CN111681936B - 一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，包括防护罩、放电室、灯丝、永久磁铁、等离子体电极、引出电极、绝缘陶瓷和水冷口；灯丝为U型结构，顶部设计有电流接口；灯丝设计有绝缘结构，利用陶瓷支撑与放电室绝缘；放电室接地，顶部设计有进气管道和永磁铁，底部设计有等离子体电极和绝缘防护套；放电室外侧是多组永磁铁，每组磁铁分为六层；永磁铁外侧是设计有水冷结构。

Description

一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置
技术领域
本发明属于半导体制造领域，具体而言，主要涉及高能离子注入机使用的一种尖端场形负氢离子源。
背景技术
半导体制造过程中的一个重要工艺是离子注入。离子注入是指将来自离子源的离子进行聚焦、加速和偏转后照射到目标材料上，进而改变目标材料的化学或物理性质。在半导体制造中，通常例如采用离子注入对目标材料进行掺杂、如N型或P型掺杂。
离子注入机的一个重要组件是离子源，离子源所生成的等离子体的质量和生成速度将直接影响整个工艺的质量和速度。当前的离子源中ECR离子源容易获得较强的离子束，但存在高频电源和微波辐射问题，会对相关分析仪器产生干扰。为解决以上问题，现设计一种尖端场形负氢离子源装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，所述装置设计的水冷管道，可降低永磁铁和放电室的温度；所述灯丝与放电室之间设有绝缘陶瓷材料，可有效避免灯丝与放电室间发生短路；所述永磁铁的结构设计，可产生尖端形约束磁场；通过束流动力学仿真优化引出电极的结构设计，提高了引出束流的强度，极大地提高了离子的引出效率，降低打火风险；采用可拆卸的结构设计，方便灯丝部件的更换。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，该装置主要包括：灯丝，进气通道，放电室，永磁铁，水冷通道，等离子体电极，引出电极，绝缘防护套，绝缘陶瓷，顶部永磁铁，绝缘块；所述灯丝为U型结构，顶部设计有电流接口；灯丝设计有绝缘结构，利用绝缘陶瓷支撑在放电室顶部，与放电室绝缘；放电室接地，放电室顶部设计有进气管道和顶部永磁铁，底部设计有等离子体电极和绝缘防护套；放电室外侧设置有多组永磁铁，每组永磁铁分为六层；永磁铁外侧是设计有水冷结构；等离子体下方设计有引出电极和绝缘防护套，等离子体电极与引出电极间设有绝缘块。
进一步的，所述多组永磁铁，每组永磁铁分为六层，其中上面五层实现多峰场，最下面一层形成离子源的过滤场。
进一步的，灯丝上的电流通过外加电源馈入,灯丝通过绝缘陶瓷固定，与放电室绝缘隔离；灯丝材料包括钽、钨。
进一步的，所述等离子体电极引出孔直径为4mm，与引出电极的流入喇叭口结构结合，提高引出束流的强度。
进一步的，通过束流动力学仿真优化等离子体电极和引出电极的结构的距离为8mm，提高离子的引出效率，降低打火风险。
进一步的，所述进气通道入口在靠近灯丝一侧，提高气体利用率，增加等离子体的生成速度。
进一步的，所述水冷通道为一圈不锈钢夹层，设置在放电室外侧多组永磁铁的外围，一端注入一端口流出。
进一步的，引出电极上的高压10～60kV通过外加电源馈入，引出电极通过绝缘防护套固定，引出电极与等离子体电极间通过绝缘块隔离。
进一步的，所述离子源装置的灯丝、引出电极、水冷通道均采用可拆卸的结构设计，方便离子源零部件的清洗和更换。
有益效果：
本发明可以提高电子引出效率，通过设计多组永磁铁结构，可实现约束磁场呈尖端场分布；每组永磁铁由分为六层，其中上面五层实现多峰场，最下面一层形成离子源的过滤场；通过在放电室顶部设计永磁铁，实现对快电子的过滤；通过布置水冷结构，可降低永磁铁和放电室的温度；通过在灯丝与放电室间设有绝缘陶瓷材料，可有效避免阴极与阳极间发生短路；通过束流动力学仿真优化引出电极系统的结构，极大地提高了离子的引出效率，降低打火风险。气路设计且气体入口离阴极很近，可以提高气体利用率，增加等离子体的生成速度；放电室的柱形结构设计，有益于电场的模式转换，提高了电子与工作气体的电离强度；可拆卸的结构设计，方便离子源部件的维护和灯丝的更换。
附图说明
图1是本发明装置的结构图。
图中标号：1-灯丝，2-进气通道，3-放电室，4-永磁铁，5-水冷通道，6-等离子体电极，7-引出电极，8-绝缘防护套，9-绝缘陶瓷，10-顶部永磁铁，11-绝缘块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明通过设计多组永磁铁结构，可实现约束磁场呈尖端场分布；每组永磁铁由分为六层，其中上面五层实现多峰场，最下面一层形成离子源的过滤场；通过在放电室顶部设计永磁铁，实现对快电子的过滤；通过布置水冷结构，可降低永磁铁和放电室的温度；通过在灯丝与放电室间设有绝缘陶瓷材料，可有效避免阴极与阳极间发生短路；通过放电室的结构设计，提高了电子与工作气体的电离强度；通过束流动力学仿真优化引出电极系统的结构，极大地提高了离子的引出效率，降低打火风险。
具体的，根据本发明的一个实施例,提供一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，该设备的结构如图1所示，包括：灯丝1，进气通道2，放电室3，永磁铁4，水冷通道5，等离子体电极6，引出电极7，绝缘防护套8，绝缘陶瓷9，顶部永磁铁10， 11绝缘块。
灯丝为U型结构，顶部设计有电流接口；灯丝设计有绝缘结构，利用陶瓷支撑9与放电室3绝缘；
放电室接地，顶部设计有进气管道2和顶部永磁铁10，底部设计有等离子体电极6和绝缘防护套8；放电室3外侧是多组永磁铁4，每组磁铁分为六层；其中上面五层实现多峰场，最下面一层形成离子源的过滤场，每层永磁铁的结构一致；所述放电室的结构设计，提高了电子与工作气体的电离强度；
永磁铁4外侧设计有水冷结构；等离子体电极6下方设计有引出电极7和绝缘防护套8，等离子体电极6与引出电极7间设有绝缘块。
从灯丝1发射的电子通过放电室3的电场时被加速，与工作气体碰撞产生等离子体，并受到磁场的约束。
灯丝1上的电流通过外加电源馈入。灯丝通过绝缘陶瓷9固定，与放电室3绝缘隔离。灯丝1选择电子发射系数大的材料，比如钽、钨等。
水冷通道5由一圈不锈钢夹层构成，一端注入一端口流出，降低温度。
引出电极7上的高压10～60kV通过外加电源馈入，引出电极7通过绝缘防护套8 固定，引出电极7与等离子体电极6间通过绝缘块隔离。
通过束流动力学仿真优化等离子体电极和引出电极的结构，引出电极7结构类似喇叭口，极大地提高了离子的引出效率，降低打火风险；
所述离子源装置的灯丝1、引出电极7、水路、电路均采用可拆卸的结构设计，方便离子源零部件的清洗和更换。
工作气体(如氢气)由进气通道2注入，经由放电室3的气路进入放电室。电子在磁场的约束性轴向运动并于气体碰撞，使之离解、电离并产生等离子体。放电室内产生的等离子体在等离子体电极、引出电场的作用下引出形成离子束流，可以通过优化等离子体电极和引出电极的结构，提高离子的引出效率。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，其特征在于，该装置包括：灯丝，进气通道，放电室，永磁铁，水冷通道，等离子体电极，引出电极，绝缘防护套，绝缘陶瓷，顶部永磁铁，绝缘块；所述灯丝为U型结构，顶部设计有电流接口；灯丝设计有绝缘结构，利用绝缘陶瓷支撑在放电室顶部，与放电室绝缘；放电室为柱形结构设计；放电室接地，放电室顶部设计有进气通道和顶部永磁铁，底部设计有等离子体电极和绝缘防护套；放电室外侧设置有多组永磁铁，每组永磁铁分为六层；永磁铁外侧是设计有水冷通道；等离子体电极下方设计有引出电极和绝缘防护套，等离子体电极与引出电极间设有绝缘块；
所述等离子体电极引出孔直径为4mm，与引出电极的流入喇叭口结构结合，提高引出束流的强度；
通过束流动力学仿真优化等离子体电极和引出电极的结构之间的距离为8mm，提高离子的引出效率，降低打火风险。
2.根据权利要求1所述的一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，其特征在于，所述多组永磁铁，每组永磁铁分为六层，其中上面五层实现多峰场，最下面一层形成离子源的过滤场。
3.根据权利要求1所述的一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，其特征在于，灯丝上的电流通过外加电源馈入 ,灯丝通过绝缘陶瓷固定，与放电室绝缘隔离；灯丝材料包括钽或钨。
4.根据权利要求1所述的一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，其特征在于，所述进气通道入口在靠近灯丝一侧，提高气体利用率，增加等离子体的生成速度。
5.根据权利要求1所述的一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，其特征在于，所述水冷通道为一圈不锈钢夹层，设置在放电室外侧多组永磁铁的外围，一端注入一端口流出。
6.根据权利要求1所述的一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，其特征在于，引出电极上的高压10～60kV通过外加电源馈入，引出电极通过绝缘防护套固定，引出电极与等离子体电极间通过绝缘块隔离。
7.根据权利要求1所述的一种高能离子注入机用的尖端场形负氢离子源装置，其特征在于，所述离子源装置的灯丝、引出电极、水冷通道均采用可拆卸的结构设计，方便离子源零部件的清洗和更换。
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