专利名称：经改进的离子源的制作方法
技术领域：
本发明一般说来是关于离子源的。更详细地讲，它指的是这样一种类型的离子源在这种离子源中，想要的离子材料的化合物在等离子体放电过程中被离解以用于离子注入装置。利用抽取电场把离子从源中抽取出来，提供带电粒子束流。束流中含有想要的离子。随后，用质量-电荷分离技术将这些离子从束流中分离出来。
这种离子源有个共同的问题由于完全控制离解过程导致了在输出电流中想要的离子的比例总是大大小于应该出现的量。如果想要从硼的化合物的源气体中得到单独的带电硼离子的话，这种现象就特别明显，因为某些硼的化合物特别难分解。因此，想要的离子态硼的总量就要大大地小于气体中存在的硼的总量了。
等离子体离解离子源依赖不带电的气态物质的电子碰撞产生等离子体。通常所用的电子碰撞离子源是旁边抽取热阴极型的。它含有单根的杆型丝阴极，该阴极位于园筒形的阳极中间，丝阴极的轴线与园筒形阳极的轴线相互平行。一个固定的、平行于这两个轴的外加磁场也被加上去以帮助约束电离电子的运动。被电离的气态物质通过阴极壁上的穿透孔通进去。
为了电离气态物质，在阴极丝和阳极简之间建立起一个电位差。该电场用来把径向能量给予从阴极丝热电离发射出来的电子。如果电子能够得到足够大的能量以产生电离碰撞，就可以形成一个等离子体。然后，在等离子体中产生的正离子就能够通过阳极壁上的纵向狭缝被抽取出来。
正离子的抽取是通过给等离子体放上一个外加的负偏置电极并使其与纵向狭缝平面相一致来完成的。这个负偏置电极与阳极形成一个电场，该电场与等离子体的边界相互作用并加速从等离子体而来的正离子。
理论表明，一个给定离子源的效率高度地取决于电离电子的浓度和温度并因此取决于等离子体的温度。此外，电离电子必须被做得能在等离子体内移动相对说来较长的路径长度，从而增加与中性气体粒子碰撞的机会。在上面描述的离子源中，这是用加热阴极丝的电流产生的磁场和一个外加磁场的联合效应来完成的。
理论上能够表明，对于足够大的阴极丝电流来说，带电粒子在距丝阴极不同的径向距离上将具有不同的径向漂移速度。靠近阴极丝的带电粒子将具有最原的指向丝阴极正的一边的漂移速度，而且在增加径向距离时具有相对于阴极丝轴线的水平方向。因此，大多数电子在到达阳极的过程中，由于受到指向径向的漂移机理的抑制，被迫移动长的路径长度。然而，有一个固有的轻着丝阴极正的一边的最后的电子漂移。到达阳极轴线端点的那些电子被阳极收集起来而从等离子体中移走，这就导致离子产额低于期待值。
如上所述，当想要得到单个的带电硼离子(B+)时，这种低的产额特别显著。对硼来讲，通用的源材料是三氟化硼(BF3)。这是一种在室温下呈气态的物质。不使用元素硼，因为它的蒸发温度高。对这种源材料产生的离子束流进行分析表明存在着想要的硼离子，同时也存在着如BF+和BF2+离子。而单个的电带硼离子所的百分比相对说来较低，典型值小于15%。
在一些现有技术的系统中，利用把金属的电子反射器放在丝阴极每一端的方法，使这种电子漏出得以减小。这些金属的反射器用来干扰阴极/阳极电场，以便使那些电子改变方向，回到放电中心。另一种现有技术水平的方法是在丝阴极的每一端都增加磁场。与金属的电子反射器功能一样，该增加的磁场的作用是把电子反射回放电中心。
在现有技术的系统基本上取及成功之时，它们并没有使等离子体的温度增加。而当把气态的硼化合物用做源的供给材料时，这对大大增加硼离子的产额却是需要的。再者，在一些现有技术的系统中，已经看到，随着抽取器电极电流的增加，离子束电流在平行于抽取狭缝的方向上变及缺乏均匀性。
在本发明中，等离子体的温度和在平行于狭缝的方向上离子束电流密度的均匀性都增加了。方法是把与丝阴极电绝缘的电极放在园筒状阳极的每一端。根据本发明的一个最佳实施方案，这种辅助的丝电极短路连接在一起，以便在等离子体的每一端建立起等同的电位。根据本发明的另一个实施方案，这种丝电极交叉联接到丝阴极相反的一边的电位上。而根据本发明的再一个实施方案，这种丝电极被偏置在相对于阴极、阳极或地来说是正的固定的电位上面。
正象在现有技术中众所周知的那样，很难断定在等离子体出现时一些现象发生的原因。然而可以假定，辅助的丝电极有效地阻止了电子的轴向漂移。它增加了放电的均匀性并导致所期待的等离子体温度的增加和在平行于狭缝的方向上离子束电流密度的增加。
本发明的其它目的和优点在下面的描述中与附图结合起来考虑会更加清楚。在这里
图1是与本发明相结合的热阴极型离子源的一个透视图。
图2是现有技术水平的离子源的部分剖视图。
图3是与本发明相结合的离子源的部分剖视图。
图4、5、6是与图3类似的剖视图，但是表明了本发明另一些可供选择的实施方案。
图7是本发明再一个实施方案的图示。
参照图1和图3，这里图解式地阐明了众所周知的一种类型的离子源10。该离子源靠的是气态源材料的等离子体离解。这种源含有一个，例如，钼或钽做成的中空的、圆筒形阳极12。园筒形阳极内已放入了一个沿轴向伸展出来的、被加热的阴极丝14。源被放在一个抽空的室中(未画出)。想要的离子材料的气态化合物被促使经由引入管16流入阳极园筒。一个直流电压差在阳极和阴极之间建立起来，如图3所示，这个电压有足够大的幅度以通过气体在阳极和阴极之间产生放电。这种放电使气体离解成各种各样的中性和带电粒子。中性粒子作为气流的一部分经过出口狭缝18流出。而带电粒子，包括正的和负的两种带电粒子，则充满了阳极12内的空间20。漂移到靠近狭缝18的带正电的粒子，利用抽取电极19从阳极抽出并用一种已知的方法加速，以提供带电粒子束源。
根据已知的注入的粒子，想要的粒子利用已知的质量-电荷分离技术从束流中分离出来。
为了增加带电粒子的数目，也就是说，为了增加阳极12内等离子体的密度，具有极片22的一块磁铁能够用来在阳极12的内部和周围提供一个轴向磁场23。依靠感应电子使其绕阴极旋转而不是使它们相对说来直接地从阴极向阳极行进，这个轴向磁场有助于增加等离子体电子路径长度，因而增加等离子体密度。象上面讨论的那样，由于沿着阴极丝14有电流流过，就出现了一个附加磁场，该磁场使电子沿着阳极的长度轴向地朝着轴的端点24漂移，在那里电子往往被收集。根据本发明，电子在阳极端点的漂移或收集被减到最小程度。
参照图2，这里表示了一个现有技术的热阴极离子源10，它含有阳极12，阴极14，气体引入管16和抽取狭缝18。根据现有技术水平，阴极丝固定在绝缘体26内，该绝缘体纳入装置内部，安放在园筒形阳极12的两端。象上面讨论的那样，电子的漂移用箭头E表示。如图2中表示的那样，现有技术的离子源可以含有反射器28，它们直接接触邻近阳极端点的阴极丝部分。
参照图3，这里给出了本发明的一个最佳实施方案。在该实施方案中，阴极丝14首先固定在绝缘体29和30内，绝缘体29和30再固定在园筒形的辅助电极31和32内，然后把这个组合体固定在园筒形绝缘体34内，园筒形绝缘体被纳入装置，安放在阳极12的两端。
象图3给出的那样，源10用众所周知的办法加电，例如阴极丝所加的电压约为4.5V，阳极和阴极之间所加的弧光电压大约是70V，阳极和抽取电极19之间的电压约为20KV。根据该最佳实施方案，辅助电极31和32，例如，通过导线36连在一起。当这样短路时，在体积20内等离子体的每一端建立起等同的电位。这有助于阻止等离子体内电子的轴向漂移，当电子轴向地朝着电极31和32漂移出等离子体的中心部位时，可以相信，这些电子中的一些电子会打在电极上而使它们带电。这些电荷使电极偏置，因而干扰离子源中的电场，有助于漂移电子弹回到等离子体的中心部位。测量表明，当热阴极离子源用图3的模式运转时，从三氟化硼而来的B+的数量可以看到有相当大的增加，增加量为20%到25%。
图4表示本发明一个替换的实施方案。在这里，阴极结构和基本的电源连接方式与图3中表示的相同。然而，在这个实施方案中，辅助电极29在电路上是用导线38连接到阴极丝14相反的一端，而辅助电极30在电路上用导线39连接到阴极丝14相反的一端。理论表明，这种组合有助于平衡等离子体上跨越阴极丝的电压降低效应，也能阻止电子的轴向漂移。
在图5所示的实施方案中，利用电源40和导线41、42在阴极丝和辅助电极之间加了一个电压。这有助于迫使电子朝着放电中心运动。在该实施方案中，对电极31、32和(或)绝缘体29、30及34来说，有一个超手寻常的物质溅蚀趋势。然而，如果这些部分是由离子束流中想要的材料，如铍、铝或锌制成的话，这种溅蚀趋势倒是能够用来在被选择的工艺中获得效益。
在图6所示的实施方案中，利用电源43和导线44、45在阴极丝14的一端和辅助电极31之间加了一个大约25V的电压。而且利用电源46和导线48、49在阴极丝14相反的一端和辅助电源32之间加了一个数值相等的电压。
虽然本发明是用一个特定类型的离子源进行说明的，这些概念也可以用于其他的离子源。例如，图7表示一种类型的热阴极离子源。在这里，阴极丝呈等离子体形状，这个标号为110的源含有第一个阳极112，第二个阳极114，园筒状的第三个阳极116以及等离子体枪120。在园筒形的第三个阳极上有一个抽取狭缝118。等离子体枪用来产生等离子体线122。辅助电极131和132相应于图3到图6中所示的实施方案中的电极31和32，它们围绕着等离子体线，但是不接触等离子体。当所加电压及连线方式与图3到图6相同时，它们起电极31和32同样的作用。
权利要求
1.在离子源10中含有一个壳体(12)以形成一个室；用以溅蚀壳体内阴极(14)的部件(29、30、31、32、34)用以在阴极和壳体之间建立电场的部件；用来把直流电压跨接到阴极相对的两端以便在那里感生加热电流的部件；以及用来把可电离的气体源供应到上述室中去的部件(16)，该离子源的特征在于在紧靠着上述阴极、邻近它的一端有第一个电极(31)；有把上述第一个电极与上述阴极及上述壳体在电学上绝缘开来的部件(29、34)；紧靠着上述阴极、邻近其相反的一端有第二个电极(32)；有把上述第二个电极与上述阴极及上述壳体在电学上绝缘开来的部件(30、34)；以及用来把电位加到上述第一个和第二个电极上的偏置部件(36到39)。
2.权利要求1所述的装置，其中上述偏置部件包含部件(36)，用以使上述第一个和第二个电极保持相等的电位。
3.权利要求2所述的装置，其中，上述偏置部件包含部件(36)，用以把上述第一个和第二个部件相互连接起来。
4.权利要求1所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(38)，用以把上述第一个电极偏置于上述阴极上邻近上述第二个电极的部位上的电位，它还含有部件(39)，用以把上述第二个电极偏置到上述阴极上邻近上述第一个电极的部位上的电位。
5.权利要求4所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(38)，它把上述第一个电极电连接到上述阴极上，连接点附近上述第二个电极，上述偏置部件还含有部件(39)，它把上述第二个电极电连接到上述阴极上，连接点邻近上述第一个电极。
6.权利要求1所述的装置，其中上述偏置部件包含部件(40、41、42)用以把予定的电位加到上述阴极与上述第一个和第二个电极之间。
7.权利要求6所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(42)，它把上述第一个电极电连接到上述第二个电极上，上述偏置部件还含有部件(40、41)，用以把直流电压加到上述阴极与上述第一个及第二个电极之间。
8.权利要求1所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(43、44、45)，用以把第一个直流电压加到上述第一个电极与上述阴极的、同上述第一个电极相反的一端之间，上述偏置部件还含有部件(46、48、49)，用以把第二个直流电压加到上述第二个电极与上述阴极的、同第二个电极相反的一端之间。
9.权利要求8所述的装置，其中上述第一个和第二个直流电压幅度相等。
10.权利要求1到权利要求9所述的任何一个装置，其中上述阴极由一根线丝组成。
11.权利要求1到权利要求9所述的任何一个装置，其中上述阴极由一个等离子体(122)组成。
12.权利要求1到权利要求9的所述的任何一个装置，其中它包含部件(22)，用以加上一个磁场，该磁场真实地与上述阴极平行地伸展到上述壳体的周围和内部。
13.在装置(10)中，为了形成含有大量想要的材料的离子的粒子束流，它包含一个普通的园筒形的阳极(12)，一个拉长的阴极(14)，该阴极轴向地放置在上述阳极内，并穿过在上述阴极的第一端壁和第二端壁上形成的装置而延伸出来，该装置还包含部件(29、30、31、32、34)，它们使上述阴极与上述阳极电绝缘，它还含有在阳极与阴极之间建立起放电作用的部件，该放电有足够的强度，以便把上述气态物质离解成等离子体，这个等离子体内含有各种各样的粒子，其中包括大量想要的材料的离子，它还含有把一个磁场加到上述等离子体上的部件(22)，装置(10)的特征在于第一个电极(31)被纳入围绕着上述阴极的、上述第一个装置内，部件(29、34)使上述第一个电极与上述阴极和上述阳极绝缘，第二个电极(32)被纳入围绕着上述阴极的上述第二个装置内，部件(30、34)使上述第二个电极与上述阴极和上述阳极电绝缘，偏置部件(36到49)用来把电位加到上述第一个和第二个电极上。
14.权利要求13所述的装置，其中上述偏置部件包含偏置部件(36)，用以在第一个电极和第二个电极上保持相等的电位。
15.权利要求14所述的装置，其中上述偏置部件包含部件(36)，它把上述第一个电极和第二个电极相互连接起来。
16.权利要求13所述的装置，其中上述偏置部件包含部件(38)，用来把上述第一个电极偏置到邻近上述第二个电极的、上述阴极部位的电位上，它还包含部件(39)，用来把上述第二个电极偏置到邻近上述第一个电极的、上述阴极部位的电位上。
17.权利要求16所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(38)，它把上述第一个电极电连接在上述阴极上，连接点邻近上述第二个电极，上述偏置部件还含有部件(39)，它把上述第二个电极电连接到上述阴极上，连接点邻近上述第一个电极。
18.权利要求13所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(40、41、42)，用来在上述阴极与上述第一个和第二个电极之间加上予定的电位。
19.权利要求18所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(42)，它把上述第一个电极电连接到上述第二个电极上，上述偏置部件还含有部件(40、41)，用来在上述阴极与上述第一个电极和第二个电极之间加上一个直流电压。
20.权利要求13所述的装置，其中上述偏置部件含有部件(43、44、45)，用来把第一个直流电压加到上述第一个电极与上述阴极的、与上述第一个电极相反的一端之间，上述偏置部件还含有部件(46、47、48)，用来把第二个直流电压加到上述第二个电极与上述阴极的、与上述第二个电极相反的一端之间。
21.权利要求20所述的装置，其中上述第一个直流电压和上述第二个直流电压在幅度上相等。
22.权利要求13到权利要求21所述的任何一个装置，其中上述阴极是由一根丝线所组成的。
23.权利要求13到权利要求21所述的任何一个装置，其中上述阴极是由等离子体(122)组成的。
24.权利要求13到权利要求21所述的任何一个装置，其中上述第一个和第二个电极(31、32)是园筒形的，用来使上述第一个电极和第二个电极与上述阴极电绝缘的上述部件由第一个园筒形的绝缘体(29、30)组成，它们径向地安放在上述第一个电极、第二个电极和上述阴极之间，用来使上述第一个电极和第二个电极与上述阳极电绝缘的上述部件由第二个园筒形绝缘体(34)组成，它轴向地安放在上述第一个电极、第二个电极和上述阳极的端壁之间。
全文摘要
一个旁边抽取热阴极型离子源(10)，在该离子源中，电子因有的、朝着阴极正的一边的漂移依靠附加辅助电极(31、32)而被减到最小。附加辅助电极在阳极(12)的两端把阴极(14)包围起来。该电极与阴极和阳极电绝缘。提供了各种各样的部件以便把电位加到电极上，其中包括把电极相互连接起来；把电极交叉连接到阴极相反的两端；以及把电极偏置于相对于阴极、阳极或地的固定的电位上。
文档编号H01J37/08GK1030327SQ8810271
公开日1989年1月11日 申请日期1988年5月11日 优先权日1987年5月12日
发明者斯蒂芬·埃斯克约桑波扬, 门罗·李·金, 罗伯特·艾伦穆尔 申请人:伊顿公司