CN108475606A - 陶瓷离子源室 - Google Patents

Abstract

间接加热式阴极(IHC)离子源包括具有位于相对的两个端部上的阴极及斥拒极的离子源室。离子源室由具有非常低的导电率的陶瓷材料构造而成。导电衬垫可被插入至离子源室中且可覆盖离子源室的三个侧。衬垫可电连接至含有提取孔的面板。阴极与斥拒极的电连接穿过陶瓷材料中的孔。这样一来，由于不存在起弧的风险，因此，孔可尽可能地被制作成比原本小。在某些实施例中，电连接被模制至离子源室中或被压配合于孔中。此外，用于离子源室的陶瓷材料更耐用且向所提取离子束引入的污染物更少。

Description

陶瓷离子源室

技术领域

本发明的实施例涉及一种间接加热式阴极(indirectly heated cathode，IHC)离子源，且更具体来说，涉及一种由陶瓷材料制作的间接加热式阴极离子源室。

背景技术

间接加热式阴极(IHC)离子源通过将电流供应至安置于阴极后面的细丝而运作。所述细丝会发散朝阴极加速并对阴极进行加热的热离子电子(thermionic electron)，此转而会使阴极向离子源室中发出电子。阴极安置于离子源室的一个端部处。在离子源室的与阴极相对的端部上通常安置有斥拒极。可对斥拒极施加偏压以斥拒电子，从而将电子朝离子源室的中心向回引导。在某些实施例中，使用磁场来进一步将电子限定于离子源室内。电子会使得生成等离子体。接着，经由提取孔自离子源室提取离子。

离子源室通常由具有良好的导电率及高熔点的导电材料制成。离子源室可维持在某一电位(electrical potential)。另外，在离子源室内安置有阴极及斥拒极，且阴极与斥拒极通常维持在不同于离子源室的电位。此外，在离子源室的壁中生成有孔以使得能够实现与阴极及斥拒极的电连接。这些孔的大小被确定为使得不会在离子源室的壁和与阴极及斥拒极的电连接之间起弧。然而，这些孔也会使被引入至离子源室中的馈入气体逸出。

另外，用于制作离子源室的材料也可具有良好的导热率，这是因为离子源室的一个功能可为通过向较冷的表面进行传导而从室内移除热量。

因此，用于离子源室的材料通常具有高的熔点、良好的导电率及良好的导热率。在某些实施例中，使用例如钨(tungsten)及钼(molybdenum)等材料来构造离子源室。

与间接加热式阴极离子源相关联的一个问题在于用于构造离子源室的材料可能是昂贵的且难以机加工。另外，离子源室内产生的离子可造成离子源室的粒子被移除且被引入至所提取离子束中。因此，用于生成离子源室的材料可能会向所提取离子束中引入污染物。此外，馈入气体会经由为实现与阴极及斥拒极的电连接所生成的孔而发生损耗。

因此，其中用于构造离子源室的材料不会污染离子束的间接加热式阴极离子源将是有利的。此外，若可减小用于提供与阴极及斥拒极的电连接的开口或可将所述开口消除以减少从离子源室逸出的馈入气体的流量，则会有所益处。

发明内容

所述间接加热式阴极离子源包括具有位于相对的两个端部上的阴极及斥拒极的离子源室。所述离子源室由具有非常低的导电率的陶瓷材料构造而成。导电衬垫可被插入至所述离子源室中且可覆盖所述离子源室的至少三个侧。所述衬垫可电连接至含有提取孔的面板。阴极与斥拒极的电连接穿过陶瓷材料中的孔。这样一来，由于不存在短路或起弧的风险，因此，所述孔可尽可能地被制作成比原本小。在某些实施例中，导电件被模制至所述离子源室中或被压配合于所述孔中。此外，用于所述离子源室的陶瓷材料更耐用且向所提取离子束中引入的污染物更少。

根据一个实施例，公开了一种间接加热式阴极离子源。所述间接加热式阴极离子源包括：离子源室，气体被引入至所述离子源室中，所述离子源室由电绝缘材料构造而成且具有底部、两个相对的端部、及两个侧；阴极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的一者上；斥拒极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的第二者处；导电衬垫，覆盖所述离子源室的所述两个侧与所述底部中的至少一者；以及具有提取孔的面板，与所述离子源室的所述底部相对地安置。在某些实施例中，所述面板是导电性的，且所述导电衬垫电接触所述面板。在某些实施例中，所述导电衬垫电接触所述阴极。在某些实施例中，所述导电衬垫电接触所述斥拒极。在某些实施例中，所述间接加热式阴极离子源包括衬垫电源，其中所述导电衬垫电接触所述衬垫电源。在某些实施例中，所述电绝缘材料包括陶瓷材料。在某些实施例中，所述陶瓷材料包含氮化铝(aluminum nitride)。在某些实施例中，所述陶瓷材料选自由碳化硅(silicon carbide)、锆(zirconium)、碳化钇锆(yttrified-zironium carbide)及氧化锆(zirconium oxide)组成的群组。此外，在某些实施例中，所述导电衬垫包括三个平面段。在某些实施例中，所述导电衬垫具有U形状。

根据另一实施例，公开了一种间接加热式阴极离子源。所述间接加热式阴极源包括：离子源室，气体被引入至所述离子源室中，所述离子源室由陶瓷材料构造而成且具有底部、两个相对的端部及两个侧；阴极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的一者上；斥拒极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的第二者处；导电衬垫，覆盖所述离子源室的所述底部及所述两个侧；以及具有提取孔的导电面板，与所述离子源室的所述底部相对地安置且与所述导电衬垫电连通。

在另一实施例中，公开了一种与间接加热式阴极离子源一起使用的装置。所述装置包括：离子源室，由电绝缘材料构造而成且具有底部、两个相对的端部及两个侧；导电衬垫，覆盖所述离子源室的所述两个侧及所述底部中的至少一者；以及具有提取孔的面板，与所述离子源室的所述底部相对地安置。在某些实施例中，所述导电衬垫覆盖所述离子源室的所述底部及所述两个侧。

附图说明

为更好地理解本发明，请参照附图，所述附图并入本文供参考且在所述附图中：

图1是根据一个实施例的离子源。

图2A是根据第一实施例的具有衬垫的图1所示离子源的端视图。

图2B是根据第二实施例的具有衬垫的图1所示离子源的端视图。

图3是根据另一实施例的离子源。

图4是根据第三实施例的离子源。

图5是根据第四实施例的离子源。

图6A示出根据一个实施例的斥拒极及斥拒极的电连接的剖视图。

图6B示出根据第二实施例的斥拒极及斥拒极的电连接的剖视图。

具体实施方式

如上所述，间接加热式阴极离子源可能会因用于构造离子源室的材料而易于受到污染。此外，离子源室中的用于提供通往阴极与斥拒极的电连接的孔会使馈入气体逸出。

图1示出克服这些问题的间接加热式阴极离子源10的第一实施例。间接加热式阴极离子源10包括离子源室100，离子源室100具有两个相对的端部及连接至这些端部的侧102、103。离子源室100可由例如陶瓷材料等电绝缘材料构造而成。安置于离子源室100内的导电衬垫130可覆盖离子源室100的至少两个表面。举例来说，导电衬垫130可覆盖连接离子源室100的相对的端部的侧102、103。导电衬垫130也可覆盖离子源室100的底部101。在离子源室100的内部，在离子源室100的两个相对的端部中的一者处安置有阴极110。此阴极110与用于相对于导电衬垫130而对阴极110施加偏压的阴极电源115连通。在某些实施例中，阴极电源115可相对于导电衬垫130而对阴极110施加负偏压。举例来说，阴极电源115可具有处于0V至-150V范围内的输出，当然也可使用其他电压。在某些实施例中，相对于离子源室100的导电衬垫130而对阴极110施加介于0V与-40V之间的偏压。在阴极110后面安置有细丝160。细丝160与细丝电源165连通。细丝电源165用以经由细丝160传递电流，以使得细丝160发出热离子电子(thermionic electron)。阴极偏压电源116相对于阴极110对细丝160施加负偏压，因此当这些热离子电子撞击阴极110的后表面时，这些热离子电子会从细丝160朝阴极110加速并对阴极110进行加热。阴极偏压电源116可对细丝160施加偏压，以使得细丝160具有比阴极110的电压负300V至负600V之间的电压。接着阴极110在阴极110的前表面上向离子源室100中发出热离子电子。

因此，细丝电源165供应电流至细丝160。阴极偏压电源116对细丝160施加偏压以使得细丝160具有比阴极110更大的负值，进而使得电子从细丝160朝阴极110被吸引。最后，阴极电源115对阴极110施加比安置于离子源室100内的导电衬垫130更负的偏压。

在离子源室100内部，在离子源室100的与阴极110相对的一个端部上安置有斥拒极120。斥拒极120可与斥拒极电源125连通。顾名思义，斥拒极120用于将从阴极110发出的电子向回朝离子源室100的中心斥拒。举例来说，可相对于安置于离子源室100内的导电衬垫130而将斥拒极120偏压成负电压以斥拒电子。如同阴极电源115，斥拒极电源125可相对于位于离子源室100中的导电衬垫130而对斥拒极120施加负偏压。举例来说，斥拒极电源125可具有处于0V至-150V范围中的输出，当然也可使用其他电压。在某些实施例中，相对于安置于离子源室100内的导电衬垫130而将斥拒极120偏压至介于0V与-40V之间。

在某些实施例中，阴极110与斥拒极120可连接至共用电源。因此，在这一实施例中，阴极电源115与斥拒极电源125为同一电源。

尽管图中未示出，然而在某些实施例中，在离子源室100中产生磁场。这一磁场旨在沿一个方向约束电子。举例来说，电子可被约束于与从阴极110到斥拒极120的方向(即，y方向)平行的列中。

在离子源室100的顶部上可安置有包括提取孔145的面板140。在图1中，提取孔145安置于与X-Y平面(平行于页面)平行的面板140上。面板140可为例如钨(tungsten)等导电材料。此外，尽管图中未示出，然而间接加热式阴极离子源10还包括进气口(gas inlet)，欲被离子化的气体经由所述进气口被引入至离子源室100中。

控制器180可与所述电源中的一或多者连通以使得可修改由这些电源供应的电压或电流。控制器180可包括处理单元，例如微控制器、个人计算机、专用控制器或另一合适的处理器。控制器180也可包括非暂时性存储元件，例如半导体存储器、磁性存储器或另一合适的存储器。此非暂时性存储元件可含有使控制器180能够使细丝160、阴极110及斥拒极120维持适合电压的指令及其他数据。

在运作期间，细丝电源165经由细丝160传递电流，由此使细丝160发出热离子电子。这些电子撞击可具有比细丝160更大的正值的阴极110的后表面，从而使阴极110被加热，此转而使阴极110向离子源室100中发出电子。这些电子与经由进气口而被馈入至离子源室100中的气体分子碰撞。这些碰撞会生成离子，由此形成等离子体150。可通过由阴极110及斥拒极120生成的电场来约束及操控等离子体150。在某些实施例中，等离子体150被约束于离子源室100的中心附近，靠近提取孔145。接着，经由提取孔来将离子提取成离子束。

图2A示出显示导电衬垫130的第一实施例的端视图。在此实施例中，导电衬垫130覆盖离子源室100的两个侧102、103，且还覆盖底部101。底部101是与面板140相对的表面。在此实施例中，导电衬垫130是利用三个平面段131、132、133形成。这些段可形成一体或可为单独的。覆盖两个侧102、103的平面段131、132接触面板140且还接触覆盖底部101的平面段133。因此，所有的段都处于与面板140相同的电位。在其中各个段分别独立的实施例中，可通过使用干涉配合、弹簧或其他机制来确保各平面段之间的电连接。可以相同的方式实现面板140与平面段131、132之间的连接。面板140可为例如钨(tungsten)等导电材料。因此，通过对面板140施加电偏压，也可将导电衬垫130偏压至相同的电位。

因此，尽管图1示出阴极电源115及斥拒极电源125与导电衬垫130接触，然而在某些实施例中，这些电源实际上与面板140电接触。

图2B示出导电衬垫135的第二实施例。在此实施例中，导电衬垫135可为U形状，以使得所述衬垫覆盖离子源室100的侧102、103及底部101。如图中所见，导电衬垫135的圆形部分靠近离子源室100的底部101。如上所述，导电衬垫135可电接触面板140，且因此导电衬垫135维持在与面板140相同的电位。

图2A至图2B中所示的导电衬垫可覆盖离子源室100的两个侧102、103及底部101，而不覆盖离子源室100的两个端部。由于阴极110安置于离子源室100的一个端部上且斥拒极120安置于离子源室100的另一端部上，因此小面积的所暴露陶瓷材料将不会对等离子体150产生有害影响。此外，在某些实施例中，所述导电衬垫可覆盖少于这三个表面。举例来说，所述导电衬垫可覆盖两个侧102、103与底部101中的至少一者。

尽管以上公开内容阐述了其中导电衬垫130与面板140电连通的配置，然而也可具有其他实施例。

举例来说，在一个实施例中，导电衬垫130的一或多个段电连接至阴极110。换句话说，并非将导电衬垫130连接至面板140，而是将导电衬垫130连接至阴极110。可以包括干涉配合、弹簧或其他机制在内的多种方式来进行导电衬垫130与阴极110之间的连接。在某些实施例中，绝缘材料可沿离子源室100的顶部安置以确保导电衬垫130不会接触面板140。在另一实施例中，使用具有U形状且电连接至阴极110的导电衬垫135。图3示出其中阴极电源115以地为参考且阴极电源115用于为阴极110及导电衬垫130提供电位的实施例。斥拒极电源125可仍以导电衬垫130为参考，或可以另一电压为参考。

在另一实施例中，导电衬垫130的一或多个段电连接至斥拒极120。同样，在某些实施例中，可沿离子源室100的顶部安置绝缘材料以确保导电衬垫130不会接触面板140。在另一实施例中，使用具有U形状且电连接至斥拒极120的导电衬垫135。图4示出其中斥拒极电源125以地为参考且斥拒极电源125用于为斥拒极120及导电衬垫130提供电位的实施例。阴极电源115可仍以导电衬垫130为参考，或可以另一电压为参考。

在又一些实施例中，导电衬垫130的各平面段可连接至不同的电压。举例来说，一或多个段可连接至面板140、阴极110或斥拒极120。所述段中的另一者可连接至面板140、阴极110或斥拒极120中的另一者。

另外，在某些实施例中，导电衬垫130可与不同于面板140、阴极110或斥拒极120的电压连接。举例来说，如图5中所示，可存在例如经由离子源室100中的孔136而与导电衬垫130连通的衬垫电源137。

如上所述，离子源室100可由例如陶瓷材料等电绝缘材料构造而成。在某些实施例中，陶瓷材料可被选择成具有至少2000℃的熔点以承受在离子源室100内经受的极端温度。

另外，陶瓷材料通常具有例如以Mhos计为7或大于7高硬度值。这硬度使得陶瓷材料能够耐受反复的强烈清洗。此外，此可减少由离子源室100引入的污染物的量。

此外，在某些实施例中，陶瓷材料被选择成具有与用于构造离子源室100的传统材料(例如钨(tungsten)或钼(molybdenum))的导热率相似的导热率。这些金属具有介于135W/mK与175W/mK之间的导热率。此可使得离子源室能够通过与冷的表面进行对流而快速地移除热量。

在一个实施例中，陶瓷材料可为具有140W/mK至180W/mK的导热率的氮化铝(AlN)。当然，也可使用例如氧化铝(Al₂O₃)、碳化硅(silicon carbide)、锆(zirconium)、碳化钇锆(yttrified-zironium carbide)、及氧化锆(zirconium oxide)等其他陶瓷材料。

用于离子源室100的陶瓷材料具有比传统上使用的金属高得多的电阻率，例如1e14Ω-cm或大于1e14Ω-cm。因此，离子源室100中的用于容置阴极110及斥拒极120的电连接的孔可尽可能地被制作成比原本小。这是因为在离子源室100与电连接之间不存在起弧或短路的风险。

在一个实施例中，离子源室100中的孔的尺寸被确定成使得所述孔的直径实质上等于穿过所述孔的电连接或导电材料的直径。举例来说，如图6A中所示，斥拒极120可具有穿过离子源室100中的孔105的杆122。杆122可具有第一直径，而孔105可具有实质上等于第一直径的第二直径。举例来说，在某些实施例中，杆122与孔105之间的界面可为压配合或干涉配合。

图6B示出另一实施例。在此实施例中，杆122被模制成或以其他方式被形成为离子源室100的一部分，以使得根本不存在孔。在此实施例中，馈入气体无法从离子源室100逸出，这是因为在离子源室100中不存在开口。

尽管图6A至图6B示出斥拒极120，然而可以相同的方式容置阴极110与细丝160的电连接。因此，通过利用电绝缘材料来构造离子源室100，可减小用于电连接的孔的大小或消除用于电连接的孔，从而减小或尽可能地消除从离子源室100逸出的馈入气体的流量。举例来说，可将导电材料模制至离子源室100中。可对离子源室100的两个侧上的导电材料进行连接以接通电路(electrical circuit)。

因此，在某些实施例中，间接加热式阴极离子源10包括由电绝缘材料构造而成的离子源室100。离子源室100具有底部101、两个侧102、103及相对的端部。在离子源室100的相对的端部上安置有阴极110及斥拒极120。使用导电衬垫覆盖所述离子源室的两个侧102、103及底部101中的至少一者。视需要，所述衬垫也可覆盖离子源室100的端部的至少一部分。在某些实施例中，导电性的面板140安置于离子源室100的顶部上，且电接触所述导电衬垫。因此，这样一来，即使离子源室100本身并非导电性的，也可沿离子源室100的侧及底部建立电位。此外，由于不存在短路或起弧的风险，因此离子源室100中的供阴极110及斥拒极120的电连接或导电材料通过的孔可被制作得更小或被消除。

在其他实施例中，导电衬垫可电连接至不同的电压。举例来说，可存在向导电衬垫提供电位的单独的衬垫电源。在其他实施例中，导电衬垫的一或多个部分可电连接至斥拒极120或阴极110。

因此，所述间接加热式阴极离子源包括由电绝缘材料制成的具有底部、两个侧及两个相对的端部的离子源室。导电衬垫被安置成覆盖两个侧及底部中的至少一者。具有提取孔的面板与离子源室的底部相对地安置。导电衬垫连接至电源。

本申请中的上述实施例可具有许多优点。首先，相比于金属离子源室，对离子源室使用陶瓷材料可减少将污染物引入至所提取离子束中。此外，这些陶瓷材料可比目前用于离子源室的金属便宜。另外，这些陶瓷材料可能够耐受比传统材料更强烈的清洗。最后，使用电绝缘离子源室会使阴极及斥拒极的电连接所通过的孔被消除或大小减小。此可减少经由这些孔逸出的馈入气体的量。

本发明在范围上不受本文中所阐述的具体实施例限制。实际上，通过阅读以上说明及附图，对所属领域中的普通技术人员来说，除本文中所阐述的实施例及润饰外的本发明的其他各种实施例及对本发明的各种润饰也将显而易见。因此，这些其他实施例及润饰都旨在落于本发明的范围内。此外，尽管本文中已在用于具体目的的具体环境中的具体实作方式的上下文中阐述了本发明，然而所属领域中的普通技术人员将认识到，本发明各适用性并不仅限于此且本发明可出于任意数目的目的而有益地实作于任意数目的环境中。因此，以上提出的权利要求应虑及本文所阐述的本发明的全部广度及精神来加以解释。

Claims (15)

1.一种间接加热式阴极离子源，其特征在于，包括：

离子源室，气体被引入至所述离子源室中，所述离子源室由电绝缘材料构造而成且具有底部、两个相对的端部及两个侧；

阴极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的一者上；

斥拒极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的第二者处；

导电衬垫，覆盖所述离子源室的所述两个侧与所述底部中的至少一者；以及

具有提取孔的面板，与所述离子源室的所述底部相对地安置。

2.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述面板是导电性的，且所述导电衬垫电接触所述面板。

3.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述导电衬垫电接触所述阴极。

4.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述导电衬垫电接触所述斥拒极。

5.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，进一步包括衬垫电源，其中所述导电衬垫电接触所述衬垫电源。

6.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述电绝缘材料包括陶瓷材料。

7.根据权利要求6所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述陶瓷材料包含氮化铝。

8.根据权利要求6所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述陶瓷材料选自由碳化硅、锆、碳化钇锆及氧化锆组成的群组。

9.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述导电衬垫包括三个平面段。

10.根据权利要求1所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述导电衬垫具有U形状。

11.一种间接加热式阴极离子源，其特征在于，包括：

离子源室，气体被引入至所述离子源室中，所述离子源室由陶瓷材料构造而成且具有底部、两个相对的端部及两个侧；

阴极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的一者上；

斥拒极，安置于所述离子源室的所述两个相对的端部中的第二者处；

导电衬垫，覆盖所述离子源室的所述底部与所述两个侧；以及

具有提取孔的导电面板，与所述离子源室的所述底部相对地安置且与所述导电衬垫电连通。

12.根据权利要求11所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述导电衬垫包括三个平面段。

13.根据权利要求11所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述导电衬垫具有U形状。

14.根据权利要求11所述的间接加热式阴极离子源，其特征在于，所述陶瓷材料包含氮化铝。

15.一种与间接加热式阴极离子源一起使用的装置，其特征在于，包括：

离子源室，由电绝缘材料构造而成且具有底部、两个相对的端部及两个侧；

导电衬垫，覆盖所述离子源室的所述两个侧及所述底部中的至少一者；以及

具有提取孔的面板，与所述离子源室的所述底部相对地安置。