离子注入机长寿命离子源 【技术领域】
本发明是一种离子注入机长寿命离子源，特别涉及半导体制造离子注入工艺中所用的离子注入机长寿命离子源。
背景技术
近年来，随着半导体集成电路技术和芯片技术的发展，半导体集成电路制造技术中，集成度越来越高，电路规模越来越大，电路中单元器件尺寸越来越小，对各半导体工艺设备提出了更高的要求。离子注入机作为半导体离子掺杂工艺线的关键设备之一，也对它提出了很高的要求，要求离子注入机具有：整机可靠性好、生产效率高、多种电荷态离子宽能量范围注入、精确控制束注入能量精度、精确控制束纯度、低尘粒污染、整机全自动控制、注片均匀性和重复性好等多种功能和特征。其中整机可靠性、高生产效率、多电荷态离子、束纯度、束传输以及全自动控制等性能与离子源密切相关。因此，离子源是离子注入机设备中最关键的部件之一，离子源的工作寿命和可靠性指标直接决定离子注入机的生产率、防污染性和整机的可靠性指标。离子源性能指标几乎影响整机各个性能指标，决定整机的实用性能，特别地对束流指标、多电荷产生、束能量、束传输以及整机稳定性和可靠性起决定性作用。
在现有技术中，离子注入机上的离子源主要有以下几种类型：潘宁离子源、双等离子源、重金属离子源、氟里曼源、贝纳斯源、液态金属离子源、射频RF离子源、ECR(微波离子源)等产品。其中，射频RF离子源、ECR等先进离子源虽然使用寿命长，但主要应用于氧离子注入机而不应用于离子掺杂设备中。其他应用于离子掺杂设备中一般的热灯丝型离子源由于加热灯丝直接处于放电弧室恶劣环境中，受高温幅射、腐蚀气体侵蚀以及离子溅射等作用而使得其使用寿命低，最长寿命也不超过60小时。这样，在半导体离子掺杂工艺生产过程中，由于受离子源使用寿命的限制，需频繁更换灯丝，使得离子注入机的实用性能、可靠性能和生产效率均受到了影响。
【发明内容】
本发明针对现有技术中离子注入机的离子源使用寿命短的缺点，提出一种离子注入机长寿命离子源。其使用间热式阴极代替灯丝，能够显著提高离子源的使用寿命。
放电弧室内的发射电子灯丝阴极在强电流情况下加热温度升高，当温度高于材料发射温度时，阴极表面发射电子，电子在灯丝与弧室电场作用下向阳极和反射极方向运动，由于在灯丝阳极与反射板之间有一磁场，磁场方向与引出缝方向平行，因此自由电子在磁场洛仑兹力作用下作螺旋运动而有效增加运动路径。电子与放电弧室内气体分子发生碰撞，当电子的动能大于气体分子的电离能时，使部分气体分子电离。
放电弧室的灯丝对面有一反射极，反射极用绝缘子支承并与灯丝电位相同，因此，反射极对电子具有排斥作用，使发射电子返回阴极而增加放电弧室内电子密度，从而使电子与气体分子碰撞的截面几率增加，使气体分子得到充分电离，阴极发射的电子不断与气体发生碰撞，气体分子不断被电离，直至在放电弧室内形成等离子体，等离子体正电荷离子在引出系统电极电场作用下牵引出来形成引出束流。
本发明代替传统灯丝阴极地间热式阴极通过屏蔽筒固定在放电弧室的一侧，再通过热屏蔽板固定与弧室隔离，在间热式阴极与弧室绝缘150V的阳极电压；间热式阴极并不直接通电加热发射电子，而是通过屏蔽在屏蔽筒内的加热电子枪发射电子加热，加热电子枪通过热屏蔽板和两灯丝固定杆固定在屏蔽筒内，加热电子枪与间热式阴极之间加600V的偏压发射电子加热间热式阴极；绝缘材料块同时固定两灯丝固定杆而使之隔离；而放电弧室的端板通过反射极连接杆固定反射极，以增加弧室内的电子密度。这样，加热电子枪因为有屏蔽筒不直接处于放电室恶劣环境中使得使用寿命增长，而间热式阴极的寿命相对于直热灯丝使用寿命也大大增加，从而整个离子源的使用寿命大大增加。
本发明具有如下显著优点：
1.采用间热式阴极工作方式，其使用寿命长，相当于以前一般离子源3-4倍的使用寿命；
2.离子源放电稳定充分，等离子体密度大，多电荷产额高，稳定可靠性相对较好；
3.结构相对稳定，热变形小。
【附图说明】
图1为本发明所述离子注入机长寿命离子源结构示意图。
其中：
1-离子源壳体 2-左支撑板 3-两端板
4-反射极连接杆 5-反射极 6-引出板
7-间热式阴极 8-屏蔽筒 9-加热电子枪
10-热屏蔽板 11-源磁场励磁线包 12-右支撑板
13-灯丝固定杆 14-绝缘材料块 15-送气管
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明所述离子注入机长寿命离子源的结构特征作进一步介绍。
离子源放电弧室由两端板3和引出板6组成，所述放电弧室置于离子源壳体1内，并由离子源壳体1内的左支撑板2和右支撑板12予以支撑。离子从放电弧室里产生，并从放电弧室引出至引出系统。
反射极连接杆4连接反射极5和间热式阴极7，使其处于同一个电位上。
反射极5发射所述阴极7产生的电子。反射极5用绝缘子支撑并与灯丝电位相同，因此，反射极5对电子具有排斥作用，使发射电子返回阴极而增加放电室内电子密度，从而使电子与气体分子碰撞的截面几率增加，使气体分子得到充分电离，所述间热式阴极7产生离子源放电所需的电子，所述间热式阴极7发射的电子不断与气体发生碰撞，气体分子不断被电离，直至在放电弧室形成等离子体，等离子体正电荷离子在引出系统电极电场作用下牵引出来形成引出束流，从而能够增加放电室有效电子密度。
所述屏蔽筒8屏蔽并保护加热电子枪9，同时固定间热式阴极7。
所述加热电子枪9发射电子以加热间热式阴极7。
所述热屏蔽板10屏蔽加热电子枪9发射电子所产生的热量。
所述源磁场线包11位于所述放电弧室的外侧，产生放电所需的磁场，以满足离子源工作所需的磁场条件。
灯丝固定杆13固定加热电子枪9，离子源的绝缘材料块14隔离间热式阴极7、加热电子枪9及弧室相互间的电位。
本发明所述送气管15送入放电所需的气体。
本发明的特定实施例已对本发明的内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明构思的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将不会超出本专利申请所附的权利要求的保护范围。