CN219303599U - 一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备 - Google Patents

一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备，所述阴极安装结构包括：阴极；承载装置，所述承载装置包括承载部和安装部，所述阴极安装于所述承载装置的承载部；绝缘底座，所述绝缘底座上具有自锁螺纹孔，所述承载装置的安装部通过螺丝与所述自锁螺纹孔的配合安装于所述绝缘底座上，其中，所述自锁螺纹孔的螺纹牙形为四边形，所述螺纹靠近内部的边的垂直线与水平方向的夹角为15度至45度。本申请使用更耐高温、更耐腐蚀、更高导电率、更低膨胀系数的钼螺丝，避免出现螺丝热膨胀以及融化等现象，并且改进螺纹孔的螺纹牙型结构，提高螺丝的自锁性能，可以提高阴极安装结构的使用寿命，减少故障的发生。

Description

一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备。
背景技术
在半导体工艺中，离子注入工艺是一个重要的工艺步骤。离子注入工艺由离子注入设备完成。而在离子注入设备中，离子由离子源装置提供。
离子源中包括一个间接加热的阴极(Indirectly Heated Cathode，IHC),电子由所述阴极间接加热产生。具体的，灯丝通过电流产生热电子，热电子在偏置电压下去轰击所述阴极，当所述阴极达到一定温度时，在电弧电压作用下阴极产生电子并在磁场协同的作用下去轰击气体分子，从而产生离子。
其中，阴极一般通过螺丝与螺孔的配合安装于绝缘底座上。然而，目前的螺丝以及螺孔均存在缺陷。因此，有必要提供更有效、更可靠的技术方案。
实用新型内容
本申请提供一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备，可以提高阴极安装结构的使用寿命，减少故障的发生。
本申请的一个方面提供一种阴极安装结构，用于离子源装置中，包括：阴极；承载装置，所述承载装置包括承载部和安装部，所述阴极安装于所述承载装置的承载部；绝缘底座，所述绝缘底座上具有自锁螺纹孔，所述承载装置的安装部通过螺丝与所述自锁螺纹孔的配合安装于所述绝缘底座上，其中，所述自锁螺纹孔的螺纹牙形为四边形，所述螺纹靠近内部的边的垂直线与水平方向的夹角为15度至45度。
在本申请的一些实施例中，所述螺丝的材料为熔点高于1600摄氏度、导电率大于1.9×107S/m、膨胀系数低于5×10-6的材料。
在本申请的一些实施例中，所述螺丝为钼螺丝。
在本申请的一些实施例中，所述承载装置的安装部具有与所述自锁螺纹孔位置对应的安装孔。
在本申请的一些实施例中，所述绝缘底座的材料为陶瓷。
在本申请的一些实施例中，所述承载装置的材料为石墨。
本申请的另一个方面提供一种离子源装置，包括：腔体；如上述所述的阴极安装结构，设置于所述腔体底部；进气口，设置于所述腔体的一侧，用于通入待离子化气体。
在本申请的一些实施例中，所述阴极为一端有底的桶状结构，所述阴极的开口中设置有灯丝。
在本申请的一些实施例中，所述灯丝分别连接至电源和偏置电压，所述阴极分别连接至偏置电压和电弧电压。
本申请的还一个方面提供一种离子注入设备，包括如上述所述的离子源装置。
本申请提供一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备，使用更耐高温、更耐腐蚀、更高导电率、更低膨胀系数的钼螺丝，避免出现螺丝热膨胀以及融化等现象，并且改进螺纹孔的螺纹牙型结构，提高螺丝的自锁性能，可以提高阴极安装结构的使用寿命，减少故障的发生。
附图说明
以下附图详细描述了本申请中披露的示例性实施例。其中相同的附图标记在附图的若干视图中表示类似的结构。本领域的一般技术人员将理解这些实施例是非限制性的、示例性的实施例，附图仅用于说明和描述的目的，并不旨在限制本申请的范围，其他方式的实施例也可能同样的完成本申请中的实用新型意图。应当理解，附图未按比例绘制。其中：
图1为一些阴极安装结构中螺丝与螺纹孔的装配图；
图2为本申请实施例所述的阴极安装结构的结构示意图；
图3为本申请实施例所述的自锁螺纹孔的结构示意图；
图4为本申请实施例所述的离子源装置的结构示意图。
具体实施方式
以下描述提供了本申请的特定应用场景和要求，目的是使本领域技术人员能够制造和使用本申请中的内容。对于本领域技术人员来说，对所公开的实施例的各种局部修改是显而易见的，并且在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用。因此，本申请不限于所示的实施例，而是与权利要求一致的最宽范围。
下面结合实施例和附图对本实用新型技术方案进行详细说明。
在阴极安装结构中，螺丝的主要作用是将装有阴极的阴极承载装置固定在绝缘底座上面，并保证其不发生任何晃动。由于电子是由阴极间接加热产生的，所以阴极的温度会很高，其温度会逐渐从阴极-阴极承载装置-绝缘底座最后蔓延至整个阴极安装结构，故介于阴极承载装置与绝缘底座之间的螺丝的耐热性对于整个阴极安装结构的使用寿命以及稳定性起着关键性作用。并且该螺丝与绝缘底座上的螺纹孔的配合也决定了阴极的稳定性。
然而，一方面，目前的螺丝一般使用的是不锈钢材质的螺丝。这种材质的螺丝具有以下缺点：膨胀系数高，受热易膨胀会松掉甚至把绝缘底座撑裂开从而导致电弧电压短路；熔点低，固熔温度在1300摄氏度至1400摄氏度，当温度过高时(该螺丝要承受至少1000多摄氏度的高温)，螺丝会熔化；因为受热易膨胀所以可利用循环使用次数有限。此外，另一方面，目前的螺纹孔的螺纹牙型也存在缺陷。
图1为一些阴极安装结构中螺丝与螺纹孔的装配图。
参考图1所示，螺丝10和螺纹孔20配合以将阴极承载装置固定在绝缘底座上。需要说明的是，图1并没有示出完整的螺丝和螺纹孔，而是仅示出螺丝与螺纹孔咬合的一部分。
在图1所示的结构中，所述螺纹孔20的螺纹牙型为V形(或者类似V形的楔形)，并且所述V形的顶角的角度a为60度。在这样的结构中，当螺丝10与螺纹孔20配合时，螺丝10对螺纹孔20产生一个沿接触面法向的法向力P1。当螺丝10向上的张力为P时，法向力P1约为P除以cosa(也就是cos60°)1.15P。此法向力较小，因此螺丝10和螺纹孔20之间产生的防松摩擦力也较小，螺丝容易不稳定。此外，这种60度角V形螺纹在其第一螺纹啮合面和第二螺纹啮合面承载了70％至80％的负荷,而以后几个啮合面承受的负荷很少。这样一来螺丝在高温或工作振动负荷条件下,就很容易克服螺纹接触面上的锁紧力而产生转动,进而松脱。
针对上述问题，本申请提供一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备，一方面使用更耐高温、更耐腐蚀、更高导电率、更低膨胀系数的钼螺丝，避免出现螺丝热膨胀以及融化等现象，另一方面改进螺纹孔的螺纹牙型结构，提高螺丝的自锁性能，可以提高阴极安装结构的使用寿命，减少故障的发生。
图2为本申请实施例所述的阴极安装结构的结构示意图。图3为本申请实施例所述的自锁螺纹孔的结构示意图。
参考图2所示，本申请的实施例提供一种阴极安装结构100，用于离子源装置中，具体地，所述阴极安装结构100用于生成电子去轰击离子源装置中的气体分子，从而产生离子。
继续参考图2所示，所述阴极安装结构100包括：阴极110。所述阴极110用于在加热后产生电子。当所述阴极110达到一定温度时，在电弧电压作用下阴极110产生电子并在磁场协同的作用下去轰击气体分子，从而产生离子。
参考图2所示，在本申请的一些实施例中，所述阴极110为一端有底的倒立的桶状结构，所述阴极110的开口中可以设置有灯丝(图中未示出)。灯丝通过电流产生热电子，热电子在偏置电压下去轰击所述阴极，当所述阴极达到一定温度时，在电弧电压作用下阴极产生电子并在磁场协同的作用下去轰击气体分子，从而产生离子。
在本申请的一些实施例中，所述阴极110的材料为钨。
继续参考图2所示，所述阴极安装结构100还包括：承载装置，所述承载装置包括承载部121和安装部122，所述阴极110安装于所述承载装置的承载部121中。
在本申请的一些实施例中，所述承载装置的材料为石墨，因为石墨的导电率高且耐高温又不会产生金属污染。
继续参考图2所示，所述阴极安装结构100还包括：绝缘底座130，所述绝缘底座130上具有自锁螺纹孔131，所述承载装置的安装部122通过螺丝140与所述自锁螺纹孔131的配合安装于所述绝缘底座130上。其中，参考图3所示，所述自锁螺纹孔131的螺纹牙形为四边形，所述螺纹靠近内部的边的垂直线与水平方向的夹角b为15度至45度。
需要说明的是，附图2出于简洁的目的仅示出螺丝140和自锁螺纹孔131(由于螺丝140旋入自锁螺纹孔131中，因此自锁螺纹孔131没有示出)的位置关系，没有详细示出螺丝140和自锁螺纹孔131的螺纹牙形。螺丝140和自锁螺纹孔131的详细结构在图3中示出。此外，由于自锁螺纹孔131实际是一个空洞的孔，不方便示出，因此将自锁螺纹孔131侧壁的部分绝缘底座也做为自锁螺纹孔131的一部分来展示以便展示出自锁螺纹孔131的螺纹牙型。同时，图3中仅展示螺丝140和自锁螺纹孔131的部分结构。
参考图3所示，在本申请的一些实施例中，所述螺纹靠近内部的边的垂直线与水平方向的夹角b为15度、20度、25度、30度、35度、40度或45度等。
下面以所述夹角b为30度为例。在图3所示的结构中，当螺丝140与自锁螺纹孔131配合时，螺丝140对自锁螺纹孔131产生一个沿接触面法向的法向力P2。当螺丝140向上的张力为P时，法向力P2约为P除以sinb(也就是sin30°)，等于2P。
对比图1所示的结构以及图3所示的结构，显然P2大于P1，自锁螺纹法向压力远远大于扣紧压力,因此所产生的防松摩擦力也就必然大大增加，螺丝更稳定。
在本申请的一些实施例中，所述螺丝的材料为熔点高于1600摄氏度、导电率大于1.9×107S/m、膨胀系数低于5×10-6的材料。
在本申请的一些实施例中，所述螺丝140为钼螺丝。
使用钼螺丝具有以下优点：1，耐高温，钼螺丝的主要材料是钼金属，其钼的纯度高达99.95％以上，而作为原料的“钼”有极高的熔点,导致钼螺丝通常耐高温可达1600度至1700度，而不锈钢螺丝的熔点一般在1300度至1400度左右，这就代表很多时候钼螺丝能够达到许多普通螺丝不能触及的高温环境的工作需求；2，优良的导电率，除了高的熔点，钼螺丝还具有优良的导电率，可以适应很多对导电率有要求的设备；3，较好的防腐蚀性，零件在日常送洗喷砂过程中都要面临腐蚀生锈的问题，而钼螺丝的原材料钼，其在常温下不与盐酸、氢氟酸及碱溶液反应，仅溶于硝酸、王水或浓硫酸之中，对大多数液态金属、非金属熔渣和熔融玻璃亦相当稳定，致使钼螺丝也具有良好的防腐蚀性；4，低的热胀系数，钼螺丝还具有低的热胀系数，此优点对于金属-陶瓷结构，金属-半导体结构，金属-石墨结构的应用方面都具有非常重要的作用。
在本申请的一些实施例中，所述承载装置的安装部具有与所述自锁螺纹孔位置对应的安装孔，所述螺丝140还穿过所述安装孔。所述安装孔也可以具有与自锁螺纹孔一样的螺纹牙型。
在本申请的一些实施例中，所述绝缘底座130的材料为陶瓷，因为陶瓷绝缘性强，硬度高且无金属污染。
本申请还对具有图1所示的旧螺纹结构和不锈钢螺丝的阴极安装结构以及本申请的阴极安装结构(夹角b为30度)进行了测试。测试结构如表1所示。
表1
具有图1结构的阴极 本申请的阴极
使用寿命 5至14天 14天以上
PM成功率 87％左右 95％以上
HC正常机台uptime 88％左右 90％以上
PM(preventive maintenance预防性保养)成功率：PM后机台能运行14天以上的成功率。
HC(High Current高电流，机型名称)正常机台uptime：机台可利用率。
参考表1所示，本申请实施例的阴极安装结构使用寿命更长，PM成功率更高，HC正常机台uptime也更高，明显具有更好的使用效果。
本申请的技术方案可以提高阴极安装结构(source head)以及其稳定性。本申请已经验证可以有效改善阴极安装结构电弧短路、偏置电压4.8a、阴极鼓包等一系列问题，效果显著，目前uptime能保持在90％以上。本申请采用钼质螺丝，有效避免出现螺丝热膨胀以及熔化等现象。本申请对绝缘底座内的自锁螺纹孔结构进行改进，提高螺丝的自锁性能。
本申请提供一种阴极安装结构，使用更耐高温、更耐腐蚀、更高导电率、更低膨胀系数的钼螺丝，避免出现螺丝热膨胀以及融化等现象，并且改进螺纹孔的螺纹牙型结构，提高螺丝的自锁性能，可以提高阴极安装结构的使用寿命，减少故障的发生。
图4为本申请实施例所述的离子源装置的结构示意图。
本申请的实施例还提供提供一种离子源装置200，参考图4所示，包括：腔体210；如上述所述的阴极安装结构100，设置于所述腔体210底部；进气口，设置于所述腔体210的一侧，用于通入待离子化气体。所述离子源装置200用于产生离子，并用于离子注入设备。
在本申请的一些实施例中，所述阴极为一端有底的桶状结构，所述阴极的开口中设置有灯丝220。
在本申请的一些实施例中，所述灯丝220分别连接至电源和偏置电压，所述阴极110分别连接至偏置电压和电弧电压。
离子源装置200的工作原理为：灯丝220通过电流产生热电子，热电子在偏置电压下去轰击所述阴极110，当所述阴极110达到一定温度时，在电弧电压作用下阴极110产生电子并在磁场协同的作用下去轰击从进气口通入的待离子化气体，从而产生离子。
本申请提供一种离子源装置，其中的阴极安装结构使用更耐高温、更耐腐蚀、更高导电率、更低膨胀系数的钼螺丝，避免出现螺丝热膨胀以及融化等现象，并且改进螺纹孔的螺纹牙型结构，提高螺丝的自锁性能，可以提高阴极安装结构的使用寿命，减少故障的发生。
本申请的实施例还提供一种离子注入设备，包括如上述所述的离子源装置200。所述离子源装置200产生的离子在磁场作用下被引导进入离子注入设备的反应腔并形成离子束，然后所述离子束轰击晶圆进行离子注入。
本申请提供一种阴极安装结构、离子源装置、离子注入设备，使用更耐高温、更耐腐蚀、更高导电率、更低膨胀系数的钼螺丝，避免出现螺丝热膨胀以及融化等现象，并且改进螺纹孔的螺纹牙型结构，提高螺丝的自锁性能，可以提高阴极安装结构的使用寿命，减少故障的发生。
综上所述，在阅读本申请内容之后，本领域技术人员可以明白，前述申请内容可以仅以示例的方式呈现，并且可以不是限制性的。尽管这里没有明确说明，本领域技术人员可以理解本申请意图囊括对实施例的各种合理改变，改进和修改。这些改变，改进和修改都在本申请的示例性实施例的精神和范围内。
应当理解，术语“包含”、“包含着”、“包括”或者“包括着”，在本申请文件中使用时，指明存在所记载的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
还应当理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在此用于描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，在没有脱离本申请的教导的情况下，在一些实施例中的第一元件在其他实施例中可以被称为第二元件。相同的参考标号或相同的参考标记符在整个说明书中表示相同的元件。
此外，本申请说明书通过参考理想化的示例性截面图和/或平面图和/或立体图来描述示例性实施例。因此，由于例如制造技术和/或容差导致的与图示的形状的不同是可预见的。因此，不应当将示例性实施例解释为限于在此所示出的区域的形状，而是应当包括由例如制造所导致的形状中的偏差。因此，在图中示出的区域实质上是示意性的，其形状不是为了示出器件的区域的实际形状也不是为了限制示例性实施例的范围。

Claims (10)

1.一种阴极安装结构，用于离子源装置中，其特征在于，包括：
阴极；
承载装置，所述承载装置包括承载部和安装部，所述阴极安装于所述承载装置的承载部；
绝缘底座，所述绝缘底座上具有自锁螺纹孔，所述承载装置的安装部通过螺丝与所述自锁螺纹孔的配合安装于所述绝缘底座上，其中，所述自锁螺纹孔的螺纹牙形为四边形，所述螺纹靠近内部的边的垂直线与水平方向的夹角为15度至45度。
2.如权利要求1所述的阴极安装结构，其特征在于，所述螺丝的材料为熔点高于1600摄氏度、导电率大于1.9×107S/m、膨胀系数低于5×10-6的材料。
3.如权利要求2所述的阴极安装结构，其特征在于，所述螺丝为钼螺丝。
4.如权利要求1所述的阴极安装结构，其特征在于，所述承载装置的安装部具有与所述自锁螺纹孔位置对应的安装孔。
5.如权利要求1所述的阴极安装结构，其特征在于，所述绝缘底座的材料为陶瓷。
6.如权利要求1所述的阴极安装结构，其特征在于，所述承载装置的材料为石墨。
7.一种离子源装置，其特征在于，包括：
腔体；
如权利要求1至6任一项所述的阴极安装结构，设置于所述腔体底部；
进气口，设置于所述腔体的一侧，用于通入待离子化气体。
8.如权利要求7所述的离子源装置，其特征在于，所述阴极为一端有底的桶状结构，所述阴极的开口中设置有灯丝。
9.如权利要求8所述的离子源装置，其特征在于，所述灯丝分别连接至电源和偏置电压，所述阴极分别连接至偏置电压和电弧电压。
10.一种离子注入设备，其特征在于，包括如权利要求7至9任一项所述的离子源装置。
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