CN211788911U - 离子源引出电极系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离子源引出电极系统，包括等离子体电极和引出电极组，所述引出电机组在束流前进方向上依次包括第一地电极、抑制电极和第二地电极，其中，第一地电极和第二地电极接地，所述抑制电极接负压，所述等离子体电极接正压，所述等离子体电极和第一地电极之间的电场为引出电场，所述引出电场用于控制等离子体引出界面的曲率和形状。引入另一个地电极作为屏蔽地电极，用于电场屏蔽隔离等离子体电极和抑制电极，稳定引出电场和电场透镜电场，控制等离子体引出界面曲率和形状，从而来控制束流的初始形状，由此得到理想的束流形态。

Description

离子源引出电极系统

技术领域

本实用新型涉及一种引出电极系统。

背景技术

随着离子注入机的发展，产能的不断提升，以及更多领域(半导体集成电路、单晶光伏电池、和面板显示等)的广泛应用，离子源和束流引出系统指标也被提出了新要求，在增加束流电流的同时，束流的宽幅幅度、束流密度均匀性、束流发散角的可控性(最小像差条件)、离子源运行稳定性等已成为当前的需要攻克的难题。

传统大束流引出系统基本以三电极系统为主，通常称之为等离子体电极、抑制电极、和地电极。抑制电极的主要功能如期名字一样具有抑制来自束流下游的电子，保护处于高电势的离子源部件免受电子轰击损坏，抑制电极的另外一个功能是通过调节等离子体电极和抑制电极间的电压差，实现电场透镜效果，对束流实现引出(离子加速过程)和束流发散角度的控制。在束流密度相对较低的情况下，离子束流所产生的空间电场扰动相对于电极间已形成的电场来说基本可以或略，束流也处于一个相对平衡的亚稳态状态，但随着束流密度的增加，离子束流所产生的空间电场和电极场一起形成了一个复杂的综合电场，这时束流的光学特性(聚焦、发散、像差)就完全取决于这个综合电场，所以一旦等离子体、束流、或电极的一个微小变化就会导致这个综合电场突变，并且无法逆转，束流也完全失去了控制。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中引出电极系统的电场难以精确控制的缺陷，提供一种能妥善控制等离子体引出界面(等离子体半月面)的离子源引出电极系统。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种离子源引出电极系统，其特点在于，其包括等离子体电极和引出电极组，所述引出电机组在束流前进方向上依次包括第一地电极、抑制电极和第二地电极，其中，第一地电极和第二地电极接地，所述抑制电极接负压，所述等离子体电极接正压，所述等离子体电极和第一地电极之间的电场为引出电场，所述引出电场用于控制等离子体引出界面的曲率和形状。

优选地，通过调节第一地电极和所述等离子体电极之间的间距来调节所述引出电场。

优选地，第一地电极用于电场屏蔽所述等离子体电极以稳定所述引出电场。

优选地，第一地电极和所述抑制电极之间的电场为电场透镜电场，第一地电极用于电场屏蔽所述抑制电极以稳定所述电场透镜电场。

优选地，通过调节所述抑制电极的电压来调整引出电极组的等效电场透镜参数以控制束流的发散角。

优选地，所述引出电极组在束流前进方向上是可整体平移的。

优选地，第一地电极与所述抑制电极之间的间距是固定的，所述抑制电极和第二地电极之间的间距是固定的。

优选地，所述抑制电极和第二地电极是固定的，第一地电极在束流前进方向上是可平移的。

优选地，所述抑制电极用于防止来自束流下游的电子穿越引出电极组的开孔和等离子体电极的开孔进入离子源。

优选地，所述等离子体引出界面的形状为在束流传输方向上束流的发散、平行或聚焦。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型的积极进步效果在于：在现有技术的三电极基础上引入另一个地电极作为屏蔽地电极，用于电场屏蔽隔离等离子体电极和抑制电极，稳定引出电场和电场透镜电场，控制等离子体引出界面曲率和形状，从而来控制束流的初始形状，由此得到理想的束流形态。

即使离子束流的瞬间变化和发散角的跳动，发散的束流会被屏蔽地电极所挡住，避免抑制电极被束流照射导致抑制电源过载保护，束流引出中断。

对抑制电极的电压调整，可以改变引出电极组的等效电场透镜参数，从而达到对束流发散角的控制。

这样的电极引出系统具有对大束流调节的单参数对应调节的优越性，等离子体引出界面曲率和形状主要受等离子体电极和引出电极组的间距的影响，而引出电极组的电场透镜效应只和抑制电极的电压有关。在调大束流情况下，这种可独立优化，不需要对多调节参数循环调整的特点，提供了更快速简便的束流优化调整方法。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的离子源引出电极系统的示意图。

图2为本实用新型一实施例的离子束经由离子源引出电极系统传输的示意图。

图3为本实用新型一实施例等离子体引出界面为凹面(束流聚焦)的示意图。

图4为本实用新型一实施例等离子体引出界面基本为平面(束流平行传输)的示意图。

图5为本实用新型一实施例等离子体引出界面为凸面(束流发散)的示意图。

图6为本实用新型一实施例的离子源引出电极系统的电场模拟示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

下面结合图1-图6，以一具体实施例来阐述本实用新型的技术方案。该离子源引出电极系统，包括等离子体电极11和引出电极组2，等离子体电极和离子源腔体中的等离子体100紧密接触，在这里等离子体电极11设置于离子源腔体上，而等离子体电极的电位即决定了等离子体的电位。所述引出电机组2在束流前进方向A上依次包括第一地电极21、抑制电极22和第二地电极23，在本实施例中采用上下两块等电位的电极形成引出电极组中的每个电极。电极的材料选择高温稀有金属材料，如钨、钼。在电极尺寸逐渐增大的情况下，考虑到成本和重量因素，高纯石墨材料也成为电极材料的选择。根据不同的实际应用要求，电极也可采用高温有色金属和石墨的组合。等离子体电极11的中央有用于供束流穿过的开孔10，同样地，第一地电极21、抑制电极22和第二地电极23中央也形成供束流穿过的开孔20。本实施例所述的离子源引出电极系统适用于多种开孔形状的电极，例如对于狭缝电极开孔，引出的束流呈长条形(宽束束流，ribbon beam)，束流的长边方向是垂直图1中纸面的方向，束流的短边方向是纸面中垂直于A的方向。对于圆孔电极开孔，所示的电极开孔为圆对称结构。该结构，同样也适用与网状引出电极。

其中，第一地电极21和第二地电极23接地，所述抑制电极接负压，所述等离子体电极接正压，所述等离子体电极11和第一地电极21之间的电场为引出电场，所述引出电场用于控制等离子体引出界面的曲率和形状。通过调节第一地电极21和所述等离子体电极11之间的间距来调节所述引出电场。第一地电极21用于电场屏蔽所述等离子体电极以稳定所述引出电场。在这一技术方案中，第一地电极21接地保证了其电位是固定的，永远都在0伏电压。相对于其他用电源来控制的电极，其电压控制受电源的输出功率和最大电流等限制，经常遇到电源过载的问题，导致电源输出电压失控，从而导致束流状态失控，无法恢复。而本实用新型的技术方案则很好的规避了这一问题。

第一地电极21和所述抑制电极22之间的电场为电场透镜电场，第一地电极21用于电场屏蔽所述抑制电极22以稳定所述电场透镜电场。通过调节所述抑制电极22的电压来调整引出电极组的等效电场透镜参数以控制束流的发散角。参见图2，期望得到在束流前进方向上基本平行传输的束流3，而非具有较大发散角的束流31，那么就需要调节抑制电极22的电压使得发散角被控制在理想范围内。具体来说，对抑制电极的电压调整，可以改变引出电极组的等效电场透镜参数，从而达到对束流发散角的控制。因为束流的发散、准直、聚焦特性主要还是取决于等离子体发射面形状(又称等离子体新月面，plasma meniscus)，只是由作为屏蔽地电极的第一地电极21、抑制电极22、和第二地电极23组合一起的引出电极组，本身就构成一个电场透镜，所以可以通过调节抑制电极电压来改变电场透镜参数，从而优化束流光学特性。

具体来说，所述引出电极组2在束流前进方向上是可整体平移的。

一种方式是第一地电极21与所述抑制电极22之间的间距是固定的，所述抑制电极22和第二地电极23之间的间距是固定的。那么只需要整体平移引出电极组，来调整第一地电极21和等离子体电极11之间的间距，就能控制等离子体引出界面的曲率和形状。

另一种方式是，所述抑制电极22和第二地电极23是固定的，第一地电极21在束流前进方向上是可平移的。这时候仅需要移动第一地电极21，就能调整等离子体引出界面的曲率和形状。因为在离子注入设备中，离子源和束流传输系统都在真空下工作，而一般来说控制设备都是设置在大气环境下的，那么需要移动的对象越少，对于控制设备和真空系统之间的连接来说设计上是有利的。

除了控制束流的发散角外，所述抑制电极用于防止来自束流下游的电子穿越引出电极组的开孔和等离子体电极的开孔进入离子源。

主要参考图3-图5，所述等离子体引出界面的形状为在束流传输方向上束流的发散(图5的凸面)、平行(图4)或聚焦(图3的凹面)。具体来说，由于第一地电极21保持在一个稳定的电位上(0伏)，而离子能量决定了等离子体电极11的电位，所以在这两个确定电位电极间的离子束流引出电场就由这两个电极间的间距来调节了。引出离子束流的束流几何特性(发散、平行、聚焦)取决于等离子体密度和引出电场强度。在某个工作等离子体密度下，调节第一地电极21和等离子体电极11的间距，就可以调节引出电场，有效地改变等离子体电极开口处的等离子体发射面形状(又称等离子体新月面，plasma meniscus)。缩小间距，增加电场，等离子体发射面形状就会内凹，离子束呈现聚焦特性；逐渐加大间距，发射面形状由内凹变平，离子束则具有比较平行的准直束流特性；再进一步加大间距，发射面形状开始变成外凸形状，这时的离子束就变成发散的了。

在传统的三电极系统中，施加于不同电极上的电压，例如等离子体电极的电压(离子能量电子伏特电压)和抑制电极的电压(抑制电压)和等离子体密度相互间有比较密切的关系。其中一个参数变化，其它参数需要跟进优化。但在插入第一地电极21后，有效的隔离了抑制电极22的电压对引出束流的影响，这很大程度上简化了束流优化操作。

参考图6，通过IBSimu模拟电场(IBSimu软件为欧洲JYFL实验室开发模拟软件，计算语言用的是C++)束流模拟计算来模拟使用本实施例的引出电极系统的电场分布情况。横坐标为束流传输方向离离子源的参考距离，纵坐标为电极半开口尺寸(束流中心到电极开口边缘的尺寸，如果开口是圆形的，这个表示开口圆半径。如果是狭缝开口，纵坐标就表示了狭缝的半开口宽度)。最左侧为等离子体100反应区。在模拟计算中，等离子体电极11上施加9kV正压，抑制电极施加-3kV。

本实用新型描述了一种大离子束流离子源引出电极系统，克服了由大束流引起的离子源引出电极电场控制不稳的问题，进而极大地改善了离子源运行稳定性，并能同时满足超宽束流幅度、均匀性、和小发散角的要求。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种离子源引出电极系统，其特征在于，其包括等离子体电极和引出电极组，所述引出电极组在束流前进方向上依次包括第一地电极、抑制电极和第二地电极，其中，第一地电极和第二地电极接地，所述抑制电极接负压，所述等离子体电极接正压，所述等离子体电极和第一地电极之间的电场为引出电场，所述引出电场用于控制等离子体引出界面的曲率和形状。

2.如权利要求1所述的离子源引出电极系统，其特征在于，通过调节第一地电极和所述等离子体电极之间的间距来调节所述引出电场。

3.如权利要求1所述的离子源引出电极系统，其特征在于，第一地电极用于电场屏蔽所述等离子体电极以稳定所述引出电场。

4.如权利要求1所述的离子源引出电极系统，其特征在于，第一地电极和所述抑制电极之间的电场为电场透镜电场，第一地电极用于电场屏蔽所述抑制电极以稳定所述电场透镜电场。

5.如权利要求4所述的离子源引出电极系统，其特征在于，通过调节所述抑制电极的电压来调整引出电极组的等效电场透镜参数以控制束流的发散角。

6.如权利要求1所述的离子源引出电极系统，其特征在于，所述引出电极组在束流前进方向上是可整体平移的。

7.如权利要求6所述的离子源引出电极系统，其特征在于，第一地电极与所述抑制电极之间的间距是固定的，所述抑制电极和第二地电极之间的间距是固定的。

8.如权利要求1所述的离子源引出电极系统，其特征在于，所述抑制电极和第二地电极是固定的，第一地电极在束流前进方向上是可平移的。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的离子源引出电极系统，其特征在于，所述抑制电极用于防止来自束流下游的电子穿越引出电极组的开孔和等离子体电极的开孔进入离子源。

10.如权利要求1-8中任意一项所述的离子源引出电极系统，其特征在于，所述等离子体引出界面的形状为在束流传输方向上束流的发散、平行或聚焦。

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