一种微型2.45GHzECR电子源及电子回旋共振电子源系统

一种微型2.45ghzecr电子源及电子回旋共振电子源系统
技术领域
1.本发明涉及电子源，具体涉及一种离子注入晶片过程中用于中和电荷的微型电子回旋共振(ecr)电子源。


背景技术：

2.电子源是一种产生电子，并引出电子束流的装置。根据放电机理来分，电子源分为热电子发射电子源、光阴极微波电子源、场致发射阴极电子源、铁电体阴极电子源、射频放电电子源、电子回旋共振电子源等。电子源被广泛地用于加速器、高能物理、离子注入机、半导体等领域。在离子注入机中，正离子注入晶片的过程中会出现正电荷在晶片表面的堆积，使得晶片表面充电。这就需要电子源提供电子以中和正电荷，防止晶片表面氧化层在持续充电的情况下发生击穿。
3.随着注入机的技术提升，注入离子束的密度越来越大，晶片的掺杂要求越来越高，对于中和电荷的电子源提出了更高的要求。具体到为中束流离子注入机(注入离子束的流强在数个ma左右)配置的电子源系统，它应该具有较小的系统体积(降低造价、有利于整合到注入机整机系统)、能提供满足中和要求的流强(数个ma)、长运行寿命、低金属污染以及低气耗的特点。2.45ghzecr源无需阴极灯丝提供电子，内部无损耗件，理论上寿命无限长。但是根据微波传输理论，2.45ghz微波只能在直径大于72mm的圆柱形真空放电室中传播，再加上外围的磁铁，离子源整体尺寸过大，不利于注入机系统整合。磁铁成本与磁铁体积正相关，根据注入机控制成本的需要，也要求缩小离子源的体积。
4.axcelis科技公司的bo vanderberg等人做过应用于离子注入机的2.45ghzecr电子源的研究，他们采用环形器与三螺钉调谐腔作为微波系统的部件，在工作时需要对微波进行调谐；其放电室采用方形结构，引出为径向引出。微波传输段尺寸与放电室尺寸较大，目前没有应用于中束流离子注入机电荷中和的微型2.45ecr电子源系统的研究。


技术实现要素：

5.为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种同时满足较小系统体积、能提供满足中和要求的流强、长运行寿命、低金属污染以及低气耗的应用于中束流离子注入机的2.45ghzecr电子源。
6.本发明提出了一种微型2.45ghzecr电子源，其特征在于，包括微波窗、放电室、磁体和等离子体电极，其中，放电室为真空密封的圆柱形的腔体，放电室的壁材料采用性质稳定的金属，如不锈钢；放电室的内径在20mm～32mm之间，长度在35mm～60mm之间；在放电室的侧壁上设置有水冷循环部件；在放电室的前端设置微波窗；在放电室的外壁上设置磁体；在放电室的尾部设置等离子体电极；等离子体电极的中间形成电子束流通道；等离子体电极外部对接离子注入机束流通道；在放电室的侧壁上设置进气口，通过进气口向放电室中通入纯氩气；微型2.45ghz电子源微波窗由圆柱形al2o3陶瓷与圆柱形氮化硼(bn)薄片沿轴向组合而成，其中al2o3陶瓷柱靠近微波传输设备，而bn片紧连放电室。圆柱形al2o3陶瓷部
件，直径20mm～32mm，厚度6mm～34mm，相对介电常数为8～10，用以实现微波耦合，使得传输至放电室的微波为te
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单模。bn片设置在微波窗与放电室的交界处，bn片直径为20mm～32mm，厚度为1mm～4mm。根据微波传输理论，微型ecr源放电室直径小于微波传输要求的最小直径，因此当微波到达微波窗与放电室交界处时，无法在该尺寸的放电室内继续传播，从而无法放电形成等离子体。本专利微波窗特意设置bn薄片，bn是一种电子发射系数比较高的材料。微波在bn片与放电室的交界处将激起强电场，在强场作用下大量电子由bn表面出射，产生初始的电子，并激发初始等离子体。在微波窗附近，设置轴向磁场强度接近875gs，以保证此处满足电子回旋共振条件。通过电子回旋共振电离，进一步激发并维持等离子体。放电室内等离子体形成后，介电常数增加，使得微波可以在放电室传播，在放电室中形成致密的等离子体。
7.本发明进一步提供一种电子回旋共振电子源系统，包括功率源、微波传输设备和本发明微型2.45ghz ecr电子源，微波传输设备通过微波窗口连接放电室；微波传输设备包括同轴线、同轴波导转换头，同轴波导转换头同微型2.45ghz ecr电子源直接连接，微型2.45ghz ecr电子源通过同轴线转波导传输微波。通过微型2.45ghz ecr电子源微波窗的设置与磁场位形的选择，在不外加调谐设备的情况下可以起弧放电。
8.本发明提供的微型的2.45ghzecr电子源，该电子源采用“表面波起振+电子回旋共振电离”模式在尺寸小于32mm的放电室中激起等离子体，从而获得同时满足较小系统体积、能提供电荷中和要求的流强、长运行寿命、低金属污染以及低气耗的应用于中束流离子注入机的微型电子回旋共振电子源系统。
附图说明
9.图1为本发明微型2.45ghzecr电子源体的结构示意图；
10.其中，1
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微波传输设备；2
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进气口；3
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al2o3陶瓷柱；4
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bn薄片；5
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磁体；6
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放电室；7
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等离子体电极；
11.图2为本发明微型2.45ghzecr电子源轴向磁场位形示意图；
12.图3为本发明的微型2.45ghz电子回旋共振电子源系统的一个实施例示意图。
具体实施方式
13.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
14.如图1所示，本实施例的微型ecr电子源系统包括放电室6、进气口2、微波窗(由al2o3陶瓷柱3与bn薄片4组成)、磁体5和等离子体电极7；其中，放电室6为真空密封的圆柱形，直径在20mm～32mm之间；在放电室的前端设置微波窗(al2o3陶瓷柱3与bn薄片4组成)；微波传输设备1通过微波窗连接放电室6；在放电室6的外壁上设置磁体5；在放电室的侧壁上设置进气口2；在放电室的尾部设置等离子体电极7；等离子体电极7的中间形成电子束流通道；等离子体电极7的外部对接离子注入机的离子束流通道。al2o3陶瓷柱3特征为直径20mm～32mm，厚度6mm～34mm，相对介电常数为8～10。bn薄片4直径为20mm～32mm，厚度为1mm～4mm。
15.如图2所示，本发明微型2.45ghz电子源的磁体在放电室轴线上形成马鞍状的磁场，微波窗的bn片与放电室交界处磁场为875gs左右，有利于微波窗附近等离子体的产生。
中部马鞍状的结构用于约束等离子体，维持放电。如图3所示，本发明微型电子回旋共振电子源系统包括功率源、微波传输设备和本发明微型2.45ghz ecr电子源，微波传输设备包括同轴线、同轴波导转换头，微型2.45ghz电子源由于微波窗与微波传输设备中的同轴波导转换头连接，在无调谐器的情况下，通过微波窗的al2o3陶瓷部件的设计来实现微波耦合。微型2.45ghz ecr电子源通过同轴线转波导传输微波，去除了尺寸较大的三螺钉微波调谐部分
16.本发明在微型2.45ghzecr电子源中激起等离子体放电的过程，包括以下步骤：
17.1)通过进气口向放电室中通入纯氩气；
18.2)微波传输设备将微波通过同轴线转波导再经微波窗传输，在bn片表面激起表面波，形成初始等离子体；
19.3)磁体提供轴向共振场，并在微波窗附件提供接近875gs的轴向磁场，通过该磁场下的电子回旋共振电离，进一步激发并维持等离子体；马鞍状的轴向磁场约束产生的等离子体，维持放电；
20.4)通过(2)(3)步骤的“表面波起振+电子回旋共振电离”模式在尺寸小于32mm的放电室中激起致密等离子体；在放电室的尾部设置等离子体电极；等离子体电极的中间形成电子束流通道；
21.5)放电室的等离子体在产生后，等离子体中的电子受到到离子注入机的离子束流空间电荷力的吸引，经过等离子体电极后，随着注入束流一起注入到硅晶片的表面上去。
22.试验条件：
23.放电室内气压的范围为0.5pa～5pa之间，微波功率范围在10w～200w之间，电子束电流1ma-50ma。
24.本发明通过微波窗的bn片可以激发“表面波起振+电子回旋共振电离”，在放电室的内径20mm～32mm时产生了等离子体，实现了2.45ghz电子源体的微型化；采用同轴线转波导传输微波，通过微波窗陶瓷部件实现了te
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单模传输，在去除较大体积的三螺钉调谐器的情况下实现了微波耦合，大大缩小了微波系统体积，从而得到了微型化的电子源整体系统。
25.参考文献：
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最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。