CN102789945A - 用于产生带状束流的热阴极离子源*** - Google Patents

用于产生带状束流的热阴极离子源*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于产生带状束流的热阴极离子源***，该热阴极离子源***包括一放电室、由一热阴极与一对阴极构成的阴极单元以及一引出***，该引出***具有一设有引出缝的引出区域，该引出缝的数量为两条以上，该些引出缝在该引出区域内相互平行。本发明不但能够显著地提高所引出的离子束的束流强度、显著地提高所引出的离子束的束流强度分布均匀性，还能够更好地保证所引出的离子束的光学质量。

Description

用于产生带状束流的热阴极离子源***
技术领域
本发明涉及一种热阴极离子源***，特别是涉及一种用于产生带状束流的热阴极离子源***。
背景技术
离子注入方法用于把通常称之为杂质的原子或分子引入靶标基片，从而改变基片材料的物理和化学性能。在许多制造领域中，尤其是在半导体产品以及太阳能电池产品的制造中，通常都需要利用带状离子束来对硅晶片进行离子注入加工。
用于执行离子注入的离子注入机中都设有用于产生并引出离子束的离子源***。目前已有了多种不同类型的离子源***，例如图1和图2所示便为一种典型的热阴极离子源***。如图1所示，该热阴极离子源***包括有一放电室1以及由一热阴极2与一对阴极3构成的阴极单元，该放电室1为一用于气体放电并产生呈等离子体6状态的所需离子的真空室，该热阴极2用于产生气体放电所需的电子，其内的灯丝4则用于产生发射并轰击该热阴极2的电子，而该对阴极3则用于反射该热阴极2发射出来的电子。该热阴极离子源***还包括一引出***，该引出***具有一引出区域，该引出***利用电场将该放电室1中的离子在该引出区域处引出，从而获得一离子束束流。如图2所示，在需要获得带状束流的情况下，通常的做法是在该引出区域中设置一引出缝5，离子束从该引出缝5中被引出，其中利用该引出缝5狭长的形状对离子束横截面的约束作用便可以获得带状束流，此时该引出缝5所在的区域(如图2中的虚线框所示)即为该引出区域。
在如图1和图2所示的该热阴极离子源***中存在着以下缺陷：
1、引出的离子束的束流强度不够大，无法满足高束流强度的离子注入的需求。
首先，现有设计中仅仅利用一个单一的引出缝来引出离子束，因此实际用于引出离子束的有效面积较小，而为了增加该有效面积，通常的做法是增大引出缝的缝宽，但这又会对整个离子源***尤其是引出***的光学特性产生不利的影响。
其次，该热阴极2需要加热到一定程度才能够发射出电子，因此该热阴极2的尺寸不可能设计得过大，而另一方面，在该放电室1中仅有受到该热阴极2与该对阴极3作用的区域中的等离子体浓度才会较高，而较为边缘的区域中的等离子体浓度则会相对较低，这将导致仅能够从该放电室1的中心部位(对应于受到该热阴极2与该对阴极3作用的区域)处引出束流强度较高的离子束，而从边缘部位处引出的束流强度则会较低。
另外，由于现有离子注入机的设计限制，通常在一台离子注入机中仅能够采用一个离子源***而非多个，因此目前也无法简单地通过增加离子源***的数量来提高引出的束流强度。
2、引出的离子束的束流强度分布的均匀性不佳。除了由于该热阴极2与该对阴极3的作用区域有限而导致的边缘部位处引出的束流强度较低之外，空间电荷效应也会对带状束流在横截面纵向上的均匀性产生不利影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的用于产生带状束流的热阴极离子源***所引出的离子束的束流强度不够大、且束流强度分布的均匀性也不佳的缺陷，提供一种能够显著地提高所引出的离子束的束流强度以及束流强度分布的均匀性的用于产生带状束流的热阴极离子源***。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种用于产生带状束流的热阴极离子源***，该热阴极离子源***包括一放电室、由一热阴极与一对阴极构成的阴极单元以及一引出***，该引出***具有一设有引出缝的引出区域，其特点在于，该引出缝的数量为两条以上，该些引出缝在该引出区域内相互平行。
较佳地，该引出缝的数量为两条或三条。
较佳地，该引出缝的数量为四条以上，且位于该引出区域的中央部位处的引出缝之间的间隙大于位于该引出区域的边缘部位处的引出缝的之间的间隙；和/或，该引出缝的数量为三条以上，且位于该引出区域的中央部位处的引出缝的缝宽小于位于该引出区域的边缘部位处的引出缝的缝宽。
较佳地，该些引出缝之间的间隙处设有多个引出孔。
较佳地，该引出孔的形状为圆形、正多边形、椭圆形或矩形。
较佳地，位于该引出区域的中央部位处的引出孔的尺寸小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸；和/或，位于该引出区域的中央部位处的引出孔的分布密度小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的分布密度。
较佳地，该阴极单元的数量为一个。
较佳地，该阴极单元的数量为两个以上。
较佳地，该阴极单元的数量为两个。
较佳地，该两个阴极单元的热阴极位于该放电室的同侧。
较佳地，该两个阴极单元的热阴极分别位于该放电室的对侧。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明通过在引出区域中设计更多的引出缝，显著地增加了实际用于引出束流的有效面积，在放电室中的等离子体浓度保持不变的情况下，所引出的带状束流的束流强度将会随之显著提高。
2、本发明还较佳地在引出缝之间的间隙处设置了引出孔。由于从每个引出缝中引出的较大子束流之间的束流强度显然会小于每个较大子束流内部的束流强度，此时若是利用位于引出缝之间的间隙处的多个引出孔再同时引出多束较小子束流，这些较小子束流便能够很好地对原先束流强度较低的区域进行弥补加强，从而在整体上使得引出的带状束流在整个束流横截面上都具有极高的束流强度均匀性。
3、本发明还较佳地增加了阴极单元的设计数量，这将有助于在放电室中产生更多的所需离子，从而增大其内的等离子体的浓度。在引出***的引出能力不变或是更高的情况下，这显然能够保证引出的离子束的束流强度得到显著的提高。另外，阴极单元数量的增加还将有助于扩展放电室中能够实际引出离子束的横向区域，从而从本质上改善不同引出缝的离子引出量之间的均匀性，由此获得束流强度分布更加均匀的离子束。
4、所引出的离子束的束流强度分布均匀性的提高也意味着整个离子源***，尤其是引出***的光学特性获得了较为独立的优化，这便保证了所获得离子束的光学质量。
附图说明
图1为现有的用于产生带状束流的离子源***的放电室以及阴极单元的示意图，同时也为本发明的用于产生带状束流的离子源***的放电室以及阴极单元的第一种实施方式的示意图。
图2为现有的用于产生带状束流的离子源***的引出区域的示意图。
图3为本发明的用于产生带状束流的离子源***的引出区域的第一种实施方式的示意图。
图4为本发明的用于产生带状束流的离子源***的引出区域的第二种实施方式的示意图。
图5为本发明的用于产生带状束流的离子源***的引出区域的第三种实施方式的示意图。
图6为本发明的用于产生带状束流的离子源***的放电室以及阴极单元的第二种实施方式的示意图。
图7为本发明的用于产生带状束流的离子源***的放电室以及阴极单元的第三种实施方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
参考图1以及图3-7，本发明的该用于产生带状束流的热阴极离子源***首先与现有设计同样地包括有一内有等离子体6的放电室1、阴极单元以及一引出***。该阴极单元同样由一热阴极2与一对阴极3构成，其中该热阴极2内同样设有灯丝4。该引出***则同样具有一引出区域(在图3、图4和图5中该引出区域均由虚线框表示)，而该引出区域中也同样设有引出缝5。
但是与现有技术不同的是：在本发明中，该引出缝5的数量增加为两条以上，较佳地为两条或三条，并且该些引出缝均在该引出区域内相互平行设置，例如图3、图4和图5所示。要加以说明的是，本文中的“相互平行”既包含该些引出缝之间严格地相互平行的情况，也包含该些引出缝之间近似地相互平行的情况。
与仅设置一条引出缝的方式相比，本发明中实际用于引出束流的有效面积获得了显著的增加，在放电室中的等离子体浓度保持不变的情况下，显然能够引出束流强度更大的离子束。
进一步地，由于离子在该引出***的电场作用下从该放电室1中被引出时，其总是趋向于呈现为中心部位处的离子密度较高，而边缘部位处的离子密度较低，这将导致所引出的束流强度不够均匀。因此为了尽可能地降低这种自然产生的不均匀性，当该引出缝5的数量达到四条以上时，较佳的设计为位于该引出区域的中央部位处的引出缝之间的间隙大于位于该引出区域的边缘部位处的引出缝的之间的间隙；和/或，当该引出缝5的数量达到三条以上时，较佳的设计为位于该引出区域的中央部位处的引出缝的缝宽小于位于该引出区域的边缘部位处的引出缝的缝宽。
然而，从每个引出缝5中引出的较大子束流之间的束流强度显然会小于每个较大子束流内部的束流强度，因此为了对整个离子束的束流强度分布进行进一步地精细微调，还可以在该些引出缝之间的间隙处设置多个引出孔7。这样一来，在每个引出缝引出一束较大子束流的同时，每个引出孔7也将引出一束较小子束流，这些较小子束流将能够很好地对原先束流强度较低的区域进行弥补加强，从而在整体上使得引出的带状束流在整个束流横截面上都具有极高的束流强度均匀性。
本发明对该些引出孔7的具体形状、设置数量、大小以及位置等等均没有限制，本领域技术人员可以根据离子束的束流强度分布的具体情况，有针对性地设计引出孔的各种参数，以对离子束中束流强度较低的区域进行适当的弥补加强，从而获得束流强度均匀的离子束。当然，本发明并不仅仅适用于产生均匀束流的场合，当对离子束的束流强度分布有特殊要求时，也可以根据该特殊要求有针对性地设计引出孔的形状、数量、大小以及位置，以使得引出的离子束满足该特殊的束流强度分布。上述的对引出孔的各种参数的具体设计过程对于本领域技术人员而言均是容易实现的，故在此不做赘述。其中，该些引出孔7的形状例如可以为圆形(如图4所示)、各种正多边形、椭圆形(如图5所示)或者矩形等等，当然，在一种实施方式中既可以单一采用一种形状的引出孔7也可以混合采用多种形状的引出孔7。
同样由于离子在该引出***的电场作用下从该放电室1中被引出时，其总是趋向于呈现为中心部位处的离子密度较高，而边缘部位处的离子密度较低，因此为了进一步地尽可能降低这种自然产生的不均匀性，该些引出孔7的较佳设计为：位于该引出区域的中央部位处的引出孔的尺寸小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸，参考图5所示；和/或，位于该引出区域的中央部位处的引出孔的分布密度小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的分布密度，参考图4所示。
为了提高引出的离子束的束流强度，除了增大实际用于引出束流的有效面积之外，还可以进一步地考虑提高该放电室1中的等离子体6的浓度，这可以通过设计两个以上的该阴极单元来实现，其中，较佳地采用两个该阴极单元。当该阴极单元的数量增加时，将可以实现以下益处：
1、增大了该放电室1中的等离子体6的密度和总量，在本发明中的该引出***的引出能力已经大幅提高的前提下，这两个效应相互叠加，显然会更加大幅地提高引出的离子束的束流强度。
2、更多的阴极单元将使得该放电室1中受到热阴极与对阴极作用的区域分布得更加广泛，这会使得离子在从该放电室1中被引出时，在较为偏离中心部位的区域中也能够获得较高的束流强度，从而在源头上改善束流引出时的天然不均匀性。
3、在一些应用场合中若是本发明的该热阴极离子源***仅需引出与现有设计同样强度的束流，则可以相对于现有设备降低热阴极以及对阴极等许多相关部件的工作电压和工作电流，从而达到延长离子源***寿命的目的。
4、本发明并未改变每个阴极单元的尺寸，因此该热阴极离子源***仍旧能够在原有的时间内完成从启动到稳定工作的准备过程；若是采用现有设计强行地引出本发明量级的束流强度，则意味着不得不大幅地增加单个阴极单元的尺寸，这无疑会显著提拖慢离子源***从启动到稳定的准备过程。
以下仅以实施例1～6对本发明进行举例说明，在这些实施例中，各引出缝的尺寸均示例性地设定为相等，但本发明不受该设定的限制。
实施例1
本实施例中的阴极单元的设计仍如图1所示，其与现有设计相同，而该引出***的该引出区域的设计则如图3所示，其中该引出区域中设计有两条相互平行的引出缝，以此来提高引出的离子束的束流强度。
实施例2
本实施例中的阴极单元的设计仍如图1所示，而该引出***的该引出区域的设计则如图4或图5所示。本实施例在实施例1的基础上进一步地在两条引出缝之间的间隙处增设了多个引出孔，并且位于该引出区域的中心部位处的引出孔的尺寸或分布密度小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸或分布密度，以此来进一步地微调引出的离子束的束流强度分布，从而获得束流强度分布更加均匀的离子束。
实施例3
本实施例中的阴极单元的设计如图6所示，而该引出***的该引出区域的设计则仍如图3所示。本实施例在实施例1的基础上进一步地将该阴极单元的设计数量增加为两个，且该两个阴极单元的热阴极2位于该放电室1的同侧，以此提高该放电室1中的等离子体6的浓度和总量，从而进一步地提高引出的离子束的束流强度，并且由于两个阴极单元相较于单一的阴极单元将可以在图6的纵向上对该放电室1中更大的区域产生作用，从而还能够改善引出的离子束的束流强度分布的天然不均匀性。
实施例4
本实施例中的阴极单元的设计仍如图6所示，而该引出***的该引出区域的设计则仍如图4或图5所示。本实施例在实施例3的基础上进一步地在两条引出缝之间的间隙处增设了多个引出孔，并且位于该引出区域的中心部位处的引出孔的尺寸或分布密度小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸或分布密度，以此来进一步地微调引出的离子束的束流强度分布，从而获得束流强度更加均匀的离子束。
实施例5
本实施例中的阴极单元的设计如图7所示，而该引出***的该引出区域的设计则仍如图3所示。本实施例在实施例3的基础上将该两个阴极单元的设计方向改变为使得它们的热阴极2分别位于该放电室1的对侧。根据本领域中的公知常识，在不改变引出效果的前提下，由于该对阴极3的尺寸是可以适当缩小的，因此该实施例相较于实施例3将能够减小该放电室1在图7的纵向上的设计尺寸，并且相应地减小该两条引出缝之间的间隙，进而改善引出的离子束的均匀性。
实施例6
本实施例中的阴极单元的设计仍如图7所示，而该引出***的该引出区域的设计则仍如图4或图5所示。本实施例在实施例5的基础上进一步地在两条引出缝之间的间隙处增设了多个引出孔，并且位于该引出区域的中心部位处的引出孔的尺寸或分布密度小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸或分布密度，以此来进一步地微调引出的离子束的束流强度分布，从而获得束流强度更加均匀的离子束。
综上所述，本发明的该用于产生带状束流的热阴极离子源***不但能够显著地提高所引出的离子束的束流强度、显著地提高所引出的离子束的束流强度分布均匀性，还能够保证所引出的离子束的光学质量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种用于产生带状束流的热阴极离子源***，该热阴极离子源***包括一放电室、由一热阴极与一对阴极构成的阴极单元以及一引出***，该引出***具有一设有引出缝的引出区域，其特征在于，该引出缝的数量为两条以上，该些引出缝在该引出区域内相互平行。
2.如权利要求1所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该引出缝的数量为两条或三条。
3.如权利要求1所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该引出缝的数量为四条以上，且位于该引出区域的中央部位处的引出缝之间的间隙大于位于该引出区域的边缘部位处的引出缝的之间的间隙；和/或，该引出缝的数量为三条以上，且位于该引出区域的中央部位处的引出缝的缝宽小于位于该引出区域的边缘部位处的引出缝的缝宽。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该些引出缝之间的间隙处设有多个引出孔。
5.如权利要求4所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该引出孔的形状为圆形、正多边形、椭圆形或矩形。
6.如权利要求4所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，位于该引出区域的中央部位处的引出孔的尺寸小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的尺寸；和/或，位于该引出区域的中央部位处的引出孔的分布密度小于位于该引出区域的边缘部位处的引出孔的分布密度。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该阴极单元的数量为一个。
8.如权利要求1-6中任意一项所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该阴极单元的数量为两个以上。
9.如权利要求8所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该阴极单元的数量为两个。
10.如权利要求9所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该两个阴极单元的热阴极位于该放电室的同侧。
11.如权利要求9所述的用于产生带状束流的热阴极离子源***，其特征在于，该两个阴极单元的热阴极分别位于该放电室的对侧。
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