尔比可以超过1.45；然而，在这些实施例中，机械特性可能会成为该特殊离子源室组件的考虑。在大部分实施例中，颗粒尺寸通常从4微米至10微米。

[0023] 可以根据美国专利No.5,594,963来制造适合的非化学计量导电烧结的碳化硅，其中以引用的方式将该申请合并于此。也可以从Saint Gobain Ceramics购买商品名称为SG的商业可用的适合SiC，所述适合的SiC是没有自由硅金属的非化学计量导电烧结的碳化硅。

[0024] 有利的是，在离子源室中使用SiC组件为那些组件提供改善的抗腐蚀性；且同样有利的是，该SiC还可以配置为提供适合离子注入的导电性。通过比较，所报导的SiC的氧化速率在1200℃下为0.045gm/120个小时，该值明显优于石墨的所报导的氧化速率(从650℃开始并且所报导的在1000℃下的氧化速率为每分钟0.069gm(0.069gm/min))；以及钨的氧化(所报导的氧化速率在1300℃下为5E-8cm/sec，该值在约10-3托的压力下的干燥氧气中转变成约5埃/秒或是每小时1.8微米)。SiC的电阻率通常小于10ohm-cm。在许多情况下，尤其是在超额碳数额接近最大允许数额的情况下，或在目标物的密度处于或靠近该材料的理论密度的情况下，电阻率将小于(通常不大于)约2.0ohm-cm。在再一实施例中，选择该非化学计量的碳化硅的碳含量以便提供小于1.0ohm-cm的电阻率。上述导电性使得其DC磁控溅镀速率约为铝的一半。相较于其它材料，本文所述的碳化硅还提供卓越的导热性。

[0025] 除了显著改善的抗氧化性之外，碳化硅的使用减少当钨、钽、石墨、钼暴露于富含能量的氟离子或氧离子时观察到的挥发性化合物的产生。如背景技术部分所述，钨可以形成挥发性的氟化钨、氧化钨等，所述氟化钨、氧化钨等可以在离子注入工艺期间被传输至基板。类似地，可以形成氟化钼和氧化钼，并随后将其传输至基板。因为碳化硅晶格结构没有自由硅，所以显著减少当暴露于诸如氟及氧的离子时产生的挥发性化合物。碳化硅可以是涂层的形式或形状为在离子源室中使用的组件的单片结构。

[0026] 应注意，该特定的离子注入系统并非用于进行限制，只要该系统包括离子源室即可。例如，适合的离子注入系统可以是高电流或中电流系统。高电流系统通常用于低能量和/或高剂量应用，通常操作在60或80keV到200eV。中电流系统用于较低剂量应用并且有最宽的能量范围，该能量范围通常为约900keV至2keV。

[0027] 现参考附图，图1示出了一种示例性离子束注入系统10的示意图。该注入机包括离子源12，用于产生形成离子束14的离子，其中对离子束14进行整形并且选择性地进行偏转，以便横穿波束路径到达端站或注入站20。该注入站包括限定内部区域的真空室或注入室22，将工件24(例如，半导体晶片)布置在所述内部区域中以便用构成离子束14的离子进行注入。被示意性地示为控制器41的控制电子组件用于监视和控制由工件24接收的离子剂量。经由位于端站20附近的用户控制台26来执行对控制电子组件的操作者输入。当波束横穿所述源与所述注入室之间的区域时，该粒子束14中的离子趋于发散。为降低这种发散性，由一个或更多个真空泵27将该区域维持在低压下。

[0028] 离子源12包括：等离子体室，限定源材料所注入的内部区域。所述源材料可以包括可离子化气体或已气化的源材料。离子束提取装配28从等离子体室提取在该室中产生的离子，其中离子束提取装配28包括若干个金属电极，用于产生离子加速电场。

[0029] 沿着波束路径16布置分析磁铁30，其中分析磁铁30使离子束14弯曲并引导离子束穿过波束挡板32。在通过该波束挡板32之后，波束14通过令波束14聚焦的四极透镜系统(quadrupole lens system)36。然后，该波束通过由控制器41来控制的偏转磁铁40。控制器41向磁铁40的导体线圈提供交流信号，磁铁转而令离子束14反复偏转或是以数百赫兹的频率在两侧之间扫描。在一个已公开的实施例中，使用从200至300赫兹的扫描频率。这种偏转或两侧之间的扫描产生较薄的、扇形带状离子束14a。

[0030] 在该扇形带状波束内的离子在离开磁铁40之后遵循发散路径。所述离子进入平行化磁铁42，在平行化磁铁42中，组成波束14a的离子再次弯折不同量，使得它们沿着大体上平行的波束路径移动离开该平行化磁铁42。然后，所述离子进入能量滤波器44，能量滤波器44由于离子的电荷而将所述离子向下偏转(图1中的y方向)。这样去除在进行上游波束成形期间已进入该波束的中性粒子。

[0031] 离开该平行化磁铁42的离子束14a是剖面基本上形成超窄矩形的离子束，也就是，在一个方向中延伸的波束，例如，垂直范围受限(例如，约1/2英寸)且在正交方向上的范围由于该磁铁40引起的扫描或偏转而向外增加宽，以便完全覆盖工件(例如，硅晶片)的直径。

[0032] 一般来说，带状离子束14a的范围足以在进行扫描时注入工件24的整个表面。假设工件24的水平尺寸为300mm(或直径300mm)。磁铁40将使该波束偏转，使得在该波束撞击注入室22内的工件24的注入表面时，该带状离子束14a的水平范围将至少为300mm。

[0033] 工件支撑结构50在注入期间支撑工件24并相对于该带状离子束14移动工件24(在y方向中上下移动)，使得工件24的整个注入表面均匀地注入离子。由于注入室内部区域被排空，工件必须经由取样室60进入并离开所述室。安装在该注入室22内的机械臂62自动将晶片工件移向和移出取样室60。在图1中的取样室60中，将工件24示出在水平位置。该手臂通过旋转工件24经过拱形路径，来将工件从取样室60移向支撑件50。在注入之前，工件支撑结构50将工件24旋转到垂直或接近垂直的位置以便注入。如果工件24是垂直的，也就是，相对于离子束14为垂直，则在离子束与工件表面的法线之间的注入角或入射角为0度。

[0034] 在典型注入操作中，由两个机器人80、82之一从许多晶匣70-73之一获取未被掺杂的工件(通常为半导体晶片)，所述机器人将工件24移向定向器84，在所述定向器中，将工件24转向特定方向。机械臂获取已定向的工件24并将其移到取样室60中。取样室关闭并被抽吸至期望的真空，然后向注入室22中打开。机械臂62抓取该工件24，将其带入注入室22内，并将其放置在工件支撑结构50的静电钳或夹头上。将静电钳通电以便在注入期间固定工件
24。于1995年7月25日授予Blake等人的美国专利No.5,436,790以及于1995年8月22日授予Blake等人的美国专利No.5,444,597公开了适合的静电钳，上述专利均已受让给本发明的受让人。本文以引用的方式将’790专利与’597专利二者的相应内容合并于此。

[0035] 在工件24的离子束处理之后，工件支撑结构50将工件24送回水平位置，将静电钳断电以便释放该工件。手臂62在这种离子束处理之后握住该工件24，并将其从支撑件50移回至取样室60。根据备选的设计，取样室具有单独排空并加压的顶部区和底部区，在该备选实施例中，在注入站20处的第二机械臂(未示出)握住已注入的工件24并将其从注入室22移回至取样室60。所述机器人之一的机械臂将已注入的工件24从取样室60移回到所述晶匣70-73之一，最典型地，移回到其刚开始被取出的晶匣。

[0036] 如图2中所示，离子产生源12包括由具有手柄114的凸缘112支撑的源块110，通过所述手柄，可以从注入机移除所述源12。源块110支撑大体上以120示出的等离子体电弧室。高密度等离子体电弧室120在板128中具有细长的、通常为椭圆形的出口源孔126，离子经由该出口源孔126离开该源。Benveniste等人的美国专利No.5,026,997公开了涉及现有技术的离子源的其他细节，该专利已受让给本发明的申请人，且本文以引用的方式将该专利合并于此。当离子从该电弧室120迁移时，由于相对于出口孔布置的波束提取装配所建立的电场，离子加速远离室120。

[0037] 在Ed.W.Kunkel所著并由MacGraw-Hill在1966出版的“Plasma Physics in Theory and Application”教科书中限定了电弧离子源，应注意，eVc

[0038] 源磁铁(未示出)环绕等离子体电弧室120，以便将所述等离子体生成电子局限在该室120中的严格受限的行进路径。源块110限定容纳气化烤箱(vaporizer oven)的腔体，所述气化烤箱充满可气化的固体(例如，砷)，其中将所述固体气化为气体并接着经由传送喷嘴将其注入等离子体室中。

[0039] 如图3与4清楚所示，等离子体电弧室120是细长的、经过加工的防火金属或石墨区块，限定了内部离子化区域R，其中该区域由两个细长侧壁130a、130b、顶部壁与底部壁130c、130d、后壁130e和邻接该离子化区域R的前板128来界定。碳化硅制成的内部衬垫区段
133、135、137、139布置在所述壁的周围。尽管未示出，然而衬垫区段覆盖后壁130e。前板128可以包括衬垫，衬垫具有向内面向由碳化硅形成的离子化区域R的表面。备选地，前板本身可以由碳化硅形成或具有碳化硅涂层。另外，前板128可以包括限定源孔126(参见图2)的插入件，其中根据本公开，所述插入件由碳化硅形成。支撑电弧室120的支撑凸缘132向外延伸靠近源块的前方。

[0040] 针状物140延伸穿过凸缘132的角边开口，以便支撑板128并布置出口孔126。弹簧(未示出)对板加压，以便使其与电弧室接合。由传送管142将气化的材料从支撑块110注入至等离子体电弧室120的内部，其中传送管经由附接至该电弧室一侧的气体连接歧管143将气化的材料传送至室内部。备选地，可以经由室的后壁130e中的埠口或开口(未示出)将气体直接传送至电弧室内部区域R。在这种备选布局中，喷嘴(未示出)邻接这种开口并从位于离子源外部的源或供应器将气体直接注入电弧室。

[0041] 端壁130c与衬垫137限定开口144，该开口的大小允许阴极124延伸进入等离子体电弧室的内部，而不会接触限定该开口144的室壁130c或衬垫137。阴极124由绝缘型安装块150支撑，该绝缘型安装块150相对支撑阴极124的电弧室的末端，被附着到源块110。能够装入开口144的阴极主体被安装到由绝缘型安装块150支撑的石墨金属安装板152。绝缘块150通常是由99％的氧化铝(Al2O3)构成的细长的陶瓷电绝缘块。

[0042] 阴极主体由三个金属部件构造而成。阴极124的外侧管状部件由钼合金材料制成，并具有邻接安装板152的下端。内侧管状部件同样由钼合金材料制成，并具有被螺纹旋入安装板152中的螺纹状开口的螺纹状下端部。所述管状部件通常为圆柱形。阴极124的端盖部154是导电的，且通常由钨材料制成。盖部154安装在所述管状部件之一的一端的埋头孔(counterbore)中。埋头孔有向内延伸的脊部，其内径略小于盖部154的直径。在装配阴极
124期间，盖部被按压安装到管状部件，并在离子注入机10的操作期间被摩擦固定。选择所述内侧管状部件与外侧管状部件的长度，使得端盖部154向上延伸超过外侧管状部件的末端，进入电弧室。

[0043] 两个导电安装臂170、171在阴极124内部支撑细丝178。所述臂部170、171经由穿过所述臂部的连接器172被直接附着到绝缘块150，以便接合块150中的螺纹状开口。导电钳173、174被耦接至细丝，并且由通过与所述臂部相连的电学馈送的信号来供能。

[0044] 两个钳将钨质细丝178固定在由阴极的最内侧管状部件所限定的腔体中。细丝178由钨线制成，其中弯曲该钨线以便形成螺旋状环圈。细丝178的端部由钽质脚支撑，所述钽质脚经由钳173、174保持电学接触两个臂部170、171。阴极屏蔽153环绕阴极124。阴极屏蔽可以由碳化硅形成。

[0045] 当钨线细丝178由于在两个臂部170、171之间施加电势差而被供能时，该细丝发射电子，所述电子朝阴极124的盖部154加速并且撞击盖部154。当盖部154由于电子撞击而被充分加热时，它便会发射电子至电弧室的内部，电子接着撞击气体分子并且在电弧室内产生离子。产生离子等离子体，且这种等离子体中的离子从开口126离开，以形成离子束。盖部154保护细丝以避免接触该室中的离子等离子体，并延长细丝的寿命。

[0046] 由阴极124产生的被发射至电弧室中但没有与气体离子化区中的气体分子相接合的电子移动到排斥极180附近，所述排斥极180包括头部184以及躯干部182。排斥极180将电子偏转回到气体离子化区域R中，以便使之接触气体分子。排斥极180通常由钼或钨制成，并与等离子体电弧室120的壁部130d分隔有一间隙，该间隙由内径大于排斥极躯干182的外径的圆柱形开口183限定。因此，阴极124与排斥极180两者均与电弧室壁部电学隔离。在本公开中，该排斥极可以由碳化硅形成。

[0047] 室120的壁部被保持为局部接地或连接参考电势。将包括阴极端盖部154的阴极保持在如下电势下：小于所述室壁部的局部接地的50伏-150伏的电势。经由电力馈线将这种电势耦接至板152，以便将电导体附着至支撑阴极的板152。通常将细丝178保持在小于端盖部154电压的200伏-600伏的电压下。介于细丝与阴极之间的较大电压差向离开该细丝的电子提供高能量，所述能量足以加热端盖部154并且以热离子的方式将电子发射至室120。排斥极180在阴极电势下，这是由于金属带将两个装配连接至共同的DC电源；作为备选方案，排斥极180可以连接至单独的DC电源并且被设定为单独的电压电平。

[0048] 在本公开中，限定离子源室120的内部表面的衬垫中的一个或更多个是由碳化硅形成的。这包括但并不限制于以下离子源室组件中的至少一个或更多个：阴极屏蔽153、排斥极180、顶端区段133、底部区段135、侧边区段137以及衬垫区段139、板、保护该板的衬垫区段和/或限定电弧开口126的板的一部分。相对于限定电弧开口126的板128的一部分，可以运用两件式构造来最小化成本，其中包括开口126的插入件附着到该板。尽管未示出，然而覆盖向后的壁部130e的衬垫区段同样可以由碳化硅来形成。

[0049] 为了更容易礼节本发明，参考以下示例，其中所述示例旨在解释本发明，而并非限制本发明的范围。

[0050] 示例

[0051] 在该示例中，在具有钨质排斥极的Axcelis Technologies,Inc.市售的Optima HDx离子注入系统中以及在用相同尺寸的碳化硅排斥极代替该钨质排斥极的相同离子注入系统中，测量BF2 14keV高剂量注入物的表面金属污染。SiC为Hexoloy SG。以14mA的束电流向具有200埃的热生长氧化物的裸晶片注入5x1015个离子/cm2的剂量。所述BF2离子是根据BF3产生的。钨质排斥极和碳化硅排斥极两者的所有其它测试参数完全相同。在每次样品试产(sample run)之前，将离子源室暴露于高功率氩气波束30分钟。通过使用气相分解感应耦合等离子体质谱仪(VPD ICP-MS)来测量表面污染。以下将测量结果显示在表1中。

[0052] 表格1

[0053]

[0054] 如上面所示，根据本公开，通过用碳化硅排斥极代替市售离子注入系统中的钨质排斥极，将表面污染显著减少约86％。

[0055] 本说明书使用多个示例(包括本发明的最佳模式)来公开本发明和能够使本领域技术人员制造与使用本发明。本发明的可专利范围是由权利要求来限定的，且可以包括对于本领域技术人员而言显而易见的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构组件，或如果这些其它示例包括与权利要求的字面语言没有实质差别的等效结构组件，则上述其他实例均在权利要求的范围内。