防止离子注入机中因三重接面击穿的不稳定的高压绝缘体

摘要

一种防止离子注入机中因三重接面击穿的不稳定的高压绝缘体。在一实施例中，提供一种防止离子注入机的三重接面不稳定的装置，其具有第一金属电极与第二金属电极。绝缘体设置于第一金属电极与第二金属电极之间。绝缘体在第一金属电极与第二金属电极之间具有至少一表面，所述表面暴露于用于传输离子注入机所产生的离子束的真空之中。第一导电层设置于第一金属电极与绝缘体之间。第一导电层防止发生于第一电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿。第二导电层相对于第一导电层设置于第二金属电极与绝缘体之间。第二导电层防止发生于第二电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子注入机，且特别涉及一种防止离子注入机中因三重接面击穿的不稳定的高压绝缘体。

背景技术

高压绝缘体通常应用于离子注入机中，且其沿着需要高电压的离子束线配置。例如，高电压用来将离子束从离子源中汲取出来。特别地，高压绝缘体可配合一汲取系统(extraction system)一同使用，此汲取系统可从离子源接收离子束，且在离子束离开离子源时可加速其中带正电荷的离子。高压绝缘体应用于离子束线中的位置还包括一可将离子束聚焦的静电透镜，与一可将离子束加速或减速至所需能量的加速或减速级(stage)。

目前在现有的离子注入机中所使用的高压绝缘体会面临三重接面击穿的问题，其会导致不稳定性(例如，高压不稳定性、离子束不稳定性)，从而使注入机失去功能。高压绝缘体中的三重接面区域为一汇聚有不同电特性的三个部分的接合处或区域，因此三重接面区域的局部电场会因为三重接面区域的电特性的阶跃变化而被加强。此三个部分通常包括一用于维持高电压的介质(例如绝缘体)、金属电极(例如金属导体)与一离子束线内的真空。介质与金属导体一同形成真空容器来传输离子束，使离子束不受到大气压力的影响。夹于介质与金属导体之间的O型环可用以提供真空密封而阻隔大气压力。此外，在对高压绝缘体进行维护时，O型环的存在可使金属导体能够与介质分离。在介质与金属导体间形成有一真空密封界面间隙。真空密封界面间隙为包含许多孔洞的狭窄或微小空间。真空密封界面间隙精确地位于三重接面区域所在的位置。

在高压绝缘体运作时，这些形成于真空密封接面间隙或三重接面区域中的孔洞不但具有强化的局部电场，也具有促使放电的不良真空压力(poorvacuum pressure)，从而使真空压力更加不良而触发次级电离。最终，次级电离会触发三重接面区域的击穿，其沿着介质的内表面蔓延至相对的电极，且会使电源短路，从而造成离子注入机失效。

因此，需要研发出一种高压绝缘体，用以防止离子注入机中因三重接面击穿所造成的不稳定。

发明内容

本发明的第一实施例提供了一种防止三重接面击穿的装置。在此实施例中，装置包括一第一金属电极与一第二金属电极。一绝缘体设置于第一金属电极与第二金属电极之间。绝缘体在第一金属电极与第二金属电极之间具有至少一表面，所述表面暴露于真空之中。一第一导电层设置于第一金属电极与绝缘体之间，第一导电层防止发生于第一电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿。一第二导电层相对于第一导电层设置于第二金属电极与绝缘体之间。第二导电层防止发生于第二电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿。

本发明的第二实施例提供了一种防止离子注入机中三重接面不稳定的装置。在此实施例中，装置包括一第一金属电极与一第二金属电极。一绝缘体设置于第一金属电极与第二金属电极之间。绝缘体在第一金属电极与第二金属电极之间具有至少一表面，所述表面暴露于用于传输离子注入机所产生的离子束的真空之中。一第一导电层设置于第一金属电极与绝缘体之间。第一导电层防止发生于第一电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿。一第二导电层相对于第一导电层设置于第二金属电极与绝缘体之间。第二导电层防止发生于第二电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿。

本发明的第三实施例提供了一种防止离子注入机中三重接面不稳定的方法。在此实施例中，方法包括提供一第一金属电极；提供一第二金属电极；将一绝缘体设置于第一金属电极与第二金属电极之间，其中绝缘体在第一金属电极与第二金属电极之间具有至少一表面，而所述表面暴露于用于传输离子注入机所产生的离子束的真空之中；提供设置于第一金属电极与绝缘体之间的一第一导电层，其中第一导电层防止发生于第一电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿；提供设置于第二金属电极与绝缘体之间的相对于第一导电层的一第二导电层，其中第二导电层防止发生于第二电极、绝缘体与真空之一界面的三重接面击穿。

附图说明

图1为根据现有技术的高压绝缘体的剖面前视图。

图2绘示为图1的高压绝缘体的三重接面区域的详细示意图。

图3为根据本发明的一实施例的高压绝缘体的剖面前视图。

图4绘示为图3的高压绝缘体的三重接面区域的详细示意图。

具体实施方式

本发明的实施例所揭示的内容是有关于一种高压绝缘体的设计，其防止离子注入机中三重接面不稳定的问题。在一实施例中，导电层或导电板设置于介质(如绝缘体)与金属电极(如金属导体)之间。据此设计，绝缘体的一端利用一种能够最小化在第一三重接面区域所形成的孔洞的接合技术而连接于第一导电层，以形成第一三重接面，而第一导电层附着于第一金属电极。第一O型环夹于第一导电层与第一金属电极之间以提供真空密封而阻隔大气压力，且因而于第一导电层与第一金属电极之间的空间形成第一真空密封界面间隙。绝缘体的另一端利用一种能够最小化在第二三重接面区域所形成的孔洞的接合技术而连接于第二导电层，以形成第二三重接面，而第二导电层附着于第二金属电极。第二O型环夹于第二导电层与第二金属电极之间以提供真空密封而阻隔大气压力，且因而于第二导电层与第二金属电极之间的空间形成第二真空密封界面间隙。由于此时真空密封界面间隙与三重接面区域分离，因此原本可能截留(trap)于三重接面区域的孔洞的气体会被截留于第一导电层与第一金属电极之间的空间，或截留于第二导电层与第二金属电极之间具有相同电位的空间，而没有机会产生导致离子注入机失效的击穿。

图1为根据先前技术的高压绝缘体10的剖面前视图。图1中的高压绝缘体10应用于一离子注入机中。特别地，高压绝缘体10应用于一种可将离子束从离子源汲取出来的汲取系统中。虽然以下图1的高压绝缘体10以及本案(见图3与图4)的绝缘体设计的描述是以应用于离子注入机中的汲取系统为例，但本案的范围亦可适用于离子注入机中需要高电压的离子束线内的其他组件。如现有技术所述，高压绝缘体能应用的其他位置可包括静电透镜与加速级或减速级。

再次参考图1，高压绝缘体10包括形成于一绝缘体14中的一真空12，一阳极电极16与一阴极电极18。在一实施例中，绝缘体14为一介质，而阳极电极16与阴极电极18为金属电极。如图1所示，绝缘体14将阳极电极16与阴极电极18分离以维持一高电压，高电压能用以将离子从离子源汲取出来。为金属构件的减压构件20的材质例如为铝，其可降低三重接面区域的电应力，而三重接面区域为真空12、绝缘体14与阳极电极16或阴极电极18的交汇处。特别地，减压构件20可降低于三重接面区域中被加强的电场。O型环22位于阳极电极16与绝缘体14的一端之间，以及位于阴极电极18与绝缘体14的另一端之间，以提供阻隔空气24的真空密封。O型环22通常容纳于一可将绝缘体14装配于阳极电极16或阴极电极18的沟槽中，O型环22可藉由一扣件(未绘示)而夹紧，以产生适当压缩的真空密封。

图1的高压绝缘体10藉由维持跨越绝缘体14、阳极电极16与阴极电极18的高电压，以从离子源以离子束的形式汲取离子。由于空气24的大气压力被阻隔，因此离子束可保持其极性而穿过真空12。

虽然图1的高压绝缘体10利用减压构件20来降低三重接面区域的电场，但这些构件并不是非常有效，因此三重接面区域最终会产生击穿而导致离子注入机的失效。引起高压绝缘体10中的三重接面区域击穿的原因是由于形成于绝缘体14与阳极电极16之间的一端的第一真空密封界面间隙与形成于绝缘体14与阴极电极18之间的另一端的第二真空密封界面间隙，此两种间隙精确地位于三重接面区域所在的位置。如上所述，真空密封界面间隙为包含许多孔洞的狭窄或微小空间，而其亦位于三重接面区域。由于真空密封界面间隙具有极端的长宽比，使得在每个真空密封界面间隙所形成的这些孔洞的容量被分散。对于离子注入机中所应用的整体真空系统来说，这些孔洞的容量非常小，因此所截留的气体的缓慢漏出实质上为可忽略的气体载荷，且其不会明显地增加气压。

从高压三重接面的方面来看，可确知这种情况揭示了现有高压绝缘体10设计的一种关键缺陷。特别地，若在确立了真空条件后立即执行高压操作，则所截留的气体仍会缓慢地露出，而在具有被强化的局部电场的最差地方(亦即三重接面区域)产生局部的高压。局部高压可达到帕邢最低(Paschenminimum)，使带电粒子的平均自由程(mean free path)刚好足以获得足够的能量而开始次级电离。因此无论减压构件20是否存在，绝缘体14与阳极电极16或阴极电极18之间的三重接面区域所形成的通道都会发生击穿。此外，三重接面区域中的局部真空压力会由于击穿引致的除气作用而增加，其会依次促进次级电离以及击穿。

上述的正反馈回路使得最初的击穿导致绝缘体14产生作为高阻导体的碳化层。而因为碳化区域的末端会引致电场集中于三重接面区域，因此所引发的“寻迹(tracking)”会致使击穿沿绝缘体14的内部表面蔓延，直至相对的电极(亦即，阳极电极16与阴极电极18)，从而使电源短路而导致离子注入机失效。

图2绘示为图1的高压绝缘体10的三重接面区域的详细示意图。如图2所示，真空密封界面间隙26形成于每个三重接面区域28处。进行高电压操作时，由于三重接面区域28的电特性的阶跃变化所导致的电场会集中于真空密封界面间隙26，因此在真空密封界面间隙26中的局部电场会被加强。每个局部真空密封界面间隙26中被强化的电场将使带电粒子(所吸收的气体、所沉积的污染物)从真空密封界面间隙26的一表面分离，使带电粒子带有足够的能量去撞击间隙的另一个表面，而触发带电粒子的次级发射，从而引致正反馈。

如上所述，真空密封界面间隙26所截留的气体会缓慢地泄露出来而在此空间中产生高压。局部高压可达到帕邢最低，使带电粒子的平均自由程刚好足以获得足够的能量而在局部真空密封界面间隙26中开始次级电离。因此真空密封界面间隙26会发生击穿，且间隙中的局部真空压力会由于击穿引致的除气作用而增加，其会依次促进次级电离以及击穿。这种初始的击穿会导致后续的击穿，使击穿沿绝缘体14的内部表面蔓延，直至相对的电极(亦即，阳极电极16与阴极电极18)。

本案的发明者发现藉由将三重接面区域28与真空密封界面间隙26分离可避免三重接面击穿的后续效应。图3为根据本发明的一实施例的高压绝缘体30的示意图，其中高压绝缘体30将三重接面区域与真空密封界面间隙分离。如图3所示，高压绝缘体30包括第一导电层32A以及第二导电层32B，其中第一导电层32A设置于绝缘体14的一端与阳极电极16之间，第二导电层32B设置于绝缘体14的相对另一端与阴极电极18之间。

在这种配置方式下，绝缘体14的一端利用一种接合技术而连接于导电层32A，以于绝缘体14与导电层32A的连接处形成第一三重接面。这种接合技术能够在导电层32A附着于阳极电极16时，将第一三重接面区域中所形成的孔洞最小化。一O型环22夹于导电层32A与阳极电极16之间，以提供真空密封而阻隔大气压力，且因此于导电层32A与阳极电极16之间的空间形成第一真空密封界面间隙。绝缘体14的另一端利用接合技术而连接于导电层32B，以于绝缘体14与导电层32B的连接处形成第二三重接面。这种接合技术能够在导电层32B附着于阴极电极18时，将第二三重接面区域中所形成的孔洞最小化。另一O型环22夹于导电层32B与阴极电极18之间，以提供真空密封而阻隔大气压力，且因此于导电层32B与阴极电极18之间的空间形成第二真空密封界面间隙。

图4绘示为图3的高压绝缘体的三重接面区域的详细示意图。如图4所示，第一三重接面区域36A形成于绝缘体14与导电层32A之间的接合处。第一真空密封界面间隙34A形成于导电层32A与阳极电极16之间的空间。第二三重接面区域36B形成于绝缘体14与导电层32B之间的接合处。第二真空密封界面间隙34B形成于导电层32B与阴极电极18之间的空间。因此，三重接面区域36A与36B此时分别与真空密封界面间隙34A与34B分离。

由于在导电层32A、32B与绝缘体14之间没有微小间隙，且导电层32A、32B与绝缘体14之间的间隙的尺寸小于气体的分子尺寸，故导电层与绝缘体14之间的接合处亦将真空密封而阻隔大气压力。由于三重接面区域34A与34B形成于导电层32A、32B与绝缘体14之间的接合处，因此三重接面区域不会有间隙，从而能大幅降低三重接面区域的局部电场。

在一实施例中，导电层32A与32B藉由将金属粒子掺杂入绝缘体14而形成。例如，金属粒子可包括铝。将金属粒子掺杂入绝缘体14是利用已知的掺杂技术。在另一实施例中，导电层32A与32B是藉由已知的沉积技术而沉积于绝缘体14上。在又一实施例中，导电层32A与32B是贴合(bond to)于绝缘体14上，故导电层32A与32B与绝缘体14之间不会存在用以截留的孔洞容量。黏合(Gluing)(例如使用环氧树脂)仅是将导电层32A与32B贴合于绝缘体14上的方法之一。本发明所属技术领域技术人员应当了解的是，可用其他接合技术以原子层级(atom level)将导电层32A与32B连接于绝缘体14，而不会在导电层与绝缘体14之间产生微小的间隙。

上述的形成导电层32A与32B的技术的共同性为绝缘体14与导电层是以原子层级接合以形成三重接面，因此不会在导电层与绝缘体14之间产生微小的间隙。

由于图3与图4的汲取系统中的三重接面区域与形成于导电层32A与阳极电极16之间的真空密封界面间隙以及形成于导电层32B与阴极电极18之间的真空密封界面间隙分离，因此原本截留于三重接面区域的气体变成截留于导电层32A与阳极电极16之间的空间34A，以及截留于导电层32B与阴极电极18之间的空间34B，且没有微小间隙存在于三重接面区域36A与36B。由于导电层32A与阳极电极16或导电层32B与阴极电极18具有相同的电位，因此所截留的气体不会产生次级电离且不会触发能导致电压或离子束的不稳定的三重接面的击穿，从而可以避免离子注入机的失效。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求范围所界定者为准。