本發(fā)明屬于加速器和半導(dǎo)體離子注入，具體涉及一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、離子注入是半導(dǎo)體元件制造的一項重要工序。離子注入機將離子源產(chǎn)生的離子束加速，并注入到半導(dǎo)體晶圓片中，離子源是離子注入機產(chǎn)生離子束的部件。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件(igbt)在電力轉(zhuǎn)換和控制領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。氫離子高能注入機是igbt離子注入工藝生產(chǎn)的重要設(shè)備。

2、現(xiàn)有的高能離子注入機主要有串列高壓型和高頻rf型。申請?zhí)枮?02010515951.8，名稱為“一種高能氫離子注入的裝置和方法”的中國專利申請文件記錄了一種串列高壓型的離子注入機。串列高壓型具有能量穩(wěn)定性高，束流品質(zhì)好的優(yōu)點。由于串列加速器需要采用負離子束注入，所以負氫離子源是高能離子注入機的重要部件?，F(xiàn)有的負氫離子束產(chǎn)生技術(shù)主要有兩種，一種是采用正氫離子束電荷交換的方式，這種方式采用正氫離子束與一定濃度的氣體碰撞，通過電荷交換形成負離子，離子束能散大，束流品質(zhì)差。另一種是采用負氫離子源直接產(chǎn)生負氫離子束，會切場離子源是現(xiàn)有產(chǎn)生負氫離子束的有效手段。由于負氫離子極不穩(wěn)定，需要在引出區(qū)附近建立過濾場，用于過濾快電子，避免快電子與負氫離子碰撞，使之分解?，F(xiàn)有負氫離子源均采用軸向多層磁鐵的結(jié)構(gòu)，在放電區(qū)形成多極會切場約束等離子體，在引出區(qū)采用一個二極磁場形成過濾場，如圖2所示。申請?zhí)枮?02010515865.7，名稱為“一種高能離子注入機用的尖端場形負氫離子源裝置”的中國專利申請文件記錄了這種放電區(qū)與過濾區(qū)串接的結(jié)構(gòu)。采用放電區(qū)與過濾區(qū)串接的結(jié)構(gòu)使得放電室尺寸長，氣體利用率低、放電功率大，燈絲壽命短。同時，由于在引出區(qū)附近二極場的存在，造成放電不對稱，引出束流品質(zhì)差，在通過串列加速器時，傳輸效率低。本專利公開了一種軸對稱的錐形過濾場離子源結(jié)構(gòu)，有效的解決了離子源燈絲壽命短、等離子體放電不對稱、引出束流品質(zhì)差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)。解決離子源燈絲壽命短、等離子體放電不對稱、引出束流品質(zhì)差和傳輸效率低的問題。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在放電室內(nèi)的燈絲，所述燈絲將通入放電室的氫氣電離成等離子體，在放電室外側(cè)設(shè)置會切磁鐵，形成會切場約束等離子體；在放電室一側(cè)設(shè)有等離子體電極、引出電極和地電極，等離子體在所述等離子體電極、引出電極和地電極的作用下從放電室引出；在所述放電室相對于等離子體電極的另一側(cè)設(shè)有中心磁鐵，所述中心磁鐵與設(shè)置在等離子體電極上的過濾鐵環(huán)以及設(shè)置在放電室兩側(cè)的會切磁鐵共同形成用于過濾快電子的錐形磁場。

4、進一步，會切磁鐵包括沿放電室圓周均勻排列的若干個第一會切磁鐵，以及設(shè)置在放電室兩側(cè)的若干個第二會切磁鐵，同一側(cè)的所述若干個第二會切磁鐵沿不同半徑的圓周均勻排列。

5、進一步，同一圓周上相鄰的第一會切磁鐵的極性相同，不同圓周上相鄰的第一會切磁鐵極性相反。

6、進一步，同一圓周上相鄰的第二會切磁鐵的極性相同，不同圓周上相鄰的第二會切磁鐵極性相反。

7、進一步，一側(cè)的所述若干個第二會切磁鐵設(shè)置在放電室的固定法蘭上，另一側(cè)的所述若干個第二會切磁鐵設(shè)置在等離子體電極上。

8、進一步，所述中心磁鐵設(shè)置在固定法蘭(固定法蘭中的后法蘭)的中心孔。

9、進一步，所述燈絲為環(huán)形分布，與所述錐形磁場共軸，設(shè)置在錐形磁場區(qū)域外部。

10、進一步，所述燈絲為波浪形結(jié)構(gòu)環(huán)形分布，增加電子發(fā)射面積。

11、進一步，所述燈絲采用鉭、鉬或鎢材料制成。

12、進一步，所述燈絲上施加的放電電壓為100-300v。

13、進一步，所述會切磁鐵采用釤鈷磁體。

14、進一步，所述引出電極呈喇叭狀，沿等離子體射入方向開口逐漸增大，在引出電極開口較小的一端依次設(shè)置兩組磁鐵和電子擋環(huán)，兩組磁鐵采用上下對稱設(shè)置，電子擋環(huán)與引出電極的中軸線垂直沿圓周設(shè)置在開口端內(nèi)壁上。

15、進一步，所述固定法蘭與等離子體電極采用銅材料制成。

16、進一步，所述固定法蘭與等離子體電極均設(shè)置冷卻管道。

17、進一步，所述等離子體電極為負高壓，引出電極相對等離子體電極為0.5-3kv，地電極為地電位。

18、本發(fā)明的有益效果如下：

19、1、采用會切場耦合軸對稱過濾場的方式獲得負氫離子束，引出離子束關(guān)于中心軸對稱，束流品質(zhì)好，傳輸效率高；

20、2、除放電室外側(cè)沿圓周設(shè)置有會切磁鐵外，在等離子體電極和后法蘭上也設(shè)置有會切磁鐵，增強了會切磁鐵對等離子體在軸向的約束，減小放電室尺寸，降低了離子源放電功率，提高了電離效率，延長離子源使用壽命；

21、3、燈絲成環(huán)形分布，并設(shè)置在錐形過濾場外側(cè)，等離子體密度低，降低了等離子體對燈絲的濺射，大幅度延長了燈絲壽命，減小離子源維護時間，提高了加速器使用效率。

技術(shù)特征：

1.一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括設(shè)置在放電室(7)內(nèi)的燈絲(13)，所述燈絲(13)將通入放電室(7)的氫氣電離成等離子體，在放電室(7)外側(cè)設(shè)置會切磁鐵(3)，形成會切場(15)約束等離子體；在放電室(7)一側(cè)設(shè)有等離子體電極(8)、引出電極(10)和地電極(14)，等離子體在所述等離子體電極(8)、引出電極(10)和地電極(14)的作用下從放電室(7)引出；在所述放電室(7)相對于等離子體電極(8)的另一側(cè)設(shè)有中心磁鐵(4)，所述中心磁鐵(4)與設(shè)置在等離子體電極(8)上的過濾鐵環(huán)(9)以及設(shè)置在放電室(7)兩側(cè)的會切磁鐵共同形成用于過濾快電子的錐形磁場(11)。

2.如權(quán)利要求1所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：會切磁鐵(3)包括沿放電室(7)圓周均勻排列的若干個第一會切磁鐵，以及設(shè)置在放電室(7)兩側(cè)的若干個第二會切磁鐵，同一側(cè)的所述若干個第二會切磁鐵沿不同半徑的圓周均勻排列。

3.如權(quán)利要求2所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：同一圓周上相鄰的第一會切磁鐵的極性相同，不同圓周上相鄰的第一會切磁鐵極性相反。

4.如權(quán)利要求2所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：同一圓周上相鄰的第二會切磁鐵的極性相同，不同圓周上相鄰的第二會切磁鐵極性相反。

5.如權(quán)利要求2所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：一側(cè)的所述若干個第二會切磁鐵設(shè)置在放電室(7)的固定法蘭上，另一側(cè)的所述若干個第二會切磁鐵設(shè)置在等離子體電極(8)上。

6.如權(quán)利要求5所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述中心磁鐵(4)設(shè)置在固定法蘭的中心孔。

7.如權(quán)利要求1所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述燈絲(13)為環(huán)形分布，與所述錐形磁場(11)共軸，設(shè)置在錐形磁場(11)外部。

8.如權(quán)利要求7所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述燈絲(13)為波浪形結(jié)構(gòu)環(huán)形分布，增加電子發(fā)射面積。

9.如權(quán)利要求8所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述燈絲(13)采用鉭、鉬或鎢材料制成。

10.如權(quán)利要求9所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述燈絲(13)上施加的放電電壓為100-300v。

11.如權(quán)利要求1所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述會切磁鐵(3)采用釤鈷磁體。

12.如權(quán)利要求1所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述引出電極(10)呈喇叭狀，沿等離子體射入方向開口逐漸增大，在引出電極(10)開口較小的一端依次設(shè)置兩組磁鐵(17)和電子擋環(huán)(12)，兩組磁鐵(17)采用上下對稱設(shè)置，電子擋環(huán)(12)與引出電極(10)的中軸線垂直沿圓周設(shè)置在開口端內(nèi)壁上。

13.如權(quán)利要求5所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述固定法蘭與等離子體電極(8)采用銅材料制成。

14.如權(quán)利要求5所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述固定法蘭與等離子體電極(8)均設(shè)置冷卻管道(1)。

15.如權(quán)利要求1所述的一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述等離子體電極(8)為負高壓，引出電極(10)相對等離子體電極(8)為0.5-3kv，地電極(14)為地電位。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于加速器和半導(dǎo)體離子注入技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種錐形過濾場負氫離子源結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在放電室(7)內(nèi)的燈絲(13)，所述燈絲(13)將通入放電室(7)的氫氣電離成等離子體，在放電室(7)外側(cè)設(shè)置會切磁鐵(3)，形成會切場(15)約束等離子體；在放電室(7)一側(cè)設(shè)有等離子體電極(8)、引出電極(10)和地電極(14)，等離子體在所述等離子體電極(8)、引出電極(10)和地電極(14)的作用下從放電室(7)引出；在所述放電室(7)相對于等離子體電極(8)的另一側(cè)設(shè)有中心磁鐵(4)等。會切場耦合軸對稱過濾場的方式獲得負氫離子束，引出離子束關(guān)于中心軸對稱，束流品質(zhì)好，傳輸效率高；延長了燈絲和離子源的使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：唐兵,崔保群,陳浩南,陳立華,馬瑞剛,馬鷹俊,馬燮,張一帆
受保護的技術(shù)使用者：中國原子能科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15