DD291421A5 - Verfahren zur erzeugung von ionen reaktiver substanzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Ionen reaktiver Substanzen. Mit der Erfindung soll die Verfuegbarkeit von Implantern und Beschleunigern mit Bogenentladungsionenquellen beim Betrieb mit chemisch aggressiven Einsatzsubstanzen, insbesondere Sauerstoff, durch Erhoehung der Ionenquellenlebensdauer verbessert werden. Die Konkurrenzfaehigkeit von Ionenquellen mit Gleichstromanregung soll gegenueber solchem mit HF-Anregung beim Betrieb mit aggressiven Substanzen verbessert werden, um fuer die vielfaeltigen Problemstellungen der Industrie und Forschung alternative Loesungsmoeglichkeiten bereitzuhaben. Erfindungsgemaesz wird dies dadurch geloest, dasz eine Katode mit einer Emissionsschicht aus dem Oxid, Borid oder Karbid von Strontium, Barium, Kalzium, Lanthan, Yttrium oder einem Lanthanid oder einer Mischung derselben auf einem Traeger aus einem Platinmetall oder einer Platinmetall-Legierung bei einer Arbeitstemperatur oberhalb 1 100C eingesetzt wird. Im Widerspruch zur bisherigen Auffassung der Fachwelt zum Problem der Katodenvergiftung konnte nachgewiesen werden, dasz der Effekt der Vergiftung dieser Emissionsschichten fuer den Einsatz der Katode in einer Ionenquelle keine Bedeutung besitzt, und unter den genannten Bedingungen eine ausreichende Elektronenemission bei wesentlich erhoehter Lebensdauer der Katode (50 h) moeglich ist.{Ionenquellen; Gasentladungsprinzip; Lebensdauererhoehung; reaktive Einsatzsubstanzen; Sauerstoff; hohe Stromdichte; Implantationsanlagen; Beschleuniger; Plasmaanlagen}

Description

Beschreibung des Standes der Technik

Die Verfügbarkeit von Implantern und Beschleunigern, in der Regel sehr kostenintensiven Anlagen, wird bei Verwendung reaktiver Einsatzsubstanzen, insbesondere Sauerstoff, durch die Lebensdauer der Ionenquelle bestimmt und auf einem niedrigen Niveau gehalten. Zur Erzeugung von lonenstrahlen aus gas- oder dampfförmigen Einsatzsubstanzen werden für industrielle Zwecke ausschließlich lonenquellen eingesetzt, welche nach dem Gasentladungsprinzip arbeiten; für lonenstrahlen hoher Stromdichte ist dabei eine intensive Entladung, vorzugsweise eine Bogenentladung erforderlich. Bei der Bogenentladung muß die Katode als Ganzes oder stellenweise so heiß sein, daß eine thermische Emission der für die Aufrechterhaltung der Entladung erforderlichen Primärelektronen erfolgt. Werden reaktive Einsatzsubstanzen verwendet, reagieren diese auf Grund der hohen Arbeitstemperatur mit dem Katodenmaterial, wodurch beispielsweise die Lebensdauer von Drahtkatoden aus hcchschmelzenden Metallen wie Wolfram oder Tantal im Sauerstoffbereich auf wenige Stunden (< 10 h) begrenzt wird und damit für die Mehrzahl der Anwendungen zu gering ist. Edelmetalle haben eine zu hohe Austrittsarbeit, um, als Drahtkatode eingesetzt, unterhalb ihres Schmelzpunktes für lonenquellen ausreichende Elektronenstromdichten abzugeben. Bereits seit den grundlegenden Untersuchungen zur Elektronenemission aus Festkörpern in den dreißiger Jahren unseres Jahrhunderts ist bekannt, daß eine Reihe von Emissionsstoffen, insbesondere Erdalkalioxide, bessere Emissionseigenschaften aufweisen als Metalle. Die niedrigste Emissionstemperatur für technisch verwertbare Elektronenstromdichten (800⁰C für 10mA/cm²) wurde mit Barium-Strontium-Kalzium-Mischoxid auf einem Nickelträger erreicht, wodurch dieses System zur Grundlage der gesamten Elek'.ronenröhrentechnik wurde. Es ist auch bekannt, daß die niedrige Emissionstemperatur bzw. kleine Austrittsarbeit bei diesem System insbesondere durch eine Aktivierung des Oxids, d.h. die Ausbildung eines elementaren Bariumfilms auf der Oberfläche, zustandekommt. Solche Katoden sind nur im Hochvakuum oder in inerten Atmosphären einsetzbar, da einerseits reaktive Einsatzsubstanzen mit dem Bariumfilm reagieren und damit die Aktivierung aufheben (Vergiftung der Katode) und andererseits der Nickelträger bei hoher Temperatur und Anwesenheit reaktiver Substanzen schnell korrodiert. Aktivierungs- und Vergiftungseffekte sind bei verschiedenen Emissionsstoffen verschieden stark ausgeprägt. Für sauerstoffeste lonisationsvakuummeter-Moßröhren wurde eine Oxidkatode mit einer Thoriumoxidschicht auf einem Iridiumträger entwickelt [Guarnieri, C. R., J. Vac. Sei. Technol.A6 (1988) 2582], bei der die Vergiftung nur eine geringe Rolle spielt. Das Platinmetall Iridium (Schmelzpunkt F_p = 2454⁰C) ist selbst bei der erforderlichen Arbeitstemperatur um 1800°C gegen Oxidation weitgehend beständig. Katoden dieser Art wurden auch in Sauerstoff ionenquellen eingesetzt und erreichten Lebensdauern von mehreren zehn Stunden [Guarnieri, C. R., Vac. Sei. Technol. A6 (1988) 2582]. Nachteilig ist bei dieser Katode, daß Iridium hart und spröde und dadurch nur in einfachen Halbzeugformen lieferbar ist, woraus eine geringe Variabilität beim Einsatz in lonenquellen resultiert. Das in der Emissionsschicht enthaltene Thorium ist schwach radioaktiv, bei seiner Verschleppung z.B. auf zu implantierende Halbleiter sind Probleme nicht auszuschließen. Alternative Möglichkeiten für die Erzeugung von Ionen reaktiver Einsatzsubstanzen sind

- die Verwendung einer Schutzgas-Hilfsentladung als Elektronenspender (Shubaly, M. R., et al., IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-32 (1985) 1751] und

- der Übergang von der Gleichstromanregung zur hochfrequenten Wechselstromanregung, insbesondere mittels Mikrowellen unter Einsatz von Resonanzmagnetfeldern [DE-PS 2621824].

Da diese alternativen lonenquellen wiederum spezielle technische Probleme beinhalten und andererseits die Mehrzahl der existierenden Anlagen mit Bogenentladungsionenquellen ausgerüstet sind, wird weiterhin nach chemisch inerten Elektroden für den Einsatz zur Erzeugung reaktiver Ionen in diesen Anlagen gesucht.

Ziel der Erfindung

Es ist ein Ziel der Erfindung, die Verfügbarkeit von Implantern und Beschleunigern, welche mit Bogenentladungsionenquellen ausgerüstet sind, beim Betrieb mit chemisch aggressiven Einsatzsubstanzen, insbesondere Sauerstoff, durch Erhöhung der lonenqueilenlebensdauer zu verbessern bzw. einen solchen Betrieb erst zu ermöglichen oder sinnvoll werden zu lassen. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, die Konkurrenzfähigkeit von lonenquellen mit Gleichstromanregung gegenüber solchen mit HF-Anregung beim Betrieb mit aggressiven Substanzen zu verbessern, um für die vielfältigen Problemstellungen der Industrie und Forschung alternative Lösungsmöglichkeiten bereit zu haben.

Wosen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch komplexe Auswahl von Parametern ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine relativ einfache, sichere und langzeitstabile Erzeugung von Ionen reaktiver Gase in Gasentladungsionenquellen möglich wird. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Katode mit einer Emissionschicht aus einem Oxid, Borid oder Karbid von Strontium, Barium, Kalzium, Lanthan, Yttrium oder einem Lanthanid oder einer Mischung derselben auf einem Träger aus einem Platinmetall oder einer Platinmetall-Legierung bei einer Arbeitstemperatur oberhalb 1100⁰C eingesetzt wird. Im Widerspruch zur bisherigen Auffassung der Fachwelt zum Problem der Katodenvergiftung konnte nachgewiesen werden, daß der Effekt der Vergiftung dieser Emissionsschichten für den Einsatz der Katode in einer Ionenquelle keine Bedeutung besitzt, und unter den genannten Bedingungen eine ausreichende Elektronenemission bei wesentlich erhöhter Lebensdauer der Katode (>50h) möglich ist.

Insbesondere durch eine Beschichtung der Katode mit Strontiumoxid wird die für die Freisetzung eines ausreichend großen Primärolektronenstroms erforderliche Betriebstemperatur (ca. 1300Ό gegenüber Thoriumoxid (ca. 1800⁰C) deutlich herabgesetzt. Dadurch wird es möglich, Platin (F_p = 1773⁰C) als Trägermaterial zu verwenden. Platin wird in einer Vielzahl von Halbzeugformen, darunter Netze, produziert. Es läßt sich wegen seiner Weichheit leicht in beliebige Formen bringen. Als Träger können auch höherschmelzende Platinmetalle wie Rhodium (F_p = 196O⁰C), Ruthenium (F_p = 245O⁰C), Iridium (Fp = 2454⁰C), Osmium (F_p = 2700⁰C) oder Legierungen aus Platinmetallen eingesetzt werden. Sie ergeben mit einer Strontiumoxidbeschichtung wesentlich höhere Emissionsstromdichten als mit einer Thoriumoxidbeschichtung bei gleicher Einsatztemperatur. Legierungen lassen die Optimierung der mechanischen Eigenschaften des Trägers zu. Durch die Erfindung kann die Lebensdauer der an Implantern und Beschleunigern eingesetzten Bogenentladungsionenquellen beim Betrieb mit reaktiven Einsatzsubstanzen wesentlich vergrößert und damit die Verfügbarkeit der Anlagen deutlich erhöht bzw. für reaktive Einsatzsubstanzen überhaupt erst möglich bzw. sinnvoll werden.

Ausführungsbeispiel

Für die Katode einer Duoplasmatronionenquelle wird beispielsweise als Träger ein Platinnetz mit einer Gitterkonstante von 0,625 mm und 0,12 mm dicken Drähten in den Abmessungen 33 mm x 55mm verwendet. Das Netz wird parallel zur langen Kante zweimal gefaltet, so daß ein dreischichtiges, 11 mm breites Band entsteht. Dieses Band wird an den Enden etwa 5 mm tief in gutgekühlte Stahlträger eingespannt, wobei es U-förmig nach unten hängt, so daß eine Verformung durch sein Eigengewicht während des Betriebes ausgeschlossen ist. Die Beschichtung erfolgt nach bekanntem Verfahren (v. Ardenne, M., Tabellen der Elektronenphysik, lonenphysik, lonenphysik und Übermikroskopie, 1. Band, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1956, S.83] mit einer Suspension aus Strontiumkarbonat und Bindemitteln. Anstelle des Strontiumkarbonates kann vorteilhaft gleich Strontiumoxid verwendet werden, dadurch entfällt die Umwandlung des Strontiumkarbonates beim Ausheizen der Katode und die Ausgaszeit wird stark verkürzt. Nach dem Ausgasen bis zur Betriebstemperatur (ca. 1300°C) ist die Katode betriebsbereit. Die so bestückte Ionenquelle hält bie 8A Entladungsstrom in reinem Sauerstoff mit dem Druck 6Pa länger als 60 Stunden. Die Katode verschleißt, wie in nichtreaktiven Gasen auch, durch physikalische Zerstäubung und Verdampfung. Eine Vergrößerung der Lebensdauer durch Verwendung anderer Netze und/oder anderer Abmessungen ist ohne weiteres möglich. Neben Strontiumoxid ergibt auch Bariumoxid bereits unterhalb des Platinschmelzpunktes gute Elektronenausbeuten, die Lebensdauer ist dabei jedoch durch schnelleres Verdampfen des Bariumoxids goringer. Barium-Strontium-Kalzium-Mischoxid ist ebenso ceeignet wie Strontiumoxid, es hat im Sauerstoff betrieb diesem gegenüber keine Vorteile. Für andere Emissionsstoffe müssen höherschmelzende Trägermaterialienvvie z. B. Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium oder höherschmelzende Legierungen eingesetzt werden, um technisch verwertbare Elektronenausbeuten zu erhalten.

Claims (1)

1. Verfahren zur Erzeugung von Ionen reaktiver Einsatzsubstanzen, insbesondere Sauerstoffionen, in einer Gasentladungsionenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß eine Katode mit einer Emissionschicht aus einem Oxid, Borid oder Karbid von Strontium, Barium, Kalzium, Lanthan, Yttrium oder einem Lanthanid oder einer Mischung derselben auf einem Träger aus einem Platinmetall oder einer Platinmetall oder einer Platinmetall-Legierung bei einer Arbeitstemperatur oberhalb 1100^cC verwendet wird.

   Anwendungsgebiet dor Erfindung

   Die Erfindung ist bei Auslegung und Betrieb von lonenquellen in Implantationsanlagen, Beschleunigern und Plasmaanlagen anwendbar.