專利名稱：用于離子源的旁熱式陰極的端帽的制作方法
本申請(qǐng)是1996年10月30日提出申請(qǐng)的、題為“用于帶有旁熱式陰極的離子源的陰極固定”的US專利申請(qǐng)系列NO.08/740,478的連續(xù)部分。
本發(fā)明涉及具有能發(fā)射離子以形成用于工件的離子束處理的離子束的離子發(fā)生源的離子注入機(jī)，更確切地說，涉及用于離子源發(fā)生的旁熱式陰極的端帽(endcap)。
離子注入機(jī)是通過用離子束轟擊晶片來處理硅晶片的。該離子束用受控濃度的雜質(zhì)來摻雜晶片，以生產(chǎn)隨后用于制造集成電路的半導(dǎo)體晶片。在這樣的注入機(jī)中，一個(gè)重要的因素是生產(chǎn)量或在給定時(shí)間內(nèi)能處理的晶片數(shù)量。
大電流離子注入機(jī)包括一個(gè)用于移動(dòng)多個(gè)硅晶片通過離子束的轉(zhuǎn)盤支架。當(dāng)支架旋轉(zhuǎn)晶片通過離子束時(shí)，離子束撞擊晶片表面。
介質(zhì)流注入機(jī)一次處理一個(gè)晶片。晶片被支撐在一盒子里，并且一次取出一個(gè)放在臺(tái)板上。然后，晶片向著注入方向定位，以使離子束能撞擊該單個(gè)晶片。這些介質(zhì)流注入機(jī)使用束形電子設(shè)備使較窄的離子束偏離其初始軌跡，用于選擇性地?fù)诫s或處理整個(gè)晶片表面。
用在已有注入機(jī)中，用于發(fā)射離子束的離子源一般包括隨使用而趨于變差的旁熱式燈絲陰極(heated filament cathode)。使用較短時(shí)間后，該燈絲陰極就必須更換，以使再次產(chǎn)生足夠效率的離子。延長燈絲陰極的替換間隔時(shí)間，就能增加注入晶片的次數(shù)，從而也就提高了注入機(jī)的效率。
授予Sferlazzo等人的U.S專利No.5,497,006(這以后稱為“006專利”)，涉及具有由一基板支撐的、并對(duì)著氣封或放電室設(shè)置的、用于把致電離電子(ionizing electrons)射入氣封室中的陰極的離子源。該“006專利”的陰極是一管形導(dǎo)電體和部分伸入氣封室中的端帽。燈絲支撐在管形導(dǎo)電體里面并發(fā)射電子，通過電子轟擊加熱端帽，從而熱電子發(fā)射產(chǎn)生致電離電子進(jìn)入氣封室中。
本發(fā)明涉及使用新的和改進(jìn)的離子發(fā)生源的離子注入機(jī)。本發(fā)明的離子發(fā)生源使用了一個(gè)能屏蔽陰極燈絲免受等離子束轟擊的陰極。該陰極與現(xiàn)有技術(shù)中的離子注入機(jī)相比，具有增加了的使用壽命。本發(fā)明的陰極，與浸沒式陰極燈絲相比，加強(qiáng)了防止等離子體的濺射。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的離子源包括一氣封或放電室，其室壁限定了一個(gè)氣體電離區(qū)，還包括一個(gè)允許離子射出氣封室的出口。一氣體輸送系統(tǒng)把可電離氣體輸送到該氣封室中。一基板在對(duì)著用于在離子射出氣封室時(shí)形成離子束的裝置的位置支撐著氣封室。
陰極對(duì)著所述氣封室的電離區(qū)配置，用于發(fā)射致電離電子進(jìn)入氣封室的電離區(qū)。一絕緣體固定在氣封室上，用于支撐該陰極并實(shí)現(xiàn)氣封室與陰極的電絕緣。該陰極包括一個(gè)導(dǎo)電陰極體，該陰極體限定一內(nèi)部區(qū)，并具有一延伸進(jìn)所述氣封室內(nèi)部的外表面。一燈絲由絕緣體在所述陰極的導(dǎo)電體內(nèi)部區(qū)中的一個(gè)位置支撐著，用于加熱導(dǎo)電陰極體的端帽，以從該端帽發(fā)射致電離電子進(jìn)入所述氣封室中。
該絕緣體既要對(duì)準(zhǔn)對(duì)著氣封室的陰極，又能使燈絲與陰極體電絕緣。較好的絕緣體是由氧化鋁構(gòu)成的陶瓷塊。這個(gè)陶瓷塊包括一個(gè)限定凹槽的絕緣體本體，這些凹槽從該絕緣體本體的裸露表面向內(nèi)延伸，用以在離子源工作過程中，阻止該裸露表面被離子源發(fā)射的材料涂覆。這個(gè)絕緣體的設(shè)計(jì)已減少了由于在該絕緣體上沉積導(dǎo)電材料而引起的離子源出現(xiàn)故障。
該陰極體包括一內(nèi)管件或內(nèi)管、一外管件或外管和一端帽。該陰極體的末端部分通過一個(gè)開口延伸到該氣封室中。該陰極體由一個(gè)依次固定在絕緣體上的金屬固定塊支撐。最好是由鉬合金制成的內(nèi)管件，在該旁熱式陰極端帽和金屬固定塊之間起熱阻斷的作用。內(nèi)管件包括在其外表面上的螺紋部分，該部分旋入金屬固定塊中。內(nèi)管件的末端內(nèi)表面被擴(kuò)孔，確定一容納端帽的擴(kuò)孔區(qū)，并包括一錐形徑向生刺或向內(nèi)延伸的隆起。最好也是由鉬合金構(gòu)成的外管件，起保護(hù)內(nèi)管件不受氣封室中的激發(fā)等離子體的作用。外管件包括在其內(nèi)表面上的螺紋部分，該部分與內(nèi)管件嚙合以把該外管件固定在應(yīng)有位置上。
端帽是圓柱形的并包括由主體部分隔開的第一端和第二端。該主體部分包括一個(gè)從主體部分的中部向外延伸的徑向凸緣。端帽最好是由鍛壓鎢構(gòu)成的。該端帽與內(nèi)管外的擴(kuò)孔末端壓入配合。端帽凸緣的外周邊與內(nèi)管件的內(nèi)表面向內(nèi)延伸的徑向隆起壓配合(interencefit)，該凸緣的邊固定在由擴(kuò)孔區(qū)的一端確定的內(nèi)表面的階梯部分上，用以把端帽固定在內(nèi)管件末端相應(yīng)的位置。燈絲毗鄰配置在內(nèi)管件中的端帽的第一端，而該端帽的第二或發(fā)射端延伸到內(nèi)管件的末端外面并進(jìn)入氣封室。當(dāng)激勵(lì)燈絲時(shí)，該端帽被加熱并且其發(fā)射端熱發(fā)射電子進(jìn)入氣封室中。端帽與內(nèi)管件間的接觸面限制在凸緣的一個(gè)小部分上。端帽與內(nèi)管件之間的這個(gè)小接觸面使從端帽到內(nèi)管件并以此到外管件和到旋入內(nèi)管件的金屬固定塊的熱傳遞減至最小，從而增加了元件的壽命并提高了燈絲的加熱效率。另外，端帽的延伸凸緣使端帽的圓柱形主體部分與內(nèi)管件的橫截面相比，具有大體上減少的橫截面(大約減少了橫截面的50％)。
該端帽減少了的橫截面能夠更有效地利用燈絲的加熱功率，這樣，對(duì)于給定要求的放電電流來說，需要的功率減少了。而且，對(duì)于給定的燈絲功率來說，端帽的第二或發(fā)射端的橫截面越小，結(jié)果使流入氣封室的放電電流密度增加，從而獲得越高的發(fā)射端溫度。該增加的電流密度和增高的發(fā)射端溫度有利于a)提高單個(gè)帶電離子的離解，例如BF2和BF3的離解；和b)提高多個(gè)帶電離子的產(chǎn)生，例如提高B++和B+++離子的產(chǎn)生。
對(duì)本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說，通過參照附圖閱讀下面的描述，很容易理解本發(fā)明的其它特點(diǎn)。


圖1表示用于工件例如固定在旋轉(zhuǎn)支架上的硅晶片的離子束處理的離子注入機(jī)示意圖；圖2表示體現(xiàn)本發(fā)明的，用于在圖1的注入機(jī)中產(chǎn)生離子束的離子發(fā)生源剖視圖；圖3表示用于展示激發(fā)形成離子源陰極的一部分的屏蔽燈絲的電連接的離子發(fā)生源平面圖；圖4表示用于展示離子射出離子源的電弧狹縫的離子發(fā)生源正視圖；圖5表示用于固定離子源陰極的結(jié)構(gòu)的放大平面圖；圖6表示從圖5中沿線6-6方向的視圖；圖6A表示圖6中所示去掉燈絲的離子源陰極的一端部放大截面圖；圖6B表示構(gòu)成離子源陰極的陰極體部分的內(nèi)管件放大截面圖；圖6C表示離子源陰極的內(nèi)管件放大頂部平面圖；圖6D表示內(nèi)管件的末端放大截面圖；圖7表示從圖5中沿線7-7方向的視圖；圖8表示根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的離子源的分解剖視圖9表示用于把源陰極與等離子室電絕緣的絕緣塊的頂部平面圖；圖10表示從圖9中沿平面10-10方向的視圖；圖11表示圖9所示絕緣塊的底部平面圖；圖12表示圖9所示絕緣塊的部分截面?zhèn)纫晥D；圖13表示在離子源工作過程中，發(fā)射致電離電子進(jìn)入放電室內(nèi)部的陰極端帽側(cè)視圖；圖13A表示圖13所示陰極端帽的頂部平面圖；圖13B表示圖13所示陰極端帽的底部平面圖；圖14表示離子源放電室的前部正視圖；圖15表示從圖14中沿平面15-15方向的放電室視圖；圖16表示從圖15中沿平面16-16方向的放電室視圖；圖17表示從圖14中沿平面17-17方向的放電室視圖；圖18表示從圖14中沿平面18-18方向的放電室視圖；圖19表示用于固定配置在放電室中的陰極體的固定板平面圖；圖20表示從圖19中沿線20-20方向的固定板視圖。
圖1表示離子源注入系統(tǒng)10，該系統(tǒng)10具有體現(xiàn)本發(fā)明的離子發(fā)生源12，和由高壓外殼16支撐的離子束分析磁鐵14。從離子源12發(fā)射的離子束20沿著射出外殼16的控制路徑運(yùn)行經(jīng)過真空管18進(jìn)入離注入室22。沿著從離子源12到注入室22的離子束20運(yùn)行路徑，該離子束被整形過濾并被加速到所要求的注入能量。
該分析磁鐵14只能使具有符合荷質(zhì)比的適當(dāng)離子到達(dá)離子注入室22。在離子束20射出外殼16的區(qū)域中，該離子束經(jīng)過一個(gè)由電絕緣材料構(gòu)成的高壓隔離套管26，該套管26能把高壓外殼16與注入室22隔離開。
離子注入室22支撐在一個(gè)允許注入室對(duì)準(zhǔn)離子束20的可動(dòng)底座28上。該離子束撞擊支撐在晶片支架40上的一個(gè)或多個(gè)硅晶片，該晶片支架40被固定以能夠繞軸心42旋轉(zhuǎn)。晶片支架40在其外周邊周圍支撐多個(gè)硅晶片，并能沿圓周路徑移動(dòng)那些晶片。離子束20撞擊每個(gè)晶片，并用離子雜質(zhì)選擇摻雜這些晶片。晶片支架40的高速旋轉(zhuǎn)是由旋轉(zhuǎn)支架40和晶片的發(fā)動(dòng)機(jī)50來完成的。線性驅(qū)動(dòng)器52能使支架40在離子注入室22中來回?fù)Q位。晶片支架40所配置的位置，能使未處理晶片移進(jìn)注入室22中，并從該室中取出已處理的晶片。其它涉及現(xiàn)有技術(shù)中離子注入系統(tǒng)的具體情況，已包括在專利權(quán)授予Armstrong等人的U.S專利No.4,672,210中了，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在此結(jié)合其主題供參考。
硅晶片是通過自動(dòng)操縱手臂70經(jīng)過真空入口71插入離子注入室22中的。注入室22由一真空泵72抽真空得到等于真空管18的壓強(qiáng)的低壓。該自動(dòng)操縱手臂70在盒子73之間來回傳遞，以存儲(chǔ)晶片。用于完成這個(gè)傳送過程的機(jī)構(gòu)，是現(xiàn)有技術(shù)中公知的。其它真空泵74和75用于把從離子源12到注入室22的離子束路徑抽成真空。
離子源12包括一高密度等離子放電室76(圖2)，該放電室76在其前壁中具有一拉長的、一般成橢圓形的出口78，離子從此出口射出離子源(圖4)。放電室76對(duì)著由一般成圓筒形的外殼80固定到支撐在高壓外殼16中的法蘭82上構(gòu)成的離子束路徑配置。其它涉及現(xiàn)有技術(shù)離子源的描述已在授予Benveniste等人的U.S專利No.5,026,997中公開了，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，這里引入供參考。當(dāng)離子從等離子放電室76移出時(shí)，它們被由配置在出口外邊的抽取電極(extraetion electrodes)90(圖1)建立的電場(chǎng)加速離開放電室76。分析磁體14產(chǎn)生磁場(chǎng)，使具有合適荷質(zhì)比的適合的離子彎向注入軌跡。這些離子離開分析磁鐵14并沿運(yùn)行路徑加速導(dǎo)入注入室22。注入機(jī)控制器82設(shè)置在高壓外殼16里面，用于通過控制磁場(chǎng)線圈的電流調(diào)整分析磁鐵14的場(chǎng)強(qiáng)。
離子源12產(chǎn)生具有與用于注入的離子不同的質(zhì)量的大比率的離子。這些不想要的離子被分析磁鐵14彎向遠(yuǎn)離注入軌跡。例如，重離子沿大半徑的軌跡運(yùn)行，而比用于注入的離子輕的離子則沿較小半徑的軌跡運(yùn)行。離子源12體現(xiàn)本發(fā)明的離子發(fā)生源12(圖2-5)包括一個(gè)由源外殼80的后壁82支撐的源塊120。該源塊120又支撐等離子放電室76和在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中、由放電室76支撐的、但與之電絕緣的電子發(fā)射陰極124。
源磁鐵(沒有示出)圍繞等離子體放電室76(圖14-18)，用以把等離子體產(chǎn)生的電子嚴(yán)格限制在放電室76中的運(yùn)行路徑上。源塊120也限定了容納蒸發(fā)爐122和123的空腔，這些蒸發(fā)爐用可蒸發(fā)的固體例如砷填充，使其蒸發(fā)為氣體，然后通過輸送噴嘴126和128把該氣體噴射入等離子體放電室76中。
等離子體放電室76是一個(gè)限定一內(nèi)部電離區(qū)R(圖2、7、8和14)的拉長的金屬結(jié)構(gòu)，該內(nèi)部電離區(qū)R是由兩拉長的側(cè)壁130a和130b(圖8)的頂和底壁130和130d及鄰接該電離區(qū)R的前壁限定板132限定的。從其兩側(cè)壁130a、130b向外延伸，該放電室76包括一支座法蘭134，用以固定放電室。
板132與源外殼80校準(zhǔn)。正如授予Trueira的U.S專利No.5420415中所述那樣，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人，這里引入供參考，板132被固定到一個(gè)固定在源外殼80上的校準(zhǔn)固定器95上(圖3和4)。簡(jiǎn)單地說，該校準(zhǔn)固定器95插入源外殼80中，以使該固定器平面垂直于該離子束軸。只要在該位置上，離子源就可以通過被緊固在固定于該校準(zhǔn)固定器上的彈頭銷P(圖4)上與該校準(zhǔn)固定器95相連接。
在其端部具有螺紋的四個(gè)拉長螺柱136穿過法蘭134中的四個(gè)開口138并與源塊120中的帶螺紋開口140嚙合。該螺栓136穿過套管146(圖8)和彈簧148，該彈簧加偏壓力于放電室76上使其遠(yuǎn)離源塊120，以便于用校準(zhǔn)固定器95緊固該放電室。
四個(gè)彈頭銷149(圖8中只示出一個(gè))延伸穿過放電室的法蘭132的四個(gè)角中的開口151。這些針通過彈簧152彈性受壓遠(yuǎn)離源塊120。這些銷的稍微伸長的端部149a適于配在板132內(nèi)并保持該板和放電室76連接在一起。
已蒸發(fā)的材料通過輸送噴嘴126、128從支架塊120噴射入等離子體放電室內(nèi)部。在放電室76的相反側(cè)，通道141從放電室76的后部延伸，穿過放電室主體直通入等離子體放電室內(nèi)部。另外，氣體通過放電室后壁130e中的入口或開口142直接導(dǎo)入該放電室76中。噴嘴144鄰接開口142，并能從由外部供給離子源的氣體源或供料源把氣體直接噴射入放電室76中。陰極124器壁130d限定一開口158(圖8和18)，該開口158的大小允許陰極124(圖2)在不接觸限定開口158的放電室76壁130d的情況下延伸至放電室76的內(nèi)部。陰極124由固定在放電室76后部的絕緣固定塊150支撐。陰極124包括一個(gè)與放電室開口158相配合的陰極體300(圖6)。該陰極體300固定于金屬固定板152(圖6和8)上，而金屬板152由絕緣固定塊150支撐。
陰極體300是由三個(gè)金屬部件構(gòu)成的一外管或外管件160，與外管件同軸的一內(nèi)管或內(nèi)管件162，和一端帽164。該陰極體300的外管件160最好是由鉬合金材料制成的，并起保護(hù)內(nèi)管件162免受放電室76中激發(fā)等離子體的作用。內(nèi)管件162最好也是由鉬合金材料制成，并起支撐端帽164的作用。內(nèi)管件162包括一內(nèi)表面301并具有一外表面302，內(nèi)表面301限定一個(gè)鎢燈絲178設(shè)置在內(nèi)的內(nèi)部區(qū)域或空腔c，外表面302(最好見圖6B)包括一個(gè)帶螺紋的較低或基端部分163。該端部163旋入固定板152的帶螺紋開口167中，用以把陰極體300固定于固定板(圖6)上。外管件160內(nèi)表面304的較低或基端部分161也具有螺紋。如圖6所示，外管件基端部分161被旋到內(nèi)管件的螺紋端部163上，以使外管件160的基端306鄰接固定板152。外管件和內(nèi)管件160、162最好是圓柱形的。在組裝陰極124時(shí)，燈絲178的末端距離端帽164約為0.030英寸。
如圖6c所示，內(nèi)管件162的上端或末端308包括六個(gè)具有均勻間隔的徑向溝槽310，該溝槽310最好具有0.020英寸的寬度和0.060英寸的深度。毗鄰末端308的內(nèi)管件162的內(nèi)表面301被擴(kuò)孔以容納端帽164。最好見圖6A和6B。內(nèi)表面301的擴(kuò)孔區(qū)312包括沿徑向向內(nèi)延伸的圓錐形徑向毛刺或隆起314。隆起314的邊構(gòu)成的圓錐角相對(duì)于垂線的角度約為30°。由于內(nèi)管件162的擴(kuò)孔區(qū)312與內(nèi)管件的其余部分壁厚相比，具有減少了的壁厚，因此在該擴(kuò)孔區(qū)的邊緣或端部形成一階梯316。該階梯316大約比末端308低0.065英寸。如圖6A所示，當(dāng)端帽164與內(nèi)管件162壓入配合時(shí)，該端帽164就被支撐在圓錐形隆起314和內(nèi)管件的階梯316上。參見圖6B，該內(nèi)管件162的適合尺寸如下說明 標(biāo)號(hào) 尺寸全長 A 0.95英寸帶螺紋部分的長度 B 0.48英寸外徑 C 0.560英寸內(nèi)徑 D 0.437英寸除降起314以外擴(kuò)孔區(qū)的直徑 E 0.510英寸包括隆起314的擴(kuò)孔區(qū)的直徑 F 0.472英寸兩導(dǎo)電固定臂170，171支撐著在陰極內(nèi)管件162中的鎢燈絲178。臂170、171通過連接器172(圖7)直接固定于絕緣塊150上，該連接器172穿過該臂與絕緣塊150中螺紋開口嚙合。導(dǎo)電供能帶173，174與燈絲178耦合，并由穿過外殼80的法蘭82經(jīng)電源饋線175、176傳輸?shù)男盘?hào)供電。
兩夾鉗177a和177b把鎢燈絲178固定在由陰極體300的最內(nèi)部管件162限定的空腔C中。燈絲178是由鎢絲彎成螺旋環(huán)(圖5)制成的。燈絲178的兩端由第一和第二鉭支柱179a和179b支撐，而這兩支柱179a和179b用夾鉗177a和177b保持與兩臂170、171電接觸。
當(dāng)鎢燈絲178通過電源饋線175和176間的電勢(shì)差供電時(shí)，燈絲就發(fā)射電子，這些電子向前加速并撞擊陰極124的端帽164。當(dāng)該端帽164被電子轟擊加熱足夠時(shí)，則它發(fā)射電子進(jìn)入放電室76，并與氣體分子碰撞，在放電室中產(chǎn)生離子。這樣就形成了等離子體，并且該等離子體內(nèi)的離子射出開口78形成離子束。端帽164能屏蔽燈絲178免與放電室76內(nèi)的等離子體接觸，并能延長燈絲的壽命。另外，燈絲178被支撐在陰極體300內(nèi)的方法，有利于更換燈絲。反射器180陰極124產(chǎn)生的電子射入放電室76中，但沒有使氣體電離區(qū)內(nèi)的氣體分子移動(dòng)到反射器180(圖2)的附近區(qū)域。反射器180包括一設(shè)置在放電室76中的金屬件181(圖8)，并能使電子偏轉(zhuǎn)返回氣體電離區(qū)以接觸氣體分子。該金屬件181是由鉬制成的。一陶瓷絕緣體182用于把反射器金屬件181與等離子體放電室76的底壁130c的電勢(shì)絕緣。所以陰極124和反射器180與放電室壁既電絕緣又熱絕緣。通過一金屬杯可以阻止反射器部件181的短路，并能防止離子附著于絕緣體182表面。
放電室76的壁被局部接地或保持在基準(zhǔn)電勢(shì)。包含陰極端帽164的陰極142電勢(shì)保持在局部接地的放電室壁以下50-150V。這個(gè)電勢(shì)是通過電源饋線186把導(dǎo)電體187(圖3)固定于支撐陰極體300的板152上而耦合到板152上的。燈絲178電壓保持低于端帽164，在200-600V之間。燈絲178和陰極體300之間的大電壓差給離開燈絲的電子傳遞很高的能量，足以加熱端帽164，并使其熱發(fā)射電子進(jìn)入放電室76中。反射器部件181允許在放電室76中的氣體等離子體的電勢(shì)漂移。
授予Sferlazzo等人的“006”專利描述了在陰極和陽極(放電室的室壁)之間控制放電電流的電路。該電路的工作在“006”專利中已說明了，這里引入供參考。在產(chǎn)生離子過程中，離子源由于電離能噴射入放電室76而被加熱。并不是所有的能量都用于電離放電室76內(nèi)的氣體，因而產(chǎn)生一定量的熱量。放電室76包括水管接頭190，192，用于把冷卻水輸入源塊并把熱水輸出放電室區(qū)域。絕緣塊150為使陰極124與放電室76絕緣，絕緣塊150相對(duì)于陰極體300設(shè)置燈絲178，并且陰極體對(duì)著該放電室。圖9-12詳細(xì)說明了絕緣塊150。
絕緣塊150是由99％純氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成的拉長陶瓷電絕緣塊。絕緣塊150一般具有一延長該絕緣塊的長度和寬度的第一平坦表面200。該平坦表面200與從氣封或放電室的后壁130e延伸的陰極固定法蘭202(圖17)配合。在絕緣塊150對(duì)著第一表面200的一面，絕緣塊150具有一般的平面陰極支撐表面210和第二個(gè)一般平面燈絲支撐表面212，表面210用于支撐陰極124，表面212用于在陰極內(nèi)管件162內(nèi)部空間內(nèi)支撐陰極燈絲178。如圖9所示，陰極支撐表面210具有兩個(gè)角凹槽220，221，它們分別具有從凹槽限定的絕緣塊150減少了的寬度延伸的開口222，223。
具有拉長頭部225的兩連接器224(圖7)從這些開口222，223延伸，從而把絕緣塊150固定于放電室76上的法蘭202上。連接器224沿其長度帶有螺紋。這些連接器與法蘭202中的帶螺紋的開口204(圖17)相嚙合。背擋板206(圖7)也包括帶螺紋的開口，連接器延伸至這些開口中以把絕緣塊150緊緊固定到放電室76上。在絕緣塊150固定于放電室76上時(shí)，第一個(gè)一般平坦表面200在與放電室后壁130e成直角的方向延伸。兩定位銷203延伸離開法蘭202的表面202a。這些銷與相應(yīng)的開口226(圖11)配合，延伸至絕緣體150的表面200里面，用以在安裝過程中，幫助校準(zhǔn)絕緣塊150。金屬固定板152如圖所示，支撐三片陰極體300的金屬固定板152靠在絕緣塊150的陰極支撐表面210上，并向遠(yuǎn)離該表面方向延伸，用以把陰極體300安裝在對(duì)準(zhǔn)放電室的開口158里面。螺紋連接器228延伸到絕緣塊150的表面200中的兩凹井230(圖11)中，并經(jīng)過絕緣塊中的開口232與板152中的帶螺紋的開口234(圖19)相嚙合。
兩定位銷236(圖19和20)裝在固定板152上。在把固定板152固定于絕緣塊150上時(shí)，這些銷延伸入絕緣塊150中的校準(zhǔn)孔238(圖9)中。這有利于把絕緣塊150和板152對(duì)準(zhǔn)，并且，不僅在陰極124保持用在注入機(jī)10過程中，而且在陰極124制造過程中，都便于兩者的連接。
一旦金屬固定板152固定于絕緣塊150上并且絕緣塊也固定于放電室76上，則固定板152中用于配置三片陰極體300的螺紋開口167(圖19)就對(duì)準(zhǔn)穿過放電室76壁130d延伸的開口158。
拉長臂170、171的平坦表面240相互嚙合并由絕緣塊表面212(圖12)支撐，而表面212與反面200相距空間為絕緣塊150的最大厚度。具有伸長頭部的螺紋連接器250(圖5)延伸穿過臂170，171中的開口252，旋入燈絲支撐表面212中的螺紋開口254中。如圖7所示，絕緣塊150的兩平坦表面之間的相對(duì)空間在臂170、171的表面240和板152的表面262(圖7和19)之間形成一間隙G。該間隙G和陶瓷絕緣塊150是由電絕緣材料制成的事實(shí)，不僅使兩臂(170、171)之間相互電絕緣，而且使它們與支撐陰極體300的固定板152也能電絕緣。燈絲支臂170、171中的孔252對(duì)準(zhǔn)絕緣體150中的孔254，并準(zhǔn)確地把燈絲配置在陰極體300的內(nèi)腔C中。
如圖9-12所示，絕緣體的陶瓷絕緣塊150具有多個(gè)拉長的凹槽或溝道N1-N3(圖10)。這些凹槽N1-N3使絕緣塊150的一般平坦表面斷裂開。當(dāng)絕緣塊150被固定于放電室76附近時(shí)，它會(huì)被導(dǎo)電沉積物涂覆。在“006”專利中公開的絕緣體在離子源工作過程中就遭到表面涂層。這涂層能引起過早的電弧放電或短路和離子源出現(xiàn)故障。單塊絕緣體150中的溝道N1-N3能使該絕緣塊自屏蔽，即離子不會(huì)涂覆連續(xù)表面穿過絕緣塊150，從而減少了電弧放電的可能性。陰極端帽164陰極帽164是能給放電室提供放電電流的機(jī)制鎢熱電子發(fā)射體?！?06”專利中公開的簡(jiǎn)單的盤形陰極端帽用端帽164替代，它與“006”專利中的陰極結(jié)構(gòu)相比，具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)。
陰極體300的端帽164(圖13，13A，13B)是導(dǎo)電的，并由鍛壓鎢材料制成。該端帽164是一般的圓柱形并包括被主體部分324隔開的第一端320和第二端322。第一端320毗鄰燈絲178并被燈絲加熱，而第二端332發(fā)射電子進(jìn)入放電室76。一凸緣形支架或凸緣326從主體部分324沿徑向向外延伸。端帽164與內(nèi)管件162的末端308的擴(kuò)孔區(qū)312壓入配合。內(nèi)管件162向內(nèi)延伸的隆起314具有比端帽164的凸緣形支架326的外徑(0.473英寸)稍小的內(nèi)徑(0.472英寸)，由此形成壓配合。為使端帽164與內(nèi)管件162壓入配合，該凸緣形支架面對(duì)燈絲的一邊330的外周邊緣被斜削。另外，如圖6A所示，凸緣形支架326面對(duì)燈絲的一邊330的一部分，也恰是向內(nèi)的斜邊328，被設(shè)置在內(nèi)管件162的階梯316上，而內(nèi)管件在其內(nèi)表面301的擴(kuò)孔區(qū)312和未擴(kuò)孔區(qū)之間形成一邊界。這樣，在離子注入機(jī)10工作過程中，端帽164通過內(nèi)管件162的延伸隆起314和端帽164的凸緣形支架326之間的壓配合保持在相應(yīng)位置上，就象把凸緣形支架326面對(duì)燈絲的一邊330設(shè)置在階梯316上一樣。端帽164的主體部分324末端部分332向上延伸進(jìn)入放電室76，并伸出內(nèi)管件和外管件162，160的末端。主體部分324的鄰近部分334從凸緣形支架326向下朝著燈絲178延伸。參見圖13和圖13A，端帽164的適合尺寸如下說明標(biāo)號(hào) 尺寸全長 G 0.224英寸主體部分的末端部分的長度 H 0.112英寸凸緣部分的長度 I 0.068英寸主體部分的外徑 J 0.320英寸凸緣部分的外徑 K 0.474英寸激勵(lì)燈絲178時(shí)，端帽164被加熱并且其第二或發(fā)射端322發(fā)射電子進(jìn)入放電室76。如圖2所示，陰極體300如此配置以使第一和第二管件160，162穿過放電室壁130d的開口158延伸進(jìn)入放電室內(nèi)部區(qū)域R。端帽164的發(fā)射端322接近對(duì)準(zhǔn)出78的底端336。
端帽164和內(nèi)管件162間的小面積接觸使從燈絲178到內(nèi)、外管件162、160及金屬固定板152的熱傳遞減至最小，由此可以增加陰極壽命。而且，端帽164的延伸凸緣使端帽的圓柱形本體部分324具有與內(nèi)管件162的橫截面相比大體上減少了的橫截面。內(nèi)管件162(未擴(kuò)孔部)的橫截面積A，約等于
＝0.1612平方英寸而端帽164的本體部分324的橫截面積A2約等于
＝0.0804平方英寸這樣，端帽164的橫截面積基本上是內(nèi)管件162的橫截面積的50％。
端帽164和內(nèi)管件162之間的小面積接觸，大大減少了從端帽164到內(nèi)管件和絕緣塊150的熱傳遞。而且，端帽164被減少了的橫截面積能更有效地利用燈絲的加熱功率，從而對(duì)于給定要求的電流來說只需較少的功率。對(duì)于給定的燈絲功率，端帽164的第二或發(fā)射端322的橫截面積越小，結(jié)果得到流入放電室76的增加的放電電流密度，從而獲得越高的發(fā)射端溫度。
更高的電子流密度和更高的發(fā)射端溫度的結(jié)合，從而得到更高百分率后的多帶電離子。已增加的放電電流密度(由于減少了發(fā)射面積)和增高的發(fā)射端溫度(由于減少了熱物質(zhì)和提高了發(fā)射體熱絕緣)有利于a)增加單帶電離子的離解，例如，BF3和BF2的離解；和b)增加多帶電離子的產(chǎn)量，例如增加了B++和B+++的產(chǎn)量。另外，本發(fā)明的端帽164通過使用已有的放電室控制器電子沒備可以達(dá)到較高的放電電流。從上述本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解其改進(jìn)、改變和修改。這些在本領(lǐng)域技術(shù)范圍內(nèi)的改進(jìn)、改變和修改包括在所附權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.用在離子注入機(jī)(10)中的離子源(12)，所述離子源(12)包括a)氣封室(76)，具有限定一區(qū)域(R)的室壁(130)并包括允許離子射出氣封室(76)的出口(78)；b)用于把可電離材料輸入氣封室(76)的裝置；c)用于把氣封室(76)支撐在相應(yīng)位置上，以使在離子離開氣封室(76)時(shí)形成離子束(20)的結(jié)構(gòu)；d)對(duì)著氣封室(76)的電離區(qū)(R)配置的陰極(124)，用以發(fā)射致電離電子進(jìn)入氣封室的電離區(qū)(R)，以在電離區(qū)(R)內(nèi)產(chǎn)生離子，該陰極(124)包括配置在電絕緣陰極體(300)內(nèi)的一熱源(178)，該陰極體(300)包括第一管(162)和支撐在毗鄰該熱源(178)的該第一管(162)的末端(308)內(nèi)的端帽(164)，在被熱源(178)加熱時(shí)，該端帽(164)發(fā)射致電離電子進(jìn)入氣封室(76)的電離區(qū)(R)；e)該端帽(164)包括被主體部分(324)隔開的第一端(320)和第二端(322)，并具有從主體部分(324)向外延伸的徑向凸緣形支架(326)，它與第一管(162)的內(nèi)表面(301)接觸，以在第一管(162)的末端(308)內(nèi)支撐該端帽(164)，該徑向凸緣支架(326)具有小于主體部分(324)的軸向長度的軸向厚度。
2.如權(quán)利要求1的離子源，其特征在于，所述端帽(164)是由鎢制成，該端帽(164)的徑向凸緣支架(326)由從端帽主體部分(324)向外延伸的凸緣組成。
3.如權(quán)利要求2的離子源，其特征在于，所述凸緣(326)的外周邊表面與第一管(162)的內(nèi)表面(301)接觸，以在第一管的末端(308)內(nèi)支撐該端帽。
4.如權(quán)利要求3的離子源，其特征在于，第一管(162)的末端(308)包括具有徑向向內(nèi)的隆起(314)部分，而凸緣(326)的外周邊表面與隆起(314)接觸，以在第一管的末端(308)內(nèi)支撐該端帽(164)。
5.如權(quán)利要求1的離子源，其特征在于，端帽(164)的第一端(320)毗鄰熱源(178)配置，端帽(164)的第二端(322)延伸穿過氣封室(76)的開口(158)，并發(fā)射致電離電子進(jìn)入電離區(qū)(R)。
6.如權(quán)利要求1的離子源，其特征在于，該熱源(178)是由絕緣塊(158)支撐的燈絲。
7.如權(quán)利要求6的離子源，其特征在于，該第一管(162)的外表面(302)包括與金屬固定板(152)螺紋嚙合以支撐陰極體(300)的螺紋部分(163)，而該金屬固定板(152)固定于該絕緣塊(150)上。
8.如權(quán)利要求1的離子源，其特征在于，該陰極體(300)還包括與第一管(162)共軸、并覆蓋第一管末端(308)至少一部分的第二管(160)。
9.如權(quán)利要求8的離子源，其特征在于，該第一管(162)的外表面(302)包括螺紋部分(162)，該第二管(160)的外表面(304)包括與第一管(162)螺紋嚙合的螺紋部分(161)。
10.如權(quán)利要求1的離子源，其特征在于，該陰極體(300)至少一部分延伸穿過氣封室(76)的開口(158)進(jìn)入電離區(qū)(R)。
11.用于發(fā)射致電離電子進(jìn)入氣封室(76)的電離區(qū)(R)以電離氣體分子的陰極(124)，該陰極(124)包括a)陰極體(300)，它包括第一管(162)和支撐在第一管(162)末端(308)內(nèi)的電子發(fā)射端帽(164)；b)熱源(178)，配置在第一管(162)中毗鄰端帽(164)的位置，用以給端帽(164)加熱，從而發(fā)射致電離電子，該熱源(178)與該陰極體(300)電絕緣；和c)端帽(164)，它包括由主體部分(324)隔開的第一端(320)和第二端(322)，并具有從主體部分(324)向外延伸的徑向凸緣支架(326)，它與第一管(162)的內(nèi)表面(301)接觸，以在第一管(162)的末端(308)內(nèi)支撐該端帽(164)，該徑向凸緣支架(326)具有小于端帽主體部分(324)軸向厚度的軸向厚度。
12.如權(quán)利要求11的陰極，其特征在于，該端帽(164)是由鎢制成的，端帽(164)的徑向凸緣支架(326)由從端帽主體部分(324)向外延伸的凸緣組成。
13.如權(quán)利要求12的陰極，其特征在于，該凸緣(326)的外周邊表面與第一管(162)的內(nèi)表面接觸，以在第一管末端(308)內(nèi)支撐端帽(164)。
14.如權(quán)利要求13的陰極，其特征在于，第一管(162)的末端(308)包括具有徑向向內(nèi)的隆起(314)的區(qū)域(312)，該凸緣(326)的外周邊表面與隆起(314)接觸，以在第一管末端(308)內(nèi)支撐端帽(164)。
15.如權(quán)利要求11的陰極，其特征在于，端帽(164)的第一端(320)毗鄰熱源(178)配置，端帽(164)的第二端(322)延伸穿過氣封室(76)中的開口(158)并發(fā)射致電離電子進(jìn)入電離區(qū)(R)。
16.如權(quán)利要求15的陰極，其特征在于，該熱源(178)是由絕緣塊(150)支撐的燈絲。
17.如權(quán)利要求16的陰極，其特征在于，第一管(162)的外表面(302)包括與金屬固定塊(152)螺紋嚙合以支撐該陰極體(300)的螺紋部分(163)，該金屬固定塊(152)固定于該絕緣塊(150)上。
18.如權(quán)利要求11的陰極，其特征在于，該陰極體(300)還包括與第一管(162)共軸并覆蓋第一管末端(308)的至少一部分的第二管(160)。
19.如權(quán)利要求1的離子源，其特征在于，第一管(162)的外表面(302)包括螺紋部分(163)，第二管(160)的外表面(304)包括與第一管(162)螺紋嚙合的螺紋部分。
20.如權(quán)利要求11的離子源，其特征在于，陰極體(300)的至少一部分延伸穿過氣封室(76)的開口(158)進(jìn)入電離區(qū)(R)。
21.支撐在一個(gè)管(162)的末端(308)內(nèi)的陰極體端帽(164)，用于發(fā)射致電離電子進(jìn)入氣封室(76)的電離區(qū)(R)，以在電離區(qū)(R)內(nèi)產(chǎn)生離子，該端帽(164)包括由主體部分(324)隔開的第一端(320)和第二端(322)，并具有從主體部分(324)向外延伸的徑向凸緣支架(326)，該端帽(164)的第一端(320)相對(duì)于氣封室(76)的電離區(qū)(R)配置，以發(fā)射致電離電子進(jìn)入電離區(qū)(R)，該端帽(164)的第二端(322)毗鄰熱源(178)，在被該熱源加熱時(shí)，端帽(164)發(fā)射致電離電子進(jìn)入氣封室(76)的電離區(qū)(R)，端帽的徑向凸緣支架(326)與管(162)的內(nèi)表面(301)接觸，以在管(162)的末端(308)內(nèi)支撐端帽(164)，該徑向凸緣支架(326)具有小于端帽主體部分(324)軸向厚度的軸向厚度。
22.如權(quán)利要求21的端帽，其特征在于，該端帽(164)是由鎢制成，端帽(164)的徑向凸緣支架(326)是由從端帽主體部分(324)向外延伸的凸緣組成。
23.如權(quán)利要求22的端帽，其特征在于，該凸緣(326)的外周邊表面與第一管(162)的內(nèi)表面(301)接觸，以在第一管(162)末端(308)內(nèi)支撐該端帽(164)。
24.如權(quán)利要求23的端帽，其特征在于，第一管末端(308)包括用徑向向內(nèi)的隆起(314)擴(kuò)孔的擴(kuò)孔區(qū)(312)，凸緣(326)的外周邊表面與該隆起(314)接觸，端帽第二端(322)的外周邊部分與限定該擴(kuò)孔區(qū)的第一端(162)內(nèi)表面的徑向向內(nèi)的階梯部分(316)接觸，以在該第一管末端(308)內(nèi)支撐端帽(164)。
全文摘要
離子注入機(jī)用的離子源,包括限定氣體電離區(qū)的導(dǎo)電室壁的氣封室,其出口允許離子射出?；迨箽夥馐覍?duì)著將射出的離子形成離子束的結(jié)構(gòu)配置。陰極一部分伸入氣封室的開口中。陰極包括置有燈絲的內(nèi)部區(qū)域的陰極體。陰極體包括內(nèi)管件、同軸的外管件和端帽。端帽具有帶徑向延伸凸緣的橫截面減小的主體部分。端帽壓入內(nèi)管件。給燈絲供電以加熱該端帽,使其發(fā)射電子至電離區(qū)。該燈絲受陰極體保護(hù),可免受氣體電離區(qū)中激發(fā)等離子體的影響。
文檔編號(hào)C23C14/48GK1195261SQ9712970
公開日1998年10月7日 申請(qǐng)日期1997年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月31日
發(fā)明者T·N·霍爾斯基, W·E·雷伊諾爾斯, R·M·克勞蒂爾 申請(qǐng)人:易通公司