SiC高溫高能離子注入機(jī)的離子源熱場(chǎng)研究

彭立波，張 賽，易文杰，羅才旺，孫雪平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

SiC高溫高能離子注入機(jī)的離子源熱場(chǎng)研究

彭立波，張 賽，易文杰，羅才旺，孫雪平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111)

高溫高能離子注入機(jī)是寬禁帶半導(dǎo)體SiC產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，離子源直接影響整機(jī)的性能指標(biāo)。為保證離子源的長(zhǎng)壽命和大束流，針對(duì)SiC高溫高能離子注入機(jī)中的離子源熱場(chǎng)問(wèn)題，采用仿真軟件對(duì)燈絲、陰極帽和AlX罩的熱場(chǎng)、熱變形進(jìn)行了研究，提出了離子源運(yùn)用過(guò)程中的注意事項(xiàng)及改進(jìn)設(shè)計(jì)。

碳化硅（SiC）；離子注入機(jī)；離子源

SiC（碳化硅）作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于具有擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、載流子飽和飄移速度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)[1]，已被用于制造各種耐高溫高頻大功率器件。SiC材料的p型摻雜一般通過(guò)注入鋁離子來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于SiC密度較大，如果離子要達(dá)到較深的注入?yún)^(qū)域，需要高能注入[2]。而高能量的離子注入會(huì)在注入?yún)^(qū)域的材料表面和內(nèi)部都造成損傷，為了解決離子注入的激活問(wèn)題并減少因注入造成的損傷[3-5]，SiC需要在500℃的高溫條件下進(jìn)行注入[6-9]。離子注入作為SiC器件制造中的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：（1）需要注入鋁離子；（2）注入的離子能量較高，一般在500 keV左右；（3）離子注入過(guò)程中SiC晶片要加熱至500℃。

高溫高能離子注入機(jī)是寬禁帶半導(dǎo)體SiC產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，離子源直接影響整機(jī)的性能指標(biāo)。產(chǎn)生足夠的鋁離子是SiC離子注入機(jī)的關(guān)鍵[10,11]，其中的離子源采用陰極濺射AlX固體材料的方式形成含鋁離子的等離子體，通過(guò)電場(chǎng)將離子引出，然后通過(guò)分析、加速、聚焦、掃描等一系列部件，最終形成在SiC晶片注入的高能鋁離子束。

離子源通過(guò)燈絲加熱發(fā)射熱電子，熱電子在電場(chǎng)作用下，轟擊陰極帽使陰極帽升溫；高溫的陰極帽發(fā)射熱電子，使離子源腔內(nèi)的氣體電離，電離后的離子濺射AlX罩，濺射出鋁原子并使其電離，形成鋁離子。離子源中存在一系列的熱場(chǎng)問(wèn)題，包括電磁熱、熱輻射、固體傳熱、熱變形等，采用先進(jìn)的多物理場(chǎng)仿真軟件對(duì)離子源的熱場(chǎng)及熱變形進(jìn)行深入研究[12,13]，有利于對(duì)離子源的正確運(yùn)用和改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升離子源的綜合性能。

1 建立模型

此模型共涉及3個(gè)物理場(chǎng)，分別是電流、固體傳熱和固體力學(xué)，以及三者之間的相互耦合。電流物理場(chǎng)作用在燈絲上，而燈絲、陰極帽、AlX罩和三者之間的氣體都受固體傳熱和固體力學(xué)物理場(chǎng)作用。

電流物理場(chǎng)由公式(1)、(2)、(3)計(jì)算：

其中：J為電流密度，Je為外電流密度，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，D為電位移場(chǎng)，V為電勢(shì)。

固體傳熱物理場(chǎng)由公式(4)計(jì)算：

其中：ρ為材料的密度，Cp為常壓熱容，T為溫度，t為時(shí)間，u為流體的速度場(chǎng)，k為導(dǎo)熱系數(shù)，Q為熱源產(chǎn)生的熱量。

固體力學(xué)物理場(chǎng)由公式(5)計(jì)算：

三個(gè)物理場(chǎng)之間的關(guān)系：電磁熱源為電流，目標(biāo)端為固體傳熱；溫度耦合的源項(xiàng)為固體傳熱，目標(biāo)端為電流和固體力學(xué)。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 離子源中燈絲的熱場(chǎng)及熱變形

燈絲依靠通過(guò)的電流進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的熱量由焦耳定律得到。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中藍(lán)色的區(qū)域是燈絲的兩個(gè)端面，與電極連接，加2.5 V電壓。燈絲的材料為純鎢，材料電導(dǎo)率使用溫度（T）的線性電導(dǎo)率公式為：

其中：參考電阻率ρ0為5.5E-8 Ω·m，電阻溫度系數(shù)α為0.00482，參考溫度Tref為20℃，T為材料的溫度。溫度場(chǎng)與電場(chǎng)加熱通過(guò)溫度線性電導(dǎo)率公式（6）耦合。

圖1 燈絲的電極連接端面

100 s之后，燈絲的溫度分布如圖2所示。燈絲前端的溫度為2 255℃，達(dá)到發(fā)射熱電子的工作溫度，燈絲的發(fā)熱功率為313 W降至260 W，燈絲功率隨時(shí)間的關(guān)系如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)熱場(chǎng)在100 s時(shí)基本穩(wěn)定。燈絲施加電壓的兩個(gè)端面與夾具連接，在模型中的這兩個(gè)端面處施加固定約束，此時(shí)燈絲的熱變形量如圖4所示，最大變形量是0.26 mm。

鎢的熔點(diǎn)為3 410℃，燈絲在工作時(shí)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)熔斷的現(xiàn)象，說(shuō)明燈絲溫度有可能達(dá)到3 000℃以上。當(dāng)燈絲溫度繼續(xù)上升到3 001℃時(shí)，變形量為0.39 mm（如圖5所示）。而燈絲與陰極帽之間的最小距離為0.6 mm，燈絲溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)生的熱變形量更大，安裝過(guò)程中稍微偏離，燈絲與陰極帽就會(huì)短路，造成離子源故障。

圖2 燈絲的溫度分布圖

圖3 燈絲功率隨時(shí)間的關(guān)系

圖4 燈絲的熱變形量

2.2 離子源中陰極帽的熱場(chǎng)及熱變形

離子源中燈絲和陰極帽的相對(duì)位置如圖6所示。圖7所示藍(lán)色部分是離子源燈絲的熱電子發(fā)射平面。圖8是離子源中的陰極帽，圖中藍(lán)色部分是接收燈絲發(fā)射電子的平面，即陰極帽的加熱平面。與燈絲的熱電子發(fā)射平面對(duì)應(yīng)，陰極帽加熱面上的加熱區(qū)域如圖9中藍(lán)色部分，陰極帽的加熱功率在此區(qū)域。

圖5 燈絲的溫度和變形量

正常情況下，燈絲的電子發(fā)射面與陰極帽的加熱面平行，陰極帽加熱面的加熱區(qū)域如圖9藍(lán)色部分所示，該區(qū)域的總面積為38.13 mm2。加熱功率為750 W時(shí)，陰極帽發(fā)射面的溫度如圖10所示，最高溫度為2 245℃，達(dá)到發(fā)射熱電子所需的溫度，整個(gè)陰極帽的溫度最高溫度為2 311℃?？梢园l(fā)現(xiàn)，陰極帽的高溫區(qū)域在發(fā)射面，且整個(gè)發(fā)射面的溫度分布不均勻，溫差達(dá)到138℃，造成發(fā)射面發(fā)射電子的能力不均勻。

圖6 燈絲與陰極帽的相對(duì)位置

圖7 燈絲的熱電子發(fā)射面

圖8 陰極帽

圖9 加熱區(qū)域

當(dāng)陰極帽的加熱面積急劇減少，相同的功率750 W加在1 mm2的面積上時(shí)，陰極帽的溫度分布如圖11所示，表面的最高溫度2 537℃，最低溫度2 047℃，溫差較大，造成熱電子發(fā)射能力出現(xiàn)波動(dòng)，最終影響離子源內(nèi)的等離子狀態(tài)的穩(wěn)定。陰極帽加熱區(qū)域的溫度為3 505℃，已經(jīng)超過(guò)材料的熔點(diǎn)，持續(xù)一段時(shí)間會(huì)造成離子源短路和陰極帽燒穿等故障。

當(dāng)陰極帽加熱至發(fā)射電子溫度后，燈絲維持原電壓2.5 V不變時(shí)，功率為233 W，燈絲溫度達(dá)2 562℃，遠(yuǎn)超正常工作溫度，有熔斷的危險(xiǎn)。為保證燈絲的正常使用，可把燈絲電壓降低至1.8 V，燈絲的總功率降為190 W，此時(shí)燈絲和陰極帽的溫度分布如圖12所示，分別為2 274℃和2 282℃，能保證正常的熱電子發(fā)射。

此時(shí)仍是燈絲的變形量最大，為0.29 mm（如圖13左所示）；而陰極帽的最大變形量為0.22 mm（如圖13右所示）。

2.3 離子源中AlX罩的熱場(chǎng)及熱變形

AlX罩的主結(jié)構(gòu)為一個(gè)圓筒，圓筒的內(nèi)面套在陰極帽上，AlX罩與陰極帽的相對(duì)位置如圖14所示。

加上AlX罩之后，相同功率下，陰極帽的溫度略有上升，最高溫度由2 274℃升為2 322℃。AlX罩的溫度在1 458℃至1 561℃之間，溫度最高的位置在內(nèi)圓筒面，此位置與陰極帽最近，而AlX罩的外圓筒面溫度也達(dá)到1 500℃以上（如圖15所示）。

改進(jìn)后的AlX罩結(jié)構(gòu)如圖16a所示，在圓筒內(nèi)面開(kāi)了一個(gè)槽。此時(shí)AlX罩的溫度場(chǎng)如圖16b所示，最高溫度1 522℃，且只出現(xiàn)在局部位置。大部分區(qū)域的溫度在1 500℃以下，外圓筒面溫度不超過(guò)1 480℃。同時(shí)對(duì)AlX罩的熱變形進(jìn)行了仿真計(jì)算，熱變形的最大值是0.24 mm。

圖10 陰極帽的溫度場(chǎng)

圖11 功率750 W加在1 mm2面積上時(shí)陰極帽的溫場(chǎng)

圖12 燈絲功率降低之后的溫場(chǎng)

圖13 燈絲功率降低后的變形量

圖14 AlX罩的結(jié)構(gòu)及AlX罩與陰極帽的相對(duì)位置

圖15 加上AlX罩之后的溫度場(chǎng)

3 分析與討論

離子源中的燈絲在通電流100 s之后，熱場(chǎng)基本穩(wěn)定，加熱功率從313 W降至260 W，燈絲前端的溫度達(dá)到最大2 255℃時(shí)，達(dá)到發(fā)射熱電子的工作溫度，此時(shí)燈絲的最大熱變形量是0.26 mm。當(dāng)燈絲溫度繼續(xù)上升到3 001℃時(shí)，變形量為0.39 mm。隨著溫度的繼續(xù)升高，燈絲的熱變形量增加。而燈絲與陰極帽之間的最小距離僅0.6 mm，燈絲變形量過(guò)大會(huì)造成燈絲與陰極帽短路，在離

圖16 改進(jìn)后AlX罩結(jié)構(gòu)及其溫度場(chǎng)

子源使用時(shí)應(yīng)避免燈絲溫度過(guò)高。

離子源中的陰極帽加熱功率為750 W時(shí)，陰極帽發(fā)射面的最高溫度為2 245℃，可以發(fā)射熱電子，但整個(gè)面的溫度分布不均勻，這主要是燈絲形狀導(dǎo)致的加熱面造成的，為提高陰極帽發(fā)射面的熱場(chǎng)均勻性，可對(duì)燈絲的形狀改進(jìn)設(shè)計(jì)。電子轟擊陰極帽區(qū)域的減少會(huì)使陰極帽的溫差加大，這不僅會(huì)影響熱電子發(fā)射造成離子源腔內(nèi)等離子體狀態(tài)不穩(wěn)定，而且可能使陰極帽的局部熔化，造成陰極帽燒穿或短路等故障。

陰極帽的溫度升高會(huì)對(duì)燈絲起到一定的保溫作用，燈絲維持源加熱功率不變會(huì)使燈絲溫度升高，影響使用壽命。實(shí)際使用中，在陰極帽溫度上升后，需要及時(shí)減小燈絲的加熱功率。

AlX罩結(jié)構(gòu)的改變比較明顯地降低了其溫度，有利于保持AlX材料的性質(zhì)穩(wěn)定，減少了AlX罩的擊穿幾率。通過(guò)熱場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，AlX罩的溫度與內(nèi)圓筒的面積呈正相關(guān)，之后的改進(jìn)設(shè)計(jì)可進(jìn)一步減少前端的內(nèi)圓筒面積。同時(shí)在離子源使用時(shí)，應(yīng)避免陰極帽的溫度過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致AlX材料的性質(zhì)改變。

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Researched on The Thermal Field of The Ion Source of The High-temperature&High-power Ion Implanter

PENG Libo，ZHANG Sai，YIi Wenjie，LUO Caiwang，SUN Xueping

(The 48thResearch Institute of CETC，Changsha 410111，China)

High-temperature&high-power ion implanter is one of the most important equipment in the SiC industry.To make a ion planter with good performance,an good ion source is the key.Aiming at long lifetime of ion source and big ion beam current coming out of the ion source,the authors have researched on the thermal field issues of the ion source of the high-temperature&high-power ion implanter.To be specific,the thermal field and the thermal deformation of the filament,cathode cap and AlX cap is researched by using simulation software.Finally,the improvement and users instruction of the high-temperature&high-power ion implanter is proposed.

SiC；Ion implant；Ion source

TN305.3

A

1004-4507(2017)03-0039-07

2017-03-27

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（14JJ2142）

彭立波：男，1972年，高級(jí)工程師，主要從事半導(dǎo)體工藝設(shè)備開(kāi)發(fā)。