專(zhuān)利名稱：用于非直接加熱陰極式離子源的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子源，這種離子源適用于離子注入器，特別涉及那種帶有非直接加熱陰極的離子源。
離子注入器通常用帶有直熱陰極的離子源，其特征是一個(gè)發(fā)射電子的絲安裝在離子源的弧形腔室內(nèi)并暴露于一位于孤形腔室內(nèi)的高腐蝕的等離子體區(qū)。這種直接加熱陰極構(gòu)成一個(gè)直徑相對(duì)較小的導(dǎo)線絲，所以在弧形腔室的高腐蝕的環(huán)境中在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)就不能使用了。所以直接加熱陰極離子源的壽命受到限制。
在離子注入器中為了提高離子源的壽命，非直接加熱陰極離子源已經(jīng)發(fā)展起來(lái)。非直接加熱陰極包括一相對(duì)較大的陰極，陰極被來(lái)自絲極的電子轟擊加熱并放射熱電子。這種絲極與弧光腔室的等離子體隔離，這樣就能有一個(gè)長(zhǎng)的使用壽命。盡管陰極暴露于弧光腔室的的高腐蝕環(huán)境中，其相對(duì)較大的結(jié)構(gòu)能使其使用一個(gè)很長(zhǎng)的時(shí)期。
非直接加熱陰極式離子源的陰極必須與其周?chē)h(huán)境電絕緣并聯(lián)接到一電源上，還要與周?chē)h(huán)境熱絕緣以防使其溫度降低而不能發(fā)射電子。在公知的先前技術(shù)中，非直接加熱陰極是一個(gè)圓盤(pán)形的陰極，圓盤(pán)形陰極在其外周被一個(gè)直徑大體上與圓盤(pán)陰極相同的薄壁管支撐。這種管有一個(gè)很薄的壁以減少它的交叉接觸面積，這樣可減少?gòu)臒彡帢O的熱量散失。這種薄壁的典型特點(diǎn)是在其長(zhǎng)度方向上有挖去部分，這可起絕緣隔斷作用并可減少陰極的熱量散失。
這種用于支撐陰極的薄壁管不發(fā)射電子，但其有一個(gè)大的表面區(qū)域，大部分處于高溫狀態(tài)。這個(gè)區(qū)域通過(guò)輻射散失熱量，這是陰極散失熱量的主要途徑。大直徑的薄壁管一方面使其尺寸增加，另外還增加了安裝到陰極的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。一個(gè)公知的陰極支撐部件包括三個(gè)部分并需要螺紋聯(lián)接。
這種非直接加熱陰極式離子源典型的特征是包括一個(gè)絲極電源、一個(gè)偏置電源和一弧光電源的，還需要一個(gè)控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)這些電源。先前公知的用于非直接加熱陰極式離子源的控制系統(tǒng)是調(diào)節(jié)電源以獲得一個(gè)恒定弧光電流，應(yīng)用這種恒定弧光電流系統(tǒng)所帶來(lái)的一個(gè)麻煩是，如果束流管道被調(diào)諧，在束流管道下游端所測(cè)得的束流電流會(huì)增加，這種電流的增加要么是由于調(diào)諧使通過(guò)束流管道的電流傳輸率的增加引起的，要么是從離子源抽出的電流量增大引起的。既然束流電流和電流傳輸受到這么多參數(shù)的影響，調(diào)諧大束流電流傳輸是困難的。
先前用于直接加熱陰極式離子源的解決方法是控制恒定抽出電流源而不是控制恒定弧光電流源。在所有用于控制恒定抽出電流源的情況中，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一個(gè)陰極是直接加熱絲極的Bernas型離子源。
離子源控制器可以包括一個(gè)根據(jù)感應(yīng)束流電流和參考束流電流之間的差值來(lái)控制抽出束流電流的反饋裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，反饋裝置可以包括根據(jù)差值來(lái)控制由偏置電源提供的偏置電流的裝置。在另一個(gè)實(shí)施例中，反饋裝置可以包括根據(jù)差值來(lái)控制由絲極電源提供的絲極電流的裝置。反饋裝置可包括一個(gè)比例積分微分控制器?？梢酝ㄟ^(guò)感應(yīng)從離子源抽出的束流電流，和根據(jù)感應(yīng)束流電流跟參考束流電流之間的差值控制絲極和陰極之間的偏置電流，這樣來(lái)控制包括陰極和為陰極加熱的絲極的非直接加熱陰極式離子源。
在第一種算法中，從離子源抽出的束流電流被感測(cè)并且絲極和陰極之間的偏置電流是根據(jù)感應(yīng)束流電流和參考抽出電流之間的差值被控制的。這種算法還可以包括保持絲極電流和弧光電壓在一個(gè)恒定值，而不調(diào)節(jié)絲極電壓和弧光電流。
在第二種算法中，從離子源抽出的束流電流被感測(cè)并且通過(guò)絲極的絲極電流是根據(jù)感應(yīng)束流電流和參考抽出電流之間的差值被控制的。這種算法還可以包括保持偏置電流和弧光電壓在一個(gè)恒定值，而不調(diào)節(jié)偏置電壓和弧光電流。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一個(gè)用于控制非直接加熱陰極式離子源的方法包括感測(cè)從離子源抽出的束流電流，和根據(jù)感測(cè)束流電流和參考抽出電流之間的差值來(lái)控制從離子源抽出的束流電流。還根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)方面，一個(gè)用于控制從弧光腔室抽出的束流電流的方法包括，提供一個(gè)帶有抽出孔的用來(lái)確定一弧光腔室的弧光腔室殼體；一個(gè)安裝于弧光腔室外面并位于抽出孔前面的抽出電極；一個(gè)安裝于弧光腔室內(nèi)的非直接加熱陰極；一個(gè)用于加熱陰極的絲極；一個(gè)提供絲極加熱電流的絲極電源；一個(gè)聯(lián)接在絲極和陰極之間的偏置電源；一個(gè)聯(lián)接在陰極和弧光腔室殼體之間的弧光電源；一個(gè)用于從弧光腔室抽出具有束流電流的離子束流的并且聯(lián)接在弧光腔室殼體和抽出電極之間的抽出電源；和一個(gè)根據(jù)由抽出電源所提供的抽出電流來(lái)控制從弧光腔室抽出的束流電流和所期望的電流相同或和所期望的電流水平接近的離子源控制器。


為更好地理解本發(fā)明，請(qǐng)參照附圖，本發(fā)明的附圖合并在此它們是圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的非直接加熱陰極式離子源的方框圖；圖2A和圖2B分別是如圖1所示的陰極的正視圖和透視圖；圖3A至圖3D分別是如圖1所示的離子源的絲極的透視圖、正視圖、腑視圖和側(cè)視圖；圖4A至圖4C分別是如圖1所示的離子源的陰極絕緣器件的透視圖、剖面圖和局部剖面圖；圖5概要示出了離子源控制器的用于控制抽出電流的反饋回路；圖6概要示出了根據(jù)第一種控制算法的圖1所示離子源控制器的運(yùn)算關(guān)系；和圖7概要示出了根據(jù)第二種控制算法的圖1所示離子源控制器的工作關(guān)系。
發(fā)明詳述圖1示出了一根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的非直接加熱式離子源。帶有一抽出孔12的一弧光腔室殼體10確定了一弧光腔室14。一陰極20和一個(gè)反射電極22安裝在弧光腔室14內(nèi)。反射電極22是電絕緣的。一陰極絕緣器件24使陰極20和弧光腔室殼體10電絕緣和熱絕緣。陰極20和絕緣器件24被空間間隙開(kāi)，以防熱量傳導(dǎo)。
一安裝在弧光腔室14外并與陰極20非常接近的絲極30給陰極20加熱。
電離氣體通過(guò)一氣體入口34由氣體源32傳入弧光腔室12。在另一未示出的結(jié)構(gòu)中，弧光腔室14可以和一汽化器結(jié)合，汽化器能汽化一種在弧光腔室內(nèi)能電離的的物質(zhì)。
一弧光電源50包括一聯(lián)接到弧光腔室殼體10的正極和一聯(lián)接到陰極20的負(fù)極?；」怆娫?0具有電壓100伏、電流10安培的額定值，也可工作有50伏。弧光電源50加速由陰極20發(fā)射出的電子進(jìn)入弧光腔室內(nèi)的等離子區(qū)。一偏置電源52包括一聯(lián)接到陰極20的正極和一聯(lián)接到絲極30的負(fù)極。偏置電源52可工作在電壓為600伏電流為4安培的額定值，也可工作在電流大約為2安培和電壓大約為400伏。偏置電源52加速由絲極30發(fā)射的電子到陰極20以便給陰極20加熱。一絲極電源54有一聯(lián)接到絲極30的輸出電極。絲極電源54可工作在電壓為5伏電流為200安培的額定值，也可工作在絲極電流大約為150至160安培的范圍。絲極電源54給絲極30加熱，這樣就能產(chǎn)生向陰極20加速的電子以便給陰極20加熱。一磁體60產(chǎn)生在弧光腔室14內(nèi)的磁場(chǎng)B，磁場(chǎng)的方向如箭頭62所示。磁場(chǎng)B的方向也可以是反方向的，這對(duì)離子源的工作沒(méi)有影響。
一抽出電極，在這里為地極70，和一抑制電極72，它們安裝在抽出孔12的前面。地極70和抑制極72分別有一個(gè)孔，這些孔和抽出孔12對(duì)準(zhǔn)以便更好地限定離子束74。
抽出電源80包括一個(gè)穿過(guò)一通用傳感電阻110聯(lián)接到弧光腔室殼體10的正極和聯(lián)接到地極70的負(fù)極。抽出電源80可工作在電壓為70千伏(kV)電流為25至200毫安培的額定值。抽出電源80提供從弧光腔室14抽出離子束74的抽出電壓。抽出電壓可以根據(jù)離子束74中的離子的能量要求被調(diào)節(jié)。
抑制電源82包括一聯(lián)接到抑制電極72的負(fù)極和一接地的正極。抑制電源82可以輸出-2kV至-30kV的電壓。負(fù)向偏置的抑制電極72抑制離子束74中的離子移動(dòng)。應(yīng)當(dāng)明白，電源50、52、54、80和82的額定電壓和額定電流以及工作電壓和電流在這里只是以舉例的方式給出，并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
離子源控制器100控制離子源。離子源控制器100可以是一個(gè)程序化的控制器也可以是一個(gè)特殊目的的控制器。在優(yōu)選的實(shí)施例中，離子源控制器100是和離子注入器的主控制計(jì)算機(jī)合并在一起的。
離子源控制器100控制弧光電源50、偏置電源52和絲極電源54以產(chǎn)生從離子源抽出的一理想抽出離子電流。通過(guò)調(diào)整從離子源抽出的抽出電流，使離子束被調(diào)諧至最佳傳送狀態(tài)，有利于離子源的壽命和減少缺陷，因?yàn)殡x子束較少產(chǎn)生微粒和離子束的損耗減少，所以污染少并能改善維護(hù)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能比較快地調(diào)諧離子束。
離子源控制器100可以接收線102和線104上的電流傳感信號(hào)，這個(gè)電流信號(hào)為由抽出電源80提供的抽出電流IE。電流感應(yīng)電阻110與抽出電源80的一根電源引線串聯(lián)以感應(yīng)抽出電流IE。另一種設(shè)置方式是，抽出電源80可以設(shè)計(jì)成在線112上提供一電流感應(yīng)信號(hào)來(lái)代表抽出電流IE。抽出電源80根據(jù)離子束74的束流電流提供抽出電流IE。離子源控制器100還接收參考電流信號(hào)IEREF，這個(gè)信號(hào)代表理想的抽出電流。離子源控制器100比較感應(yīng)抽出電流IE和參考抽出電流IEREF，得到一個(gè)差值，這個(gè)差值可以是正也可以是負(fù)或者是零。
一個(gè)控制算法根據(jù)差值來(lái)調(diào)節(jié)電源的輸出?？刂扑惴ǖ囊粋€(gè)實(shí)施例是用一個(gè)如圖5所示的比例積分微分(PID)回路，PID回路的作用是維持產(chǎn)生離子束的抽出電流IE在參考抽出電流IEREF附近。PID回路通過(guò)不斷調(diào)節(jié)PID計(jì)算部分224的輸出來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)感應(yīng)抽出電流IE不斷接近于參考抽出電流IEREF。PID計(jì)算部分224從離子產(chǎn)生裝置230(圖1)接受反饋的差額電流信號(hào)IEERROR，IEERROR是感應(yīng)抽出電流IE和參考抽出電流IEREF之差。PID回路的輸出可以從離子源控制器100至弧光電源50、偏置電源52和絲極電源54以保持抽出電流IE接近參考抽出電流IEREF。
根據(jù)第一種控制算法，由偏置電源52(圖1)提供的偏置電流IB根據(jù)抽出電流差值IEERROR的變化而變化，這樣就能控制抽出電流IE與參考抽出電流IEREF相同或接近。偏置電流IB代表由絲極30流向陰極20的電子流。特別地，有時(shí)為增加抽出電流IE偏置電流IB會(huì)增加，和有時(shí)為減小抽出電流IE偏置電流IB會(huì)減小。偏置電壓VB是不固定的并根據(jù)所需偏置電流IB的不同而變化。另外，根據(jù)第一種控制算法，由絲極電源54提供的絲極電流IF保持在一恒定值，絲極電壓VF是不固定的，而由弧光電源50提供的弧光電壓VA保護(hù)一恒定值，弧光電流IA是不固定的。第一種控制算法的優(yōu)點(diǎn)是性能好、簡(jiǎn)單和低成本。
根據(jù)第一種控制算法的離子源控制器100的工作方式在圖6中被概要示出。輸入端的在圖1中標(biāo)名的電壓V1、V2和電阻R用于抽出電流計(jì)算部件220的計(jì)算。當(dāng)輸入電阻R基于電阻110(圖1)的值時(shí)，輸入電壓V1和V2被計(jì)算出一個(gè)值。感應(yīng)抽出電流是按下述公式計(jì)算的IE＝(V1-V2)/R。如果抽出電源80設(shè)計(jì)成能向離子源控制器100提供一能代表抽出電流IE的電流感應(yīng)信號(hào)，上面的計(jì)算可被省略。感應(yīng)抽出電流IE和參考抽出電流IEREF輸入到差值部件222。參考抽出電流IEREF是根據(jù)所需要的抽出電流設(shè)定的一個(gè)值。抽出電流的差值IEERROR為感應(yīng)抽出電流IE減去參考抽出電流IEREF的差值，按下述公式計(jì)算IEERROR＝IE-IEREF。抽出電流的差值IEERROR和三個(gè)控制參數(shù)(KPB、KIB和KDB)被輸入到PID計(jì)算部件224a。三個(gè)控制參數(shù)被優(yōu)化以得到一最佳控制結(jié)果。特別地，KPB、KIB和KDB要精心選擇，以便產(chǎn)生對(duì)容許上升時(shí)間、過(guò)沖和恒穩(wěn)態(tài)誤差有瞬態(tài)響應(yīng)的控制系統(tǒng)。PID計(jì)算部件的輸出信號(hào)按下述公式確定Ob(t)＝KPBe(t)+KIBe(t)dt+KDBde(t)/dt其中e(t)是瞬時(shí)抽出電流差值，Ob(t)是瞬時(shí)輸出控制信號(hào)。瞬時(shí)輸出信號(hào)Ob(t)輸入到偏置電源52，并提供一個(gè)信號(hào)，根據(jù)這個(gè)信號(hào)偏置電流IB可調(diào)節(jié)至使抽出電流差值最小。輸出控制信號(hào)Ob(t)的幅值和極性根據(jù)偏置電源52的控制需要而確定。然而一般情況下，當(dāng)感應(yīng)抽出電流IE比參考抽出電流IEREF小時(shí)輸出控制信號(hào)Ob(t)會(huì)引起偏置電流IB的增加，當(dāng)感應(yīng)抽出電流IE比參考抽出電流IEREF大時(shí)輸出控制信號(hào)Ob(t)會(huì)引起偏置電流IB的減小。
絲極電流IF和弧光電壓VA由絲極和弧光電源控制器225控制保持在一個(gè)恒定值，如圖6所示。根據(jù)離子源工作條件的需要所選擇的控制參數(shù)被輸入到絲極和弧光電源控制器225。由控制器225輸出的控制信號(hào)Of(t)和Oa(t)分別輸入到絲極電源54和弧光電源50。
根據(jù)第二種算法，由絲極電源54(圖1)輸出的絲極電流IF根據(jù)抽出電流差值IEERROR的不同而變化，這樣以控制抽出電流IE等于或接近于參考抽出電流IEREF。特別地，為使抽出電流IE增加絲極電流IF會(huì)減小，和為使抽出電流IE減小絲極電流IF會(huì)增加。絲極電壓VF是不變的。另外，根據(jù)第二種算法，由偏置電源52輸出的偏置電流IB保持恒定值，偏置電壓VB不變，和由弧光電源50提供的電壓VA保持恒定值，弧光電流IA不變。
根據(jù)第二種控制算法的離子源控制器100的工作方式在圖7中被概要示出。抽出電流計(jì)算部件220的工作如第一種控制算法那樣，也是基于電壓V1、V2和電阻R來(lái)確定一感應(yīng)抽出電流IE。感應(yīng)抽出電流IE和參考抽出電流IEREF輸入到差值計(jì)算部件226。抽出電流差值IEERROR是參考抽出電流IEREF減去感應(yīng)抽出電流IE的差值，按下述公式計(jì)算IEERROR＝IEREF-IE。這個(gè)計(jì)算不同于第一種算法的差值計(jì)算，在這兒運(yùn)算數(shù)是相反的。運(yùn)算數(shù)相反是為了控制回路產(chǎn)生一個(gè)抽出電流IE與控制變量(在這里是IF)之間的相反的關(guān)系，而不同于第一種算法的直接關(guān)系。抽出電流差值IEERROR和三個(gè)控制參數(shù)輸入到PID計(jì)算部件224b。參數(shù)KPF、KIF和KDF不需要與第一種算法的控制參數(shù)有相同的值，因?yàn)樗鼈兪歉鶕?jù)第二種控制算法選擇的以使離子源工作在最佳狀態(tài)的參數(shù)。然而，PID計(jì)算部件224b可以是相同的，按如下公式計(jì)算OF(t)＝KPFe(t)+KIFe(t)dt+KDFde(t)/dt一個(gè)瞬時(shí)輸出控制信號(hào)OF(t)提供給絲極電源，并提供一個(gè)信號(hào)，根據(jù)這個(gè)信號(hào)絲極電流IF被調(diào)節(jié)以使抽出電流差值最小。輸出控制信號(hào)OF(t)的幅值和極性根據(jù)絲極電源54的控制需要確定。然而一般情況下，當(dāng)感應(yīng)抽出電流IE比參考抽出電流IEREF小時(shí)輸出控制信號(hào)OF(t)會(huì)引起絲極電流IF的減小；當(dāng)感應(yīng)抽出電流IE比參考抽出電流IEREF大時(shí)輸出控制信號(hào)OF(t)會(huì)引起絲極電流IF的增加。
偏置電流IB和弧光電壓VA由偏置和弧光電源控制器229控制保持在一個(gè)恒定值，如圖7所示。根據(jù)離子源工作條件的需要所選擇的控制參數(shù)被輸入到偏置和弧光電源控制器229。由控制器229輸出的控制信號(hào)OB(t)和OA(t)分別輸入到偏置電源52和弧光電源50。
應(yīng)當(dāng)清楚，盡管第一種控制算法和第二種控制算法分別概要示出，離子源控制器100可被設(shè)計(jì)成能完成兩種算法之一或兩種算法都能完成。在這種情況下，離子源控制器100能執(zhí)行兩種算法，可以設(shè)計(jì)一個(gè)裝置來(lái)選擇某一特定算法，這由控制器100來(lái)執(zhí)行。應(yīng)當(dāng)清楚，不同的控制算法可用于控制非直接加熱式陰極離子源的抽出電流。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，這種控制算法在控制器100中由軟件來(lái)執(zhí)行。然而也可以用一個(gè)微程序化的或布線的硬件控制器來(lái)執(zhí)行。
當(dāng)離子源工作時(shí)，絲極30在絲極電流IF的作用下被加熱至熱電子的發(fā)射溫度，這個(gè)溫度大約在2200℃。絲極30發(fā)射的電子被絲極30和陰極20兩端的偏置電壓VB加速，加速的電子轟擊陰極20并為其加熱。陰極20被電子轟擊并被加熱至熱電子發(fā)射溫度。由陰極20發(fā)射的電子被弧光電壓VA加速，加速的電子在弧光腔室14內(nèi)把從氣體源32送來(lái)的氣體分子離子化，并產(chǎn)生等離子體放電?；」馇皇覂?nèi)的電子在磁場(chǎng)B的作用下旋轉(zhuǎn)。反射極22在入射電子的作用下堆積了負(fù)電荷，最終有相當(dāng)多的負(fù)電荷在弧光腔室14內(nèi)來(lái)回反射電子，以產(chǎn)生另外的離子化碰撞。圖1所示的離子源與直接加熱陰極式離子源相比延長(zhǎng)了壽命，這是因?yàn)榻z極30沒(méi)有安裝在弧光腔室的等離子體區(qū)內(nèi)和陰極20比傳統(tǒng)的直接加熱陰極大。
一個(gè)非直接加熱陰極20的實(shí)施例在圖2A和圖2B中被示出。圖2A是側(cè)視圖，圖2B是陰極20的透視圖。陰極20可以是盤(pán)狀并與支撐桿150聯(lián)接。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐桿150聯(lián)接到盤(pán)形陰極20的中心，并且支撐桿的直徑比陰極20的直徑要小，這樣可以減少溫度的傳導(dǎo)和輻射。在另一個(gè)實(shí)施例中，可用多個(gè)支撐桿聯(lián)接到陰極20上。例如，可以選擇與第一支撐桿在盡寸和形狀上不相同的第二支撐桿，將其聯(lián)接到陰極20上，這樣可以防止陰極20的錯(cuò)誤安裝。包括陰極20和支撐桿150的一個(gè)陰極分裝置用彈簧夾152支撐在弧光腔室14(圖1)內(nèi)。彈簧夾152在空間上固定支撐桿150，而彈簧夾自身在空間上被一支撐機(jī)構(gòu)(未示出)固定在弧光腔室上。如圖1所示，支撐桿150為陰極20提供一機(jī)械支撐，并提供與弧光電源50和偏置電源52的電聯(lián)接。因?yàn)橹螚U150有一個(gè)相對(duì)小的直徑，所以熱傳導(dǎo)和熱輻射會(huì)減少。
在一個(gè)實(shí)施例中，陰極20和支撐桿150由鎢制造而成并可制造成一體部件。在這個(gè)實(shí)施例中，陰極20的直徑為0.75英寸，厚度為0.2英寸。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐桿150的長(zhǎng)度為0.5至3英寸之間。例如，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，支撐桿150的長(zhǎng)度為大約1.75英寸，直徑大約在0.04至0.25英寸之間的范圍。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，支撐桿150的直徑為大約0.125英寸。一般情況下，支撐桿直徑比陰極20的直徑小。例如，陰極20的直徑至少為支撐桿150的直徑的4倍以上。在一優(yōu)選實(shí)施例中，陰極20的直徑大約為支撐桿150的直徑的6倍以上。應(yīng)當(dāng)清楚，這些尺寸只是以舉例的方式給出，而并不把本發(fā)明的保護(hù)范圍限定于此。在另一實(shí)施例中，陰極20和支撐桿150被制成分體部件，并把它們擠壓裝配在一起。
一般情況下，支撐桿150為立體圓柱結(jié)構(gòu)，并且至少一個(gè)支撐桿150來(lái)支撐陰極20，并把電能傳導(dǎo)至陰極20。在一個(gè)實(shí)施例中，圓柱支撐桿150的直徑在其長(zhǎng)度方向上是不變的。在另一個(gè)實(shí)施例中，支撐桿150也可以是立體圓柱結(jié)構(gòu)，但支撐桿150的直徑沿其長(zhǎng)度方向的位置不同而有所變化。例如，支撐桿150的直徑在沿其長(zhǎng)度方向的末端最小，這樣可以增強(qiáng)支撐桿150和陰極20之間的熱絕緣。支撐桿150安裝到陰極20的背向弧光腔室的一個(gè)表面上。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，支撐桿150安裝在靠近陰極20的中心位置。
絲極30的一個(gè)實(shí)施例如圖3A至3D所示。在這個(gè)實(shí)施例中，絲極30由導(dǎo)線制成并包括一個(gè)加熱圈和聯(lián)接線172、174。為使絲極30與如圖1所示的絲極電源54聯(lián)接，聯(lián)接線172和174有合適的彎曲。在圖3A至3D的實(shí)施例中，加熱圈170制作成一個(gè)圓弧形彎曲，并且圓弧形彎曲的內(nèi)直徑大于或等于支撐桿150的直徑。在圖3A至3D的實(shí)施例中，加熱圈170的內(nèi)直徑為0.36英寸，外直徑為0.54英寸。絲極30可由直徑為0.090英寸的鎢絲制成。優(yōu)選地，在沿加熱圈170的長(zhǎng)度方向上并在靠近陰極20(圖1)的附近處，鎢絲的截面積減小。例如，沿弧形彎曲處鎢絲的直徑可被減小到較小直徑，通常為0.075英寸，這樣在靠近陰極20的地方可以增加電阻和增強(qiáng)加熱，并且還可增強(qiáng)對(duì)聯(lián)接線72和74的加熱。優(yōu)選地，加熱圈170在空間上離陰極20大約為0.020英寸。
陰極絕緣器件24的一個(gè)實(shí)施例如圖4A至4C所示。正如圖所示，絕緣器件24是一個(gè)帶有為容納陰極20的一個(gè)中心開(kāi)口200的總體上為環(huán)狀的結(jié)構(gòu)。絕緣器件24被制成能使陰極20與弧光腔室殼體10(圖1)電絕緣和熱絕緣的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，中心開(kāi)口200的尺寸比陰極20稍大一點(diǎn)，這樣可以在絕緣器件24和陰極20之間提供一個(gè)空間間隙以防止熱的傳導(dǎo)。絕緣器件24也可以有一個(gè)法蘭202，它可以為絕緣器件24的側(cè)壁204遮護(hù)弧光腔室14(圖1)內(nèi)的等離子體。法蘭202在背離等離子體的一面開(kāi)有一個(gè)槽206，這個(gè)槽可以增加陰極20和弧光腔室殼體10之間的路徑長(zhǎng)度。這種絕緣器件的設(shè)計(jì)可以減少絕緣器件上的沉淀物所引起的陰極20與弧光腔殼體10之間的短路危險(xiǎn)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，陰極絕緣器件24由氮化硼制成。
在這兒已經(jīng)示出和描述了目前認(rèn)為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)清楚，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍的條件下，可以對(duì)本發(fā)明作出各種變化和修改。更應(yīng)當(dāng)清楚，在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)對(duì)所描述的技術(shù)特征可以分離應(yīng)用和組合應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種非直接加熱陰極式離子源，其包括帶有抽出孔的用來(lái)確定弧光腔室的弧光腔室殼體；在抽出孔前面位于弧光腔室外的抽出電極；安裝于弧光腔室內(nèi)的非直接加熱陰極；用于加熱陰極的絲極；絲極電源提供為絲極加熱的電流；偏置電源聯(lián)接在絲極和陰極之間；弧光電源聯(lián)接在陰極和弧光腔室殼體之間；抽出電源聯(lián)接在弧光腔室殼體和抽出電極之間，用于從弧光腔室抽出具有束流電流的離子束；離子源控制器，用于控制從弧光腔室抽出的束流電流等于或接近參考抽出電流。
2.如權(quán)利要求1所述的離子源，其特征在于所說(shuō)的離子源控制器包括根據(jù)感應(yīng)束流電流和參考束流電流之間的差值來(lái)控制抽出束流電流的部件。
3.如權(quán)利要求2所述的離子源，其特征于所說(shuō)的反饋部件包括根據(jù)差值電流來(lái)控制由所說(shuō)的偏置電源提供的偏置電流的部件。
4.如權(quán)利要求2所述的離子源，其特征于所說(shuō)的反饋部件包括根據(jù)差值電流來(lái)控制由所說(shuō)的絲極電源提供的絲極電流的部件。
5.如權(quán)利要求2所述的離子源，還包括用于感測(cè)能代表抽出束流電流的抽出電源電流的抽出電流傳感器。
6.如權(quán)利要求2所述的離子源，其特征在于所說(shuō)的反饋部件包括比例積分微分控制器。
7.如權(quán)利要求1所述的離子源，還包括位于弧光腔室殼體和抽出電極之間的抑制電極；和聯(lián)接在抑制電極和地之間的抑制電源。
8.一種用于控制具有陰極和為陰極加熱的絲極的非直接加熱式離子源的方法，所說(shuō)的方法包括下述步驟感測(cè)從離子源抽出的束流電流；和根據(jù)感應(yīng)束流電流和參考束流電流之間的差值來(lái)控制絲極和陰極之間的偏置電流。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括下述步驟保持絲極電流在一恒定值；和保持弧光電壓在一恒定值；其中絲極電壓和弧光電流不用被調(diào)節(jié)。
10.一種用于控制具有陰極和為陰極加熱的絲極的非直接加熱式離子源的方法，所說(shuō)的方法包括下述步驟感測(cè)從離子源抽出的束流電流；和根據(jù)感應(yīng)束流電流和參考束流電流之間的差值來(lái)控制流過(guò)絲極的絲極電流。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括下述步驟保持偏置電流在一恒定值；和保持弧光電壓在一恒定值；其中偏置電壓和弧光電流不用被調(diào)節(jié)。
12.一種用于控制具有陰極和為陰極加熱的絲極的非直接加熱式離子源的方法，所說(shuō)的方法包括下述步驟感測(cè)從離子源抽出的束流電流；和根據(jù)感應(yīng)束流電流和參考束流電流之間的差值來(lái)控制從離子源抽出的束流電流。
13.一種用于控制從弧光腔室抽出的束流電流的方法，包括如下步驟提供具有抽出孔的用來(lái)確定弧光腔室的弧光腔室殼體；提供在抽出孔前面并位于弧光腔室之外的抽出電極；提供安裝在弧光腔室內(nèi)的非直接加熱陰極；提供用于為陰極加熱的絲極；提供輸出絲極加熱電流的絲極電源；提供聯(lián)接在絲極和陰極之間的偏置電源；提供聯(lián)接在陰極和弧光腔室殼體之間的弧光電源；提供聯(lián)接在弧光腔室殼體和抽出電極之間的抽出電源，用來(lái)從弧光腔室抽出具有束流電流的離子束；提供根據(jù)由抽出電源輸出的抽出電流，來(lái)控制從弧光腔室抽出的束流電流等于或接近所希望的電流的離子源控制器。
全文摘要
一非直接加熱陰極式離子源，包括一個(gè)用于感測(cè)從弧光腔室抽出離子電流的抽出電流傳感器和一個(gè)用于控制絲極電源、偏置電源和/或弧光電源的離子源控制器。離子源控制器可以比較感應(yīng)抽出電流和參考抽出電流并計(jì)算出感應(yīng)抽出電流和參考抽出電流之間的差值?？刂品侵苯蛹訜彡帢O式離子源的各個(gè)電源以使差值最小，這樣就能使抽出電流基本上保持在一個(gè)恒定值。離子源控制器用一種控制算法，如一個(gè)閉合反饋回路，根據(jù)差值來(lái)控制各個(gè)電源。在第一種算法中，由偏置電源提供的偏置電流I
文檔編號(hào)H01J37/08GK1428001SQ01808943
公開(kāi)日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2001年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月17日
發(fā)明者約瑟夫·C·奧利桑, 丹尼爾·迪斯塔索, 安東尼·麗奧 申請(qǐng)人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備聯(lián)合公司