CN100590777C - 霍尔型离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍尔型离子源。它的阴极灯丝(1)经灯丝支架(2)和灯丝绝缘座(3)与屏蔽罩上盖(4)固定连接，柱状体阳极(14)上部的内腔为带有一只以上阳极进气口(13)的阳极放电室(12)、下部为内置软铁(16)和磁铁(15)的阳极水冷腔(18)，阳极水冷腔密封法兰(17)与阳极(14)底端间经密封件(20)、螺钉(21)固定连接，其上对应阳极水冷腔(18)两侧处贯通焊接有冷却水进、出水管(10，9)，屏蔽罩(6)经阳极上绝缘垫(5)、阳极下绝缘垫(7)与凸台(23)、阳极水冷腔密封法兰(17)相抵触连接，阳极下绝缘垫(7)中贯通连接有与阳极进气口(13)相接通的进气管(11)。它可用于离子束辅助沉积、清洗和半导体技术中。

Description

霍尔型离子源

技术领域

本发明涉及一种离子源，尤其是霍尔型离子源。

背景技术

霍尔离子源是近年来出现的一种用于离子束辅助沉积、离子束清洗的新设备，它已在薄膜沉积和表面处理中得到了日益广泛的应用，特别适用于薄膜沉积过程中的改性或薄膜特性的增强。利用霍尔效应产生的离子源是一种热阴极离子源，与考夫曼型离子源相比，具有操作方便、机械性能可靠、无需栅极、离子能量低、发散角大、离子束流密度大、分布均匀等特点，在增强硬度、钝化表面、产生优选的晶向和激活表面的化学反应等方面都有着很好的应用前景。目前，人们为了获得霍尔离子源，作了一些尝试和各种努力，如在2004年12月16日公开的美国发明专利申请公开说明书US2004/0251410A1中披露的一种“离子源”。它意欲提供一种利用霍尔效应产生等离子体流的设备。它的构成为在离子源外套中由上至下依次分别置有阴极灯丝、阳极和密封法兰，以及磁铁；其中，阴极灯丝经接线柱固定于离子源外套的上部，阳极为圆柱状，其上部的内腔为阳极放电室、下部置有水冷却室，内腔的底端带有进气口，密封法兰与圆柱状阳极的下部间置有密封件，并经螺钉相固定连接，磁铁被置于密封法兰下部的腔体中。但是，这种离子源存在着不足之处，首先，阴极灯丝位于离子源外套内，其发出的热量难以及时扩散，极易影响等离子体的持续产生，制约了设备效能的充分发挥；其次，进气口位置太低，不利于可离化气体分子或原子与电子的碰撞，降低了气体的离化率，从而限制了等离子体的形成；再次，磁铁距离阳极放电室过远，大大地削弱了磁场的有效作用强度，增大了等离子体形成的难度；最后，密封件为橡胶密封圈，难以达到超高真空密封的级别，不能满足半导体领域中超高真空工作环境的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种产生离子流的效率高，能满足光学领域中离子束辅助沉积、离子束清洗和半导体技术中要求超高真空需要的霍尔型离子源。

所采用的技术方案包括阴极灯丝、位于离子源外套中的阳极和密封法兰，以及磁铁，其中，阳极为柱状体，其上部的内腔为带有进气口的阳极放电室、下部置有水冷却室，密封法兰与柱状体阳极的底端间置有密封件，并经螺钉相固定连接，特别是(a)所说离子源外套为屏蔽罩，所说阴极灯丝经灯丝支架和灯丝绝缘座与屏蔽罩上盖固定连接；(b)所说柱状体阳极带有凸台，所说进气口为阳极进气口，所说阳极进气口为一只以上、且贯通所说柱状体的侧壁后位于所说阳极放电室下部的侧面，所说柱状体下部的水冷却室为阳极水冷腔，所说阳极水冷腔中置有软铁和其上的磁铁；(c)所说密封法兰为阳极水冷腔密封法兰，所说阳极水冷腔密封法兰上对应阳极水冷腔的两侧处分别贯通焊接连接有冷却水进水管和冷却水出水管，所说密封件为金属刀口法兰或金属丝密封圈；(d)所说屏蔽罩分别经阳极上绝缘垫、阳极下绝缘垫与阳极的凸台、阳极水冷腔密封法兰相抵触连接，所说阳极下绝缘垫中贯通连接有进气管，所说进气管的伸入屏蔽罩内的一端与所说阳极进气口相接通。

作为技术方案的进一步改进，所述的柱状体的阳极为圆柱状体；所述的阳极放电室为锥形体或锥形多台阶体或柱状体；所述的阳极放电室为圆锥形体或圆锥形多台阶体或圆柱状体；所述的阳极的表面覆有氮化钛；所述的阳极进气口为均匀分布的8只；所述的软铁经螺钉与阳极水冷腔密封法兰固定连接；所述的螺钉底部的阳极上置有通孔；所述的屏蔽罩的底部为屏蔽罩下盖，所说屏蔽罩下盖经螺钉与屏蔽罩固定连接。

相对于现有技术的有益效果是，其一，阴极灯丝被置于兼作离子源外套的屏蔽罩外，极利于其产生的无用热量在真空中因辐射、对流和传导而迅速地扩散，既大大地减小了其散发的热量对本发明的影响，杜绝了因外套对热量的封闭作用而使本发明整体的温度偏高，影响或压制设备效能的发挥，又避免了过高的温度对被加工物体的不利影响；其二，采用一只以上的阳极进气口，并使其贯通柱状体阳极的侧壁后位于阳极放电室下部的侧面，不仅使进入阳极放电室的气体更加均匀，还因其进气口的位置与在阳极表面附近区域所形成的霍尔电流更加接近，使通过其进入的气体的分子或原子与电子的碰撞概率大大地增加了，极大地提高了气体的离化率，极易于等离子体的形成；其三，磁铁处于紧贴着阳极放电室的阳极水冷腔内，且其底部置有起背面短路作用的软铁，既能使磁铁的磁场得以充分有效地作用于阳极放电室，使同样品质的磁铁在阳极放电室内产生了最多和最密集的磁力线，相对地增加了阳极放电室的磁场强度，尤为增加了阳极放电室侧壁上的磁场强度，极利于在其侧壁上产生高密度的等离子体，又避免了其磁场对其他部件的不利影响或干扰，还因有着冷却水的“滋润”而不会因温度过高而失磁；其四，密封件采用金属刀口法兰或金属丝密封圈，除确保了阳极水冷腔与阳极水冷腔密封法兰间的超高真空密封之外，还由于不存在自身慢性释放气体的难题而使超高真空的持续保持成为易事，完全满足了半导体领域中超高真空工作环境的需要，且还有着更换磁铁便捷的优点；其五，阳极水冷腔密封法兰上对应阳极水冷腔的两侧处分别贯通焊接连接的冷却水进水管和冷却水出水管，使阳极水冷腔内的冷却水得以充分的循环，提高了冷却的效果，杜绝了温度过高对等离子体形成的影响；其六，采用屏蔽罩分别经阳极上绝缘垫、阳极下绝缘垫与阳极的凸台、阳极水冷腔密封法兰相抵触连接，既确定了阴极灯丝与阳极的相对位置，又确保了两者间的电气绝缘，还屏蔽了罩中的阳极和磁铁产生的电磁场对其他部件的不利影响。

作为有益效果的进一步体现，一是阳极采用圆柱状体，使其同时具备了便于加工制造和体积小的特点；二是阳极放电室采用锥形体或锥形多台阶体或柱状体，尤为采用圆锥形体或圆锥形多台阶体或圆柱状体，不仅能满足不同的工艺目的对离子流形态的需求，如需高压大离子流，则可选用锥形体或圆锥形体的阳极放电室，如需低压大离子流，则因其具有能控制离子流立体角的优点，可选用锥形多台阶体或圆锥形多台阶体的阳极放电室，如需离子源束流均匀，则可利用磁场中具有使电子向心移动的圆周分量的特点，选用磁增强形阳极放电室，即柱状体或圆柱状体的阳极放电室，还有着结构简单易于加工的优点；三是阳极表面覆有的氮化钛，使其避免了被等离子体或其它气体的腐蚀，延长了阳极的寿命；四是阳极进气口为均匀分布的8只，使进入阳极放电室的工作气体更加均匀，更易于被离化；五是固定阳极和阳极水冷腔密封法兰的螺钉的底部的通孔，使螺孔中的气体于抽真空的初期时就经其被同时抽出，避免了螺孔中的气体在本发明于超高真空时的放气；六是屏蔽罩下盖经螺钉与屏蔽罩固定连接，使阳极和磁铁被完全地罩住，保证了电磁屏蔽的有效性和完整性。

附图说明

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

图1是本发明的一种基本结构剖面示意图；

图2是图1中的阳极剖面示意图，其中，(a)图为带有锥形体或圆锥形体阳极放电室的阳极剖面示意图，(b)图为带有锥形多台阶体或圆锥形多台阶体阳极放电室的阳极剖面示意图，(c)图为带有柱状体或圆柱状体阳极放电室的阳极剖面示意图。

具体实施方式

参见图1和图2，阴极灯丝1经灯丝支架2和灯丝绝缘座3固定于屏蔽罩上盖4之上。屏蔽罩6中置有阳极14和阳极水冷腔密封法兰17，屏蔽罩6分别经阳极上绝缘垫5、阳极下绝缘垫7与阳极14带有的凸台23、阳极水冷腔密封法兰17相抵触连接，其中，阳极下绝缘垫7中贯通连接有进气管11。阳极14为表面覆有氮化钛的圆柱状体，其上部的内腔为阳极放电室12、下部置有阳极水冷腔18，其中，阳极放电室12为圆锥形体(也可选用圆锥形多台阶体或圆柱状体)，其下部的侧面均匀地分布有8只贯通圆柱状体阳极14侧壁的阳极进气口13，此阳极进气口13与伸入屏蔽罩6内一端的进气管11相接通；阳极水冷腔18中置有软铁16和其上的磁铁15。圆柱状体阳极14的下部与阳极水冷腔密封法兰17间置有密封件20，并经螺钉21相固定连接，其中，密封件20为金属刀口法兰，阳极水冷腔密封法兰17上对应阳极水冷腔18的两侧处分别贯通焊接连接有冷却水进水管10和冷却水出水管9，螺钉21底部的阳极14上置有通孔22。前述的软铁16经螺钉19与阳极水冷腔密封法兰17固定连接。屏蔽罩下盖8经螺钉与屏蔽罩6固定连接。

使用时，只需将本发明置于真空室中，冷却水进水管10或冷却水出水管9与阳极电源、阴极灯丝1与直流或交流灯丝电源电连接，进气管11接所需的工作气体，冷却水进水管10和冷却水出水管9与冷却水源相接即可。若需对某半导体样品进行清洗，则可选工作气体为氩气。本发明的工作过程为，阳极14为正电位，阴极灯丝1被加热至热电子发射出来，这些电子在阳极电场的作用下向阳极14移动，同时这些电子在磁铁15磁场的作用下沿磁力线以螺旋运动方式进入阳极放电室12。氩气经由进气管11、阳极进气口13进入阳极放电室12与电子发生碰撞产生大量的离子和二次电子，产生的二次电子在磁场与电场的共同作用下继续与氩气体进行碰撞，而离子在霍尔电场的作用下被加速并与阴极灯丝1产生的部分电子中和后形成惰性气体等离子体射出本发明，来轰击半导体样品的表面，得到了十分满意的原子清洁表面。由于采用的是金属刀口法兰密封，故提高了系统的真空度，源的本底压力也较低，所以清洗的新鲜表面不易被氧化，提高了半导体器件的成品率。若需进行光学领域中离子束辅助沉积、离子束清洗，则只需选择不同的工作气体、阳极电压、阴极灯丝电流就可同样地得到非常满意的效果。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的霍尔型离子源进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1、一种霍尔型离子源，包括阴极灯丝(1)、位于离子源外套中的阳极(14)和密封法兰，以及磁铁(15)，其中，阳极(14)为柱状体，所说柱状体阳极(14)上部的内腔为带有进气口的阳极放电室(12)、下部置有水冷却室，密封法兰与柱状体阳极(14)的底端间置有密封件(20)，并经第一螺钉(21)相固定连接，其特征在于：

(a)所说离子源外套为屏蔽罩(6)，所说阴极灯丝(1)经灯丝支架(2)和灯丝绝缘座(3)与屏蔽罩上盖(4)固定连接；

(b)所说柱状体阳极(14)带有凸台(23)，所说进气口为阳极进气口(13)，所说阳极进气口(13)为一只以上、且贯通所说柱状体的侧壁后位于所说阳极放电室(12)下部的侧面，所说柱状体下部的水冷却室为阳极水冷腔(18)，所说阳极水冷腔(18)中置有软铁(16)和软铁(16)上的磁铁(15)；

(c)所说密封法兰为阳极水冷腔密封法兰(17)，所说阳极水冷腔密封法兰(17)上对应阳极水冷腔(18)的两侧处分别贯通焊接连接有冷却水进水管(10)和冷却水出水管(9)，所说密封件(20)为金属刀口法兰或金属丝密封圈；

(d)所说屏蔽罩(6)分别经阳极上绝缘垫(5)、阳极下绝缘垫(7)与阳极(14)的凸台(23)、阳极水冷腔密封法兰(17)相抵触连接，所说阳极下绝缘垫(7)中贯通连接有进气管(11)，所说进气管(11)的伸入屏蔽罩(6)内的一端与所说阳极进气口(13)相接通。

2、根据权利要求1所述的霍尔型离子源，其特征是柱状体的阳极(14)为圆柱状体。

3、根据权利要求1所述的霍尔型离子源，其特征是阳极放电室(12)为锥形体或锥形多台阶体或柱状体。

4、根据权利要求3所述的霍尔型离子源，其特征是阳极放电室(12)为圆锥形体或圆锥形多台阶体或圆柱状体。

5、根据权利要求4所述的霍尔型离子源，其特征是阳极(14)的表面覆有氮化钛。

6、根据权利要求1所述的霍尔型离子源，其特征是阳极进气口(13)为均匀分布的8只。

7、根据权利要求1所述的霍尔型离子源，其特征是软铁(16)经第二螺钉(19)与阳极水冷腔密封法兰(17)固定连接。

8、根据权利要求1所述的霍尔型离子源，其特征是第一螺钉(21)底部的阳极(14)上置有通孔(22)。

9、根据权利要求1所述的霍尔型离子源，其特征是屏蔽罩(6)的底部为屏蔽罩下盖(8)，所说屏蔽罩下盖(8)经第三螺钉与屏蔽罩(6)固定连接。

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