DD251436A1

DD251436A1 - Ionenquelle

Info

Publication number: DD251436A1
Application number: DD29291486A
Authority: DD
Inventors: Helfried Reuther; Johannes Struempfel
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-07-28
Filing date: 1986-07-28
Publication date: 1987-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zum Erzeugen von Ionenstrahlen aus fluessigen und festen Materialien. Sie kann vor allem auf dem Gebiet der Ionenimplantation aber auch beim Betrieb von Beschleunigern fuer kernphysikalische Untersuchungen eingesetzt werden.

Description

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Ionenquelle bestehen einerseits im einfachen Aufbau, andererseits darin, daß damit lonenströme von schwer schmelzbaren Materialien bis zu einigen 1OmA extrahiert und bei Verwendung eines reaktiven Gasgemisches als Arbeitsgas auch Molekülionen erzeugt werden können.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mittels einer Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine symmetrische Anordnung, wobei die Schnittebene die Symmetrieebene bildet.

Ein Stabmagnet 1 und ein Ringmagnet 2 sind einseitig durch einen Polschuh 3 magnetisch kurzgeschlossen. Über dem Ringspalt auf der anderen Seite sind das Target 4 und eine Kühlplatte 5, die eine Kühlung des Targets 4 über Wasserzu-und Wasserabfluß 11 gestattet, angebracht. Die Magnete 1,2 sowie das Target 4 sind in der inneren Abschirmung 6 untergebracht. Die äußere Abschirmung 7 mit dem Gaseinlaß 10 und der Deckel 8 mit der Extraktionsöffnung 9 bilden das abgeschlossene Quellengehäuse.

Der Isolator 12 gewährleistet die Position der inneren Abschirmung 6 zur äußeren Abschirmung 7.

Zur Inbetriebnahme wird die gesamte Implantationsapparatur, in der die Quelle eingebaut ist, auf einen Druck von 2 10"³Pa oder geringer evakuiert. Anschließend wird das Quellengehäuse über den Gaseinlaß mit Argon als Trägergas (Druck 5 · 10~² bis 0,4Pa) gefüllt. Dabei steigt der Druck in der gesamten Implantationsapparatur nur wenig an. Als Target wird eine 1 mm dicke Scheibe aus Titanblech verwendet. An die innere Abschirmung wird gegenüber der äußeren eine Spannung von einigen 100 V angelegt. Beträgt die Magnetfeldkomponente parallel zur und in Höhe der Targetoberfläche 3 10"²T oder mehr, dann kommt es im Raum zwischen Target und Deckel zu einer begrenzten stromstarken Gasentladung mit Sputtereffekt am Target. Durch Stoßprozesse von Ladungsträgern oder schnellen Neutralteilchen mit den bereits abgestäubten Targetatomen wird ein Teil dieser Targetatome ebenfalls ionisiert.

Die gesamte Ionenquelle befindet sich gegenüber dem zu implantierenden Objekt auf positivem Hochspannungspotential, so daß die Ionen aus dem Plasma über dem Target durch die Extraktionsöffnung abgesaugt und entsprechend der angelegten Hochspannung beschleunigt werden. Etwa 25% des lonenstroms werden von Titanionen gebildet, die restlichen durch die Argonionen. Die beiden lonensorten werden in einem Massenseparator voneinander getrennt.

Mit einer Quelle von 100 mm Durchmesserund einer Extraktionsöffnung von 10 mm Durchmesser wurde bei einer Brennspannung von 440V ein lonenstrom von 35 mA, davon etwa 9 mA Titanionen erzeugt. Der Abstand zwischen Targetoberfläche und Gehäusedeckel betrug dabei etwa 15 mm, und der Plasmaring hatte einen Durchmesser von 20 mm.

Zündet man die Ionenquelle mit einem Titanblech als Target wie oben beschrieben und läßt dann über einen zweiten Gaseinlaß zusätzlich Stickstoff in das Quellengehäuse strömen, reagiert der Stickstoff mit dem abgesputterten Titanteilchen und es bildet sich Titannitrid, teilweise als Molekülionen vorliegend. Diese Ionen können ebenfalls durch die Extraktionsöffnung abgesaugt

und entsprechend der angelegten Hochspannung beschleunigt werden. · "

Für die Erzeugung von lonenstrahlen aus flüssigen Substanzen wird das Scheibentarget 4 durch einen flachen Tiegel ersetzt, in dem sich die Substanz befindet. Dazu muß die Quelle senkrecht stehend in die Implantationsanlage eingebaut werden. Die Beschleunigung der Ionen kann in mehreren Stufen erfolgen.

Claims

1. Ionenquelle zum Erzeugen von lonenstrahlen ausflüssigen und festen Materialien, mit einer Anordnung zur magnetfeldverstärkten Ringspaltentladung im Gleichspannungsbetrieb, die aus einer das Target, die Kühlung und den Ringspaltmagneten aufnehmenden inneren Abschirmung und einer davon isolierten, über dem Target offenen äußeren Abschirmung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum über der Entladungszone durch einen Deckel (8) in einem Abstand zum Target (4) nicht größer als der Entladungsringdurchmesser allseitig abgeschlossen ist, daß gegenüber dem Entladungsring eine oder mehrere Extraktionsöffnungen (9) im Deckel (8) angebracht sind, daß das aus Deckel (8) und äußerer Abschirmung (7) bestehende Gehäuse eine oder mehrere Gaseinlaßöffnungen (10) aufweist, über die ein gegenüber dem umgebenden evakuierten Raum erhöhter Druck im Bereich kleiner oder gleich 0,2 Pa einstellbar ist und daß zwischen Ionenquelle und Substrat eine negative Spannung von mehr als 100V angelegt ist.

2. Ionenquelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und die innere Abschirmung aus dem bei der Ringspaltentladung zu zerstäubende Material besteht.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zum Erzeugen von lonenstrahlen aus flüssigen und festen Materialien. Sie kann vor allem auf dem Gebiet der Ionenimplantation aber auch beim Betrieb von Beschleunigern für kernphysikalische Untersuchungen eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Strahlen einfach geladener Ionen mit einigen mA Stromstärke werden beim Betrieb von lonenimplantationsanlagen verwendet.

Es ist bekannt, daß Ionen durch thermische Emission von einer heißen Kathode (M. v.Ardenne, Tabellen zur angewandten Physik, Berlin 1962) oder durch eine Bogenentladung in einem Gas (DE-PS 2003715) erzeugt werden können. Feste und flüssige Materialien werden dazu aus einem Tiegel verdampft (GB-PS 1510203). Die Ionisation kann auch durch Ultraschallwellen hoher Energiedichte (DE-PS 2731225) oder durch Feldeffektemission von spitzen Nadeln (DE-PS 2716202) erfolgen. Diese lonenquellen haben den Nachteil, daß damit Ionen von hochschmelzenden Metallen wie Titan, Wolfram nicht erzeugt werden können. Ionen von diesen Metallen können in Sputterionenquellen erzeugt werden, bei denen Alkalimetallionen mit Energien von maximal 5keV auf die entsprechende Metalloberfläche geschossen werden und dort ionisierbare Teilchen absputtem (DD-WP 159583). Allerdings können mit diesen Quellen nur lonenströme im μΑ-Bereich erzeugt werden. Es ist weiterhin bekannt, daß mit Hilfe von magnetfeldverstärkten Ringspaltentladungen Materialbeschichtungen mit Titan oder Wolfram möglich sind (J. Vac. Sei. Technol. 14 [1977] 815). Etwa 10% der abgesputterten Targetatome sind ionisiert. Allerdings arbeitet ein derartiges Plasmatron, vorzugsweise bei Drücken von 0,4 bis 0,5 Pa, was für die Ionenimplantation von Metallen oder Halbleitern wesentlich zu hoch ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Hochstrom-Ionenquelle bereitzustellen, mit der lonenstrahlen von festen und flüssigen Materialien mit hoher Stromstärke erzeugt werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die A-jfgabe zugrunde, eine Ionenquelle auf der Basis der magnetfeldverstärkten rtingspaltentladung im Gleichspannungsbetrieb zu schaffen, mit der Ionen von flüssigen oder festen, auch schwer schmelzbaren Substanzen mit hohem lonenstrom erzeugt werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Ionenquelle, die aus einer das Target, die Kühlung und den Ringspaltmagneten aufnehmenden inneren Abschirmung und einer davon isolierten, über dem Target offenen äußeren Abschirmung besteht, dadurch gelöst, daß der Raum über der Entladungszone durch einen Deckel in einem Abstand zum Target nicht größer als der Entladungsringdurchmesser allseitig abgeschlossen ist, daß gegenüber dem Entladungsring eine oder mehrere Extraktipnsöffnungen im Deckel angebracht sind, daß das aus Deckel und äußerer Abschirmung bestehende Gehäuse eine oder mehrere Gaseinlaßöffnungen aufweist, über die ein gegenüber dem umgebenden auf <2 · 10"³Pa evakuierten Raum erhöhter Druck im Bereich kleiner oder gleich 0,2 Pa einstellbar ist und daß zwischen Ionenquelle und Substrat eine negative Spannung von mehr als 100V angelegt ist.

Es wurde gefunden, daß die Wirkung des mit dieser Spannung erzeugten äußeren elektrischen Feldes die Entladung in der Ionenquelle so begünstigt, daß die Quelle mit hoher Leistung bei einem für das Sputtern zu niedrigem Druck betrieben werden kann. Dabei gibt es für jedes zu ionisierende Material einen optimalen Druck, bei dem ein maximaler lonenstrom extrahiert werden kann.