CN105702546A - 采用固态掺杂剂的离子源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用固态掺杂剂的离子源装置，其包括电弧腔体，以及气化装置和输送保持装置，该气化装置用于使固态掺杂剂气化成原料气体，该输送保持装置用于输送该原料气体至该电弧腔体中，并将该电弧腔体的温度控制在一第一范围内以避免该原料气体凝华，该输送保持装置由绝缘材料制成，该原料气体用于通过电离产生第一等离子体，其中，该电弧腔体被抬高至一预设电位，该气化装置和该输送保持装置均位于大地电位上。该气化装置并未被置于高压端，而是在大地电位上工作的，由此提高了操作的安全性。另外，通过输送保持装置对原料气体气相的保持，即使气化装置并未被置于电弧腔体中也不会发生原料气体凝华的现象。

Description

采用固态掺杂剂的离子源装置

技术领域

本发明涉及一种离子源装置，特别涉及一种采用固态掺杂剂的离子源装置。

背景技术

离子源装置是离子注入设备的核心部件之一，作为产生束流的部件，其性能的优劣对离子注入的效果有着至关重要的影响。倘若前端离子源中引出的束流是不理想的(例如在束流高度方向上不均匀、束流高度较低等)，那么下游束流传输系统的压力就会比较大，需要将不理想形态的束流校正至理想注入条件。反之，若前端引出的束流就较为理想，那么对下游束流传输系统的要求就降低了，也比较容易达到理想的注入条件，更有利于形成高质量的束流。

根据注入离子种类的不同，离子源装置的原料也会不同。例如，在太阳能电池的制作中，一般常用的注入离子有硼离子和磷离子，这类离子的原料为气体；而在一些半导体领域中需要注入锑离子，那么离子源装置中用到的原料是固体。

对于采用固体作为原料的离子源装置而言，由于固体原料无法被直接离子化，惯常的做法是先将固体气化成气体，接着再将气体离子化从而引出束流。

对于这类离子源装置，需要设置气化器使固体原料升华成气体，继而将气体通入起弧的电弧腔体中电离。一般来说气化器通过加热的方式来升华，此时就产生了一个问题，在气化器中原料被升华成气体，气化器的温度是比较高的，而在气体被输送至电弧腔体的过程中，由于离子源装置中的其他部件都是需要冷却的，因此温度都会比较低，那么高温气体流经低温部件(例如气体输送管道、电弧腔体)时就会发生凝华，从而造成原料会凝结于气体输送管道或者电弧腔体的管壁或内壁上。

为了解决这个问题，现有技术中提出了一种解决方式，即将气化器紧贴于电弧腔体并结合成一体，通常把这结合体一起称之为离子源头，那么气体将被直接通入电弧腔体中以尽量减少气体被输送的距离。且不说这是否能完全避免凝华的问题，这种解决方式还存在另一个缺陷，由于气化器紧贴于电弧腔体，而电弧腔体一般是位于高电位(例如几万伏)的，那么气化器也被置于了高电位，由此气化器的供电设备、控制器和通讯设备等也都需要在高电位下工作，并且这样也无疑增加了操作的风险。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中气化器位于高电位下工作、操作危险性较高、电弧腔体等部件温度较低容易使气化的气体凝华的缺陷，提供一种采用固态掺杂剂的离子源装置，其用于气化固态掺杂剂的加热端在大地电位下工作，仅有电弧腔体被抬高至高电位，增加了操作的安全性；另外，通过输送保持装置来避免气体重新凝华。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种采用固态掺杂剂的离子源装置，其包括电弧腔体，其特点在于，该离子源装置还包括气化装置和输送保持装置，该气化装置用于使固态掺杂剂气化成原料气体，该输送保持装置用于输送该原料气体至该电弧腔体中，以及用于将该电弧腔体的温度控制在一第一范围内以避免该原料气体凝华，该输送保持装置由绝缘材料制成，该原料气体用于通过电离产生第一等离子体，

其中，该电弧腔体被抬高至一预设电位，该气化装置和该输送保持装置均位于大地电位上，该预设电位为500伏-5万伏。

在该技术方案中，用于气化固态掺杂剂的气化装置并未被置于高压端，而是在大地电位上工作的，由此提高了操作的安全性。另外，通过输送保持装置对原料气体气相的保持，即使气化装置并未被紧贴于电弧腔体也不会发生原料气体凝华的现象。

优选地，该气化装置设置于该电弧腔体之一定间隔距离以外，该间隔距离例如为5cm-30cm。通过由绝缘材料制成的输送保持装置来使气化装置和高电位隔离，提高了操作的安全性以及对系统设备(例如供电设备、控制设备和通信设备，这些设备都不用在高电位下工作了)的要求。

优选地，该输送保持装置包括原料输送管道以及温度保持装置，该原料输送管道用于输送该原料气体，该温度保持装置环绕该原料输送管道和该电弧腔体设置，且用于控制该原料输送管道和该电弧腔体的温度。

优选地，该温度保持装置为电热丝；或者，

该温度保持装置包括介质管道，该介质管道中通有温度可调的介质。

在上述技术方案中，通过温度保持装置直接控制温度，由此来避免原料气体的凝华。

优选地，该离子源装置还包括安全气体供应装置，用于向该电弧腔体中通入安全气体，该安全气体用于通过电离产生第二等离子体，其中该安全气体为不会与该原料气体反应的气体，

该输送保持装置包括设置于该电弧腔体中的保温腔体，该保温腔体用于使该第二等离子体的温度保持在第二范围内，该第二范围为使该原料气体保持气态的温度范围。

优选地，该离子源装置还包括安全气体供应装置，用于向该电弧腔体中通入安全气体，该安全气体用于通过电离产生第二等离子体，其中该安全气体为不会与该原料气体反应的气体，

该输送保持装置包括设置于该电弧腔体中的反射腔体，该反射腔体的内壁包括热反射层，用于反射该第二等离子体的热辐射。

优选地，该离子源装置还包括用于冷却该电弧腔体外壁的冷却装置，该冷却装置包括环绕该电弧腔体设置的冷却管道，该冷却管道中通有冷却介质。

优选地，该安全气体选自：氮气和惰性气体。

在上述技术方案中，安全气体产生的第二等离子体用于初始的点火起弧以及电弧腔体的预热。另外结合保温腔体和/或反射腔体来保持电弧腔体中的温度从而使原料气体不会发生凝华。

优选地，该固态掺杂剂为固态的单质掺杂剂。单质掺杂剂可以避免不理想离子的引入，例如磷离子注入时，若采用气体掺杂源一般是采用磷烷，实际操作中发现磷烷离子化之后引出的束流中除了磷离子之外，还存在氢离子，为此还需要增加分析磁铁将氢离子去除，由此复杂化了离子源的结构。若采用固态掺杂剂，例如红磷，那么离子源中即可省略磁铁，精简结构。

优选地，该离子源装置为RF(射频)离子源装置、冷阴极离子源装置或热阴极离子源装置。

本发明的积极进步效果在于：

1、本发明中，气化装置并非位于高压端，而是在大地电位上工作，仅有电弧腔体被抬高至高电位，由此该离子源装置中的其他部件都是在大地电位上工作，无论是对部件的设计要求还是从操作的安全性角度来说，都有极大好处。

2、通过输送保持装置的设置，使得原料气体得以保持气态，不会发生凝华而淀积于管壁或者腔壁上，保证了离子源装置的清洁和较长的使用寿命。

3、单质掺杂剂的使用能够避免杂质离子的引入，从而省去用于选择离子种类的磁铁，精简离子源装置的结构。

4、该离子源装置中气化装置、输送保持装置以及电弧腔体的布局设置可以适用于多种离子源，适用性较广。

附图说明

图1为本发明实施例1的离子源装置的结构示意图。

图2为本发明实施例2的离子源装置的结构示意图。

具体实施方式

下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明，以下仅仅是举例说明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

本发明所述的采用固态掺杂剂的离子源装置，其包括电弧腔体，以及该离子源装置还包括气化装置和输送保持装置，该气化装置用于使固态掺杂剂气化成原料气体，该输送保持装置用于输送该原料气体至该电弧腔体中，以及用于将该电弧腔体的温度控制在一第一范围内以避免该原料气体凝华，该输送保持装置由绝缘材料制成，该原料气体用于通过电离产生第一等离子体，

其中，该电弧腔体被抬高至一预设电位，该气化装置和该输送保持装置均位于大地电位上，该预设电位为500伏-5万伏。较佳地，该预设电位为2000伏-5万伏。较为常用地，该预设电位为2万伏-5万伏。

本发明中用于气化固态掺杂剂的气化装置并未被置于高压端，而是在大地电位上工作的，由此提高了操作的安全性。另外，通过输送保持装置对原料气体气相的保持，即使气化装置并未被置于电弧腔体中也不会发生原料气体凝华的现象。

其中为了实现较好的电隔离，该气化装置设置于该电弧腔体之外。通过由绝缘材料制成的输送保持装置来使气化装置和高电位隔离，提高了操作的安全性以及对系统设备(例如供电设备、控制设备和通信设备，这些设备都不用在高电位下工作了)的要求。

本发明中的一种技术方案中，该输送保持装置包括原料输送管道以及温度保持装置，该原料输送管道用于输送该原料气体，该温度保持装置环绕该原料输送管道和该电弧腔体设置，且用于控制该原料输送管道和该电弧腔体的温度。例如，该温度保持装置为电热丝；或者，该温度保持装置包括介质管道，该介质管道中通有温度可调的介质。这样通过温度保持装置直接控制温度，由此来避免原料气体的凝华，电热丝和介质的温度可以采用温控器直接控制。

除此之外，该离子源装置还可以包括安全气体供应装置，用于向该电弧腔体中通入安全气体，该安全气体用于通过电离产生第二等离子体，其中该安全气体为不会与该原料气体反应的气体，

该输送保持装置包括设置于该电弧腔体中的保温腔体，该保温腔体用于使该第二等离子体的温度保持在第二范围内，该第二范围为使该原料气体保持气态的温度范围。

又或者，该输送保持装置包括设置于该电弧腔体中的反射腔体，该反射腔体的内壁包括热反射层，用于反射该第二等离子体的热辐射。

这样，通过阻隔热交换和热辐射的方式来使电弧腔体保持一定的温度。

在实际应用中，离子源装置中的温度也不宜过高，因此该离子源装置还可以包括用于冷却该电弧腔体外壁的冷却装置，该冷却装置包括环绕该电弧腔体设置的冷却管道，该冷却管道中通有冷却介质。这样电弧腔体的温度不会过高，但是又能够使该原料气体保持在气态。

其中，该固态掺杂剂为固态的单质掺杂剂，例如红磷。单质掺杂剂可以避免不理想离子的引入，那么离子源中即可省略磁铁，精简结构。

具体来说，该离子源装置为RF(射频)离子源装置、冷阴极离子源装置或热阴极离子源装置。

下面举两个具体实施例，从实际应用角度出发进一步说明本发明的较佳的技术方案。

实施例1

参考图1，该离子源装置包括电弧腔体1，在通入原料气体前，现在电弧腔体1中通入安全气体以产生第二等离子体(图中未示出安全气体供应装置)，该电弧腔体1包括保温腔体11和反射腔体12，分别阻隔热交换和热辐射，该安全气体的通入是为了预热该电弧腔体，并且用于初始状态的点火起弧。除了通过保温腔体11和反射腔体12来保持温度之外，本实施例中还兼具了直接控温的方式，例如设置电热丝在电弧腔体上(图中未示出)，采用控温器51来直接控制电弧腔体1的温度。

继续参考图1，气化装置2设置在电弧腔体1之外，通过控温器53来加热以将固体掺杂剂气化，连接气化装置2和电弧腔体1的是绝缘管路3，绝缘管路上套设有加热器4，通过控温器52来控制该加热器4的温度。原料气体通过绝缘管路3被送入电弧腔体1中，由于绝缘管路可以被加热器4加热，因此原料气体不会发生凝华而淀积于绝缘管路的管壁上。并且由于绝缘管路是由绝缘材料制成的，因为电位上来说气化装置和电弧腔体完全是隔离的，气化装置以及加热器和控温器均是位于大地电位上工作的。

在本实施例中，示出的是各个具体的部件，保温腔体、反射腔体、绝缘管路、加热器和控温器以及未示出的加热电弧腔体的电热丝即为该输送保持装置。

实施例2

实施例2的基本原理与实施例1相同，参考图2，实施例2中示出了绝缘板6和引出电极7，本实施例中束流从电弧腔体1的下方引出。

本发明中，气化装置并非位于高压端，而是在大地电位上工作，仅有电弧腔体被抬高至高电位，由此该离子源装置中的其他部件都是在大地电位上工作，无论是对部件的设计要求还是从操作的安全性角度来说，都有极大好处。通过输送保持装置的设置，使得原料气体得以保持气态，不会发生凝华而淀积于管壁或者腔壁上，保证了离子源装置的清洁和较长的使用寿命。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用固态掺杂剂的离子源装置，其包括电弧腔体，其特征在于，该离子源装置还包括气化装置和输送保持装置，该气化装置用于使固态掺杂剂气化成原料气体，该输送保持装置用于输送该原料气体至该电弧腔体中，以及用于将该电弧腔体的温度控制在一第一范围内以避免该原料气体凝华，该输送保持装置由绝缘材料制成，该原料气体用于通过电离产生第一等离子体，

其中，该电弧腔体被抬高至一预设电位，该气化装置和该输送保持装置均位于大地电位上，该预设电位为500伏-5万伏。

2.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，该气化装置设置于该电弧腔体之外，该气化装置距离该电弧腔体5cm-30cm。

3.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，该输送保持装置包括原料输送管道以及温度保持装置，该原料输送管道用于输送该原料气体，该温度保持装置环绕该原料输送管道和该电弧腔体设置，且用于控制该原料输送管道和该电弧腔体的温度。

4.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，该温度保持装置为电热丝；或者，

该温度保持装置包括介质管道，该介质管道中通有温度可调的介质。

5.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，该离子源装置还包括安全气体供应装置，用于向该电弧腔体中通入安全气体，该安全气体用于通过电离产生第二等离子体，其中该安全气体为不会与该原料气体反应的气体，

该输送保持装置包括设置于该电弧腔体中的保温腔体，该保温腔体用于使该第二等离子体的温度保持在第二范围内，该第二范围为使该原料气体保持气态的温度范围。

6.如权利要求1所述的离子源装置，其特征在于，该离子源装置还包括安全气体供应装置，用于向该电弧腔体中通入安全气体，该安全气体用于通过电离产生第二等离子体，其中该安全气体为不会与该原料气体反应的气体，

该输送保持装置包括设置于该电弧腔体中的反射腔体，该反射腔体的内壁包括热反射层，用于反射该第二等离子体的热辐射。

7.如权利要求5或6所述的离子源装置，其特征在于，该离子源装置还包括用于冷却该电弧腔体外壁的冷却装置，该冷却装置包括环绕该电弧腔体设置的冷却管道，该冷却管道中通有冷却介质。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的离子源装置，其特征在于，该安全气体选自：氮气和惰性气体。

9.如权利要求1-7中任意一项所述的离子源装置，其特征在于，该固态掺杂剂为固态的单质掺杂剂。

10.如权利要求1-7中任意一项所述的离子源装置，其特征在于，该离子源装置为RF离子源装置、冷阴极离子源装置或热阴极离子源装置。