經改進的離子源的製作方法
2023-06-14 04:57:51 4
專利名稱：經改進的離子源的製作方法
技術領域：
本發明一般說來是關於離子源的。更詳細地講，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於離子注入裝置。利用抽取電場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。隨後，用質量-電荷分離技術將這些離子從束流中分離出來。
這種離子源有個共同的問題由於完全控制離解過程導致了在輸出電流中想要的離子的比例總是大大小於應該出現的量。如果想要從硼的化合物的源氣體中得到單獨的帶電硼離子的話，這種現象就特別明顯，因為某些硼的化合物特別難分解。因此，想要的離子態硼的總量就要大大地小於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物質的電子碰撞產生等離子體。通常所用的電子碰撞離子源是旁邊抽取熱陰極型的。它含有單根的杆型絲陰極，該陰極位於園筒形的陽極中間，絲陰極的軸線與園筒形陽極的軸線相互平行。一個固定的、平行於這兩個軸的外加磁場也被加上去以幫助約束電離電子的運動。被電離的氣態物質通過陰極壁上的穿透孔通進去。
為了電離氣態物質，在陰極絲和陽極簡之間建立起一個電位差。該電場用來把徑向能量給予從陰極絲熱電離發射出來的電子。如果電子能夠得到足夠大的能量以產生電離碰撞，就可以形成一個等離子體。然後，在等離子體中產生的正離子就能夠通過陽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外加的負偏置電極並使其與縱向狹縫平面相一致來完成的。這個負偏置電極與陽極形成一個電場，該電場與等離子體的邊界相互作用並加速從等離子體而來的正離子。
理論表明，一個給定離子源的效率高度地取決於電離電子的濃度和溫度並因此取決於等離子體的溫度。此外，電離電子必須被做得能在等離子體內移動相對說來較長的路徑長度，從而增加與中性氣體粒子碰撞的機會。在上面描述的離子源中，這是用加熱陰極絲的電流產生的磁場和一個外加磁場的聯合效應來完成的。
理論上能夠表明，對於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。靠近陰極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具有相對於陰極絲軸線的水平方向。因此，大多數電子在到達陽極的過程中，由於受到指向徑向的漂移機理的抑制，被迫移動長的路徑長度。然而，有一個固有的輕著絲陰極正的一邊的最後的電子漂移。到達陽極軸線端點的那些電子被陽極收集起來而從等離子體中移走，這就導致離子產額低於期待值。
如上所述，當想要得到單個的帶電硼離子(B+)時，這種低的產額特別顯著。對硼來講，通用的源材料是三氟化硼(BF3)。這是一種在室溫下呈氣態的物質。不使用元素硼，因為它的蒸發溫度高。對這種源材料產生的離子束流進行分析表明存在著想要的硼離子，同時也存在著如BF+和BF2+離子。而單個的電帶硼離子所的百分比相對說來較低，典型值小於15%。
在一些現有技術的系統中，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幹擾陰極/陽極電場，以便使那些電子改變方向，回到放電中心。另一種現有技術水平的方法是在絲陰極的每一端都增加磁場。與金屬的電子反射器功能一樣，該增加的磁場的作用是把電子反射回放電中心。
在現有技術的系統基本上取及成功之時，它們並沒有使等離子體的溫度增加。而當把氣態的硼化合物用做源的供給材料時，這對大大增加硼離子的產額卻是需要的。再者，在一些現有技術的系統中，已經看到，隨著抽取器電極電流的增加，離子束電流在平行於抽取狹縫的方向上變及缺乏均勻性。
在本發明中，等離子體的溫度和在平行於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極的每一端。根據本發明的一個最佳實施方案，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。根據本發明的另一個實施方案，這種絲電極交叉聯接到絲陰極相反的一邊的電位上。而根據本發明的再一個實施方案，這種絲電極被偏置在相對於陰極、陽極或地來說是正的固定的電位上面。
正象在現有技術中眾所周知的那樣，很難斷定在等離子體出現時一些現象發生的原因。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並導致所期待的等離子體溫度的增加和在平行於狹縫的方向上離子束電流密度的增加。
本發明的其它目的和優點在下面的描述中與附圖結合起來考慮會更加清楚。在這裡
圖1是與本發明相結合的熱陰極型離子源的一個透視圖。
圖2是現有技術水平的離子源的部分剖視圖。
圖3是與本發明相結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，但是表明了本發明另一些可供選擇的實施方案。
圖7是本發明再一個實施方案的圖示。
參照圖1和圖3，這裡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源材料的等離子體離解。這種源含有一個，例如，鉬或鉭做成的中空的、圓筒形陽極12。園筒形陽極內已放入了一個沿軸向伸展出來的、被加熱的陰極絲14。源被放在一個抽空的室中(未畫出)。想要的離子材料的氣態化合物被促使經由引入管16流入陽極園筒。一個直流電壓差在陽極和陰極之間建立起來，如圖3所示，這個電壓有足夠大的幅度以通過氣體在陽極和陰極之間產生放電。這种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過出口狹縫18流出。而帶電粒子，包括正的和負的兩種帶電粒子，則充滿了陽極12內的空間20。漂移到靠近狹縫18的帶正電的粒子，利用抽取電極19從陽極抽出並用一種已知的方法加速，以提供帶電粒子束源。
根據已知的注入的粒子，想要的粒子利用已知的質量-電荷分離技術從束流中分離出來。
為了增加帶電粒子的數目，也就是說，為了增加陽極12內等離子體的密度，具有極片22的一塊磁鐵能夠用來在陽極12的內部和周圍提供一個軸向磁場23。依靠感應電子使其繞陰極旋轉而不是使它們相對說來直接地從陰極向陽極行進，這個軸向磁場有助於增加等離子體電子路徑長度，因而增加等離子體密度。象上面討論的那樣，由於沿著陰極絲14有電流流過，就出現了一個附加磁場，該磁場使電子沿著陽極的長度軸向地朝著軸的端點24漂移，在那裡電子往往被收集。根據本發明，電子在陽極端點的漂移或收集被減到最小程度。
參照圖2，這裡表示了一個現有技術的熱陰極離子源10，它含有陽極12，陰極14，氣體引入管16和抽取狹縫18。根據現有技術水平，陰極絲固定在絕緣體26內，該絕緣體納入裝置內部，安放在園筒形陽極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，現有技術的離子源可以含有反射器28，它們直接接觸鄰近陽極端點的陰極絲部分。
參照圖3，這裡給出了本發明的一個最佳實施方案。在該實施方案中，陰極絲14首先固定在絕緣體29和30內，絕緣體29和30再固定在園筒形的輔助電極31和32內，然後把這個組合體固定在園筒形絕緣體34內，園筒形絕緣體被納入裝置，安放在陽極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，陽極和陰極之間所加的弧光電壓大約是70V，陽極和抽取電極19之間的電壓約為20KV。根據該最佳實施方案，輔助電極31和32，例如，通過導線36連在一起。當這樣短路時，在體積20內等離子體的每一端建立起等同的電位。這有助於阻止等離子體內電子的軸向漂移，當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，可以相信，這些電子中的一些電子會打在電極上而使它們帶電。這些電荷使電極偏置，因而幹擾離子源中的電場，有助於漂移電子彈回到等離子體的中心部位。測量表明，當熱陰極離子源用圖3的模式運轉時，從三氟化硼而來的B+的數量可以看到有相當大的增加，增加量為20%到25%。
圖4表示本發明一個替換的實施方案。在這裡，陰極結構和基本的電源連接方式與圖3中表示的相同。然而，在這個實施方案中，輔助電極29在電路上是用導線38連接到陰極絲14相反的一端，而輔助電極30在電路上用導線39連接到陰極絲14相反的一端。理論表明，這種組合有助於平衡等離子體上跨越陰極絲的電壓降低效應，也能阻止電子的軸向漂移。
在圖5所示的實施方案中，利用電源40和導線41、42在陰極絲和輔助電極之間加了一個電壓。這有助於迫使電子朝著放電中心運動。在該實施方案中，對電極31、32和(或)絕緣體29、30及34來說，有一個超手尋常的物質濺蝕趨勢。然而，如果這些部分是由離子束流中想要的材料，如鈹、鋁或鋅製成的話，這種濺蝕趨勢倒是能夠用來在被選擇的工藝中獲得效益。
在圖6所示的實施方案中，利用電源43和導線44、45在陰極絲14的一端和輔助電極31之間加了一個大約25V的電壓。而且利用電源46和導線48、49在陰極絲14相反的一端和輔助電源32之間加了一個數值相等的電壓。
雖然本發明是用一個特定類型的離子源進行說明的，這些概念也可以用於其他的離子源。例如，圖7表示一種類型的熱陰極離子源。在這裡，陰極絲呈等離子體形狀，這個標號為110的源含有第一個陽極112，第二個陽極114，園筒狀的第三個陽極116以及等離子體槍120。在園筒形的第三個陽極上有一個抽取狹縫118。等離子體槍用來產生等離子體線122。輔助電極131和132相應於圖3到圖6中所示的實施方案中的電極31和32，它們圍繞著等離子體線，但是不接觸等離子體。當所加電壓及連線方式與圖3到圖6相同時，它們起電極31和32同樣的作用。
權利要求
1.在離子源10中含有一個殼體(12)以形成一個室；用以濺蝕殼體內陰極(14)的部件(29、30、31、32、34)用以在陰極和殼體之間建立電場的部件；用來把直流電壓跨接到陰極相對的兩端以便在那裡感生加熱電流的部件；以及用來把可電離的氣體源供應到上述室中去的部件(16)，該離子源的特徵在於在緊靠著上述陰極、鄰近它的一端有第一個電極(31)；有把上述第一個電極與上述陰極及上述殼體在電學上絕緣開來的部件(29、34)；緊靠著上述陰極、鄰近其相反的一端有第二個電極(32)；有把上述第二個電極與上述陰極及上述殼體在電學上絕緣開來的部件(30、34)；以及用來把電位加到上述第一個和第二個電極上的偏置部件(36到39)。
2.權利要求1所述的裝置，其中上述偏置部件包含部件(36)，用以使上述第一個和第二個電極保持相等的電位。
3.權利要求2所述的裝置，其中，上述偏置部件包含部件(36)，用以把上述第一個和第二個部件相互連接起來。
4.權利要求1所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(38)，用以把上述第一個電極偏置於上述陰極上鄰近上述第二個電極的部位上的電位，它還含有部件(39)，用以把上述第二個電極偏置到上述陰極上鄰近上述第一個電極的部位上的電位。
5.權利要求4所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(38)，它把上述第一個電極電連接到上述陰極上，連接點附近上述第二個電極，上述偏置部件還含有部件(39)，它把上述第二個電極電連接到上述陰極上，連接點鄰近上述第一個電極。
6.權利要求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和第二個電極之間。
7.權利要求6所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(42)，它把上述第一個電極電連接到上述第二個電極上，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及第二個電極之間。
8.權利要求1所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(43、44、45)，用以把第一個直流電壓加到上述第一個電極與上述陰極的、同上述第一個電極相反的一端之間，上述偏置部件還含有部件(46、48、49)，用以把第二個直流電壓加到上述第二個電極與上述陰極的、同第二個電極相反的一端之間。
9.權利要求8所述的裝置，其中上述第一個和第二個直流電壓幅度相等。
10.權利要求1到權利要求9所述的任何一個裝置，其中上述陰極由一根線絲組成。
11.權利要求1到權利要求9所述的任何一個裝置，其中上述陰極由一個等離子體(122)組成。
12.權利要求1到權利要求9的所述的任何一個裝置，其中它包含部件(22)，用以加上一個磁場，該磁場真實地與上述陰極平行地伸展到上述殼體的周圍和內部。
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，它包含一個普通的園筒形的陽極(12)，一個拉長的陰極(14)，該陰極軸向地放置在上述陽極內，並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極電絕緣，它還含有在陽極與陰極之間建立起放電作用的部件，該放電有足夠的強度，以便把上述氣態物質離解成等離子體，這個等離子體內含有各種各樣的粒子，其中包括大量想要的材料的離子，它還含有把一個磁場加到上述等離子體上的部件(22)，裝置(10)的特徵在於第一個電極(31)被納入圍繞著上述陰極的、上述第一個裝置內，部件(29、34)使上述第一個電極與上述陰極和上述陽極絕緣，第二個電極(32)被納入圍繞著上述陰極的上述第二個裝置內，部件(30、34)使上述第二個電極與上述陰極和上述陽極電絕緣，偏置部件(36到49)用來把電位加到上述第一個和第二個電極上。
14.權利要求13所述的裝置，其中上述偏置部件包含偏置部件(36)，用以在第一個電極和第二個電極上保持相等的電位。
15.權利要求14所述的裝置，其中上述偏置部件包含部件(36)，它把上述第一個電極和第二個電極相互連接起來。
16.權利要求13所述的裝置，其中上述偏置部件包含部件(38)，用來把上述第一個電極偏置到鄰近上述第二個電極的、上述陰極部位的電位上，它還包含部件(39)，用來把上述第二個電極偏置到鄰近上述第一個電極的、上述陰極部位的電位上。
17.權利要求16所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(38)，它把上述第一個電極電連接在上述陰極上，連接點鄰近上述第二個電極，上述偏置部件還含有部件(39)，它把上述第二個電極電連接到上述陰極上，連接點鄰近上述第一個電極。
18.權利要求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和第二個電極之間加上予定的電位。
19.權利要求18所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(42)，它把上述第一個電極電連接到上述第二個電極上，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電極和第二個電極之間加上一個直流電壓。
20.權利要求13所述的裝置，其中上述偏置部件含有部件(43、44、45)，用來把第一個直流電壓加到上述第一個電極與上述陰極的、與上述第一個電極相反的一端之間，上述偏置部件還含有部件(46、47、48)，用來把第二個直流電壓加到上述第二個電極與上述陰極的、與上述第二個電極相反的一端之間。
21.權利要求20所述的裝置，其中上述第一個直流電壓和上述第二個直流電壓在幅度上相等。
22.權利要求13到權利要求21所述的任何一個裝置，其中上述陰極是由一根絲線所組成的。
23.權利要求13到權利要求21所述的任何一個裝置，其中上述陰極是由等離子體(122)組成的。
24.權利要求13到權利要求21所述的任何一個裝置，其中上述第一個和第二個電極(31、32)是園筒形的，用來使上述第一個電極和第二個電極與上述陰極電絕緣的上述部件由第一個園筒形的絕緣體(29、30)組成，它們徑向地安放在上述第一個電極、第二個電極和上述陰極之間，用來使上述第一個電極和第二個電極與上述陽極電絕緣的上述部件由第二個園筒形絕緣體(34)組成，它軸向地安放在上述第一個電極、第二個電極和上述陽極的端壁之間。
全文摘要
一個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。附加輔助電極在陽極(12)的兩端把陰極(14)包圍起來。該電極與陰極和陽極電絕緣。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；以及把電極偏置於相對於陰極、陽極或地的固定的電位上。
文檔編號H01J37/08GK1030327SQ8810271
公開日1989年1月11日 申請日期1988年5月11日 優先權日1987年5月12日
發明者史蒂芬·埃斯克約桑波揚, 門羅·李·金, 羅伯特·艾倫穆爾 申請人:伊頓公司