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离子源蒸发器

阅读：424发布：2021-02-26

IPRDB可以提供离子源蒸发器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种离子源蒸发器,包括:一个中空蒸发器主体,一个加热器和一个喷嘴。中空蒸发器主体具有一个开口部。加热器安装在所述中空蒸发器主体的外侧,它使中空蒸发器主体中的固体样品蒸发。喷嘴将中空蒸发器主体中产生的蒸汽送到一个弧腔中。该离子源蒸发器还包括一个用于充装固体样品的坩埚和一个压缩单元,该坩埚设置在中空蒸发器主体的空腔中,压缩单元用于将坩埚底压向中空蒸发器主体的空腔底。将所述喷嘴的一端旋拧到坩埚的上部。，下面是离子源蒸发器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种离子源蒸发器，包括：

一个具有一个开口部的中空蒸发器主体；

一个使所述中空蒸发器主体中的固体样品蒸发的加热器；

一个将所述中空蒸发器主体中产生的蒸汽送到一个弧腔中的喷嘴；

一个充装固体样品的坩埚，该坩埚设置在所述中空蒸发器主体的空腔中，并与所述喷嘴接合；以及一个将所述坩埚压向所述中空蒸发器主体的压缩单元。

2.根据权利要求1所述的离子源蒸发器，其中将所述坩埚的上部旋拧到所述喷嘴的一端，利用所述压缩单元将所述坩埚的底部压向所述中空蒸发器主体的空腔底部。

3.根据权利要求1所述的离子源蒸发器，其中所述压缩单元有一个圆筒形件，该圆筒形件有一个内表面和一个外表面，所述压缩单元的内表面不与所述喷嘴的外表面接触，所述压缩单元的外表面的一部分与所述中空蒸发器主体的上部内表面接合。

4.根据权利要求1所述的离子源蒸发器，其中所述坩埚由石墨制成。

5.根据权利要求1所述的离子源蒸发器，其中所述喷嘴由石墨制成。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种用于对离子源固体样品进行加热的离子源蒸发器，所述样品提供给例如离子注入装置的离子束照射装置。具体地说，本发明涉及的离子源蒸发器可以防止喷嘴堵塞，所述喷嘴用于将蒸发器的蒸汽样品送到一个弧腔中。

背景技术

迄今为止，通常采用照射方法对表面进行改性，并将杂质注入到硅片中或玻璃基质中。通过对气体样品或固体样品进行电离获得这些离子。在常温下，像磷，锑或铝的金属为固体。为了从这些固体中得到粒子，需要利用加热方法使固体样品蒸发，然后在蒸发状态送到一个弧腔中。
通常，为了从固体样品中产生蒸汽，所用的离子源蒸发器有一个中空样品小室，和一个对其周围的固体样品进行加热蒸发的加热器。
图2示出的是传统离子源蒸发器的一个例子。离子源蒸发器1包括一个蒸发器主体2，一个喷嘴10，一个喷嘴固定件20和一个加热器30。
蒸发器主体2由例如不锈钢的金属构成，该主体为底部有开口部的中空结构。蒸发器主体2在中空结构底侧有一个样品小室3，在中部有一个锥部4，在上部有螺纹槽5。样品小室3通过金属制成的喷嘴10与弧腔40相连，所述金属例如是不锈钢。喷嘴10的一端有一个法兰盘11。通过喷嘴固定件20将该法兰盘11固定到锥部4上，以便盖住样品小室3。围绕喷嘴固定件20的部分外周上有螺纹21，螺纹21与螺纹槽5配合。将喷嘴10的另一端装到弧腔40的一个未示出的气体入口中。固体样品31为离子类，例如磷或锑。将一个例如为热电偶的温度测量装置32设置在样品小室3的底部附近。将例如为铠装加热器的加热器30设置在蒸发器主体2的周围，该加热器通过未示出的电缆与电源相连。另外，在蒸发器主体2的底部设置一个凹陷部6。如果要更换固体样品31，则需要很快将离子源蒸发器1进行冷却。为此，就要迫使空气从未示出的压缩空气源进入凹陷部6。
通过供电加热器30来加热蒸发器主体2和样品小室3，从而使装在样品小室3中的固体样品31蒸发。在样品小室3中产生的蒸汽通过喷嘴10 的喷嘴导向部分12进入弧腔40。将温度测量装置32的信号传送到一个未示出的控制器，该控制器根据信号控制加到加热器上的电流，从而调节样品小室3的温度。
在上述离子源蒸发器1中，根据蒸发器主体2的加工要求形成锥部4。将喷嘴10的法兰盘11固定到蒸发器主体2的锥部4上，法兰盘11的外周与锥部4仅是线接触(严格地说只是在几个点进行点接触)。因此在法兰盘11 和锥部4之间的热阻很大，使得蒸发器主体2的热量不能完全传送到法兰盘11上，
弧腔40的温度(例如600℃)通常比样品小室3的温度高，因而热量从弧腔40传送到喷嘴10。但是，弧腔40的绝大部分热量通过与喷嘴10接触的喷嘴固定件20传送到蒸发器主体2，而不是传送到喷嘴10。因此，热量很难从蒸发器主体2，特别是从弧腔40有效地传送到喷嘴10的法兰盘11 附近。因而，在某些离子源的运行条件下，估算出在离子源蒸发器1的蒸汽路径上，法兰盘11的温度最低。
因此，固体样品31在样品小室3中产生的蒸汽，在通向弧腔40的途中被温度较低的法兰盘11冷却，重新结晶并长大(后来进入的蒸汽进一步结晶)，导致喷嘴出现堵塞问题。
一旦喷嘴10堵塞，就必须停止离子源的运行，以更换离子源蒸发器1，这样就导致离子注入装置的生产力下降。另外，必须对具有堵塞了的喷嘴10 的离子源蒸发器1进行检修，清洗，从而造成检修问题。
当离子类为锑时，这种问题就更为严重，锑的熔点约为630℃，如果样品小室3的温度增高到该熔点以上，则在样品小室3中的锑就会完全熔化，并变成液体。如果将离子源用在这样的情况下，即所用的离子为液态时，则液态锑就会粘到样品小室3，喷嘴10和弧腔40上，于是造成清洗问题。因此，当将锑用作离子类时，必须将样品小室3的温度设定在熔点或熔点以下。
图3所示的草图表示弧腔40，喷嘴10和蒸发器主体2(样品小室3)的温度分布。线X表示喷嘴10的温度分布。喷嘴10在与弧腔40配合的位置处温度最高(A)，离开弧腔40时温度降低，法兰盘11的温度最低(B)。正如上面所述的那样，这是因为喷嘴10的法兰盘11很少受到其它部件的热传导。因此，当将样品小室3的温度设定在比温度(B)低的温度(C)时，也就是在Y线上的温度时，如果可以收集到足够的蒸汽量，则样品小室3中产生的蒸汽在到达弧腔40以前，不与温度比样品小室3的温度(C)低的部位接触，所以没有重新结晶。但是，在固体样品31为锑的情况下，如果样品小室3的温度低于温度(B)，则收集不到足够蒸汽。因此必须将样品小室3的温度设定在比(B)高的温度(D)。在这种情况下，温度为(D)(即线Z的温度) 的蒸汽与喷嘴10的温度较低(B)的法兰盘11接触，使得蒸汽温度下降，锑在法兰盘11中重新结晶。所以，喷嘴被堵塞。当固体样品31为铝(熔点为 660℃)时也会出现类似的现象。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种离子源蒸发器，当锑或铝用作固体样品时，该离子源蒸发器可以长时间地稳定地抽吸离子束，其中在样品小室中的锑或铝即使蒸发也不会在喷嘴中重新结晶而造成喷嘴堵塞。
根据本发明，提供的离子源蒸发器包括：一个具有一个开口部的中空蒸发器主体；一个用于使中空蒸发器主体中的固体样品蒸发的加热器；一个用于将中空蒸发器主体中产生的蒸汽送到一个弧腔中的喷嘴；一个用于充装固体样品的坩埚，该坩埚设置在中空蒸发器主体的空腔中，并与喷嘴接合；以及一个用于将坩埚压向中空蒸发器主体的压缩单元。在离子源蒸发器中，最好将坩埚的上部旋拧到喷嘴的一端，利用压缩单元将坩埚的底部压向中空蒸发器主体的空腔底部。
根据上述结构，坩埚和喷嘴被接合在一起，这样就可以减少从坩埚到喷嘴的热阻。由于喷嘴的一部分的温度，特别是喷嘴的低温法兰盘的温度几乎可以等于蒸汽温度，因此就可以防止蒸汽在喷嘴的法兰盘上重新结晶，也就是防止喷嘴的堵塞。

附图说明

图1是部分截面的草图，表示本发明离子源蒸发器的一个例子；
图2是部分截面的草图，表示现有技术的离子源蒸发器的一个例子；和
图3的草图表示弧腔、喷嘴和中空蒸发器主体(样品小室)的温度变化。

具体实施方式

图1是部分截面的草图，表示本发明离子源蒸发器的一个例子。与传统例子的图2相同或相似的部件用相同的标号表示。下面主要描述与传统例子不同的地方。
离子源蒸发器1有一个可拆卸地插入中空蒸发器主体2的空腔中的坩埚50。坩埚50里面是样品小室3，小室中装有固体样品31。坩埚50的上部内表面有螺纹槽51。喷嘴10一端的法兰盘11的外表面上有螺纹13，该螺纹与坩埚50的螺纹槽51配合。用与传统例子相同的方法将喷嘴10的另一端装到弧腔40的一个未示出的气体入口中。
离子源蒸发器1还包括一个用于将作为坩锅的底部的坩埚底52压向中空蒸发器主体2空腔底2的压缩单元。将用作压缩单元的喷嘴固定件20与中空蒸发器主体2的螺纹槽5配合，该固定件通过固定件顶端22压住喷嘴10 的法兰盘11，所述顶端就是喷嘴固定件20的顶端。
在本发明中，喷嘴10的法兰盘11上形成的螺纹13与坩埚50的螺纹槽 51相互配合，并通过固定件顶端22压向坩埚底52。这样，喷嘴10与坩埚50 处于面接触，而不是通常的点接触，从而产生大的接触面积，在它们之间出现的热阻相当小。因此，坩埚50的热量就可以平稳地传递到喷嘴10的法兰盘11上，使法兰盘11的温度提高。由此就可以避免在法兰盘11上重新结晶，也就是说可以避免离子源蒸发器1的喷嘴10堵塞。
如上所述，可拆卸的坩埚50可以插到中空蒸发器主体2的空腔中。为了平滑地安插坩埚50，在坩埚50的侧面与中空蒸发器主体2的空腔侧面之间有一个滑槽。实际上，如果坩埚50插到中空蒸发器主体2的空腔中，则坩埚50的侧面就会与中空蒸发器主体2空腔的部分侧面直接接触，但接触面积只是整个面积的一小部分。所以，坩埚侧面与中空蒸发器主体2的空腔侧面之间的传热，主要由辐射而不是传导产生(下面将其称之为“由侧面传递”)。反之，由于坩埚底51和中空蒸发器主体2的空腔底直接接触，所以坩埚底和中空蒸发器主体2的空腔底之间的传热主要由传导产生(下面将其称之为“由底传递”)。由于传导热通常比辐射热大，所以从中空蒸发器主体2到坩埚50的传热主要是由底传递引起的。
因此，为了有效地将热量从中空蒸发器主体2传送到坩埚50，就需要有一个用于将坩埚底52压向中空蒸发器主体2的空腔底的压缩单元。
在该压缩单元中，围绕喷嘴固定件20的部分外周上形成的螺纹21，与中空蒸发器主体2上形成的螺纹槽5接合，固定件顶端22迫使喷嘴10 下行，由此将坩埚底51压向中空蒸发器主体2的空腔底。结果，从中空蒸发器主体2到坩埚50的热阻减小，这样就使得传热平稳进行。所得到的优点为：(1)离子源蒸发器1的温度可以迅速增高，在充装新固体样品31以后，离子源蒸发器1的温度迅速增高，由此提高离子注入装置的效率。(2)离子源蒸发器1的温度可以迅速下降。因此，当更换固体样品31时，离子源蒸发器1的温度可以迅速下降，由此提高离子注入装置的效率。(3)可以提高坩埚50的温度控制能力。由于难以直接测量坩埚50的温度，所以在实际运用过程中，在中空蒸发器主体2的底部安装一个温度测量装置32来测量温度。因此，可以减少温度测量装置32和坩埚50之间的温差。另外，由于有预定压力作用到坩埚51上，所以能够将温度测量装置32和坩埚50之间的温差总是保持在一定的范围内。
通常，由于固体样品是直接装到中空蒸发器主体2的空腔中的，所以在每次改变不再用于离子源蒸发器1的固体样品31的品种时，都需要对空腔进行清洗。但是，在本发明中，将固体样品6装在所述可以拆卸地插入离子源蒸发器1中的坩埚50内。所以，在改变需充装的固体样品31的品种时，就制备一个新坩埚，而且只要用该新坩埚代替坩埚50即可，这样就可以直接使用离子源蒸发器1。
此外，如果喷嘴10和坩埚50的材料是石墨，则可以得到下面的效果。
在使用离子源蒸发器1时，在室温下将固体样品装在坩埚50中，并将该坩埚与喷嘴10接合。然后，将与喷嘴10接合了的坩埚50放到中空蒸发器主体2中。将中空蒸发器主体2加热到摄氏几百度的温度，以便使固体样品31蒸发。然后再将中空蒸发器主体2冷却到室温以下，脱开坩埚5和喷嘴10，在坩埚5中装上新的固体样品。但是，如果喷嘴10和坩埚50是由普通金属，例如不锈钢制成的，则它们的接合部位就可能会因热而受到损伤，使它们不能再使用。另一方面，如果它们是用石墨制成的，则不会出现损坏，因此它们可以再用数次。另外，也可以用其它材料(例如陶瓷，耐热金属)代替石墨，当喷嘴10和坩埚50处于工作温度时，它们的化学性能是稳定的，而且有很好的热导率，制作也方便，不会因热受到损伤。
此外，作为喷嘴固定件20的内表面的固定件内表面24，和喷嘴10的蒸汽导向部分12可以保持不接触，换句话说，在固定件内表面24和蒸汽导向部分12之间可以有一个间隙23。
弧腔40的热量差不多全部传送到喷嘴10的法兰盘11，而不是通过喷嘴固定件20传给中空蒸发器主体2。因此，法兰盘11的温度比通常的高，这样就可以防止在法兰盘11上重新结晶，或可以防止离子源蒸发器1中的喷嘴20堵塞。
在该实施例中，喷嘴固定件20用作压缩单元，取而代之的是，可以在弧腔40和整个中空蒸发器主体2之间设置一个弹簧，以便利用弹簧力将喷嘴底11压向中空蒸发器主体2的空腔底。
实际上，是在离子源蒸发器1处于水平位置的情况下，将该离子源蒸发器1联结到弧腔40上的。所以，当具有以直立状态充装的固体样品31 的离子源蒸发器1联结到弧腔40上时，因为离子源蒸发器1侧转，所以固体样品31会溅出喷嘴10。为了防止固体样品31溅出，可以使法兰盘11具有迷宫式结构。
在该实施例中，将一个铠装加热器用作加热器30。然而，除了该铠装加热器以外，本发明还可以使用灯泡加热器或激光型加热器。
[例子]
在Bernars式离子源(弧腔40)中，将粒径约为100-300μm的粉末锑用作可以产生一定蒸汽量的固体样品31。将蒸发器温度(温度测量装置32)定为520℃，电子束电流为500μA时，利用图1所示的本发明的离子源蒸发器1提取锑束。在离子源蒸发器1中，喷嘴10和坩埚50之间的接合部分的螺纹长度为4mm，共有两个半丝扣，固定件内表面24和蒸汽导向部分12 之间的间隙为2mm。连续运行48小时没有出现电子束电流减少的现象。48 小时以后，离子源蒸发器1进行检查和检修，喷嘴10中没有任何地方发现锑重新结晶。
另一方面，用图2所示的传统离子源蒸发器1，在相同的条件下提取锑束。三分钟以后电子束电流明显降低。同时，不能测量电子束电流。在检查和检修离子源蒸发器1时，发现重新结晶的锑粘在喷嘴10的法兰盘11 附近，完全关闭了蒸汽导向部分12。
上面描述的本发明有以下效果。
利用本发明，将装有固体样品的坩埚设置在中空蒸发器主体的空腔中，喷嘴和坩埚相互接合，由此从坩埚到喷嘴的热阻可以降低，从而使得喷嘴和坩埚可以处在基本相同的温度。因此，喷嘴的一部分，具体地说，温度可能比较低的喷嘴的法兰盘可以得到基本与蒸发温度相同的温度，由此，就可以避免蒸汽重新结晶或避免喷嘴堵塞。
另外，设置有将坩埚底压向中空蒸发器主体的空腔底的单元，由此，可以减少坩埚底部和中空蒸发器主体的空腔底部之间的热阻。因此，蒸发器可以受到快速加热或快速冷却，并且可以改善坩埚的温控能力。

标题	发布/更新时间	阅读量
盘式蒸发器-专利编号CN103673411B	2020-05-12	101
翅片式蒸发器-专利编号CN103697637B	2020-05-13	879
一种蒸发板-专利编号CN103673410A	2020-05-12	37
一种蒸发器-专利编号CN103673407A	2020-05-11	516
蒸发器-专利编号CN103673409B	2020-05-11	310
翅片式蒸发器-专利编号CN103673406B	2020-05-13	189
一种蒸发板-专利编号CN103673410B	2020-05-11	1038
翅片式蒸发器-专利编号CN103697637A	2020-05-13	408
盘式蒸发器-专利编号CN103673411A	2020-05-12	869
蒸发器-专利编号CN103673409A	2020-05-11	150

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