CN112802728A - 一种基于固态电解质的氧离子源、离子注入机及其在制备soi晶片中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固态电解质的氧离子源、离子注入机及其在制备SOI晶片中的应用，所述固态电解质材料采用三价稀土元素掺杂的氧化锆或者氧化铈粉体通过注塑成型的方式加工而成，基于所述固态电解质的氧离子源在吸出电极处即可获得高纯度的负氧离子束。基于本发明离子源的离子注入机无需磁分析器对引出离子进一步筛选，可以摆脱磁分析器的使用限制，使得整个离子注入机在设计上得到极大地简化，能耗大大地降低。
Description
技术领域
本发明属于离子源技术领域，具体涉及一种基于固态电解质的氧离子源、离子注入机及其在制备SOI晶片中的应用。
技术背景
近年来，绝缘体上形成硅层，具有Silicon on insulator结构的SOI晶片在器件的高速性、低功耗、耐高压特性和环境耐受性方面以其优越的表现在LSI、ULSI制程中越发受到强烈的关注。
制备SOI晶片主要有接合法和SIMOX(separation by ion-implanted oxygen)法，所谓的SIMOX法就是通过离子源产生氧离子束，通过静电加速管将之加速到预置能量后打入硅片表面之下的特定深度，后续进行退火热处理修复表面损伤，获得含有氧化物埋层的SOI晶片。
早期为了获得特定能量需求的氧离子束，会使用冷阴极离子源，这种离子源结构较为简单，与潘宁离子源类似，它使用电子枪发射的电子束与氧气分子碰撞，以剥离掉其外层电子从而形成氧离子。
但是由于电子的半径与氧原子的半径差距非常大，造成碰撞截面非常小，加之外层电子的排斥作用，因此仅仅通过电子与氧原子外层电子之间的碰撞而将之剥离形成氧离子的产率很低，即使极高电子发射密度电子枪材料，如六硼化镧，也很难达到高束流密度氧离子注入的要求。因此寻找具有较大的碰撞截面且不会引入反应性杂质的离子就显得十分必要。惰性气体，尤其是廉价易得氩气等离子体就成了下一代的氧离子源的核心部分。
氩等离子体的引入解决了电子碰撞截面小的问题，但是经过吸出电极引出离子源腔体的是氧离子和氩离子的混合离子束，在将其注入硅衬底形成SOI晶片之前，必须使用磁分析器对混合离子束进行筛选和提纯，使得单一电荷数的纯净氧离子束得以固定的能量注入硅衬底表面下特定的深度。但磁分析器的引入使得整个离子注入机臃肿笨拙且能耗巨大，并且超长的离子传输路径也增加了离子束在沿途的损耗。
因此，需要开发一种全新的氧离子源，能产生纯净的氧离子束，从而无需磁分析器，大大简化离子注入机的结构，降低能耗。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术的不足，采用固态氧离子传导性电解质材料为核心设计了一种新型的氧离子源。
本发明的另一目的是提供采用这种新型的基于固态电解质的氧离子源的离子注入机。
本发明的再一目的是提供这种新型的基于固态电解质的氧离子源的离子注入机再制备SOI晶片中的应用。
为了实现上述发明的目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于固态电解质的氧离子源，包括氧离子发生器，由石英管及位于所述石英管外侧的加热器和吸出电极构成；所述石英管内设有一端开口、一端椭球形闭合的固态电解质陶瓷管，所述固态电解质陶瓷管的闭合端延伸至所述石英管内；所述吸出电极与所述固态电解质陶瓷管的闭合端相对设置；所述固态电解质陶瓷管与所述石英管通过绝缘/真空塞密封连接并与吸出电极共同形成真空腔室；所述固态电解质陶瓷管的闭合端内壁涂敷有贵金属阴极；所述贵金属阴极与外部电源负极相连，所述吸出电极与外部电源正极相连；所述固态电解质陶瓷管的开口端设有插入式热电偶和进气口。
在一个具体的实施方案中，所述固态电解质陶瓷管由三价稀土元素掺杂的氧化锆ZrO2或者氧化铈CeO2粉体通过注塑成型加工制成，所述管壁厚度为3-6mm；优选为三价稀土元素掺杂的氧化铈CeO2；更优选地，所述三价稀土元素选自钪Sc、钇Y、镧La、镨Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu中的至少任一种。
在一个具体的实施方案中，所述固态电解质陶瓷管的椭球形闭合端的外表面为微观表面粗糙的结构；优选地，所述椭球形闭合端的外表面的表面粗糙度Ra值为200-500nm。
在一个具体的实施方案中，所述贵金属阴极为铂系贵金属阴极；优选地，所述铂系贵金属选自钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt中的至少任一种。
在一个具体的实施方案中，所述吸出电极为铂系贵金属薄片；优选地，所述铂系贵金属选自钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt中的至少任一种；所述吸出电极的中间位置具有引出离子束的引出孔，优选地，所述引出孔的直径为1-2mm。
在一个具体的实施方案中，所述吸出电极为平板或椭球形，优选为椭球形，可以通过调节吸出电极的形状和贵金属阴极的形状以及吸出电极和电解质陶瓷管的间距L来调节吸出电极和阴极之间的电场强度和分布。
在一个具体的实施方案中，所述加热器为至少一组红外辐射加热器，功率为1500-2500W，将固态电解质的温度控制在700℃-1100℃；优选地，在离子源工作时，其内部真空度小于10-4Pa。
在一个具体的实施方案中，所述贵金属阴极和吸出电极之间电压为0-20kV可调，用于调节电场强度。
本发明的另一方面，一种离子注入机，采用前述的基于固态电解质的氧离子源，还包括加速电极和磁四级离子聚焦透镜，但不包括磁分析器；优选地，所述加速电极为铂系贵金属薄片，所述铂系贵金属选自钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt中的任一种；所述加速电极的中间位置具有引出离子束的引出孔，优选地，所述引出孔的直径为1-2mm。
本发明的再一方面，前述的离子注入机在制备SOI晶片中的应用；优选地，所述离子注入机在700-1100℃的温度下通过固态电解质表面发射出50-100μA的氧负离子束，在经过吸出电极和加速电极的共同作用获得50-220kV的加速电压，注入到硅衬底表面以下100-400nm左右的深度，再经后续的热退火处理，获得SOI晶片。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)本发明利用固态电解质材料具有氧离子传导性的特性，设计出基于三价稀土元素掺杂的氧化锆或氧化铈固态电解质的氧离子源；同时，为了使固态电解质材料场发射氧离子，采用红外辐射加热器将固态电解质的温度控制在700℃-1100℃，使其表现出足够的氧离子传导性。
2)采用本发明氧离子源的离子注入机，因为固态电解质仅产生高纯度的负氧离子束，整个离子注入过程不需要使用磁分析器进行分选，简化了离子注入机，大大缩短了离子传输路径，离子损耗率降低50％以上，可以确保在氧离子束到达待注入硅片的表面时依然维持在40-80μA左右，提高了离子注入的效能。
附图说明
图1是本发明的离子注入机结构示意图。
图2是本发明的一种离子源核心部分氧离子发射原理示意图。
图3是本发明所采用的固态电解质材料晶体结构示意图。
其中，1氧离子发生器，2离子加速管、3石英管、4加热器、5固态电解质陶瓷管、6绝缘/真空塞、7吸出电极、8贵金属阴极、9加速电极、10待注入硅片和靶盘、11热电偶、12、磁四级离子聚焦透镜、13分子泵&真空计、14束流积分仪、15电场、16氧离子束、17进气口。
具体实施方案
为了更好的理解本发明的技术方案，下面的实施例将对本发明所提供的设计方案予以进一步的说明，但本发明不限于所列出的实施例，还应包括在本发明的权利要求范围内其他任何公知的改变。
如图1所示，一种基于固态电解质氧离子源的离子注入机，由位于右侧的氧离子发生器1和左侧的离子加速管2组成。其中，氧离子发生器1部分为本发明离子源的核心部分，离子加速管2部分为辅助部分，所述辅助部分除了没有磁分析器外，其他可参考现有技术，核心部分和辅助部分均放置在石英管3内，所述石英管3为一种耐高温石英玻璃管。
氧离子发生器1部分，即本发明基于固态电解质的氧离子源，由石英管3及环绕所述石英管3布置的加热器4和吸出电极7构成；所述石英管3内设有一端开口、一端呈椭球形闭合的固态电解质陶瓷管5，所述固态电解质陶瓷管5的闭合端延伸至所述石英管3内；所述吸出电极7与所述固态电解质陶瓷管5的闭合端相对设置；所述固态电解质陶瓷管5与所述石英管3通过绝缘/真空塞6密封连接并与吸出电极7共同围成一个真空腔室；氧离子发生器1还设有分子泵&真空计13，用于尽可能地将前述真空腔室抽成真空并计量所述真空腔室的真空度。所述固态电解质陶瓷管5的闭合端内壁涂敷有贵金属阴极8；所述贵金属阴极8与外部电源负极相连，所述吸出电极7与外部电源正极相连，从而吸出电极7和相对的贵金属阴极8之间形成电场15；所述固态电解质陶瓷管5的开口端设有插入式热电偶11和进气口17，进气口17用于提供含有氧气的气体，例如空气，作为氧离子源的原料；热电偶11用于测量贵金属阴极8和固态电解质陶瓷管5的温度。具体地，例如开口端通过进气口17与外界连通，以提供新鲜的空气，可以理解的是，还优选包含过滤设备用于对进入内部的新鲜空气进行预处理，除掉空气中的微颗粒杂质防止对于陶瓷管内壁的污染，以及使陶瓷管表面吸附空气中的氧分子，使得氧离子在电解质材料内部形成流动，以弥补在尖端发射出去的氧离子造成的损失，保持电解质材料整体的化学结构稳定和电中性。
离子加速管2部分，由石英管3和环绕所述石英管3布置的磁四级离子聚焦透镜12、加速电极9、待注入硅片和靶盘10和束流积分仪14构成，磁四级离子聚焦透镜12通过聚焦透镜进一步聚焦氧离子束，避免其在传输过程中发生分散；离子加速管2远离吸出电极7的另一端设有加速电极9，用于施加一个更大的电场，有利于固态电解质中氧离子的析出。吸出电极8和加速电极9中心位置均设有氧离子束引出孔，提供氧离子束16传输的通道。加速电极9的外侧布置有待离子注入硅片和靶盘10，通过氧离子注入及后续热处理，制备出需要的SOI晶片。离子加速管2的加速电极9一侧还装有束流积分仪14，用于监测可使用的氧离子束流数量和剂量，以便合理调节达到预定的离子注入深度。优选地，在离子加速管2部分，也设有分子泵&真空计13，作为附属部件用于补充抽真空，以便较为快速地达到需要的真空度，避免氧离子束在传输过程中被过多地损耗，在该内部空间中，真空度维持在10-4Pa以下。
核心部分和辅助部分均放置在耐高温石英玻璃管内，石英玻璃管一侧接分子泵和真空计13用于抽取和监控管内的真空度，本领域技术人员可以理解的是，还可以设有机械泵，其与分子泵联合使用，以便达到需求的真空度，例如前期采用机械泵抽真空至10-3Pa以下，后期再用分子泵进一步抽真空以达到相应的真空度，例如抽到内部真空度小于10-4Pa。另一侧分别接入两根导线将加速电极9和吸出电极7和外部电源的正极相连。
其中，所述固态电解质陶瓷管5与所述石英管3通过绝缘/真空塞6密封连接并与吸出电极7共同围成一个真空腔室。实际上，由于吸出电极7的中心位置具有引出孔，使得所述真空腔室与位于左侧的离子加速管2内的腔体以及通过加速电极9中心的引出孔离子注入靶盘10连通，使得外壳内的所有部件整体在一个密闭的环境中，通过机械泵和/或分子泵抽取真空，即可达到相应的真空度。
在一个实施方案中，贵金属阴极、吸出电极和加速电极均由铂系贵金属制成，其中铂系贵金属选自钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt中的任一种，优选使用铂，因为其导电性、在高温情况下的抗氧化性、催化特性和相对含量都较之其他铂系贵金属更为突出。其中，贵金属阴极以铂浆形式涂抹在陶瓷管闭合端的内表面上，再经过高温脱胶过程制得。这种涂层的制备和涂敷方式均可参考现有技术，没有特别的限制，特别地，涂敷的贵金属阴极涂层的厚度为0.5-1mm，且贵金属阴极与外部电源的负极连接，例如通过点焊或预埋导线再涂敷贵金属阴极并烧结等方式实现电连接，但不限于此。贵金属阴极除了和负极相连之外，还起到了催化剂的作用，在铂的表面，空气中的氧分子在这种贵金属的催化下，会以更快的速度分解为氧原子从而被电介质材料所吸收。
在一个实施方案中，所述吸出电极和加速电极均采用中间有小孔的薄铂片，例如厚度为1-2mm、直径6-7mm的圆形薄铂片。其中，所述吸出电极和加速电极的中间位置设有小孔，为引出离子束的引出孔，优选地，所述小孔的直径为1-2mm。
在一个实施方案中，离子源核心部分由热电偶11、固态电解质陶瓷管5、贵金属阴极8、吸出电极7、加热器4共同构成。其中，加热器4优选为红外辐射加热器，红外辐射加热器用来给固态电解质材料提供足够高的温度使其表现出氧离子传导性。具体地，所述红外辐射加热器位于石英管的外侧，可以为一组或几组，例如为两组、三组或更多，可以环绕石英管外侧，或者在石英管外侧按圆周均匀相对布置，加热器的功率为1500-2500W，通过功率的调节，将固态电解质的温度控制在700℃-1100℃，热电偶11用来测量贵金属阴极8和固态电解质陶瓷管5的温度。在该温度下，足以使固态电解质表现出良好的氧离子传导性，这与氧化锌等材料在高真空高电场的情况下表现出场发射电子的特性存在显著不同。
贵金属阴极和吸出电极在这一部分里面分别充当负极和正极，两者之间的超高电场用来提供足够的能量使得氧负离子脱离固态电解质材料表面逃逸到真空当中。例如，所述贵金属阴极和吸出电极之间电压为0-20kV可调，优选为10kV，用于调节电场强度。在离子源工作时，其内部真空度小于10-4Pa。
离子源辅助部分由加速电极、磁四级离子聚焦透镜、待注入硅片和靶盘及束流积分仪构成，但无需使用磁分析器，吸出电极并不能给氧离子提供足够的能量以达到离子注入的目的，因此还是需要一个加速电极给已经被吸出电极拉出电解质表面的氧离子以足够的能量，在石英管外是磁四级离子聚焦透镜，它的作用是给经过加速的高能氧离子束提供足够的横向约束，使其不至于在传输的路径上由于静电排斥作用过分的扩散。束流积分仪用于测量注入到目标样品的氧离子总数和剂量，制备出满足客户规格需求的SOI晶片。具体地，所述加速电极、磁四级离子聚焦透镜和靶盘及束流积分仪均可参考现有技术，该辅助部分的结构本发明的区别在于因为固态电解质氧离子源的使用，产生高纯度的氧离子束，无需使用磁分析器进行分选，因此可以省去磁分析器的复杂结构和庞大空间，打破了应用磁分析器的限制，缩短了离子束的传输路径和距离。
在一个实施方案中，所述固态电解质陶瓷管由三价稀土元素掺杂的氧化锆ZrO2或者氧化铈CeO2粉体通过注塑成型加工制成，所述管壁厚度为3-6mm，其中，所述注塑成型加工工艺是陶瓷成型技术领域的公知技术，均可引入本发明，例如参考CN104961470A专利的技术方案注塑成型制备陶瓷管；优选为三价稀土元素掺杂的氧化铈CeO2；更优选地，所述三价稀土元素选自钪Sc、钇Y、镧La、镨Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu中的至少任一种，优选为钪Sc、钐Sm或钆Gd中的任一种。通过注塑成型将三价稀土元素掺杂的氧化锆ZrO2或者氧化铈CeO2粉体材料加工成一端闭合且向外突出呈椭球形、另一端开口的长管形状，例如其形状像一支试管。
具体地，固态电解质陶瓷管由10％摩尔比的氧化钆Ga2O3掺杂的氧化铈CeO2粉体通过注塑成型的手段加工成一端闭合且突出、另一端开放的长管形状，内径8毫米，外径12毫米，长度200毫米。所述10％摩尔比的氧化钆Ga2O3掺杂的氧化铈CeO2，是指氧化铈晶体材料中，每100摩尔的Ce原子中有10摩尔的Ce原子被稀土Ga原子替代形成稀土元素掺杂。
在一个实施方案中，所述固态电解质陶瓷管的椭球形闭合端的外表面为凹凸不平的微观尺寸下表面粗糙的结构；优选地，所述椭球形闭合端的外表面的表面粗糙度Ra值为200-500nm，优选300-400nm。通常，电解质陶瓷管封闭一端的外表面经过2000-2500号细砂纸的打磨，在微观尺度上变得粗糙，在凸出颗粒的表面由于曲率的突变可以形成更强的电场。例如用2500号金相砂纸对陶瓷管封闭一端的外表面打磨对其进行微观尺度的粗造化处理，表面粗糙度rms经测量为300nm。10％摩尔比的氧化钆掺杂的氧化铈又写作GDC，由于Gd占据了Ce在晶胞中的位置且少一个正电荷，整个材料为了维持电中性的平衡，在晶体内部被动的形成了氧缺陷/空位，如图3所示，正是由于这些氧空位的存在，使得在外电场存在的条件下，氧离子在晶体内部通过氧空位传导成为了可能。
在一个优选的实施方案中，如图2所示，将平板状的吸出电极7做成椭球形，这样做的目的是优化吸出电极7和贵金属阴极8之间的电场15强度和分布，且对于氧离子束有初步的聚焦效果，通过调配吸出电极的形状，以求达到最佳的束流引出效果。具体地，如图2所示，吸出电极椭球顶点和电解质陶瓷管椭球顶点间的间距为L，通过L的大小来调节吸出电极和阴极之间的电场强度和分布，L的距离不能太远，太远较难形成需要的电场强度，也不能太近，太近会影响设备整体的稳定性和寿命，通常，L选自2-6mm。对于椭球形吸出电极，以椭球的横截断面中心为端点，所述端点到椭球最高处的顶点之间的距离记为D1，所述椭球横截断面的圆的半径为R1，在本发明中R1/D1的比值取值范围为1/3～3。同样，对于固态电解质陶瓷管的椭球形闭合端，具体可以其内壁涂敷的贵金属阴极计(忽略阴极层的厚度)。对于贵金属阴极椭球，以椭球的横截断面中心为端点，所述端点到椭球最高处的顶点之间的距离记为D2，所述椭球横截断面的圆的半径为R2，在本发明中R2/D2的比值取值范围为1/3～3。在一个优选的实施方案中，例如吸出电极椭球的R1/D1与所述固态电解质陶瓷管的椭球形闭合端R2/D2相等，取值范围在1/3～3之间，例如为2。在实际应用中，可以使用COMSOL多物理场仿真模拟软件对电场强度和分布进行模拟计算，从而确定合适的R/D和L值。具体地，例如所述吸出电极7和贵金属阴极8之间的距离为7mm，吸出电极7与固态电解质陶瓷管5的距离为3mm。
在一个实施方案中，一种采用固态电解质的氧离子源的离子注入机，由核心部分和辅助部分组成。核心部分和辅助部分均放置在耐高温石英玻璃管内，石英玻璃管一侧接分子泵和真空计用于监控管内的真空度，另一侧分别接入两根导线将加速电极和吸出电极和外部电源相连。石英玻璃管内径为30毫米，外径为34毫米，一侧有一个圆形开口用于连接真空管，另一侧插入两根贵金属质地的导线。外接电源为可调电压源，贵金属阴极与吸出电极之间为0-20kV，用于调节电场强度，吸出电极与加速电极之间为0-200kV，用于调节注入离子的能量。在离子源工作的时候，其内部的真空度小于10-4Pa，待到离子源内部的真空度达到工艺要求后才能启动氧离子发生器，即启动氧离子发生器包括启动红外加热和开启电场，吸出氧离子束。
离子源核心部分由热电偶、固态电解质陶瓷管、贵金属阴极、吸出电极、红外辐射加热器共同构成。其中，红外辐射加热器用来给电解质材料提供足够高的温度使其表现出氧离子传导性；热电偶用来测温；贵金属阴极和吸出电极在这一部分里面分别充当负极和正极，它们之间的超高电场用来提供足够的能量使得氧负离子脱离固态电解质材料表面逃逸到真空当中。根据红外辐射加热器的功率，可以将固态电解质的温度控制在700℃-1100℃。
离子源辅助部分由加速电极、磁四级离子聚焦透镜构成，还包括待离子注入硅片和靶盘及束流积分仪，但无需使用磁分析器。吸出电极并不能给氧离子提供足够的能量以达到离子注入的目的，因此还是需要一个加速电极给已经被吸出电极拉出电解质表面的氧离子足够的能量，在石英管外是磁四级离子聚焦透镜，它的作用是给经过加速的高能氧离子束提供足够的横向约束，使其不至于在传输的路径上由于静电排斥作用过分的扩散。所述加速电极具有0-200kV的可调电压，即加速电极和吸出电极之间具有0-200kV的电压，吸出电极与贵金属阴极间具有0-20kV的电压，使得加速电极与贵金属阴极间具有0-220kV的电压。
贵金属阴极、吸出电极和加速电极均由铂制成，因为其导电性、在高温情况下的抗氧化性、催化特性和相对含量都较之其他铂系贵金属更为突出。为其中贵金属阴极以铂浆形式(例如购买自深圳宝加益特种浆料科技有限公司)涂抹在陶瓷管封闭尖端的内表面，在经过900℃高温脱胶过程制得。吸出电极和加速电极则采用中间有直径1毫米开孔的薄铂片。铂金属阴极通过导线与电源的负极相连并接地以确保安全。优选的，吸出电极做成椭球形，这样做的目的是优化吸出电极和贵金属阴极之间的电场分布，且对于氧离子束有初步的聚焦效果，通过调配吸出电极的形状，以求达到最佳的束流引出效果。
在一个实施方案中，采用前述的离子注入机在制备SOI晶片中的应用。基于以上设计的离子源可以在800-1100℃的温度下通过GDC固态电解质表面发射出100μA的氧负离子束，在经过吸出电极和加速电极共同作用，最大可获得50kV的加速电压，确保可以注入到硅衬底表面以下100nm左右的深度，经过后续热退火处理，可以获得SOI晶片。其中，除了采用本发明的基于固态电解质的氧离子源的离子注入机外，其他后续的高温热处理等工艺和设备均可参考现有技术，这是本领域技术人员所熟知的，例如在氢气和氩气混合气氛中进行600-800℃高温退火处理2-4小时。整个离子注入过程不需要使用磁分析器，由于离子传输路径的大大缩短，离子损耗率可以极大的减小，可以确保在氧离子束达到待注入硅片的表面时依然维持在80μA左右，相比于传统的方法——超长传输路径加磁分析器，离子束在传输的过程中大约损耗50％以上，在维持离子束方面取得了极大的提升。
在一个实施方案中，基于以上设计的离子源可以在900℃的温度下通过SDC(钐掺杂氧化铈)固态电解质表面发射出50μA的氧负离子束，在经过吸出电极(10kV)和加速电极(90kV)共同作用，最大可获得100kV的加速电压，确保可以注入到硅衬底表面以下200nm左右的深度，经过后续氢气氩气混合气氛中800℃的退火2小时处理可以获得SOI晶片。
另外，由于氧离子是从1000℃左右的固态电解质表面逃逸扩散出去的，因此氧离子束本身具有极高的温度，加之在高真空中传输，其高温可以保持相当长的时间，足够保证在氧离子束到达样品表面时满足高温离子注入的需求。相对于常温的离子注入，高温离子注入具有更好的热扩散效果，高温可以活化与氧离子接触的硅晶格的界面，使氧离子更容易达到预定位置与硅原子化合形成硅氧键。高温对于被注入样品的表面也有一定的修复作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，包括氧离子发生器，由石英管及位于所述石英管外侧的加热器和吸出电极构成；所述石英管内设有一端开口、一端椭球形闭合的固态电解质陶瓷管，所述固态电解质陶瓷管的闭合端延伸至所述石英管内；所述吸出电极与所述固态电解质陶瓷管的闭合端相对设置；所述固态电解质陶瓷管与所述石英管通过绝缘/真空塞密封连接并与吸出电极共同形成真空腔室；所述固态电解质陶瓷管的闭合端内壁涂敷有贵金属阴极；所述贵金属阴极与外部电源负极相连，所述吸出电极与外部电源正极相连；所述固态电解质陶瓷管的开口端设有插入式热电偶和进气口。
2.根据权利要求1所述的一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，所述固态电解质陶瓷管由三价稀土元素掺杂的氧化锆ZrO2或者氧化铈CeO2粉体通过注塑成型加工制成，所述管壁厚度为3-6mm；优选为三价稀土元素掺杂的氧化铈CeO2；更优选地，所述三价稀土元素选自钪Sc、钇Y、镧La、镨Pr、钕Nd、钐Sm、铕Eu、钆Gd、铽Tb、镝Dy、钬Ho、铒Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu中的至少任一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，所述固态电解质陶瓷管的椭球形闭合端的外表面为微观表面粗糙的结构；优选地，所述椭球形闭合端的外表面的表面粗糙度Ra值为200-500nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，所述贵金属阴极为铂系贵金属阴极；优选地，所述铂系贵金属选自钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt中的至少任一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，所述吸出电极为铂系贵金属薄片；优选地，所述铂系贵金属选自钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt中的至少任一种；所述吸出电极的中间位置具有引出离子束的引出孔，优选地，所述引出孔的直径为1-2mm。
6.根据权利要求5所述的一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，所述吸出电极为平板或椭球形，优选为椭球形。
7.根据权利要求1所述的一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，所述加热器为至少一组红外辐射加热器，功率为1500-2500W，将固态电解质的温度控制在700℃-1100℃；优选地，在离子源工作时，其内部真空度小于10-4Pa。
8.根据权利要求1所述的一种基于固态电解质的氧离子源，其特征在于，所述贵金属阴极和吸出电极之间电压为0-20kV可调，用于调节电场强度。
9.一种离子注入机，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的基于固态电解质的氧离子源，还包括加速电极、磁四级离子聚焦透镜、离子注入靶盘和束流积分仪，但不包括磁分析器；优选地，所述加速电极为铂系贵金属薄片，所述铂系贵金属选自钌Ru、铑Rh、钯Pd、锇Os、铱Ir、铂Pt中的任一种；所述加速电极的中间位置具有引出离子束的引出孔，优选地，所述引出孔的直径为1-2mm。
10.权利要求9所述的离子注入机在制备SOI晶片中的应用；优选地，所述离子注入机在800-1100℃的温度下通过固态电解质表面发射出50-100μA的负氧离子束，在经过吸出电极和加速电极的共同作用获得50-220kV的加速电压，注入到硅衬底表面以下100-400nm的深度，再经后续高温退火处理，获得SOI晶片。
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| CN202110059971.3A Pending CN112802728A (zh) | 2021-01-18 | 2021-01-18 | 一种基于固态电解质的氧离子源、离子注入机及其在制备soi晶片中的应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112802728A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004296221A (ja) * | 2003-03-26 | 2004-10-21 | Ulvac Japan Ltd | 酸素マイナスイオン発生装置 |
| US20080211376A1 (en) * | 2007-02-20 | 2008-09-04 | Hiroshi Yasuda | Electron gun, electron beam exposure apparatus, and exposure method |
| US20090121148A1 (en) * | 2005-03-29 | 2009-05-14 | University Of Basel | High Brightness Solid State Ion Beam Generator, its use, and Method for Making such a Generator |
| CN108475606A (zh) * | 2016-01-29 | 2018-08-31 | 瓦里安半导体设备公司 | 陶瓷离子源室 |
-
2021
- 2021-01-18 CN CN202110059971.3A patent/CN112802728A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004296221A (ja) * | 2003-03-26 | 2004-10-21 | Ulvac Japan Ltd | 酸素マイナスイオン発生装置 |
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| Title |
|---|
| ANDRE´ ANDERS: "Cathodic Arcs：From Fractal Spots to Energetic Condensation", 31 December 2008, SPRINGER, pages: 94 - 95 * |
| YUKIO FUJIWARA ET AL.: ""An Oxygen Negative Ion Source of a New Concept Using Solid Oxide Electrolytes"", JOURNAL OF THE ELECTROCHEMICAL SOCIETY, vol. 150, no. 2, 13 January 2003 (2003-01-13), pages 117 * |
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