CN216391496U - 等离子体生成装置及离子源 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种等离子体生成装置和离子源；所述等离子体生成装置包括：放电室，设于所述放电室内部的热阴极，设于放电室内部的阳极，以及设于所述放电室外部的磁性结构；其中，所述放电室的一侧面上开设有引出等离子体的引出缝；所述阳极对所述热阴极相对正压；所述磁性结构在所述放电室内的所述阳极周围产生磁场；所述热阴极产生电子，所述电子在所述阳极的电场与所述磁性结构的磁场作用下在所述放电室内受约束飞行，并与通入放电室内的气体分子碰撞产生所述等离子体，所述等离子体从所述引出缝引出；该技术方案，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，提升了等离子体输出效果。

Description

等离子体生成装置及离子源

技术领域

本申请涉及离子源技术领域，尤其是涉及一种等离子体生成装置及离子源。

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；目前在对离子束参数要求较高的工艺上，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，其磁场结构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，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。

由于引出离子束长度有限、束流强度有限以及离子束的束流强度不均匀，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。

实用新型内容

本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，提供一种等离子体生成装置及离子源，从常规的端引出结构改为边引出结构，以提高等离子体的引出缝长度和提升束流强度均匀性。

一种等离子体生成装置，包括：放电室，设于所述放电室内部的热阴极，设于放电室内部的阳极，以及设于所述放电室外部的磁性结构；其中，

所述放电室的一侧面上开设有引出等离子体的引出缝；

所述阳极对所述热阴极相对正压；

所述磁性结构在所述放电室内的所述阳极周围产生磁场；

所述热阴极产生电子，所述电子在所述阳极的电场与所述磁性结构的磁场作用下在所述放电室内受约束飞行，并与通入放电室内的气体分子碰撞产生所述等离子体，所述等离子体从所述引出缝引出。

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，所述阳极设于放电室远离引出缝的另一侧面内部且沿长度方向设置。

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；其中，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，所述放电室在远离引出缝的另一侧面上设有多个沿长度方向分布的进气口。

在一个实施例中，所述热阴极包括设于放电室内靠近引出缝一侧的灯丝或者设于放电室一端的阴极。

在一个实施例中，所述阳极相对于放电室内壁的电位为0到+1000V。

在一个实施例中，所述阳极周围的磁场强度为50-2000高斯。

在一个实施例中，所述引出缝的长度为100mm-3m。

一种离子源，包括上述的等离子体生成装置，以及设于所述引出缝外部的电极引出结构；其中，所述电极引出结构用于将放电室内的等离子体引出，输出离子束。

在一个实施例中，所述电极引出结构包括弧电极、抑制电极和地电极。

在一个实施例中，在所述放电室外侧设置有铁轭和水冷却结构；其中，

所述磁性结构设置在所述铁轭上，所述水冷却结构设于所述铁轭与所述放电室之间的中空部位。

本申请实施例的技术方案，具有如下有益效果：

(1)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，提升了等离子体输出效果。

(2)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是一个实施例的等离子体生成装置截面示意图；

图2是三磁极的等离子体生成装置结构示意图；

图3是五磁极的等离子体生成装置结构示意图；

图4是七磁极的等离子体生成装置结构示意图；

图5是一个实施例的等离子体生成装置侧面示意图；

图6是另一个实施例的等离子体生成装置侧面示意图；

图7是电极引出结构示意图；

图8是一个示例的离子源斜切面示意图；

图9是一个示例的离子源截面示意图。

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1所示，图1是一个实施例的等离子体生成装置截面示意图，附图为从等离子体生成装置两端视角(沿长度方向)的截面示意图，如图示，该等离子体生成装置包括：放电室11，设于放电室11内部的热阴极12，设于放电室11内部的阳极13，以及设于放电室11外部的磁性结构14。

优选的，可以在放电室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。

可选的，热阴极12可以设于放电室11的端部，用于产生电子。

优选的，阳极13可以设于放电室11远离引出缝11a的另一侧面内部且沿长度方向设置，对热阴极12相对正压。

优选的，磁性结构14可以设于放电室远离引出缝11a的另一侧的外部且沿放电室11长度方向上分布，在放电室11内的阳极13周围产生磁场。

在工作过程中，热阴极12产生电子，电子在阳极13的电场作用力与磁性结构14的磁场作用下在放电室11内受约束飞行，并与通入放电室11内的气体分子碰撞产生等离子体，等离子体从引出缝11a引出。

如上所述结构的等离子体生成装置，放电室11可以设计成长条形形状，可以通过在放电室11内沿长度方向安装阳极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安装在放电室11一端，可以在放电室11内部产生电子，电子被阳极13所吸引，通过设计磁性结构14的磁场的分布结构及其大小，在电场和磁场的作用下，即可使得热阴极12产生的电子在放电室11中受约束飞行，从而增长了电子的寿命，大大地增加了电子与气体分子碰撞概率，使得电子与气体分子充分碰撞产生大量的等离子体；同时，放电室11设计了侧面引出离子束的结构，可以在放电室11的侧面设置较长的引出缝11a，引出大范围的离子束，形成较长的带状束流的输出，实现了在大长度范围上产生均匀等离子体的技术目的，增大了离子束流覆盖范围，提升了离子源的使用效果。

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。下面列举几种不同数量的磁极的等离子体生成装置的实施例。

参考图2，图2是三磁极的等离子体生成装置结构示意图，图2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50-1000高斯的磁场包裹下。

参考图3，图3是五磁极的等离子体生成装置结构示意图，图3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。

参考图4所示，图4是七磁极的等离子体生成装置结构示意图，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、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。

如上述实施例的方案，可以根据实际需求设计磁性结构14及阳极13的结构；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，最后在放电室11中被约束飞行，在飞行过程中可以极大提升电子与稀薄气体分子的碰撞概率，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，本申请的等离子体生成装置，如图2至4所示，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5，图5是一个实施例的等离子体生成装置侧面示意图，图5中所示的热阴极12包括沿放电室长度方向设置的灯丝，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6，图6是另一个实施例的等离子体生成装置侧面示意图，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5和图6所示的从会等离子体生成装置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。

如图5和6所示，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。

下面阐述本申请的离子源的实施例。

参考图1至4所示，本申请的离子源包括了上述实施例所指的等离子体生成装置以及设于引出缝11a外部的电极引出结构23；其中，电极引出结构23用于将放电室11内的等离子体引出，输出离子束。

在一个实施例中，磁性结构14可以设置在铁轭21上，对于铁轭21的设计，可以随着磁极的数量而设计成一定角度，其可以在相邻的磁极之间传导磁场，从而形成磁回路；水冷却结构22设于铁轭21与放电室11之间的中空部位，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。

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7所示，图7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7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8和9所示，图8是一个示例的离子源斜切面示意图，图9是一个示例的离子源截面示意图，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。

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 (10)

1.一种等离子体生成装置，其特征在于，包括：放电室(11)，设于所述放电室(11)内部的热阴极(12)，设于放电室(11)内部的阳极(13)，以及设于所述放电室(11)外部的磁性结构(14)；其中，

所述放电室(11)的一侧面上开设有引出等离子体的引出缝(11a)；

所述阳极(13)对所述热阴极(12)相对正压；

所述磁性结构(14)在所述放电室(11)内的所述阳极(13)周围产生磁场；

所述热阴极(12)产生电子，所述电子在所述阳极(13)的电场与所述磁性结构(14)的磁场作用下在所述放电室(11)内受约束飞行，并与通入放电室(11)内的气体分子碰撞产生所述等离子体，所述等离子体从所述引出缝(11a)引出。

2.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述磁性结构(14)设于所述放电室(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，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，各个磁极均匀分布在放电室(11)的外部。

3.根据权利要求2所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述阳极(13)设于放电室(11)远离引出缝(11a)的另一侧面内部且沿长度方向设置，包括沿放电室(11)长度方向分布设置的多根阳极棒；其中，所述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。

4.根据权利要求3所述的等离子体生成装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述放电室(11)在远离引出缝(11a)的另一侧面上设有多个沿长度方向分布的进气口(11b)。

6.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述热阴极(12)包括设于放电室(11)内靠近引出缝(11a)一侧的灯丝或者设于放电室(11)一端的阴极。

7.根据权利要求1所述的等离子体生成装置，其特征在于，所述阳极(13)相对于放电室(11)内壁的电位为0到+1000V；所述阳极(13)周围的磁场强度为50-2000高斯；所述引出缝(11a)的长度为100mm-3m。

8.一种离子源，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的等离子体生成装置，以及设于所述引出缝(11a)外部的电极引出结构(23)；其中，所述电极引出结构(23)用于将放电室(11)内的等离子体引出，输出离子束。

9.根据权利要求8所述的离子源，其特征在于，所述电极引出结构(23)包括弧电极(231)、抑制电极(232)和地电极(233)。

10.根据权利要求8所述的离子源，其特征在于，在所述放电室(11)外侧设置有铁轭(21)和水冷却结构(22)；其中，

所述磁性结构(14)设置在所述铁轭(21)上，所述水冷却结构(22)设于所述铁轭(21)与所述放电室(11)之间的中空部位。

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