專利名稱：一種考夫曼離子源中的中和陰極燈絲及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子束技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種考夫曼離子源中的中和陰極燈絲及其方法。
背景技術(shù)：
離子束薄膜沉積和離子束材料改性技術(shù)是材料科學(xué)新興發(fā)展起來的一個重要分支，離子束技術(shù)的研究和推廣已取得了巨大成就，其標(biāo)志之一是離子注入半導(dǎo)體摻雜已成為超大規(guī)模集成電路微細(xì)加工的關(guān)鍵工藝。離子源是產(chǎn)生所需離子的關(guān)鍵部件，經(jīng)過各國研究人員幾十年的努力，目前離子源的種類不下二、三十種。Kaufman(考夫曼)離子源能產(chǎn)生氣體元素的大面積離子束，適合用于離子束濺射鍍膜、對膜層進(jìn)行離子束轟擊以及對工件進(jìn)行離子束表面清洗，是目前應(yīng)用最為廣泛的離子源之一。
考夫曼離子源由主陰極、陽極、放電室圓筒構(gòu)成氣體放電室和柵極構(gòu)成離子光學(xué)系統(tǒng)以及中和陰極等部分組成。熱陰極在陽極電場作用下發(fā)射電子，電子與氣體原子分子碰撞形成等離子體，其中的離子經(jīng)柵極離子光學(xué)加速和聚焦形成離子束發(fā)射。為了避免正電荷在離子束中或離子束入射材料面上的積累，消弱空間電荷效應(yīng)減少束發(fā)散，需要進(jìn)行電荷中和，中和陰極(通常用鎢絲或鉭絲)發(fā)射的電子極快地彌散于離子束中，并隨著離子束發(fā)射，形成束等離子體而完成正負(fù)電荷中和。浸沒式中和陰極是最常用的考夫曼離子源中和器，即把鎢或鉭絲直接穿過離子束，當(dāng)加熱導(dǎo)2200~3000℃以上溫度時可發(fā)射電子。由于中和陰極燈絲浸沒在離子束中，在離子源工作期間中和陰極溫度很高并受到離子束的強(qiáng)烈濺射作用，因此中和陰極燈絲很快變細(xì)并最終燒斷。離子源重新工作之前，人們不得不破壞真空更換離子源的中和陰極燈絲，因此考夫曼離子源的連續(xù)工作時間受到中和燈絲壽命的制約，這是目前浸沒式中和考夫曼離子源的一個主要缺點之一，也限制了考夫曼離子源進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。特別是離子源經(jīng)常應(yīng)用于超高真空(UHV)的情況下，破壞真空后再次獲得UHV條件，真空室需要烘烤24小時以上，頗為費時。因此發(fā)明一種新的中和陰極燈絲結(jié)構(gòu)以提高中和燈絲壽命，從而延長考夫曼離子源的連續(xù)工作時間十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為考夫曼離子源提供一種新的中和陰極結(jié)構(gòu)及其制作方法，以提高中和陰極燈絲壽命，從而延長考夫曼離子源的連續(xù)工作時間。為此我們設(shè)計了一套特殊的中和陰極結(jié)構(gòu)以替代考夫曼離子源浸沒式的中和陰極。圖1和圖2給分別給出了傳統(tǒng)考夫曼離子源的結(jié)構(gòu)和新的考夫曼離子源的結(jié)構(gòu)。在新的考夫曼離子源中和陰極燈絲置于離子束外可避免離子束的直接濺射，從而大大提高中和陰極燈絲的壽命。利用離子束本身具有較高的正電位，能將陰極發(fā)射的位于陰極附近的電子吸引到離子束中，形成束等離子體而完成正負(fù)電荷中和。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1.新的中和陰極燈絲采用耐熔金屬鎢(W)做燈絲，W絲直徑為0.4mm。
2.新的中和陰極燈絲置于離子束外可避免離子束的直接濺射，從而大大提高中和陰極燈絲的壽命，并能有效地減小濺射產(chǎn)生的鎢原子對離子束和工藝過程的污染。
3.螺旋狀燈絲可增加熱陰極發(fā)射的原初電子密度，也可以使新的中和陰極燈絲長度與浸沒式的中和燈絲相同。
4.由于離子束本身具有較高的正電位，能將陰極發(fā)射的位于陰極附近的電子吸引到離子束中，形成束等離子體而完成正負(fù)電荷中和。由于一定溫度下，電子發(fā)射受兩者間電位差的控制。新的中和陰極燈絲供電電源的正極接地，使得整個中和陰極燈絲處于負(fù)電位，從而提高提高中和電子的發(fā)射效率。
5.為了使中和陰極燈絲盡可能接近離子束以提高中和電子的發(fā)射效率，燈絲成環(huán)狀圍繞離子束。
6.在離子源外部采用三燈絲切換方式工作(可以擴(kuò)展到多燈絲)，可以進(jìn)一步大大延長考夫曼離子源的連續(xù)工作時間。
一種考夫曼離子源中的中和陰極燈絲，其特征在于1)中和陰極燈絲置于離子束外可避免離子束的直接濺射；2)新的中和陰極燈絲供電電源的正極接地，使得整個中和陰極燈絲處于負(fù)電位；3)在離子源外部采用三燈絲切換方式工作，三個燈絲成環(huán)狀圍繞離子束。中和陰極燈絲，陰極燈絲由長度為60mm、直徑為0.4mm的金屬鎢(W)絲繞成螺旋狀。
中和陰極燈絲，燈絲成環(huán)狀等距均勻圍繞離子束安裝，并盡可能接近離子束，以提高中和電子的發(fā)射效率。
三個中和陰極燈絲在離子源外部，以切換開關(guān)的方式以新的中和燈絲代替燒毀的舊燈絲，從而延長考夫曼離子源的連續(xù)工作時間。
三個中和陰極燈絲在離子源外部將中和陰極燈絲的一端連接到一起并接燈絲電源的正極，電源正極經(jīng)電流表接地，三個中和陰極燈絲另一端接切換開關(guān)的一邊，電源負(fù)極接切換開關(guān)的另一邊。
中和陰極燈絲適用于替代常規(guī)考夫曼離子源中的浸沒式中和陰極，為離子束提供電荷中和作用。
本發(fā)明所具有的有意義的效果新的中和陰極燈絲置于離子束外可避免離子束的直接濺射，從而大大提高中和陰極燈絲的壽命，延長了考夫曼離子源的連續(xù)工作時間，并能有效地減小濺射產(chǎn)生的鎢原子對離子束和工藝過程的污染。中和陰極燈絲處于負(fù)電位以及環(huán)狀圍繞離子束，有效地提高了中和電子的發(fā)射效率。目前，常規(guī)考夫曼離子源的浸沒式中和陰極燈絲在正常條件下工作，0.4mm的鎢絲壽命約為10小時，而新的中和陰極燈絲在正常工作條件下單個壽命約為40小時，三個中和陰極燈絲切換使用使得考夫曼離子源總的連續(xù)工作時間超過100小時，避免頻繁地破壞真空更換中和陰極燈絲，顯著提高了工作效率。另外，新的中和陰極燈絲消耗慢，工作性能更為穩(wěn)定。該發(fā)明適用于低能離子束薄膜沉積和離子束刻蝕以及他相關(guān)離子束技術(shù)。
可在低能離子束薄膜材料制備和離子束刻蝕中應(yīng)用的離子源裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、連續(xù)工作時間長、工作性能穩(wěn)定和低污染的特點。


圖1具有浸沒式中和陰極燈絲的常規(guī)考夫曼離子源結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明中考夫曼離子源(具有新的中和陰極燈絲)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3新的中和陰極燈絲正視圖及燈絲的電學(xué)連接示意圖。
圖4常規(guī)考夫曼離子源和本發(fā)明中考夫曼離子源在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下電子發(fā)射電流隨中和陰極電流的變化關(guān)系圖。
圖5在雙離子束薄膜沉積系統(tǒng)中利用常規(guī)考夫曼離子源和本發(fā)明中考夫曼離子源制備氮化硼薄膜的紅外吸收譜圖。
具體實施例方式
(以Φ5cm離子源為例)一種考夫曼離子源中的中和陰極燈絲制作方法1)將長度為60mm、直徑為0.4mm耐熔金屬鎢(W)絲繞成螺旋狀燈絲，并將其彎成曲率半徑為2.5cm的弧形備用；2)去掉原考夫曼離子源上的浸沒式中和陰極燈絲；3)在考夫曼離子源周圍安裝三個新的螺旋狀中和燈絲，燈絲在離子源周圍均勻分布且置于離子束之外；4)在離子源外部將三個中和陰極燈絲的一端連接到一起并接燈絲電流源的正極，電流源正極經(jīng)電流表接地，三個中和陰極燈絲另一端接切換開關(guān)的一邊，電源負(fù)極接切換開關(guān)的另一邊，如圖3所示。電流表用于離子源工作過程中測量陰極燈絲的發(fā)射電子電流；5)其工作原理與常規(guī)的考夫曼離子源工作原理相同，工作時，先通工作氣體再設(shè)定放電電壓、加速電壓和束流電壓，增大主陰極燈絲電流直至離子束流達(dá)到需要的值，增大中和陰極燈絲電流，并注意電流表中測量的電子發(fā)射電流，直到電子發(fā)射電流等于離子束流，離子源正常工作。
應(yīng)用示例在考夫曼離子源工作參數(shù)設(shè)定為束流電壓1300V，加速電壓280V，以氬為工作氣體，束流20mA時，比較常規(guī)的浸沒式中和陰極燈絲和新的中和陰極燈絲的工作狀態(tài)，結(jié)果如圖4所示。從圖4中我們看到為中和20mA的離子束流，新的中和陰極燈絲本身所需的驅(qū)動電流與浸沒式的中和陰極燈絲接近，而且隨著燈絲電流的增大，它們的電子發(fā)射電流均增加。圖4的結(jié)果顯示改用新的中和陰極燈絲，考夫曼離子源的工作性能仍然保持不變。
在一個雙離子束薄膜沉積系統(tǒng)中，利用具有新中和陰極燈絲的考夫曼離子源代替常規(guī)的離子源，在單晶硅襯底上制備氮化硼薄膜。離子源I濺射硼靶，其工作參數(shù)為束流電壓1300V，加速電壓280V，以氬為工作氣體，束流20mA時，中和陰極電子發(fā)射電流20mA。離子源II直接轟擊沉積薄膜，其工作參數(shù)為束流電壓280V，加速電壓200V，以氬和氮的混合氣體為工作氣體，束流7mA時，中和陰極電子發(fā)射電流7mA，薄膜沉積為60分鐘。所制備的氮化硼薄膜的付立葉變換紅外譜如圖5中的譜a所示，結(jié)果顯示薄膜由立方氮化硼和六角氮化硼共同組成。圖5中的譜b給出的是由在同一系統(tǒng)中采用常規(guī)的考夫曼離子源(具有浸沒式的中和陰極燈絲)制備的氮化硼薄膜的紅外譜，其結(jié)果與譜a非常類似，也是由立方氮化硼和六角氮化硼共同組成。
權(quán)利要求
1.一種考夫曼離子源中的中和陰極燈絲，其特征在于1)中和陰極燈絲置于離子束外可避免離子束的直接濺射；2)新的中和陰極燈絲供電電源的正極接地，使得整個中和陰極燈絲處于負(fù)電位；3)在離子源外部采用三燈絲切換方式工作，三個燈絲成環(huán)狀圍繞離子束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考夫曼離子源中的中和陰極燈絲，其特征在于，中和陰極燈絲，陰極燈絲由長度為60mm、直徑為0.4mm的金屬鎢(W)絲繞成螺旋狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考夫曼離子源中的中和陰極燈絲，其特征在于，中和陰極燈絲，燈絲成環(huán)狀等距均勻圍繞離子束安裝，并盡可能接近離子束，以提高中和電子的發(fā)射效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考夫曼離子源中的中和陰極燈絲，其特征在于，三個中和陰極燈絲在離子源外部，以切換開關(guān)的方式用新的中和燈絲代替燒毀的舊燈絲，從而延長考夫曼離子源的連續(xù)工作時間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考夫曼離子源中的中和陰極燈絲，其特征在于，三個中和陰極燈絲在離子源外部將中和陰極燈絲的一端連接到一起并接燈絲電源的正極，電源正極經(jīng)電流表(測量發(fā)射電流)接地，三個中和陰極燈絲另一端接切換開關(guān)的一邊，電源負(fù)極接切換開關(guān)的另一邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求書1、2、3、4、5所述的考夫曼離子源中的中和陰極燈絲，其特征在于，中和陰極燈絲適用于替代常規(guī)考夫曼離子源中的浸沒式中和陰極，為離子束提供電荷中和作用。
7.一種考夫曼離子源中的中和陰極燈絲制作方法1)將長度為60mm、直徑為0.4mm耐熔金屬鎢絲繞成螺旋狀燈絲，并將其彎成曲率半徑為2.5cm的弧形備用；2)去掉原考夫曼離子源上的浸沒式中和陰極燈絲；3)在考夫曼離子源周圍安裝三個新的螺旋狀中和燈絲，燈絲在離子源周圍均勻分布且置于離子束之外；4)在離子源外部將三個中和陰極燈絲的一端連接到一起并接燈絲電流源的正極，電流源正極經(jīng)電流表接地，三個中和陰極燈絲另一端接切換開關(guān)的一邊，電源負(fù)極接切換開關(guān)的另一邊，電流表用于離子源工作過程中測量陰極燈絲的發(fā)射電子電流；5)其工作原理與常規(guī)的考夫曼離子源工作原理相同，工作時，先通工作氣體再設(shè)定放電電壓、加速電壓和束流電壓，增大主陰極燈絲電流直至離子束流達(dá)到需要的值，增大中和陰極燈絲電流，并注意電流表中測量的電子發(fā)射電流，直到電子發(fā)射電流等于離子束流，離子源正常工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及離子束技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種考夫曼離子源中的中和陰極燈絲及其方法。中和陰極燈絲置于離子束外可避免離子束的直接濺射；中和陰極燈絲電源的正極接地，使得整個中和陰極燈絲處于負(fù)電位；在離子源外部采用三燈絲切換方式工作，三個燈絲成環(huán)狀圍繞離子束。中和陰極燈絲具有結(jié)構(gòu)簡單、連續(xù)工作時間長、工作性能穩(wěn)定和低污染的特點，在低能離子束薄膜材料制備和離子束刻蝕中有廣泛的應(yīng)用。
文檔編號H01J37/08GK1917131SQ20051009063
公開日2007年2月21日 申請日期2005年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)明者張興旺, 陳諾夫 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所