TW201737286A

TW201737286A - 陶瓷離子源室

Info

Publication number: TW201737286A
Application number: TW105142342A
Authority: TW
Inventors: 奎格 R. 錢尼; 奈爾 J. 巴森
Original assignee: 瓦里安半導體設備公司
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2017-10-16
Also published as: CN108475606A; TWI713073B; US9887060B2; JP6831385B2; CN108475606B; WO2017131896A1; JP2019507467A; KR20180100235A; US9741522B1; US20170309434A1; US20170221669A1; KR102590846B1

Abstract

所述間接加熱式陰極（IHC）離子源包括具有位於相對的兩個端部上的陰極及斥拒極的離子源室。所述離子源室由具有非常低的導電率的陶瓷材料構造而成。導電襯墊可被插入至所述離子源室中且可覆蓋所述離子源室的三個側。所述襯墊可電連接至含有擷取孔的面板。陰極與斥拒極的電連接穿過陶瓷材料中的孔。這樣一來，由於不存在起弧的風險，因此，所述孔可盡可能地被製作成比原本小。在某些實施例中，所述電連接被模制至所述離子源室中或被壓配合於所述孔中。此外，用於所述離子源室的陶瓷材料更耐用且向所擷取離子束引入的污染物更少。

Description

陶瓷離子源室

本發明的實施例涉及一種間接加熱式陰極（indirectly heated cathode，IHC）離子源，且更具體來說，涉及一種由陶瓷材料製作的間接加熱式陰極離子源室。

間接加熱式陰極（IHC）離子源通過將電流供應至安置於陰極後面的細絲而運作。所述細絲會發散朝陰極加速並對陰極進行加熱的熱離子電子（thermionic electron），此轉而會使陰極向離子源室中發出電子。陰極安置於離子源室的一個端部處。在離子源室的與陰極相對的端部上通常安置有斥拒極。可對斥拒極施加偏壓以斥拒電子，從而將電子朝離子源室的中心向回引導。在某些實施例中，使用磁場來進一步將電子限定於離子源室內。電子會使得生成等離子體。接著，經由擷取孔自離子源室擷取離子。

離子源室通常由具有良好的導電率及高熔點的導電材料製成。離子源室可維持在某一電位（electrical potential）。另外，在離子源室內安置有陰極及斥拒極，且陰極與斥拒極通常維持在不同於離子源室的電位。此外，在離子源室的壁中生成有孔以使得能夠實現與陰極及斥拒極的電連接。這些孔的大小被確定為使得不會在離子源室的壁和與陰極及斥拒極的電連接之間起弧。然而，這些孔也會使被引入至離子源室中的饋入氣體逸出。

另外，用於製作離子源室的材料也可具有良好的導熱率，這是因為離子源室的一個功能可為通過向較冷的表面進行傳導而從室內移除熱量。

因此，用於離子源室的材料通常具有高的熔點、良好的導電率及良好的導熱率。在某些實施例中，使用例如鎢（tungsten）及鉬（molybdenum）等材料來構造離子源室。

與間接加熱式陰極離子源相關聯的一個問題在於用於構造離子源室的材料可能是昂貴的且難以機加工。另外，離子源室內產生的離子可造成離子源室的粒子被移除且被引入至所擷取離子束中。因此，用於生成離子源室的材料可能會向所擷取離子束中引入污染物。此外，饋入氣體會經由為實現與陰極及斥拒極的電連接所生成的孔而發生損耗。

因此，其中用於構造離子源室的材料不會污染離子束的間接加熱式陰極離子源將是有利的。此外，若可減小用於提供與陰極及斥拒極的電連接的開口或可將所述開口消除以減少從離子源室逸出的饋入氣體的流量，則會有所益處。

所述間接加熱式陰極離子源包括具有位於相對的兩個端部上的陰極及斥拒極的離子源室。所述離子源室由具有非常低的導電率的陶瓷材料構造而成。導電襯墊可被插入至所述離子源室中且可覆蓋所述離子源室的至少三個側。所述襯墊可電連接至含有擷取孔的面板。陰極與斥拒極的電連接穿過陶瓷材料中的孔。這樣一來，由於不存在短路或起弧的風險，因此，所述孔可盡可能地被製作成比原本小。在某些實施例中，導電件被模制至所述離子源室中或被壓配合於所述孔中。此外，用於所述離子源室的陶瓷材料更耐用且向所擷取離子束中引入的污染物更少。

根據一個實施例，公開了一種間接加熱式陰極離子源。所述間接加熱式陰極離子源包括：離子源室，氣體被引入至所述離子源室中，所述離子源室由電絕緣材料構造而成且具有底部、兩個相對的端部及兩個側；陰極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的一者上；斥拒極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的第二者處；導電襯墊，覆蓋所述離子源室的所述兩個側與所述底部中的至少一者；以及具有擷取孔的面板，與所述離子源室的所述底部相對地安置。在某些實施例中，所述面板是導電性的，且所述導電襯墊電接觸所述面板。在某些實施例中，所述導電襯墊電接觸所述陰極。在某些實施例中，所述導電襯墊電接觸所述斥拒極。在某些實施例中，所述間接加熱式陰極離子源包括襯墊電源，其中所述導電襯墊電接觸所述襯墊電源。在某些實施例中，所述電絕緣材料包括陶瓷材料。在某些實施例中，所述陶瓷材料包含氮化鋁（aluminum nitride）。在某些實施例中，所述陶瓷材料選自由碳化矽（silicon carbide）、鋯（zirconium）、碳化釔鋯（yttrified-zironium carbide）及氧化鋯（zirconium oxide）組成的群組。此外，在某些實施例中，所述導電襯墊包括三個平面段。在某些實施例中，所述導電襯墊具有U形狀。

根據另一實施例，公開了一種間接加熱式陰極離子源。所述間接加熱式陰極源包括：離子源室，氣體被引入至所述離子源室中，所述離子源室由陶瓷材料構造而成且具有底部、兩個相對的端部及兩個側；陰極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的一者上；斥拒極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的第二者處；導電襯墊，覆蓋所述離子源室的所述底部及所述兩個側；以及具有擷取孔的導電面板，與所述離子源室的所述底部相對地安置且與所述導電襯墊電連通。

在另一實施例中，公開了一種與間接加熱式陰極離子源一起使用的裝置。所述裝置包括：離子源室，由電絕緣材料構造而成且具有底部、兩個相對的端部及兩個側；導電襯墊，覆蓋所述離子源室的所述兩個側及所述底部中的至少一者；以及具有擷取孔的面板，與所述離子源室的所述底部相對地安置。在某些實施例中，所述導電襯墊覆蓋所述離子源室的所述底部及所述兩個側。

如上所述，間接加熱式陰極離子源可能會因用於構造離子源室的材料而易於受到污染。此外，離子源室中的用於提供通往陰極與斥拒極的電連接的孔會使饋入氣體逸出。

圖1示出克服這些問題的間接加熱式陰極離子源10的第一實施例。間接加熱式陰極離子源10包括離子源室100，離子源室100具有兩個相對的端部及連接至這些端部的側102、103。離子源室100可由例如陶瓷材料等電絕緣材料構造而成。安置於離子源室100內的導電襯墊130可覆蓋離子源室100的至少兩個表面。舉例來說，導電襯墊130可覆蓋連接離子源室100的相對的端部的側102、103。導電襯墊130也可覆蓋離子源室100的底部101。在離子源室100的內部，在離子源室100的兩個相對的端部中的一者處安置有陰極110。此陰極110與用於相對於導電襯墊130而對陰極110施加偏壓的陰極電源115連通。在某些實施例中，陰極電源115可相對於導電襯墊130而對陰極110施加負偏壓。舉例來說，陰極電源115可具有處於0V至-150V範圍內的輸出，當然也可使用其他電壓。在某些實施例中，相對於離子源室100的導電襯墊130而對陰極110施加介於0V與-40V之間的偏壓。在陰極110後面安置有細絲160。細絲160與細絲電源165連通。細絲電源165用以經由細絲160傳遞電流，以使得細絲160發出熱離子電子（thermionic electron）。陰極偏壓電源116相對於陰極110對細絲160施加負偏壓，因此當這些熱離子電子撞擊陰極110的後表面時，這些熱離子電子會從細絲160朝陰極110加速並對陰極110進行加熱。陰極偏壓電源116可對細絲160施加偏壓，以使得細絲160具有比陰極110的電壓負300V至負600V之間的電壓。接著陰極110在陰極110的前表面上向離子源室100中發出熱離子電子。

因此，細絲電源165供應電流至細絲160。陰極偏壓電源116對細絲160施加偏壓以使得細絲160具有比陰極110更大的負值，進而使得電子從細絲160朝陰極110被吸引。最後，陰極電源115對陰極110施加比安置於離子源室100內的導電襯墊130更負的偏壓。

在離子源室100內部，在離子源室100的與陰極110相對的一個端部上安置有斥拒極120。斥拒極120可與斥拒極電源125連通。顧名思義，斥拒極120用於將從陰極110發出的電子向回朝離子源室100的中心斥拒。舉例來說，可相對於安置於離子源室100內的導電襯墊130而將斥拒極120偏壓成負電壓以斥拒電子。如同陰極電源115，斥拒極電源125可相對於位於離子源室100中的導電襯墊130而對斥拒極120施加負偏壓。舉例來說，斥拒極電源125可具有處於0V至-150V範圍中的輸出，當然也可使用其他電壓。在某些實施例中，相對於安置於離子源室100內的導電襯墊130而將斥拒極120偏壓至介於0V與-40V之間。

在某些實施例中，陰極110與斥拒極120可連接至共用電源。因此，在這一實施例中，陰極電源115與斥拒極電源125為同一電源。

儘管圖中未示出，然而在某些實施例中，在離子源室100中產生磁場。這一磁場旨在沿一個方向約束電子。舉例來說，電子可被約束於與從陰極110到斥拒極120的方向（即，y方向）平行的行中。

在離子源室100的頂部上可安置有包括擷取孔145的面板140。在圖1中，擷取孔145安置於與X-Y平面（平行於頁面）平行的面板140上。面板140可為例如鎢（tungsten）等導電材料。此外，儘管圖中未示出，然而間接加熱式陰極離子源10還包括進氣口（gas inlet），欲被離子化的氣體經由所述進氣口被引入至離子源室100中。

控制器180可與所述電源中的一或多者連通以使得可修改由這些電源供應的電壓或電流。控制器180可包括處理單元，例如微控制器、個人電腦、專用控制器或另一合適的處理器。控制器180也可包括非暫時性記憶元件，例如半導體記憶體、磁性記憶體或另一合適的記憶體。此非暫時性記憶元件可含有使控制器180能夠使細絲160、陰極110及斥拒極120維持適合電壓的指令及其他資料。

在運作期間，細絲電源165經由細絲160傳遞電流，由此使細絲160發出熱離子電子。這些電子撞擊可具有比細絲160更大的正值的陰極110的後表面，從而使陰極110被加熱，此轉而使陰極110向離子源室100中發出電子。這些電子與經由進氣口而被饋入至離子源室100中的氣體分子碰撞。這些碰撞會生成離子，由此形成等離子體150。可通過由陰極110及斥拒極120生成的電場來約束及操控等離子體150。在某些實施例中，等離子體150被約束於離子源室100的中心附近，靠近擷取孔145。接著，經由擷取孔來將離子擷取成離子束。

圖2A示出顯示導電襯墊130的第一實施例的端視圖。在此實施例中，導電襯墊130覆蓋離子源室100的兩個側102、103，且還覆蓋底部101。底部101是與面板140相對的表面。在此實施例中，導電襯墊130是利用三個平面段131、132、133形成。這些段可形成一體或可為單獨的。覆蓋兩個側102、103的平面段131、132接觸面板140且還接觸覆蓋底部101的平面段133。因此，所有的段都處於與面板140相同的電位。在其中各個段分別獨立的實施例中，可通過使用干涉配合、彈簧或其他機制來確保各平面段之間的電連接。可以相同的方式實現面板140與平面段131、132之間的連接。面板140可為例如鎢（tungsten）等導電材料。因此，通過對面板140施加電偏壓，也可將導電襯墊130偏壓至相同的電位。

因此，儘管圖1示出陰極電源115及斥拒極電源125與導電襯墊130接觸，然而在某些實施例中，這些電源實際上與面板140電接觸。

圖2B示出導電襯墊135的第二實施例。在此實施例中，導電襯墊135可為U形狀，以使得所述襯墊覆蓋離子源室100的側102、103及底部101。如圖中所見，導電襯墊135的圓形部分靠近離子源室100的底部101。如上所述，導電襯墊135可電接觸面板140，且因此導電襯墊135維持在與面板140相同的電位。

圖2A至圖2B中所示的導電襯墊可覆蓋離子源室100的兩個側102、103及底部101，而不覆蓋離子源室100的兩個端部。由於陰極110安置於離子源室100的一個端部上且斥拒極120安置於離子源室100的另一端部上，因此小面積的所暴露陶瓷材料將不會對等離子體150產生有害影響。此外，在某些實施例中，所述導電襯墊可覆蓋少於這三個表面。舉例來說，所述導電襯墊可覆蓋兩個側102、103與底部101中的至少一者。

儘管以上公開內容闡述了其中導電襯墊130與面板140電連通的配置，然而也可具有其他實施例。

舉例來說，在一個實施例中，導電襯墊130的一或多個段電連接至陰極110。換句話說，並非將導電襯墊130連接至面板140，而是將導電襯墊130連接至陰極110。可以包括干涉配合、彈簧或其他機制在內的多種方式來進行導電襯墊130與陰極110之間的連接。在某些實施例中，絕緣材料可沿離子源室100的頂部安置以確保導電襯墊130不會接觸面板140。在另一實施例中，使用具有U形狀且電連接至陰極110的導電襯墊135。圖3示出其中陰極電源115以地為參考且陰極電源115用於為陰極110及導電襯墊130提供電位的實施例。斥拒極電源125可仍以導電襯墊130為參考，或可以另一電壓為參考。

在另一實施例中，導電襯墊130的一或多個段電連接至斥拒極120。同樣，在某些實施例中，可沿離子源室100的頂部安置絕緣材料以確保導電襯墊130不會接觸面板140。在另一實施例中，使用具有U形狀且電連接至斥拒極120的導電襯墊135。圖4示出其中斥拒極電源125以地為參考且斥拒極電源125用於為斥拒極120及導電襯墊130提供電位的實施例。陰極電源115可仍以導電襯墊130為參考，或可以另一電壓為參考。

在又一些實施例中，導電襯墊130的各平面段可連接至不同的電壓。舉例來說，一或多個段可連接至面板140、陰極110或斥拒極120。所述段中的另一者可連接至面板140、陰極110或斥拒極120中的另一者。

另外，在某些實施例中，導電襯墊130可與不同於面板140、陰極110或斥拒極120的電壓連接。舉例來說，如圖5中所示，可存在例如經由離子源室100中的孔136而與導電襯墊130連通的襯墊電源137。

如上所述，離子源室100可由例如陶瓷材料等電絕緣材料構造而成。在某些實施例中，陶瓷材料可被選擇成具有至少2000℃的熔點以承受在離子源室100內經受的極端溫度。

另外，陶瓷材料通常具有例如以Mhos計為7或大於7高硬度值。這硬度使得陶瓷材料能夠耐受反復的強烈清洗。此外，此可減少由離子源室100引入的污染物的量。

此外，在某些實施例中，陶瓷材料被選擇成具有與用於構造離子源室100的傳統材料（例如鎢（tungsten）或鉬（molybdenum））的導熱率相似的導熱率。這些金屬具有介於135 W/mK與175 W/mK之間的導熱率。此可使得離子源室能夠通過與冷的表面進行對流而快速地移除熱量。

在一個實施例中，陶瓷材料可為具有140 W/mK至180 W/mK的導熱率的氮化鋁（AlN）。當然，也可使用例如氧化鋁（Al₂ O₃ ）、碳化矽（silicon carbide）、鋯（zirconium）、碳化釔鋯（yttrified-zironium carbide）及氧化鋯（zirconium oxide）等其他陶瓷材料。

用於離子源室100的陶瓷材料具有比傳統上使用的金屬高得多的電阻率，例如1e14 Ω-cm或大於1e14 Ω-cm。因此，離子源室100中的用於容置陰極110及斥拒極120的電連接的孔可盡可能地被製作成比原本小。這是因為在離子源室100與電連接之間不存在起弧或短路的風險。

在一個實施例中，離子源室100中的孔的尺寸被確定成使得所述孔的直徑實質上等於穿過所述孔的電連接或導電材料的直徑。舉例來說，如圖6A中所示，斥拒極120可具有穿過離子源室100中的孔105的桿122。桿122可具有第一直徑，而孔105可具有實質上等於第一直徑的第二直徑。舉例來說，在某些實施例中，桿122與孔105之間的介面可為壓配合或干涉配合。

圖6B示出另一實施例。在此實施例中，桿122被模製成或以其他方式被形成為離子源室100的一部分，以使得根本不存在孔。在此實施例中，饋入氣體無法從離子源室100逸出，這是因為在離子源室100中不存在開口。

儘管圖6A至圖6B示出斥拒極120，然而可以相同的方式容置陰極110與細絲160的電連接。因此，通過利用電絕緣材料來構造離子源室100，可減小用於電連接的孔的大小或消除用於電連接的孔，從而減小或盡可能地消除從離子源室100逸出的饋入氣體的流量。舉例來說，可將導電材料模制至離子源室100中。可對離子源室100的兩個側上的導電材料進行連接以接通電路（electrical circuit）。

因此，在某些實施例中，間接加熱式陰極離子源10包括由電絕緣材料構造而成的離子源室100。離子源室100具有底部101、兩個側102、103及相對的端部。在離子源室100的相對的端部上安置有陰極110及斥拒極120。使用導電襯墊覆蓋所述離子源室的兩個側102、103及底部101中的至少一者。視需要，所述襯墊也可覆蓋離子源室100的端部的至少一部分。在某些實施例中，導電性的面板140安置於離子源室100的頂部上，且電接觸所述導電襯墊。因此，這樣一來，即使離子源室100本身並非導電性的，也可沿離子源室100的側及底部建立電位。此外，由於不存在短路或起弧的風險，因此離子源室100中的供陰極110及斥拒極120的電連接或導電材料通過的孔可被製作得更小或被消除。

在其他實施例中，導電襯墊可電連接至不同的電壓。舉例來說，可存在向導電襯墊提供電位的單獨的襯墊電源。在其他實施例中，導電襯墊的一或多個部分可電連接至斥拒極120或陰極110。

因此，所述間接加熱式陰極離子源包括由電絕緣材料製成的具有底部、兩個側及兩個相對的端部的離子源室。導電襯墊被安置成覆蓋兩個側及底部中的至少一者。具有擷取孔的面板與離子源室的底部相對地安置。導電襯墊連接至電源。

本申請中的上述實施例可具有許多優點。首先，相比於金屬離子源室，對離子源室使用陶瓷材料可減少將污染物引入至所擷取離子束中。此外，這些陶瓷材料可比目前用於離子源室的金屬便宜。另外，這些陶瓷材料可能夠耐受比傳統材料更強烈的清洗。最後，使用電絕緣離子源室會使陰極及斥拒極的電連接所通過的孔被消除或大小減小。此可減少經由這些孔逸出的饋入氣體的量。

本發明在範圍上不受本文中所闡述的具體實施例限制。實際上，通過閱讀以上說明及附圖，對所屬領域中的普通技術人員來說，除本文中所闡述的實施例及潤飾外的本發明的其他各種實施例及對本發明的各種潤飾也將顯而易見。因此，這些其他實施例及潤飾都旨在落於本發明的範圍內。此外，儘管本文中已在用於具體目的的具體環境中的具體實作方式的上下文中闡述了本發明，然而所屬領域中的普通技術人員將認識到，本發明各適用性並不僅限於此且本發明可出於任意數目的目的而有益地實作於任意數目的環境中。因此，以上提出的權利要求應慮及本文所闡述的本發明的全部廣度及精神來加以解釋。

10‧‧‧間接加熱式陰極離子源
100‧‧‧離子源室
101‧‧‧底部
102、103‧‧‧側
105、136‧‧‧孔
110‧‧‧陰極
115‧‧‧陰極電源
116‧‧‧陰極偏壓電源
120‧‧‧斥拒極
122‧‧‧桿
125‧‧‧斥拒極電源
130、135‧‧‧導電襯墊
131、132、133‧‧‧平面段
137‧‧‧襯墊電源
140‧‧‧面板
145‧‧‧擷取孔
150‧‧‧等離子體
160‧‧‧細絲
165‧‧‧細絲電源
180‧‧‧控制器
X、Y、Z‧‧‧方向

為更好地理解本發明，請參照附圖，所述附圖併入本文供參考且在所述附圖中：圖1是根據一個實施例的離子源。圖2A是根據第一實施例的具有襯墊的圖1所示離子源的端視圖。圖2B是根據第二實施例的具有襯墊的圖1所示離子源的端視圖。圖3是根據另一實施例的離子源。圖4是根據第三實施例的離子源。圖5是根據第四實施例的離子源。圖6A示出根據一個實施例的斥拒極及斥拒極的電連接的剖視圖。圖6B示出根據第二實施例的斥拒極及斥拒極的電連接的剖視圖。

10‧‧‧間接加熱式陰極離子源

100‧‧‧離子源室

102、103‧‧‧側

110‧‧‧陰極

115‧‧‧陰極電源

116‧‧‧陰極偏壓電源

120‧‧‧斥拒極

125‧‧‧斥拒極電源

140‧‧‧面板

145‧‧‧擷取孔

150‧‧‧等離子體

160‧‧‧細絲

165‧‧‧細絲電源

180‧‧‧控制器

X、Y、Z‧‧‧方向

Claims

一種間接加熱式陰極離子源，包括：離子源室，氣體被引入至所述離子源室中，所述離子源室由電絕緣材料構造而成且具有底部、兩個相對的端部及兩個側；陰極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的一者上；斥拒極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的第二者處；導電襯墊，覆蓋所述離子源室的所述兩個側與所述底部中的至少一者；以及具有擷取孔的面板，與所述離子源室的所述底部相對地安置。
如申請專利範圍第1項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述面板是導電性的，且所述導電襯墊電接觸所述面板。
如申請專利範圍第1項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述導電襯墊電接觸所述陰極。
如申請專利範圍第1項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述導電襯墊電接觸所述斥拒極。
如申請專利範圍第1項所述之間接加熱式陰極離子源，進一步包括襯墊電源，其中所述導電襯墊電接觸所述襯墊電源。
如申請專利範圍第1項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述電絕緣材料包括陶瓷材料。
如申請專利範圍第6項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述陶瓷材料包含氮化鋁。
如申請專利範圍第6項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述陶瓷材料選自由碳化矽、鋯、碳化釔鋯及氧化鋯組成的群組。
如申請專利範圍第1項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述導電襯墊包括三個平面段。
如申請專利範圍第1項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述導電襯墊具有U形狀。
一種間接加熱式陰極離子源，包括：離子源室，氣體被引入至所述離子源室中，所述離子源室由陶瓷材料構造而成且具有底部、兩個相對的端部及兩個側；陰極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的一者上；斥拒極，安置於所述離子源室的所述兩個相對的端部中的第二者處；導電襯墊，覆蓋所述離子源室的所述底部與所述兩個側；以及具有擷取孔的導電面板，與所述離子源室的所述底部相對地安置且與所述導電襯墊電連通。
如申請專利範圍第11項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述導電襯墊包括三個平面段。
如申請專利範圍第11項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述導電襯墊具有U形狀。
如申請專利範圍第11項所述之間接加熱式陰極離子源，其中所述陶瓷材料包含氮化鋁。
一種與間接加熱式陰極離子源一起使用的裝置，包括：離子源室，由電絕緣材料構造而成且具有底部、兩個相對的端部及兩個側；導電襯墊，覆蓋所述離子源室的所述兩個側及所述底部中的至少一者；以及具有擷取孔的面板，與所述離子源室的所述底部相對地安置。