專利名稱：新型改良的離子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及一種具有離子生成源的離子注入機，生成源發(fā)射離子以 形成用于工件射束處理的離子束。
背景技術(shù)：
離子注入機可以通過利用離子束轟擊晶片而用于處理硅晶片。這種射 束處理的一種用途是對晶片選擇性地摻入被控制濃度的雜質(zhì)，以在制造集 成電路期間產(chǎn)生半導(dǎo)體材料。
典型的離子注入機包括離子源、離子提取裝置、質(zhì)量分析裝置、射束 傳送裝置、和晶片處理裝置。離子源生成期望的原子或分子摻雜劑種類的 離子。這些離子通過提取是統(tǒng)從源提取，提取是統(tǒng)通常為一組電極，這組 電極通電并引導(dǎo)來自于源的離子的流動。期望的離子在質(zhì)量分析裝置中與 離子源的副產(chǎn)物分離，質(zhì)量分析裝置通常為磁性偶極子，磁性偶極子對已 提取的離子束進行質(zhì)量擴散。射束傳送裝置將離子束傳送到晶片處理裝 置，同時保持期望的離子束的光學(xué)性質(zhì)，射束傳送裝置通常為真空是統(tǒng)，
真空是統(tǒng)包括聚焦裝置的光學(xué)組(opticaltmin)。最后，將半導(dǎo)體晶片注入 晶片處理裝置內(nèi)。
批處理離子注入機包括用于移動多個硅晶片通過離子束的自旋圓盤 支撐件。當(dāng)支撐件旋轉(zhuǎn)晶片通過離子束時，離子束撞擊晶片表面。
連續(xù)注入機同時處理一個晶片。多個晶片支撐在暗盒(cassette)內(nèi)， 并且一次取一個晶片并將其放置在支撐件上。然后在注入方向上定向晶 片，以使得離子束撞擊單個晶片。這些連續(xù)注入機使用射束成形電子設(shè)備 (beam shaping electronic),以從射束的初始軌道偏轉(zhuǎn)射束，并且這些連續(xù) 注入機經(jīng)常與同位的(coordinated)晶片支撐件運動一起使用，從而選擇 性地摻雜或處理整個晶片表面。
生成在現(xiàn)有注入機內(nèi)使用的離子束的離子源通常是所謂的電弧離子源，并且可以包括用于產(chǎn)生離子的加熱絲狀體陰極，離子形成為用于晶片
處理的適當(dāng)?shù)碾x子束。授予Sferlazzo等人的美國專利No.5,497,006涉及一種 具有陰極的離子源，陰極由基座支撐，并相對于氣體封閉室定位以便將離 子化電子射入氣體封閉室內(nèi)。'006專利的陰極是管狀導(dǎo)電的主體和端蓋， 管狀導(dǎo)電的主體和端蓋部份地延伸到氣體封閉室內(nèi)。絲狀體支撐在管狀主 體內(nèi)，并且發(fā)射電子，該電子通過電子轟炸而加熱端蓋，從而將離子化電 子熱離子地發(fā)射氣體封閉室內(nèi)。
授予Cloutier等人的美國專利No.5,763，890也公開了一種用在離子注
入機內(nèi)的電弧離子源。離子源包括氣體封閉室，氣體封閉室具有限定氣體 離子帶的導(dǎo)電室壁。氣體封閉室包括允許離子退出室的退出開口。基座相 對于用于由退出氣體封閉室的離子形成離子束的結(jié)構(gòu)定位氣體封閉室。
其它源可以驅(qū)動RF、微波或電子束放電以生成期望的離子。這些源 生成低于電弧離子源10 - IOO倍的等離子體密度，并且通常是與具有低電 離勢(ionization potentials)的源材料(易于離子化的物質(zhì))一起使用，或是 在當(dāng)源室包括大型離子提取區(qū)時。雖然諸如授予Leung等人的美國專利 No.6，975，072中所示的冷離子源可以具有由諸如不銹鋼、銅或鋁的相對低 溫材料制成的源材料，但是像電弧離子源的熱源使源室壁具有攝氏數(shù)萬度 的溫度的電弧等離子體和高溫功率密度，這就要求現(xiàn)有技術(shù)注入機的源部 件由高溫，即所謂的耐火材料(如鉬、鉭或鎢)制成。還可以參見Zhimin Wan等人于IEEE， 2002的「 Water Cooled Plasma Flood Source for Intense Ion BeamImplanation」 一文和美國公開申請2003: 0218429。

發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及一種至少部份由鋁制造的電弧離子源。己經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過提高 「熱型」離子源或基于「Berna」或「Freeman」或ihc (間接加熱陰極)的電 弧的溫度控制可以利用鋁作為源電弧室殼體而制成離子源殼體。
用于產(chǎn)生離子流的示例性離子源具有至少部份界定電離區(qū)的鋁合金 電弧室主體，電離區(qū)包括在電弧室區(qū)內(nèi)被電離的氣態(tài)電離材料。在示例性 實施例中，溫度傳感器監(jiān)測電弧室內(nèi)的溫度，并且提供與感測的溫度相關(guān) 的信號。當(dāng)傳感器進行測量時，控制器監(jiān)測感測的溫度，并調(diào)節(jié)溫度以將感測的溫度保持在一定的范圍內(nèi)。
對于與本發(fā)明相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，通過參照附圖，閱讀 下面的說明將了解本公開的進一步特征。


圖l是用于離子束處理諸如安裝在自旋支撐件上的硅晶片的工件的離 子注入機的示意圖2和圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的離子源的分解透視圖4是圖2和圖3的離子源的剖視圖5是從圖4中的線5-5所限定的平面的視圖6是離子源的后透視圖；以及
圖7是用以操作根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的離子源的示意性控制電路圖。
具體實施例方式
回到附圖，圖1示出了離子束注入機10的示意圖。注入機包括用于產(chǎn) 生多個離子的離子源12，多個離子形成離子束14,離子束14被成形，并被 選擇性地偏轉(zhuǎn)以穿過射束路徑到端部或注入站20 。注入站包括限定內(nèi)部區(qū) 域的真空或注入室22，諸如半導(dǎo)體晶片的工件24位于內(nèi)部區(qū)域內(nèi)，以便通 過組成離子束14的離子進行注入。示意性地表示為控制器41的控制電子設(shè) 備被提供，以便監(jiān)測并控制由工件24所接收的離子劑量。經(jīng)由位于端部站 20附近的用戶控制操縱臺26執(zhí)行到控制電子設(shè)備的操作員輸入。當(dāng)射束穿 過源與注入室之間的區(qū)域時，離子束14內(nèi)的離子往往發(fā)散。為了減少此發(fā) 散性，通過一個或多個真空泵27將區(qū)域保持在低壓下。
離子源12包括等離子體室，等離子體室限定源材料(source materials) 被注射到其內(nèi)的內(nèi)部區(qū)域。源材料可以包括電離氣體或被蒸發(fā)的源材料。 通過離子束提取組件28由室提取等離子體室內(nèi)所生成的離子，離子束提取 組件28包括用于產(chǎn)生離子加速電場的多個金屬電極。
分析磁鐵30沿射束路徑16定位，分析磁鐵30使離子束14彎曲，并引導(dǎo) 其通過射束快門(beam shutter) 32。在射束快門32之后，射束14穿過聚焦 射束14的四偶極透鏡系統(tǒng)36。然后射束穿過由控制器41控制的偏轉(zhuǎn)磁鐵40?？刂破?1將交流電信號提供給磁鐵40的導(dǎo)電線圈，磁鐵40的導(dǎo)電線圈 又在數(shù)百赫茲的頻率下反復(fù)地偏轉(zhuǎn)離子束14或從一側(cè)到另一側(cè)地掃描離 子束14。在一個公開的實施例中，使用從200到300赫茲的掃描頻率。這種 偏轉(zhuǎn)或一側(cè)到另一側(cè)的掃描生成薄的、扇形絲帶狀離子束14a。
在扇形絲帶狀射束內(nèi)的離子離開磁鐵40之后，它們沿分散路徑而行。 離子進入平行放置的磁鐵42，其中通過改變數(shù)量而再次彎曲組成射束14a
的離子，以使得它們離開沿大致上平行于射束路徑移動的平行放置的磁鐵 42。然后離子進入能量過濾器44，能量過濾器44由于離子的電荷而向下偏
轉(zhuǎn)離子(圖1中的y-方向)。這樣就在發(fā)生上游射束成形期間移去己進入射 束的中性顆粒。
離開平行放置的磁鐵42的絲帶狀離子束14a是具有基本上形成非常狹 窄的矩形的橫截面的離子束，gP，在一個方向上延伸的射束，例如射束具 有被限制的垂直延伸(例如大約l/2英寸)，和具有在正交方向上的延伸，在 正交方向上的延伸由于由磁鐵40引起的掃描或偏轉(zhuǎn)而向外加寬，從而完全
覆蓋諸如硅晶片的工件的直徑。
通常，當(dāng)掃瞄離子束14a時，絲帶狀離子束14a的延伸足以對工件24的 整個表面進行注入。假設(shè)工件24的水平尺寸為300毫米(或直徑為300毫 米)。磁鐵40將偏轉(zhuǎn)射束，以便當(dāng)一撞擊注入室22內(nèi)的工件24的注入表面時， 絲帶狀離子束14a的水平延伸將至少為300毫米。
在注入期間，工件支撐件結(jié)構(gòu)50相對于絲帶狀離子束14支撐和移動工 件24(在y方向的上下)，以便將工件24的整個注入表面均勻地注入離子。因 為注入室內(nèi)部區(qū)被抽空，工件必需通過互鎖60進入和離開室。安裝在注入 室22內(nèi)的機械手62將晶片工件自動地移動到互鎖60和從裝載室60自動地 移動晶片工件。在圖1中的裝載室60內(nèi)的水平位置內(nèi)示意性地示出工件 24。機械手通過旋轉(zhuǎn)工件通過弓形路徑將工件24從裝載室60移動到支撐件 50。在注入之前，工件支撐件結(jié)構(gòu)50將工件24旋轉(zhuǎn)到用于注入的垂直位置 或接近垂直的位置。如果工件24是垂直的，g卩，相對離子束14正交，則注 入角或離子束與工件表面的法線之間的入射角為O度。
在通常的注入操作中，通過兩個機器人80、 82中的一個從多個暗盒 70-73中的一個收回未摻雜的工件(通常為半導(dǎo)體晶片)，這兩個機器人80、82將工件24移動到定位器84，工件24在定位器84上被旋轉(zhuǎn)到指定方位。機 械手收回定向的工件24，并將其移入裝載室60內(nèi)。裝載室關(guān)閉，并被抽空 (pump down)到期望的真空，然后開口至注入室22內(nèi)。機械手62抓住工 件24，將其帶入注入室22內(nèi)，并將其放置在工件支撐件結(jié)構(gòu)50的靜電夾鉗 或夾盤(chuck)上。給靜電夾鉗通電，以在注入期間將工件24保持在適 當(dāng)位置。在1995年7月25日授予Blake等人的美國專利No.5，436,790和1995 年8月22日授予Blake等人的美國專利No.5，444,597中公開了合適的靜電夾 鉗，這兩個專利被委派給本發(fā)明的受讓人。>790及>597專利都通過引用在 此全文并入。
在對工件24進行離子束處理之后，工件支撐件結(jié)構(gòu)50使工件24返回到 水平位置，并且不再給靜電夾鉗通電，從而將工件釋放。在這種離子束處 理之后，機械手62抓住工件24，并將其從支撐件50移回到裝載室60內(nèi)。根 據(jù)可選的設(shè)計，裝載室具有被獨立抽空并加壓的頂部和底部區(qū)域，并且在 可選的實施例中，注入站20處的第二機械手(未示出)抓住己注入的工件24， 并將其由注入室22移回到裝載室60。機器人中的一個的機械手將已注入的 工件24從裝載室60移回到暗盒70-73中的一個，而且最通常地是移回到其最 初被取出的暗盒。
離子源
本發(fā)明使用的離子生成源12 (2-5圖)包括源塊(source block) 120， 源塊120由具有把手83的凸緣82支撐，通過把手83可以將源12從注入機移 除。源塊120支撐等離子體電弧室76和電子發(fā)射陰極124，在本發(fā)明優(yōu)選的 實施例中，電子發(fā)射陰極124由電弧室76支撐，但是與電弧室76電絕緣。
電弧離子源由Ed. W. Kunkel所著教科書「Plasma Physics in Theory and Application] (MacGraw-Hill, 1966)中定義，注意文中所述不管陰極處或 者在等離子體的主體內(nèi)的具體條件，所有具有eV(KE[Vc為陰極電壓降，E 為電離能]的[電]放電都將歸類為電弧[…]。顯然，按此方式，電弧的種類 將極為龐大，這是因為對氣體壓力或電流密度都沒有施加限制。事實上， 所有的熱離子二極管必需包括在此，只要充足的氣體電離發(fā)生以產(chǎn)生空間 電荷的基本中和，從而術(shù)語放電等離子體仍舊可以是適當(dāng)?shù)??；跉怏w密 度、電流密度及陰極處的條件，電弧放電在其特征性質(zhì)上可為大相徑庭。所定義。此定義在此通過將「熱絲狀體」離子源作為離子源而概括出，在 所述離子源中，足夠能量的電子從直接激發(fā)的絲狀體(其由此作為陰極) 發(fā)射，或來自激發(fā)的絲狀體的電子轟擊陰極，而陰極又發(fā)射足夠能量的電 子以使得電弧室內(nèi)的氣體離子化。
源磁鐵(未示出)環(huán)繞等離子體電弧室76，以將產(chǎn)生電子的等離子體限 制到室76內(nèi)被嚴格限定的傳播路徑。源塊120還限定容納汽化器烘箱122、 123的空腔，汽化器烘箱122、 123填充有諸如砷的可汽化固體，汽化固體 被汽化為氣體，然后借助于穿過隔熱件130的輸送噴嘴126、 128而被注 入到等離子體室76內(nèi)。等離子體電弧室76是由鋁合金制成的細長金屬結(jié) 構(gòu)。 一種適當(dāng)?shù)暮辖馂?061鋁，6061鋁可易于商業(yè)獲得，并具有有利的 機械加工性質(zhì)。這種合金含有96-98%的鋁，0.8-2%的鎂添加物，0.4-0.8%的硅添加物，和其它組分的微量添加物(來自于matweb.com)。殼體 限定由兩個細長側(cè)壁、上壁和下壁界定的內(nèi)部電離區(qū)R。由鎢或鉬構(gòu)造的 分隔前壁限定板132鄰接電離區(qū)R。電弧室包括從其兩個側(cè)壁向外延 伸的用于將電弧室安裝到源塊的支撐凸緣134。
四個細長支柱136穿過板132內(nèi)的四個槽口 138。支柱136穿過由源 塊支撐的套管146和將板132朝向電弧室76偏置的彈簧148。
通過輸送噴嘴126、 128可以將氣態(tài)材料從汽化器122、 123注入等離 子體電弧室76的內(nèi)部內(nèi)，輸送噴嘴126、 128延伸通過源塊120內(nèi)的開口 131、 133。在室76的相對側(cè)上，通路141從室76的后部延伸通過室主 體并開口至等離子體電弧室76內(nèi)部。噴嘴鄰接到這些通道的入口通道， 以從爐122、 123輸送氣態(tài)源材料。此外，借助于室后壁內(nèi)的端口或開口 142可以將氣體直接導(dǎo)入室76內(nèi)。通向開口 142的輸送管144可從在離子 源外部的源或供應(yīng)器將氣體直接注入到電弧室76內(nèi)。
電弧室的端壁限定開口 158，開口 158的大小被形成以允許陰極124延伸到等離子體電弧室76的內(nèi)部內(nèi)，而無需接觸限定開口 158的室壁。 陰極124由連接到電弧室的后部的絕緣安裝塊150支撐。配合到開口 158 內(nèi)的陰極主體安裝到由絕緣安裝塊150支撐的導(dǎo)電安裝板152。
陰極124大致上是根據(jù)Cloutier等人的'890專利的公開構(gòu)造。陰極 124的外管狀構(gòu)件由耐火材料制成。此管狀構(gòu)件的下端部鄰接安裝板152。 內(nèi)管狀構(gòu)件也由耐火材料制成，并且具有螺紋到安裝板152的開口內(nèi)的帶 螺紋的下端部。陰極124的端蓋164具導(dǎo)電性，并由耐火材料制成，并且 配合到管狀構(gòu)件的端部的平底鉆孔內(nèi)。內(nèi)外部管狀構(gòu)件的長度延伸，以使 得端蓋164超過外管狀構(gòu)件而向上延伸到電弧室76內(nèi)。
兩個導(dǎo)電安裝臂170、 171在陰極124內(nèi)支撐絲狀體178。臂170、 171 通過連接器172直接連接到絕緣塊150，該連接器172穿過臂以接合塊150 內(nèi)的螺紋開口。導(dǎo)電激發(fā)帶174連接到絲狀體，并且被經(jīng)由功率饋通175、 176引導(dǎo)通過殼體80的凸緣82的信號激發(fā)。絲狀體178由被彎曲以形成 螺旋回路的鎢絲制成。絲狀體178的端部被兩個耐火材料支腳支撐，這兩 個耐火材料支腳通過適當(dāng)?shù)你Q夾保持與兩個臂170、 171電接觸。
當(dāng)通過給功率饋通175、 176兩端施加電勢差而使鎢絲絲狀體178通 電時，絲狀體發(fā)射電子，這些電子朝向陰極124的端蓋加速并撞擊陰極124 的端蓋。當(dāng)通過轟擊使端蓋充分加熱時，其又將電子發(fā)射到電弧室76內(nèi)， 這些電子撞擊氣體分子并在室76內(nèi)產(chǎn)生離子。離子等離子體被生成，并 且在等離子體內(nèi)的離子離開板132內(nèi)的開口 178，從而形成離子束。端蓋 防止絲狀體與室內(nèi)的離子等離子體接觸，并延長絲狀體的壽命。
由陰極124生成的發(fā)射到電弧室76內(nèi)但沒有與電離區(qū)內(nèi)的氣體分子 接合的電子移動到斥退器180附近。斥退器180包括位于電弧室76內(nèi)的 金屬構(gòu)件，該金屬構(gòu)件使電子偏轉(zhuǎn)回到氣體電離區(qū)，在該氣體電離區(qū)內(nèi)，電子將可以撞擊氣體分子。斥退器的金屬構(gòu)件由耐火材料制成。陶瓷絕緣
體使斥退器180與等離子體電弧室76的下壁的電勢絕緣。因此，陰極124 和斥退器180與電弧室壁既熱絕緣又電絕緣。
將室76的壁保持在局部接地或參考電勢下。將包括陰極端蓋164的 陰極保持在低于室壁的局部接地50 - 150伏之間的電勢下。此電勢通過功 率饋通連接到板152，該功率饋通用于將電導(dǎo)體連接到支撐陰極的板152。 圖2和圖3中示出了饋通182。在附圖中沒有示出從饋通到陰極塊的連接。 將絲狀體178保持在低于端蓋164的電壓200和600伏之間的電壓下。絲 狀體與陰極之間的大電壓差將高能量施加給離開絲狀體的電子，該絲狀體 使端蓋164充分加熱，并將電子熱離子地發(fā)射到室76內(nèi)。斥退器構(gòu)件180 被允許在室76內(nèi)的氣體等離子體的電勢處浮動。
Sferlazzo等人的'006專利示出了控制陰極與陽極(電弧室的室壁)之 間的電弧電流的電路。Sferlazzo等人的專利中說明了此電路的操作，也在 此處并入。在離子的生成期間，源由于將電離能注入到電弧室內(nèi)而發(fā)熱。 并非所有的這些能量都將電弧室內(nèi)的氣體龜離，而是生成一定量的熱量。 室含有將冷卻水導(dǎo)入凸緣和將加熱水導(dǎo)出電弧室區(qū)的水連接190、 192。
除將陰極124安裝到電弧室之外，絕緣塊150相對于陰極主體定位絲 狀體178，而相對于電弧室定位陰極主體。在Cloutier等人的專利中詳細 地說明了這些功能。
通過本發(fā)明的實踐，具體地通過使用示例性源12實現(xiàn)了一定的設(shè)計 目標。本發(fā)明的一個目標是將電弧室76的溫度保持在400攝氏度和550 攝氏度之間，以便施加最小功率(如400W)到最高功率(如1500W)的功率。 在溫度低于40(TC時會有含有砷，(如AsH3 (AsH3是一種通常使用的源氣 體))的源材料凝結(jié)在離子源內(nèi)部的風(fēng)險，而這會影響源操作，并且如果隨后使用其它的源氣體則會污染源。而在溫度高于55(TC時，已經(jīng)了解到 鋁合金會失去其在硬度及彈性方面的機械性質(zhì)，這會影響到源組件的機械 整體性和提取性質(zhì)。在此溫度范圍內(nèi)，源相對于源塊120必須提供電弧縫 78的良好對準。示例性設(shè)計必須考慮所裝配部件的熱膨脹，尤其是電弧室 76和電弧縫78的熱膨脹。典型的公差大約為間隙寬0.1mm，電弧室的 左右位置為0.03mm，以及關(guān)于垂直軸線電弧室退出孔的傾斜度為0.1度。 這些設(shè)計方針在介質(zhì)電流注入機內(nèi)尤其重要，在該介質(zhì)電流注入機內(nèi)，將 離子束正確地放置在晶片上較為重要。
將電弧室維持在以上指定或期望的溫度范圍內(nèi)允許源殼體由鋁制成， 與現(xiàn)有技術(shù)的電弧室材料(如鉬)相比，鋁的制造成本更為廉價，并且重量 更輕。源塊120(電弧室連接到該源塊120)也由鋁制造。
汽化器組件202由不銹鋼制成，并且銅鋅焊接到鋼板200上。汽化器 組件限定間隔的內(nèi)部空腔210、 212，氮氣經(jīng)由柔性導(dǎo)管214、 216被泵送 到該間隔的內(nèi)部空腔210、 211內(nèi)。將氮氣導(dǎo)入到空腔內(nèi)，以在電弧源殼 體溫度的期望范圍內(nèi)實現(xiàn)附加程度的溫度控制。雖然在優(yōu)選的實施例中使 用氮氣，但是也可以將標準大氣壓下的空氣導(dǎo)入和導(dǎo)出空腔。連接器218 在通路131、 133的區(qū)域內(nèi)螺紋到源塊120，并且在通路131、 133內(nèi)將
輻射屏蔽物(一個汽化器一個輻射屏蔽物)保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 通過傳感器220、 222監(jiān)測汽化器烘箱的區(qū)域內(nèi)的溫度，傳感器220、 222位于包括溫度響應(yīng)熱電偶的源塊內(nèi)，該溫度響應(yīng)熱電偶經(jīng)由導(dǎo)體224 將信號傳送到連接器226，該連接器226將輸出信號傳送至各個汽化器控 制器(未示出)。第三傳感器(未示出)放置在電弧源殼體內(nèi)，并且連接到導(dǎo)體 224，導(dǎo)體224使信號遠離電弧源殼體傳送到安裝到圖6中所示的凸緣的 附加連接器或第三連接器226，附加連接器或第三連接器226又將信號傳送到控制器300。
示例性源還包括兩組230、 232的三個細長，大致上為圓柱形的加熱 器，這些加熱器插入在電弧源殼體內(nèi)大致上平行延伸的通路內(nèi)。這些加熱 器為可獨立地啟動作為Dalton Watt柔性筒形加熱器而可利用的電阻加熱 器，該柔性筒形加熱器包括柔性不銹鋼外部殼套。外表面將輻射熱提供給 電弧室。殼套內(nèi)的電阻加熱器加熱殼套。當(dāng)將柔性外部殼套推入其相對應(yīng) 的通路內(nèi)時，柔性外部殼套被向內(nèi)壓縮。當(dāng)電弧室殼體隨著溫度變化而膨 脹和收縮時，這些加熱器筒的外部殼套膨脹和收縮，以維持內(nèi)部嵌入的電 阻加熱器與限定細長空腔的鋁電弧室殼體之間的良好導(dǎo)熱性。這些加熱器 由直流電源供電，并可由達到240伏DC/AC啟動。
通過使用兩個安裝銷250和連接器254實現(xiàn)精確安裝。在電弧室殼體 的一個端部處，殼體包括具有直通通道(throughpassage)的凸起部252。 直通通道容納三個螺紋連接器中的一個254，三個螺紋連接器中的一個254 接合安裝到源塊120上的對齊凸起部252內(nèi)的螺紋開口。而其它連接器(未 示出)延伸通過電弧室殼體76內(nèi)的開口 257，并螺紋到關(guān)于面向電弧源殼 體的源塊的端部表面而間隔的兩個其它螺紋開口 255。
在源12的裝配期間，使電弧室與源塊接合。此步驟通過從源塊的露 出端延伸的銷250而變得容易。螺紋連接器穿過用螺絲擰到源塊內(nèi)并被擰 緊的電弧室。銷相對于源塊牢牢地定位電弧室和電弧縫。溫度變化使室和 源塊都繞將兩個銷250平分的垂直中心線膨脹和收縮。由于螺紋連接器 254的柔性而使電弧室與源塊之間的膨脹率不相等，這一定程度上允許電 弧室相對于源塊微略地相對側(cè)向移動。
也可以通過安裝在電弧室與源塊之間的兩個eGra戶襯墊260、 262促 進源塊與電弧室之間的熱傳導(dǎo)。襯墊260、 262在適當(dāng)位置處限定多個孔，以容納螺紋連接器254。這些襯墊由石墨構(gòu)成，并由低熱阻材料構(gòu)成，尤 其是為熱接觸界面處理制成。這些襯墊促進高溫操作下(在所期望的溫度范 圍的高端處)的熱傳導(dǎo)，并且當(dāng)在高溫范圍內(nèi)操作時，通過促進熱流遠離電 弧室而如此防止高溫變^t。在示例性實施例中，襯墊被制造成具有5/1000 英寸的控制厚度。eGmf襯墊具有達到400攝氏度的指定操作溫度，但是 實作上在源操作的上限550攝氏度的高溫下操作。
圖7是說明如何保持在目標溫度范圍內(nèi)的控制原理圖或流程圖。溫度 控制器300 (具有控制器輸入302以調(diào)節(jié)溫度)具有交流電輸入310，和用 于感測來自于監(jiān)測電弧室溫度的熱電偶226的溫度的輸入?？刂破?00打 開和閉合繼電器320的觸點，以將來自于供應(yīng)器的DC功率施加在并聯(lián)的 兩組加熱器元件的兩端?？刂破?00實施恒定功率控制，在該恒定功率控 制中，保持到電弧室陰極和由兩組230、 232組成的加熱器的總功率輸入。 如果電弧室是在高功率(高射束電流)下工作，則加熱器以低功率運行。相 反地，如果電弧室是在低功率(低射束電流)下工作，則加熱器以高功率運 行。因為控制在氣態(tài)材料被直接泵送到電弧室的應(yīng)用中必需工作，所以汽 化器烘箱與此控制分開。
為了實施此控制，控制器300使用感測的溫度和控制回路，在該控制 回路中，到加熱器的功率根據(jù)溫度變化。當(dāng)電弧室的溫度趨近于上限范圍 時，減小到加熱器的功率，相反地，當(dāng)溫度趨近于下限范圍時，則提高到 加熱器的功率。
即使沒有電弧室溫度的主動控制，仍舊可以限制注入機工作的功率范 圍。如果將電弧室的溫度保持在限定最小和最大源功率的400'C和550°C 內(nèi)，則其數(shù)值取決于熱電路的設(shè)計。存在有其中源在有限的功率范圍內(nèi)運 行，或者恒定功率下運行的應(yīng)用，諸如專門的注入機，對于這些應(yīng)用來說，不需要主動控制。主動控制使示例性系統(tǒng)能夠在更廣泛的功率范圍內(nèi)運行 -控制系統(tǒng)可以提供由功率擴展的此范圍。
從以上本發(fā)明的說明和優(yōu)選實施例中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將領(lǐng)會各種 改良、改變和修改。本領(lǐng)域內(nèi)的這些改良、改變和修改旨在由所附權(quán)利要 求涵蓋。
權(quán)利要求
1. 一種用于產(chǎn)生離子流的離子源，包括至少部分地界定電離區(qū)的鋁合金電弧室殼體，高能量電子從導(dǎo)熱體移動通過所述電離區(qū)以離子化注射到所述殼體內(nèi)部內(nèi)的氣體分子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的離子源，還包括控制電路，其將所述電弧室 殼體的操作溫度保持到40(rC-55(TC的范圍內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的離子源，其中所述控制電路包括用于監(jiān)測所 述電弧室殼體的溫度的溫度傳感器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的離子源，還包括a) 溫度傳感器，用于監(jiān)測所述電弧室殼體的多個溫度，并提供與感 測的溫度相關(guān)的信號；和b) 控制器，用于當(dāng)所述傳感器進行測量時監(jiān)測感測的溫度，并調(diào)節(jié) 所述溫度，以將所述感測的溫度保持在期望的溫度范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子源，其中所述控制器將所述期望的溫度 范圍保持在400攝氏度與500攝氏度之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子源，其中所述電弧室殼體包括支撐多個 電阻熱元件的多個通路，所述電阻熱元件連接到所述控制器，以便升高和 降低所述電弧室殼體的溫度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的離子源，其中所述電阻熱元件包括多個外部 柔性殼套，所述外部柔性殼套隨著溫度的變化而膨脹和收縮，以保持所述 殼體和所述電阻熱元件之間良好的熱傳遞。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的離子源，進一步包括支撐所述電弧室主體的 源塊，所述電弧室主體包括用于將氣態(tài)電離材料注射到所述電弧室殼體內(nèi) 部的烘箱，其中通過在所述電弧室殼體與所述源塊之間置入溫度絕緣隔熱 件將所述電弧室殼體與所述源塊間隔開。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的離子源，還包括支撐在鋁合金源塊內(nèi)用于將 氣態(tài)電離材料注射到所述電弧室內(nèi)的烘箱。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的離子源，其中所述烘箱包括用于接收冷卻 氣體的多個空腔，以便冷卻所述烘箱。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的離子源，進一步包括安裝到多個安裝支柱 的退出孔板，和包括用于抵靠所述電弧室殼體偏置所述孔板的多個彈簧。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的離子源，其中所述源塊具有多個定位銷， 所述定位銷接合在所述電弧室內(nèi)、沿中心線在多個間隔位置處的相對應(yīng)的 多個孔，同時允許所述電弧室主體在所述中心線的任意一側(cè)上膨脹和收縮。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的離子源，進一步包括具有基本上對齊所述 中心線的電弧縫的退出孔板，所述電弧室主體關(guān)于其發(fā)生膨脹和收縮。
14. 一種用于生成離子束的方法，所述方法包括以下步驟a) 通過將所述電弧室殼體安裝到源塊上以便相對于離子傳播路徑定 位所述電弧室殼體而定位鋁合金電弧室殼體，所述鋁合金電弧室殼體至少 部分地界定發(fā)射離子流的電離區(qū)；b) 通過從界定所述電離區(qū)的那些電子的加熱金屬源發(fā)射電子而引導(dǎo) 所述電子通過所述電離區(qū)；以及c) 從所述電弧室殼體發(fā)射電子，以形成射束。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括步驟控制施加到所述電弧 室的功率，以將所述感測的溫度保持在40(TC -550°。的溫度范圍內(nèi)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括步驟監(jiān)測所述電弧室殼體 的區(qū)域處的多個溫度，并提供用于確定將多少功率施加到所述電弧室的與 感測溫度相關(guān)的信號。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述定位的步驟包括相對于離子束傳播路徑固定源塊，和將所述電弧室主體沿中心線連接到所述源塊， 以允許所述電弧室主體隨溫度變化膨脹和收縮。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中通過導(dǎo)熱襯墊將所述源塊與所 述電弧室主體間隔開，所述導(dǎo)熱襯墊抑制在所述期望的溫度范圍的高端處 的溫度變化。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中通過控制器將所述溫度范圍保 持在400攝氏度與550攝氏度的范圍之間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中通過放置與所述電弧室主體接 觸的電阻加熱器并調(diào)節(jié)通過所述電阻加熱器的電流而控制所述電弧室殼體的溫度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中由包圍所述電阻加熱器的柔性 殼套保持所述電阻加熱器與所述殼體主體之間的熱傳導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于產(chǎn)生離子流的示例性離子源，所述離子源具有至少部分地界定電弧室的離子化區(qū)的鋁合金電弧室主體。電弧室主體和熱絲狀體電弧室殼體一起使用，所述熱絲狀體電弧室殼體或者直接或者間接地將陰極加熱到足夠的溫度，以使電子流動通過電弧室的離子化區(qū)。溫度傳感器監(jiān)測電弧室內(nèi)的溫度，并提供與感測的溫度相關(guān)的信號。當(dāng)傳感器進行測量時控制器監(jiān)測感測的溫度，并調(diào)節(jié)溫度以將感測的溫度保持在一范圍內(nèi)。
文檔編號H01J37/317GK101449354SQ200780018052
公開日2009年6月3日 申請日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者寶·梵德伯格, 約翰·法龍, 維特·班威尼斯特, 艾亞·波奇杜夫 申請人:艾克塞利斯科技公司