DE69723952T2

DE69723952T2 - Endkappe für eine indirekt geheizte Kathode einer Ionenquelle

Info

Publication number: DE69723952T2
Application number: DE69723952T
Authority: DE
Inventors: Thomas Neil Boxborough Horsky; William Edward Topsfield Reynolds; Richard Maurice Salisbury Cloutier
Original assignee: Axcelis Technologies Inc
Current assignee: Axcelis Technologies Inc
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-12-17
Also published as: KR100346863B1; KR19980064837A; CN1173608C; CA2222369C; EP0851453A1; US5703372A; JPH10199430A; TW373209B; CN1195261A; DE69723952D1; JP3924736B2; EP0851453B1; CA2222369A1; SG53139A1; TR199701749A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ionenimplantiervorrichtung bzw. einen Implantierer mit einer Ionenerzeugungsquelle, welche Ionen emittiert zum Bilden eines Ionenstrahls zur Strahlenbehandlung eines Werkstücks und insbesondere auf eine Endkappe zum indirekten Erwärmen der Kathode einer Ionenerzeugungsquelle.
Ausgangsgunkt
Ionenimplantierer wurden für die Behandlung von Siliziumwafern durch den Beschuss der Wafer mit einem Ionenstrahl verwendet. Der Ionenstrahl dotiert die Wafer mit Verunreinigungen Störstellen bzw. Fremdatomen mit kontrollierter Konzentration zum Ausgeben eines Halbleiterwafers, der wiederum verwendet wird zum Erzeugen einer integrierten Schaltung. Ein wichtiger Faktor bei solchen Implantierern ist der Durchsatz der Anzahl von Wafern, die in einer vorgegebenen Zeit behandelt werden können.
Ionenimplantierer, die mit hohem Strom arbeiten, umfassen einen sich drehenden Scheibenträger zum Bewegen mehrerer Siliziumwafer durch den Ionenstrahl. Der Ionenstrahl trifft auf die Waferoberfläche auf, während der Träger die Wafer durch den Ionenstrahl hindurch dreht.
Implantierer, die mit einem mittleren Strom arbeiten, behandeln einen Wafer zu einer Zeit. Die Wafer werden in einer Kassette getragen und eine nach dem anderen herausgezogen und auf einer Platte oder einem Träger plaziert. Der Wafer wird dann in einer Implantierrichtung ausgerichtet, so dass der Ionenstrahl den einzelnen Wafer trifft. Diese Implantierer mit mittlerem Strom verwenden eine Strahlenformelektronik, um einen relativ engen Strahl aus seiner anfänglichen Flugbahn abzulenken zum selektiven Dotieren oder Behandeln der gesamten Waferoberfläche.
Ionenquellen, welche die Ionenstrahlen erzeugen, die in bestehenden Implantierern verwendet werden, umfassen typischerweise erhitzte Filamentkathoden, die dazu neigen sich mit der Verwendung zu verschlechtern. Nach relativ kurzen Verwendungsperioden müssen die Filamentkathoden ersetzt werden, so dass wieder Ionen mit ausreichender Effizienz erzeugt werden können. Das Maximieren des Intervalls zwischen dem Austausch von Filamentkathoden erhöht die Zeit, in der Wafer implantiert werden können und somit die Effizienz des Implantierers.
U.S. Patent Nr. 5,497,006 von Sferlazzo et al. (nachfolgend „das '006 Patent" genannt) betrifft eine Ionenquelle mit einer Kathode, die durch eine Basis getragen wird und bezüglich einer Gaseinschluss- oder Bogenkammer positioniert wird zum Ausstoßen von ionisierenden Elektronen in die Gaseinschlusskammer. Die Kathode gemäß dem '006 Patent ist ein rohrförmiger leitender Körper und eine Endkappe, die sich teilweise in die Gaseinschlusskammer erstrecken. Ein Filament wird innerhalb des rohrförmigen Körpers getragen und emittiert Elektronen, welche die Endkappe erwärmen durch Beschuss mit Elektronen, wodurch die ionisierenden Elektronen thermionisch in die Gaseinschlusskammer emittiert werden.
Die Erfindung
Die vorliegende Erfindung, wie beansprucht, ist auf einen Ionenimplantierer gerichtet, der eine neue und verbesserte Ionenerzeugungsquelle verwendet. Die Ionenerzeugungsquelle der vorliegenden Erfindung, wie beansprucht, verwendet eine Kathode, welche ein Kathodenfilament gegenüber dem Plasmastrom bzw. -fluss abschirmt. Die Kathode besitzt eine erhöhte Einsatzlebenszeit im Vergleich zu Ionenimplantierern des Standes der Technik. Die Kathode der vorliegenden Erfindung ist robust gegen Sputtern durch Plasmaionen im Vergleich zu einem Immersionskathodenfilament bzw. einem freiliegenden Kathodenfilament.
Eine Ionenquelle, welche gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, umfasst eine Gaseinschluss- oder Bogenkammer mit Kammerwänden, welche einen Gasionisierungsbereich begrenzen und umfasst eine Austrittöffnung zum Erlauben, dass Ionen die Gaseinschlusskammer verlassen. Ein Gasliefersystem liefert ein ionisierbares Gas in die Gaseinschlusskammer. Eine Basis trägt die Gaseinschlusskammer in einer Position relativ zu einer Struktur zum Bilden eines Ionenstrahls während die Ionen aus der Gaseinschlusskammer austreten.
Eine Kathode ist bezüglich des Ionisierungsbereichs der Gaseinschlusskammer positioniert zum Emittieren von ionisierenden Elektronen in den Ionisierungsbereich der Gaseinschlusskammer. Ein Isolator ist an der Gaseinschlusskammer befestigt zum Tragen der Kathode und zum elektrischen Isolieren der Kathode gegenüber der Gaseinschlusskammer. Die Kathode umfasst einen leitenden Kathodenkörper, der einen Innenbereich begrenzt, und besitzt eine Äußenoberfläche, die sich in das Innere der Gaseinschlusskammer erstreckt. Ein Filament ist durch den Isolator getragen an einer Position innerhalb des inneren Bereichs des leitenden Körpers der Kathode zum Erhitzen einer Endkappe des leitenden Kathodenkörpers zum Bewirken, dass ionisierende Elektronen aus der Endkappe in die Gaseinschlusskammer emittiert werden.
Der Isolator richtet die Kathode bezüglich der Gaseinschlusskammer aus und erlaubt auch, dass das Filament elektrisch gegenüber dem Kathodenkörper isoliert ist. Der bevorzugte Isolator ist ein Keramikblock, der aus Aluminiumoxid bzw. Tonerde gebildet ist. Dieser Block umfasst einen Isolatorkörper, der Kerben bzw. Nuten definiert, die sich nach Innen von den freiliegenden Oberflächen des Isolatorkörpers erstre- cken, um ein Beschichten der freiliegenden Oberflächen durch Material, das durch die Quelle emittiert wird, während des Betriebs der Ionenquelle zu stören bzw. zu verhindern. Dieser Aufbau des Isolators hat den Ausfall der Quelle infolge einer Abscheidung von leitenden Materialien auf dem Isolator verringert.
Der Kathodenkörper umfasst ein inneres rohrförmiges Glied oder inneres Rohr, ein äußeres rohrförmiges Glied oder äußeres Rohr und eine Endkappe. Ein körperferner bzw. distaler Teil des Kathodenkörpers erstreckt sich durch eine Öffnung in die Gaseinschlusskammer. Der Kathodenkörper ist durch einen Metall-Anbringungsblock getragen, der wiederum an dem Isolator befestigt ist. Das innere rohrförmige Glied ist vorzugsweise aus einer Molybdänlegierung aufgebaut und dient als eine thermische Unterbrechung zwischen der erhitzten Kathodenendkappe und dem Metall-Anbringungsblock. Das innere rohrförmige Glied umfasst einen Gewindeteil an dessen Außenoberfläche, das in den Metall-Anbringungsblock geschraubt ist. Eine Innenoberfläche des körperfernen Endes des inneren rohrförmigen Gliedes besitzt eine Gegenbohrung, die einen Gegenbohrungsbereich definiert, der die Endkappe aufnimmt und umfasst einen sich verjüngenden radialen Steg oder eine Rippe, die sich nach innen erstreckt. Das äußere rohrförmige Glied ist auch vorzugsweise aus einer Molybdänlegierung aufgebaut und dient zum Schutz des inneren rohrförmigen Glieds gegenüber dem erregten Plasma in der Gaseinschlusskammer. Das äußere rohrförmige Glied umfasst einen Gewindeteil an dessen Innenoberfläche, das auf das innere rohrförmige Glied geschraubt ist, zum Halten des äußeren rohrförmigen Gliedes an seinem Platz.
Die Endkappe ist zylindrisch ausgebildet und umfasst ein erstes Ende und ein zweites Ende, welche durch einen Körperteil voneinander beabstandet sind. Der Körperteil umfasst einen radialen Rand bzw. eine Rippe, die sich von einem Mittelteil des Körperteils nach außen erstreckt. Vorzugsweise ist die Endkappe aus bearbeitetem bzw. geschmiedetem Wolfram aufgebaut. Die Endkappe ist mittels einer Presspassung in das die Gegenbohrung aufweisende distale Ende des inneren rohrförmigen Gliedes aufgenommen. Ein Außenumfang der Endkappenrippe besitzt eine Interferenzpassung mit dem sich nach innen erstreckenden radialen Steg der Innenoberfläche des inneren rohrförmigen Gliedes und eine Kante der Rippe sitzt auf einem gestuften Teil der Innenoberfläche, die durch ein Ende des Gegenbohrungsbereichs definiert wird zum Halten der Endkappe an ihrem Platz in dem distalen Ende des inneren rohrförmigen Gliedes. Das Filament befindet sich benachbart zu dem ersten Ende der Endkappe angeordnet in dem inneren rohrförmigen Glied, während das zweite oder Emitterende der Endkappe sich über das distale Ende des inneren rohrförmigen Gliedes hinaus in die Gaseinschlusskammer erstreckt. Wenn das Filament erregt ist, wird die Endkappe erhitzt und das Emitterende emittiert thermionisch Elektronen in die Gaseinschlusskammer. Der Kontaktbereich zwischen der Endkappe und dem inneren rohrförmigen Glied ist auf einen kleinen Teil der Rippe begrenzt. Dieser kleine Kontaktbereich zwischen der Endkappe und dem inneren rohrförmigen Glied minimiert einen Wärmetransfer von der Endkappe zu dem inneren rohrförmigen Glied und somit zu dem äußeren rohrförmigen Glied und dem Metallanbringungsblock, welche auf das innere rohrförmige Glied geschraubt sind, um dadurch die Lebenszeit des Bauteils zu erhöhen und die Erwärmungseffizienz des Filaments zu erhöhen. Ferner erlaubt die sich erstreckende Rippe der Endkappe, dass der zylindrische Körperteil der Endkappe eine wesentlich reduzierte Querschnittsfläche im Vergleich zu der Querschnittsfläche des inneren rohrförmigen Gliedes besitzt (ungefähr eine 50%ige Reduktion der Querschnittsfläche).
Die reduzierte Querschnittsfläche der Endkappe sieht eine effizientere Verwendung der Filamentheizleistung vor, da weniger Leistung für einen vorgegebenen gewünschten Bogenstrom notwendig ist. Darüber hinaus resultiert für ein vorgegebenes Filamentleistungsniveau die kleinere Querschnittsfläche des zweiten Endes oder Emitterendes der Endkappe in einer erhöhten Stromdichte des Bogenstroms, der in die Gaseinschlusskammer strömt und eine höhere Emitterendtemperatur. Die erhöhte Stromdichte und die höhere Emitterendtemperatur sehen vorteilhafterweise Folgendes vor:

a) eine erhöhte Disassoziation von einzeln geladenen Ionen, d. h. Disassoziation von BF₂ und BF₃; und
b) eine erhöhte Produktion von mehrfach geladenen Ionen, z. B. eine erhöhte Produktion von B++ und B+++ Ionen.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann, an den sich die vorliegende Erfindung wendet, durch das Lesen der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Ionenimplantierers für eine Ionenstrahlbehandlung eines Werkstücks, wie beispielsweise eines Halbleiterwafers, der auf einem sich drehenden Träger angebracht ist;
2 eine Teilquerschnittsansicht einer Ionenerzeugungsquelle, welche die vorliegende Erfindung darstellt, zum Erzeugen eines Ionenstrahls in dem Implantierer gemäß 1;
3 eine Draufsicht auf die Ionenerzeugungsquelle, welche eine elektrische Verbindung zum Erregen eines abgeschirmten Filaments, das Teil der Quellenkathode bildet, zeigt;
4 eine Aufrissansicht der Ionenerzeugungsquelle, die einen Bogenschlitz zeigt, durch den Ionen aus der Ionenquelle austreten;
5 eine vergrößerte Draufsicht einer Struktur zum Anbringen der Quellenkathode; 6 eine Ansicht entlang der Linie 6-6 in 5;
6A eine vergrößerte Schnittansicht eines Endteils der Quellenkathode gemäß 6, wobei das Filament entfernt ist;
6B eine vergrößerte Schnittansicht eines inneren rohrförmigen Gliedes, das Teil eines Kathodenkörpers der Quellenkathode ist;
6C eine vergrößerte Draufsicht auf das innere rohrförmige Glied der Quellenkathode;
6D eine vergrößerte Schnittansicht eines distalen bzw. körperfernen Endes des inneren rohrförmigen Gliedes;
7 eine Ansicht entlang der Linie 7-7 in 5;
8 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Ionenquelle, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist;
9 eine Draufsicht auf einen Isolierblock, der verwendet wird zum elektrischen Isolieren der Quellenkathode gegenüber einer Ionenplasmakammer;
10 eine Ansicht entlang der Ebene 10-10 in 9;
11 eine Bodenansicht auf den in 9 gezeigten Isolierblock;
12 eine teilweise geschnittene Seitenaufrissansicht des in 9 gezeigten Isolierblocks;
13 eine Seitenaufrissansicht einer Kathodenendkappe, die ionisierende Elektronen in ein Bogenkammerinneres während des Betriebs der Ionenquelle emittiert;
13A eine Draufsicht auf die Kathodenendkappe gemäß 13;
13B eine Bodenansicht auf die Kathodenendkappe gemäß 13;
14 eine Vorderaufrissansicht der Ionenquellenbogenkammer;
15 eine Ansicht der Bogenkammer aus der Ebene 15-15 in 14;
16 eine Ansicht der Bogenkammer aus der Ebene 16-16 in 15;
17 eine Ansicht der Bogenkammer aus der Ebene 17-17 in 14;
18 eine Ansicht der Bogenkammer aus der Ebene 18-18 in 14;
19 eine Draufsicht auf eine Anbringungsplatte zur Anbringung des Kathodenkörpers zur Positionierung innerhalb der Bogenkammer; und
20 eine Ansicht der Anbringungsplatte aus Sicht der Linie 20-20 in 19.
Die beste Art die Erfindung auszuführen
1 illustriert ein Ionenimplantiersystem 10 mit einer Ionenerzeugungsquelle 12, welche die vorliegende Erfindung darstellt und einen Strahlenanalysiermagneten 14, der durch ein Hochspannungsgehäuse 16 getragen wird. Ein Ionenstrahl 20, der von der Ionenquelle 12 ausgeht, folgt einem kontrollierten Bewegungspfad, der aus dem Gehäuse 16 austritt, sich durch ein evakuiertes Rohr 18 bewegt und in eine Ionenimplantierkammer 22 eintritt. Entlang des Bewegungspfades des Ionenstrahls 20 von der Ionenquelle 12 zu der Implantierkammer 22 wird der Strahl geformt, gefiltert und auf eine gewünschte Implantierenergie beschleunigt.
Der Analysiermagnet 14 bewirkt, dass nur die Ionen die Ionenimplantierkammer 22 erreichen, die ein geeignetes Massen-zu-Ladungsverhältnis besitzen. In dem Bereich, in dem der Ionenstrahl 20 aus dem Gehäuse 16 austritt, geht der Strahl durch eines Hochspannungsisolierungsbuchse 26 hindurch, die aus einem elektrisch isolierendem Material aufgebaut ist, das das Hochspannungsgehäuse 16 gegenüber der Implantierkammer 22 isoliert.
Die Ionenimplantierkammer 22 ist auf einem bewegbaren Podest 28 getragen, das erlaubt, dass die Ionenimplantierkammer relativ zu dem Ionenstrahl 20 ausgerichtet wird. Der Ionenstrahl 20 trifft auf einen oder mehrere Siliziumwafer auf, die auf einem Waferträger 40 getragen werden, der zur Drehung um eine Achse 42 angebracht ist. Der Waferträger 40 trägt mehrere Siliziumwafer um dessen Außenumfang herum und bewegt diese Wafer entlang eines kreisförmigen Pfades. Der Ionenstrahl 20 trifft auf jeden der Wafer auf und dotiert selektiv diese Wafer mit Ionenverunreinigungen bzw. Impurities. Eine Hochgeschwindigkeitsdrehung des Waferträgers 40 wird durch einen Motor 50 bewirkt, der den Träger 40 und somit die Wafer dreht. Ein linearer Antrieb 52 bewirkt, dass der Träger 40 innerhalb der Ionenimplantierkammer 22 vor und zurück bewegt bzw. indexiert wird. Der Waferträger 40 ist so positioniert, dass unbehandelte Wafer in die Kammer 22 bewegt werden können und behandelte Wafer aus der Kammer heraus bewegt werden können. Zusätzliche Details hinsichtlich eines bekannten Ionenimplantiersystems sind in dem U.S. Patent Nr. 4,672, 210 von Armstrong et al. enthalten, das dem Anmelden der vorliegenden Erfindung übertragen ist.
Siliziumwafer werden in die Ionenimplantierkammer 22 eingeführt über einen Roboterarm 70 durch einen Vakuumanschluss bzw. eine Schleuse 71. Die Kammer 22 wird durch eine Vakuumpumpe 72 auf einen niedrigen Druck gleich dem Druck entlang des evakuierten Rohrs 18 evakuiert. Der Roboterarm 70 überträgt Wafer hin und her zwischen einer Kassette 73 zur Aufnahme der Wafer. Mechanismen zum Erreichen dieses Transfers sind in der Technik gut bekannt. Zusätzliche Vakuumpumpen 74, 75 evakuieren den Ionenstrahlpfad von der Quelle 12 zu der Implantierkammer 22.
Die Quelle 12 umfasst eine Bogenkammer 76 für ein hochdichtes Plasma (2) mit einer langgestreckten, im Allgemeinen elliptisch geformten Austrittsöffnung 78 in dessen Vorderwand, durch die Ionen aus der Quelle austreten (4). Die Bogenkammer 76 ist bezüglich des Ionenstrahlpfades durch ein im Allgemeinen zylindrisches Quellengehäuse 80 positioniert, das an einem Flansch 82 angebracht ist, der innerhalb des Hochspannungsgehäuses 16 getragen ist. Zusätzliche Details bezüglich einer bekannten Ionenquelle sind in U.S. Patent 5,026,997 von Benveniste et al., das dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist, gezeigt. Während Ionen von der Plasmabogenkammer 76 migrieren bzw. austreten, werden sie von der Kammer 76 weg beschleunigt durch elektrische Felder, die durch Extraktionselektroden 90 (1) aufgebaut werden, die direkt außerhalb der Austrittsöffnung positioniert sind. Der Analysiermagnet 14 erzeugt ein magnetisches Feld, das Ionen mit dem korrekten Massen-zu-Ladungsverhältnis zu einer Implantierflugbahn umlenkt. Diese Ionen treten aus dem Analysiermagneten 14 aus und werden entlang eines Bewegungspfades, der zu der Implantierkammer 22 führt, beschleunigt. Eine Implantiersteuerung 82 ist innerhalb des Hochspannungsgehäuses 16 angeordnet und stellt die Feldstärke des Analysiermagneten 14 ein durch Steuern des Stroms in den Windungen bzw. Feldwicklungen des Magnets.
Die Quelle 12 erzeugt einen großen Anteil von Ionen mit einer Masse, die sich von den Ionen, die zum Implantieren verwendet werden, unterscheidet. Diese ungewollten Ionen werden auch durch den Analysiermagneten 14 umgelenkt, aber werden von der Implantierflugbahn separiert. Beispielsweise folgen schwere Ionen einer Flugbahn mit großem Radius und Ionen die leichter sind als die, die für die Implantierung verwendet werden, folgen einer Flugbahn mit einem engeren bzw. kleineren Radius.
Die Ionenpuelle 12
Die ionenerzeugende Quelle 12 (2 bis 5), welche die vorliegende Erfindung beinhaltet, umfasst einen Quellenblock 120, der durch eine Rückwand 82 des Quellengehäuses 80 getragen wird. Der Quellenblock 120 trägt wiederum die Plasmabogenkammer 76 und eine Elektronen emittierende Kathode 124, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch die Bogenkammer 76 getragen ist, aber von dieser elektrisch isoliert ist.
Ein Quellenmagnet (nicht gezeigt) umgibt die Plasmabogenkammer 76 (14 bis 18) zum Einschließen der plasmaerzeugenenden Elektronen auf eng eingeschränkte Bewegungspfade innerhalb der Bogenkammer 76. Der Quellenblock 120 definiert auch Hohlräume, welche Verdampfungsöfen 122, 123 aufnehmen, die mit verdampfbaren Festkörpern, wie beispielsweise Arsen, gefüllt werden könne, die in ein Gas verdampft werden und dann in die Plasmakammer 76 mittels Lieferdüsen 126, 128 injiziert bzw. eingeführt werden.
Die Plasmabogenkammer 76 ist eine langgestreckte Metallform, die einen inneren Ionisierungsbereich R (2, 7, 8 und 14) definiert, der durch zwei langgestreckte Seitenwände 130a, 130b (8) obere und untere Wände 130c, 130d und eine Vorderwand definierende Platte 132, die an dem Ionisierungsbereich R anliegt, begrenzt ist. Sich von den zwei Seitenwänden 130a, 130b nach außen erstreckend umfasst die Bogenkammer 76, einen Tragflansch 134 zur Anbringung der Bogenkammer.
Die Platte 132 ist relativ zu dem Quellengehäuse 80 ausgerichtet. Wie in dem U.S. Patent Nr. 5,420,415 von Trueira, das dem Anmelden der vorliegenden Erfindung übertragen ist, beschrieben ist, ist die Platte 132 an einem Ausrichtungs-Befestigungselement 95 (3 und 4) befestigt, das das Quellengehäuse 80 befestigt. Kurzgefasst ist die Ausrichtungs-Befestigungseinrichtung 95 in das Quellengehäuse 80 eingeführt, so dass die Befestigungsebene senkrecht zur Ionenstrahlachse liegt. Sobald sie in Position ist, wird die Ionenquelle an die Ausrichtungs-Befestigungseinrichtung 95 gekoppelt, indem sie an Patronen- bzw. Kugelkopfstiften P (4) eingefangen werden, die an der Ausrichtungs-Befestigungseinrichtung befestigt sind.
Vier langgestreckte Bolzen 136, die an ihren Enden Gewinde aufweisen, gehen durch vier Öffnungen 138 in dem Flansch 134 hindurch und kommen mit Gewindeöffnungen 140 in dem Quellenblock 120 in Eingriff. Die Bolzen bzw. Schrauben 136 gehen durch Buchsen 146 (8) und Federn 148 hindurch, welche die Bogenkammer 76 weg von dem Quellenblock 120 vorspannt, um ein Einfangen der Bogenkammer durch die Ausrichtungs-Befestigungseinrichtung 95 zu fördern bzw. zu ermöglichen.
Vier Stifte 149 (von denen nur einer in 8 zu sehen ist) erstrecken sich durch Öffnungen 151 in den vier Ecken des Bogenkammerflansches 132. Diese Stifte sind von dem Quellenblock 120 weg federvorgespannt mittels Federn 152. Etwas vergrößerte Enden 149a der Stifte passen in die Platte 132 und halten die Platte und die Bogenkammer 76 miteinander verbunden.
Verdampftes Material wird in das Innere der Plasmabogenkammer 76 von dem Tragblock 120 eingeführt bzw. injiziert durch die Lieferdüsen 126, 128. An gegenüberliegenden Seiten der Bogenkammer 76 sind Durchlässe 141 vorgesehen, die sich von einem Hinteren der Kammer 76 durch einen Kammerkörper erstrecken und in das Innere der Plasmabogenkammer 76 erstrecken. Zusätzlich kann Gas direkt in die Bogenkammer 76 geleitet werden mittels eines Anschlusses oder einer Öffnung 142 in einer Rückwand 130e der Kammer. Eine Düse 144 liegt an der Öffnung 142 an und injiziert Gas direkt in die Bogenkammer 76 von einer Quelle oder Versorgung, die außerhalb der Ionenquelle liegt.
Die Kathode 124
Die Wand 130 definiert eine Öffnung 158 (8 und 18) die so bemessen ist, dass sie erlaubt, dass eine Kathode 124 (2) sich in ein Inneres der Plasmabogenkammer 76 erstreckt, ohne die Kammerwand 130d zu berühren, welche die Öffnung 158 definiert. Die Kathode 124 ist durch einen isolierenden Anbringungsblock 150 getragen, der an der Rückseite der Bogenkammer 76 befestigt ist. Die Kathode 124 umfasst einen Kathodenkörper 300 (6), der in die Bogenkammeröffnung 158 passt. Der Kathodenkörper 130 ist an einer Metall-Anbringungsplatte 152 (6 und 8) befestigt bzw. angebracht, die wiederum durch den isolierenden Anbringungsblock 150 getragen ist.
Der Kathodenkörper 300 ist aus drei metallischen Gliedern aufgebaut: einem äußeren Rohr oder äußeren rohrförmigen Glied 160, einem inneren Rohr oder inneren rohrförmigen Glied 162, das koaxial zu dem äußeren rohrförmigen Glied ist, und einer Endkappe 164. Das äußere rohrförmige Glied 160 des Kathodenkörpers 300 ist vorzugsweise aus einem Molybdänlegierungsmaterial aufgebaut und dient zum Schutz des inneren rohrförmigen Gliedes 162 gegenüber erregtem Plasma in der Bogenkammer 76. Das innere rohrförmige Glied 162 ist auch vorzugsweise aus einem Molybdänlegierungsmaterial hergestellt und dient zum Tragen der Endkappe 164. Das innere rohrförmige Glied 162 umfasst eine Innenoberfläche 301, die einen Innenbereich oder Hohlraum C definiert, in dem ein Wolframdrahtfilament 178 angeordnet ist, und es besitzt eine Außenoberfläche 302 (wie am besten in 6B zu sehen ist), die einen mit Gewinde versehenen unteren oder proximalen Endteil 163 umfasst. Der Endteil 163 ist in eine Gewindeöffnung 167 der Anbringungsplatte 152 eingeschraubt, um den Kathodenkörper an der Anbringungsplatte (6) zu sichern. Ein unterer oder proximaler Teil 161 einer Innenoberfläche 304 des äußeren rohrförmigen Gliedes 160 ist auch mit Gewinde versehen. Wie am besten in 6 zu sehen ist, ist der proximale Teil 161 des äußeren rohrförmigen Gliedes an den mit Gewinde versehenen Endteil 163 des inneren rohrförmigen Gliedes geschraubt, so dass ein proximales bzw. körpernahes Ende 306 des äußeren rohrförmigen Gliedes 160 an der Anbringungsplatte 152 anliegt. Die äußeren und inneren rohrförmigen Glieder 160, 162 sind vorzugsweise zylindrisch. Wenn die Kathode 124 zusammengebaut ist, dann ist ein distales Ende des Filaments 168 um ungefähr 0,762 mm (0,030 Zoll) gegenüber der Endkappe 164 beabstandet.
Wie in 6C zu erkennen ist, umfasst ein oberes oder distales Ende 308 des inneren rohrförmigen Gliedes 162 sechs gleichförmig beabstandete radiale Schlitze 310 vorzugsweise mit einer Breite von 0,508 mm (0,020 Zoll) und einer Tiefe von 1,524 mm (0,060 Zoll). Die Innenoberfläche 301 des inneren rohrförmigen Gliedes 162 benachbart zum distalen Ende 308 besitzt eine Gegenbohrung zur Aufnahme der Endkappe 164, wie am besten in den 6A und 6B zu sehen ist. Der Gegenbohrungsbereich 312 der Innenoberfläche 301 umfasst einen sich verjüngenden radialen Steg oder eine Rippe 314, der bzw. die sich radial nach innen erstreckt. Der Winkel der Verjüngung der Kanten des Stegs bzw. der Rippe 314 liegt bei ungefähr 30 Grad bezüglich der Vertikalen. Da der Gegenbohrungsbereich 312 des inneren rohrförmigen Gliedes 162 eine verringerte Wanddicke im Vergleich zu der Wanddicke des Restes des inneren rohrförmigen Gliedes besitzt, wird eine Stufe 316 an der Grenzfläche oder dem Ende des Gegenbohrungsbereichs gebildet. Die Stufe 316 liegt ungefähr 1,651 mm (0,065 Zoll) unterhalb des distalen Endes 308. Wie in 6A zu erkennen ist, wird, wenn die Endkappe 164 mittels Presspassung in dem inneren rohrförmigen Glied 162 aufgenommen ist, die Endkappe 164 an der sich verjüngenden Rippe 314 und der Stufe 316 des inneren rohrförmigen Gliedes getragen. Unter Bezugnahme auf die 6B werden geeignete Abmessungen für das innere rohrförmige Glied 162, wie folgt, angegeben:
Zwei leitende Anbringungsarme 170, 171 tragen das Wolframdrahtfilament 178 innerhalb des inneren rohrförmigen Glieds 162 der Kathode. Die Arme 170, 171 sind direkt an dem isolierenden Block 150 angebracht durch Verbinder 172 (7), die durch die Arme hindurchgehen, um mit Gewindeöffnungen in dem Block 150 in Eingriff zu kommen. Leitende Erregungsbänder bzw. Kabel 173, 174 sind an das Filament 178 gekoppelt und sie werden erregt durch Signale die durch den Flansch 182 des Gehäuses 80 über Durchleitungen 175, 176 geleitet werden.
Zwei Klemmen 177a, 177b fixieren das Wolframfilament 178 innerhalb des Hohlraums C, der durch das innerste rohrförmige Glied 162 des Kathodenkörpers 300 definiert ist. Das Filament 178 ist aus einem Wolframdraht hergestellt, der gebogen ist, um eine spiral- bzw. schraubenförmige Schleife (5) zu bilden. Enden des Filaments 178 werden durch erste und zweite Schenkel 179a, 179b aus Tantal getragen, die in elektrischem Kontakt mit den zwei Armen 170, 171 stehen über die Klemmen 177a, 177b.
Wenn das Wolframdrahtfilament 178 durch Anlegen einer Spannungsdifferenz über die Leistungsdurchführungen 175, 176 erregt wird, emittiert das Filament Elektronen, welche sich in Richtung der Endkappe 164 der Kathode 124 beschleunigen und darauf auftreffen. Wenn die Endkappe 164 ausreichend durch Elektronenbeschuss erhitzt ist, emittiert sie wiederum Elektronen in die Bogenkammer 176, welche auf Gasmoleküle treffen und Ionen innerhalb der Bogenkammer erzeugen. Ein lonenplasma wird erzeugt und Ionen innerhalb dieses Plasmas treten aus der Öffnung 78 aus, um den Ionenstrahl zu bilden. Die Endkappe 164 schirmt das Filament 178 gegenüber einem Kontakt mit dem Ionenplasma innerhalb der Bogenkammer 76 ab und verlängert die Lebenszeit des Filaments. Zusätzlich erleichtert die Art und Weise, in der das Filament 178 innerhalb des Kathodenkörpers 300 getragen ist, ein Ersetzen des Filaments.
Reflexionselektrode bzw. Reflektor 180
Elektronen, welche durch die Kathode 124 erzeugt werden und in die Bogenkammer 76 emittiert werden, aber nicht auf ein Gasmolekül innerhalb einer Gasionisierungszone treffen, bewegen sich in die Nähe eines Reflektors 180 (2). Der Reflektor 180 umfasst ein Metallglied 181 (8), angeordnet innerhalb der Bogenkammer 76, das Elektronen zurück in die Gasionisierungszone zum Kontaktieren eines Gasmoleküls umlenkt. Das Metallglied 181 ist aus Molybdän hergestellt. Ein Keramikisolator 182 isoliert das Reflektorglied 181 gegenüber dem elektrischen Potential der unteren Wand 130c der Plasmabogenkammer 76. Die Kathode 124 und der Reflektor 180 sind daher elektrisch und thermisch gegenüber den Bogenkammerwänden isoliert. Ein Kurzschluss des Reflektorgliedes 181 wird verhindert durch eine Metalltasse bzw. -schale, die verhindert dass Ionen den Isolator 182 beschichten.
Die Wände der Bogenkammer 76 werden auf Erde oder einem elektrischen Referenzpotential gehalten. Die Kathode 142, die die Kathodenendkappe 164 umfasst, wird auf einem Potential von zwischen 50 bis 150 Volt unter Erde der Bogenkammerwände gehalten. Dieses elektrische Potential wird in die Platte 152 gekoppelt über eine Leistungsdurchführung 186 zur Befestigung eines elektrischen Leiters 187 (3) an der Platte 152, die den Kathodenkörper 300 trägt. Das Filament 178 wird auf einer Spannung zwischen 200 und 600 Volt unter der der Endkappe 164 gehalten. Die große Spannungsdifferenz zwischen dem Filament 178 und dem Kathodenkörper 300 gibt den Elektronen, welche das Filament verlassen, eine hohe Energie, die ausreicht, um die Endkappe 164 zu erhitzen und thermionisch Elektronen in die Bogenkammer 76 zu emittieren. Dem Reflektorglied 181 wird erlaubt, auf dem elektrischen Potential des Gasplasmas innerhalb der Kammer 76 zu schwimmen.
Das '006 Patent von Sferlazzo et al. zeigt schematisch eine Schaltung bzw. einen Schaltkreis, der den Bogenstrom zwischen der Kathode und der Anode (Kammerwände der Bogenkammer) steuert. Der Betrieb dieser Schaltung ist in dem '006 Patent beschrieben. Während der Erzeugung von Ionen erwärmt sich die Quelle in Folge der Injektion von ionisierender Energie in die Bogenkammer 76. Nicht die gesamte Energie ionisiert das Gas innerhalb der Bogenkammer 76 und es wird eine bestimmte Menge an Wärme erzeugt. Die Bogenkammer 76 umfasst Wasserkupplungen 190, 192, welche Kühlwasser in den Quellenblock leiten und erwärmtes Wasser von dem Bereich der Bogenkammer wegleiten.
Isolierblock 150
Zusätzlich zum Isolieren der Kathode 124 gegenüber der Bogenkammer 76 positioniert der Isolierblock 150 das Filament 178 bezüglich des Kathodenkörpers 300 und den Kathodenkörper bezüglich der Bogenkammer. Die 9 bis 12 zeigen den Isolierblock 150 in größerer Einzelheit.
Der Isolierblock 150 ist ein langgestreckter keramischer elektrisch isolierender Block, der aus 99%igem reinem Aluminiumoxid bzw. Tonerde (Al₂O₃) aufgebaut ist. Der Isolierblock 150 besitzt eine erste im Allgemeinen flache Oberfläche 200, die sich über die Länge und Breite des Isolierblocks erstreckt. Diese flache Oberfläche 200 steht in Eingriff mit einem Kathodenanbringungsflansch 202 (17), der sich von der Rückwand 130e der Gaseinschluss- oder Bogenkammer 76 erstreckt. An einer Seite des Isolierblocks 150 entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche 200 definiert der Isolierblock 150 eine im Allgemeinen Planare Kathodentragoberfläche 210 zum Tragen der Kathode 124 und eine zweite im Allgemeinen planare Filamenttragoberfläche 212 zum Tragen des Kathodenfilaments 178 in beabstandeter Beziehung zu dem inneren rohrförmigen Glied 162 der Kathode. Wie am Besten aus der Draufsicht in 9 zu erkennen ist, besitzt die Kathodentragoberfläche 210 zwei Kantenkerben bzw. Nuten 220, 221 mit Öffnungen 222, 223, die sich durch eine reduzierte Breite des Isolierblocks 150 definiert durch die Nuten erstrecken.
Zwei Verbinder 224 (7) mit vergrößerten Köpfen 225 erstrecken sich durch diese Öffnungen 222, 223 und befestigen den Isolierblock 150 an dem Flansch 202 an der Bogenkammer 76. Die Verbinder 224 sind entlang ihrer Länge mit Gewinde versehen. Diese Verbinder kommen mit Gewindeöffnungen 204 (17) in dem Flansch 202 in Eingriff. Eine Rück- bzw. Unterstützungsplatte 206 (7) umfasst auch Gewindeöffnungen, in die sich die Verbinder erstrecken, um den Isolierblock 150 fest an der Bogenkammer 76 zu befestigen. Wenn der Isolierblock 150 an der Bogenkammer 76 befestigt ist, erstreckt sich die erste im Allgemeinen flache Oberfläche 200 mit einem im Allgemeinen rechten Winkel zu der Rückwand 130e der Bogenkammer. Zwei Anordnungsstifte 203 erstrecken sich von einer Oberfläche 202a des Flansches 202 weg. Diese Stifte passen in entsprechende Öffnungen 226 (11), die sich in die Oberfläche 200 des Isolators 150 erstrecken, um dabei zu helfen, den Isolierblock 150 während der Installation auszurichten.
Metallanbringungsplatte 152
Wie in den Figuren zu erkennen ist, ruht die Metallanbringungsplatte 152, die den dreiteiligen Kathodenkörper 300 trägt, an der Kathodentragoberfläche 210 des Isolierblocks 150 und erstreckt sich weg von der Oberfläche, um den Kathodenkörper 300 in Ausrichtung mit der Bogenkammeröftnung 158 zu bringen. Mit Gewinde versehene Verbinder 228 erstrecken sich in zwei zurückgesetzte bzw. ausgenommene Löcher 230 (11) in der Oberfläche 200 des Isolierblocks 150 und gehen durch Öffnungen 132 in dem Block hindurch, um mit Gewindeöffnungen 234 (19) in der Platte 152 in Eingriff zu kommen.
Zwei Anordnungsstifte 236 (19 und 20) werden durch die Anbringungsplatte 152 getragen. Wenn die Anbringungsplatte 152 an dem Isolierblock 150 befestigt wird erstrecken sich diese Stifte in Ausrichtungslöcher 238 (9) in dem Block 150. Dies hilft dabei, den Block 150 und die Platte 152 auszurichten und fördert eine Verbindung der zwei während der Herstellung der Kathode 124, sowie während einer Wartung der Kathode 124 nach der Verwendung in der Implantiervorrichtung 10.
Sobald die Metallanbringungsplatte 152 an dem Block 150 angebracht ist und der Block an der Bogenkammer 76 angebracht ist, ist die Gewindeöffnung 167 (19) in der Anbringungsplatte 152, welche den dreiteiligen Kathodenkörper 300 positioniert, ausgerichtet bezüglich der Öffnung 158, die sich durch die Wand 130 in der Bogenkammer 76 erstreckt.
Planare Oberflächen 240 (7) der langgestreckten Arme 170, 171 kommen in Eingriff mit und werden getragen durch die Isolierblockoberfläche 212 (12), die beabstandet ist von der gegenüberliegenden Oberfläche 200 durch eine maximale Dicke des Isolierblocks 150. Gewindeverbinder 250 (5) mit vergrößerten Köpfen erstrecken sich durch Öffnungen 252 in den Armen 170, 171 und sind in Gewindeöffnungen 254 in der Filamenttragoberfläche geschraubt. Wie am Besten in 7 zu erkennen ist, definiert der relative Abstand zwischen den zwei planaren Oberflächen 210, 212 des Isolierblocks 150 einen Spalt G zwischen der Oberfläche 240 der Arme 170, 171 und einer Oberfläche 262 (7 und 19) der Platte 152. Der Spalt G und die Tatsache, dass der Keramikisolierblock 150 aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist, isoliert die zwei Arme 170, 171 nicht nur elektrisch gegeneinander, sondern auch gegenüber der Anbringungsplatte 152, welche den Kathodenkörper 300 trägt. Die Löcher 252 in den Filamenttragarmen 170, 171 richten sich mit den Löchern 254 in dem Isolierkörper 150 aus und positionieren das Filament 178 akkurat innerhalb des Hohlraums C des Kathodenkörpers 300.
Wie in den 9 bis 12 zu sehen ist, definiert der Keramikisolierblock 150 des Isolators eine Anzahl von langgestreckten Kerben bzw. Nuten oder Kanälen N1 bis N3 (10). Diese Nuten N1 bis N3 unterbrechen die im Allgemeinen planaren Oberflächen des Isolierblocks 150. Wenn der Isolierblock 150 in der Nähe der Bogenkammer 76 angebracht ist, wird er mit elektrisch leitenden Abscheidungen beschichtet. Die Isolatoren, die in dem '006 Patent beschrieben wurden, waren während des Betriebs der Quelle einer Oberflächenbeschichtung ausgesetzt. Diese Beschichtung konnte zu einem frühzeitigen Funkenübersprung oder einem Kurzschluss und einem Ausfall der Quelle führen. Die Kanäle N1 bis N3 in dem Einzelblockisolator 150 führen dazu, dass sich der Block selbst abschattet, d. h. die Ionen beschichten keine kontinuierliche Oberfläche über dem Isolierblock 150 hinweg und der Block ist daher weniger anfällig gegenüber einem Funkenübersprung.
Kathodenendkappe 164
Die Kathodenkappe 164 ist aus einem Wolfram thermionischen Emitter hergestellt, der einen Bogenstrom zu der Bogenkammer vorsieht. Die einfache scheibenförmige Kathodenendkappe, die in dem '006 Patent gezeigt ist, wird durch die Endkappe 164 ersetzt, die während sie mit der Kathodenstruktur, die in dem '006 Patent gezeigt ist, kompatibel ist, mehrere bestimmte Vorteile besitzt.
Die Endkappen 164 (13, 13A, 13B) des Kathodenkörpers 300 ist leitend und ist aus einem geschmiedeten Wolframmaterial hergestellt. Die Endkappe 164 ist im Allgemeinen zylindrisch und umfasst ein erstes Ende 320 und ein zweites Ende 322, die durch einen Körperteil 324 beabstandet sind. Das erste Ende 320 liegt benachbart zu und wird erhitzt durch das Filament 178, während das zweite Ende 322 Elektronen in die Bogenkammer 76 emittiert. Ein angehobener randförmiger Träger oder rippenförmiger Träger 126 erstreckt sich radial nach außen von dem Körperteil 324. Die Endkappe 164 ist mittels Presspassung in den Gegenbohrungsbereich 312 des distalen Endes 308 des inneren rohrförmigen Gliedes 162 eingeführt. Die sich nach innen erstreckende Rippe 314 des inneren rohrförmigen Gliedes 162 besitzt einen Innendurchmesser von 11,99 mm (0,472 Zoll) der etwas kleiner ist als ein Außendurchmesser des rippenförmigen Trägers 326 von 12,01 mm (0,473 Zoll) der Endkappe 164, wodurch eine Interferenzpassung bewirkt wird. Um die Interterenzpassung der Endkappe 164 in das innere rohrförmige Glied 162 zu unterstützen, ist eine äußere Umfangskante 328 einer zum Filament weisenden Seite 330 des rippenför migen Trägers abgeschrägt bzw. gefast. Zusätzlich sitzt, wie am Besten in 6A zu sehen ist, ein Teil der zum Filament weisenden Seite 330 des rippenförmigen Trägers 326 direkt nach innen bezüglich der abgeschrägten Kante 328 auf der Stufe 316 des inneren rohnörmigen Gliedes 162, die die Grenze bzw. den Übergang zwischen dem Gegenbohrungsbereich 312 und dem nicht Gegenbohrungen aufweisenden Bereichen der Innenoberfläche 301 definiert. Somit wird die Endkappe 164 während des Betriebs des Ionenimplantierers 10 durch die Interferenz- Presspassung zwischen der sich erstreckenden Rippe 314 des inneren rohrförmigen Gliedes 162 und dem rippen- bzw. randförmigen Träger 326 der Endkappe 164, sowie dem Sitz der zum Filament weisenden Seite 330 des rippenförmigen Trägers 326 an der Stufe 316 an seinem Platz gehalten. Ein distaler Teil 332 des Körperteils 324 der Endkappe 164 erstreckt sich nach oben in die Bogenkammer 76 hinein über die distalen Enden der inneren und äußeren rohrförmigen Glieder 162, 160 hinaus. Ein proximaler Teil 334 des Körperteils 324 erstreckt sich nach unten von dem rippen- bzw. randförmigen Träger 326 zu dem Filament 178. Gemäß den 13 und 13A werden für die Endkappe 164 folgende geeignete Dimensionen angegeben:
Während das Filament 178 erregt wird, wird die Endkappe 164 erhitzt und das zweite oder Emitterende 322 emittiert Elektronen in die Bogenkammer 76. Wie am Besten in 2 zu sehen ist, ist der Kathodenkörper 300 so positioniert, dass die ersten und zweiten rohrförmigen Glieder 160, 162 sich durch die Öffnung 158 in der Bogenkammerwand 130d hindurch und in den Innenbereich R der Bogenkammer erstre cken. Das Emitterende 322 der Endkappe 164 ist ungefähr mit einem unteren Ende 336 der Austrittsapertur bzw. Öffnung 78 ausgerichtet.
Der kleine Kontaktbereich zwischen der Endkappe 164 und dem inneren rohrförmigen Glied 162 minimiert den Wärmetransfer von dem Filament 178 zu den inneren und äußeren rohrförmigen Gliedern 162, 160 und der Metallanbringungsplatte 152, um dadurch die Lebenszeit der Kathode zu erhöhen. Darüber hinaus ermöglicht der sich erstreckende Rand bzw. die Rippe der Endkappe 174, dass der zylindrische Körperteil 324 der Endkappe eine wesentlich reduzierte Querschnittsfläche besitzt im Vergleich zu der Querschnittsfläche des inneren rohrförmigen Gliedes 162. Die Querschnittsfläche A1 des inneren rohrförmigen Gliedes 162 (Teil ohne Gegenbohrung) beträgt ungefähr gleich: A1 = π × [(Innendurchmesser)2/4] = 104,00 mm2 (0,1612 Zoll2)
Die Querschnittsfläche A2 des Körperteils 324 der Endkappe 164 ist ungefähr gleich zu: A2 = π × [(Außendurchmesser)2/4] = 51,872 mm2 (0,0804 Zoll2)
Somit beträgt die Querschnittsfläche der Endkappe 164 im Wesentlichen 50% der Querschnittsfläche des inneren rohrtörmigen Gliedes 162.
Der kleine Kontaktbereich zwischen der Endkappe 164 und dem inneren rohrtörmigen Glied 162 reduziert erheblich die von der Endkappe 164 zu dem inneren rohrförmigen Glied und den Isolierblock 150 übertragene Wärme. Ferner sieht die reduzierte Querschnittsfläche der Endkappe 164 eine effizientere Verwendung der Filamentheizleistung vor, wodurch weniger Leistung für einen vorgegebenen gewünschten Strom notwendig ist. Für ein vorgegebenes Filamentleistungsniveau resultiert die kleinere Querschnittsfläche des zweiten oder Emitterendes 322 der Endkappe 164 in einer erhöhten Stromdichte des Bogenstroms, der in die Bogenkammer 76 strömt und eine höhere Emitterendtemperatur.
Die Kombination einer höheren Elektronenstromdichte und einer höheren Emitterendtemperatur resultiert auch in höheren Anteilen von mehrfach geladenen Ionen. Die erhöhte Bogenstromdichte (in Folge des reduzierten Emissionsbereichs) und die höheren Emitterendtemperaturen (in Folge der geringeren thermischen Masse und der verbesserten thermischen Isolierung des Emitters) sehen vorteilhafterweise Folgendes vor:

a) eine erhöhte Disassoziation von einzeln geladenen Ionen z. B. Disassoziation von BF₃ und BF₂; und
b) erhöhte Produktion von mehrfach geladenen Ionen, z. B. erhöhte Produktion von B++ und B+++.

Ferner ermöglicht die Endkappe 164 der vorliegenden Erfindung, dass ein höherer Bogenstrom erreicht wird unter Verwendung der existierenden Bogenkammersteuerelektronik. Aus der obigen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden sich dem Fachmann Verbesserungen, Änderungen und Modifikationen ergeben.

Claims

Eine Ionenquelle (12) zur Verwendung in einer Ionenimplantiervorrichtung (10), wobei die Ionenquelle (12) Folgendes aufweist: a) eine Einschluß- bzw. Umschließungskammer (76) mit Kammerwänden (130), die einen Ionisierungsbereich bzw. eine Ionisationszone (R) begrenzen und mit einer Austrittsöffnung (78), um zu gestatten, dass Ionen aus der Umschließungskammer (76) austreten; b) Mittel zur Lieferung eines ionisierbaren Materials in die Umschließungskammer (76); c) eine Struktur zum Tragen der Umschließungskammer (76) in einer Position zur Bildung eines Ionenstrahls (20), wenn die Ionen aus der Umschließungskammer (76) austreten; d) eine Kathode (124) positioniert bezüglich der Ionisationszone (R) der Umschließungskammer (76), um ionisierende Elektronen in die Ionisationszone (R) der Umschließungskammer (76) zu emittieren zur Erzeugung von Ionen innerhalb der Ionisierungszone (R), wobei die Kathode (124) eine Wärmequelle (178) aufweist, und zwar positioniert in einem elektrisch isolierten Kathodenkörper (300), der ein erstes Rohr (162) und eine Endkappe (164) getragen in einem entfernt gelegenen Ende (308) des ersten Rohres (162) aufweist, und zwar benachbart zur Wärme- bzw. Heizquelle (178), wobei die Endkappe (164) ionisierende Elektronen in die Ionisierungszone (R) der Gasumschließungskammer (76) dann emittiert, wenn die Erhitzung durch die Heiz- oder Wärmequelle (178) erfolgt; und wobei die Endkappe (164) ein erstes Ende (320) und ein zweites Ende (322) aufweist die durch einen Körperteil (324), beabstandet sind und einen radial vorspringenden Träger (326), der sich nach außen von dem Körperteil (324) erstreckt, der eine Innenoberfläche (301) des ersten Rohrs (162) kontaktiert, um die Endkappe (164) innerhalb des entfernt gelegenen bzw. distalen Endes (308) des ersten Rohres (162) zu tragen, wobei der radial vorspringende Träger (326) eine Dicke in Axialrichtung besitzt, die kleiner ist als eine Axialerstreckung des Körperteils (324).
Die Ionenquelle nach Anspruch 1, wobei die Endkappe (164) aus Wolfram besteht und der sich radial erstreckende oder ragende Träger (326) der Endkappe (164) einen Rand bzw. eine Rippe aufweist, der sich nach außen von dem Endkappenkörperteil (324) erstreckt.
Die Ionenquelle nach Anspruch 2, wobei eine Außenumfangsoberfläche des Randes (326) die Innenoberfläche (301) des ersten Rohrs (162) kontaktiert, um die Endkappe (164) innerhalb des entfernt gelegenen Endes (308) des ersten Rohres zu tragen.
Die Ionenquelle nach Anspruch 3, wobei das entfernt gelegene Ende (308) des ersten Rohrs (162) einen Teil aufweist mit einer sich radial nach innen ragenden Rippe (314) und wobei die Außenumfangsoberfläche des Randes (326) die Rippe (314) kontaktiert, um die Endkappe (164) innerhalb des entfernt gelegenen Endes (308) des ersten Rohres zu tragen.
Die Ionenquelle nach Anspruch 1, wobei das erste Ende (320) der Endkappe (164) benachbart zur Heizquelle (178) positioniert ist, und wobei das zweite Ende (322) der Endkappe (164) sich durch eine Öffnung (158) in der Umschließungskammer (176) erstreckt und ionisierende Elektronen in die Ionisierungszone (R) emittiert.
Die Ionenquelle nach Anspruch 1, wobei die Heizquelle (178) ein durch einen Isolationsblock (150) getragenes Filament ist.
Die Ionenquelle nach Anspruch 6, wobei eine Außenoberfläche (302) des ersten Rohrs (162) einen Gewindeteil (163) aufweist, der gewindemäßig mit einem Metallbefestigungsblock (152) in Eingriff steht, um den Kathodenköper (300) zu tragen und wobei der Metallbefestigungsblock (152) an den Isolationsblock (150) befestigt ist.
Die Ionenquelle nach Anspruch 1, wobei der Kathodenköper (300) zusätzlich ein zweites Rohr (160) koaxial mit dem ersten Rohr (162) aufweist und über mindestens einem Teil des entfernten Endes (308) des ersten Rohres liegt.
Die Ionenquelle nach Anspruch 8, wobei eine Außenoberfläche (302) des ersten Rohrs (162) einen Gewindeteil (163) aufweist, und wobei eine Außenoberfläche (304) des zweiten Rohrs (160) einen Gewindeteil (161) aufweist, der gewindemäßig mit dem ersten Rohr (162) in Eingriff steht.
Die Ionenquelle nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Teil des Kathodenkörpers (300) sich durch eine Öffnung (158) der Umschließungskammer (76) erstreckt, und zwar in die Ionisationszone (R).
Eine Kathode (124) zum Emittieren von ionisierenden Elektronen in eine Ionisationszone bzw. einen -bereich (R) einer Umschließungskammer bzw. Einschlusskammer (76) um Gasmoleküle zu ionisieren, wobei die Kathode Folgendes aufweist: a) einen Kathodenkörper (300) einschließlich eines ersten Rohrs (162) und einer Elektronen emittierenden Endkappe (164) getragen an einem entfernt gelegenen Teil (308) des ersten Rohrs (162); b) eine Heizquelle (178) positioniert im ersten Rohr (162) benachbart zur Endkappe (164), um die Endkappe (164) zu erhitzen, was die Emission von ionisierenden Elektronen zur Folge hat, wobei die Heizquelle (178) elektrisch gegenüber dem Kathodenkörper (300) isoliert ist; und c) wobei die Endkappe (164) ein erstes Ende (320) und ein zweites Ende (322) aufweist, und zwar beabstandet voneinander durch einen Körperteil (324) und mit einem sich radial erstreckenden oder wegragenden Träger (326), der sich nach außen vom Körperteil (324) erstreckt, der eine Innenoberfläche (301) des ersten Rohrs (162) kontaktiert, um die Endkappe (164) innerhalb des entfernt gelegenen Teils (308) des Rohrs (162) zu tragen, wobei der sich radial erstreckende Träger (326) eine Dicke in Axialrichtung besitzt, die kleiner ist als eine Dicke in Axialrichtung des Entkappenkörperteils (324).
Die Kathode nach Anspruch 1, wobei die Endkappe (164) aus Wolfram besteht, und wobei der sich radial erstreckende Träger (326) der Endkappe (164) einen Rand bzw. eine Rippe aufweist, der sich nach außen vom Endkappenkörperteil (324) erstreckt.
Die Kathode nach Anspruch 12, wobei eine Außenumfangsoberfläche des Randes (326) die Innenoberfläche (301) des ersten Rohrs (162) kontaktiert, um die Endkappe (164) innerhalb des entfernt gelegenen Teils (308) des ersten Rohres zu tragen.
Die Kathode nach Anspruch 13, wobei der entfernt gelegene Teil (308) des ersten Rohrs (162) eine Zone (312) aufweist mit einer sich radial nach innen erstreckenden oder ragenden Rippe (314), und wobei die Außenumfangsoberfläche des Randes (326) die Rippe (314) kontaktiert, um die Endkappe (164) innerhalb des entfernt gelegenen Teils (308) des ersten Rohres zu tragen.
Die Kathode nach Anspruch 11, wobei das erste Ende (320) der Endkappe (164) benachbart zur Heizquelle (178) positioniert ist, und wobei das zweite Ende (322) der Endkappe (164) sich durch eine Öffnung (158) in der Umschließungskammer (76) erstreckt und ionisierende Elektronen in die Ionisierungszone (R) emittiert.
Die Kathode nach Anspruch 15, wobei die Heizquelle (178) ein Faden bzw. Filament getragen durch einen Isolationsblock (150), ist.
Die Kathode nach Anspruch 16, wobei eine Außenoberfläche (302) des ersten Rohrs (162) einen Gewindeteil (163) aufweist, der gewindemäßig mit einem Metallbefestigungsblock (152) in Eingriff steht, um den Kathodenköper (300) zu tragen, und wobei der Metailbefestigungsblock (152) am Isolationsblock (150) befestigt ist.
Die Kathode nach Anspruch 11, wobei der Kathodenkörper (300) zusätzlich ein zweites Rohr (160) koaxial mit dem ersten Rohr (162) aufweist und über mindestens einen Teil des entfernt gelegenen Teils (308) des ersten Rohres liegt.
Die Ionenquelle nach Anspruch 1, wobei eine Außenoberfläche (302) des ersten Rohrs (162) einen Gewindeteil (163) aufweist, und wobei eine Außenoberfläche (304) eines zweiten Rohrs (160) einen Gewindeteil (161) aufweist, der gewindemäßig mit dem ersten Rohr (162) in Eingriff steht.
Die Ionenquelle nach Anspruch 11, wobei mindestens ein Teil des Kathodenkörpers (300) sich durch eine Öffnung (158) der Umschließungskammer (176) erstreckt, und zwar in die Ionisationszone (R).