CN1195261A - 用于离子源的旁热式阴极的端帽 - Google Patents

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Abstract

离子注入机用的离子源,包括限定气体电离区的导电室壁的气封室,其出口允许离子射出。基板使气封室对着将射出的离子形成离子束的结构配置。阴极一部分伸入气封室的开口中。阴极包括置有灯丝的内部区域的阴极体。阴极体包括内管件、同轴的外管件和端帽。端帽具有带径向延伸凸缘的横截面减小的主体部分。端帽压入内管件。给灯丝供电以加热该端帽,使其发射电子至电离区。该灯丝受阴极体保护,可免受气体电离区中激发等离子体的影响。

Description

用于离子源的旁热式阴极的端帽
本申请是1996年10月30日提出申请的、题为“用于带有旁热式阴极的离子源的阴极固定”的US专利申请系列NO.08/740,478的连续部分。
本发明涉及具有能发射离子以形成用于工件的离子束处理的离子束的离子发生源的离子注入机，更确切地说，涉及用于离子源发生的旁热式阴极的端帽(endcap)。
离子注入机是通过用离子束轰击晶片来处理硅晶片的。该离子束用受控浓度的杂质来掺杂晶片，以生产随后用于制造集成电路的半导体晶片。在这样的注入机中，一个重要的因素是生产量或在给定时间内能处理的晶片数量。
大电流离子注入机包括一个用于移动多个硅晶片通过离子束的转盘支架。当支架旋转晶片通过离子束时，离子束撞击晶片表面。
介质流注入机一次处理一个晶片。晶片被支撑在一盒子里，并且一次取出一个放在台板上。然后，晶片向着注入方向定位，以使离子束能撞击该单个晶片。这些介质流注入机使用束形电子设备使较窄的离子束偏离其初始轨迹，用于选择性地掺杂或处理整个晶片表面。
用在已有注入机中，用于发射离子束的离子源一般包括随使用而趋于变差的旁热式灯丝阴极(heated filament cathode)。使用较短时间后，该灯丝阴极就必须更换，以使再次产生足够效率的离子。延长灯丝阴极的替换间隔时间，就能增加注入晶片的次数，从而也就提高了注入机的效率。
授予Sferlazzo等人的U.S专利No.5,497,006(这以后称为“006专利”)，涉及具有由一基板支撑的、并对着气封或放电室设置的、用于把致电离电子(ionizing electrons)射入气封室中的阴极的离子源。该“006专利”的阴极是一管形导电体和部分伸入气封室中的端帽。灯丝支撑在管形导电体里面并发射电子，通过电子轰击加热端帽，从而热电子发射产生致电离电子进入气封室中。
本发明涉及使用新的和改进的离子发生源的离子注入机。本发明的离子发生源使用了一个能屏蔽阴极灯丝免受等离子束轰击的阴极。该阴极与现有技术中的离子注入机相比，具有增加了的使用寿命。本发明的阴极，与浸没式阴极灯丝相比，加强了防止等离子体的溅射。
根据本发明构成的离子源包括一气封或放电室，其室壁限定了一个气体电离区，还包括一个允许离子射出气封室的出口。一气体输送系统把可电离气体输送到该气封室中。一基板在对着用于在离子射出气封室时形成离子束的装置的位置支撑着气封室。
阴极对着所述气封室的电离区配置，用于发射致电离电子进入气封室的电离区。一绝缘体固定在气封室上，用于支撑该阴极并实现气封室与阴极的电绝缘。该阴极包括一个导电阴极体，该阴极体限定一内部区，并具有一延伸进所述气封室内部的外表面。一灯丝由绝缘体在所述阴极的导电体内部区中的一个位置支撑着，用于加热导电阴极体的端帽，以从该端帽发射致电离电子进入所述气封室中。
该绝缘体既要对准对着气封室的阴极，又能使灯丝与阴极体电绝缘。较好的绝缘体是由氧化铝构成的陶瓷块。这个陶瓷块包括一个限定凹槽的绝缘体本体，这些凹槽从该绝缘体本体的裸露表面向内延伸，用以在离子源工作过程中，阻止该裸露表面被离子源发射的材料涂覆。这个绝缘体的设计已减少了由于在该绝缘体上沉积导电材料而引起的离子源出现故障。
该阴极体包括一内管件或内管、一外管件或外管和一端帽。该阴极体的末端部分通过一个开口延伸到该气封室中。该阴极体由一个依次固定在绝缘体上的金属固定块支撑。最好是由钼合金制成的内管件，在该旁热式阴极端帽和金属固定块之间起热阻断的作用。内管件包括在其外表面上的螺纹部分，该部分旋入金属固定块中。内管件的末端内表面被扩孔，确定一容纳端帽的扩孔区，并包括一锥形径向生刺或向内延伸的隆起。最好也是由钼合金构成的外管件，起保护内管件不受气封室中的激发等离子体的作用。外管件包括在其内表面上的螺纹部分，该部分与内管件啮合以把该外管件固定在应有位置上。
端帽是圆柱形的并包括由主体部分隔开的第一端和第二端。该主体部分包括一个从主体部分的中部向外延伸的径向凸缘。端帽最好是由锻压钨构成的。该端帽与内管外的扩孔末端压入配合。端帽凸缘的外周边与内管件的内表面向内延伸的径向隆起压配合(interencefit)，该凸缘的边固定在由扩孔区的一端确定的内表面的阶梯部分上，用以把端帽固定在内管件末端相应的位置。灯丝毗邻配置在内管件中的端帽的第一端，而该端帽的第二或发射端延伸到内管件的末端外面并进入气封室。当激励灯丝时，该端帽被加热并且其发射端热发射电子进入气封室中。端帽与内管件间的接触面限制在凸缘的一个小部分上。端帽与内管件之间的这个小接触面使从端帽到内管件并以此到外管件和到旋入内管件的金属固定块的热传递减至最小，从而增加了元件的寿命并提高了灯丝的加热效率。另外，端帽的延伸凸缘使端帽的圆柱形主体部分与内管件的横截面相比，具有大体上减少的横截面(大约减少了横截面的50％)。
该端帽减少了的横截面能够更有效地利用灯丝的加热功率，这样，对于给定要求的放电电流来说，需要的功率减少了。而且，对于给定的灯丝功率来说，端帽的第二或发射端的横截面越小，结果使流入气封室的放电电流密度增加，从而获得越高的发射端温度。该增加的电流密度和增高的发射端温度有利于：a)提高单个带电离子的离解，例如BF2和BF3的离解；和b)提高多个带电离子的产生，例如提高B++和B+++离子的产生。
对本发明所属领域技术人员来说，通过参照附图阅读下面的描述，很容易理解本发明的其它特点。
图1表示用于工件例如固定在旋转支架上的硅晶片的离子束处理的离子注入机示意图；
图2表示体现本发明的，用于在图1的注入机中产生离子束的离子发生源剖视图；
图3表示用于展示激发形成离子源阴极的一部分的屏蔽灯丝的电连接的离子发生源平面图；
图4表示用于展示离子射出离子源的电弧狭缝的离子发生源正视图；
图5表示用于固定离子源阴极的结构的放大平面图；
图6表示从图5中沿线6-6方向的视图；
图6A表示图6中所示去掉灯丝的离子源阴极的一端部放大截面图；
图6B表示构成离子源阴极的阴极体部分的内管件放大截面图；
图6C表示离子源阴极的内管件放大顶部平面图；
图6D表示内管件的末端放大截面图；
图7表示从图5中沿线7-7方向的视图；
图8表示根据本发明构成的离子源的分解剖视图；
图9表示用于把源阴极与等离子室电绝缘的绝缘块的顶部平面图；
图10表示从图9中沿平面10-10方向的视图；
图11表示图9所示绝缘块的底部平面图；
图12表示图9所示绝缘块的部分截面侧视图；
图13表示在离子源工作过程中，发射致电离电子进入放电室内部的阴极端帽侧视图；
图13A表示图13所示阴极端帽的顶部平面图；
图13B表示图13所示阴极端帽的底部平面图；
图14表示离子源放电室的前部正视图；
图15表示从图14中沿平面15-15方向的放电室视图；
图16表示从图15中沿平面16-16方向的放电室视图；
图17表示从图14中沿平面17-17方向的放电室视图；
图18表示从图14中沿平面18-18方向的放电室视图；
图19表示用于固定配置在放电室中的阴极体的固定板平面图；
图20表示从图19中沿线20-20方向的固定板视图。
图1表示离子源注入系统10，该系统10具有体现本发明的离子发生源12，和由高压外壳16支撑的离子束分析磁铁14。从离子源12发射的离子束20沿着射出外壳16的控制路径运行经过真空管18进入离注入室22。沿着从离子源12到注入室22的离子束20运行路径，该离子束被整形过滤并被加速到所要求的注入能量。
该分析磁铁14只能使具有符合荷质比的适当离子到达离子注入室22。在离子束20射出外壳16的区域中，该离子束经过一个由电绝缘材料构成的高压隔离套管26，该套管26能把高压外壳16与注入室22隔离开。
离子注入室22支撑在一个允许注入室对准离子束20的可动底座28上。该离子束撞击支撑在晶片支架40上的一个或多个硅晶片，该晶片支架40被固定以能够绕轴心42旋转。晶片支架40在其外周边周围支撑多个硅晶片，并能沿圆周路径移动那些晶片。离子束20撞击每个晶片，并用离子杂质选择掺杂这些晶片。晶片支架40的高速旋转是由旋转支架40和晶片的发动机50来完成的。线性驱动器52能使支架40在离子注入室22中来回换位。晶片支架40所配置的位置，能使未处理晶片移进注入室22中，并从该室中取出已处理的晶片。其它涉及现有技术中离子注入系统的具体情况，已包括在专利权授予Armstrong等人的U.S专利No.4,672,210中了，该专利已转让给本发明的受让人，在此结合其主题供参考。
硅晶片是通过自动操纵手臂70经过真空入口71插入离子注入室22中的。注入室22由一真空泵72抽真空得到等于真空管18的压强的低压。该自动操纵手臂70在盒子73之间来回传递，以存储晶片。用于完成这个传送过程的机构，是现有技术中公知的。其它真空泵74和75用于把从离子源12到注入室22的离子束路径抽成真空。
离子源12包括一高密度等离子放电室76(图2)，该放电室76在其前壁中具有一拉长的、一般成椭圆形的出口78，离子从此出口射出离子源(图4)。放电室76对着由一般成圆筒形的外壳80固定到支撑在高压外壳16中的法兰82上构成的离子束路径配置。其它涉及现有技术离子源的描述已在授予Benveniste等人的U.S专利No.5,026,997中公开了，该专利已转让给本发明的受让人，这里引入供参考。当离子从等离子放电室76移出时，它们被由配置在出口外边的抽取电极(extraetion electrodes)90(图1)建立的电场加速离开放电室76。分析磁体14产生磁场，使具有合适荷质比的适合的离子弯向注入轨迹。这些离子离开分析磁铁14并沿运行路径加速导入注入室22。注入机控制器82设置在高压外壳16里面，用于通过控制磁场线圈的电流调整分析磁铁14的场强。
离子源12产生具有与用于注入的离子不同的质量的大比率的离子。这些不想要的离子被分析磁铁14弯向远离注入轨迹。例如，重离子沿大半径的轨迹运行，而比用于注入的离子轻的离子则沿较小半径的轨迹运行。离子源12
体现本发明的离子发生源12(图2-5)包括一个由源外壳80的后壁82支撑的源块120。该源块120又支撑等离子放电室76和在本发明优选实施例中、由放电室76支撑的、但与之电绝缘的电子发射阴极124。
源磁铁(没有示出)围绕等离子体放电室76(图14-18)，用以把等离子体产生的电子严格限制在放电室76中的运行路径上。源块120也限定了容纳蒸发炉122和123的空腔，这些蒸发炉用可蒸发的固体例如砷填充，使其蒸发为气体，然后通过输送喷嘴126和128把该气体喷射入等离子体放电室76中。
等离子体放电室76是一个限定一内部电离区R(图2、7、8和14)的拉长的金属结构，该内部电离区R是由两拉长的侧壁130a和130b(图8)的顶和底壁130和130d及邻接该电离区R的前壁限定板132限定的。从其两侧壁130a、130b向外延伸，该放电室76包括一支座法兰134，用以固定放电室。
板132与源外壳80校准。正如授予Trueira的U.S专利No.5420415中所述那样，该专利已转让给本发明受让人，这里引入供参考，板132被固定到一个固定在源外壳80上的校准固定器95上(图3和4)。简单地说，该校准固定器95插入源外壳80中，以使该固定器平面垂直于该离子束轴。只要在该位置上，离子源就可以通过被紧固在固定于该校准固定器上的弹头销P(图4)上与该校准固定器95相连接。
在其端部具有螺纹的四个拉长螺柱136穿过法兰134中的四个开口138并与源块120中的带螺纹开口140啮合。该螺栓136穿过套管146(图8)和弹簧148，该弹簧加偏压力于放电室76上使其远离源块120，以便于用校准固定器95紧固该放电室。
四个弹头销149(图8中只示出一个)延伸穿过放电室的法兰132的四个角中的开口151。这些针通过弹簧152弹性受压远离源块120。这些销的稍微伸长的端部149a适于配在板132内并保持该板和放电室76连接在一起。
已蒸发的材料通过输送喷嘴126、128从支架块120喷射入等离子体放电室内部。在放电室76的相反侧，通道141从放电室76的后部延伸，穿过放电室主体直通入等离子体放电室内部。另外，气体通过放电室后壁130e中的入口或开口142直接导入该放电室76中。喷嘴144邻接开口142，并能从由外部供给离子源的气体源或供料源把气体直接喷射入放电室76中。阴极124
器壁130d限定一开口158(图8和18)，该开口158的大小允许阴极124(图2)在不接触限定开口158的放电室76壁130d的情况下延伸至放电室76的内部。阴极124由固定在放电室76后部的绝缘固定块150支撑。阴极124包括一个与放电室开口158相配合的阴极体300(图6)。该阴极体300固定于金属固定板152(图6和8)上，而金属板152由绝缘固定块150支撑。
阴极体300是由三个金属部件构成的：一外管或外管件160，与外管件同轴的一内管或内管件162，和一端帽164。该阴极体300的外管件160最好是由钼合金材料制成的，并起保护内管件162免受放电室76中激发等离子体的作用。内管件162最好也是由钼合金材料制成，并起支撑端帽164的作用。内管件162包括一内表面301并具有一外表面302，内表面301限定一个钨灯丝178设置在内的内部区域或空腔c，外表面302(最好见图6B)包括一个带螺纹的较低或基端部分163。该端部163旋入固定板152的带螺纹开口167中，用以把阴极体300固定于固定板(图6)上。外管件160内表面304的较低或基端部分161也具有螺纹。如图6所示，外管件基端部分161被旋到内管件的螺纹端部163上，以使外管件160的基端306邻接固定板152。外管件和内管件160、162最好是圆柱形的。在组装阴极124时，灯丝178的末端距离端帽164约为0.030英寸。
如图6c所示，内管件162的上端或末端308包括六个具有均匀间隔的径向沟槽310，该沟槽310最好具有0.020英寸的宽度和0.060英寸的深度。毗邻末端308的内管件162的内表面301被扩孔以容纳端帽164。最好见图6A和6B。内表面301的扩孔区312包括沿径向向内延伸的圆锥形径向毛刺或隆起314。隆起314的边构成的圆锥角相对于垂线的角度约为30°。由于内管件162的扩孔区312与内管件的其余部分壁厚相比，具有减少了的壁厚，因此在该扩孔区的边缘或端部形成一阶梯316。该阶梯316大约比末端308低0.065英寸。如图6A所示，当端帽164与内管件162压入配合时，该端帽164就被支撑在圆锥形隆起314和内管件的阶梯316上。参见图6B，该内管件162的适合尺寸如下：说明                             标号              尺寸全长                              A              0.95英寸带螺纹部分的长度                  B              0.48英寸外径                              C              0.560英寸内径                              D              0.437英寸除降起314以外扩孔区的直径         E              0.510英寸包括隆起314的扩孔区的直径         F              0.472英寸
两导电固定臂170，171支撑着在阴极内管件162中的钨灯丝178。臂170、171通过连接器172(图7)直接固定于绝缘块150上，该连接器172穿过该臂与绝缘块150中螺纹开口啮合。导电供能带173，174与灯丝178耦合，并由穿过外壳80的法兰82经电源馈线175、176传输的信号供电。
两夹钳177a和177b把钨灯丝178固定在由阴极体300的最内部管件162限定的空腔C中。灯丝178是由钨丝弯成螺旋环(图5)制成的。灯丝178的两端由第一和第二钽支柱179a和179b支撑，而这两支柱179a和179b用夹钳177a和177b保持与两臂170、171电接触。
当钨灯丝178通过电源馈线175和176间的电势差供电时，灯丝就发射电子，这些电子向前加速并撞击阴极124的端帽164。当该端帽164被电子轰击加热足够时，则它发射电子进入放电室76，并与气体分子碰撞，在放电室中产生离子。这样就形成了等离子体，并且该等离子体内的离子射出开口78形成离子束。端帽164能屏蔽灯丝178免与放电室76内的等离子体接触，并能延长灯丝的寿命。另外，灯丝178被支撑在阴极体300内的方法，有利于更换灯丝。反射器180
阴极124产生的电子射入放电室76中，但没有使气体电离区内的气体分子移动到反射器180(图2)的附近区域。反射器180包括一设置在放电室76中的金属件181(图8)，并能使电子偏转返回气体电离区以接触气体分子。该金属件181是由钼制成的。一陶瓷绝缘体182用于把反射器金属件181与等离子体放电室76的底壁130c的电势绝缘。所以阴极124和反射器180与放电室壁既电绝缘又热绝缘。通过一金属杯可以阻止反射器部件181的短路，并能防止离子附着于绝缘体182表面。
放电室76的壁被局部接地或保持在基准电势。包含阴极端帽164的阴极142电势保持在局部接地的放电室壁以下50-150V。这个电势是通过电源馈线186把导电体187(图3)固定于支撑阴极体300的板152上而耦合到板152上的。灯丝178电压保持低于端帽164，在200-600V之间。灯丝178和阴极体300之间的大电压差给离开灯丝的电子传递很高的能量，足以加热端帽164，并使其热发射电子进入放电室76中。反射器部件181允许在放电室76中的气体等离子体的电势漂移。
授予Sferlazzo等人的“006”专利描述了在阴极和阳极(放电室的室壁)之间控制放电电流的电路。该电路的工作在“006”专利中已说明了，这里引入供参考。在产生离子过程中，离子源由于电离能喷射入放电室76而被加热。并不是所有的能量都用于电离放电室76内的气体，因而产生一定量的热量。放电室76包括水管接头190，192，用于把冷却水输入源块并把热水输出放电室区域。绝缘块150
为使阴极124与放电室76绝缘，绝缘块150相对于阴极体300设置灯丝178，并且阴极体对着该放电室。图9-12详细说明了绝缘块150。
绝缘块150是由99％纯氧化铝(Al2O3)构成的拉长陶瓷电绝缘块。绝缘块150一般具有一延长该绝缘块的长度和宽度的第一平坦表面200。该平坦表面200与从气封或放电室的后壁130e延伸的阴极固定法兰202(图17)配合。在绝缘块150对着第一表面200的一面，绝缘块150具有一般的平面阴极支撑表面210和第二个一般平面灯丝支撑表面212，表面210用于支撑阴极124，表面212用于在阴极内管件162内部空间内支撑阴极灯丝178。如图9所示，阴极支撑表面210具有两个角凹槽220，221，它们分别具有从凹槽限定的绝缘块150减少了的宽度延伸的开口222，223。
具有拉长头部225的两连接器224(图7)从这些开口222，223延伸，从而把绝缘块150固定于放电室76上的法兰202上。连接器224沿其长度带有螺纹。这些连接器与法兰202中的带螺纹的开口204(图17)相啮合。背挡板206(图7)也包括带螺纹的开口，连接器延伸至这些开口中以把绝缘块150紧紧固定到放电室76上。在绝缘块150固定于放电室76上时，第一个一般平坦表面200在与放电室后壁130e成直角的方向延伸。两定位销203延伸离开法兰202的表面202a。这些销与相应的开口226(图11)配合，延伸至绝缘体150的表面200里面，用以在安装过程中，帮助校准绝缘块150。金属固定板152
如图所示，支撑三片阴极体300的金属固定板152靠在绝缘块150的阴极支撑表面210上，并向远离该表面方向延伸，用以把阴极体300安装在对准放电室的开口158里面。螺纹连接器228延伸到绝缘块150的表面200中的两凹井230(图11)中，并经过绝缘块中的开口232与板152中的带螺纹的开口234(图19)相啮合。
两定位销236(图19和20)装在固定板152上。在把固定板152固定于绝缘块150上时，这些销延伸入绝缘块150中的校准孔238(图9)中。这有利于把绝缘块150和板152对准，并且，不仅在阴极124保持用在注入机10过程中，而且在阴极124制造过程中，都便于两者的连接。
一旦金属固定板152固定于绝缘块150上并且绝缘块也固定于放电室76上，则固定板152中用于配置三片阴极体300的螺纹开口167(图19)就对准穿过放电室76壁130d延伸的开口158。
拉长臂170、171的平坦表面240相互啮合并由绝缘块表面212(图12)支撑，而表面212与反面200相距空间为绝缘块150的最大厚度。具有伸长头部的螺纹连接器250(图5)延伸穿过臂170，171中的开口252，旋入灯丝支撑表面212中的螺纹开口254中。如图7所示，绝缘块150的两平坦表面之间的相对空间在臂170、171的表面240和板152的表面262(图7和19)之间形成一间隙G。该间隙G和陶瓷绝缘块150是由电绝缘材料制成的事实，不仅使两臂(170、171)之间相互电绝缘，而且使它们与支撑阴极体300的固定板152也能电绝缘。灯丝支臂170、171中的孔252对准绝缘体150中的孔254，并准确地把灯丝配置在阴极体300的内腔C中。
如图9-12所示，绝缘体的陶瓷绝缘块150具有多个拉长的凹槽或沟道N1-N3(图10)。这些凹槽N1-N3使绝缘块150的一般平坦表面断裂开。当绝缘块150被固定于放电室76附近时，它会被导电沉积物涂覆。在“006”专利中公开的绝缘体在离子源工作过程中就遭到表面涂层。这涂层能引起过早的电弧放电或短路和离子源出现故障。单块绝缘体150中的沟道N1-N3能使该绝缘块自屏蔽，即：离子不会涂覆连续表面穿过绝缘块150，从而减少了电弧放电的可能性。阴极端帽164
阴极帽164是能给放电室提供放电电流的机制钨热电子发射体。“006”专利中公开的简单的盘形阴极端帽用端帽164替代，它与“006”专利中的阴极结构相比，具有许多显著优点。
阴极体300的端帽164(图13，13A，13B)是导电的，并由锻压钨材料制成。该端帽164是一般的圆柱形并包括被主体部分324隔开的第一端320和第二端322。第一端320毗邻灯丝178并被灯丝加热，而第二端332发射电子进入放电室76。一凸缘形支架或凸缘326从主体部分324沿径向向外延伸。端帽164与内管件162的末端308的扩孔区312压入配合。内管件162向内延伸的隆起314具有比端帽164的凸缘形支架326的外径(0.473英寸)稍小的内径(0.472英寸)，由此形成压配合。为使端帽164与内管件162压入配合，该凸缘形支架面对灯丝的一边330的外周边缘被斜削。另外，如图6A所示，凸缘形支架326面对灯丝的一边330的一部分，也恰是向内的斜边328，被设置在内管件162的阶梯316上，而内管件在其内表面301的扩孔区312和未扩孔区之间形成一边界。这样，在离子注入机10工作过程中，端帽164通过内管件162的延伸隆起314和端帽164的凸缘形支架326之间的压配合保持在相应位置上，就象把凸缘形支架326面对灯丝的一边330设置在阶梯316上一样。端帽164的主体部分324末端部分332向上延伸进入放电室76，并伸出内管件和外管件162，160的末端。主体部分324的邻近部分334从凸缘形支架326向下朝着灯丝178延伸。参见图13和图13A，端帽164的适合尺寸如下：说明                            标号               尺寸全长                             G               0.224英寸主体部分的末端部分的长度         H               0.112英寸凸缘部分的长度                   I               0.068英寸主体部分的外径                   J               0.320英寸凸缘部分的外径                   K               0.474英寸
激励灯丝178时，端帽164被加热并且其第二或发射端322发射电子进入放电室76。如图2所示，阴极体300如此配置以使第一和第二管件160，162穿过放电室壁130d的开口158延伸进入放电室内部区域R。端帽164的发射端322接近对准出78的底端336。
端帽164和内管件162间的小面积接触使从灯丝178到内、外管件162、160及金属固定板152的热传递减至最小，由此可以增加阴极寿命。而且，端帽164的延伸凸缘使端帽的圆柱形本体部分324具有与内管件162的横截面相比大体上减少了的横截面。内管件162(未扩孔部)的横截面积A，约等于：
Figure A9712970600161
＝0.1612平方英寸而端帽164的本体部分324的横截面积A2约等于：
Figure A9712970600171
＝0.0804平方英寸
这样，端帽164的横截面积基本上是内管件162的横截面积的50％。
端帽164和内管件162之间的小面积接触，大大减少了从端帽164到内管件和绝缘块150的热传递。而且，端帽164被减少了的横截面积能更有效地利用灯丝的加热功率，从而对于给定要求的电流来说只需较少的功率。对于给定的灯丝功率，端帽164的第二或发射端322的横截面积越小，结果得到流入放电室76的增加的放电电流密度，从而获得越高的发射端温度。
更高的电子流密度和更高的发射端温度的结合，从而得到更高百分率后的多带电离子。已增加的放电电流密度(由于减少了发射面积)和增高的发射端温度(由于减少了热物质和提高了发射体热绝缘)有利于：a)增加单带电离子的离解，例如，BF3和BF2的离解；和b)增加多带电离子的产量，例如增加了B++和B+++的产量。另外，本发明的端帽164通过使用已有的放电室控制器电子没备可以达到较高的放电电流。从上述本发明优选实施例，本领域技术人员很容易理解其改进、改变和修改。这些在本领域技术范围内的改进、改变和修改包括在所附权利要求书中。

Claims (24)

1、用在离子注入机(10)中的离子源(12)，所述离子源(12)包括：
a)气封室(76)，具有限定一区域(R)的室壁(130)并包括允许离子射出气封室(76)的出口(78)；
b)用于把可电离材料输入气封室(76)的装置；
c)用于把气封室(76)支撑在相应位置上，以使在离子离开气封室(76)时形成离子束(20)的结构；
d)对着气封室(76)的电离区(R)配置的阴极(124)，用以发射致电离电子进入气封室的电离区(R)，以在电离区(R)内产生离子，该阴极(124)包括配置在电绝缘阴极体(300)内的一热源(178)，该阴极体(300)包括第一管(162)和支撑在毗邻该热源(178)的该第一管(162)的末端(308)内的端帽(164)，在被热源(178)加热时，该端帽(164)发射致电离电子进入气封室(76)的电离区(R)；
e)该端帽(164)包括被主体部分(324)隔开的第一端(320)和第二端(322)，并具有从主体部分(324)向外延伸的径向凸缘形支架(326)，它与第一管(162)的内表面(301)接触，以在第一管(162)的末端(308)内支撑该端帽(164)，该径向凸缘支架(326)具有小于主体部分(324)的轴向长度的轴向厚度。
2、如权利要求1的离子源，其特征在于，所述端帽(164)是由钨制成，该端帽(164)的径向凸缘支架(326)由从端帽主体部分(324)向外延伸的凸缘组成。
3、如权利要求2的离子源，其特征在于，所述凸缘(326)的外周边表面与第一管(162)的内表面(301)接触，以在第一管的末端(308)内支撑该端帽。
4、如权利要求3的离子源，其特征在于，第一管(162)的末端(308)包括具有径向向内的隆起(314)部分，而凸缘(326)的外周边表面与隆起(314)接触，以在第一管的末端(308)内支撑该端帽(164)。
5、如权利要求1的离子源，其特征在于，端帽(164)的第一端(320)毗邻热源(178)配置，端帽(164)的第二端(322)延伸穿过气封室(76)的开口(158)，并发射致电离电子进入电离区(R)。
6、如权利要求1的离子源，其特征在于，该热源(178)是由绝缘块(158)支撑的灯丝。
7、如权利要求6的离子源，其特征在于，该第一管(162)的外表面(302)包括与金属固定板(152)螺纹啮合以支撑阴极体(300)的螺纹部分(163)，而该金属固定板(152)固定于该绝缘块(150)上。
8、如权利要求1的离子源，其特征在于，该阴极体(300)还包括与第一管(162)共轴、并覆盖第一管末端(308)至少一部分的第二管(160)。
9、如权利要求8的离子源，其特征在于，该第一管(162)的外表面(302)包括螺纹部分(162)，该第二管(160)的外表面(304)包括与第一管(162)螺纹啮合的螺纹部分(161)。
10、如权利要求1的离子源，其特征在于，该阴极体(300)至少一部分延伸穿过气封室(76)的开口(158)进入电离区(R)。
11、用于发射致电离电子进入气封室(76)的电离区(R)以电离气体分子的阴极(124)，该阴极(124)包括：
a)阴极体(300)，它包括第一管(162)和支撑在第一管(162)末端(308)内的电子发射端帽(164)；
b)热源(178)，配置在第一管(162)中毗邻端帽(164)的位置，用以给端帽(164)加热，从而发射致电离电子，该热源(178)与该阴极体(300)电绝缘；和
c)端帽(164)，它包括由主体部分(324)隔开的第一端(320)和第二端(322)，并具有从主体部分(324)向外延伸的径向凸缘支架(326)，它与第一管(162)的内表面(301)接触，以在第一管(162)的末端(308)内支撑该端帽(164)，该径向凸缘支架(326)具有小于端帽主体部分(324)轴向厚度的轴向厚度。
12、如权利要求11的阴极，其特征在于，该端帽(164)是由钨制成的，端帽(164)的径向凸缘支架(326)由从端帽主体部分(324)向外延伸的凸缘组成。
13、如权利要求12的阴极，其特征在于，该凸缘(326)的外周边表面与第一管(162)的内表面接触，以在第一管末端(308)内支撑端帽(164)。
14、如权利要求13的阴极，其特征在于，第一管(162)的末端(308)包括具有径向向内的隆起(314)的区域(312)，该凸缘(326)的外周边表面与隆起(314)接触，以在第一管末端(308)内支撑端帽(164)。
15、如权利要求11的阴极，其特征在于，端帽(164)的第一端(320)毗邻热源(178)配置，端帽(164)的第二端(322)延伸穿过气封室(76)中的开口(158)并发射致电离电子进入电离区(R)。
16、如权利要求15的阴极，其特征在于，该热源(178)是由绝缘块(150)支撑的灯丝。
17、如权利要求16的阴极，其特征在于，第一管(162)的外表面(302)包括与金属固定块(152)螺纹啮合以支撑该阴极体(300)的螺纹部分(163)，该金属固定块(152)固定于该绝缘块(150)上。
18、如权利要求11的阴极，其特征在于，该阴极体(300)还包括与第一管(162)共轴并覆盖第一管末端(308)的至少一部分的第二管(160)。
19、如权利要求1的离子源，其特征在于，第一管(162)的外表面(302)包括螺纹部分(163)，第二管(160)的外表面(304)包括与第一管(162)螺纹啮合的螺纹部分。
20、如权利要求11的离子源，其特征在于，阴极体(300)的至少一部分延伸穿过气封室(76)的开口(158)进入电离区(R)。
21、支撑在一个管(162)的末端(308)内的阴极体端帽(164)，用于发射致电离电子进入气封室(76)的电离区(R)，以在电离区(R)内产生离子，该端帽(164)包括由主体部分(324)隔开的第一端(320)和第二端(322)，并具有从主体部分(324)向外延伸的径向凸缘支架(326)，该端帽(164)的第一端(320)相对于气封室(76)的电离区(R)配置，以发射致电离电子进入电离区(R)，该端帽(164)的第二端(322)毗邻热源(178)，在被该热源加热时，端帽(164)发射致电离电子进入气封室(76)的电离区(R)，端帽的径向凸缘支架(326)与管(162)的内表面(301)接触，以在管(162)的末端(308)内支撑端帽(164)，该径向凸缘支架(326)具有小于端帽主体部分(324)轴向厚度的轴向厚度。
22、如权利要求21的端帽，其特征在于，该端帽(164)是由钨制成，端帽(164)的径向凸缘支架(326)是由从端帽主体部分(324)向外延伸的凸缘组成。
23、如权利要求22的端帽，其特征在于，该凸缘(326)的外周边表面与第一管(162)的内表面(301)接触，以在第一管(162)末端(308)内支撑该端帽(164)。
24、如权利要求23的端帽，其特征在于，第一管末端(308)包括用径向向内的隆起(314)扩孔的扩孔区(312)，凸缘(326)的外周边表面与该隆起(314)接触，端帽第二端(322)的外周边部分与限定该扩孔区的第一端(162)内表面的径向向内的阶梯部分(316)接触，以在该第一管末端(308)内支撑端帽(164)。
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