TWI720101B

TWI720101B - 間接加熱式陰極離子源與用於離子源室內的斥拒極

Info

Publication number: TWI720101B
Application number: TW105143255A
Authority: TW
Inventors: 威廉戴維斯李; 艾力克斯恩德 S. 培爾; 大衛 P. 斯波德萊
Original assignee: 美商瓦里安半導體設備公司
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2021-03-01
Also published as: WO2017131895A1; TW201737285A; US9824846B2; US20170213684A1

Abstract

間接加熱式陰極離子源包括離子源室，離子源室具有位於兩個相對的端部上的陰極及斥拒極。斥拒極是由兩個分立的部件製成，兩個分立的部件分別包含不同的材質。斥拒極包括可為碟形組件的斥拒極頭及用以支撐頭的杆。斥拒極頭是由導熱率高於杆的導電材質製成。如此一來，斥拒極頭的溫度會維持為較原本可能的溫度高的溫度。較高的溫度會限制材質在斥拒極頭上的積聚，此會改善間接加熱式陰極離子源的性能。在某些實施例中，斥拒極頭與杆是利用壓入配合進行連接。斥拒極頭與杆的熱膨脹係數的差異可使得壓入配合在越高的溫度下變得越緊。

Description

間接加熱式陰極離子源與用於離子源室內的斥拒極

本發明的實施例是有關於一種間接加熱式陰極(indirectly heated cathode，IHC)離子源，且特別是有關於一種具有由兩種不同材質製成的斥拒極的間接加熱式陰極離子源。

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來運作。所述細絲會發出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約束於離子源室內。電子會使得生成電漿。接著，經由提取孔從離子源室提取離子。

與間接加熱式陰極離子源相關聯的一個問題在於陰極與斥拒極可具有有限的壽命。陰極在其後表面上會經受來自電子的轟擊且在其前表面上會經受正電荷離子的轟擊。這種轟擊會引起濺射而造成陰極腐蝕。

此外，在某些實施例中，在斥拒極的表面上可生長有鎢類材質或碳類材質。這些沉積物可能會降低離子源的效率，或可能會導致與電漿有關的問題，例如(舉例來說)，所提取帶狀離子束(ribbon ion beam)的不均勻性。此外，這些沉積物也可能會向所提取離子束中引入污染物並縮短離子源的壽命。

因此，其中材質不會在斥拒極上積聚的間接加熱式陰極離子源可有所益處。這種間接加熱式陰極離子源可具有改善的壽命、性能及束均勻性。

間接加熱式陰極離子源包括離子源室，所述離子源室具有位於兩個相對的端部上的陰極及斥拒極。所述斥拒極是由兩個分立的部件製成，所述兩個分立的部件分別包含不同的材質。所述斥拒極包括可為碟形組件的斥拒極頭及用以支撐所述頭的杆。所述斥拒極頭是由導熱率高於所述杆的導電材質製成。如此一來，所述斥拒極頭的溫度會維持為較原本可能的溫度高的溫度。所述較高的溫度會限制材質在斥拒極頭上的積聚，此會改善所述間接加熱式陰極離子源的性能。在某些實施例中，所述斥拒極頭與所述杆是利用壓(press fit)配合或干涉配合(interference fit)進行連接。所述斥拒極頭與所述杆的熱膨脹係數的差異可使得壓入配合在越高的溫度下變得越緊。

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；陰極，安置於所述離子源室的一個端部上；以及斥拒極，安置於所述離子源室的相對端部處，所述斥拒極包括安置於所述離子源室內的斥拒極頭及杆，所述杆支撐所述斥拒極頭並穿過開口離開所述離子源室；其中所述斥拒極頭是由第一材質製成，且所述杆是由與所述第一材質不同的第二材質製成。在某些實施例中，所述第一材質具有第一導熱率且所述第二材質具有第二導熱率，並且所述第一導熱率大於所述第二導熱率。在某些實施例中，所述第二導熱率小於所述第一導熱率的一半。在某些實施例中，所述第二導熱率小於所述第一導熱率的三分之一。在某些實施例中，所述斥拒極頭與所述杆是利用壓入配合進行連接。在某些實施例中，所述斥拒極頭包括安置於後表面上的空腔，且其中所述杆插入至所述空腔中。在其他實施例中，所述斥拒極頭包括安置於後表面上的柱，且在所述杆的端部處安置有空腔，並且所述柱插入至所述空腔中。

根據第二實施例，公開了一種用於離子源室內的斥拒極。所述斥拒極包括：斥拒極頭，安置於所述離子源室內；以及杆，支撐所述斥拒極頭且穿過開口離開所述離子源室；其中所述斥拒極頭是由第一材質製成且所述杆是由與所述第一材質不同的第二材質製成，其中所述第一材質具有高於所述第二材質的導熱率。在某些實施例中，所述斥拒極頭包含鎢。在某些實施例中，所述杆與斥拒極電源電連通以供應電壓至斥拒極頭。

根據第三實施例，公開了一種用於離子源室內的斥拒極。所述斥拒極包括：碟形斥拒極頭，安置於所述離子源室內且被施加偏置電壓；以及杆，附接至所述碟形斥拒極頭的後表面且穿過開口離開所述離子源室；其中所述碟形斥拒極頭及所述杆二者均為導電的且由熔點大於1000℃的材質製成，且其中所述碟形斥拒極頭的導熱率為所述杆的導熱率的至少兩倍大。在某些實施例中，所述杆是由選自由鉭、鈦、錸、鉿、不銹鋼、KOVAR^®及INVAR^®組成的群組的材質製成。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10:間接加熱式陰極離子源

100:離子源室

110:陰極

115:陰極電源

116:陰極偏壓電源

120:斥拒極

121:斥拒極頭

122:杆

123:凹陷的空腔

124、129:空腔

125:斥拒極電源

126:孔

127:柱

128、131:環形圈

140:提取孔

150:電漿

160:細絲

165:細絲電源

180:控制器

X、Y、Z:方向

圖1是根據一個實施例的離子源。

圖2A至圖2D繪示根據各種實施例的斥拒極頭與杆之間的連接的圖。

圖3繪示根據另一實施例的斥拒極頭與杆之間的連接的圖。

如上所述，間接加熱式陰極離子源可能會因積聚於斥拒極的表面上的材質而易於出現性能問題。隨著材質在斥拒極的表面上的生長，所提取帶狀離子束的均勻性可能會降低。

圖1繪示克服這一問題的間接加熱式陰極離子源10。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。離子源室100可由導電材質構造而成。在離子源室100內部，在離子源室100的兩個端部中的一者處安置有陰極110。此陰極110與用於相對於離子源室100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可相對於離子源室100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。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具有例如比陰極110的電壓負300V至負600V(300V to 600V more negative)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相較於陰極110具有更大的負值(more negative)，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施加比離子源室100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(back toward)離子源室100的中心斥拒。舉例來說，可相對於離子源室100的壁而對斥拒極120施加負的偏置電壓以斥拒電子。如同陰極電源115，斥拒極電源125可相對於離子源室100的壁而對斥拒極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，相對於離子源室100的壁而將斥拒極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，在此實施例中，陰極電源115與斥拒極電源125為同一電源。

儘管圖中未繪示，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)平行的柱中。

在離子源室100的另一側上可安置有包括提取孔140的面板。在圖1中，提取孔140安置於與X-Y平面(平行於頁面)平行的側上。此外，儘管圖中未繪示，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指令及其他資料，所述指令及其他資料使控制器180能夠使細絲160、陰極110及斥拒極120維持適合的電壓。

在運作期間，細絲電源165經由細絲160傳遞電流，由此使細絲發出熱離子電子。這些電子撞擊可具有相較於細絲160為更正(more positive)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送至離子源室100中的氣體分子碰撞。這些碰撞會生成離子，由此形成電漿150。可通過由陰極110及斥拒極120生成的電場來約束及操控電漿150。在某些實施例中，電漿150被約束於離子源室100的中心附近、靠近提取孔140。接著，經由提取孔來將離子提取成離子束。

斥拒極120由斥拒極頭121與杆122構成。斥拒極頭121可為安置於離子源室100內的碟形結構。杆122附接至斥拒極頭 121且穿過離子源室100中的開口而離開以實現斥拒極120與斥拒極電源125的連接。在某些實施例中，杆122可通過位於離子源室100的外表面上的夾具(圖中未繪示)而保持於定位中，所述夾具可由鉬或鉬合金，例如(舉例來說)，鉬鈦鋯合金(TZM)等構造而成，所述鉬鈦鋯合金包含鈦、鋯、碳，其餘為鉬。杆122具有比斥拒極頭121小得多的橫截面面積。斥拒極頭121旨在提供帶電表面(charged surface)以斥拒電子。相比之下，杆122旨在提供機械支撐及斥拒極頭121與離子源室100的外表面之間的導電性。因此，為使離子源室100中的開口的大小最小化，可將杆122的橫截面面積最小化。

斥拒極頭121可由具有第一導熱率的第一導電材質製成。杆122可由與第一導電材質不同的第二導電材質製成，且所述第二導電材質具有小於第一導熱率的第二導熱率。

在某些實施例中，第二導熱率小於第一導熱率的一半。在某些實施例中，第二導熱率小於第一導熱率的三分之一。

在運作中，通過向離子源室100中引入能量而對斥拒極頭121進行加熱。舉例來說，電漿150可具有高的溫度。此外，斥拒極頭121可受到離子源室100內部的高能離子或電子的撞擊。離子源室100中的電漿150及其他組分(component)的輻射也會將熱量傳遞至斥拒極120。這些各種現象起到對斥拒極頭121進行加熱的作用。這些熱量中的某些熱量通過熱傳導而經由杆122移除至離子源室100的外部的組件。利用導熱率低於斥拒極頭121 的第二材質，可減少從斥拒極頭121移除的熱量。

舉例來說，傳統上，斥拒極頭121與杆122二者均由鎢構造而成。在運作期間，斥拒極頭可在正常運作期間維持為約600℃的第一溫度，且在高功率運作期間維持為約800℃的第二溫度。通過以由例如導熱率為約50Wm^-1K^-1的鉭製成的杆來替換導熱率為約150Wm^-1K^-1的鎢杆，斥拒極頭121的溫度在正常運作期間升高至720℃且在高功率運作期間升高至1100℃。因此，導熱率為鎢的約三分之一的材質會使得斥拒極頭121的溫度顯著升高。

斥拒極頭121的升高的溫度可減緩材質在斥拒極頭121的表面上積聚的速率及減少材質在斥拒極頭121的表面上積聚的量。舉例來說，已觀察到在已知溫度比斥拒極120高的陰極110上積聚的材質減少。

斥拒極頭121與杆122可利用壓入配合進行接合。舉例來說，斥拒極頭121及杆122中的一者可包括空腔，而另一者則包括可插入至空腔中的柱。圖2A繪示其中穿過斥拒極頭121鑽制孔126的第一實施例。杆122被按壓至孔126中。

圖2B繪示說明斥拒極頭121與杆122之間的連接的第二實施例。在此實施例中，在斥拒極頭121的後表面內生成有凹陷的空腔123，進而使得凹陷的空腔123不會延伸至斥拒極頭121的前表面。在本公開內容中，斥拒極頭的前表面是面朝離子源室100的中心的表面。斥拒極頭121的後表面是面朝離子源室100的端部的表面。杆122接著插入至凹陷的空腔123中。

圖2C繪示說明斥拒極頭121與杆122之間的連接的第三實施例。在此實施例中，通過對材質進行延伸以使得所述材質形成凸起的環形圈131而在斥拒極頭121的後表面上生成有空腔124。杆122接著被按壓至空腔124中。

在另一實施例中，可對圖2B及圖2C所示實施例進行組合，以使得存在凸起的環形圈131及凹陷的空腔123。此實施例在圖2D中繪示。

在這些實施例中的每一者中，可期望杆122的熱膨脹係數大於斥拒極頭121的熱膨脹係數。如此一來，當斥拒極120變熱時，杆的膨脹程度會比空腔大，由此會使所述配合變緊。

此外，在某些實施例中，斥拒極頭121可由鎢製成。因此，對於圖2A至圖2D所示實施例來說，杆122可具有低於鎢的導熱率及高於鎢的熱膨脹係數。表1繪示具有這些性質的某些材質。另外，這些材質中的每一者均為導電的。表1的第一行出於比較目的而繪示鎢的特性。應注意，這個表並非旨在為窮盡性的；而是簡單地繪示在其中斥拒極頭121是由鎢製成的這些實施例中可用於杆122的幾種可能的材質。

當然，這個表僅為說明性的，這是因為斥拒極頭121可由不同的材質構造而成，例如由鉬、鉭、錸或另一種金屬構造而成。無論用於斥拒極頭121的材質如何，用於杆122的材質均被選擇成具有低於斥拒極頭121的導熱率。

在某些實施例中，為在間接加熱式陰極離子源10內實現適當的運作，可存在第一材質及第二材質的最小可接受熔化溫度。在某些實施例中，這一最小熔化溫度可為1000℃。在其他實施例中，這一最小熔化溫度可為1400℃。表1所列各材質中的每一者均滿足這一限制。

斥拒極頭121與杆122之間也可具有其他連接。舉例來說，圖3繪示其中斥拒極頭121具有從斥拒極頭121的後表面延伸的柱127的實施例。杆122具有從杆122的遠端延伸的環形圈128，從而在杆122的端部處生成空腔129。在此實施例中，來自斥拒極頭121的柱127延伸至由位於杆122的端部上的環形圈128 生成的空腔129中。

在此實施例中，使斥拒極頭121具有大於杆122的熱膨脹係數進而使得柱127的膨脹程度比空腔129大可有所益處。表2繪示當斥拒極頭121由鎢製成時，可用於圖3所示實施例的可能的材質。應注意，這個表並非旨在為窮盡性的，而是簡單地繪示可用於此實施例中的杆122的一種可能的材質。如上所述，這一材質也為導電性的。

如上所述，在某些實施例中，為在間接加熱式陰極離子源10內實現適當的運作，可存在第二材質的最小可接受熔化溫度。在某些實施例中，這一最小熔化溫度可為1000℃。在其他實施例中，這一最小熔化溫度可為1400℃。表2所列材質滿足這一限制。

儘管先前說明公開了柱與空腔之間的壓入配合，然而也可具有其他構型。舉例來說，在某些實施例中，在插入制程期間可在對空腔進行加熱的同時對柱進行冷卻，進而使得在柱與空腔達到共同的溫度時生成干涉配合。在其他實施例中，在插入之前僅對柱進行冷卻。在又一些實施例中，在插入之前僅對空腔進行加熱。在這些實施例中的每一者中，柱與空腔的溫度均被操控成使得柱在插入期間配合於空腔內。在達到熱平衡(thermal equilibrium)之後，便生成干涉配合。因此，干涉配合是壓入配合的一種特別類型。

在又一些實施例中，斥拒極頭121與杆122可熔接、焊接或以其他方式接合在一起。

本申請中的上述實施例可具有許多優點。如上所述，間接加熱式陰極離子源因在斥拒極上積聚的材質而易於具有短的壽命及易於出現性能劣化。通過降低杆122的導熱率，斥拒極頭121會保持由電漿及高能電子以及離子賦予至斥拒極頭121的熱量中的許多熱量。這起到升高斥拒極頭121的溫度的作用，從而減少斥拒極頭的前表面上的材質的積聚。在某些實施例中，通過使用由導熱率為鎢的三分之一的第二材質製成的杆122，斥拒極頭121的溫度可升高150℃至250℃。

本發明的範圍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。