一種多功能離子源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多功能離子源，包括弧室腔體，工藝氣體被導(dǎo)入其中，在其內(nèi)部生成等離子體；陽極筒，兼作陽極，安裝在弧室腔體內(nèi)并與其絕緣；熱陰極，布置在陽極筒內(nèi)一側(cè)并與陽極筒和弧室腔體分別絕緣；金屬樣品，安裝在弧室腔體底部，并與弧室腔體相連接；反射極，設(shè)置在陽極筒內(nèi)另一側(cè)并與熱陰極相對，它與陽極筒和弧室腔體分別絕緣；源磁場，磁力線沿著熱陰極與反射極的連接線。本發(fā)明可用于產(chǎn)生從氣態(tài)到幾乎所有金屬的各種離子，具備在一個離子源獲得大束流氣態(tài)元素離子束流與固態(tài)金屬束流的優(yōu)異性能，降低了需要產(chǎn)生金屬離子束流的離子注入機的系統(tǒng)復(fù)雜性，簡化了離子源的控制與制造成本。
【專利說明】—種多功能罔子源

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造設(shè)備，特別是一種多功能離子源。

【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件制造技術(shù)與工藝都非常復(fù)雜，離子注入摻雜屬于半導(dǎo)體器件制造過程中非常關(guān)鍵的一道工藝。離子注入摻雜工藝與常規(guī)熱摻雜工藝相比具有高精度的劑量均勻性與重復(fù)性，橫向擴散小等優(yōu)點，克服了常規(guī)工藝的限制，提高了電路的集成度、速度、成品率和壽命，降低了成本和功耗。隨著半導(dǎo)體材料從第一代硅逐步發(fā)展到第三代SiC，需要離子注入摻雜工藝摻雜的元素從普通的硼、磷、砷逐步發(fā)展的銻、銦、鋁等金屬元素，硼、磷、砷離子可采用氣態(tài)化合物在離子源電離獲得，但后續(xù)的銻、銦、鋁離子等一般需要對固態(tài)材料進行氣化或濺射后電離才能獲得。對固態(tài)材料進行氣化需要高溫坩堝及相應(yīng)的電源與控制系統(tǒng)，氣態(tài)材料的電源與控制系統(tǒng)獨立，造成離子源結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)都非常復(fù)雜，成本高；對固態(tài)材料進行濺射的成熟離子源有潘寧源，但是其結(jié)構(gòu)不能與注入機成熟使用的熱陰極離子源兼容，同樣需要兩套系統(tǒng)，且其束流強度受到固有的工作原理限制，難以滿足工藝效率提升對束流的需求不斷提高，且長時間工作容易因污染而失效，維護頻率較高。
[0003]具有金屬束流的離子注入機也應(yīng)用到材料改性行業(yè)，所需要產(chǎn)生的離子種類多，既有氣態(tài)元素，也有固態(tài)元素，現(xiàn)有的應(yīng)用的一般都是同時配備熱陰極離子源與潘寧源兩種離子源，系統(tǒng)成本高，氣態(tài)與固態(tài)轉(zhuǎn)換需要更換離子源，維護操作難度較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多功能離子源，同時具備普通熱陰極離子源如貝納斯源與濺射型離子源的功能，可用于產(chǎn)生從氣態(tài)到幾乎所有金屬的各種離子，具備在一個離子源獲得大束流氣態(tài)元素離子束流與固態(tài)金屬束流的優(yōu)異性能，降低需要產(chǎn)生金屬離子束流的離子注入機的系統(tǒng)復(fù)雜性，簡化離子源的控制與制造成本。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種多功能離子源，包括: 弧室腔體，用于導(dǎo)入工藝氣體并生成等離子體；
陽極筒，安裝在弧室腔體內(nèi)，且與所述弧室腔體絕緣；
熱陰極，為U型結(jié)構(gòu)，所述U型結(jié)構(gòu)的未開口端設(shè)置在所述陽極筒內(nèi)，所述U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)依次穿過所述陽極筒和所述弧室腔體一側(cè)，且與所述陽極筒、弧室腔體絕緣；反射極，與所述熱陰極位置相對，所述反射極一端設(shè)置在所述陽極筒內(nèi)，另一端依次穿過所述陽極筒和所述弧室腔體另一側(cè)，且所述反射極與所述陽極筒、弧室腔體絕緣；
金屬樣品，位于所述陽極筒下方，且與所述弧室腔體底部連接；
源磁場，設(shè)置在所述弧室腔體外部兩側(cè)，且所述源磁場的磁力線與所述熱陰極、反射極中點之間的連線位于同一直線上；
所述陽極筒與陽極電源的正端、弧壓電源的正端電連接，所述熱陰極U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)分別與熱陰極電源的正端和負(fù)端電連接；所述陰極電源負(fù)端與所述反射極電連接；所述弧室腔體、所述陽極電源的負(fù)端均接地；所述熱陰極電源正端與所述弧壓電源負(fù)端串聯(lián)；或者，所述陽極筒與所述弧壓電源的正端電連接，所述弧壓電源的負(fù)端與熱陰極電源的正端連接；所述熱陰極U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)分別與所述熱陰極電源的正端和負(fù)端電連接；所述熱陰極電源的負(fù)端與所述反射極電連接；所述弧室腔體、弧壓電源負(fù)端均接地；或者:
所述熱陰極與所述弧室腔體、陽極筒之間設(shè)有陰極；所述陽極筒與陽極電源的正端、弧壓電源的正端電連接，所述熱陰極U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)分別與熱陰極電源的正端和負(fù)端電連接；所述陰極一端與所述反射極電連接；所述熱陰極電源與所述弧壓電源之間接有偏置電源；所述陰極另一端接入所述偏置電源正端與所述弧壓電源負(fù)端之間；所述弧室腔體、所述陽極電源的負(fù)端均接地；所述熱陰極電源正端與所述偏置電源負(fù)端串聯(lián)；或者，所述陽極筒與所述弧壓電源的正端電連接，所述弧壓電源的負(fù)端與偏置電源的正端連接；所述熱陰極U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)分別與所述熱陰極電源的正端和負(fù)端電連接；所述偏置電源的正端與所述反射極電連接；所述熱陰極電源與弧壓電源之間接有偏置電源，所述陰極一端接入所述偏置電源正端與所述弧壓電源負(fù)端之間；所述弧室腔體、陽極電源負(fù)端均接地。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的貝納斯離子源、間熱式陰極離子源兼容；可通過電源系統(tǒng)的控制，在普通貝納斯離子源或間熱式陰極離子源工作模式與熱陰極濺射工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換；在普通熱陰極離子源工作模式下保持了現(xiàn)有貝納斯離子源或間熱式陰極離子源的所有優(yōu)異性能，在熱陰極濺射工作模式下能獲得比現(xiàn)有潘寧源更大的金屬離子束流；本發(fā)明可用于產(chǎn)生從氣態(tài)到幾乎所有金屬的各種離子，具備在一個離子源獲得大束流氣態(tài)元素離子束流與固態(tài)金屬束流的優(yōu)異性能，降低了需要產(chǎn)生金屬離子束流的離子注入機的系統(tǒng)復(fù)雜性，簡化了離子源的控制與制造成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1熱陰極濺射離子源電源連接原理圖；
圖2間熱式陰極濺射離子源電源連接原理圖；
圖3熱陰極濺射離子源電源連接原理圖，簡化接法；
圖4間熱式陰極濺射離子源電源連接原理圖，簡化接法；
圖5熱陰極濺射離子源具體結(jié)構(gòu)爆炸圖。

【具體實施方式】
[0008]如圖1所示，本發(fā)明一實施例包括弧室腔體I ;弧室腔體I包括弧室引出板(111)和弧室底板115 ;所述弧室引出板111下表面、所述弧室底板115上表面四個側(cè)邊分別與第一弧室側(cè)板112、熱陰極端側(cè)板113、第二弧室側(cè)板114、反射極端側(cè)板116連接，且所述熱陰極端側(cè)板113、反射極端側(cè)板116位置相對；弧室底板115下表面兩側(cè)分別與左支撐板11、右支撐板14連接；弧室底板115與第一弧室側(cè)板112、熱陰極端側(cè)板113、第二弧室側(cè)板114、反射極端側(cè)板116之間可通過連接螺釘12連接?；∈仪惑w可以為長方體，但不限于該形狀。
[0009]陽極筒2安裝在弧室腔體I內(nèi)，且與所述弧室腔體I絕緣；熱陰極3，為U型結(jié)構(gòu)，所述U型結(jié)構(gòu)的未開口端設(shè)置在所述陽極筒2內(nèi)，所述U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)依次穿過所述陽極筒2和所述弧室腔體I 一側(cè)，且與所述陽極筒2、弧室腔體I絕緣；反射極5與所述熱陰極3位置相對，所述反射極5 —端設(shè)置在所述陽極筒2內(nèi)，另一端依次穿過所述陽極筒2和所述弧室腔體I另一側(cè)，且所述反射極5與所述陽極筒2、弧室腔體I絕緣；金屬樣品4位于所述陽極筒2下方，且與所述弧室腔體I底部連接；源磁場6設(shè)置在所述弧室腔體I外部兩側(cè)，且所述源磁場6的磁力線與所述熱陰極3、反射極5中點之間的連線位于同一直線上；
弧室引出板111上開設(shè)有引出孔101，所述引出孔101與所述金屬樣品4位置相對。
[0010]弧室底板115上開設(shè)有送氣孔102。
[0011]熱陰極3、反射極5與所述陽極筒2、弧室腔體I之間均設(shè)有空隙，可以供熱陰極3發(fā)射的電子通過。
[0012]熱陰極3與陽極筒2、弧室腔體I分別絕緣，陽極筒2連接陽極電源304的正端，陽極筒2的一端有孔供熱陰極3通過，另一端也有孔供反射極5穿過；熱陰極3穿過弧室腔體1，連接弧壓電源302的負(fù)端；熱陰極3的兩端分別連接熱陰極電源301的正負(fù)端，同時與反射極5相連；反射極5穿過弧室腔體I和陽極筒2，與弧室腔體I和陽極筒2之間絕緣；反射極5與熱陰極3的一端連接,在同一電位。
[0013]通過控制陽極電源304的輸出，可實現(xiàn)在普通貝納斯離子源工作模式與熱陰極濺射工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換:當(dāng)陽極電源304輸出為OV或者短接時，本發(fā)明即工作在普通的貝納斯離子源或間熱式陰極離子源模式，可產(chǎn)生氣態(tài)元素離子；當(dāng)陽極電源304輸出逐漸增大，弧室內(nèi)的離子對固體樣品4的濺射效果越強，本發(fā)明即進入熱陰極濺射工作模式，可產(chǎn)生固體樣品對應(yīng)的離子。
[0014]參照圖3，熱陰極3與陽極筒2、弧室腔體I分別絕緣，陽極筒2連接弧壓電源302的正端，陽極筒2的一端有孔供熱陰極3通過，另一端也有孔供反射極5穿過；熱陰極3穿過弧室腔體1，連接弧壓電源302的負(fù)端；熱陰極3的兩端分別連接熱陰極電源301的正負(fù)端，同時與反射極5相連；反射極5穿過弧室腔體I和陽極筒2，與弧室腔體I和陽極筒2之間絕緣；反射極5與熱陰極3的一端連接，在同一電位。通過控制弧壓電源302的輸出，可實現(xiàn)在普通貝納斯離子源工作模式與熱陰極濺射工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換，弧壓電源302偏小時，離子源為普通貝納斯離子源；弧壓電源302輸出逐漸增大，弧室內(nèi)的離子對固體樣品4的濺射效果越強，本發(fā)明即進入熱陰極濺射工作模式，可產(chǎn)生固體樣品對應(yīng)的離子；該離子源與圖1中方案相比弧室側(cè)壁損壞較大，并且由于弧壓電源302兼作弧壓電源與陽極電源兩個作用，調(diào)節(jié)離子源性能比較受限制；優(yōu)點是可以減少一個源。
[0015]如圖2，熱陰極3、陰極7與陽極筒2、弧室腔體I分別絕緣，熱陰極3和陰極7之間也相互絕緣；陽極筒2連接陽極電源304的正端，陽極筒2的一端有孔供熱陰極(3)與陰極7通過，另一端也有孔供反射極5穿過；熱陰極3穿過弧室腔體1，連接偏置電源303的負(fù)端；熱陰極3的兩端分別連接熱陰極電源301的正負(fù)端；陰極7將熱陰極半包圍，連接偏置電源303的正端；反射極5穿過弧室腔體I和陽極筒2，與弧室腔體I和陽極筒2之間絕緣；反射極5與陰極7的一端連接，在同一電位；弧壓電源的正端與陽極筒連接，負(fù)端與陰極連接。
[0016]通過控制陽極電源304的輸出，可實現(xiàn)在普通貝納斯離子源或間熱式陰極離子源工作模式與熱陰極濺射工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換:當(dāng)陽極電源304輸出為OV或者短接時，本發(fā)明即工作在普通的貝納斯離子源或間熱式陰極離子源模式，可產(chǎn)生氣態(tài)元素離子；當(dāng)陽極電源304輸出逐漸增大，弧室內(nèi)的離子對固體樣品(4)的濺射效果越強，本發(fā)明即進入熱陰極濺射工作模式，可產(chǎn)生固體樣品對應(yīng)的離子；該離子源與方案I相比的優(yōu)點為燈絲壽命長。
[0017]參照圖4，熱陰極3、陰極7與陽極筒2、弧室腔體I分別絕緣，熱陰極3和陰極7之間也相互絕緣；陽極筒2連接弧壓電源302的正端，陽極筒2的一端有孔供熱陰極(3)與陰極7通過，另一端也有孔供反射極5穿過；熱陰極3穿過弧室腔體1，連接偏置電源303的負(fù)端；熱陰極3的兩端分別連接熱陰極電源301的正負(fù)端；陰極7將熱陰極半包圍，連接偏置電源303的正端；反射極5穿過弧室腔體I和陽極筒2，與弧室腔體I和陽極筒2之間絕緣；反射極5與陰極7的一端連接，在同一電位；弧壓電源302的正端與陽極筒連接，負(fù)端與陰極連接。通過控制弧壓電源302的輸出，可實現(xiàn)在普通貝納斯離子源或間熱式陰極離子源工作模式與熱陰極濺射工作模式之間無縫轉(zhuǎn)換:當(dāng)弧壓電源302輸出較小時離子源工作在普通貝納斯離子源模式，可產(chǎn)生氣態(tài)元素離子；當(dāng)弧壓電源302輸出逐漸增大，弧室內(nèi)的離子對固體樣品4的濺射效果越強，本發(fā)明即進入熱陰極濺射工作模式，可產(chǎn)生固體樣品對應(yīng)的離子；該離子源與圖2中方案相比弧室側(cè)壁損壞較大，并且由于弧壓電源302兼兩個作用，調(diào)節(jié)離子源性能比較受限制；優(yōu)點是可以減少一個源。
[0018]通過對熱陰極加熱產(chǎn)生電子，電子在弧壓電源的電壓所產(chǎn)生的電場作用下向陽極筒加速運動，同時電子受到注入機源磁場的約束，因此電子在向陽極筒運動過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成螺旋運動，向反射極前進；弧室腔體的內(nèi)部空間，包括陽極的中部空間被離子注入機通過弧室腔體的送氣孔送入濺射元素氣體，一般采用氬氣，氬氣分子與螺旋運動的電子發(fā)生碰撞后被電離，形成氬離子；此時的氬離子處在陽極筒所包圍的空間，由于陽極筒連接陽極電源正端，陽極筒所包圍的空間處于正的高電位，氬離子在電場的作用下向處于低電位的金屬樣品或引出孔加速運動，向金屬樣品運動的氬離子最終碰撞到金屬樣品表面，濺射出金屬樣品的金屬原子，金屬原子以一定的初始速度向陽極筒的中間空間運動，進而與熱陰極發(fā)射的螺旋運動的電子發(fā)生碰撞，電離為帶正電的金屬離子，金屬離子向引出孔加速運動，并被離子注入機的引出電壓吸引出弧室腔體，形成金屬離子束流；反射極在陽極筒的與熱陰極相對的一端產(chǎn)生一個與熱陰極具有相同電位的電場，將由熱陰極發(fā)射的電子在即將到達反射極表面時反射回陽極筒的中部空間，增加了電子最終到達陽極筒的運動路程，提高電子與氬分子、金屬原子碰撞的機會，起到提高離子源等離子密度和引出束流的作用。
【權(quán)利要求】
1.一種多功能離子源，其特征在于，包括: 弧室腔體(1)，用于導(dǎo)入工藝氣體并生成等離子體； 陽極筒(2)，安裝在弧室腔體(1)內(nèi)，且與所述弧室腔體(1)絕緣； 熱陰極(3)，為U型結(jié)構(gòu)，所述U型結(jié)構(gòu)的未開口端設(shè)置在所述陽極筒(2)內(nèi)，所述U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)依次穿過所述陽極筒(2)和所述弧室腔體(1) 一側(cè)，且與所述陽極筒(2)、弧室腔體(1)絕緣； 反射極(5)，與所述熱陰極(3)位置相對，所述反射極(5) —端設(shè)置在所述陽極筒(2)內(nèi)，另一端依次穿過所述陽極筒(2)和所述弧室腔體(1)另一側(cè)，且所述反射極(5)與所述陽極筒(2)、弧室腔體(1)絕緣； 金屬樣品(4)，位于所述陽極筒(2)下方，且與所述弧室腔體(1)底部連接； 源磁場(6)，設(shè)置在所述弧室腔體(1)外部兩側(cè)，且所述源磁場(6)的磁力線與所述熱陰極(3)、反射極(5)中點之間的連線位于同一直線上； 所述陽極筒(2)與陽極電源(304)的正端、弧壓電源(302)的正端電連接，所述熱陰極(3)U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)分別與熱陰極電源(301)的正端和負(fù)端電連接；所述陰極電源(301)負(fù)端與所述反射極(5)電連接；所述弧室腔體(1)、所述陽極電源(304)的負(fù)端均接地；所述熱陰極電源(301)正端與所述弧壓電源(302)負(fù)端串聯(lián)；或者，所述陽極筒(2)與所述弧壓電源(302)的正端電連接，所述弧壓電源(302)的負(fù)端與熱陰極電源(301)的正端連接；所述熱陰極電源(301)的負(fù)端與所述反射極(5)電連接；所述弧室腔體(1)、弧壓電源(302)負(fù)端均接地； 或者: 所述熱陰極(3)與所述弧室腔體(1)、陽極筒(2)之間設(shè)有陰極(7);所述陽極筒(2)與陽極電源(304)的正端、弧壓電源(302)的正端電連接，所述熱陰極(3)U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)分別與熱陰極電源(301)的正端和負(fù)端電連接；所述陰極(7)—端與所述反射極(5)電連接；所述熱陰極電源(301)與所述弧壓電源(302)之間接有偏置電源(303);所述陰極(7)另一端接入所述偏置電源(303)正端與所述弧壓電源(302)負(fù)端之間；所述弧室腔體(1)、所述陽極電源(304)的負(fù)端均接地；所述熱陰極電源(301)正端與所述偏置電源(303)負(fù)端串聯(lián)；或者，所述陽極筒(2 )與所述弧壓電源(302 )的正端電連接，所述弧壓電源(302 )的負(fù)端與熱陰極電源(301)的正端連接；所述熱陰極(3)U型結(jié)構(gòu)的開口端兩側(cè)分別與所述熱陰極電源(301)的正端和負(fù)端電連接；所述偏置電源(303)的負(fù)端與所述反射極(5)電連接；所述熱陰極電源(301)與弧壓電源(302)之間接有偏置電源(303，)，所述陰極(7) —端接入所述偏置電源(303)正端與所述弧壓電源(302)負(fù)端之間；所述弧室腔體(1)、陽極電源(304)負(fù)端均接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能離子源，其特征在于，所述弧室腔體(1)包括弧室引出板(111)和弧室底板(115);所述弧室引出板(111)下表面、所述弧室底板(115)上表面四個側(cè)邊分別與第一弧室側(cè)板(112)、熱陰極端側(cè)板(113)、第二弧室側(cè)板(114)、反射極端側(cè)板(116)連接，且所述熱陰極端側(cè)板(113)、反射極端側(cè)板(116)位置相對。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能離子源，其特征在于，所述弧室引出板(111)上開設(shè)有引出孔(101)，所述引出孔(101)與所述金屬樣品(4)位置相對。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多功能離子源，其特征在于，所述弧室底板(115)上開設(shè)有送氣孔(102)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多功能離子源，其特征在于，所述弧室底板(115)下表面兩側(cè)分別與左支撐板(11)、右支撐板(14 )連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?5之一所述的多功能離子源，其特征在于，所述熱陰極(3)、反射極(5)與所述陽極筒(2)、弧室腔體(1)之間均設(shè)有空隙。
【文檔編號】C23C14/48GK104480447SQ201410844871
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】彭立波, 馬國宇, 李晨冉, 趙葉軍 申請人:北京中科信電子裝備有限公司