[发明专利]一种高能离子注入机用冷阴极潘宁离子源装置

说明书

本发明公开一种高能离子注入机用冷阴极潘宁离子源装置，包括：离子源，引出电极，永磁体，腔体，其中离子源包括：防护罩、阳极罩、阳极座、阴极、对阴极、阴极座、绝缘陶瓷和套管；永磁体提供轴向磁场，引出电极通高压提供电场，电子在离子源阴极—阳极—对阴极之间的电场作用下在轴向来回振荡，并在磁场作用下作螺旋运动；阴极和对阴极侧面设计有高压接口，通相同的电压；阳极罩接地，内部设计有进气管道和引出口。本发明通过在阳极座内设计水冷管道且具有可清洗功能，可间接降低离子源阳极罩的温度，通过束流动力学仿真优化阳极罩引出口的结构，极大地提高了离子的引出效率，降低打火风险。

技术领域

本发明属于半导体制造领域，具体而言，主要涉及高能离子注入机使用的一种冷阴极潘宁离子源。

背景技术

半导体制造过程中的一个重要工艺是离子注入。离子注入是指将来自离子源的离子进行聚焦、加速和偏转后照射到目标材料上，进而改变目标材料的化学或物理性质。在半导体制造中，通常例如采用离子注入对目标材料进行掺杂、如N型或P型掺杂。

离子注入机的一个重要组件是离子源，离子源所生成的等离子体的质量和生成速度将直接影响整个工艺的质量和速度。当前的离子源中ECR离子源容易获得较强的离子束，但存在高频电源和微波辐射问题，会对相关分析仪器产生干扰；潘宁离子源在使用的过程中温度过高，阴极的使用寿命很短需要频繁更换，且阴极与阳极的连接稳定性差，易造成阴极与阳极发生短路。为解决以上问题，现设计一种冷阴极潘宁离子源装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高能离子注入机用冷阴极潘宁离子源装置，所述装置的阳极座内设计水冷管道且具有可清洗功能，可间接降低离子源阳极罩的温度；所述阳极与阴极之间设有绝缘陶瓷材料，可有效避免阴极与阳极间发生短路；所述阳极罩的结构设计，提高了阳极与阴极间的电场强度；通过束流动力学仿真优化阳极罩引出口的结构，极大地提高了离子的引出效率，降低打火风险；采用可拆卸的结构设计，方便离子源零部件的清洗和更换。

本发明的技术方案为：一种高能离子注入机用冷阴极潘宁离子源装置，其特征在于，包括：离子源，引出电极，永磁体和腔体，所述离子源包括防护罩，支撑铜柱，阴极，对阴极，绝缘陶瓷支撑，高压线，阳极罩，阳极座，套管，水管，水管密封组件，气管密封组件，气管；离子源装置顶部设有一个防碰撞的防护罩，固定在阳极罩上；阳极罩接地，且通过螺栓固定在阳极座上，所述阳极罩内部设计有气管和束流引出口；阳极座通过螺栓固定于套管上，且所述阳极座内设计有水管；阴极和对阴极位于阳极罩内部，二者均为T型结构，侧面设计有高压接口，利用高压线通相同的电压；阴极和对阴极两端均设计有绝缘陶瓷支撑，实现与阳极罩之间的绝缘，然后所述绝缘陶瓷支撑利用支撑铜柱固定；通过水管将水引入阳极座内，并利用水管密封组件实现阳极座和套管之间的密封；通过气管将氢气引入阳极座和阳极罩内，并利用气管密封组件实现阳极座和套管之间的密封；引出电极的位置与束流引出口相对，腔体外围设置永磁体提供轴向磁场，腔体提供真空环境，离子源产生的离子在引出电极的作用下被拉出，在永磁体产生的磁场作用下对中和聚焦。

进一步的，所述阳极座内设计水管且具有可清洗功能，阳极座和阳极罩材料均为无氧铜，通过导热间接降低离子源阳极罩的温度。

进一步的，所述阳极罩与阴极和对阴极之间均设有绝缘陶瓷材料，用于避免阴极与阳极间发生短路。

进一步的，所述阳极罩采用中部变径圆孔设计，减小了阳极罩与阴极和对阴极之间的距离，提高阳极与阴极间的电场强度。

进一步的，通过束流动力学仿真优化束流引出口的结构，即改变束流引出口切角α和束流引出口深度H的数值，提高了离子的引出效率，降低打火风险。

进一步的，所述离子源装置的气路采用分段式设计且气管设置在靠近阴极一侧，提高气体利用率，增加等离子体的生成速度。

进一步的，所述离子源装置的水管、高压线、气管均采用可拆卸的结构设计，方便离子源零部件的清洗和更换。