DD251436A1

DD251436A1 - ION SOURCE

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.The invention relates to an ion source for generating ion beams from liquid and solid materials. It can be used primarily in the field of ion implantation but also in the operation of accelerators for nuclear physics studies.

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.The particular advantages of the ion source according to the invention consist on the one hand in a simple structure, on the other hand that ion streams can be extracted from refractory materials up to a few 10 mA, and molecular ions can also be generated when using a reactive gas mixture as the working gas.

embodiment

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles mittels einer Figur näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment by means of a figure.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine symmetrische Anordnung, wobei die Schnittebene die Symmetrieebene bildet.The figure shows a section through a symmetrical arrangement, wherein the sectional plane forms the plane of symmetry.

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.A bar magnet 1 and a ring magnet 2 are magnetically short-circuited on one side by a pole piece 3. Above the annular gap on the other side, the target 4 and a cooling plate 5, which allows cooling of the target 4 via water inlet and outlet 11, mounted. The magnets 1, 2 as well as the target 4 are accommodated in the inner shield 6. The outer shield 7 with the gas inlet 10 and the lid 8 with the extraction opening 9 form the closed source housing.

Der Isolator 12 gewährleistet die Position der inneren Abschirmung 6 zur äußeren Abschirmung 7.The insulator 12 ensures the position of the inner shield 6 to the outer shield. 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.To start up the entire implantation apparatus in which the source is mounted is evacuated to a pressure of 2 10 ^"3 Pa or less. Thereafter, the source housing through the gas inlet with argon as the carrier gas (pressure: 5 × 10 ^-2 to 0,4Pa) The pressure in the entire implantation apparatus increases only slightly, using a 1 mm thick sheet of titanium sheet as the target, and applying a voltage of a few 100 V to the inner shield, which is parallel to and at height the target surface 3 10 " ² T or more, then it comes in the space between the target and lid to a limited high-current gas discharge with sputtering effect on the target. By collision processes of charge carriers or fast neutral particles with the already sputtered target atoms, some of these target atoms are also ionized.

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.The entire ion source is opposite to the object to be implanted at a positive high voltage potential, so that the ions are sucked from the plasma above the target through the extraction opening and accelerated according to the applied high voltage. About 25% of the ionic current is formed by titanium ions, the rest by the argon ions. The two types of ions are separated from each other in a mass separator.

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.With a source of 100 mm diameter and an extraction opening of 10 mm diameter, an ion current of 35 mA, of which about 9 mA titanium ions were produced at a burning voltage of 440V. The distance between the target surface and the housing cover was about 15 mm, and the plasma ring had a diameter of 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 abgesaugtIgnition of the ion source with a titanium sheet as a target as described above and then allowing nitrogen to flow into the source housing via a second gas inlet, the nitrogen reacts with the sputtered titanium particle and forms titanium nitride, partially present as molecular ions. These ions can also be sucked through the extraction opening

und entsprechend der angelegten Hochspannung beschleunigt werden. · "and accelerated according to the applied high voltage. · "

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.For the generation of ion beams from liquid substances, the target 4 is replaced by a flat crucible in which the substance is located. For this purpose, the source must be installed vertically standing in the implantation system. The acceleration of the ions can take place in several stages.

Claims

Ion source for generating ion beams of liquid and solid materials, with a device for magnetic field-enhanced annular gap discharge in DC operation, which consists of a target, the cooling and the annular gap magnet receiving inner shield and isolated therefrom, over the target open outer shield, characterized in that the space above the discharge zone is closed on all sides by a cover (8) at a distance from the target (4) not larger than the discharge ring diameter, that one or more extraction openings (9) are mounted in the cover (8) opposite the discharge ring the housing consisting of cover (8) and outer shield (7) has one or more gas inlet openings (10) over which a pressure increased in relation to the surrounding evacuated space is adjustable in the range of less than or equal to 0.2 Pa and that between ion source and substrate a negative voltage of more than 1 00V is created.

2. ion source according to claim 1, characterized in that the housing and the inner shield consists of the material to be sputtered in the annular gap discharge.

For this 1 page drawing

Field of application of the invention

The invention relates to an ion source for generating ion beams of liquid and solid materials. It can be used primarily in the field of ion implantation but also in the operation of accelerators for nuclear physics studies.

Characteristic of the known technical solutions

Simply charged ions of a few mA amperage are used in the operation of ion implantation equipment.

It is known that ions can be generated by thermal emission from a hot cathode (M. v. Ardenne, tables of applied physics, Berlin 1962) or by an arc discharge in a gas (DE-PS 2003715). Solid and liquid materials are evaporated from a crucible (GB-PS 1510203). The ionization can also be effected by ultrasonic waves of high energy density (DE-PS 2731225) or by field effect emission of pointed needles (DE-PS 2716202). These ion sources have the disadvantage that ions from refractory metals such as titanium, tungsten can not be produced. Ions of these metals can be generated in Sputterionenquellen in which alkali metal ions are shot at energies of 5keV maximum on the corresponding metal surface and absputtem there ionizable particles (DD-WP 159583). However, only ion currents in the μΑ range can be generated with these sources. It is furthermore known that material coatings with titanium or tungsten are possible with the aid of magnetic-field-enhanced annular gap discharges (J. Vac. Sei. Technol. 14 [1977] 815). About 10% of the sputtered target atoms are ionized. However, such a plasmatron operates, preferably at pressures of 0.4 to 0.5 Pa, which is significantly too high for ion implantation of metals or semiconductors.

Object of the invention

The object of the invention is to provide a high current ion source capable of generating ion beams of high and high strength solid and liquid materials.

Explanation of the essence of the invention

The invention is based on the object of the invention to provide an ion source based on the magnetic-field-enhanced rcting gap discharge in DC operation, with which ions of liquid or solid substances which are also difficult to melt can be generated with a high ion current. According to the invention, this object is achieved with an ion source consisting of an inner shield receiving the target, the cooling and the annular gap magnet and an outer shield which is insulated therefrom and open above the discharge zone by a cover at a distance the target is not larger than the Entladungsringdurchmesser is completed on all sides, that with respect to the discharge ring one or more Extraktipnsöffnungen are mounted in the lid, that the lid and outer shield existing housing has one or more gas inlet openings, over the surrounding to <2 x 10 " ³ Pa evacuated space increased pressure in the range of less than or equal to 0.2 Pa is adjustable and that between the ion source and substrate a negative voltage of more than 100V is applied.

It has been found that the effect of the external electric field generated by this voltage promotes the discharge in the ion source so that the high power source can be operated at a low pressure for sputtering. There is an optimum pressure for each material to be ionized in which a maximum ionic current can be extracted.