DE1200964B

DE1200964B - Ion cannon for processing solid surfaces

Info

Publication number: DE1200964B
Application number: DEC21092A
Authority: DE
Inventors: Noeel Azam
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1959-04-02
Filing date: 1960-03-29
Publication date: 1965-09-16
Also published as: CH362761A; BE589165A; GB931750A; FR1230590A; LU38444A1; NL249922A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

HOIjHOIj

H05hH05h

Deutsche Kl.: 21g-21/01 German classes : 21g -21/01

Nummer: 1 200 964Number: 1 200 964

Aktenzeichen: C 21092 VIII c/21 gFile number: C 21092 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 29. März 1960 Filing date: March 29, 1960

Auslegetag: 16. September 1965Opening day: September 16, 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenkanone zur Bearbeitung von festen Oberflächen, bestehend aus einer Hohlkathode, in deren mit einem Ionen-Arbeitsraum in Verbindung stehenden Innenraum ein Gas unter leichtem Druck einführbar ist, ferner aus einer in der Hohlkathode angeordneten Hohlanode sowie einer Spannungsquelle, die zwischen Anode und Kathode eine Gleichspannung positiver Polarität zur Stoßionisierung des eingeführten Gases erzeugt.The invention relates to an ion gun for processing solid surfaces, consisting of from a hollow cathode, in the interior of which is connected to an ion working space a gas can be introduced under slight pressure, furthermore from a hollow anode arranged in the hollow cathode and a voltage source that has a positive DC voltage between the anode and cathode Generated polarity for impact ionization of the gas introduced.

Bei bekannten Geräten mit Ionenoptik sucht man zur Verringerung der Diffusion im Ionenarbeitsraum ein höheres Vakuum als im Ionen-Erzeugungsraum aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grunde steht bei den bekannten Geräten der Ionen-Erzeugungsraum mit dem Ionen-Arbeitsraum nur über eine einzige Öffnung oder eine Zahl sehr enger Kanäle in Verbindung, so daß sich kein Druckausgleich zwischen beiden Räumen einstellen kann.In known devices with ion optics, one seeks to reduce diffusion in the ion working space to maintain a higher vacuum than in the ion generation space. For this reason stands with the known devices of the ion generation space with the ion work space only have a single one Opening or a number of very narrow channels in connection, so that there is no pressure equalization between can adjust both rooms.

Da sich durch den für den Ionenstrahl zur Verfügung stehenden kleinen Durchtrittsquerschnitt eine verhältnismäßig geringe Strahlstärke und eine nicht allzu große Ionengeschwindigkeit ergibt, sind diese bekannten Ionenkanonen wenig geeignet für Verwendungszwecke, bei denen es auf eine hohe Strahlstärke und eine große Intensität des Ionenstrahles ankommt. Ein derartiger Fall liegt insbesondere bei der Bearbeitung von festen Oberflächen vor, beispielsweise bei der Reinigung von in der Elektronenmikroskopie verwendeten Blenden, bei der Vorbereitung von metallographischen Proben zur Elektronenmikroskopie, bei der Verringerung der Stärke dünner Oxydschichten sowie bei zahlreichen metallographischen Behandlungen.Since the small passage cross-section available for the ion beam creates a results in a relatively low beam strength and a not too high ion velocity, these are known ion cannons are not very suitable for purposes in which there is a high radiation intensity and a great intensity of the ion beam arrives. Such a case is particularly included the processing of solid surfaces, for example when cleaning in electron microscopy diaphragms used in the preparation of metallographic samples for electron microscopy, in reducing the thickness of thin oxide layers as well as in numerous metallographic ones Treatments.

Zur Reinigung von festen Oberflächen sind weiterhin Geräte bekannt, die auf dem Prinzip der Kathodenzerstäubung in einer Glimmentladung beruhen. Diese Geräte eignen sich jedoch nicht für solche Bearbeitungsvorgänge, bei denen es auf eine gezielte Bearbeitung einzelner Oberflächenteile ankommt. For cleaning solid surfaces, devices are also known which are based on the principle of Cathode sputtering based on a glow discharge. However, these devices are not suitable for those processing operations in which a targeted processing of individual surface parts is important.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zur Bearbeitung von festen Oberflächen geeignete Ionenkanone der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich mit gutem Wirkungsgrad besonders starke und intensive Ionenstrahlen erzeugen lassen und eine gezielte Oberflächenbearbeitung mit freier Wahl der Arbeitsbedingungen möglich ist.The invention is therefore based on the object of providing a device that is suitable for machining solid surfaces Train ion guns of the type mentioned so that they are particularly effective Generate strong and intense ion beams and a targeted surface treatment with free choice of working conditions is possible.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ionen-Erzeugungsraum und der Ionen-Arbeitsraum miteinander über ein vor dem offenen Ende der Hohlanode angeordnetes und einen Teil Ionenkanone zur Bearbeitung von festen
OberflächenAccording to the invention, this object is achieved in that the ion generating space and the ion working space are connected to one another via an ion gun arranged in front of the open end of the hollow anode and a part for processing solid
surfaces

Anmelder:Applicant:

Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris
Vertreter:Commissariat a l'Energie Atomique, Paris
Representative:

Dipl.-Ing. R. Beetz, Patentanwalt,
München 22, Steinsdorfstr. 10Dipl.-Ing. R. Beetz, patent attorney,
Munich 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Noel Azam,Noel Azam,

Fontenay-aux-Roses, Seine (Frankreich)Fontenay-aux-Roses, Seine (France)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Frankreich vom 2. April 1959 (790 995)France of April 2, 1959 (790 995)

der Kathode bildendes, flächenhaftes Gitter in Verbindung stehen, dessen Durchbrüche so groß gewählt sind, daß in beiden Räumen derselbe Druck herrscht. Indem bewußt auf ein Druckgefälle zwischen dem Ionen-Arbeitsraum und dem Ionen-Erzeugungsraum verzichtet wird und beide Räume über die verhältnismäßig großen Durchbrüche eines Gitters miteinander in Verbindung stehen, lassen sich außerordentlich starke Ionenstrahlen erzeugen, die auch im Ionen-Arbeitsraum nur einer verhältnismäßig geringen Diffusion unterliegen. Durch entsprechende Einstellung der zwischen den Elektroden liegenden Spannung sowie des im Innern der Ionenkanone herrschenden Druckes läßt sich die Intensität des Ionenstrahles auf den für den jeweiligen Arbeitsvorgang geeigneten Wert bringen. Der bis weit in den Ionen-Arbeitsraum hinein scharf begrenzte Ionenstrahl ermöglicht ferner eine gezielte Oberflächenbearbeitung.the cathode-forming, planar grid are connected, the openings of which are chosen to be so large are that there is the same pressure in both rooms. By being aware of a pressure gradient between the Ion working space and the ion generating space is dispensed with and both spaces over the relatively large openings of a grid are connected to each other, can be extraordinary generate strong ion beams that are only relatively small in the ion working space Subject to diffusion. By setting the voltage between the electrodes accordingly as well as the pressure prevailing inside the ion gun, the intensity of the ion beam can be determined Bring to the value suitable for the respective work process. The one far into the ion work area The ion beam, which is sharply delimited, also enables targeted surface processing.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der ErfindungAn expedient embodiment of the invention

besteht darin, daß das Gitter zur Fokussierung des Ionenbündels in an sich bekannter Weise gewölbt ist und daß zur scharfen Begrenzung des Ionenbündels zwischen dem Ionen-Erzeugungsraum und dem Ionen-Arbeitsraum zusätzlich zum Gitter eine Blende vorgesehen ist.consists in that the grid for focusing the ion beam is curved in a manner known per se and that for the sharp delimitation of the ion beam between the ion generation space and the Ion working space in addition to the grid a screen is provided.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele hervor. Es zeigt
F i g. 1 eine bekannte Ionenkanone und
F i g. 2 bis 8 Ionenkanonen mit Gitter.Details of the invention emerge from the following description of some of the exemplary embodiments shown in the drawing. It shows
F i g. 1 a well-known ion cannon and
F i g. 2 to 8 ion cannons with grilles.

509 687/344509 687/344

Die in F i g. 1 dargestellte bekannte Ionenkanone, wie sie beispielsweise in der Elektronenmikroskopie Verwendung findet, enthält eine Hohlanode 1, eine Hohlkathode 2, eine Isolierdurchführung 3 zur Spannungszuführung zur Hohlkathode 2, einen isolierenden Dichtungsring 3 b, ein Anschlußrohr 4, eine Blendenöffnung S in der Stirnwand 7 der Hohlkathode 2, eine Pumpe 6 und einen Ionen-Arbeitsraum 8. In dem von der Hohlkathode 2 umschlossenen Ionen-Erzeugungsraum wird über das Anschlußrohr 4 ein Gas unter einem Druck von etwa 10^-1 mm Quecksilbersäule eingeführt. Die Pumpe 6 hält im Ionen-Arbeitsraum 8 ein wesentlich höheres Vakuum (in der Größenordnung von 10~⁴mm Quecksilbersäule) aufrecht. Die verhältnismäßig enge Blendenöffnung 5 verhindert einen Druckausgleich. Wird nun zwischen die Anode 1 und die Kathode 2 eine Gleichspannung positiver Polarität zur Stoßionisierung des eingeführten Gases angelegt, so tritt aus dem Ionen-Erzeugungsraum ein Ionenstrahl in den Ionen-Arbeitsraum 8 ein. Die Stärke und Intensität dieses Ionenstrahles ist jedoch mit Rücksicht auf die kleine Blendenöffnung 5 verhältnismäßig gering.The in F i g. 1 shown known ion gun, as it is used for example in electron microscopy, contains a hollow anode 1, a hollow cathode 2, an insulating bushing 3 for supplying voltage to the hollow cathode 2, an insulating sealing ring 3 b, a connecting tube 4, a diaphragm opening S in the end wall 7 of the Hollow cathode 2, a pump 6 and an ion working space 8. In the ion generating space enclosed by the hollow cathode 2, a gas is introduced via the connecting tube 4 under a pressure of about 10 ^-1 mm of mercury. The pump 6 maintains a significantly higher vacuum (in the order of magnitude of 10 ~ ⁴ mm of mercury) in the ion working space 8. The relatively narrow aperture 5 prevents pressure equalization. If a direct voltage of positive polarity is now applied between the anode 1 and the cathode 2 for impact ionization of the introduced gas, an ion beam enters the ion working space 8 from the ion generation space. The strength and intensity of this ion beam is, however, relatively low in view of the small aperture 5.

F i g. 2 zeigt demgegenüber eine Ionenkanone, bei der der von der Hohlkathode 2 umschlossene Ionen-Erzeugungsraum und der Ionen-Arbeitsraum 8 über ein vor dem offenen Ende der Hohlanode 1 angeordnetes und einen Teil der Kathode 2 bildendes, fiächenhaftes Gitter 7 in Verbindung stehen, dessen Durchbrüche so groß gewählt sind, daß in beiden Räumen derselbe Druck herrscht. Der Ionen-Arbeitsraum 8 ist mittels eines auf der Grundplatte 10 aufliegenden isolierenden Dichtungsringes 9 abgedichtet und zusammen mit dem Ionen-Erzeugungsraum an die Pumpe 6 angeschlossen. Der Druck im Ionen-Erzeugungsraum und im Ionen-Arbeitsraum liegt beispielsweise in der Größenordnung von 10"¹ mm Quecksilbersäule. Das Gitter 7 dient allein zur elektrischen Steuerung des Feldes; es behindert dagegen im Hinblick auf die Größe seiner Durchbrüche praktisch nicht den Durchtritt der erzeugten Ionen. Demgemäß ergibt sich im Ionenarbeitsraum 8 ein starker und sehr intensiver Ionenstrahl, der mindestens auf einer Länge von 7 bis 8 cm hinter dem Gitter 7 noch keine wesentlichen Diffusionserscheinung zeigt.F i g. In contrast, FIG. 2 shows an ion gun in which the ion generating space enclosed by the hollow cathode 2 and the ion working space 8 are connected via a planar grid 7 arranged in front of the open end of the hollow anode 1 and forming part of the cathode 2, the openings thereof are chosen so large that the same pressure prevails in both rooms. The ion working space 8 is sealed by means of an insulating sealing ring 9 resting on the base plate 10 and is connected to the pump 6 together with the ion generation space. The pressure in the ion generation space and in the ion working space is, for example, of the order of magnitude of 10 " ¹ mm of mercury. The grid 7 is used solely for the electrical control of the field; Ions. Accordingly, a strong and very intense ion beam is produced in the ion working space 8 which does not yet show any significant diffusion phenomena at least over a length of 7 to 8 cm behind the grid 7.

F i g. 3 veranschaulicht eine demgegenüber etwas abgewandelte Ionenkanone. Der den Ionen-Arbeitsraum 8 umschließende Behälter ist im Bereich der Grundplatte 10 und am Deckel 13 durch je eine Dichtung 9« bzw. 9 b abgedichtet. Zur Isolation von Anode und Kathode und der zugehörigen Stromzuführungen dienen Isolier- und Dichtungselemente 3 a, 3 b und 3 c. Das an seiner Oberfläche zu bearbeitende Objekt 11 wird von einer einstellbaren Klaue 12 gehalten. F i g. 3 illustrates an ion gun which is somewhat modified in comparison. The container surrounding the ion working space 8 is sealed in the area of the base plate 10 and on the cover 13 by a seal 9 ″ or 9 b. Insulating and sealing elements 3 a, 3 b and 3 c are used to isolate the anode and cathode and the associated power supply lines. The object 11 to be processed on its surface is held by an adjustable claw 12.

Die F i g. 4 bis 6 zeigen Ionenkanonen mit verschieden geformten Gittern 7: Gemäß F i g. 4 ist das Gitter eben und das Ionenstrahlbündel zylindrisch; gemäß F i g. 5 ist das Gitter 7 konvex gekrümmt und das Ionenstrahlbündel divergent; bei der Ausführung gemäß Fi g. 6 ist das Gitter 7 konkav ausgebildet, so daß der Ionenstrahl konvergiert. Zweckmäßig wird das Gitter 7 auswechselbar vorgesehen, so daß sich die Ionenkanone dem jeweiligen VerwendungszweckThe F i g. 4 to 6 show ion cannons with differently shaped grids 7: According to FIG. 4 is that The grating is flat and the ion beam is cylindrical; according to FIG. 5, the grid 7 is convexly curved and the ion beam divergent; in the execution according to Fi g. 6, the grid 7 is concave, see above that the ion beam converges. Appropriately, the grid 7 is provided interchangeably, so that the ion cannon for the respective purpose

ίο ohne weiteres anpassen läßt.ίο can be adjusted without further ado.

F i g. 7 und 8 zeigen weiterhin zwei Ausführungsbeispiele, bei denen zur scharfen Begrenzung des Ionenbündels zwischen dem Ionen-Erzeugungsraum und dem Ionen-Arbeitsraum zusätzlich zum Gitter 7 noch eine Blende 14 bzw. 15 vorgesehen ist. Gemäß F i g. 7 ist die Blende 14 im Ionen-Erzeugungsraum, d. h. vor dem Gitter 7 angeordnet, während bei der Ausführung gemäß F i g. 8 die Blende 15 mit der Blendenöffnung 5 im lonen-Arbeitsraum, d. h. hinter dem konkav ausgebildeten Gitter 7 angeordnet ist.F i g. 7 and 8 further show two exemplary embodiments, in which for the sharp delimitation of the Ion bundle between the ion generation space and the ion working space in addition to the grid 7 a diaphragm 14 or 15 is also provided. According to FIG. 7 is the diaphragm 14 in the ion generation space, d. H. arranged in front of the grid 7, while in the embodiment according to FIG. 8 the aperture 15 with the Diaphragm opening 5 in the ion working space, d. H. is arranged behind the concave grille 7.

Claims

Patent claims:

1. Ion gun for processing solid surfaces, consisting of a hollow cathode,

as in their connection with an ion working space standing interior a gas can be introduced under slight pressure, furthermore from an in the hollow cathode arranged hollow anode and a voltage source between the anode and Cathode generates a direct voltage of positive polarity for impact ionization of the introduced gas, characterized in that the ion generating space and the ion working space with each other via a planar grid arranged in front of the open end of the hollow anode and forming part of the cathode are connected, the openings are chosen so large that the same in both rooms There is pressure.

2. Ion gun according to claim 1, characterized in that the grid for focusing of the ion bundle is curved in a known manner and that for the sharp limitation of the Ion bundle between the ion generation space and the ion working space in addition to Grid a screen is provided.

Considered publications:
German Patent Nos. 879 583, 745 240;
"Electrical engineering and mechanical engineering", Vol. 74, 1957, no. 5, p. 98;

"Zeitschrift für Physik", Vol. 143, 1955, pp. 141 to 146;

Wien-Herms, Handbuch der Physik, Vol. 14, 1928, pp. 474 and 491.

1 sheet of drawings