SiC高溫高能離子注入機的離子源熱場研究

彭立波，張 賽，易文杰，羅才旺，孫雪平

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

SiC高溫高能離子注入機的離子源熱場研究

彭立波，張 賽，易文杰，羅才旺，孫雪平

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

高溫高能離子注入機是寬禁帶半導體SiC產業的關鍵設備，離子源直接影響整機的性能指標。為保證離子源的長壽命和大束流，針對SiC高溫高能離子注入機中的離子源熱場問題，采用仿真軟件對燈絲、陰極帽和AlX罩的熱場、熱變形進行了研究，提出了離子源運用過程中的注意事項及改進設計。

碳化硅（SiC）；離子注入機；離子源

SiC（碳化硅）作為一種寬禁帶半導體材料，由于具有擊穿電場強度高、熱穩定性好、載流子飽和飄移速度高、熱導率高等特點[1]，已被用于制造各種耐高溫高頻大功率器件。SiC材料的p型摻雜一般通過注入鋁離子來實現，由于SiC密度較大，如果離子要達到較深的注入區域，需要高能注入[2]。而高能量的離子注入會在注入區域的材料表面和內部都造成損傷，為了解決離子注入的激活問題并減少因注入造成的損傷[3-5]，SiC需要在500℃的高溫條件下進行注入[6-9]。離子注入作為SiC器件制造中的關鍵技術主要體現在以下3點：（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）離子注入過程中SiC晶片要加熱至500℃。

高溫高能離子注入機是寬禁帶半導體SiC產業的關鍵設備，離子源直接影響整機的性能指標。產生足夠的鋁離子是SiC離子注入機的關鍵[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，通過電場將離子引出，然后通過分析、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。

離子源通過燈絲加熱發射熱電子，熱電子在電場作用下，轟擊陰極帽使陰極帽升溫；高溫的陰極帽發射熱電子，使離子源腔內的氣體電離，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問題，包括電磁熱、熱輻射、固體傳熱、熱變形等，采用先進的多物理場仿真軟件對離子源的熱場及熱變形進行深入研究[12,13]，有利于對離子源的正確運用和改進設計，進一步提升離子源的綜合性能。

1 建立模型

此模型共涉及3個物理場，分別是電流、固體傳熱和固體力學，以及三者之間的相互耦合。電流物理場作用在燈絲上，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物理場作用。

電流物理場由公式(1)、(2)、(3)計算：

其中：J為電流密度，Je為外電流密度，E為電場強度，D為電位移場，V為電勢。

固體傳熱物理場由公式(4)計算：

其中：ρ為材料的密度，Cp為常壓熱容，T為溫度，t為時間，u為流體的速度場，k為導熱系數，Q為熱源產生的熱量。

固體力學物理場由公式(5)計算：

三個物理場之間的關系：電磁熱源為電流，目標端為固體傳熱；溫度耦合的源項為固體傳熱，目標端為電流和固體力學。

2 計算結果

2.1 離子源中燈絲的熱場及熱變形

燈絲依靠通過的電流進行加熱，產生的熱量由焦耳定律得到。其結構如圖1所示，其中藍色的區域是燈絲的兩個端面，與電極連接，加2.5 V電壓。燈絲的材料為純鎢，材料電導率使用溫度（T）的線性電導率公式為：

其中：參考電阻率ρ0為5.5E-8 Ω·m，電阻溫度系數α為0.00482，參考溫度Tref為20℃，T為材料的溫度。溫度場與電場加熱通過溫度線性電導率公式（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℃，達到發射熱電子的工作溫度，燈絲的發熱功率為313 W降至260 W，燈絲功率隨時間的關系如圖3所示，可以發現熱場在100 s時基本穩定。燈絲施加電壓的兩個端面與夾具連接，在模型中的這兩個端面處施加固定約束，此時燈絲的熱變形量如圖4所示，最大變形量是0.26 mm。

鎢的熔點為3 410℃，燈絲在工作時有時會出現熔斷的現象，說明燈絲溫度有可能達到3 000℃以上。當燈絲溫度繼續上升到3 001℃時，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，燈絲溫度繼續升高，產生的熱變形量更大，安裝過程中稍微偏離，燈絲與陰極帽就會短路，造成離子源故障。

圖2 燈絲的溫度分布圖

圖3 燈絲功率隨時間的關系

圖4 燈絲的熱變形量

2.2 離子源中陰極帽的熱場及熱變形

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

圖5 燈絲的溫度和變形量

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

圖6 燈絲與陰極帽的相對位置

圖7 燈絲的熱電子發射面

圖8 陰極帽

圖9 加熱區域

當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，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，造成熱電子發射能力出現波動，最終影響離子源內的等離子狀態的穩定。陰極帽加熱區域的溫度為3 505℃，已經超過材料的熔點，持續一段時間會造成離子源短路和陰極帽燒穿等故障。

當陰極帽加熱至發射電子溫度后，燈絲維持原電壓2.5 V不變時，功率為233 W，燈絲溫度達2 562℃，遠超正常工作溫度，有熔斷的危險。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射。

此時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罩的熱場及熱變形

AlX罩的主結構為一個圓筒，圓筒的內面套在陰極帽上，AlX罩與陰極帽的相對位置如圖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圓筒面，此位置與陰極帽最近，而AlX罩的外圓筒面溫度也達到1 500℃以上（如圖15所示）。

改進后的AlX罩結構如圖16a所示，在圓筒內面開了一個槽。此時AlX罩的溫度場如圖16b所示，最高溫度1 522℃，且只出現在局部位置。大部分區域的溫度在1 500℃以下，外圓筒面溫度不超過1 480℃。同時對AlX罩的熱變形進行了仿真計算，熱變形的最大值是0.24 mm。

圖10 陰極帽的溫度場

圖11 功率750 W加在1 mm2面積上時陰極帽的溫場

圖12 燈絲功率降低之后的溫場

圖13 燈絲功率降低后的變形量

圖14 AlX罩的結構及AlX罩與陰極帽的相對位置

圖15 加上AlX罩之后的溫度場

3 分析與討論

離子源中的燈絲在通電流100 s之后，熱場基本穩定，加熱功率從313 W降至260 W，燈絲前端的溫度達到最大2 255℃時，達到發射熱電子的工作溫度，此時燈絲的最大熱變形量是0.26 mm。當燈絲溫度繼續上升到3 001℃時，變形量為0.39 mm。隨著溫度的繼續升高，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，燈絲變形量過大會造成燈絲與陰極帽短路，在離

圖16 改進后AlX罩結構及其溫度場

子源使用時應避免燈絲溫度過高。

離子源中的陰極帽加熱功率為750 W時，陰極帽發射面的最高溫度為2 245℃，可以發射熱電子，但整個面的溫度分布不均勻，這主要是燈絲形狀導致的加熱面造成的，為提高陰極帽發射面的熱場均勻性，可對燈絲的形狀改進設計。電子轟擊陰極帽區域的減少會使陰極帽的溫差加大，這不僅會影響熱電子發射造成離子源腔內等離子體狀態不穩定，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對燈絲起到一定的保溫作用，燈絲維持源加熱功率不變會使燈絲溫度升高，影響使用壽命。實際使用中，在陰極帽溫度上升后，需要及時減小燈絲的加熱功率。

AlX罩結構的改變比較明顯地降低了其溫度，有利于保持AlX材料的性質穩定，減少了AlX罩的擊穿幾率。通過熱場分析發現，AlX罩的溫度與內圓筒的面積呈正相關，之后的改進設計可進一步減少前端的內圓筒面積。同時在離子源使用時，應避免陰極帽的溫度過高，進而導致AlX材料的性質改變。

[1] MATSUNAMI H，KIMOTO T.Step-controlled epitaxial growth of SiC：high quality homoepitaxy[J].Materials Science and Engineering：R，1997，20(3)：125-166．

[2] TAKASHI T，AKIMASA K，NORIYUKI I，et al.Experimental demonstration of 1200 V SiC-SBDs with lower forward voltage drop at high temperature[J].Materials Science Forum，2012，(717/720)：917-920．

[3] PETRIK P，SHAABAAN ER，LOHNER T，et al.Ion implantation-caused damage in SiC measured by spectroscopic ellipsometry[J].Thin Solid Films，2004，(455/ 456)：239-243．

[4] CHRISTEL L A，GIBBONS J F，Stoichiometric disturbances in ion implanted compound semiconductors[J]. Journal of Applied Physics，1981，(52)：5050-5055．

[5] HALLEN A，HENRY A，PELLEGRINO P，et al.Ion implantation induced defects in epitaxial 4H-SiC[J].Materials Science and Engineering，1999，(61/62)：378-381.

[6] GHEZZO M，BROWN D M，DOWNEY E，et al.Nitrogen-implanted SiC diodes using high-temperature implantation[J].IEEE Electron Device Letters，1992，(13)：636-641．

[7] ZHANG Y，WEBE J，JIANG W，et al.Effects of implantation temperature on damage accumulation in Al-implantated 4H-SiC[J].Journal of Applied Physics，2004，(95)：4012-4018．

[8] SAKS N S，SUVOROV A V，CAPELL D C.High tempera-ture high-dose implantation of aluminum in 4HSiC [J].Applied Physics Letters.2004，(84)：5195-5197．

[9] BOHN H G，WILLIAMS J M，MCHARGUE C J，et al. Recrystallization of ion-implanted α-SiC[J].Journal of Materials Research，1987，(2)：107-116．

[10]北京市輻射中心.離子注入機原理與技術[M].北京：北京出版社，1982.

[11]郭建輝，唐景庭，彭立波，等.大角度離子注入機質量分析器設計[C].長沙：第十三屆全國三束學術年會，2005.

[12]曾攀.有限元分析與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[13]張賽.離子注入機質量分析器線包溫度場研究[J].電子工業專用設備，2014，(6)：12-15.

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

湖南省自然科學基金資助項目（14JJ2142）

彭立波：男，1972年，高級工程師，主要從事半導體工藝設備開發。