CN112635287A - 一种新型离子源等离子体中和器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及离子源技术领域，提出了一种新型离子源等离子体中和器，包括阴极筒、阳极引盘、设置在阴极筒外侧的冷却筒，冷却筒外侧套设有永磁磁环，阳极引盘与阴极筒的一端存在间隔，阴极筒的另一端为进气端，冷却筒上设置有冷却空腔及与冷却空腔连通的进口及出口，阳极引盘接正电，阴极筒接负电。通过上述技术方案，解决了现有技术中等离子中和器成本高及离子源灯丝型中和器电子发生不稳定、连续工作时间短、有污染的问题。
Description
技术领域
本发明涉及离子源技术领域，具体的，涉及一种新型离子源等离子体中和器。
背景技术
离子源被广泛应用于半导体行业中，是离子清洗设备、离子束溅射、离子束刻蚀设备以及真空镀膜设备的核心部件。离子源的作用是将特定工艺气体离化产生等离子体，并将离子加速拉出，轰击待处理基片。离子源中和器向外发射电子，一般有两个作用：一个是提供初始电子帮助离子源产生等离子体(离子源点火过程)；另一个是中和被离子轰击后在待处理基片表面积聚的正电荷，使基片呈现电中性，避免基片放电。
现有技术中，按照工作原理，离子源中和器主要有两种类型：
一种是采用耐高温金属丝通电(如钨丝)，钨丝在白炽状态下释放电子。这种中和器的优点是便宜、简单、可靠。缺点是：持续工作寿命短(一般不超过10小时)；钨丝在高温下蒸发形成污染；随着钨丝蒸发变细，发射的电子量会变化，造成工艺的不稳定。这种类型的中和器广泛用于中低端离子源中，如霍尔源、考夫曼源多采用这种中和器。
另外一种方式则是采用产生等离子体，并将其中产生的电子拉出，向特定方向发射。这种方式的优点是：持续工作时间长(大于100小时)；无污染；发射电子量稳定。缺点是：成本比较高。现有的等离子中和器基本上都采用射频激励的方法生成等离子体，然后采用直流拉出电子，向特定方向发射。因此，中和器就需要一个射频电源加一个直流电源，众所周知，射频电源价格较高，所以这种中和器价格自然就高。虽然价格昂贵，但是因为这种离子源的优点突出，目前国外所有的高端离子源均采用这种类型的中和器。基于以上问题，需要一种成本低、稳定性好的电子发生器。
发明内容
本发明提出一种新型离子源等离子体中和器，具有目前国外高端等离子体中和器的优点，同时用直流电源替代了射频电源来产生等离子体，从而大幅降低成本，解决了现有技术中等离子中和器成本高及离子源灯丝型电子发生不稳定、连续工作时间短、有污染的问题。
本发明的技术方案如下：
一种新型离子源等离子体中和器，包括阴极筒、阳极引盘、设置在所述阴极筒外侧的冷却筒，所述冷却筒外侧套设有永磁磁环，所述阳极引盘与所述阴极筒的一端存在间隔，所述阴极筒的另一端为进气端，所述冷却筒上设置有冷却空腔及与所述冷却空腔连通的进口及出口，所述阳极引盘接正电，所述阴极筒接负电。
所述冷却空腔内通冷却剂。
所述阳极引盘接正电30～50V。
所述阴极筒接负电200～400V。
增设绝缘瓷环、陶瓷上盖及不锈钢下盖，所述陶瓷上盖设置在所述阴极筒的一端，位于所述阴极筒和所述阳极引盘之间，所述绝缘瓷环与所述不锈钢下盖沿所述阴极筒的轴向依次设置在所述阴极筒的另一端。
所述不锈钢下盖上设置有进气口。
所述陶瓷上盖和所述阳极引盘上均设置有电子出射孔。
所述进口设置在远离所述阳极引盘的一端，所述出口位于所述冷却筒的另一端。
本发明的工作原理及有益效果为：
现有技术中，首先向等离子室(陶瓷或者石英玻璃材质)内通入氩气，然后在等离子室外侧的水冷线圈中通入13.56MHz的射频电，RF线圈产生的高频交变电磁场透过紧贴等离子室内侧的圆筒状收集电极，使气体电离产生等离子体。同时，射频线圈在收集电极表面感应出射频电压，收集电极内侧产生电子鞘层，形成负电压的射频偏压，在负偏压的作用下，离子向收集电极运动，维持电极接正电，电子在维持电极正电压的吸引下向维持电极方向运动，大部分电子通过维持电极中心的电子发射孔发射出去，形成电子束流。
本发明中，公开了一种新型离子源等离子体中和器，主要由阴极筒、阴极筒外侧的冷却筒、冷却筒外侧的永磁磁环、阴极筒一端的不锈钢下盖、阴极筒另一端陶瓷上盖、阳极引盘(即维持电极)为主体，阴极筒和阳极引盘之间存在间隔，之间形成电场，在阴极筒外侧套设冷却筒，冷却筒侧壁上设置有冷却空腔，与冷却空腔连通的有进口和出口，冷却筒外侧套设有永磁磁环，永磁磁环在阴极筒内形成的磁场，阴极筒接负电，阳极引盘接正电；冷却外套的进口与出口与冷却介质连通，形成循环冷却，保护其外侧的永磁铁磁环不会高温消磁；在阴极筒不锈钢下盖中心通入气体(常用氩气)，氩气在永磁磁环在阴极套筒内形成的磁场和阴极筒负电压形成的电场共同作用下离化形成等离子体，等离子体在阴极筒内保持，在阳极引盘正电压形成电场的作用下，电子向阳极引盘方向运动，部分电子从电子发射孔出射，形成电子束流。而等离子体中的离子则会在电场的作用下向阴极筒筒壁运动，被其吸收离子携带的电荷。同时，离子轰击阴极筒筒壁会形成阴极筒材料溅射，但是由于阴极筒是筒状，内部溅射出来的材料会在对侧进行沉积，所以阴极筒筒壁会同时存在溅射和沉积，阴极筒使用寿命很长。同时其内部溅射出来的材料直线运动，很难从电子出射孔出射，所以不会对基片产生污染，保证了工艺腔室的清洁度；
工作过程中，第一步向阴极筒内侧通入氩气，第二步给阴极筒加负电，氩气在阴极筒的负电压形成的电场和永磁磁环产生的磁场的共同作用下离化，在阴极筒内形成稳定的等离子体，第三步给阳极引盘加正电压，在阳极引盘电场的作用下，电子向阳极引盘运动，部分电子通过陶瓷上盖和阳极引盘中心的电子发射孔出射，形成电子束流。
与现有技术相比：现有技术中，通过向等离子室内通入氩气，为了离化氩气形成等离子体，或者采用高频的射频或者微波来激励，例如对等离子室外侧的线圈通13.56MHz的射频电，射频线圈对在等离子室内的圆筒状收集电极施加射频电场，其表面形成射频偏压，使气体电离，离子向收集电极靠近，而电子在维持电极的作用下发射出去，其形成电子射流的成本高，故障后维修成本也高，或者采用高压直流电(>2000伏)来激励产生等离子体，且这种方式产生的等离子体密度比射频线圈产生的等离子体密度低一个量级。而本发明通过在阴极筒外侧加入永磁铁，在阴极筒内侧(等离子体区)形成一个磁场，和直流磁控溅射原理类似，只需要在阴极筒上施加200-400v的直流电压即可产生等离子体，且等离子体密度和射频线圈产生的等离子体密度相当。我们再在阳极引盘上施加一个正电压，将部分等离子体中的电子拉向阳极引盘，部分电子从阳极引盘中心电子发射孔出射，与高温灯丝相比产生的电子更稳定，电子方向规则，实用寿命长，清洁持续，更重要的在于与当前国外高端离子源采用射频RF电源激励的等离子体中和器相比，产生电子束流的性能相当，但是结构简单，成本大幅降低。解决了现有技术中等离子中和器成本高及灯丝型中和器电子发生不稳定、连续工作时间短、有污染的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为现有技术结构示意图；
图2为本发明磁场分布示意图；
图中：1、阴极筒，2、阳极引盘，3、冷却筒，4、永磁磁环，5、冷却空腔，6、进口，7、出口，8、绝缘瓷环，9、陶瓷上盖，10、不锈钢下盖，11、进气口，12、电子出射孔，a、等离子室，b、RF线圈，c、收集电极，d、维持电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
如图1～图2所示，本实施例提出了一种新型离子源等离子体中和器，包括阴极筒1、阳极引盘2、设置在所述阴极筒1外侧的冷却筒3，所述冷却筒3外侧套设有永磁磁环4，所述阳极引盘2与所述阴极筒1的一端存在间隔，所述阴极筒1的另一端为进气端，所述冷却筒3上设置有冷却空腔5及与所述冷却空腔5连通的进口6及出口7，所述阳极引盘2接正电，所述阴极筒1接负电。
本实施例中，公开了一种新型离子源等离子体中和器，主要由阴极筒1、阴极筒1外侧的冷却筒3、冷却筒3外侧的永磁磁环4、阳极引盘2(即维持电极)为主体，阴极筒1和阳极引盘2之间存在间隔，之间形成电场，在阴极筒1外侧套设冷却筒3，冷却筒3与阴极筒1之间存在间隙，冷却筒3接地，冷却筒3侧壁上设置有冷却空腔5，与冷却空腔5连通的有进口6和出口7，冷却筒3外侧套设有永磁磁环4，永磁磁环4在阴极筒1内侧形成磁场，阴极筒1接负电，正极引盘接正电；冷却外套的进口6与出口7与冷却介质连通，形成循环冷却，保护其外侧的永磁铁磁环不会高温消磁；在阴极筒1远离阳极引盘2的一端通入气体(常用氩气)，氩气在阴极筒内的磁场和阴极筒负电压形成的电场共同作用下离化，形成等离子体，等离子体在阴极筒1内保持，在阳极引盘正电压形成电场的作用下，电子向阳极引盘2方向运动，部分电子从电子出射孔出射，形成电子束流。而等离子体中的离子则会在阴极筒电场的作用下向阴极筒1筒壁运动，被其吸收电荷，所以阴极筒收集离子。向筒壁运动的离子会让筒壁被溅射，由于阴极筒是圆筒状，所以溅射出来的材料向对侧运动、沉积。所以筒壁溅射部分会同时被溅射和沉积，因此筒壁消耗速度很慢，阴极筒1可以使用很长时间才需要进行更换。同时其筒壁溅射出来的材料直线运动，很难从双层的电子出射孔出射，不会产生污染，保证了工艺腔体内的清洁度；
工作过程中，首先向阴极筒1内侧通入氩气，然后给阴极筒1加负电，氩气在阴极筒的负电压形成的电场和永磁磁环产生的磁场的共同作用下离化，在阴极筒1内形成稳定的等离子体，然后给阳极引盘2加正电压，在阳极引盘2电场的作用下，电子向阳极引盘2运动，部分电子通过陶瓷上盖和阳极引盘中心的电子发射孔出射，形成电子束流。
与现有技术相比，现有技术中(如图1所示)，通过向等离子室a内通入氩气，为了离化氩气形成等离子体，要么高频或者微波来激励，例如采用13.56MHz的射频电源，RF线圈b对在等离子室内的圆筒状收集电极c施加射频电场，其表面形成射频偏压，使气体电离，离子向收集电极靠近，而电子在维持电极d的作用下发射出去，其形成电子射流的成本高，需要极高的电压，甚至超过2000v，形成的等离子体密度很低，故障后维修成本也高，另外一种则是需要高直流电压(>2000伏)来激励产生等离子体，且产生的等离子体密度比射频线圈产生的等离子体密度低一个量级，而本发明中的新型离子源等离子体中和器通过在阴极筒1外侧加入永磁铁，在阴极筒1内侧(等离子体区)形成一个磁场，和直流磁控溅射原理类似，只需要在阴极筒1上施加200-400v的直流电压即可产生等离子体，且等离子体密度和射频线圈产生的等离子体密度相当。我们再在阳极引盘2上施加一个正电压，将部分等离子体中的电子拉向阳极引盘2，部分电子从阳极引盘2中心电子发射孔出射，与高温灯丝相比产生的电子更稳定，形成的等离子体密度较高，电子方向规则，实用寿命长，清洁持续，更重要的是与当前国外高端电子源采用射频RF电源激励的等离子中和器相比，性能相当，优点是结构简单，成本低廉，解决了现有技术中等离子中和器成本高及离子源灯丝型中和器电子发生不稳定、连续工作时间短、有污染的问题。
所述冷却空腔5内通冷却剂。
本实施例中，在冷却空腔5内通入冷却剂，冷却剂可以为水或者高效吸收热量的液体，在维持等离子体过程中，等离子体会产生高温，高温对于永磁磁环4的磁力会产生削弱作用，冷却筒3将阴极筒1的热量传递给冷却空腔5内的冷却剂，冷却剂将热量带出，从而避免对永磁磁环4的磁力造成削弱，提升了设备的使用寿命。
所述阳极引盘2接正电30～50V。
本实施例中，在阳极引盘2上接正电，正电的选择范围为30～50V即可，能够维持等离子体的状态，并且对于电子的移动方向能够产生吸引从而使电子飞出，形成电子射流。
所述阴极筒1接负电200～400V。
本实施例中，在阴极筒1接负电，负电的范围是200～400V，阴极筒1采用耐高温金属，比如钛，阴极筒1内部是维持等离子体的场所，内部容纳形成等离子体的工艺气体(多采用氩气)，并形成正交的电场和磁场。
增设绝缘瓷环8、陶瓷上盖9及不锈钢下盖10，所述陶瓷上盖9所述阴极筒1的一端，位于所述阴极筒1和所述阳极引盘2之间，所述绝缘瓷环8与所述不锈钢下盖10沿所述阴极筒1的轴向依次设置在所述阴极筒1的另一端。
本实施例中，在阴极筒1的一端安装了绝缘磁环，靠近阳极引盘2的一端的阴极筒安装了陶瓷上盖9，在远离阳极引盘2的一端的绝缘磁环外侧还安装了不锈钢下盖10，绝缘磁环能够起到阴极筒1与不锈钢下盖的绝缘作用，陶瓷上盖9与不锈钢下盖10和阴极筒1共同形成了相对封闭的等离子体区。
所述不锈钢下盖10上设置有进气口11。
本实施例中，在不锈钢下盖10上设置有进气孔，向阴极筒1内通入气体(常用氩气)，在电场与磁场的作用下，起辉生成等离子体。
所述陶瓷上盖9和所述阳极引盘2上均设置有电子出射孔12。
本实施例中，在陶瓷上盖9和阳极引盘2上均设置了电子出射孔12，阴极筒1内的等离子体在阳极引盘正电压形成电场的作用下，其中的电子由陶瓷上盖9和阳极引盘2的电子出射孔12射出，从而形成了定向发射电子束流。
所述进口6设置在远离所述阳极引盘2的一端，所述出口7位于所述冷却筒3的另一端。
本实施例中，冷却筒3上的进口6在远离阳极引盘2的一端，出口7在冷却筒3的另一端，冷却空腔5内的冷却剂流动方向是由下至上的，内部的冷却剂与热量可以实现更充分的热量交换，从而保证永磁磁环4不会受到阴极筒1高温的削弱影响。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种新型离子源等离子体中和器，其特征在于，包括阴极筒(1)、阳极引盘(2)、设置在所述阴极筒(1)外侧的冷却筒(3)，所述冷却筒(3)外侧套设有永磁磁环(4)，所述阳极引盘(2)与所述阴极筒(1)的一端存在间隔，所述阴极筒(1)的另一端为进气端，所述冷却筒(3)上设置有冷却空腔(5)及与所述冷却空腔(5)连通的进口(6)及出口(7)，所述阳极引盘(2)接正电，所述阴极筒(1)接负电。
2.根据权利要求1所述的新型离子源等离子体中和器，其特征在于，所述冷却空腔(5)内通冷却剂。
3.根据权利要求1所述的新型离子源等离子体中和器，其特征在于，所述阳极引盘(2)接正电30～50V。
4.根据权利要求1所述的新型离子源等离子体中和器，其特征在于，所述阴极筒(1)接负电200～400V。
5.根据权利要求1所述的新型离子源等离子体中和器，其特征在于，增设绝缘瓷环(8)、陶瓷上盖(9)及不锈钢下盖(10)，所述陶瓷上盖(9)设置在所述阴极筒(1)的一端，位于所述阴极筒(1)和所述阳极引盘(2)之间，所述绝缘瓷环(8)与所述不锈钢下盖(10)沿所述阴极筒(1)的轴向依次设置在所述阴极筒(1)的另一端。
6.根据权利要求5所述的新型离子源等离子体中和器，其特征在于，所述不锈钢下盖(10)上设置有进气口(11)。
7.根据权利要求5所述的新型离子源等离子体中和器，其特征在于，所述陶瓷上盖(9)和所述阳极引盘(2)上均设置有电子出射孔(12)。
8.根据权利要求1所述的新型离子源等离子体中和器，其特征在于，所述进口(6)设置在远离所述阳极引盘(2)的一端，所述出口(7)位于所述冷却筒(3)的另一端。
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