專利名稱：離子源蒸發(fā)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對離子源固體樣品進(jìn)行加熱的離子源蒸發(fā)器，所述樣品提供給例如離子注入裝置的離子束照射裝置。具體地說，本發(fā)明涉及的離子源蒸發(fā)器可以防止噴嘴堵塞，所述噴嘴用于將蒸發(fā)器的蒸汽樣品送到一個(gè)弧腔中。
背景技術(shù)：
迄今為止，通常采用照射方法對表面進(jìn)行改性，并將雜質(zhì)注入到硅片中或玻璃基質(zhì)中。通過對氣體樣品或固體樣品進(jìn)行電離獲得這些離子。在常溫下，像磷，銻或鋁的金屬為固體。為了從這些固體中得到粒子，需要利用加熱方法使固體樣品蒸發(fā)，然后在蒸發(fā)狀態(tài)送到一個(gè)弧腔中。
通常，為了從固體樣品中產(chǎn)生蒸汽，所用的離子源蒸發(fā)器有一個(gè)中空樣品小室，和一個(gè)對其周圍的固體樣品進(jìn)行加熱蒸發(fā)的加熱器。
圖2示出的是傳統(tǒng)離子源蒸發(fā)器的一個(gè)例子。離子源蒸發(fā)器1包括一個(gè)蒸發(fā)器主體2，一個(gè)噴嘴10，一個(gè)噴嘴固定件20和一個(gè)加熱器30。
蒸發(fā)器主體2由例如不銹鋼的金屬構(gòu)成，該主體為底部有開口部的中空結(jié)構(gòu)。蒸發(fā)器主體2在中空結(jié)構(gòu)底側(cè)有一個(gè)樣品小室3，在中部有一個(gè)錐部4，在上部有螺紋槽5。樣品小室3通過金屬制成的噴嘴10與弧腔40相連，所述金屬例如是不銹鋼。噴嘴10的一端有一個(gè)法蘭盤11。通過噴嘴固定件20將該法蘭盤11固定到錐部4上，以便蓋住樣品小室3。圍繞噴嘴固定件20的部分外周上有螺紋21，螺紋21與螺紋槽5配合。將噴嘴10的另一端裝到弧腔40的一個(gè)未示出的氣體入口中。固體樣品31為離子類，例如磷或銻。將一個(gè)例如為熱電偶的溫度測量裝置32設(shè)置在樣品小室3的底部附近。將例如為鎧裝加熱器的加熱器30設(shè)置在蒸發(fā)器主體2的周圍，該加熱器通過未示出的電纜與電源相連。另外，在蒸發(fā)器主體2的底部設(shè)置一個(gè)凹陷部6。如果要更換固體樣品31，則需要很快將離子源蒸發(fā)器1進(jìn)行冷卻。為此，就要迫使空氣從未示出的壓縮空氣源進(jìn)入凹陷部6。
通過供電加熱器30來加熱蒸發(fā)器主體2和樣品小室3，從而使裝在樣品小室3中的固體樣品31蒸發(fā)。在樣品小室3中產(chǎn)生的蒸汽通過噴嘴10的噴嘴導(dǎo)向部分12進(jìn)入弧腔40。將溫度測量裝置32的信號(hào)傳送到一個(gè)未示出的控制器，該控制器根據(jù)信號(hào)控制加到加熱器上的電流，從而調(diào)節(jié)樣品小室3的溫度。
在上述離子源蒸發(fā)器1中，根據(jù)蒸發(fā)器主體2的加工要求形成錐部4。將噴嘴10的法蘭盤11固定到蒸發(fā)器主體2的錐部4上，法蘭盤11的外周與錐部4僅是線接觸(嚴(yán)格地說只是在幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)接觸)。因此在法蘭盤11和錐部4之間的熱阻很大，使得蒸發(fā)器主體2的熱量不能完全傳送到法蘭盤11上，弧腔40的溫度(例如600℃)通常比樣品小室3的溫度高，因而熱量從弧腔40傳送到噴嘴10。但是，弧腔40的絕大部分熱量通過與噴嘴10接觸的噴嘴固定件20傳送到蒸發(fā)器主體2，而不是傳送到噴嘴10。因此，熱量很難從蒸發(fā)器主體2，特別是從弧腔40有效地傳送到噴嘴10的法蘭盤11附近。因而，在某些離子源的運(yùn)行條件下，估算出在離子源蒸發(fā)器1的蒸汽路徑上，法蘭盤11的溫度最低。
因此，固體樣品31在樣品小室3中產(chǎn)生的蒸汽，在通向弧腔40的途中被溫度較低的法蘭盤11冷卻，重新結(jié)晶并長大(后來進(jìn)入的蒸汽進(jìn)一步結(jié)晶)，導(dǎo)致噴嘴出現(xiàn)堵塞問題。
一旦噴嘴10堵塞，就必須停止離子源的運(yùn)行，以更換離子源蒸發(fā)器1，這樣就導(dǎo)致離子注入裝置的生產(chǎn)力下降。另外，必須對具有堵塞了的噴嘴10的離子源蒸發(fā)器1進(jìn)行檢修，清洗，從而造成檢修問題。
當(dāng)離子類為銻時(shí)，這種問題就更為嚴(yán)重，銻的熔點(diǎn)約為630℃，如果樣品小室3的溫度增高到該熔點(diǎn)以上，則在樣品小室3中的銻就會(huì)完全熔化，并變成液體。如果將離子源用在這樣的情況下，即所用的離子為液態(tài)時(shí)，則液態(tài)銻就會(huì)粘到樣品小室3，噴嘴10和弧腔40上，于是造成清洗問題。因此，當(dāng)將銻用作離子類時(shí)，必須將樣品小室3的溫度設(shè)定在熔點(diǎn)或熔點(diǎn)以下。
圖3所示的草圖表示弧腔40，噴嘴10和蒸發(fā)器主體2(樣品小室3)的溫度分布。線X表示噴嘴10的溫度分布。噴嘴10在與弧腔40配合的位置處溫度最高(A)，離開弧腔40時(shí)溫度降低，法蘭盤11的溫度最低(B)。正如上面所述的那樣，這是因?yàn)閲娮?0的法蘭盤11很少受到其它部件的熱傳導(dǎo)。因此，當(dāng)將樣品小室3的溫度設(shè)定在比溫度(B)低的溫度(C)時(shí)，也就是在Y線上的溫度時(shí)，如果可以收集到足夠的蒸汽量，則樣品小室3中產(chǎn)生的蒸汽在到達(dá)弧腔40以前，不與溫度比樣品小室3的溫度(C)低的部位接觸，所以沒有重新結(jié)晶。但是，在固體樣品31為銻的情況下，如果樣品小室3的溫度低于溫度(B)，則收集不到足夠蒸汽。因此必須將樣品小室3的溫度設(shè)定在比(B)高的溫度(D)。在這種情況下，溫度為(D)(即線Z的溫度)的蒸汽與噴嘴10的溫度較低(B)的法蘭盤11接觸，使得蒸汽溫度下降，銻在法蘭盤11中重新結(jié)晶。所以，噴嘴被堵塞。當(dāng)固體樣品31為鋁(熔點(diǎn)為660℃)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種離子源蒸發(fā)器，當(dāng)銻或鋁用作固體樣品時(shí)，該離子源蒸發(fā)器可以長時(shí)間地穩(wěn)定地抽吸離子束，其中在樣品小室中的銻或鋁即使蒸發(fā)也不會(huì)在噴嘴中重新結(jié)晶而造成噴嘴堵塞。
根據(jù)本發(fā)明，提供的離子源蒸發(fā)器包括一個(gè)具有一個(gè)開口部的中空蒸發(fā)器主體；一個(gè)用于使中空蒸發(fā)器主體中的固體樣品蒸發(fā)的加熱器；一個(gè)用于將中空蒸發(fā)器主體中產(chǎn)生的蒸汽送到一個(gè)弧腔中的噴嘴；一個(gè)用于充裝固體樣品的坩堝，該坩堝設(shè)置在中空蒸發(fā)器主體的空腔中，并與噴嘴接合；以及一個(gè)用于將坩堝壓向中空蒸發(fā)器主體的壓縮單元。在離子源蒸發(fā)器中，最好將坩堝的上部旋擰到噴嘴的一端，利用壓縮單元將坩堝的底部壓向中空蒸發(fā)器主體的空腔底部。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，坩堝和噴嘴被接合在一起，這樣就可以減少從坩堝到噴嘴的熱阻。由于噴嘴的一部分的溫度，特別是噴嘴的低溫法蘭盤的溫度幾乎可以等于蒸汽溫度，因此就可以防止蒸汽在噴嘴的法蘭盤上重新結(jié)晶，也就是防止噴嘴的堵塞。


圖1是部分截面的草圖，表示本發(fā)明離子源蒸發(fā)器的一個(gè)例子；圖2是部分截面的草圖，表示現(xiàn)有技術(shù)的離子源蒸發(fā)器的一個(gè)例子；和圖3的草圖表示弧腔、噴嘴和中空蒸發(fā)器主體(樣品小室)的溫度變化。
具體實(shí)施例方式
圖1是部分截面的草圖，表示本發(fā)明離子源蒸發(fā)器的一個(gè)例子。與傳統(tǒng)例子的圖2相同或相似的部件用相同的標(biāo)號(hào)表示。下面主要描述與傳統(tǒng)例子不同的地方。
離子源蒸發(fā)器1有一個(gè)可拆卸地插入中空蒸發(fā)器主體2的空腔中的坩堝50。坩堝50里面是樣品小室3，小室中裝有固體樣品31。坩堝50的上部內(nèi)表面有螺紋槽51。噴嘴10一端的法蘭盤11的外表面上有螺紋13，該螺紋與坩堝50的螺紋槽51配合。用與傳統(tǒng)例子相同的方法將噴嘴10的另一端裝到弧腔40的一個(gè)未示出的氣體入口中。
離子源蒸發(fā)器1還包括一個(gè)用于將作為坩鍋的底部的坩堝底52壓向中空蒸發(fā)器主體2空腔底2的壓縮單元。將用作壓縮單元的噴嘴固定件20與中空蒸發(fā)器主體2的螺紋槽5配合，該固定件通過固定件頂端22壓住噴嘴10的法蘭盤11，所述頂端就是噴嘴固定件20的頂端。
在本發(fā)明中，噴嘴10的法蘭盤11上形成的螺紋13與坩堝50的螺紋槽51相互配合，并通過固定件頂端22壓向坩堝底52。這樣，噴嘴10與坩堝50處于面接觸，而不是通常的點(diǎn)接觸，從而產(chǎn)生大的接觸面積，在它們之間出現(xiàn)的熱阻相當(dāng)小。因此，坩堝50的熱量就可以平穩(wěn)地傳遞到噴嘴10的法蘭盤11上，使法蘭盤11的溫度提高。由此就可以避免在法蘭盤11上重新結(jié)晶，也就是說可以避免離子源蒸發(fā)器1的噴嘴10堵塞。
如上所述，可拆卸的坩堝50可以插到中空蒸發(fā)器主體2的空腔中。為了平滑地安插坩堝50，在坩堝50的側(cè)面與中空蒸發(fā)器主體2的空腔側(cè)面之間有一個(gè)滑槽。實(shí)際上，如果坩堝50插到中空蒸發(fā)器主體2的空腔中，則坩堝50的側(cè)面就會(huì)與中空蒸發(fā)器主體2空腔的部分側(cè)面直接接觸，但接觸面積只是整個(gè)面積的一小部分。所以，坩堝側(cè)面與中空蒸發(fā)器主體2的空腔側(cè)面之間的傳熱，主要由輻射而不是傳導(dǎo)產(chǎn)生(下面將其稱之為“由側(cè)面?zhèn)鬟f”)。反之，由于坩堝底51和中空蒸發(fā)器主體2的空腔底直接接觸，所以坩堝底和中空蒸發(fā)器主體2的空腔底之間的傳熱主要由傳導(dǎo)產(chǎn)生(下面將其稱之為“由底傳遞”)。由于傳導(dǎo)熱通常比輻射熱大，所以從中空蒸發(fā)器主體2到坩堝50的傳熱主要是由底傳遞引起的。
因此，為了有效地將熱量從中空蒸發(fā)器主體2傳送到坩堝50，就需要有一個(gè)用于將坩堝底52壓向中空蒸發(fā)器主體2的空腔底的壓縮單元。
在該壓縮單元中，圍繞噴嘴固定件20的部分外周上形成的螺紋21，與中空蒸發(fā)器主體2上形成的螺紋槽5接合，固定件頂端22迫使噴嘴10下行，由此將坩堝底51壓向中空蒸發(fā)器主體2的空腔底。結(jié)果，從中空蒸發(fā)器主體2到坩堝50的熱阻減小，這樣就使得傳熱平穩(wěn)進(jìn)行。所得到的優(yōu)點(diǎn)為(1)離子源蒸發(fā)器1的溫度可以迅速增高，在充裝新固體樣品31以后，離子源蒸發(fā)器1的溫度迅速增高，由此提高離子注入裝置的效率。(2)離子源蒸發(fā)器1的溫度可以迅速下降。因此，當(dāng)更換固體樣品31時(shí)，離子源蒸發(fā)器1的溫度可以迅速下降，由此提高離子注入裝置的效率。(3)可以提高坩堝50的溫度控制能力。由于難以直接測量坩堝50的溫度，所以在實(shí)際運(yùn)用過程中，在中空蒸發(fā)器主體2的底部安裝一個(gè)溫度測量裝置32來測量溫度。因此，可以減少溫度測量裝置32和坩堝50之間的溫差。另外，由于有預(yù)定壓力作用到坩堝51上，所以能夠?qū)囟葴y量裝置32和坩堝50之間的溫差總是保持在一定的范圍內(nèi)。
通常，由于固體樣品是直接裝到中空蒸發(fā)器主體2的空腔中的，所以在每次改變不再用于離子源蒸發(fā)器1的固體樣品31的品種時(shí)，都需要對空腔進(jìn)行清洗。但是，在本發(fā)明中，將固體樣品6裝在所述可以拆卸地插入離子源蒸發(fā)器1中的坩堝50內(nèi)。所以，在改變需充裝的固體樣品31的品種時(shí)，就制備一個(gè)新坩堝，而且只要用該新坩堝代替坩堝50即可，這樣就可以直接使用離子源蒸發(fā)器1。
此外，如果噴嘴10和坩堝50的材料是石墨，則可以得到下面的效果。
在使用離子源蒸發(fā)器1時(shí)，在室溫下將固體樣品裝在坩堝50中，并將該坩堝與噴嘴10接合。然后，將與噴嘴10接合了的坩堝50放到中空蒸發(fā)器主體2中。將中空蒸發(fā)器主體2加熱到攝氏幾百度的溫度，以便使固體樣品31蒸發(fā)。然后再將中空蒸發(fā)器主體2冷卻到室溫以下，脫開坩堝5和噴嘴10，在坩堝5中裝上新的固體樣品。但是，如果噴嘴10和坩堝50是由普通金屬，例如不銹鋼制成的，則它們的接合部位就可能會(huì)因熱而受到損傷，使它們不能再使用。另一方面，如果它們是用石墨制成的，則不會(huì)出現(xiàn)損壞，因此它們可以再用數(shù)次。另外，也可以用其它材料(例如陶瓷，耐熱金屬)代替石墨，當(dāng)噴嘴10和坩堝50處于工作溫度時(shí)，它們的化學(xué)性能是穩(wěn)定的，而且有很好的熱導(dǎo)率，制作也方便，不會(huì)因熱受到損傷。
此外，作為噴嘴固定件20的內(nèi)表面的固定件內(nèi)表面24，和噴嘴10的蒸汽導(dǎo)向部分12可以保持不接觸，換句話說，在固定件內(nèi)表面24和蒸汽導(dǎo)向部分12之間可以有一個(gè)間隙23。
弧腔40的熱量差不多全部傳送到噴嘴10的法蘭盤11，而不是通過噴嘴固定件20傳給中空蒸發(fā)器主體2。因此，法蘭盤11的溫度比通常的高，這樣就可以防止在法蘭盤11上重新結(jié)晶，或可以防止離子源蒸發(fā)器1中的噴嘴20堵塞。
在該實(shí)施例中，噴嘴固定件20用作壓縮單元，取而代之的是，可以在弧腔40和整個(gè)中空蒸發(fā)器主體2之間設(shè)置一個(gè)彈簧，以便利用彈簧力將噴嘴底11壓向中空蒸發(fā)器主體2的空腔底。
實(shí)際上，是在離子源蒸發(fā)器1處于水平位置的情況下，將該離子源蒸發(fā)器1聯(lián)結(jié)到弧腔40上的。所以，當(dāng)具有以直立狀態(tài)充裝的固體樣品31的離子源蒸發(fā)器1聯(lián)結(jié)到弧腔40上時(shí)，因?yàn)殡x子源蒸發(fā)器1側(cè)轉(zhuǎn)，所以固體樣品31會(huì)濺出噴嘴10。為了防止固體樣品31濺出，可以使法蘭盤11具有迷宮式結(jié)構(gòu)。
在該實(shí)施例中，將一個(gè)鎧裝加熱器用作加熱器30。然而，除了該鎧裝加熱器以外，本發(fā)明還可以使用燈泡加熱器或激光型加熱器。
在Bernars式離子源(弧腔40)中，將粒徑約為100-300μm的粉末銻用作可以產(chǎn)生一定蒸汽量的固體樣品31。將蒸發(fā)器溫度(溫度測量裝置32)定為520℃，電子束電流為500μA時(shí)，利用圖1所示的本發(fā)明的離子源蒸發(fā)器1提取銻束。在離子源蒸發(fā)器1中，噴嘴10和坩堝50之間的接合部分的螺紋長度為4mm，共有兩個(gè)半絲扣，固定件內(nèi)表面24和蒸汽導(dǎo)向部分12之間的間隙為2mm。連續(xù)運(yùn)行48小時(shí)沒有出現(xiàn)電子束電流減少的現(xiàn)象。48小時(shí)以后，離子源蒸發(fā)器1進(jìn)行檢查和檢修，噴嘴10中沒有任何地方發(fā)現(xiàn)銻重新結(jié)晶。
另一方面，用圖2所示的傳統(tǒng)離子源蒸發(fā)器1，在相同的條件下提取銻束。三分鐘以后電子束電流明顯降低。同時(shí)，不能測量電子束電流。在檢查和檢修離子源蒸發(fā)器1時(shí)，發(fā)現(xiàn)重新結(jié)晶的銻粘在噴嘴10的法蘭盤11附近，完全關(guān)閉了蒸汽導(dǎo)向部分12。
上面描述的本發(fā)明有以下效果。
利用本發(fā)明，將裝有固體樣品的坩堝設(shè)置在中空蒸發(fā)器主體的空腔中，噴嘴和坩堝相互接合，由此從坩堝到噴嘴的熱阻可以降低，從而使得噴嘴和坩堝可以處在基本相同的溫度。因此，噴嘴的一部分，具體地說，溫度可能比較低的噴嘴的法蘭盤可以得到基本與蒸發(fā)溫度相同的溫度，由此，就可以避免蒸汽重新結(jié)晶或避免噴嘴堵塞。
另外，設(shè)置有將坩堝底壓向中空蒸發(fā)器主體的空腔底的單元，由此，可以減少坩堝底部和中空蒸發(fā)器主體的空腔底部之間的熱阻。因此，蒸發(fā)器可以受到快速加熱或快速冷卻，并且可以改善坩堝的溫控能力。
權(quán)利要求
1.一種離子源蒸發(fā)器，包括一個(gè)具有一個(gè)開口部的中空蒸發(fā)器主體；一個(gè)使所述中空蒸發(fā)器主體中的固體樣品蒸發(fā)的加熱器；一個(gè)將所述中空蒸發(fā)器主體中產(chǎn)生的蒸汽送到一個(gè)弧腔中的噴嘴；一個(gè)充裝固體樣品的坩堝，該坩堝設(shè)置在所述中空蒸發(fā)器主體的空腔中，并與所述噴嘴接合；以及一個(gè)將所述坩堝壓向所述中空蒸發(fā)器主體的壓縮單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源蒸發(fā)器，其中將所述坩堝的上部旋擰到所述噴嘴的一端，利用所述壓縮單元將所述坩堝的底部壓向所述中空蒸發(fā)器主體的空腔底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源蒸發(fā)器，其中所述壓縮單元有一個(gè)圓筒形件，該圓筒形件有一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面，所述壓縮單元的內(nèi)表面不與所述噴嘴的外表面接觸，所述壓縮單元的外表面的一部分與所述中空蒸發(fā)器主體的上部內(nèi)表面接合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源蒸發(fā)器，其中所述坩堝由石墨制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子源蒸發(fā)器，其中所述噴嘴由石墨制成。
全文摘要
一種離子源蒸發(fā)器,包括:一個(gè)中空蒸發(fā)器主體,一個(gè)加熱器和一個(gè)噴嘴。中空蒸發(fā)器主體具有一個(gè)開口部。加熱器安裝在所述中空蒸發(fā)器主體的外側(cè),它使中空蒸發(fā)器主體中的固體樣品蒸發(fā)。噴嘴將中空蒸發(fā)器主體中產(chǎn)生的蒸汽送到一個(gè)弧腔中。該離子源蒸發(fā)器還包括一個(gè)用于充裝固體樣品的坩堝和一個(gè)壓縮單元,該坩堝設(shè)置在中空蒸發(fā)器主體的空腔中,壓縮單元用于將坩堝底壓向中空蒸發(fā)器主體的空腔底。將所述噴嘴的一端旋擰到坩堝的上部。
文檔編號(hào)H01J37/08GK1383179SQ02116198
公開日2002年12月4日 申請日期2002年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月24日
發(fā)明者宮林健次 申請人:日新電機(jī)株式會(huì)社