CN104480447A - 一种多功能离子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能离子源，包括弧室腔体，工艺气体被导入其中，在其内部生成等离子体；阳极筒，兼作阳极，安装在弧室腔体内并与其绝缘；热阴极，布置在阳极筒内一侧并与阳极筒和弧室腔体分别绝缘；金属样品，安装在弧室腔体底部，并与弧室腔体相连接；反射极，设置在阳极筒内另一侧并与热阴极相对，它与阳极筒和弧室腔体分别绝缘；源磁场，磁力线沿着热阴极与反射极的连接线。本发明可用于产生从气态到几乎所有金属的各种离子，具备在一个离子源获得大束流气态元素离子束流与固态金属束流的优异性能，降低了需要产生金属离子束流的离子注入机的系统复杂性，简化了离子源的控制与制造成本。

Description

一种多功能离子源

技术领域

本发明涉及半导体器件制造设备，特别是一种多功能离子源。

背景技术

半导体器件制造技术与工艺都非常复杂，离子注入掺杂属于半导体器件制造过程中非常关键的一道工艺。离子注入掺杂工艺与常规热掺杂工艺相比具有高精度的剂量均匀性与重复性，横向扩散小等优点，克服了常规工艺的限制，提高了电路的集成度、速度、成品率和寿命，降低了成本和功耗。随着半导体材料从第一代硅逐步发展到第三代SiC，需要离子注入掺杂工艺掺杂的元素从普通的硼、磷、砷逐步发展的锑、铟、铝等金属元素，硼、磷、砷离子可采用气态化合物在离子源电离获得，但后续的锑、铟、铝离子等一般需要对固态材料进行气化或溅射后电离才能获得。对固态材料进行气化需要高温坩埚及相应的电源与控制系统，气态材料的电源与控制系统独立，造成离子源结构与控制系统都非常复杂，成本高；对固态材料进行溅射的成熟离子源有潘宁源，但是其结构不能与注入机成熟使用的热阴极离子源兼容，同样需要两套系统，且其束流强度受到固有的工作原理限制，难以满足工艺效率提升对束流的需求不断提高，且长时间工作容易因污染而失效，维护频率较高。

具有金属束流的离子注入机也应用到材料改性行业，所需要产生的离子种类多，既有气态元素，也有固态元素，现有的应用的一般都是同时配备热阴极离子源与潘宁源两种离子源，系统成本高，气态与固态转换需要更换离子源，维护操作难度较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种多功能离子源，同时具备普通热阴极离子源如贝纳斯源与溅射型离子源的功能，可用于产生从气态到几乎所有金属的各种离子，具备在一个离子源获得大束流气态元素离子束流与固态金属束流的优异性能，降低需要产生金属离子束流的离子注入机的系统复杂性，简化离子源的控制与制造成本。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多功能离子源，包括：

    弧室腔体，用于导入工艺气体并生成等离子体；

阳极筒，安装在弧室腔体内，且与所述弧室腔体绝缘；

热阴极，为U型结构，所述U型结构的未开口端设置在所述阳极筒内，所述U型结构的开口端两侧依次穿过所述阳极筒和所述弧室腔体一侧，且与所述阳极筒、弧室腔体绝缘；

反射极，与所述热阴极位置相对，所述反射极一端设置在所述阳极筒内，另一端依次穿过所述阳极筒和所述弧室腔体另一侧，且所述反射极与所述阳极筒、弧室腔体绝缘；

金属样品，位于所述阳极筒下方，且与所述弧室腔体底部连接；

源磁场，设置在所述弧室腔体外部两侧，且所述源磁场的磁力线与所述热阴极、反射极中点之间的连线位于同一直线上；

所述阳极筒与阳极电源的正端、弧压电源的正端电连接，所述热阴极U型结构的开口端两侧分别与热阴极电源的正端和负端电连接；所述阴极电源负端与所述反射极电连接；所述弧室腔体、所述阳极电源的负端均接地；所述热阴极电源正端与所述弧压电源负端串联；或者，所述阳极筒与所述弧压电源的正端电连接，所述弧压电源的负端与热阴极电源的正端连接；所述热阴极U型结构的开口端两侧分别与所述热阴极电源的正端和负端电连接；所述热阴极电源的负端与所述反射极电连接；所述弧室腔体、弧压电源负端均接地；

或者：

所述热阴极与所述弧室腔体、阳极筒之间设有阴极；所述阳极筒与阳极电源的正端、弧压电源的正端电连接，所述热阴极U型结构的开口端两侧分别与热阴极电源的正端和负端电连接；所述阴极一端与所述反射极电连接；所述热阴极电源与所述弧压电源之间接有偏置电源；所述阴极另一端接入所述偏置电源正端与所述弧压电源负端之间；所述弧室腔体、所述阳极电源的负端均接地；所述热阴极电源正端与所述偏置电源负端串联；或者，所述阳极筒与所述弧压电源的正端电连接，所述弧压电源的负端与偏置电源的正端连接；所述热阴极U型结构的开口端两侧分别与所述热阴极电源的正端和负端电连接；所述偏置电源的正端与所述反射极电连接；所述热阴极电源与弧压电源之间接有偏置电源，所述阴极一端接入所述偏置电源正端与所述弧压电源负端之间；所述弧室腔体、阳极电源负端均接地。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的结构与现有的贝纳斯离子源、间热式阴极离子源兼容；可通过电源系统的控制，在普通贝纳斯离子源或间热式阴极离子源工作模式与热阴极溅射工作模式之间无缝转换；在普通热阴极离子源工作模式下保持了现有贝纳斯离子源或间热式阴极离子源的所有优异性能，在热阴极溅射工作模式下能获得比现有潘宁源更大的金属离子束流；本发明可用于产生从气态到几乎所有金属的各种离子，具备在一个离子源获得大束流气态元素离子束流与固态金属束流的优异性能，降低了需要产生金属离子束流的离子注入机的系统复杂性，简化了离子源的控制与制造成本。

附图说明

图1热阴极溅射离子源电源连接原理图；

图2间热式阴极溅射离子源电源连接原理图；

图3热阴极溅射离子源电源连接原理图，简化接法；

图4间热式阴极溅射离子源电源连接原理图，简化接法；

图5热阴极溅射离子源具体结构爆炸图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括弧室腔体1；弧室腔体1包括弧室引出板(111)和弧室底板115；所述弧室引出板111下表面、所述弧室底板115上表面四个侧边分别与第一弧室侧板 112、热阴极端侧板113、第二弧室侧板114、反射极端侧板116连接，且所述热阴极端侧板113、反射极端侧板116位置相对；弧室底板115下表面两侧分别与左支撑板11、右支撑板14连接；弧室底板115与第一弧室侧板 112、热阴极端侧板113、第二弧室侧板114、反射极端侧板116之间可通过连接螺钉12连接。弧室腔体可以为长方体，但不限于该形状。

阳极筒2安装在弧室腔体1内，且与所述弧室腔体1绝缘；热阴极3，为U型结构，所述U型结构的未开口端设置在所述阳极筒2内，所述U型结构的开口端两侧依次穿过所述阳极筒2和所述弧室腔体1一侧，且与所述阳极筒2、弧室腔体1绝缘；反射极5与所述热阴极3位置相对，所述反射极5一端设置在所述阳极筒2内，另一端依次穿过所述阳极筒2和所述弧室腔体1另一侧，且所述反射极5与所述阳极筒2、弧室腔体1绝缘；金属样品4位于所述阳极筒2下方，且与所述弧室腔体1底部连接；源磁场6设置在所述弧室腔体1外部两侧，且所述源磁场6的磁力线与所述热阴极3、反射极5中点之间的连线位于同一直线上；

弧室引出板111上开设有引出孔101，所述引出孔101与所述金属样品4位置相对。

弧室底板115上开设有送气孔102。

热阴极3、反射极5与所述阳极筒2、弧室腔体1之间均设有空隙，可以供热阴极3发射的电子通过。

热阴极3与阳极筒2、弧室腔体1分别绝缘，阳极筒2连接阳极电源304的正端，阳极筒2的一端有孔供热阴极3通过，另一端也有孔供反射极5穿过；热阴极3穿过弧室腔体1，连接弧压电源302的负端；热阴极3的两端分别连接热阴极电源301的正负端，同时与反射极5相连；反射极5穿过弧室腔体1和阳极筒2，与弧室腔体1和阳极筒2之间绝缘；反射极5与热阴极3的一端连接，在同一电位。

通过控制阳极电源304的输出，可实现在普通贝纳斯离子源工作模式与热阴极溅射工作模式之间无缝转换：当阳极电源304输出为0V或者短接时，本发明即工作在普通的贝纳斯离子源或间热式阴极离子源模式，可产生气态元素离子；当阳极电源304输出逐渐增大，弧室内的离子对固体样品4的溅射效果越强，本发明即进入热阴极溅射工作模式，可产生固体样品对应的离子。

参照图3，热阴极3与阳极筒2、弧室腔体1分别绝缘，阳极筒2连接弧压电源302的正端，阳极筒2的一端有孔供热阴极3通过，另一端也有孔供反射极5穿过；热阴极3穿过弧室腔体1，连接弧压电源302的负端；热阴极3的两端分别连接热阴极电源301的正负端，同时与反射极5相连；反射极5穿过弧室腔体1和阳极筒2，与弧室腔体1和阳极筒2之间绝缘；反射极5与热阴极3的一端连接，在同一电位。通过控制弧压电源302的输出，可实现在普通贝纳斯离子源工作模式与热阴极溅射工作模式之间无缝转换，弧压电源302偏小时，离子源为普通贝纳斯离子源；弧压电源302输出逐渐增大，弧室内的离子对固体样品4的溅射效果越强，本发明即进入热阴极溅射工作模式，可产生固体样品对应的离子；该离子源与图1中方案相比弧室侧壁损坏较大，并且由于弧压电源302兼作弧压电源与阳极电源两个作用，调节离子源性能比较受限制；优点是可以减少一个源。

如图2，热阴极3、阴极7与阳极筒2、弧室腔体1分别绝缘，热阴极3和阴极7之间也相互绝缘；阳极筒2连接阳极电源304的正端，阳极筒2的一端有孔供热阴极（3）与阴极7通过，另一端也有孔供反射极5穿过；热阴极3穿过弧室腔体1，连接偏置电源303的负端；热阴极3的两端分别连接热阴极电源301的正负端；阴极7将热阴极半包围，连接偏置电源303的正端；反射极5穿过弧室腔体1和阳极筒2，与弧室腔体1和阳极筒2之间绝缘；反射极5与阴极7的一端连接，在同一电位；弧压电源的正端与阳极筒连接，负端与阴极连接。

通过控制阳极电源304的输出，可实现在普通贝纳斯离子源或间热式阴极离子源工作模式与热阴极溅射工作模式之间无缝转换：当阳极电源304输出为0V或者短接时，本发明即工作在普通的贝纳斯离子源或间热式阴极离子源模式，可产生气态元素离子；当阳极电源304输出逐渐增大，弧室内的离子对固体样品（4）的溅射效果越强，本发明即进入热阴极溅射工作模式，可产生固体样品对应的离子；该离子源与方案1相比的优点为灯丝寿命长。

参照图4，热阴极3、阴极7与阳极筒2、弧室腔体1分别绝缘，热阴极3和阴极7之间也相互绝缘；阳极筒2连接弧压电源302的正端，阳极筒2的一端有孔供热阴极（3）与阴极7通过，另一端也有孔供反射极5穿过；热阴极3穿过弧室腔体1，连接偏置电源303的负端；热阴极3的两端分别连接热阴极电源301的正负端；阴极7将热阴极半包围，连接偏置电源303的正端；反射极5穿过弧室腔体1和阳极筒2，与弧室腔体1和阳极筒2之间绝缘；反射极5与阴极7的一端连接，在同一电位；弧压电源302的正端与阳极筒连接，负端与阴极连接。通过控制弧压电源302的输出，可实现在普通贝纳斯离子源或间热式阴极离子源工作模式与热阴极溅射工作模式之间无缝转换：当弧压电源302输出较小时离子源工作在普通贝纳斯离子源模式，可产生气态元素离子；当弧压电源302输出逐渐增大，弧室内的离子对固体样品4的溅射效果越强，本发明即进入热阴极溅射工作模式，可产生固体样品对应的离子；该离子源与图2中方案相比弧室侧壁损坏较大，并且由于弧压电源302兼两个作用，调节离子源性能比较受限制；优点是可以减少一个源。

通过对热阴极加热产生电子，电子在弧压电源的电压所产生的电场作用下向阳极筒加速运动，同时电子受到注入机源磁场的约束，因此电子在向阳极筒运动过程中发生偏转，形成螺旋运动，向反射极前进；弧室腔体的内部空间，包括阳极的中部空间被离子注入机通过弧室腔体的送气孔送入溅射元素气体，一般采用氩气，氩气分子与螺旋运动的电子发生碰撞后被电离，形成氩离子；此时的氩离子处在阳极筒所包围的空间，由于阳极筒连接阳极电源正端，阳极筒所包围的空间处于正的高电位，氩离子在电场的作用下向处于低电位的金属样品或引出孔加速运动，向金属样品运动的氩离子最终碰撞到金属样品表面，溅射出金属样品的金属原子，金属原子以一定的初始速度向阳极筒的中间空间运动，进而与热阴极发射的螺旋运动的电子发生碰撞，电离为带正电的金属离子，金属离子向引出孔加速运动，并被离子注入机的引出电压吸引出弧室腔体，形成金属离子束流；反射极在阳极筒的与热阴极相对的一端产生一个与热阴极具有相同电位的电场，将由热阴极发射的电子在即将到达反射极表面时反射回阳极筒的中部空间，增加了电子最终到达阳极筒的运动路程，提高电子与氩分子、金属原子碰撞的机会，起到提高离子源等离子密度和引出束流的作用。

Claims (6)

1.一种多功能离子源，其特征在于，包括：

    弧室腔体（1），用于导入工艺气体并生成等离子体；

阳极筒（2），安装在弧室腔体（1）内，且与所述弧室腔体（1）绝缘；

热阴极（3），为U型结构，所述U型结构的未开口端设置在所述阳极筒（2）内，所述U型结构的开口端两侧依次穿过所述阳极筒（2）和所述弧室腔体（1）一侧，且与所述阳极筒（2）、弧室腔体（1）绝缘；

反射极（5），与所述热阴极（3）位置相对，所述反射极（5）一端设置在所述阳极筒（2）内，另一端依次穿过所述阳极筒（2）和所述弧室腔体（1）另一侧，且所述反射极（5）与所述阳极筒（2）、弧室腔体（1）绝缘；

金属样品（4），位于所述阳极筒（2）下方，且与所述弧室腔体（1）底部连接；

源磁场（6），设置在所述弧室腔体（1）外部两侧，且所述源磁场（6）的磁力线与所述热阴极（3）、反射极（5）中点之间的连线位于同一直线上；

所述阳极筒（2）与阳极电源（304）的正端、弧压电源（302）的正端电连接，所述热阴极（3）U型结构的开口端两侧分别与热阴极电源（301）的正端和负端电连接；所述阴极电源（301）负端与所述反射极（5）电连接；所述弧室腔体（1）、所述阳极电源（304）的负端均接地；所述热阴极电源（301）正端与所述弧压电源（302）负端串联；或者，所述阳极筒（2）与所述弧压电源（302）的正端电连接，所述弧压电源（302）的负端与热阴极电源（301）的正端连接；所述热阴极电源（301）的负端与所述反射极（5）电连接；所述弧室腔体（1）、弧压电源（302）负端均接地；

或者：

所述热阴极（3）与所述弧室腔体（1）、阳极筒（2）之间设有阴极（7）；所述阳极筒（2）与阳极电源（304）的正端、弧压电源（302）的正端电连接，所述热阴极（3）U型结构的开口端两侧分别与热阴极电源（301）的正端和负端电连接；所述阴极（7）一端与所述反射极（5）电连接；所述热阴极电源（301）与所述弧压电源（302）之间接有偏置电源（303）；所述阴极（7）另一端接入所述偏置电源（303）正端与所述弧压电源（302）负端之间；所述弧室腔体（1）、所述阳极电源（304）的负端均接地；所述热阴极电源（301）正端与所述偏置电源（303）负端串联；或者，所述阳极筒（2）与所述弧压电源（302）的正端电连接，所述弧压电源（302）的负端与热阴极电源（301）的正端连接；所述热阴极（3）U型结构的开口端两侧分别与所述热阴极电源（301）的正端和负端电连接；所述偏置电源（303）的负端与所述反射极（5）电连接；所述热阴极电源（301）与弧压电源（302）之间接有偏置电源（303,），所述阴极（7）一端接入所述偏置电源（303）正端与所述弧压电源（302）负端之间；所述弧室腔体（1）、阳极电源（304）负端均接地。

2.根据权利要求1所述的多功能离子源，其特征在于，所述弧室腔体（1）包括弧室引出板(111)和弧室底板（115）；所述弧室引出板(111)下表面、所述弧室底板（115）上表面四个侧边分别与第一弧室侧板 (112)、热阴极端侧板(113)、第二弧室侧板（114）、反射极端侧板(116)连接，且所述热阴极端侧板(113) 、反射极端侧板(116)位置相对。

3.根据权利要求2所述的多功能离子源，其特征在于，所述弧室引出板(111)上开设有引出孔（101），所述引出孔（101）与所述金属样品（4）位置相对。

4.根据权利要求3所述的多功能离子源，其特征在于，所述弧室底板（115）上开设有送气孔（102）。

5.根据权利要求4所述的多功能离子源，其特征在于，所述弧室底板（115）下表面两侧分别与左支撑板（11）、右支撑板（14）连接。

6.根据权利要求1～5之一所述的多功能离子源，其特征在于，所述热阴极（3）、反射极（5）与所述阳极筒（2）、弧室腔体（1）之间均设有空隙。