DD291421A5

DD291421A5 - METHOD FOR GENERATING IONES OF REACTIVE SUBSTANCES

Info

Publication number: DD291421A5
Application number: DD33669689A
Authority: DD
Inventors: Reinhard Hentschel; Dietmar Henke
Original assignee: Adw Der Ddr,Zi Fuer Kernforschung,De
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-06-27

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}The invention relates to a method for producing ions of reactive substances. The invention is intended to improve the availability of implanters and accelerators with arc-discharge ion sources when operating with chemically aggressive substances, in particular oxygen, by increasing the ion source life. The ability of DC excitation ion sources to compete with RF excitation in aggressive compounds is expected to provide alternative solutions to the many industrial and research challenges. According to the invention, this is achieved by providing a cathode having an emission layer of the oxide, boride or carbide of strontium, barium, calcium, lanthanum, yttrium or a lanthanide or a mixture thereof on a support of a platinum metal or a platinum metal alloy at a working temperature above 1 100C is used. Contrary to the previous opinion of the experts on the problem of cathode poisoning could be demonstrated that the effect of poisoning of these emission layers for the use of the cathode in an ion source has no meaning, and under the conditions mentioned sufficient electron emission at significantly increased service life of the cathode (50 h) is possible. Gas discharge principle; Lebensdauererhoehung; reactive ingredients; Oxygen; high current density; Implanters; Accelerator; Plasma systems}

Description

Description of the Prior Art

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 sindThe availability of implanters and accelerators, usually very costly equipment, is determined by the lifetime of the ion source when using reactive feedstocks, especially oxygen, and kept at a low level. For the production of ion beams from gaseous or vaporous feed substances, exclusively ion sources are used for industrial purposes, which operate on the gas discharge principle; For ion beams high current density is an intense discharge, preferably an arc discharge required. In arc discharge, the cathode must be hot as a whole or in places so as to thermally emit the primary electrons required to sustain the discharge. If reactive feedstocks are used, they react with the cathode material due to the high working temperature, which limits, for example, the service life of wire cathodes made from hot-melting metals such as tungsten or tantalum to a few hours (<10 h) in the oxygen region and is therefore too low for the majority of applications is. Precious metals have too high a work function to use, as wire cathodes, sufficient electron current densities below their melting point for ion sources. Already since the fundamental investigations on electron emission from solids in the thirties of our century it is known that a number of emission substances, in particular alkaline earth oxides, have better emission properties than metals. The lowest emission temperature for industrially useful electron current densities (800 ⁰ C for 10 mA / cm ²⁾ was achieved with barium-strontium-calcium oxide to a nickel carrier, whereby this system the basis of the total Elek'.ronenröhrentechnik was. It is also known that the low emission temperature or small work function in this system, in particular by an activation of the oxide, ie the formation of an elementary barium film on the surface, comes about. Such cathodes can only be used in a high vacuum or in inert atmospheres, since on the one hand reactive substances react with the barium film and thus cancel the activation (poisoning of the cathode) and, on the other hand, the nickel carrier corrodes rapidly at high temperature and the presence of reactive substances. Activation and poisoning effects vary in different emissions. For oxygenated ionization vacuum gauge tubes, an oxide cathode having a thorium oxide layer on an iridium support has been developed [Guarnieri, CR, J. Vac. Be. Technol.A6 (1988) 2582], in which the poisoning plays only a minor role. The platinum metal iridium (melting point F _p = 2454 ⁰ C) is largely resistant to oxidation even at the required working temperature around 1800 ° C. Cathodes of this type have also been used in oxygen ion sources and have reached lifetimes of several tens of hours [Guarnieri, CR, Vac. Be. Technol. A6 (1988) 2582]. A disadvantage of this cathode that iridium is hard and brittle and thus available only in simple semifinished forms, resulting in a low variability results when used in ion sources. The thorium contained in the emission layer is weakly radioactive, in its carryover, for example on semiconductor to be implanted problems can not be ruled out. Alternative possibilities for the generation of ions of reactive substances are

- die Verwendung einer Schutzgas-Hilfsentladung als Elektronenspender (Shubaly, M. R., et al., IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-32 (1985) 1751] undthe use of a protective gas auxiliary discharge as an electron dispenser (Shubaly, M.R., et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-32 (1985) 1751] and

- der Übergang von der Gleichstromanregung zur hochfrequenten Wechselstromanregung, insbesondere mittels Mikrowellen unter Einsatz von Resonanzmagnetfeldern [DE-PS 2621824].- The transition from the DC excitation to the high-frequency AC excitation, in particular by means of microwaves using resonance magnetic fields [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.Again, since these alternative ion sources involve special technical problems and, on the other hand, the majority of existing plants are equipped with arc discharge ion sources, chemically inert electrodes are still being sought for use in producing reactive ions in these plants.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.It is an object of the invention to improve the availability of implanters and accelerators, which are equipped with arc discharge ion sources, when operating with chemically aggressive substances, in particular oxygen, by increasing the lonenqueilenlebensdauer or allow such operation only or make sense. It is a further object of the invention to improve the competitiveness of DC excitation ion sources over those with RF excitation in aggressive substance operation to provide alternative solutions to a variety of industrial and research problems.

Wosen der ErfindungWoes of the invention

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.The invention has for its object to develop by complex selection of parameters, a method with which a relatively simple, safe and long-term stable generation of ions of reactive gases in gas discharge ion sources is possible. According to the invention, this object is achieved in that a cathode with an emission layer of an oxide, boride or carbide of strontium, barium, calcium, lanthanum, yttrium or a lanthanide or a mixture thereof on a support of a platinum metal or a platinum metal alloy in a Working temperature above 1100 ⁰ C is used. Contrary to the previous opinion of the experts on the problem of cathode poisoning could be demonstrated that the effect of poisoning of these emission layers for the use of the cathode in an ion source has no meaning, and under the conditions mentioned a sufficient electron emission at significantly increased lifetime of the cathode ( 50h) is possible.

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.In particular, by coating the cathode with strontium oxide required for the release of a sufficiently large Primärolektronenstroms operating temperature (with respect to thorium oxide (about 1800 ⁰ C) significantly reduced approximately 1300Ό. This makes it possible to platinum (F _p = 1773 ⁰ C) Platinum is produced in a variety of semifinished forms, including nets, which can easily be made into arbitrary shapes because of its softness, as well as higher-melting platinum metals such as rhodium (F _p = 196O ⁰ C), ruthenium (F _p = 245O ⁰ C), iridium (Fp = 2454 ⁰ C), osmium (F _p = 2700 ⁰ C) or alloys of platinum metals are used, which produce a much higher emission current density with a strontium oxide coating than with a thorium oxide coating at the same operating temperature Optimization of the mechanical properties of the support to. By the invention, the life of the Imp Lantern and accelerators used arc discharge ion sources when operating with reactive feedstocks significantly increased and thus significantly increases the availability of plants or for reactive substances in the first possible or useful.

Ausführungsbeispielembodiment

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.For example, a platinum mesh with a lattice constant of 0.625 mm and 0.12 mm thick wires in the dimensions 33 mm × 55 mm is used as support for the cathode of a duoplasmatron ion source. The net is folded twice parallel to the long edge, so that a three-layer, 11 mm wide band is formed. This tape is clamped at the ends about 5 mm deep in well-cooled steel beams, where it hangs down in a U-shape, so that a deformation is excluded by its own weight during operation. The coating is carried out by a known method (v. Ardenne, M., tables of electron physics, ion physics, ion physics and overmicroscopy, Volume 1, VEB German Publishers of Sciences, Berlin 1956, p.83] with a suspension of strontium carbonate and binders The strontium carbonate can advantageously be used in the same way as strontium oxide, which avoids the conversion of the strontium carbonate when the cathode is heated up and the outgasing time is considerably shortened After outgassing up to the operating temperature (about 1300 ° C.), the cathode is ready for operation 8A Discharge current in pure oxygen at a pressure of 6 Pa for more than 60 hours The cathode wears out, as in non-reactive gases, by physical atomization and evaporation It is easily possible to increase the service life by using other nets and / or other dimensions besides strontium oxide also gives barium oxide already below the Pl Atinschmelzpunktes good electron yields, but the lifetime is goringer by faster evaporation of the barium oxide. Barium-strontium-calcium mixed oxide is suitable as well as strontium oxide, it has no advantages in oxygen mode compared to this. For other emissions higher-melting support materials must vvie z. As rhodium, ruthenium, iridium, osmium or higher melting alloys are used to obtain technically usable electron yields.

Claims

A process for producing ions of reactive feedstocks, in particular oxygen ions, in a gas-discharge ion source, characterized in that a cathode having an emission layer of an oxide, boride or carbide of strontium, barium, calcium, lanthanum, yttrium or a lanthanide or a mixture thereof on a Support made of a platinum metal or a platinum metal or a platinum metal alloy at a working temperature above 1100 ^c C is used.

Field of application of the invention

The invention is applicable to the design and operation of ion sources in implant systems, accelerators and plasma systems.