专利名称：离子源、操作离子源的方法、以及离子源系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种离子源、一种操作这种离子源的方法和拥有这种离子源的离子源系统，该离子源产生等离子体并从产生的等离子体中分离出一离子束，尤其是，本发明涉及保持用于产生等离子体的等离子体产生室的温度在产生等离子体时为低温的方法，本发明还涉及可选择地以等离子体产生室的低温操作模式和高温操作模式来操作离子源的方法。
背景技术：
图4显示了一个相关技术离子源的例子。离子源2包括等离子体产生段4，它离子化输入等离子体产生段4的离子种(ion species)例如气体或者蒸气，以产生等离子体14。等离子体产生段4被多个(通常4个)以离子源凸缘36为基础的条状支撑件(本实例中是支承杆)支承着。
离子源凸缘36用来把离子源2安装在一个真空室上，这个真空室被称作离子源室。在离子源凸缘36内侧(即当离子源2被安装到真空室上时等离子体产生段4的那一侧)产生一个真空环境。离子源凸缘36包括密封件38用于真空密封，并且有一个水冷结构用于冷却并保护密封件38。
在本例中，等离子体产生段4被称作Bemas型，包括一个等离子体产生室6用于在其中产生等离子体4，一个灯丝10用于发射电子以及一个反射器12用于反射电子。等离子体产生室6有一个离子分离孔8。灯丝10和反射器12在等离子体产生室6中被相对地布置。等离子体产生段4可以是另一种类型，例如，Freeman型，包括一条状灯丝。离子束16可以在电场的作用下从等离子体产生段4(准确地说，等离子体产生室6)中被分离出来。
在本例中，原料气体20作为离子种(也叫做一种可离子化材料同样在下文也适用)可以经过气体引入管18被引入等离子体产生室6。离子源2包括一个蒸气发生室(炉)22，固体原料26被加热器28加热蒸发成蒸气24。从固体原料26产生的蒸气24也可以作为离子种通过喷嘴23被引入等离子体产生室6。蒸气发生炉22由离子源凸缘36通过支承段30和炉凸缘32支承着。
伴随着等离子体14的产生，等离子体产生室6被加热到高温，例如，几百℃到1000℃。等离子体产生室的加热是由灯丝10产生的热和灯丝10与等离子体产生室6之间的电弧放电产生的热引起的。
如上面所述，离子源凸缘36被冷却到大约为室温的低温，从而保护密封件38等。
为了实现这一点，一种相关技术运用了多个条状支撑件(支承杆)34使得等离子体产生室6由离子源凸缘36机械支承，并且当等离子体产生室6保持高温时，从等离子体产生室6到离子源凸缘36的热传导保持较小。
如果组成原料气体20和蒸气24的离子种是一种高熔点的原料，比如铟、铟氟化物或者锑，等离子体产生室6优选地保持高温。因此，上面提到的相关技术的结构中不会产生问题。如果是诸如含磷的、含砷的这类离子种，等离子体产生室优选地保持中等温度，相关技术结构不会产生问题。
如果组成原料气体20和蒸气24的离子种是一种具有低熔点和低升华点的原料，并且这种原料在高温下将发生分子的热分解，例如十硼烷(B10H14)，下面的问题就产生了。当等离子体产生室6在产生等离子体时被加热到高温时，在产生的等离子体中十硼烷离子的数量变小，而分解的分子的离子的数量，例如五硼烷离子或者八硼烷离子在产生的等离子体中变得更多。这样，预定数量的十硼烷离子束不能够被提取出来。
这样的问题不仅当原料气体20被从气体引入管18输入时会发生，而且当蒸气发生炉22被用来产生蒸气24的时候也会产生。原因是蒸气发生炉22和等离子体产生室6是被喷嘴23连在一起的。因此，即使蒸气发生炉22的加热器28的电流供给被减少或者停止，蒸气发生炉22的温度仍然会因为从等离子体产生室6的热传导而有不期望的升高。蒸气发生炉22的温度也会由于从等离子体产生室6的热辐射而有不期望的升高。
当十硼烷被用作离子种时，通过利用集束的离子束的特性，低能量的大电流束被等价地产生，并且有利的获得带有较少基板充电的离子束辐射(例如离子注入)。然而，当十硼烷被用作离子种时，尤其是，等离子体产生室6在产生等离子体时的温度必须被保持在低温。例如，它必须被保持在从室温到大约100℃这个温度范围以下的一个温度值。然而，对于相关技术离子源2，要获得等离子体产生室6的这样的低温几乎是不可能的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种离子源、一种操作该离子源的方法和一种拥有这种离子源的离子源系统，该离子源能使等离子体产生室在产生等离子体时保持低温，。
本发明的另一目的是使这种离子源能够可选择地在一种操作模式中操作，此时等离子体产生室的温度在产生等离子体时相对低，或在另一种操作模式中操作，此时等离子体产生室的温度在产生等离子体时相对高。
为了达到上述目的，采用了下述装置。根据本发明，提供了一种离子源，该离子源包括等离子体产生室，用于产生等离子体；蒸气发生室，用于蒸发放置在其中的固体原料，从而产生蒸气；和支承体，以离子源凸缘为基础支承等离子体产生室，该支承体具有冷却介质通道，由流过该冷却介质通道的冷却介质来冷却等离子体产生室和蒸气发生室。
在所述离子源中，等离子体产生室和蒸气发生室被流入支承体中的冷却介质通道的冷却介质所冷却。因此，等离子体产生室的温度和蒸气发生室的温度在产生等离子体时保持低温。
在这种离子源中，支承体可以具有双管结构，包括在支承体中心部分的空间和包围所述空间的在支承体内部的空腔，空腔作为冷却介质通道，并且蒸气发生室设置在所述空间中。
这种离子源可以进一步包含冷却介质供应管，用于将冷却介质导入空腔内，其中空腔被形成在从等离子体产生室附近的一个位置到离子源凸缘附近的一个位置范围内，并且冷却介质供应管被插入空腔，其插入方式为把冷却介质供应管的末端安置在等离子体产生室附近。
为了达到上述目的，根据本发明的一种操作离子源的方法，所述离子源包括用于产生等离子体的等离子体产生室和支承体，所述支承体以离子源凸缘为基础支承等离子体产生室，并且具有空腔，该空腔形成在支承体的内部、在从等离子体产生室附近的一个位置到所述离子源凸缘附近一个位置的范围内，所述方法包括可选择地以冷却模式操作该离子源，该模式中使冷却介质流入支承体的空腔，或者以排空模式操作该离子源，该模式用于实现对支承体的空腔的抽真空。
根据这种离子源操作方法，在冷却模式中，等离子体产生室被流入支承体的冷却介质通道的冷却介质冷却。因此，离子源在等离子体产生室的温度相对低的状态下被操作。在排空模式中，支承体的隔热效果被以下述方式提高，即支承体中的空腔被真空抽气，从而可以利用空腔中的真空实现隔热。因此，离子源在等离子体产生室的温度相对高的状态下被操作。这里，“相对”意思是“相对于在其它模式中的温度”。
当离子源可选择地在冷却模式或排空模式中被操作时，一个离子源可以在等离子体产生室的宽温度范围内被使用，因此，选择可使用的离子种的自由度就得到相当大的提高。
离子源的操作方法可进一步包括以吹洗模式操作离子源，在这个模式中，氮气在冷却模式后被送入支承体的空腔内。
另外，本发明也提供了一种离子源系统，该系统包括离子源，具有用于产生等离子体的等离子体产生室和以离子源凸缘为基础支承等离子体产生室的支承体，这个支承体具有空腔，该空腔形成在支承体内部、从等离子体产生室附近的一个位置到离子源凸缘附近的一个位置的范围内；冷却介质供应装置，用于使冷却介质流入离子源的支承体的空腔中；抽真空装置，用于实现离子源的支承体的空腔的抽真空；和选择器，用于选择性地、连通地将离子源支承体的空腔与冷却介质供应装置或抽真空装置连接。
在这个离子源系统中，离子源可选择地在一个操作模式中操作，此时使冷却介质从冷却介质供应装置流入支承体的空腔内(冷却模式)，或者在另一个操作模式中操作，此时空腔由抽真空装置进行抽真空(排空模式)。离子源可以在等离子体产生室温度的宽的变化范围内被使用。因此，选择可使用的离子种的自由度就得到相当大的提高。
这个离子源系统可还包括氮气源，用于将氮气送入离子源支承体的空腔内。
图1是根据本发明的第一个实施例的一种离子源的剖面图；图2是根据本发明的第二个实施例的一种离子源的剖面图；图3是根据本发明的一种离子源的管路布置示意图；和图4是一种相关技术离子源的剖面图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的第一个实施例的离子源的剖面图。为了简便，相似或相同部分采用了与如图4所示的相关技术的例子中相同的附图标记。描述将重点主要放在与相关技术例子的离子源区别的不同之处。
离子源2a配备有气体导入管18，但没有安装蒸气发生炉。支承体34a对应于图4中的支撑件34。支承体34a在离子源凸缘36的基础上支承一个等离子体产生段4的等离子体产生室6。在支承体34a内部，空腔40被设置在从等离子体产生室6附近的一个位置到离子源凸缘36附近的一个位置的范围内。更特别地，支承体34a是一个管状体，有一个底面41，空腔40设置在支承体34a的内部。盖子42覆盖在支承体34a的开口上，这个开口沿支承体34a的纵向位于离子源凸缘36的外侧。各个部件的连接部分被密封件38密封起来，用于确保真空和密闭冷却介质(同样适用于图2的实施例)冷却介质48通过冷却介质供应和排空装置流过空腔40，在这个例子中，所述装置包括冷却介质供应管44和冷却介质排空管46。空腔40用作冷却介质通道，把冷却介质48导入等离子体产生室6附近的一个位置，以冷却等离子体产生室6。优选地，冷却介质供应管44被插入空腔40，以便能使管44的末端在空腔40上部附近，即等离子体产生室6附近定位，如同本实施例一样。这样，将导入空腔40的冷却介质48有效地输送到等离子体产生室6附近的一个位置，由此，等离子体产生室6被有效地冷却。
冷却介质48是例如室温下的冷却水，如果需要，可以是其它合适的冷却介质。对于冷却介质48的温度、流量、种类等方面的选择，令人满意的选择是使等离子体产生室6在产生等离子体时有一个期望的温度。当操作离子源2a时，将高电压(用来分离离子束16)施加到离子源凸缘36、支承体34a和等离子体产生室6上。因此，有可能那些部件经冷却介质48被电连接到一个具有地面电位的部分。为了避免这个或者其它原因，具有高电阻的纯水更适合作为冷却介质48。
在离子源2a中，等离子体产生室6被流经设置在支承体34a中的空腔40(冷却介质通道)的冷却介质48在距离等离子体产生室6非常近的一个位置处冷却。因此，等离子体产生室6在产生等离子体时的温度被保持在低温。通过用室温冷却水作为冷却介质48，等离子体产生室6保持在一从室温到几十℃的范围内的温度值，最高大约100℃或者更低。
即使组成从气体导入管18导入等离子体产生室6的原料气体20的离子种是一种熔点和升华点都低的原料，或者即使原料20包括了十硼烷，产生的等离子体14的密度和进一步分离的离子束16的数量也能被控制在一个目标值。
支承体34a的横截面(图1中当从上面观看支承体34a时)可以是方形的(即一个方柱体)或者圆形的(即一个圆柱体)。支承体34a的底面41和等离子体产生室6的底面7可以被如此建构，即使得所述表面41和7单独成形并且能够彼此分开。可选择地，它们也可以被建构使得所述表面一体形成，并同时作为等离子体产生室6和支承体34a的底面。这同样适用于后面描述的如图2所示的第二实施例。
离子源2a也可以可选择地在冷却模式中操作，此时冷却介质48如上所述流入支承体34a的空腔40内，或者在排空模式中操作，此时对空腔40进行抽真空。空腔40的抽真空可以经由冷却介质供应管44和冷却介质排空管46实现。
上面描述了离子源在冷却模式中被操作时的操作和相关效果。
在排空模式中，支承体34a的隔热效果通过这种方式得到提高，即支承体34a中的空腔40被抽真空，利用空腔40中的真空来隔热。因此，这种模式适合这样的情形，即在等离子体产生室6的温度(例如，几百℃到大约1000℃)高于冷却模式中的温度的状态下操作离子源。
当离子源这样可选择地在冷却模式或排空模式中操作时，离子源2a可以在等离子体产生室6的宽的温度范围内使用。因此选择可使用的离子种的自由度就相当大地提高了。换句话说，离子源2a对于多种离子种是可操作的，包括低熔点和低升华点的离子种到高熔点和高升华点的离子种。
如果离子源2a仅在冷却模式中被操作，可以应用下面的结构。空腔40在支承体34a内至少靠近等离子体产生室6设置，并且冷却介质48利用冷却介质供应/排空装置流过空腔40，例如冷却介质通过管和冷却介质通过槽。冷却等离子体产生室6的目的可以通过这样的结构达到。同样适用于后面将描述的图2中的离子源2a。
图2是根据本发明的第二实施例的离子源的剖面图。除气体导入管18外，第二实施例的离子源2a还包括蒸气发生炉22。将主要描述第二实施例与图1中第一实施例的不同之处。
在离子源2a中，在以离子源凸缘36为基础支承等离子体产生室6的支承体34a内，空腔40被设置在从等离子体产生室6附近的一个位置到离子源凸缘36附近的一个位置的范围内。与已经描述过的实施例相似，冷却介质供应管44和冷却介质排空管46被连接到空腔40。冷却介质供应管44如在上述实施例中一样被插入空腔40。支承体34a进一步包括一个位于中心的柱状空间50，并且蒸气发生炉22如上所述置于空间50中。换句话说，第二实施例的支承体34a有一个双管结构，包括置于支承体中心部分的空间50和支承体内部的包围着空间50的空腔40。
如上所述，建构蒸气发生炉22以使固体原料26被加热器28加热，从而产生蒸气24，并且产生的蒸气24经喷嘴23被导入等离子体产生室6。炉凸缘32通过支承部分30支承蒸气发生炉22。炉凸缘32被连接在炉连接部分52上，该炉连接部分52沿支承体34a的纵向位于离子源凸缘36的外侧。
在离子源2a中，如同在图1中的离子源2a的情形，通过让冷却介质48流入支承体34a的空腔40中，即空腔40作为冷却介质通道，等离子体产生室6的温度在产生等离子体时可以保持低温。离子源的这个操作和它的相关效果在上面已经描述。
另外，蒸气发生炉22和加热器28设置在具有双管结构的支承体34a的空间50内，这样，它们的周边能被流过空腔40的冷却介质48冷却。换句话说，有了支承体34a的这种双管结构，等离子体产生室6、蒸气发生炉22、加热器28和支承部分30能被流过空腔40的冷却介质48冷却，以便等离子体产生室6和蒸气发生炉22能保持在低温状态。
如果该冷却操作和加热器28的加热同时作用，蒸气发生炉22的温度能够被很好地控制在甚至低温的范围(例如如几十℃到100℃)。当十硼烷被用作固体原料26时，这一点特别有效。
离子源2a，正如图1中的离子源2a的情形，也可以可选择地在一个冷却模式中操作，其中冷却介质48流入支承体34a的空腔40中，或者在排空模式中操作，以实现空腔40的抽真空。这个操作和它的相关效果上面已经描述。
一个适合于可选择地在冷却模式中或排空模式中操作离子源2a的离子源系统如图3所示。
离子源系统包括如参照图1、2所述的离子源2a、冷却介质供应装置60、抽真空装置62和选择器54。冷却介质供应装置60使冷却介质48流入离子源2a的支承体34a的空腔40内。抽真空装置62用于离子源2a的支承体34a中的空腔40的抽真空。选择器54可选择地将离子源2a的支承体34a的空腔40与冷却介质供应装置60或抽真空装置62连通。
冷却介质供应装置60是，例如一个水供应装置，优选地是一个纯水供应装置。
在这个例子中，选择器54由双位转换阀56和另一双位转换阀58形成。双位转换阀56可选择地将离子源2a的冷却介质供应管44与冷却介质供应装置60或者抽真空装置62连通。双位转换阀58可选择地将离子源2a的冷却介质排空管46与冷却介质供应装置60或者抽真空装置62连通。所述双位转换阀56、58可以以例如互锁的方式操作。
所述离子源系统包括氮气源64和阀68。氮气源64提供氮气66给离子源2a的支承体34a中的空腔40、连接到那里的管道和其它一些装置，从而用氮气将水从那里清除出去。顺便提及，氮气源和阀系统对本发明不是必不可少的。
下面将介绍一个操作这种离子源系统的示例性方法。
1)当离子源2a在冷却模式中被操作时选择器54被操作以使双位转换阀56和58连接到冷却介质供应装置60上，从而使冷却介质48流入离子源2a的支承体34a中的空腔40。
2)当离子源2a在排空模式中被操作时如果离子源2a的此前的模式是冷却模式，优选用氮气进行吹洗操作。对于吹洗操作，选择器54仍保留与冷却介质供应装置60连接，并且阀68被打开以将来自氮气源64的氮气66输送到支承体34a的空腔40、连接于其上的管道和其它部件中，并将留在空腔、管道和类似部件内的水移回冷却介质供应装置60。这样，就不必进行一个额外的排水操作。这减少了其后的抽真空操作所需要的时间。
此后，操作选择器54，使双位转换阀56、58连接到抽真空装置62上，由抽真空装置62对离子源2a的支承体34a中的空腔40进行抽真空。
这样建构的本发明有下列优点。
在离子源中，等离子体产生室和/或蒸气发生室被流入设置在支承体内的冷却介质通道的冷却介质冷却。因此，等离子体产生室和/或蒸气发生室的温度在等离子体产生时保持在低温状态。即使被导入等离子体产生室的离子种是一种熔点和升华点都较低的原料，或者即使它是一种很可能在高温下会发生分子热分解的原料，产生的等离子体的密度和进一步分离出的离子束的数量都能够被控制在目标值。
在离子源操作方法中，在冷却模式中，在等离子体产生室的温度相对低的状态下操作离子源。在排空模式中，在等离子体产生室的温度相对高的状态下操作离子源。当离子源这样可选择地在冷却模式或者排空模式中被操作时，一种离子源可以在等离子体产生室的宽温度范围内被使用。因此，可选择使用的离子种的自由度得到相当大的提高。
在离子源系统中，离子源可选择地被操作在一种操作模式中，此时冷却介质从冷却介质供应装置流入支承体的空腔，或者在另一种操作模式中，此时抽真空装置对空腔进行抽真空。一种离子源可以在等离子体产生室的宽温度范围内被使用。因此，可使用的离子种的选择自由度得到相当大的提高。
权利要求
1.一种离子源包括等离子体产生室，用于产生等离子体；蒸气发生室，用于蒸发置于其中的固体原料，从而产生蒸气；和支承体，用于以离子源凸缘为基础支承等离子体产生室，该支承体具有冷却介质通道，用于使流过冷却介质通道的冷却介质冷却等离子体产生室和蒸气发生室。
2.根据权利要求1所述的离子源，其中，支承体具有双管结构，该结构包括设置在支承体中央的空间和设置在支承体内部以包围所述空间的空腔，该空腔用作冷却介质通道，蒸气发生器设置在所述空间内。
3.根据权利要求2所述的离子源，还包括冷却介质供应管，用于将冷却介质导入所述空腔中；其中，所述空腔在从等离子体产生室附近的一个位置到离子源凸缘附近的一个位置的范围内形成，并且冷却介质供应管被以这样一种方式插入所述空腔中，即冷却介质供应管的末端被安置在等离子体产生室附近。
4.一种操作离子源的方法，所述离子源包括用于产生等离子体的等离子体产生室和以离子源凸缘为基础支承所述等离子体产生室的支承体，并且在支承体的内部具有空腔，所述空腔设置在从等离子体产生室附近的一个位置到离子源凸缘附近的一个位置的范围内，所述方法包括可选择地在冷却模式中操作离子源，在该模式中使冷却介质流入支承体的空腔，或在排空模式中操作离子源，在该模式中对支承体的空腔进行抽真空。
5.根据权利要求4所述的操作离子源的方法，还包括在冷却模式之后，在吹洗模式中操作离子源，在这种模式中，将氮气供送到支承体的空腔中。
6.一种离子源系统，包括离子源，具有用于产生等离子体的等离子体产生室和以离子源凸缘为基础支承所述等离子体产生室的支承体，该支承体具有空腔，该空腔形成在支承体内部、从等离子体产生室附近的一个位置到离子源凸缘附近的一个位置的范围内；冷却介质供应装置，用于使冷却介质流入所述离子源的支承体的空腔中；抽真空装置，用于实现所述离子源的支承体的空腔的抽真空；和选择器，用于选择性地、连通地将所述离子源的支承体的空腔与冷却介质供应装置或抽真空装置连接。
7.根据权利要求6所述的离子源系统，还包括氮气源，用于将氮气供送到所述离子源的支承体的空腔中。
全文摘要
在一种离子源中，支承体以离子源凸缘为基础支承用于产生等离子体的等离子体产生室，在支承体内具有一空腔，该空腔设置在从等离子体产生室附近的一个位置到离子源凸缘附近的一个位置的范围内。所述空腔用作冷却介质通道，将冷却介质导入所述等离子体产生室附近的一个位置，从而冷却该等离子体产生室。所述等离子体产生室在离其很近的位置被冷却介质冷却。因此，等离子体产生室在产生等离子体时保持低温状态。
文档编号H01J27/20GK1461036SQ0313685
公开日2003年12月10日 申请日期2003年5月23日 优先权日2002年5月24日
发明者木山俊昭 申请人:日新电机株式会社