用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統的製作方法
2023-06-14 15:42:01
專利名稱：用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱陰極離子源系統，特別是涉及一種用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統。
背景技術：
離子注入方法用於把通常稱之為雜質的原子或分子引入靶標基片，從而改變基片材料的物理和化學性能。在許多製造領域中，尤其是在半導體產品以及太陽能電池產品的製造中，通常都需要利用帶狀離子束來對矽晶片進行離子注入加工。用於執行離子注入的離子注入機中都設有用於產生並引出離子束的離子源系統。目前已有了多種不同類型的離子源系統，例如圖I和圖2所示便為一種典型的熱陰極離子源系統。如圖I所示，該熱陰極離子源系統包括有一放電室I以及由一熱陰極2與一對陰極3構成的陰極單元，該放電室I為一用於氣體放電並產生呈等離子體6狀態的所需離子的真空室，該熱陰極2用於產生氣體放電所需的電子，其內的燈絲4則用於產生發射並轟擊該熱陰極2的電子，而該對陰極3則用於反射該熱陰極2發射出來的電子。該熱陰極離子源系統還包括一引出系統，該引出系統具有一引出區域，該引出系統利用電場將該放電室I中的離子在該引出區域處弓I出，從而獲得一離子束束流。如圖2所示，在需要獲得帶狀束流的情況下，通常的做法是在該引出區域中設置一引出縫5，離子束從該引出縫5中被引出，其中利用該引出縫5狹長的形狀對離子束橫截面的約束作用便可以獲得帶狀束流，此時該引出縫5所在的區域(如圖2中的虛線框所示)即為該引出區域。在如圖I和圖2所示的該熱陰極離子源系統中存在著以下缺陷I、引出的離子束的束流強度不夠大，無法滿足高束流強度的離子注入的需求。首先，現有設計中僅僅利用一個單一的引出縫來引出離子束，因此實際用於引出離子束的有效面積較小，而為了增加該有效面積，通常的做法是增大引出縫的縫寬，但這又會對整個離子源系統尤其是引出系統的光學特性產生不利的影響。其次，該熱陰極2需要加熱到一定程度才能夠發射出電子，因此該熱陰極2的尺寸不可能設計得過大，而另一方面，在該放電室I中僅有受到該熱陰極2與該對陰極3作用的區域中的等離子體濃度才會較高，而較為邊緣的區域中的等離子體濃度則會相對較低，這將導致僅能夠從該放電室I的中心部位(對應於受到該熱陰極2與該對陰極3作用的區域)處弓I出束流強度較高的離子束，而從邊緣部位處弓I出的束流強度則會較低。另外，由於現有離子注入機的設計限制，通常在一臺離子注入機中僅能夠採用一個離子源系統而非多個，因此目前也無法簡單地通過增加離子源系統的數量來提高引出的束流強度。2、引出的離子束的束流強度分布的均勻性不佳。除了由於該熱陰極2與該對陰極3的作用區域有限而導致的邊緣部位處引出的束流強度較低之外，空間電荷效應也會對帶狀束流在橫截面縱向上的均勻性產生不利影響。
發明內容
本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統所引出的離子束的束流強度不夠大、且束流強度分布的均勻性也不佳的缺陷，提供一種能夠顯著地提高所引出的離子束的束流強度以及束流強度分布的均勻性的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，該熱陰極離子源系統包括一放電室、由一熱陰極與一對陰極構成的陰極單元以及一引出系統，該引出系統具有一設有引出縫的引出區域，其特點在於，該引出縫的數量為兩條以上，該些引出縫在該引出區域內相互平行。較佳地，該引出縫的數量為兩條或三條。較佳地，該引出縫的數量為四條以上，且位於該引出區域的中央部位處的引出縫之間的間隙大於位於該引出區域的邊緣部位處的引出縫的之間的間隙；和/或，該引出縫 的數量為三條以上，且位於該引出區域的中央部位處的引出縫的縫寬小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出縫的縫寬。較佳地，該些引出縫之間的間隙處設有多個引出孔。較佳地，該引出孔的形狀為圓形、正多邊形、橢圓形或矩形。較佳地，位於該引出區域的中央部位處的引出孔的尺寸小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的尺寸；和/或，位於該引出區域的中央部位處的引出孔的分布密度小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的分布密度。較佳地，該陰極單元的數量為一個。較佳地，該陰極單元的數量為兩個以上。較佳地，該陰極單元的數量為兩個。較佳地，該兩個陰極單元的熱陰極位於該放電室的同側。較佳地，該兩個陰極單元的熱陰極分別位於該放電室的對側。本發明的積極進步效果在於I、本發明通過在引出區域中設計更多的引出縫，顯著地增加了實際用於引出束流的有效面積，在放電室中的等離子體濃度保持不變的情況下，所引出的帶狀束流的束流強度將會隨之顯著提高。2、本發明還較佳地在引出縫之間的間隙處設置了引出孔。由於從每個引出縫中引出的較大子束流之間的束流強度顯然會小於每個較大子束流內部的束流強度，此時若是利用位於引出縫之間的間隙處的多個引出孔再同時引出多束較小子束流，這些較小子束流便能夠很好地對原先束流強度較低的區域進行彌補加強，從而在整體上使得引出的帶狀束流在整個束流橫截面上都具有極高的束流強度均勻性。3、本發明還較佳地增加了陰極單元的設計數量，這將有助於在放電室中產生更多的所需離子，從而增大其內的等離子體的濃度。在引出系統的引出能力不變或是更高的情況下，這顯然能夠保證引出的離子束的束流強度得到顯著的提高。另外，陰極單元數量的增加還將有助於擴展放電室中能夠實際引出離子束的橫向區域，從而從本質上改善不同引出縫的離子引出量之間的均勻性，由此獲得束流強度分布更加均勻的離子束。4、所引出的離子束的束流強度分布均勻性的提高也意味著整個離子源系統，尤其是引出系統的光學特性獲得了較為獨立的優化，這便保證了所獲得離子束的光學質量。
圖I為現有的用於產生帶狀束流的離子源系統的放電室以及陰極單元的示意圖，同時也為本發明的用於產生帶狀束流的離子源系統的放電室以及陰極單元的第一種實施方式的示意圖。圖2為現有的用於產生帶狀束流的離子源系統的引出區域的示意圖。圖3為本發明的用於產生帶狀束流的離子源系統的引出區域的第一種實施方式的示意圖。圖4為本發明的用於產生帶狀束流的離子源系統的引出區域的第二種實施方式的示意圖。 圖5為本發明的用於產生帶狀束流的離子源系統的引出區域的第三種實施方式的示意圖。圖6為本發明的用於產生帶狀束流的離子源系統的放電室以及陰極單元的第二種實施方式的示意圖。圖7為本發明的用於產生帶狀束流的離子源系統的放電室以及陰極單元的第三種實施方式的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。參考圖I以及圖3-7，本發明的該用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統首先與現有設計同樣地包括有一內有等離子體6的放電室I、陰極單元以及一引出系統。該陰極單元同樣由一熱陰極2與一對陰極3構成，其中該熱陰極2內同樣設有燈絲4。該引出系統則同樣具有一引出區域(在圖3、圖4和圖5中該引出區域均由虛線框表示)，而該引出區域中也同樣設有引出縫5。但是與現有技術不同的是在本發明中，該引出縫5的數量增加為兩條以上，較佳地為兩條或三條，並且該些引出縫均在該引出區域內相互平行設置，例如圖3、圖4和圖5所示。要加以說明的是，本文中的「相互平行」既包含該些引出縫之間嚴格地相互平行的情況，也包含該些弓I出縫之間近似地相互平行的情況。與僅設置一條引出縫的方式相比，本發明中實際用於引出束流的有效面積獲得了顯著的增加，在放電室中的等離子體濃度保持不變的情況下，顯然能夠引出束流強度更大的離子束。進一步地，由於離子在該引出系統的電場作用下從該放電室I中被引出時，其總是趨向於呈現為中心部位處的離子密度較高，而邊緣部位處的離子密度較低，這將導致所引出的束流強度不夠均勻。因此為了儘可能地降低這種自然產生的不均勻性，當該引出縫5的數量達到四條以上時，較佳的設計為位於該引出區域的中央部位處的引出縫之間的間隙大於位於該引出區域的邊緣部位處的引出縫的之間的間隙；和/或，當該引出縫5的數量達到三條以上時，較佳的設計為位於該引出區域的中央部位處的引出縫的縫寬小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出縫的縫寬。
然而，從每個引出縫5中引出的較大子束流之間的束流強度顯然會小於每個較大子束流內部的束流強度，因此為了對整個離子束的束流強度分布進行進一步地精細微調，還可以在該些引出縫之間的間隙處設置多個引出孔7。這樣一來，在每個引出縫引出一束較大子束流的同時，每個引出孔7也將引出一束較小子束流，這些較小子束流將能夠很好地對原先束流強度較低的區域進行彌補加強，從而在整體上使得引出的帶狀束流在整個束流橫截面上都具有極高的束流強度均勻性。本發明對該些引出孔7的具體形狀、設置數量、大小以及位置等等均沒有限制，本領域技術人員可以根據離子束的束流強度分布的具體情況，有針對性地設計引出孔的各種參數，以對離子束中束流強度較低的區域進行適當的彌補加強，從而獲得束流強度均勻的離子束。當然，本發明並不僅僅適用於產生均勻束流的場合，當對離子束的束流強度分布有特殊要求時，也可以根據該特殊要求有針對性地設計引出孔的形狀、數量、大小以及位置，以使得引出的離子束滿足該特殊的束流強度分布。上述的對引出孔的各種參數的具體設計過程對於本領域技術人員而言均是容易實現的，故在此不做贅述。其中，該些引出孔7的形 狀例如可以為圓形(如圖4所示)、各種正多邊形、橢圓形(如圖5所示)或者矩形等等，當然，在一種實施方式中既可以單一採用一種形狀的引出孔7也可以混合採用多種形狀的引出孔7。同樣由於離子在該引出系統的電場作用下從該放電室I中被引出時，其總是趨向於呈現為中心部位處的離子密度較高，而邊緣部位處的離子密度較低，因此為了進一步地儘可能降低這種自然產生的不均勻性，該些引出孔7的較佳設計為位於該引出區域的中央部位處的引出孔的尺寸小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的尺寸，參考圖5所示；和/或，位於該引出區域的中央部位處的引出孔的分布密度小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的分布密度，參考圖4所示。為了提高引出的離子束的束流強度，除了增大實際用於引出束流的有效面積之外，還可以進一步地考慮提高該放電室I中的等離子體6的濃度，這可以通過設計兩個以上的該陰極單元來實現，其中，較佳地採用兩個該陰極單元。當該陰極單元的數量增加時，將可以實現以下益處I、增大了該放電室I中的等離子體6的密度和總量，在本發明中的該引出系統的引出能力已經大幅提高的前提下，這兩個效應相互疊加，顯然會更加大幅地提高引出的離子束的束流強度。2、更多的陰極單元將使得該放電室I中受到熱陰極與對陰極作用的區域分布得更加廣泛，這會使得離子在從該放電室I中被引出時，在較為偏離中心部位的區域中也能夠獲得較高的束流強度，從而在源頭上改善束流引出時的天然不均勻性。3、在一些應用場合中若是本發明的該熱陰極離子源系統僅需引出與現有設計同樣強度的束流，則可以相對於現有設備降低熱陰極以及對陰極等許多相關部件的工作電壓和工作電流，從而達到延長離子源系統壽命的目的。4、本發明並未改變每個陰極單元的尺寸，因此該熱陰極離子源系統仍舊能夠在原有的時間內完成從啟動到穩定工作的準備過程；若是採用現有設計強行地引出本發明量級的束流強度，則意味著不得不大幅地增加單個陰極單元的尺寸，這無疑會顯著提拖慢離子源系統從啟動到穩定的準備過程。
以下僅以實施例I 6對本發明進行舉例說明，在這些實施例中，各引出縫的尺寸均示例性地設定為相等，但本發明不受該設定的限制。實施例I本實施例中的陰極單元的設計仍如圖I所示，其與現有設計相同，而該引出系統的該引出區域的設計則如圖3所示，其中該引出區域中設計有兩條相互平行的引出縫，以此來提高引出的離子束的束流強度。實施例2本實施例中的陰極單元的設計仍如圖I所示，而該引出系統的該引出區域的設計則如圖4或圖5所示。本實施例在實施例I的基礎上進一步地在兩條引出縫之間的間隙處增設了多個引出孔，並且位於該引出區域的中心部位處的引出孔的尺寸或分布密度小於位 於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的尺寸或分布密度，以此來進一步地微調引出的離子 束的束流強度分布，從而獲得束流強度分布更加均勻的離子束。實施例3本實施例中的陰極單元的設計如圖6所示，而該引出系統的該引出區域的設計則仍如圖3所示。本實施例在實施例I的基礎上進一步地將該陰極單元的設計數量增加為兩個，且該兩個陰極單元的熱陰極2位於該放電室I的同側，以此提高該放電室I中的等離子體6的濃度和總量，從而進一步地提高引出的離子束的束流強度，並且由於兩個陰極單元相較於單一的陰極單元將可以在圖6的縱向上對該放電室I中更大的區域產生作用，從而還能夠改善引出的離子束的束流強度分布的天然不均勻性。實施例4本實施例中的陰極單元的設計仍如圖6所示，而該引出系統的該引出區域的設計則仍如圖4或圖5所示。本實施例在實施例3的基礎上進一步地在兩條引出縫之間的間隙處增設了多個引出孔，並且位於該引出區域的中心部位處的引出孔的尺寸或分布密度小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的尺寸或分布密度，以此來進一步地微調引出的離子束的束流強度分布，從而獲得束流強度更加均勻的離子束。實施例5本實施例中的陰極單元的設計如圖7所示，而該引出系統的該引出區域的設計則仍如圖3所示。本實施例在實施例3的基礎上將該兩個陰極單元的設計方向改變為使得它們的熱陰極2分別位於該放電室I的對側。根據本領域中的公知常識，在不改變引出效果的前提下，由於該對陰極3的尺寸是可以適當縮小的，因此該實施例相較於實施例3將能夠減小該放電室I在圖7的縱向上的設計尺寸，並且相應地減小該兩條引出縫之間的間隙，進而改善弓I出的離子束的均勻性。實施例6本實施例中的陰極單元的設計仍如圖7所示，而該引出系統的該引出區域的設計則仍如圖4或圖5所示。本實施例在實施例5的基礎上進一步地在兩條引出縫之間的間隙處增設了多個引出孔，並且位於該引出區域的中心部位處的引出孔的尺寸或分布密度小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的尺寸或分布密度，以此來進一步地微調引出的離子束的束流強度分布，從而獲得束流強度更加均勻的離子束。綜上所述，本發明的該用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統不但能夠顯著地提高所引出的離子束的束流強度、顯著地提高所引出的離子束的束流強度分布均勻性，還能夠保證所引出的離子束的光學質量。雖然以上描述了本發明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背 離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，該熱陰極離子源系統包括一放電室、由一熱陰極與一對陰極構成的陰極單元以及一引出系統，該引出系統具有一設有引出縫的引出區域，其特徵在於，該引出縫的數量為兩條以上，該些引出縫在該引出區域內相互平行。
2.如權利要求1所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該引出縫的數量為兩條或三條。
3.如權利要求1所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該引出縫的數量為四條以上，且位於該引出區域的中央部位處的引出縫之間的間隙大於位於該引出區域的邊緣部位處的引出縫的之間的間隙；和/或，該引出縫的數量為三條以上，且位於該引出區域的中央部位處的引出縫的縫寬小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出縫的縫寬。
4.如權利要求1-3中任意一項所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該些引出縫之間的間隙處設有多個弓I出孔。
5.如權利要求4所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該引出孔的形狀為圓形、正多邊形、橢圓形或矩形。
6.如權利要求4所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，位於該引出區域的中央部位處的引出孔的尺寸小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的尺寸；和/或，位於該引出區域的中央部位處的引出孔的分布密度小於位於該引出區域的邊緣部位處的引出孔的分布密度。
7.如權利要求1-6中任意一項所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該陰極單元的數量為一個。
8.如權利要求1-6中任意一項所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該陰極單元的數量為兩個以上。
9.如權利要求8所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該陰極單元的數量為兩個。
10.如權利要求9所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該兩個陰極單元的熱陰極位於該放電室的同側。
11.如權利要求9所述的用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，其特徵在於，該兩個陰極單元的熱陰極分別位於該放電室的對側。
全文摘要
本發明公開了一種用於產生帶狀束流的熱陰極離子源系統，該熱陰極離子源系統包括一放電室、由一熱陰極與一對陰極構成的陰極單元以及一引出系統，該引出系統具有一設有引出縫的引出區域，該引出縫的數量為兩條以上，該些引出縫在該引出區域內相互平行。本發明不但能夠顯著地提高所引出的離子束的束流強度、顯著地提高所引出的離子束的束流強度分布均勻性，還能夠更好地保證所引出的離子束的光學質量。
文檔編號H01J37/08GK102789945SQ20111012785
公開日2012年11月21日 申請日期2011年5月17日 優先權日2011年5月17日
發明者洪俊華, 錢鋒, 陳炯 申請人:上海凱世通半導體有限公司