CN104425198B - 离子源以及离子注入装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种离子源以及离子注入装置，所述离子源具有真空室，所述真空室包括：等离子体形成容器；第一阴极，设置在所述等离子体形成容器的一侧面，用于放出电子；第一旁热式阴极，所述第一阴极放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器；第二阴极，设置在与所述第一阴极相对的所述等离子体形成容器的侧面，用于放出电子；第二旁热式阴极，所述第二阴极放出的电子碰撞所述第二旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器。本发明的离子源，当所述第一阴极或第二阴极损坏时，只需改变所述第一阴极和第二阴极的通电方式，就可以使所述离子源继续产生等离子体，避免打开真空室进行维护，从而提高产能。

Description

离子源以及离子注入装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种离子源以及离子注入装置。

背景技术

离子束薄膜沉积和离子束材料改性是材料科学新兴发展起来的一个重要分支，离子束技术的研究和推广已取得了巨大的成就，其标志之一是离子注入半导体掺杂已成为超大规模集成电路微细加工的关键工艺。其中，离子源是产生所需离子的关键部件。

图1为现有技术中离子源的示意图，如图1所示，现有技术中的离子源100包括一真空室110，真空室110位于支撑盘120上。真空室110内具有用于产生离子的等离子体形成容器130，通过气体导入管140从真空室110外向等离子体形成容器130导入可电离气体。

此外，如图2所示，现有技术中等离子体形成容器130的一侧面中具有用于放出电子的第一阴极131，在第一阴极131的正负极之间接入直流工作电压V1，使电流流过第一阴极131，对第一阴极131进行加热，从第一阴极131放出电子。第一旁热式阴极132设置于第一阴极131旁，并使第一旁热式阴极132连接更正的电位(一般要再接入一直流工作电压V2)，将所述第一阴极131放出的电子拉向第一旁热式阴极132，并碰撞所述第一旁热式阴极132。当所述第一阴极131放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极132时，所述第一旁热式阴极132被加热，并从所述第一旁热式阴极132放出更多的电子，进入所述等离子体形成容器130内部。

等离子体形成容器130的壁面上具有至少一气体进入口135，气体进入口135连接气体导入管140。以向等离子体形成容器130导入可电离气体，如磷化氢、三氟化硼等。当电子进入所述等离子体形成容器130后，与所述可电离气体碰撞，引起可电离气体的电离，在所述等离子体形成容器130内生成等离子体。最终，所述等离子体从开口部136流出。

在与所述第一阴极131相对的所述等离子体形成容器130的侧面设置有一反射电极137，所述反射电极137的电位与第一旁热式阴极132的电位相同，以反射电子，从而提高可电离气体与电子碰撞的效率。

但是，在现有技术中，第一阴极131一般为灯丝，在工作过程中，所述灯丝很容易消耗，造成灯丝的接力能力变差，或者断线，则必须停止离子源工作，打开真空室110，以进行维护，从而影响产能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种离子源以及离子注入装置，能够提高离子源的使用时间，从而提高产能效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种离子源，所述离子源具有一真空室，所述真空室包括一等离子体形成容器，所述等离子体形成容器包括：

两个相对的侧面；

第一阴极，设置在所述等离子体形成容器的一侧面中，用于放出电子；

第一旁热式阴极，所述第一阴极放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器；

第二阴极，设置在所述等离子体形成容器的另一侧面中，用于放出电子；

第二旁热式阴极，所述第二阴极放出的电子碰撞所述第二旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器。

进一步的，在所述离子源中，所述第一阴极通电，所述第二阴极不通电；或，所述第二阴极通电，所述第一阴极不通电。

进一步的，在所述离子源中，所述离子源还具有一电源连接端，所述电源连接端具有第一阴极接入端、第一阴极接出端、第二阴极接入端以及第二阴极接出端，所述第一阴极接入端和第一阴极接出端分别连接第一阴极的正极和负极，所述第二阴极接入端和第二阴极接出端分别连接第二阴极的正极和负极；当在所述第一阴极接入端和第一阴极接出端施加工作电压时，所述第一阴极通电，当在所述第二阴极接入端和第二阴极接出端施加工作电压时，所述第二阴极通电。

进一步的，在所述离子源中，所述电源连接端还具有第一旁热式阴极连接端和第二旁热式阴极连接端，所述第一旁热式阴极连接端和第二旁热式阴极连接端分别连接所述第一旁热式阴极和第二旁热式阴极。

进一步的，在所述离子源中，所述电源连接端设置于所述真空室的外部。

进一步的，在所述离子源中，所述第一旁热式阴极和第二旁热式阴极的电位相等。

进一步的，在所述离子源中，所述第一旁热式阴极和第二旁热式阴极的电压均为300V～600V。

进一步的，在所述离子源中，所述等离子体形成容器具有两个相对的壁面，所述壁面与所述侧面垂直设置，所述离子源还包括一气体进入口和一开口部，所述气体进入口设置于所述等离子体形成容器的一壁面中，为所述等离子体形成容器提供可电离气体，所述开口部位于所述等离子体形成容器的另一壁面中。

进一步的，在所述离子源中，所述第一旁热式阴极为一端开口的筒状，所述第一阴极设置于所述第一旁热式阴极的内部。

进一步的，在所述离子源中，所述第一旁热式阴极间隙置于所述等离子体形成容器的侧面中，所述间隙为3mm～5mm。

进一步的，在所述离子源中，所述第二旁热式阴极为一端开口的筒状，所述第二阴极设置于所述第二旁热式阴极的内部。

进一步的，在所述离子源中，所述第二旁热式阴极间隙置于所述等离子体形成容器的侧面中，所述间隙为3mm～5mm。

根据本发明的另一面，本发明还提供一种离子注入装置，包括所述的离子源。

与现有技术相比，本发明提供的离子源以及离子注入装置源具有以下优点：在所述离子源中，具有相对于所述等离子体形成容器对称设置的第一阴极和第二阴极，所述第一阴极和第二阴极旁各自设置有一第一旁热式阴极和一第二旁热式阴极，与现有技术相比，将现有技术中所述反射电极去除，在原来所述反射电极的位置设置所述第二阴极，并在所述第二阴极与所述等离子体形成容器之间设置所述第二旁热式阴极，当所述第一阴极通电时，所述第一阴极发射电子，所述第二阴极不通电，所述第二旁热式阴极可以反射电子，以提高可电离气体与电子碰撞的效率；当所述第一阴极损伤时，不需要停止所述离子源工作，只需将所述第二阴极通电，所述第二阴极发射电子，所述第一阴极不通电，所述第一旁热式阴极可以反射电子，从而可以继续产生等离子体，避免打开真空室进行维护，从而提高产能。

附图说明

图1为现有技术中离子源的示意图；

图2为现有技术中离子源中等离子体形成容器的示意图；

图3为本发明一实施例中离子源的示意图；

图4为本发明一实施例中离子源中等离子体形成容器的示意图；

图5为本发明一实施例中离子源中电源连接端的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的离子源以及离子注入装置进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种离子源，所述离子源具有真空室，所述真空室包括：等离子体形成容器；第一阴极，设置在所述等离子体形成容器的一侧面，用于放出电子；第一旁热式阴极，所述第一阴极放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器；第二阴极，设置在与所述第一阴极相对的所述等离子体形成容器的侧面，用于放出电子；第二旁热式阴极，所述第二阴极放出的电子碰撞所述第二旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器。所述离子源将现有技术中所述反射电极去除，在原来所述反射电极的位置设置所述第二阴极，并在所述第二阴极与所述等离子体形成容器之间设置所述第二旁热式阴极，当所述第一阴极通电时，所述第一阴极发射电子，所述第二阴极不通电，所述第二旁热式阴极可以反射电子，以提高可电离气体与电子碰撞的效率；当所述第一阴极损伤时，不需要停止所述离子源工作，只需将所述第二阴极通电，所述第二阴极发射电子，所述第一阴极不通电，所述第一旁热式阴极可以反射电子，从而可以继续产生等离子体，避免打开真空室进行维护，从而提高产能。

以下列举所述离子源以及离子注入装置的实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

请结合图3-图5，具体说明本发明的离子源。其中，图3为本发明一实施例中离子源的示意图，图4为本发明一实施例中离子源中等离子体形成容器的示意图，图5为本发明一实施例中离子源中电源连接端的示意图。

如图3所示，本发明中的离子源200包括一真空室210，所述真空室210内具有用于产生离子的等离子体形成容器230，较佳的，所述离子源200还包括支撑盘220、气体导入管240等必要的部件，但此为本领域的公知常识，在此不作赘述。

如图4所示，所述等离子体形成容器230具有两个相对的侧面，所述等离子体形成容器230的一侧面具有用于放出电子的第一阴极231，用于放出电子。第一旁热式阴极232设置于所述第一阴极231旁，所述第一阴极231放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极232后，进入所述等离子体形成容器230。第二阴极233设置在与所述第一阴极231相对的所述等离子体形成容器230的侧面，用于放出电子。第二旁热式阴极234设置于所述第二阴极233旁，所述第二阴极233放出的电子碰撞所述第二旁热式阴极234后，进入所述等离子体形成容器230。

在本实施例中，所述第一旁热式阴极232和第二旁热式阴极234均为一端开口的筒状，所述第一阴极231设置于筒状的所述第一旁热式阴极232的内部，所述第二阴极233设置于筒状的所述第二旁热式阴极234的内部。但所述第一旁热式阴极232和第二旁热式阴极234并不限于为一端开口的筒状，所述第一旁热式阴极232和第二旁热式阴极234还可以为板状，设置在所述第一阴极231和第二阴极233的一旁，亦可以被电子碰撞后发出热量，并向进入所述等离子体形成容器230放出电子，亦在本发明的思想范围之内。

其中，所述第一旁热式阴极232间隙置于所述等离子体形成容器230的侧面中，所述间隙W1不宜过大，过大会漏气，降低解离的效率，但所述所述间隙W1也不宜过小，过小会造成所述等离子体形成容器230的侧面与所述第一旁热式阴极232之间短路，所以，所述间隙W1较佳的为3mm～5mm，优选4mm。同理，所述第二旁热式阴极234间隙置于所述等离子体形成容器230的侧面中，所述间隙W2较佳的为3mm～5mm，优选4mm。

所述等离子体形成容器具有两个相对的壁面，所述壁面与所述侧面垂直设置，所述离子源200还包括一气体进入口235和一开口部236，所述气体进入口235设置于所述等离子体形成容器230的壁面，为所述等离子体形成容器提供可电离气体，所述开口部236位于与所述气体进入口235相对的所述等离子体形成容器230的壁面。当电子进入所述等离子体形成容器230后，与所述可电离气体碰撞，引起可电离气体的电离，在所述等离子体形成容器230内生成等离子体，所述等离子体从开口部236流出。

如图4所示，本实施例的所述离子源200将现有技术中所述反射电极去除，在原来所述反射电极的位置设置所述第二阴极233，并在所述第二阴极233与所述等离子体形成容器230之间设置所述第二旁热式阴极234。当所述第一阴极231通电时，所述第二阴极233不通电，在第一阴极231的正负极之间接入直流工作电压V1，使电流流过第一阴极231，对第一阴极231进行加热，从第一阴极231放出电子。第一旁热式阴极232设置于第一阴极231旁，并使第一旁热式阴极232连接更正的电位(一般要再接入一直流工作电压V2)，将所述第一阴极231放出的电子拉向第一旁热式阴极232，并碰撞所述第一旁热式阴极232。当所述第一阴极231放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极232时，所述第一旁热式阴极232被加热，并从所述第一旁热式阴极232放出更多的电子，进入所述等离子体形成容器230内部。此时，所述第二旁热式阴极234连接正电位，以反射电子，以提高可电离气体与电子碰撞的效率。较佳的，所述第一旁热式阴极232和第二旁热式阴极234的电位相等，可以降低电路的复杂程度。优选的，所述第一旁热式阴极232和第二旁热式阴极234的电压均为300V～600V。

当所述第一阴极231损伤时，不需要停止所述离子源230工作，只需将所述第二阴极233通电，所述第一阴极231不通电，在第二阴极233的正负极之间接入直流工作电压V1，使电流流过第二阴极233，对第二阴极233进行加热，从第二阴极233放出电子。第二旁热式阴极234设置于第二阴极233旁，并使第二旁热式阴极234连接更正的电位(一般要再接入一直流工作电压V2)，将所述第二阴极233放出的电子拉向第二旁热式阴极234，并碰撞所述第二旁热式阴极234。当所述第二阴极233放出的电子碰撞所述第二旁热式阴极234时，所述第二旁热式阴极234被加热，并从所述第二旁热式阴极234放出更多的电子，进入所述等离子体形成容器230内部。此时，所述第一旁热式阴极232连接正电位，以反射电子，以提高可电离气体与电子碰撞的效率。

所以，当所述第一阴极231或第二阴极233损坏时，只需改变所述第一阴极231和第二阴极233的通电方式，就可以使所述离子源230继续产生等离子体，避免打开真空室210进行维护，从而提高产能。

较佳的，所述离子源230还具有一电源连接端250，所述电源连接端250用于向所述第一阴极231、第一旁热式阴极232、第二阴极233以及第二旁热式阴极234提供电位。所述电源连接端250设置于所述真空室210的外部。例如，在本实施例中，所述电源连接端250设置于所述支撑盘220背离所述真空室210的一侧，从而实现不打开所述真空室210即可以切换所述第一阴极231和第二阴极233的导电方式。

如图5所示，所述电源连接端250具有第一阴极接入端251、第一阴极接出端252、第二阴极接入端253以及第二阴极接出端254，所述第一阴极接入端251和第一阴极接出端252分别连接第一阴极231的正极和负极，所述第二阴极接入端253和第二阴极接出端254分别连接第二阴极253的正极和负极。当在所述第一阴极接入端251和第一阴极接出端252施加工作电压时，所述第一阴极231通电；或，当在所述第二阴极接入端253和第二阴极接出端254施加工作电压时，所述第二阴极233通电。

所述电源连接端250还具有第一旁热式阴极连接端255和第二旁热式阴极连接端256，所述第一旁热式阴极连接端255和第二旁热式阴极连接端256分别连接所述第一旁热式阴极232和第二旁热式阴极234，以为所述第一旁热式阴极232和第二旁热式阴极234提供电位。

本实施例的所述离子源200可以用于离子注入装置，以对半导体晶圆(wafer)进行离子注入工艺。

综上所述，本发明提供一种离子源以及离子注入装置，所述离子源具有真空室，所述真空室包括：等离子体形成容器；第一阴极，设置在所述等离子体形成容器的一侧面，用于放出电子；第一旁热式阴极，所述第一阴极放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器；第二阴极，设置在与所述第一阴极相对的所述等离子体形成容器的侧面，用于放出电子；第二旁热式阴极，所述第二阴极放出的电子碰撞所述第二旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器。与现有技术相比，本发明提供的离子源具有以下优点：

本发明的离子源以及离子注入装置，将现有技术中所述反射电极去除，在原来所述反射电极的位置设置所述第二阴极，并在所述第二阴极与所述等离子体形成容器之间设置所述第二旁热式阴极，当所述第一阴极通电时，所述第一阴极发射电子，所述第二阴极不通电，所述第二旁热式阴极可以反射电子，以提高可电离气体与电子碰撞的效率；当所述第一阴极损伤时，不需要停止所述离子源工作，只需将所述第二阴极通电，所述第二阴极发射电子，所述第一阴极不通电，所述第一旁热式阴极可以反射电子，从而可以继续产生等离子体，避免打开真空室进行维护，从而提高产能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明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 (12)

1.一种离子源，所述离子源具有一真空室，所述真空室包括一等离子体形成容器，所述等离子体形成容器包括：

两个相对的侧面；

第一阴极，设置在所述等离子体形成容器的一侧面中，用于放出电子；

第一旁热式阴极，所述第一阴极放出的电子碰撞所述第一旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器；

第二阴极，设置在所述等离子体形成容器的另一侧面中，用于放出电子；

第二旁热式阴极，所述第二阴极放出的电子碰撞所述第二旁热式阴极后，进入所述等离子体形成容器；

当所述第一旁热式阴极放出电子时，所述第二阴极不通电，所述第二旁热式阴极反射电子；当所述第二旁热式阴极放出电子时，所述第一阴极不通电，所述第一旁热式阴极反射电子。

2.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述离子源还具有一电源连接端，所述电源连接端具有第一阴极接入端、第一阴极接出端、第二阴极接入端以及第二阴极接出端，所述第一阴极接入端和第一阴极接出端分别连接第一阴极的正极和负极，所述第二阴极接入端和第二阴极接出端分别连接第二阴极的正极和负极；当在所述第一阴极接入端和第一阴极接出端施加工作电压时，所述第一阴极通电，当在所述第二阴极接入端和第二阴极接出端施加工作电压时，所述第二阴极通电。

3.如权利要求2所述的离子源，其特征在于，所述电源连接端还具有第一旁热式阴极连接端和第二旁热式阴极连接端，所述第一旁热式阴极连接端和第二旁热式阴极连接端分别连接所述第一旁热式阴极和第二旁热式阴极。

4.如权利要求2所述的离子源，其特征在于，所述电源连接端设置于所述真空室的外部。

5.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述第一旁热式阴极和第二旁热式阴极的电位相等。

6.如权利要求5所述的离子源，其特征在于，所述第一旁热式阴极和第二旁热式阴极的电压均为300V～600V。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的离子源，其特征在于，所述等离子体形成容器具有两个相对的壁面，所述壁面与所述侧面垂直设置，所述离子源还包括一气体进入口和一开口部，所述气体进入口设置于所述等离子体形成容器的一壁面中，为所述等离子体形成容器提供可电离气体，所述开口部位于所述等离子体形成容器的另一壁面中。

8.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述第一旁热式阴极为一端开口的筒状，所述第一阴极设置于所述第一旁热式阴极的内部。

9.如权利要求8所述的离子源，其特征在于，所述第一旁热式阴极间隙置于所述等离子体形成容器的侧面中，所述间隙为3mm～5mm。

10.如权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述第二旁热式阴极为一端开口的筒状，所述第二阴极设置于所述第二旁热式阴极的内部。

11.如权利要求10所述的离子源，其特征在于，所述第二旁热式阴极间隙置于所述等离子体形成容器的侧面中，所述间隙为3mm～5mm。

12.一种离子注入装置，包括如权利要求1-11中任意一项所述的离子源。