CN1230859C - 用于非直接加热阴极式离子源的阴极装置 - Google Patents

Abstract

非直接加热阴极式离子源的阴极被至少一个杆或钉支撑。阴极优选为盘状，支撑杆的直径小于阴极盘的直径以减少热传导和热辐射。在一个实施例中，阴极被单个杆在盘中心或中心附近支撑。为简单和稳定地夹紧和分离，支撑杆被一个弹簧夹夹持。阴极盘和支撑杆可制造成一块。一发射热电子化电子的丝极在靠近阴极处安装在支撑杆周围。

Description

用于非直接加热阴极式离子源的阴极装置

涉及的相关申请

本申请要求在2000年5月17日提交的、序列号为60/204,936的临时申请和在2000年5月17日提交的、序列号为60/204,938的临时专利申请的权益。

本发明的技术领域

本发明涉及离子源，这种离子源适用于离子注入器，特别涉及那种带有非直接加热阴极的离子源。

背景技术

离子源是离子注入器的关键部分。离子源产生一离子束，离子束穿过离子注入器的束流管道并传送到半导体晶片。离子源应能产生稳定的和限定清楚的离子束，以应用于各种不同的离子和抽出电压。在一个半导体生产设备中，离子注入器，包括离子源在内，都需要使用很长时间而不需要维护和修理。

离子注入器通常用带有直热阴极的离子源，其特征是一个发射电子的丝安装在离子源的弧形腔室内并暴露于一位于孤形腔室内的高腐蚀的等离子体区。这种直接加热阴极构成一个直径相对较小的导线丝，所以在弧形腔室的高腐蚀的环境中在一个相对较短的时间内就不能使用了。所以直接加热阴极离子源的寿命受到限制。

在离子注入器中为了提高离子源的寿命，非直接加热阴极离子源已经发展起来。非直接加热阴极包括一相对较大的阴极，阴极被来自丝极的电子轰击加热并放射热电子。这种丝极与弧光腔室的等离子体隔离，这样就能有一个长的使用寿命。尽管阴极暴露于弧光腔室的的高腐蚀环境中，其相对较大的结构能使其使用一个很长的时期。

非直接加热阴极式离子源的阴极必须与其周围环境电绝缘并联接到一电源上，还要与周围环境热绝缘以防使其温度降低而不能发射电子。在公知的先前技术中，非直接加热阴极是一个圆盘形的阴极，圆盘形阴极在其外周被一个直径大体上与圆盘阴极相同的薄壁管支撑。这种管有一个很薄的壁以减少它的交叉接触面积，这样可减少从热阴极的热量散失。这种薄壁的典型特点是在其长度方向上有挖去部分，这可起绝缘隔断作用并可减少阴极的热量散失。

这种用于支撑阴极的薄壁管不发射电子，但其有一个大的表面区域，大部分处于高温状态。这个区域通过辐射散失热量，这是阴极散失热量的主要途径。大直径的薄壁管一方面使其尺寸增加，另外还增加了安装到阴极的结构的复杂性。一个公知的阴极支撑部件包括三个部分并需要螺纹联接。

这种非直接加热阴极式离子源典型的特征是包括一个丝极电源、一个偏置电源和一弧光电源的，还需要一个控制系统来调节这些电源。先前公知的用于非直接加热阴极式离子源的控制系统是调节电源以获得一个恒定弧光电流，应用这种恒定弧光电流系统所带来的一个麻烦是，如果束流管道被调谐，在束流管道下游端所测得的束流电流会增加，这种电流的增加要么是由于调谐使通过束流管道的电流传输率的增加引起的，要么是从离子源抽出的电流量增大引起的。既然束流电流和电流传输受到这么多参数的影响，调谐大束流电流传输是困难的。

先前用于直接加热阴极式离子源的解决方法是控制恒定抽出电流源而不是控制恒定弧光电流源。在所有用于控制恒定抽出电流源的情况中，控制系统驱动一个阴极是直接加热丝极的Bernas型离子源。

发明概述

根据本发明的一个方面，用于非直接加热阴极式离子源的阴极装置包括一个阴极分装置、一个阴极和一个固定安装到阴极上的支撑杆；一个用于发射电子的丝极，其安装在弧光腔室外接近阴极分装置的支撑杆的位置；和一个沿阴极分装置的阴极周围设置的阴极绝缘体，用于将阴极与弧光腔室电绝缘和热绝缘。

阴极分装置可以包括一个非直接加热阴极和一个固定联接到非直接加热阴极用于支撑位于离子源弧光腔室内的阴极的支撑杆。在一个实施例中，支撑杆联接到背离弧光腔室的阴极的一个面上。支撑杆可以机械方式支撑阴极以便导电。阴极可以是盘状，支撑杆沿其轴联接到或靠近阴极的中心上。支撑杆也可以是圆柱形的，并且阴极的直径应大于圆柱支撑杆的直径。在一个具体方案中，阴极的直径至少为圆筒支撑杆直径的四倍以上。阴极分装置还可以包括一个弹簧夹用于固定支撑杆。

一丝极绕支撑杆在接近阴极的地方以与弧光腔室内的等离子体区绝缘的方式安装。丝极由导电物质制造，并包括一个弧形圈，弧形圈的内径大于或等于支撑杆的直径。丝极截面积沿丝极长度方向上可能各不相同，但其在弧形弯曲处面积最小。

阴极绝缘部件使阴极与弧形腔室壳体电绝缘和热绝缘。在一个实施例中，阴极绝缘部件包括一直径大于或等于阴极直径的开口。在阴极绝缘部件和阴极之间有一可以减少温度的传导的空间间隙。阴极绝缘部件有一个大体上为管状的侧壁和一个使阴极绝缘部件的侧壁与弧形腔室内的等离子区隔离的法蓝。为增加在阴极和弧形腔室壳体之间的路径长度，法蓝可以在背离等离子区的一边开有一个槽。

根据本发明的另一个方面，一种支撑和加热离子源阴极的方法包括用一固定到阴极上的杆，和用电子对阴极的轰击。根据本发明的另一方面，用于离子源的一个阴极分装置包括一个阴极、一固定联接到阴极上的支撑杆、一用于使阴极与弧形腔室壳体电绝缘和热绝缘的阴极绝缘部件，和一个用于非直接加热阴极的非直接加热部件。

附图说明

为更好地理解本发明，请参照附图，本发明的附图合并在此它们是：

图1是根据本发明的一个实施例的非直接加热阴极式离子源的方框图；

图2A和图2B分别是如图1所示的阴极的正视图和透视图；

图3A至图3D分别是如图1所示的离子源的丝极的透视图、正视图、腑视图和侧视图；

图4A至图4C分别是如图1所示的离子源的阴极绝缘器件的透视图、剖面图和局部剖面图；

图5概要示出了离子源控制器的用于控制抽出电流的反馈回路；

图6概要示出了根据第一种控制算法的图1所示离子源控制器的运算关系；和

图7概要示出了根据第二种控制算法的图1所示离子源控制器的工作关系。

发明详述

图1示出了一根据本发明的一个实施例的非直接加热式离子源。带有一抽出孔12的一弧光腔室壳体10确定了一弧光腔室14。一阴极20和一个反射电极22安装在弧光腔室14内。反射电极22是电绝缘的。一阴极绝缘器件24使阴极20和弧光腔室壳体10电绝缘和热绝缘。阴极20和绝缘器件24被空间间隙开，以防热量传导。

一安装在弧光腔室14外并与阴极20非常接近的丝极30给阴极20加热。

电离气体通过一气体入口34由气体源32传入弧光腔室12。在另一未示出的结构中，弧光腔室14可以和一汽化器结合，汽化器能汽化一种在弧光腔室内能电离的的物质。

一弧光电源50包括一联接到弧光腔室壳体10的正极和一联接到阴极20的负极。弧光电源50具有电压100伏、电流10安培的额定值，也可工作有50伏。弧光电源50加速由阴极20发射出的电子进入弧光腔室内的等离子区。一偏置电源52包括一联接到阴极20的正极和一联接到丝极30的负极。偏置电源52可工作在电压为600伏电流为4安培的额定值，也可工作在电流大约为2安培和电压大约为400伏。偏置电源52加速由丝极30发射的电子到阴极20以便给阴极20加热。一丝极电源54有一联接到丝极30的输出电极。丝极电源54可工作在电压为5伏电流为200安培的额定值，也可工作在丝极电流大约为150至160安培的范围。丝极电源54给丝极30加热，这样就能产生向阴极20加速的电子以便给阴极20加热。一磁体60产生在弧光腔室14内的磁场B，磁场的方向如箭头62所示。磁场B的方向也可以是反方向的，这对离子源的工作没有影响。

一抽出电极，在这里为地极70，和一抑制电极72，它们安装在抽出孔12的前面。地极70和抑制极72分别有一个孔，这些孔和抽出孔12对准以便更好地限定离子束74。

抽出电源80包括一个穿过一通用传感电阻110联接到弧光腔室壳体10的正极和联接到地极70的负极。抽出电源80可工作在电压为70千伏(kV)电流为25至200毫安培的额定值。抽出电源80提供从弧光腔室14抽出离子束74的抽出电压。抽出电压可以根据离子束74中的离子的能量要求被调节。

抑制电源82包括一联接到抑制电极72的负极和一接地的正极。抑制电源82可以输出-2kV至-30kV的电压。负向偏置的抑制电极72抑制离子束74中的离子移动。应当明白，电源50、52、54、80和82的额定电压和额定电流以及工作电压和电流在这里只是以举例的方式给出，并不限定本发明的保护范围。

离子源控制器100控制离子源。离子源控制器100可以是一个程序化的控制器也可以是一个特殊目的的控制器。在优选的实施例中，离子源控制器100是和离子注入器的主控制计算机合并在一起的。

离子源控制器100控制弧光电源50、偏置电源52和丝极电源54以产生从离子源抽出的一理想抽出离子电流。通过调整从离子源抽出的抽出电流，使离子束被调谐至最佳传送状态，有利于离子源的寿命和减少缺陷，因为离子束较少产生微粒和离子束的损耗减少，所以污染少并能改善维护。另一个优点是能比较快地调谐离子束。

离子源控制器100可以接收线102和线104上的电流传感信号，这个电流信号为由抽出电源80提供的抽出电流I_E。电流感应电阻110与抽出电源80的一根电源引线串联以感应抽出电流I_E。另一种设置方式是，抽出电源80可以设计成在线112上提供一电流感应信号来代表抽出电流I_E。抽出电源80根据离子束74的束流电流提供抽出电流I_E。离子源控制器100还接收参考电流信号I_EREF，这个信号代表理想的抽出电流。离子源控制器100比较感应抽出电流I_E和参考抽出电流I_EREF，得到一个差值，这个差值可以是正也可以是负或者是零。

一个控制算法根据差值来调节电源的输出。控制算法的一个实施例是用一个如图5所示的比例积分微分(PID)回路，PID回路的作用是维持产生离子束的抽出电流I_E在参考抽出电流I_EREF附近。PID回路通过不断调节PID计算部分224的输出来达到调节感应抽出电流I_E不断接近于参考抽出电流I_EREF。PID计算部分224从离子产生装置230(图1)接受反馈的差额电流信号I_EERROR，I_EERROR是感应抽出电流I_E和参考抽出电流I_EREF之差。PID回路的输出可以从离子源控制器100至弧光电源50、偏置电源52和丝极电源54以保持抽出电流I_E接近参考抽出电流I_EREF。

根据第一种控制算法，由偏置电源52(图1)提供的偏置电流I_B根据抽出电流差值I_EERROR的变化而变化，这样就能控制抽出电流I_E与参考抽出电流I_EREF相同或接近。偏置电流I_B代表由丝极30流向阴极20的电子流。特别地，有时为增加抽出电流I_E偏置电流I_B会增加，和有时为减小抽出电流I_E偏置电流I_B会减小。偏置电压V_B是不固定的并根据所需偏置电流I_B的不同而变化。另外，根据第一种控制算法，由丝极电源54提供的丝极电流I_F保持在一恒定值，丝极电压V_F是不固定的，而由弧光电源50提供的弧光电压V_A保护一恒定值，弧光电流I_A是不固定的。第一种控制算法的优点是性能好、简单和低成本。

根据第一种控制算法的离子源控制器100的工作方式在图6中被概要示出。输入端的在图1中标名的电压V₁、V₂和电阻R用于抽出电流计算部件220的计算。当输入电阻R基于电阻110(图1)的值时，输入电压V₁和V₂被计算出一个值。感应抽出电流是按下述公式计算的：I_E＝(V₁-V₂)/R。如果抽出电源80设计成能向离子源控制器100提供一能代表抽出电流I_E的电流感应信号，上面的计算可被省略。感应抽出电流I_E和参考抽出电流I_EREF输入到差值部件222。参考抽出电流I_EREF是根据所需要的抽出电流设定的一个值。抽出电流的差值I_EERROR为感应抽出电流I_E减去参考抽出电流I_EREF的差值，按下述公式计算：I_EERROR＝I_E-I_EREF。抽出电流的差值I_EERROR和三个控制参数(K_PB、K_IB和K_DB)被输入到PID计算部件224a。三个控制参数被优化以得到一最佳控制结果。特别地，K_PB、K_IB和K_DB要精心选择，以便产生对容许上升时间、过冲和恒稳态误差有瞬态响应的控制系统。PID计算部件的输出信号按下述公式确定：

O_b(t)＝K_PBe(t)+K_IBe(t)dt+K_DBde(t)/dt

其中e(t)是瞬时抽出电流差值，O_b(t)是瞬时输出控制信号。瞬时输出信号O_b(t)输入到偏置电源52，并提供一个信号，根据这个信号偏置电流I_B可调节至使抽出电流差值最小。输出控制信号O_b(t)的幅值和极性根据偏置电源52的控制需要而确定。然而一般情况下，当感应抽出电流I_E比参考抽出电流I_EREF小时输出控制信号O_b(t)会引起偏置电流I_B的增加，当感应抽出电流I_E比参考抽出电流I_EREF大时输出控制信号O_b(t)会引起偏置电流I_B的减小。

丝极电流I_F和弧光电压V_A由丝极和弧光电源控制器225控制保持在一个恒定值，如图6所示。根据离子源工作条件的需要所选择的控制参数被输入到丝极和弧光电源控制器225。由控制器225输出的控制信号O_f(t)和O_a(t)分别输入到丝极电源54和弧光电源50。

根据第二种算法，由丝极电源54(图1)输出的丝极电流I_F根据抽出电流差值I_EERROR的不同而变化，这样以控制抽出电流I_E等于或接近于参考抽出电流I_EREF。特别地，为使抽出电流I_E增加丝极电流I_F会减小，和为使抽出电流I_E减小丝极电流I_F会增加。丝极电压V_F是不变的。另外，根据第二种算法，由偏置电源52输出的偏置电流I_B保持恒定值，偏置电压V_B不变，和由弧光电源50提供的电压V_A保持恒定值，弧光电流I_A不变。

根据第二种控制算法的离子源控制器100的工作方式在图7中被概要示出。抽出电流计算部件220的工作如第一种控制算法那样，也是基于电压V₁、V₂和电阻R来确定一感应抽出电流I_E。感应抽出电流I_E和参考抽出电流I_EREF输入到差值计算部件226。抽出电流差值I_EERROR是参考抽出电流I_EREF减去感应抽出电流I_E的差值，按下述公式计算：I_EERROR＝I_EREF-I_E。这个计算不同于第一种算法的差值计算，在这儿运算数是相反的。运算数相反是为了控制回路产生一个抽出电流I_E与控制变量(在这里是I_F)之间的相反的关系，而不同于第一种算法的直接关系。抽出电流差值I_EERROR和三个控制参数输入到PID计算部件224b。参数K_PF、K_IF和K_DF不需要与第一种算法的控制参数有相同的值，因为它们是根据第二种控制算法选择的以使离子源工作在最佳状态的参数。然而，PID计算部件224b可以是相同的，按如下公式计算：

O_F(t)＝K_PFe(t)+K_IFe(t)dt+K_DFde(t)/dt

一个瞬时输出控制信号O_F(t)提供给丝极电源，并提供一个信号，根据这个信号丝极电流I_F被调节以使抽出电流差值最小。输出控制信号O_F(t)的幅值和极性根据丝极电源54的控制需要确定。然而一般情况下，当感应抽出电流I_E比参考抽出电流I_EREF小时输出控制信号O_F(t)会引起丝极电流I_F的减小；当感应抽出电流I_E比参考抽出电流I_EREF大时输出控制信号O_F(t)会引起丝极电流I_F的增加。

偏置电流I_B和弧光电压V_A由偏置和弧光电源控制器229控制保持在一个恒定值，如图7所示。根据离子源工作条件的需要所选择的控制参数被输入到偏置和弧光电源控制器229。由控制器229输出的控制信号O_B(t)和O_A(t)分别输入到偏置电源52和弧光电源50。

应当清楚，尽管第一种控制算法和第二种控制算法分别概要示出，离子源控制器100可被设计成能完成两种算法之一或两种算法都能完成。在这种情况下，离子源控制器100能执行两种算法，可以设计一个装置来选择某一特定算法，这由控制器100来执行。应当清楚，不同的控制算法可用于控制非直接加热式阴极离子源的抽出电流。在一个优选的实施例中，这种控制算法在控制器100中由软件来执行。然而也可以用一个微程序化的或布线的硬件控制器来执行。

当离子源工作时，丝极30在丝极电流I_F的作用下被加热至热电子的发射温度，这个温度大约在2200℃。丝极30发射的电子被丝极30和阴极20两端的偏置电压V_B加速，加速的电子轰击阴极20并为其加热。阴极20被电子轰击并被加热至热电子发射温度。由阴极20发射的电子被弧光电压V_A加速，加速的电子在弧光腔室14内把从气体源32送来的气体分子离子化，并产生等离子体放电。弧光腔室内的电子在磁场B的作用下旋转。反射极22在入射电子的作用下堆积了负电荷，最终有相当多的负电荷在弧光腔室14内来回反射电子，以产生另外的离子化碰撞。图1所示的离子源与直接加热阴极式离子源相比延长了寿命，这是因为丝极30没有安装在弧光腔室的等离子体区内和阴极20比传统的直接加热阴极大。

一个非直接加热阴极20的实施例在图2A和图2B中被示出。图2A是侧视图，图2B是阴极20的透视图。阴极20可以是盘状并与支撑杆150联接。在一个实施例中，支撑杆150联接到盘形阴极20的中心，并且支撑杆的直径比阴极20的直径要小，这样可以减少温度的传导和辐射。在另一个实施例中，可用多个支撑杆联接到阴极20上。例如，可以选择与第一支撑杆在尽寸和形状上不相同的第二支撑杆，将其联接到阴极20上，这样可以防止阴极20的错误安装。包括阴极20和支撑杆150的一个阴极分装置用弹簧夹152支撑在弧光腔室14(图1)内。弹簧夹152在空间上固定支撑杆150，而弹簧夹自身在空间上被一支撑机构(未示出)固定在弧光腔室上。如图1所示，支撑杆150为阴极20提供一机械支撑，并提供与弧光电源50和偏置电源52的电联接。因为支撑杆150有一个相对小的直径，所以热传导和热辐射会减少。

在一个实施例中，阴极20和支撑杆150由钨制造而成并可制造成一体部件。在这个实施例中，阴极20的直径为0.75英寸，厚度为0.2英寸。在一个实施例中，支撑杆150的长度为0.5至3英寸之间。例如，在一个优选的实施例中，支撑杆150的长度为大约1.75英寸，直径大约在0.04至0.25英寸之间的范围。在一个优选的实施例中，支撑杆150的直径为大约0.125英寸。一般情况下，支撑杆直径比阴极20的直径小。例如，阴极20的直径至少为支撑杆150的直径的4倍以上。在一优选实施例中，阴极20的直径大约为支撑杆150的直径的6倍以上。应当清楚，这些尺寸只是以举例的方式给出，而并不把本发明的保护范围限定于此。在另一实施例中，阴极20和支撑杆150被制成分体部件，并把它们挤压装配在一起。

一般情况下，支撑杆150为立体圆柱结构，并且至少一个支撑杆150来支撑阴极20，并把电能传导至阴极20。在一个实施例中，圆柱支撑杆150的直径在其长度方向上是不变的。在另一个实施例中，支撑杆150也可以是立体圆柱结构，但支撑杆150的直径沿其长度方向的位置不同而有所变化。例如，支撑杆150的直径在沿其长度方向的末端最小，这样可以增强支撑杆150和阴极20之间的热绝缘。支撑杆150安装到阴极20的背向弧光腔室的一个表面上。在一个优选的实施例中，支撑杆150安装在靠近阴极20的中心位置。

丝极30的一个实施例如图3A至3D所示。在这个实施例中，丝极30由导线制成并包括一个加热圈和联接线172、174。为使丝极30与如图1所示的丝极电源54联接，联接线172和174有合适的弯曲。在图3A至3D的实施例中，加热圈170制作成一个圆弧形弯曲，并且圆弧形弯曲的内直径大于或等于支撑杆150的直径。在图3A至3D的实施例中，加热圈170的内直径为0.36英寸，外直径为0.54英寸。丝极30可由直径为0.090英寸的钨丝制成。优选地，在沿加热圈170的长度方向上并在靠近阴极20(图1)的附近处，钨丝的截面积减小。例如，沿弧形弯曲处钨丝的直径可被减小到较小直径，通常为0.075英寸，这样在靠近阴极20的地方可以增加电阻和增强加热，并且还可增强对联接线72和74的加热。优选地，加热圈170在空间上离阴极20大约为0.020英寸。

阴极绝缘器件24的一个实施例如图4A至4C所示。正如图所示，绝缘器件24是一个带有为容纳阴极20的一个中心开口200的总体上为环状的结构。绝缘器件24被制成能使阴极20与弧光腔室壳体10(图1)电绝缘和热绝缘的结构。优选地，中心开口200的尺寸比阴极20稍大一点，这样可以在绝缘器件24和阴极20之间提供一个空间间隙以防止热的传导。绝缘器件24也可以有一个法兰202，它可以为绝缘器件24的侧壁204遮护弧光腔室14(图1)内的等离子体。法兰202在背离等离子体的一面开有一个槽206，这个槽可以增加阴极20和弧光腔室壳体10之间的路径长度。这种绝缘器件的设计可以减少绝缘器件上的沉淀物所引起的阴极20与弧光腔壳体10之间的短路危险。在一个优选实施例中，阴极绝缘器件24由氮化硼制成。

在这儿已经示出和描述了目前认为本发明的优选实施例，应当清楚，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的权利要求所限定的保护范围的条件下，可以对本发明作出各种变化和修改。更应当清楚，在本发明的保护范围内对所描述的技术特征可以分离应用和组合应用。

Claims (8)

1.一种带有用于确定一弧光腔室的弧光腔室壳体的非直接加热式离子源的阴极装置，包括：

阴极分装置，其包括阴极和固定安装到阴极上的支撑杆；

和

发射电子的丝极，丝极安装在弧光腔室外并靠近阴极分装置的支撑杆，并且与弧光腔室中的等离子体相隔离；和

能使阴极与弧光腔室壳体电绝缘和热绝缘的阴极绝缘部件，其环装在阴极分装置的阴极的周围。

2.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于所述的丝极的位置是环绕于支撑杆并靠近阴极。

3.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：所述丝极环装在支撑杆周围并靠近阴极，丝极由导电物质制成并且包括内直径大于或等于支撑杆直径的弧形弯曲。

4.如权利要求1所述的阴极装置，其特征在于：所述丝极环装在支撑杆周围靠近阴极，丝极由导电物质制成并且包括内直径大于或等于支撑杆直径的弧形弯曲，并且丝极的截面积沿着丝极长度方向上有变化，并且丝极的截面积沿弧形弯曲最小。

5.如权利要求1所述的阴极装置，其中所说的阴极绝缘部件包括直径大于或等于阴极直径的开口。

6.如权利要求5所述的阴极装置，其中在阴极绝缘部件和阴极之间有空间间隙以防止热传导。

7.如权利要求5所述的阴极装置，其特征在于所说的阴极绝缘部件有总体上为管状的侧壁并包括法兰，法兰用于为阴极绝缘部件的侧壁遮挡弧光腔室内的等离子体。

8.如权利要求7所述的阴极装置，其特征在于在法兰背离等离子体的一边开有一个槽，以增加阴极和弧光腔室壳体之间的路径长度。

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