專利名稱：經(jīng)改進(jìn)的離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般說來是關(guān)于離子源的。更詳細(xì)地講，它指的是這樣一種類型的離子源在這種離子源中，想要的離子材料的化合物在等離子體放電過程中被離解以用于離子注入裝置。利用抽取電場(chǎng)把離子從源中抽取出來，提供帶電粒子束流。束流中含有想要的離子。隨后，用質(zhì)量-電荷分離技術(shù)將這些離子從束流中分離出來。
這種離子源有個(gè)共同的問題由于完全控制離解過程導(dǎo)致了在輸出電流中想要的離子的比例總是大大小于應(yīng)該出現(xiàn)的量。如果想要從硼的化合物的源氣體中得到單獨(dú)的帶電硼離子的話，這種現(xiàn)象就特別明顯，因?yàn)槟承┡鸬幕衔锾貏e難分解。因此，想要的離子態(tài)硼的總量就要大大地小于氣體中存在的硼的總量了。
等離子體離解離子源依賴不帶電的氣態(tài)物質(zhì)的電子碰撞產(chǎn)生等離子體。通常所用的電子碰撞離子源是旁邊抽取熱陰極型的。它含有單根的桿型絲陰極，該陰極位于園筒形的陽(yáng)極中間，絲陰極的軸線與園筒形陽(yáng)極的軸線相互平行。一個(gè)固定的、平行于這兩個(gè)軸的外加磁場(chǎng)也被加上去以幫助約束電離電子的運(yùn)動(dòng)。被電離的氣態(tài)物質(zhì)通過陰極壁上的穿透孔通進(jìn)去。
為了電離氣態(tài)物質(zhì)，在陰極絲和陽(yáng)極簡(jiǎn)之間建立起一個(gè)電位差。該電場(chǎng)用來把徑向能量給予從陰極絲熱電離發(fā)射出來的電子。如果電子能夠得到足夠大的能量以產(chǎn)生電離碰撞，就可以形成一個(gè)等離子體。然后，在等離子體中產(chǎn)生的正離子就能夠通過陽(yáng)極壁上的縱向狹縫被抽取出來。
正離子的抽取是通過給等離子體放上一個(gè)外加的負(fù)偏置電極并使其與縱向狹縫平面相一致來完成的。這個(gè)負(fù)偏置電極與陽(yáng)極形成一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)與等離子體的邊界相互作用并加速?gòu)牡入x子體而來的正離子。
理論表明，一個(gè)給定離子源的效率高度地取決于電離電子的濃度和溫度并因此取決于等離子體的溫度。此外，電離電子必須被做得能在等離子體內(nèi)移動(dòng)相對(duì)說來較長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度，從而增加與中性氣體粒子碰撞的機(jī)會(huì)。在上面描述的離子源中，這是用加熱陰極絲的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和一個(gè)外加磁場(chǎng)的聯(lián)合效應(yīng)來完成的。
理論上能夠表明，對(duì)于足夠大的陰極絲電流來說，帶電粒子在距絲陰極不同的徑向距離上將具有不同的徑向漂移速度?？拷帢O絲的帶電粒子將具有最原的指向絲陰極正的一邊的漂移速度，而且在增加徑向距離時(shí)具有相對(duì)于陰極絲軸線的水平方向。因此，大多數(shù)電子在到達(dá)陽(yáng)極的過程中，由于受到指向徑向的漂移機(jī)理的抑制，被迫移動(dòng)長(zhǎng)的路徑長(zhǎng)度。然而，有一個(gè)固有的輕著絲陰極正的一邊的最后的電子漂移。到達(dá)陽(yáng)極軸線端點(diǎn)的那些電子被陽(yáng)極收集起來而從等離子體中移走，這就導(dǎo)致離子產(chǎn)額低于期待值。
如上所述，當(dāng)想要得到單個(gè)的帶電硼離子(B+)時(shí)，這種低的產(chǎn)額特別顯著。對(duì)硼來講，通用的源材料是三氟化硼(BF3)。這是一種在室溫下呈氣態(tài)的物質(zhì)。不使用元素硼，因?yàn)樗恼舭l(fā)溫度高。對(duì)這種源材料產(chǎn)生的離子束流進(jìn)行分析表明存在著想要的硼離子，同時(shí)也存在著如BF+和BF2+離子。而單個(gè)的電帶硼離子所的百分比相對(duì)說來較低，典型值小于15%。
在一些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，利用把金屬的電子反射器放在絲陰極每一端的方法，使這種電子漏出得以減小。這些金屬的反射器用來干擾陰極/陽(yáng)極電場(chǎng)，以便使那些電子改變方向，回到放電中心。另一種現(xiàn)有技術(shù)水平的方法是在絲陰極的每一端都增加磁場(chǎng)。與金屬的電子反射器功能一樣，該增加的磁場(chǎng)的作用是把電子反射回放電中心。
在現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)基本上取及成功之時(shí)，它們并沒有使等離子體的溫度增加。而當(dāng)把氣態(tài)的硼化合物用做源的供給材料時(shí)，這對(duì)大大增加硼離子的產(chǎn)額卻是需要的。再者，在一些現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，已經(jīng)看到，隨著抽取器電極電流的增加，離子束電流在平行于抽取狹縫的方向上變及缺乏均勻性。
在本發(fā)明中，等離子體的溫度和在平行于狹縫的方向上離子束電流密度的均勻性都增加了。方法是把與絲陰極電絕緣的電極放在園筒狀陽(yáng)極的每一端。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施方案，這種輔助的絲電極短路連接在一起，以便在等離子體的每一端建立起等同的電位。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，這種絲電極交叉聯(lián)接到絲陰極相反的一邊的電位上。而根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案，這種絲電極被偏置在相對(duì)于陰極、陽(yáng)極或地來說是正的固定的電位上面。
正象在現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的那樣，很難斷定在等離子體出現(xiàn)時(shí)一些現(xiàn)象發(fā)生的原因。然而可以假定，輔助的絲電極有效地阻止了電子的軸向漂移。它增加了放電的均勻性并導(dǎo)致所期待的等離子體溫度的增加和在平行于狹縫的方向上離子束電流密度的增加。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)在下面的描述中與附圖結(jié)合起來考慮會(huì)更加清楚。在這里

圖1是與本發(fā)明相結(jié)合的熱陰極型離子源的一個(gè)透視圖。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)水平的離子源的部分剖視圖。
圖3是與本發(fā)明相結(jié)合的離子源的部分剖視圖。
圖4、5、6是與圖3類似的剖視圖，但是表明了本發(fā)明另一些可供選擇的實(shí)施方案。
圖7是本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施方案的圖示。
參照?qǐng)D1和圖3，這里圖解式地闡明了眾所周知的一種類型的離子源10。該離子源靠的是氣態(tài)源材料的等離子體離解。這種源含有一個(gè)，例如，鉬或鉭做成的中空的、圓筒形陽(yáng)極12。園筒形陽(yáng)極內(nèi)已放入了一個(gè)沿軸向伸展出來的、被加熱的陰極絲14。源被放在一個(gè)抽空的室中(未畫出)。想要的離子材料的氣態(tài)化合物被促使經(jīng)由引入管16流入陽(yáng)極園筒。一個(gè)直流電壓差在陽(yáng)極和陰極之間建立起來，如圖3所示，這個(gè)電壓有足夠大的幅度以通過氣體在陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生放電。這種放電使氣體離解成各種各樣的中性和帶電粒子。中性粒子作為氣流的一部分經(jīng)過出口狹縫18流出。而帶電粒子，包括正的和負(fù)的兩種帶電粒子，則充滿了陽(yáng)極12內(nèi)的空間20。漂移到靠近狹縫18的帶正電的粒子，利用抽取電極19從陽(yáng)極抽出并用一種已知的方法加速，以提供帶電粒子束源。
根據(jù)已知的注入的粒子，想要的粒子利用已知的質(zhì)量-電荷分離技術(shù)從束流中分離出來。
為了增加帶電粒子的數(shù)目，也就是說，為了增加陽(yáng)極12內(nèi)等離子體的密度，具有極片22的一塊磁鐵能夠用來在陽(yáng)極12的內(nèi)部和周圍提供一個(gè)軸向磁場(chǎng)23。依靠感應(yīng)電子使其繞陰極旋轉(zhuǎn)而不是使它們相對(duì)說來直接地從陰極向陽(yáng)極行進(jìn)，這個(gè)軸向磁場(chǎng)有助于增加等離子體電子路徑長(zhǎng)度，因而增加等離子體密度。象上面討論的那樣，由于沿著陰極絲14有電流流過，就出現(xiàn)了一個(gè)附加磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)使電子沿著陽(yáng)極的長(zhǎng)度軸向地朝著軸的端點(diǎn)24漂移，在那里電子往往被收集。根據(jù)本發(fā)明，電子在陽(yáng)極端點(diǎn)的漂移或收集被減到最小程度。
參照?qǐng)D2，這里表示了一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的熱陰極離子源10，它含有陽(yáng)極12，陰極14，氣體引入管16和抽取狹縫18。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平，陰極絲固定在絕緣體26內(nèi)，該絕緣體納入裝置內(nèi)部，安放在園筒形陽(yáng)極12的兩端。象上面討論的那樣，電子的漂移用箭頭E表示。如圖2中表示的那樣，現(xiàn)有技術(shù)的離子源可以含有反射器28，它們直接接觸鄰近陽(yáng)極端點(diǎn)的陰極絲部分。
參照?qǐng)D3，這里給出了本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施方案。在該實(shí)施方案中，陰極絲14首先固定在絕緣體29和30內(nèi)，絕緣體29和30再固定在園筒形的輔助電極31和32內(nèi)，然后把這個(gè)組合體固定在園筒形絕緣體34內(nèi)，園筒形絕緣體被納入裝置，安放在陽(yáng)極12的兩端。
象圖3給出的那樣，源10用眾所周知的辦法加電，例如陰極絲所加的電壓約為4.5V，陽(yáng)極和陰極之間所加的弧光電壓大約是70V，陽(yáng)極和抽取電極19之間的電壓約為20KV。根據(jù)該最佳實(shí)施方案，輔助電極31和32，例如，通過導(dǎo)線36連在一起。當(dāng)這樣短路時(shí)，在體積20內(nèi)等離子體的每一端建立起等同的電位。這有助于阻止等離子體內(nèi)電子的軸向漂移，當(dāng)電子軸向地朝著電極31和32漂移出等離子體的中心部位時(shí)，可以相信，這些電子中的一些電子會(huì)打在電極上而使它們帶電。這些電荷使電極偏置，因而干擾離子源中的電場(chǎng)，有助于漂移電子彈回到等離子體的中心部位。測(cè)量表明，當(dāng)熱陰極離子源用圖3的模式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，從三氟化硼而來的B+的數(shù)量可以看到有相當(dāng)大的增加，增加量為20%到25%。
圖4表示本發(fā)明一個(gè)替換的實(shí)施方案。在這里，陰極結(jié)構(gòu)和基本的電源連接方式與圖3中表示的相同。然而，在這個(gè)實(shí)施方案中，輔助電極29在電路上是用導(dǎo)線38連接到陰極絲14相反的一端，而輔助電極30在電路上用導(dǎo)線39連接到陰極絲14相反的一端。理論表明，這種組合有助于平衡等離子體上跨越陰極絲的電壓降低效應(yīng)，也能阻止電子的軸向漂移。
在圖5所示的實(shí)施方案中，利用電源40和導(dǎo)線41、42在陰極絲和輔助電極之間加了一個(gè)電壓。這有助于迫使電子朝著放電中心運(yùn)動(dòng)。在該實(shí)施方案中，對(duì)電極31、32和(或)絕緣體29、30及34來說，有一個(gè)超手尋常的物質(zhì)濺蝕趨勢(shì)。然而，如果這些部分是由離子束流中想要的材料，如鈹、鋁或鋅制成的話，這種濺蝕趨勢(shì)倒是能夠用來在被選擇的工藝中獲得效益。
在圖6所示的實(shí)施方案中，利用電源43和導(dǎo)線44、45在陰極絲14的一端和輔助電極31之間加了一個(gè)大約25V的電壓。而且利用電源46和導(dǎo)線48、49在陰極絲14相反的一端和輔助電源32之間加了一個(gè)數(shù)值相等的電壓。
雖然本發(fā)明是用一個(gè)特定類型的離子源進(jìn)行說明的，這些概念也可以用于其他的離子源。例如，圖7表示一種類型的熱陰極離子源。在這里，陰極絲呈等離子體形狀，這個(gè)標(biāo)號(hào)為110的源含有第一個(gè)陽(yáng)極112，第二個(gè)陽(yáng)極114，園筒狀的第三個(gè)陽(yáng)極116以及等離子體槍120。在園筒形的第三個(gè)陽(yáng)極上有一個(gè)抽取狹縫118。等離子體槍用來產(chǎn)生等離子體線122。輔助電極131和132相應(yīng)于圖3到圖6中所示的實(shí)施方案中的電極31和32，它們圍繞著等離子體線，但是不接觸等離子體。當(dāng)所加電壓及連線方式與圖3到圖6相同時(shí)，它們起電極31和32同樣的作用。
權(quán)利要求
1.在離子源10中含有一個(gè)殼體(12)以形成一個(gè)室；用以濺蝕殼體內(nèi)陰極(14)的部件(29、30、31、32、34)用以在陰極和殼體之間建立電場(chǎng)的部件；用來把直流電壓跨接到陰極相對(duì)的兩端以便在那里感生加熱電流的部件；以及用來把可電離的氣體源供應(yīng)到上述室中去的部件(16)，該離子源的特征在于在緊靠著上述陰極、鄰近它的一端有第一個(gè)電極(31)；有把上述第一個(gè)電極與上述陰極及上述殼體在電學(xué)上絕緣開來的部件(29、34)；緊靠著上述陰極、鄰近其相反的一端有第二個(gè)電極(32)；有把上述第二個(gè)電極與上述陰極及上述殼體在電學(xué)上絕緣開來的部件(30、34)；以及用來把電位加到上述第一個(gè)和第二個(gè)電極上的偏置部件(36到39)。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其中上述偏置部件包含部件(36)，用以使上述第一個(gè)和第二個(gè)電極保持相等的電位。
3.權(quán)利要求2所述的裝置，其中，上述偏置部件包含部件(36)，用以把上述第一個(gè)和第二個(gè)部件相互連接起來。
4.權(quán)利要求1所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(38)，用以把上述第一個(gè)電極偏置于上述陰極上鄰近上述第二個(gè)電極的部位上的電位，它還含有部件(39)，用以把上述第二個(gè)電極偏置到上述陰極上鄰近上述第一個(gè)電極的部位上的電位。
5.權(quán)利要求4所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(38)，它把上述第一個(gè)電極電連接到上述陰極上，連接點(diǎn)附近上述第二個(gè)電極，上述偏置部件還含有部件(39)，它把上述第二個(gè)電極電連接到上述陰極上，連接點(diǎn)鄰近上述第一個(gè)電極。
6.權(quán)利要求1所述的裝置，其中上述偏置部件包含部件(40、41、42)用以把予定的電位加到上述陰極與上述第一個(gè)和第二個(gè)電極之間。
7.權(quán)利要求6所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(42)，它把上述第一個(gè)電極電連接到上述第二個(gè)電極上，上述偏置部件還含有部件(40、41)，用以把直流電壓加到上述陰極與上述第一個(gè)及第二個(gè)電極之間。
8.權(quán)利要求1所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(43、44、45)，用以把第一個(gè)直流電壓加到上述第一個(gè)電極與上述陰極的、同上述第一個(gè)電極相反的一端之間，上述偏置部件還含有部件(46、48、49)，用以把第二個(gè)直流電壓加到上述第二個(gè)電極與上述陰極的、同第二個(gè)電極相反的一端之間。
9.權(quán)利要求8所述的裝置，其中上述第一個(gè)和第二個(gè)直流電壓幅度相等。
10.權(quán)利要求1到權(quán)利要求9所述的任何一個(gè)裝置，其中上述陰極由一根線絲組成。
11.權(quán)利要求1到權(quán)利要求9所述的任何一個(gè)裝置，其中上述陰極由一個(gè)等離子體(122)組成。
12.權(quán)利要求1到權(quán)利要求9的所述的任何一個(gè)裝置，其中它包含部件(22)，用以加上一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)真實(shí)地與上述陰極平行地伸展到上述殼體的周圍和內(nèi)部。
13.在裝置(10)中，為了形成含有大量想要的材料的離子的粒子束流，它包含一個(gè)普通的園筒形的陽(yáng)極(12)，一個(gè)拉長(zhǎng)的陰極(14)，該陰極軸向地放置在上述陽(yáng)極內(nèi)，并穿過在上述陰極的第一端壁和第二端壁上形成的裝置而延伸出來，該裝置還包含部件(29、30、31、32、34)，它們使上述陰極與上述陽(yáng)極電絕緣，它還含有在陽(yáng)極與陰極之間建立起放電作用的部件，該放電有足夠的強(qiáng)度，以便把上述氣態(tài)物質(zhì)離解成等離子體，這個(gè)等離子體內(nèi)含有各種各樣的粒子，其中包括大量想要的材料的離子，它還含有把一個(gè)磁場(chǎng)加到上述等離子體上的部件(22)，裝置(10)的特征在于第一個(gè)電極(31)被納入圍繞著上述陰極的、上述第一個(gè)裝置內(nèi)，部件(29、34)使上述第一個(gè)電極與上述陰極和上述陽(yáng)極絕緣，第二個(gè)電極(32)被納入圍繞著上述陰極的上述第二個(gè)裝置內(nèi)，部件(30、34)使上述第二個(gè)電極與上述陰極和上述陽(yáng)極電絕緣，偏置部件(36到49)用來把電位加到上述第一個(gè)和第二個(gè)電極上。
14.權(quán)利要求13所述的裝置，其中上述偏置部件包含偏置部件(36)，用以在第一個(gè)電極和第二個(gè)電極上保持相等的電位。
15.權(quán)利要求14所述的裝置，其中上述偏置部件包含部件(36)，它把上述第一個(gè)電極和第二個(gè)電極相互連接起來。
16.權(quán)利要求13所述的裝置，其中上述偏置部件包含部件(38)，用來把上述第一個(gè)電極偏置到鄰近上述第二個(gè)電極的、上述陰極部位的電位上，它還包含部件(39)，用來把上述第二個(gè)電極偏置到鄰近上述第一個(gè)電極的、上述陰極部位的電位上。
17.權(quán)利要求16所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(38)，它把上述第一個(gè)電極電連接在上述陰極上，連接點(diǎn)鄰近上述第二個(gè)電極，上述偏置部件還含有部件(39)，它把上述第二個(gè)電極電連接到上述陰極上，連接點(diǎn)鄰近上述第一個(gè)電極。
18.權(quán)利要求13所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(40、41、42)，用來在上述陰極與上述第一個(gè)和第二個(gè)電極之間加上予定的電位。
19.權(quán)利要求18所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(42)，它把上述第一個(gè)電極電連接到上述第二個(gè)電極上，上述偏置部件還含有部件(40、41)，用來在上述陰極與上述第一個(gè)電極和第二個(gè)電極之間加上一個(gè)直流電壓。
20.權(quán)利要求13所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(43、44、45)，用來把第一個(gè)直流電壓加到上述第一個(gè)電極與上述陰極的、與上述第一個(gè)電極相反的一端之間，上述偏置部件還含有部件(46、47、48)，用來把第二個(gè)直流電壓加到上述第二個(gè)電極與上述陰極的、與上述第二個(gè)電極相反的一端之間。
21.權(quán)利要求20所述的裝置，其中上述第一個(gè)直流電壓和上述第二個(gè)直流電壓在幅度上相等。
22.權(quán)利要求13到權(quán)利要求21所述的任何一個(gè)裝置，其中上述陰極是由一根絲線所組成的。
23.權(quán)利要求13到權(quán)利要求21所述的任何一個(gè)裝置，其中上述陰極是由等離子體(122)組成的。
24.權(quán)利要求13到權(quán)利要求21所述的任何一個(gè)裝置，其中上述第一個(gè)和第二個(gè)電極(31、32)是園筒形的，用來使上述第一個(gè)電極和第二個(gè)電極與上述陰極電絕緣的上述部件由第一個(gè)園筒形的絕緣體(29、30)組成，它們徑向地安放在上述第一個(gè)電極、第二個(gè)電極和上述陰極之間，用來使上述第一個(gè)電極和第二個(gè)電極與上述陽(yáng)極電絕緣的上述部件由第二個(gè)園筒形絕緣體(34)組成，它軸向地安放在上述第一個(gè)電極、第二個(gè)電極和上述陽(yáng)極的端壁之間。
全文摘要
一個(gè)旁邊抽取熱陰極型離子源(10)，在該離子源中，電子因有的、朝著陰極正的一邊的漂移依靠附加輔助電極(31、32)而被減到最小。附加輔助電極在陽(yáng)極(12)的兩端把陰極(14)包圍起來。該電極與陰極和陽(yáng)極電絕緣。提供了各種各樣的部件以便把電位加到電極上，其中包括把電極相互連接起來；把電極交叉連接到陰極相反的兩端；以及把電極偏置于相對(duì)于陰極、陽(yáng)極或地的固定的電位上。
文檔編號(hào)H01J37/08GK1030327SQ8810271
公開日1989年1月11日 申請(qǐng)日期1988年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1987年5月12日
發(fā)明者斯蒂芬·埃斯克約桑波揚(yáng), 門羅·李·金, 羅伯特·艾倫穆爾 申請(qǐng)人:伊頓公司