CN114258182B - 会切场离子源及离子束产生方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种会切场离子源及离子束产生方法，所述会切场离子源包括：放电室，放电室的一侧面上沿长度方向开设有引出缝，该引出缝用于从放电室引出等离子体，输出离子束；热阴极，热阴极设于放电室内，用于产生电子，电子与通入放电室内的气体碰撞产生所述等离子体；阳极，阳极设于放电室内且沿长度方向设置，用于吸引所述电子；磁性结构，磁性结构设置在放电室的外部，且沿放电室长度方向上分布，用于在放电室内产生磁场，约束电子在放电室中飞行；该技术方案，可以通过放电室的侧面设置较长的引出缝引出等离子体，从而实现较长的带状束流的输出，增大了离子束流覆盖范围，提升了会切场离子源的使用效果。

Description

会切场离子源及离子束产生方法

技术领域

本申请涉及离子源技术领域，尤其是涉及一种会切场离子源及离子束产生方法。

背景技术

离子源是通过电离中性原子或分子而引出离子束流的装置，其是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。

离子源的种类较多，在不同的应用场景中对于离子源的参数要求也不同；比如，主流的半导体低能大束流离子源，主要是使用的IHC(间热式阴极离子源)离子源，其基本结构参考图1所示，图1是一个常规离子源结构示意图，如图示，磁场结构(N-S)设置在离子源本体的两端，与阴极和对阴极方向平行，由于需要确保磁场强度，所以磁场结构的磁极N与S之间的距离设置有限，对于等离子体的引出缝长度受到限制，常规的引出缝长度不超过170mm，同时，如图示的磁场线所示，磁场为鼓型，两端弱中间强，磁极之间的磁场难以在整个长度方向上保持分布均匀，使得在引出束流的长度方向上，等离子体约束的不均匀也导致离子束的束流强度不均匀。

虽然其他类型的离子源，如高频离子源、阳极放电离子源等等可以实现长缝引出需求，但这些类型的离子源束流均匀性极差，束流强度远远不足，引出电压调节范围有限，束流波动大稳定性不够；因此，无法替代使用在要求引出长条形均匀大束流的工艺中。

如上分析，由于常规的离子源长度有限，且引出束流强度及其均匀度不足，当离子源用于注入大直径(如200mm以上)的晶圆，或者大长度(如1.5m以上)的面板的使用场景时，难以满足较大束流强度和达到束流在长度方向上的均匀性要求，影响了离子源的使用效果。

发明内容

本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，提供一种会切场离子源及离子束产生方法，从常规的端引出结构改为边引出结构，以提高会切场离子源的引出缝长度，增大离子束流覆盖范围和提升束流强度均匀性。

一种会切场离子源，包括：

放电室，所述放电室的一侧面上沿长度方向开设有引出缝，该引出缝用于从放电室引出等离子体，输出离子束；

热阴极，所述热阴极设于放电室内，用于产生电子，所述电子与通入放电室内的气体碰撞产生所述等离子体；

阳极，所述阳极设于放电室内且沿长度方向设置，用于吸引所述电子；

磁性结构，所述磁性结构设置在放电室远的外部，且沿放电室长度方向上分布，用于在放电室内产生磁场，约束所述电子在放电室中飞行。

在一个实施例中，所述磁性结构包括沿长度方向设置的多个磁极；

其中，S极的磁极与N极的磁极相间分布，各个磁极分布在均匀分布在放电室的外部。

在一个实施例中，所述阳极包括沿放电室长度方向分布设置的多根阳极棒，所述阳极棒设置在放电室远离引出缝的另一侧面内部且靠近放电室内壁的位置上。

在一个实施例中，所述磁极的数量为2n-1个，所述阳极棒的数量2n-2个，n≥2；

其中，所述磁极分别在对应的阳极棒位置产生设定强度的磁场。

在一个实施例中，所述的会切场离子源，还包括：

设于所述放电室远离引出缝的另一侧面上，且沿长度方向设置有多个进气口，用于通入流量可调的气体以及在所述放电室内形成设定密度的稀薄气体。

在一个实施例中，所述热阴极包括沿放电室长度方向设置，用于发射电子。

在一个实施例中，所述的会切场离子源，还包括：

设于所述引出缝外部的电极引出结构，所述电极引出结构包括多个电极，用于将放电室内的等离子体引出。

在一个实施例中，所述的会切场离子源，还包括：

设于所述放电室外侧的铁轭，所述磁性结构设置在所述铁轭上，所述铁轭与所述放电室之间的中空部位还设置有水冷却结构；

其中，所述铁轭用于传导磁场形成磁回路，所述水冷却结构用于降低放电室的温度和避免所述磁性结构高温退磁。

一种离子束产生方法，应用于会切场离子源，包括：

在放电室通入设定流量的气体；

启动热阴极产生电子；

向阳极加载设定电压并在所述放电室内产生磁场，所述电子在电场和磁场作用下被约束在所述放电室中飞行；其中，所述电子与气体分子碰撞产生等离子体；

从开设于所述放电室侧面上的引出缝引出等离子体，输出离子束。

在一个实施例中，所述的离子束产生方法，还包括：

分别控制通入每个进气口的气体流量以调整所述放电室内长度方向上的气体密度，调节放电室长度方向上输出离子束的束流强度均匀度。

上述会切场离子源及离子束产生方法，通过在放电室内沿长度方向设置的阳极，以及沿放电室长度方向上分布的磁性结构在放电室内产生磁场，通过电场和磁场的作用使得热阴极产生的电子被约束在放电室内飞行，提高电子寿命，电子与通入放电室内的气体充分碰撞产生等离子体，再通过放电室侧面沿长度方向开设的引出缝引出离子束；该技术方案，可以在放电室的侧面设置较长的引出缝，从而实现较长的带状束流的输出，增大了离子束流覆盖范围，提升了会切场离子源的使用效果。

另外，在离子束产生过程中，通过对气体流量的控制以调整电室内长度方向上的气体密度，进而调节放电室长度方向上输出离子束的束流强度均匀度，从而可以在较长的长度范围内实现离子束的束流强度均匀输出。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是一个常规离子源结构示意图；

图2是一个实施例的会切场离子源截面示意图；

图3是三磁极的会切场离子源结构示意图；

图4是五磁极的会切场离子源结构示意图；

图5是七磁极的会切场离子源结构示意图；

图6是一个实施例的会切场离子源侧面示意图；

图7是一个实施例的会切场离子源侧面示意图；

图8是电极引出结构示意图；

图9是一个示例的会切场离子源斜切面示意图；

图10是一个示例的会切场离子源截面示意图；

图11是一个实施例的离子束产生方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请的技术方案，针对于目前主流的半导体低能大束流离子源，难以实现较大束流强度和达到束流在长度方向上的均匀性要求的情况；通过设计新型的会切场离子源结构，实现了束流均匀性好，束流强度高，引出电压调节范围大，以实现在对离子束参数要求较高的工艺上进行使用。

参考图2所示，图2是一个实施例的会切场离子源截面示意图，附图为从会切场离子源两端视角(沿长度方向)的截面示意图，如图示，该会切场离子源，包括：放电室11、热阴极12、阳极13以及磁性结构14；其中，放电室11的一侧面上沿长度方向开设有引出缝11a，该引出缝11a用于从放电室11引出等离子体，输出离子束；热阴极12设于放电室11内，热阴极12可以采用灯丝或者阴极，用于产生电子，电子与通入放电室11内的气体碰撞产生等离子体；阳极13设于放电室11内且沿长度方向设置，用于吸引电子；磁性结构14设置在放电室11远离引出缝11a的另一侧的外部，且沿放电室11长度方向上分布，用于在放电室11内产生磁场，约束电子在放电室11中飞行。

如上所述结构的会切场离子源，通过在放电室11内沿长度方向设置的阳极13，以及沿放电室11长度方向上分布的磁性结构14在放电室11内产生磁场，热阴极12产生的电子飞向阳极13方向，同时电子在磁场作用下，被约束在电子在放电室11中飞行，适当设计磁场的分布结构及其大小，结合电场和磁场的作用，可以使得热阴极12产生的电子在放电室11中的寿命最大限度的增长，大大地增加了电子与气体碰撞概率，使得电子与气体分子充分碰撞产生等离子体。

同时，与Cuspig结构离子源采用两端引出方式不同，本申请实施例的技术方案，将常规会切场离子源从端引出的结构变为了从放电室11侧面引出结构，由放电室11侧面沿长度方向开设的引出缝11a引出离子束，解决了会切场离子源无法在大长度范围上产生均匀等离子体的缺陷，由于可以在放电室11的侧面设置较长的引出缝11a，实现较长的带状束流的输出，从而增大了离子束流覆盖范围，提升了会切场离子源的使用效果。

如图2所示，本申请的会切场离子源，在放电室11外侧设置有铁轭21，磁性结构14可以安装在铁轭21上，通过铁轭21可以传导磁场形成磁回路；另外，在铁轭21与放电室11之间的中空部位设置水冷却结构22，通过水冷却结构22可以稳定放电室11的温度和保护磁性结构14避免高温退磁。同时，在设于引出缝11a外部位置，还设置有电极引出结构23，该电极引出结构23包括多个电极，用于将放电室11内的等离子体引出。

为了更加清晰本申请的技术方案，下面继续结合实施例进行详细阐述。

在一个实施例中，磁性结构14可以包括沿长度方向设置的多个磁极，对于磁极，可以是永磁铁、电磁铁或铁轭21等；其中，S极的磁极与N极的磁极相间分布，各个磁极分布在均匀分布在放电室11的外部。同时，对于阳极13，其可以包括沿放电室11长度方向分布设置的多根阳极棒，阳极棒设置在放电室11远离引出缝11a的另一侧面内部且靠近放电室11内壁的位置上。

如上述实施例的方案中，磁极的数量可以为2n-1个，阳极棒的数量可以为2n-2个，n≥2；其中，磁极分别在对应的阳极棒位置产生设定强度的磁场。

结合图3至图5所示，图3是三磁极的会切场离子源结构示意图，图4是五磁极的会切场离子源结构示意图，图5是七磁极的会切场离子源结构示意图。

图3所示结构中，第一磁极14a和第三磁极14c为N极，第二磁极14b为S极，第一阳极棒13a处于第一磁极14a和第二磁极14b的磁场包裹当中，第二阳极棒13b处于第二磁极14b和第三磁极14c的磁场包裹当中；磁极可以在放电室11内壁附近产生大小为50高斯-2000高斯的磁场，在放电室11中心位置的磁场接近于零。阳极棒沿着放电室11长度方向设置，靠近放电室11相对引出离子束缝的内侧，相对于放电室11内壁的电位为0到+1000V，并处于50-2000高斯的磁场包裹下。

同理，在图4所示结构中，包括了第一磁极14a、第二磁极14b、第三磁极14c、第四磁极14d和第五磁极14e；对应地，在靠近放电室11内壁的位置上分别设置第一阳极棒13a、第二阳极棒13b、第三阳极棒13c和第四阳极棒13d。

同理，在图5所示结构中，包括了第一磁极14a、第二磁极14b、第三磁极14c、第四磁极14d、第五磁极14e、第六磁极14f和第七磁极14g；对应地，在靠近放电室11内壁的位置上分别设置第一阳极棒13a、第二阳极棒13b、第三阳极棒13c、第四阳极棒13d、第五阳极棒13e和第六阳极棒13f。

需要说明的是，上述实施例中所列举的为部分实施例形式，对于磁性结构14及阳极13结构的设置，可以根据实际需求进行设计；通过电场和磁场的共同作用下，使得向阳极棒或放电室11壁飞行的电子被磁场约束，最后沿着放电室11长度的方向上飞行，在飞行过程中可以极大提升电子与稀薄气体的碰撞概率，在放电室11长度方向上产生大量等离子体。

在一个实施例中，本申请的会切场离子源，在放电室11远离引出缝11a的另一侧面上，且沿长度方向设置有多个进气口11b，上述进气口11b可以沿放电室11长度方向均匀设置，每个进气口11b可以通入气体，且流量可调；从而可以在放电室11内形成设定密度的稀薄气体。对于水冷却结构22，可以在两个磁极之间设置一条冷水管回路，从而可以对内部进行充分散热，以达到最佳冷却效果。

参考图6，图6是一个实施例的会切场离子源侧面示意图，图6中所示的热阴极12包括沿放电室长度方向设置的灯丝，如图6所示，在放电室11靠近引出缝11a的一侧且沿长度方向安装的灯丝，可以在放电室11长度方向上均匀发射电子；另外，参考图7，图7是另一个实施例的会切场离子源侧面示意图，热阴极12也可以包括设于放电室11内一端端部的阴极，进一步的，在放电室11内另一端端部还可以设有同电位的对阴极，用于发射和反射电子；如图6和图7所示的从会切场离子源侧面视角的截面示意图，热阴极12发射的电子在阳极棒的电场作用力和磁场作用力的约束下电子只能沿放电室11长度方向上做螺旋状飞行；在放电室11的侧面上开设多个进气口11b，将气体均匀地通入到放电室11内，从而飞行中的电子与气体分子可以充分碰撞反应生成等离子体。

具体实施中，热阴极12相对于放电室11壁电位可以为0到-1000V；放电室11引出缝11a的离子束长度可以为100mm到3m，由此离子束长度方向上的束流强度密度可以为0-3mA/mm。

在一个实施例中，对于电极引出结构23，电极数可以为3-7个，一般采用三电极引出结构23，即弧电极231、抑制电极232和地电极233；如图8所示，图8是电极引出结构示意图，其中，放电室11所在的弧电极231在正高压上，电压范围可以为0到+100kV；抑制电极232电压范围可以为0到-50kV；地电极233连接在地电位上。

另外，当采用四电极或以上的电极引出结构时，可以在如图8的三电极基础上增加多个抑制电极来调制离子束的束流，其中间的电极电压范围可以为0到-50kV。对于电极上缝的长度范围，可以为100mm到3.3m，电极上缝的宽度范围可以为3mm到10mm。

上述实施例的电极引出结构，可以适当的调整各个电极的电压，从而使离子束从放电室稳定引出，并且保证一定的发射度或发散度。

参考图9和10所示，图9是一个示例的会切场离子源斜切面示意图，图10是一个示例的会切场离子源截面示意图，如图中是以五磁极和四阳极棒为例，本申请的会切场离子源，可以根据需求设计成长条形状，并能够输出大长度的离子束流，实现大范围覆盖功能。

下面阐述离子束产生方法的实施例。

本申请的离子束产生方法，应用于会切场离子源中，参考图11所示，图11是一个实施例的离子束产生方法流程图，所述方法包括如下步骤：

S1，在放电室通入设定流量的气体；具体的，可以通过分布在放电室侧面的通气口输入稀薄气体。

S2，启动热阴极产生电子。

具体的，热阴极采用沿长度方向安装的灯丝，可以在长度方向上均匀发射电子；热阴极采用一端端部的阴极，结合对阴极，用于发射和反射电子。

S3，向阳极加载设定电压并在放电室内产生磁场，电子在电场和磁场作用下被约束在所述放电室中飞行；其中，飞行中的电子与气体分子碰撞产生等离子体。

具体的，可以通过在放电室内沿长度方向设置的阳极，以及沿放电室长度方向上分布的磁性结构在放电室内指定区域产生设定强度的磁场，通过电场和磁场的作用使得热阴极产生的电子在放电室中受约束飞行，增大了电子在放电室内的寿命，从而提高了电子与气体分子碰撞概率。

S4，从开设于放电室侧面上的引出缝引出等离子体，输出离子束；具体的，可以在放电室的侧面设置较长的引出缝，从而实现较长的带状束流的输出。

上述实施例的技术方案，通过在放电室内的电场和磁场的作用使得热阴极产生的电子在放电室中受约束运动，使得电子与通入放电室内的气体充分碰撞产生等离子体，再通过放电室侧面的引出缝引出离子束；该技术方案，可以在放电室的侧面设置较长的引出缝，从而实现较长的带状束流的输出，增大了离子束流覆盖范围，提升了会切场离子源的使用效果。

进一步的，所述离子束产生方法在输出离子束过程中，还可以分别控制通入每个进气口的气体流量以调整放电室内长度方向上的气体密度，调节放电室长度方向上输出离子束的束流强度均匀度。

如上所述的实施例方案，通过对气体流量的控制以调整电室内长度方向上的气体密度，进而调节放电室长度方向上输出离子束的束流强度均匀度，从而可以在较长的长度范围内实现离子束的束流强度均匀输出。

需要说明的是，本申请的离子束产生方法可以应用于本申请实施例所提供的会切场离子源，也可以应用于其他类型的实现相同功能的会切场离子源中，特此声明；对于上述离子束产生方法在会切场离子源上应用的详细过程，参考本申请实施例的会切场离子源运行过程，此不再赘述。

综合上述实施例，本申请提供的技术方案，可以实现较长的长度上开设等离子体引出口，实现较长的带状束流的引出(如100mm-3m)，实现较高的离子束的束流强度均匀度(均匀性在90％-99.5％范围)，束流强度大(如范围0-3mA/mm)，以及稳定的输出(24小时内束流波动不超过5％)。

采用本申请的技术方案，可以做各种大范围的加工工艺，例如离子束溅射、离子束镀膜、离子束抛光以及离子束注入等，提高生产效率；提高工艺的质量，尤其是与均匀性相关的指标；离子束的束流强度比较大，提高工艺速度，提高生产效率；适用于各种气体放电引出各种工艺离子束应用场景中。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种会切场离子源，其特征在于，包括：

放电室，所述放电室的一侧面上沿长度方向开设有引出缝，该引出缝用于从放电室引出等离子体，输出离子束；

热阴极，所述热阴极设于放电室内，用于产生电子，所述电子与通入放电室内的气体碰撞产生所述等离子体；

阳极，所述阳极设于放电室内且沿长度方向设置，包括沿放电室长度方向分布设置的多根阳极棒，所述阳极棒设置在放电室远离引出缝的另一侧面内部且靠近放电室内壁的位置上，用于吸引所述电子；

磁性结构，所述磁性结构设置在放电室的外部，且沿放电室长度方向上分布，包括沿长度方向设置的多个磁极，所述磁极的数量为2n-1个，所述阳极棒的数量2n-2个，n≥2；其中，S极的磁极与N极的磁极相间分布，各个磁极分布在均匀分布在放电室的外部，用于在放电室内产生磁场，所述磁极分别在对应的阳极棒位置产生设定强度的磁场，约束所述电子在放电室中飞行；

多个进气口，所述进气口设于所述放电室远离引出缝的另一侧面上，且沿长度方向设置，用于通入流量可调的气体以及在所述放电室内形成设定密度的稀薄气体；

电极引出结构，所述电极引出结构设于所述引出缝外部，包括多个电极，用于将放电室内的等离子体引出。

2.根据权利要求1所述的会切场离子源，其特征在于，所述热阴极包括沿放电室长度方向设置的灯丝或者设于放电室一端的阴极，用于发射电子。

3.根据权利要求1所述的会切场离子源，其特征在于，还包括：

设于所述放电室外侧的铁轭，所述磁性结构设置在所述铁轭上，所述铁轭与所述放电室之间的中空部位还设置有水冷却结构；

其中，所述铁轭用于传导磁场形成磁回路，所述水冷却结构用于降低放电室的温度和避免所述磁性结构高温退磁。

4.一种离子束产生方法，其特征在于，应用于权利要求1-3任一项所述的会切场离子源，包括：

在放电室通入设定流量的气体；

启动热阴极产生电子；

向阳极加载设定电压并在所述放电室内产生磁场，所述电子在电场和磁场作用下被约束在所述放电室中飞行；其中，所述电子与气体分子碰撞产生等离子体；

从开设于所述放电室侧面上的引出缝引出等离子体，输出离子束。

5.根据权利要求4所述的离子束产生方法，其特征在于，还包括：

分别控制通入每个进气口的气体流量以调整所述放电室内长度方向上的气体密度，调节放电室长度方向上输出离子束的束流强度均匀度。

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