專利名稱：離子源、操作離子源的方法、以及離子源系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種離子源、一種操作這種離子源的方法和擁有這種離子源的離子源系統，該離子源產生等離子體并從產生的等離子體中分離出一離子束，尤其是，本發明涉及保持用于產生等離子體的等離子體產生室的溫度在產生等離子體時為低溫的方法，本發明還涉及可選擇地以等離子體產生室的低溫操作模式和高溫操作模式來操作離子源的方法。
背景技術：
圖4顯示了一個相關技術離子源的例子。離子源2包括等離子體產生段4，它離子化輸入等離子體產生段4的離子種(ion species)例如氣體或者蒸氣，以產生等離子體14。等離子體產生段4被多個(通常4個)以離子源凸緣36為基礎的條狀支撐件(本實例中是支承桿)支承著。
離子源凸緣36用來把離子源2安裝在一個真空室上，這個真空室被稱作離子源室。在離子源凸緣36內側(即當離子源2被安裝到真空室上時等離子體產生段4的那一側)產生一個真空環境。離子源凸緣36包括密封件38用于真空密封，并且有一個水冷結構用于冷卻并保護密封件38。
在本例中，等離子體產生段4被稱作Bemas型，包括一個等離子體產生室6用于在其中產生等離子體4，一個燈絲10用于發射電子以及一個反射器12用于反射電子。等離子體產生室6有一個離子分離孔8。燈絲10和反射器12在等離子體產生室6中被相對地布置。等離子體產生段4可以是另一種類型，例如，Freeman型，包括一條狀燈絲。離子束16可以在電場的作用下從等離子體產生段4(準確地說，等離子體產生室6)中被分離出來。
在本例中，原料氣體20作為離子種(也叫做一種可離子化材料同樣在下文也適用)可以經過氣體引入管18被引入等離子體產生室6。離子源2包括一個蒸氣發生室(爐)22，固體原料26被加熱器28加熱蒸發成蒸氣24。從固體原料26產生的蒸氣24也可以作為離子種通過噴嘴23被引入等離子體產生室6。蒸氣發生爐22由離子源凸緣36通過支承段30和爐凸緣32支承著。
伴隨著等離子體14的產生，等離子體產生室6被加熱到高溫，例如，幾百℃到1000℃。等離子體產生室的加熱是由燈絲10產生的熱和燈絲10與等離子體產生室6之間的電弧放電產生的熱引起的。
如上面所述，離子源凸緣36被冷卻到大約為室溫的低溫，從而保護密封件38等。
為了實現這一點，一種相關技術運用了多個條狀支撐件(支承桿)34使得等離子體產生室6由離子源凸緣36機械支承，并且當等離子體產生室6保持高溫時，從等離子體產生室6到離子源凸緣36的熱傳導保持較小。
如果組成原料氣體20和蒸氣24的離子種是一種高熔點的原料，比如銦、銦氟化物或者銻，等離子體產生室6優選地保持高溫。因此，上面提到的相關技術的結構中不會產生問題。如果是諸如含磷的、含砷的這類離子種，等離子體產生室優選地保持中等溫度，相關技術結構不會產生問題。
如果組成原料氣體20和蒸氣24的離子種是一種具有低熔點和低升華點的原料，并且這種原料在高溫下將發生分子的熱分解，例如十硼烷(B10H14)，下面的問題就產生了。當等離子體產生室6在產生等離子體時被加熱到高溫時，在產生的等離子體中十硼烷離子的數量變小，而分解的分子的離子的數量，例如五硼烷離子或者八硼烷離子在產生的等離子體中變得更多。這樣，預定數量的十硼烷離子束不能夠被提取出來。
這樣的問題不僅當原料氣體20被從氣體引入管18輸入時會發生，而且當蒸氣發生爐22被用來產生蒸氣24的時候也會產生。原因是蒸氣發生爐22和等離子體產生室6是被噴嘴23連在一起的。因此，即使蒸氣發生爐22的加熱器28的電流供給被減少或者停止，蒸氣發生爐22的溫度仍然會因為從等離子體產生室6的熱傳導而有不期望的升高。蒸氣發生爐22的溫度也會由于從等離子體產生室6的熱輻射而有不期望的升高。
當十硼烷被用作離子種時，通過利用集束的離子束的特性，低能量的大電流束被等價地產生，并且有利的獲得帶有較少基板充電的離子束輻射(例如離子注入)。然而，當十硼烷被用作離子種時，尤其是，等離子體產生室6在產生等離子體時的溫度必須被保持在低溫。例如，它必須被保持在從室溫到大約100℃這個溫度范圍以下的一個溫度值。然而，對于相關技術離子源2，要獲得等離子體產生室6的這樣的低溫幾乎是不可能的。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供一種離子源、一種操作該離子源的方法和一種擁有這種離子源的離子源系統，該離子源能使等離子體產生室在產生等離子體時保持低溫，。
本發明的另一目的是使這種離子源能夠可選擇地在一種操作模式中操作，此時等離子體產生室的溫度在產生等離子體時相對低，或在另一種操作模式中操作，此時等離子體產生室的溫度在產生等離子體時相對高。
為了達到上述目的，采用了下述裝置。根據本發明，提供了一種離子源，該離子源包括等離子體產生室，用于產生等離子體；蒸氣發生室，用于蒸發放置在其中的固體原料，從而產生蒸氣；和支承體，以離子源凸緣為基礎支承等離子體產生室，該支承體具有冷卻介質通道，由流過該冷卻介質通道的冷卻介質來冷卻等離子體產生室和蒸氣發生室。
在所述離子源中，等離子體產生室和蒸氣發生室被流入支承體中的冷卻介質通道的冷卻介質所冷卻。因此，等離子體產生室的溫度和蒸氣發生室的溫度在產生等離子體時保持低溫。
在這種離子源中，支承體可以具有雙管結構，包括在支承體中心部分的空間和包圍所述空間的在支承體內部的空腔，空腔作為冷卻介質通道，并且蒸氣發生室設置在所述空間中。
這種離子源可以進一步包含冷卻介質供應管，用于將冷卻介質導入空腔內，其中空腔被形成在從等離子體產生室附近的一個位置到離子源凸緣附近的一個位置范圍內，并且冷卻介質供應管被插入空腔，其插入方式為把冷卻介質供應管的末端安置在等離子體產生室附近。
為了達到上述目的，根據本發明的一種操作離子源的方法，所述離子源包括用于產生等離子體的等離子體產生室和支承體，所述支承體以離子源凸緣為基礎支承等離子體產生室，并且具有空腔，該空腔形成在支承體的內部、在從等離子體產生室附近的一個位置到所述離子源凸緣附近一個位置的范圍內，所述方法包括可選擇地以冷卻模式操作該離子源，該模式中使冷卻介質流入支承體的空腔，或者以排空模式操作該離子源，該模式用于實現對支承體的空腔的抽真空。
根據這種離子源操作方法，在冷卻模式中，等離子體產生室被流入支承體的冷卻介質通道的冷卻介質冷卻。因此，離子源在等離子體產生室的溫度相對低的狀態下被操作。在排空模式中，支承體的隔熱效果被以下述方式提高，即支承體中的空腔被真空抽氣，從而可以利用空腔中的真空實現隔熱。因此，離子源在等離子體產生室的溫度相對高的狀態下被操作。這里，“相對”意思是“相對于在其它模式中的溫度”。
當離子源可選擇地在冷卻模式或排空模式中被操作時，一個離子源可以在等離子體產生室的寬溫度范圍內被使用，因此，選擇可使用的離子種的自由度就得到相當大的提高。
離子源的操作方法可進一步包括以吹洗模式操作離子源，在這個模式中，氮氣在冷卻模式后被送入支承體的空腔內。
另外，本發明也提供了一種離子源系統，該系統包括離子源，具有用于產生等離子體的等離子體產生室和以離子源凸緣為基礎支承等離子體產生室的支承體，這個支承體具有空腔，該空腔形成在支承體內部、從等離子體產生室附近的一個位置到離子源凸緣附近的一個位置的范圍內；冷卻介質供應裝置，用于使冷卻介質流入離子源的支承體的空腔中；抽真空裝置，用于實現離子源的支承體的空腔的抽真空；和選擇器，用于選擇性地、連通地將離子源支承體的空腔與冷卻介質供應裝置或抽真空裝置連接。
在這個離子源系統中，離子源可選擇地在一個操作模式中操作，此時使冷卻介質從冷卻介質供應裝置流入支承體的空腔內(冷卻模式)，或者在另一個操作模式中操作，此時空腔由抽真空裝置進行抽真空(排空模式)。離子源可以在等離子體產生室溫度的寬的變化范圍內被使用。因此，選擇可使用的離子種的自由度就得到相當大的提高。
這個離子源系統可還包括氮氣源，用于將氮氣送入離子源支承體的空腔內。
圖1是根據本發明的第一個實施例的一種離子源的剖面圖；圖2是根據本發明的第二個實施例的一種離子源的剖面圖；圖3是根據本發明的一種離子源的管路布置示意圖；和圖4是一種相關技術離子源的剖面圖。
具體實施例方式
圖1是根據本發明的第一個實施例的離子源的剖面圖。為了簡便，相似或相同部分采用了與如圖4所示的相關技術的例子中相同的附圖標記。描述將重點主要放在與相關技術例子的離子源區別的不同之處。
離子源2a配備有氣體導入管18，但沒有安裝蒸氣發生爐。支承體34a對應于圖4中的支撐件34。支承體34a在離子源凸緣36的基礎上支承一個等離子體產生段4的等離子體產生室6。在支承體34a內部，空腔40被設置在從等離子體產生室6附近的一個位置到離子源凸緣36附近的一個位置的范圍內。更特別地，支承體34a是一個管狀體，有一個底面41，空腔40設置在支承體34a的內部。蓋子42覆蓋在支承體34a的開口上，這個開口沿支承體34a的縱向位于離子源凸緣36的外側。各個部件的連接部分被密封件38密封起來，用于確保真空和密閉冷卻介質(同樣適用于圖2的實施例)冷卻介質48通過冷卻介質供應和排空裝置流過空腔40，在這個例子中，所述裝置包括冷卻介質供應管44和冷卻介質排空管46。空腔40用作冷卻介質通道，把冷卻介質48導入等離子體產生室6附近的一個位置，以冷卻等離子體產生室6。優選地，冷卻介質供應管44被插入空腔40，以便能使管44的末端在空腔40上部附近，即等離子體產生室6附近定位，如同本實施例一樣。這樣，將導入空腔40的冷卻介質48有效地輸送到等離子體產生室6附近的一個位置，由此，等離子體產生室6被有效地冷卻。
冷卻介質48是例如室溫下的冷卻水，如果需要，可以是其它合適的冷卻介質。對于冷卻介質48的溫度、流量、種類等方面的選擇，令人滿意的選擇是使等離子體產生室6在產生等離子體時有一個期望的溫度。當操作離子源2a時，將高電壓(用來分離離子束16)施加到離子源凸緣36、支承體34a和等離子體產生室6上。因此，有可能那些部件經冷卻介質48被電連接到一個具有地面電位的部分。為了避免這個或者其它原因，具有高電阻的純水更適合作為冷卻介質48。
在離子源2a中，等離子體產生室6被流經設置在支承體34a中的空腔40(冷卻介質通道)的冷卻介質48在距離等離子體產生室6非常近的一個位置處冷卻。因此，等離子體產生室6在產生等離子體時的溫度被保持在低溫。通過用室溫冷卻水作為冷卻介質48，等離子體產生室6保持在一從室溫到幾十℃的范圍內的溫度值，最高大約100℃或者更低。
即使組成從氣體導入管18導入等離子體產生室6的原料氣體20的離子種是一種熔點和升華點都低的原料，或者即使原料20包括了十硼烷，產生的等離子體14的密度和進一步分離的離子束16的數量也能被控制在一個目標值。
支承體34a的橫截面(圖1中當從上面觀看支承體34a時)可以是方形的(即一個方柱體)或者圓形的(即一個圓柱體)。支承體34a的底面41和等離子體產生室6的底面7可以被如此建構，即使得所述表面41和7單獨成形并且能夠彼此分開。可選擇地，它們也可以被建構使得所述表面一體形成，并同時作為等離子體產生室6和支承體34a的底面。這同樣適用于后面描述的如圖2所示的第二實施例。
離子源2a也可以可選擇地在冷卻模式中操作，此時冷卻介質48如上所述流入支承體34a的空腔40內，或者在排空模式中操作，此時對空腔40進行抽真空。空腔40的抽真空可以經由冷卻介質供應管44和冷卻介質排空管46實現。
上面描述了離子源在冷卻模式中被操作時的操作和相關效果。
在排空模式中，支承體34a的隔熱效果通過這種方式得到提高，即支承體34a中的空腔40被抽真空，利用空腔40中的真空來隔熱。因此，這種模式適合這樣的情形，即在等離子體產生室6的溫度(例如，幾百℃到大約1000℃)高于冷卻模式中的溫度的狀態下操作離子源。
當離子源這樣可選擇地在冷卻模式或排空模式中操作時，離子源2a可以在等離子體產生室6的寬的溫度范圍內使用。因此選擇可使用的離子種的自由度就相當大地提高了。換句話說，離子源2a對于多種離子種是可操作的，包括低熔點和低升華點的離子種到高熔點和高升華點的離子種。
如果離子源2a僅在冷卻模式中被操作，可以應用下面的結構。空腔40在支承體34a內至少靠近等離子體產生室6設置，并且冷卻介質48利用冷卻介質供應/排空裝置流過空腔40，例如冷卻介質通過管和冷卻介質通過槽。冷卻等離子體產生室6的目的可以通過這樣的結構達到。同樣適用于后面將描述的圖2中的離子源2a。
圖2是根據本發明的第二實施例的離子源的剖面圖。除氣體導入管18外，第二實施例的離子源2a還包括蒸氣發生爐22。將主要描述第二實施例與圖1中第一實施例的不同之處。
在離子源2a中，在以離子源凸緣36為基礎支承等離子體產生室6的支承體34a內，空腔40被設置在從等離子體產生室6附近的一個位置到離子源凸緣36附近的一個位置的范圍內。與已經描述過的實施例相似，冷卻介質供應管44和冷卻介質排空管46被連接到空腔40。冷卻介質供應管44如在上述實施例中一樣被插入空腔40。支承體34a進一步包括一個位于中心的柱狀空間50，并且蒸氣發生爐22如上所述置于空間50中。換句話說，第二實施例的支承體34a有一個雙管結構，包括置于支承體中心部分的空間50和支承體內部的包圍著空間50的空腔40。
如上所述，建構蒸氣發生爐22以使固體原料26被加熱器28加熱，從而產生蒸氣24，并且產生的蒸氣24經噴嘴23被導入等離子體產生室6。爐凸緣32通過支承部分30支承蒸氣發生爐22。爐凸緣32被連接在爐連接部分52上，該爐連接部分52沿支承體34a的縱向位于離子源凸緣36的外側。
在離子源2a中，如同在圖1中的離子源2a的情形，通過讓冷卻介質48流入支承體34a的空腔40中，即空腔40作為冷卻介質通道，等離子體產生室6的溫度在產生等離子體時可以保持低溫。離子源的這個操作和它的相關效果在上面已經描述。
另外，蒸氣發生爐22和加熱器28設置在具有雙管結構的支承體34a的空間50內，這樣，它們的周邊能被流過空腔40的冷卻介質48冷卻。換句話說，有了支承體34a的這種雙管結構，等離子體產生室6、蒸氣發生爐22、加熱器28和支承部分30能被流過空腔40的冷卻介質48冷卻，以便等離子體產生室6和蒸氣發生爐22能保持在低溫狀態。
如果該冷卻操作和加熱器28的加熱同時作用，蒸氣發生爐22的溫度能夠被很好地控制在甚至低溫的范圍(例如如幾十℃到100℃)。當十硼烷被用作固體原料26時，這一點特別有效。
離子源2a，正如圖1中的離子源2a的情形，也可以可選擇地在一個冷卻模式中操作，其中冷卻介質48流入支承體34a的空腔40中，或者在排空模式中操作，以實現空腔40的抽真空。這個操作和它的相關效果上面已經描述。
一個適合于可選擇地在冷卻模式中或排空模式中操作離子源2a的離子源系統如圖3所示。
離子源系統包括如參照圖1、2所述的離子源2a、冷卻介質供應裝置60、抽真空裝置62和選擇器54。冷卻介質供應裝置60使冷卻介質48流入離子源2a的支承體34a的空腔40內。抽真空裝置62用于離子源2a的支承體34a中的空腔40的抽真空。選擇器54可選擇地將離子源2a的支承體34a的空腔40與冷卻介質供應裝置60或抽真空裝置62連通。
冷卻介質供應裝置60是，例如一個水供應裝置，優選地是一個純水供應裝置。
在這個例子中，選擇器54由雙位轉換閥56和另一雙位轉換閥58形成。雙位轉換閥56可選擇地將離子源2a的冷卻介質供應管44與冷卻介質供應裝置60或者抽真空裝置62連通。雙位轉換閥58可選擇地將離子源2a的冷卻介質排空管46與冷卻介質供應裝置60或者抽真空裝置62連通。所述雙位轉換閥56、58可以以例如互鎖的方式操作。
所述離子源系統包括氮氣源64和閥68。氮氣源64提供氮氣66給離子源2a的支承體34a中的空腔40、連接到那里的管道和其它一些裝置，從而用氮氣將水從那里清除出去。順便提及，氮氣源和閥系統對本發明不是必不可少的。
下面將介紹一個操作這種離子源系統的示例性方法。
1)當離子源2a在冷卻模式中被操作時選擇器54被操作以使雙位轉換閥56和58連接到冷卻介質供應裝置60上，從而使冷卻介質48流入離子源2a的支承體34a中的空腔40。
2)當離子源2a在排空模式中被操作時如果離子源2a的此前的模式是冷卻模式，優選用氮氣進行吹洗操作。對于吹洗操作，選擇器54仍保留與冷卻介質供應裝置60連接，并且閥68被打開以將來自氮氣源64的氮氣66輸送到支承體34a的空腔40、連接于其上的管道和其它部件中，并將留在空腔、管道和類似部件內的水移回冷卻介質供應裝置60。這樣，就不必進行一個額外的排水操作。這減少了其后的抽真空操作所需要的時間。
此后，操作選擇器54，使雙位轉換閥56、58連接到抽真空裝置62上，由抽真空裝置62對離子源2a的支承體34a中的空腔40進行抽真空。
這樣建構的本發明有下列優點。
在離子源中，等離子體產生室和/或蒸氣發生室被流入設置在支承體內的冷卻介質通道的冷卻介質冷卻。因此，等離子體產生室和/或蒸氣發生室的溫度在等離子體產生時保持在低溫狀態。即使被導入等離子體產生室的離子種是一種熔點和升華點都較低的原料，或者即使它是一種很可能在高溫下會發生分子熱分解的原料，產生的等離子體的密度和進一步分離出的離子束的數量都能夠被控制在目標值。
在離子源操作方法中，在冷卻模式中，在等離子體產生室的溫度相對低的狀態下操作離子源。在排空模式中，在等離子體產生室的溫度相對高的狀態下操作離子源。當離子源這樣可選擇地在冷卻模式或者排空模式中被操作時，一種離子源可以在等離子體產生室的寬溫度范圍內被使用。因此，可選擇使用的離子種的自由度得到相當大的提高。
在離子源系統中，離子源可選擇地被操作在一種操作模式中，此時冷卻介質從冷卻介質供應裝置流入支承體的空腔，或者在另一種操作模式中，此時抽真空裝置對空腔進行抽真空。一種離子源可以在等離子體產生室的寬溫度范圍內被使用。因此，可使用的離子種的選擇自由度得到相當大的提高。
權利要求
1.一種離子源包括等離子體產生室，用于產生等離子體；蒸氣發生室，用于蒸發置于其中的固體原料，從而產生蒸氣；和支承體，用于以離子源凸緣為基礎支承等離子體產生室，該支承體具有冷卻介質通道，用于使流過冷卻介質通道的冷卻介質冷卻等離子體產生室和蒸氣發生室。
2.根據權利要求1所述的離子源，其中，支承體具有雙管結構，該結構包括設置在支承體中央的空間和設置在支承體內部以包圍所述空間的空腔，該空腔用作冷卻介質通道，蒸氣發生器設置在所述空間內。
3.根據權利要求2所述的離子源，還包括冷卻介質供應管，用于將冷卻介質導入所述空腔中；其中，所述空腔在從等離子體產生室附近的一個位置到離子源凸緣附近的一個位置的范圍內形成，并且冷卻介質供應管被以這樣一種方式插入所述空腔中，即冷卻介質供應管的末端被安置在等離子體產生室附近。
4.一種操作離子源的方法，所述離子源包括用于產生等離子體的等離子體產生室和以離子源凸緣為基礎支承所述等離子體產生室的支承體，并且在支承體的內部具有空腔，所述空腔設置在從等離子體產生室附近的一個位置到離子源凸緣附近的一個位置的范圍內，所述方法包括可選擇地在冷卻模式中操作離子源，在該模式中使冷卻介質流入支承體的空腔，或在排空模式中操作離子源，在該模式中對支承體的空腔進行抽真空。
5.根據權利要求4所述的操作離子源的方法，還包括在冷卻模式之后，在吹洗模式中操作離子源，在這種模式中，將氮氣供送到支承體的空腔中。
6.一種離子源系統，包括離子源，具有用于產生等離子體的等離子體產生室和以離子源凸緣為基礎支承所述等離子體產生室的支承體，該支承體具有空腔，該空腔形成在支承體內部、從等離子體產生室附近的一個位置到離子源凸緣附近的一個位置的范圍內；冷卻介質供應裝置，用于使冷卻介質流入所述離子源的支承體的空腔中；抽真空裝置，用于實現所述離子源的支承體的空腔的抽真空；和選擇器，用于選擇性地、連通地將所述離子源的支承體的空腔與冷卻介質供應裝置或抽真空裝置連接。
7.根據權利要求6所述的離子源系統，還包括氮氣源，用于將氮氣供送到所述離子源的支承體的空腔中。
全文摘要
在一種離子源中，支承體以離子源凸緣為基礎支承用于產生等離子體的等離子體產生室，在支承體內具有一空腔，該空腔設置在從等離子體產生室附近的一個位置到離子源凸緣附近的一個位置的范圍內。所述空腔用作冷卻介質通道，將冷卻介質導入所述等離子體產生室附近的一個位置，從而冷卻該等離子體產生室。所述等離子體產生室在離其很近的位置被冷卻介質冷卻。因此，等離子體產生室在產生等離子體時保持低溫狀態。
文檔編號H01J27/20GK1461036SQ0313685
公開日2003年12月10日 申請日期2003年5月23日 優先權日2002年5月24日
發明者木山俊昭 申請人:日新電機株式會社