DE19513345C2 - ECR-Ionenquelle - Google Patents

ECR-Ionenquelle

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Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenzyklotronresonanz (ECR)- Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche ECR-Ionenquellen werden bisher als Teilchenquellen für Teilchenbeschleuniger eingesetzt. Eine Vorrichtung der e. g. Art ist aus D. Hitz et al., KVI-Report 996, der Rijksuniver­ siteit Groningen, S. 91 bis 96 bekannt.
Ein Nachteil dieser Quelle besteht darin, daß mehrfache Ioni­ sation von Teilchen erst bei höheren Frequenzen und dadurch bedingten stärkeren Magnetfeldern erreicht wird.
Aus der DE 44 19 970 A1 ist eine ECR-Quelle bekannt mit zylinderförmiger Cavity, Magneten zur Erzeugung einer Plasmaeinschlussen und einem Hohlleiter zum Einbringen von HF-Strahlung, dessen Längsachse senkrecht auf der jenigen der Cavity steht und der symmetrisch auf der Mitte der Cavity über einen Einkoppelschlitz aufsitzt.
Auch die DE 38 29 338 C2 und die Veröffentlichung von M. Matsuoka et al., "Ion extraction from microwave plasma excited by ordinary and extraordinary waves and applications to the sputtering deposition", in J. Vac. Sci. Technol. A9 (3), May/Jun. 1991, S. 691-695 zeigen ECR-Quellen mit Einspeisung der HF-Energie senkrecht zur Längsachse.
Eine mit Laserverdampfung betriebene Ionenquelle, die HF-Zufuhr zur Beschleunigung der Jonen enthält, ist von K. Koneda, "A Compavison of the Effects of RF Plasma Discharge and Ion Beam Supply of Celbic Baren Nitride Films Formed by Laser Physical Vapor Deposition" in Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33 (1994) p. 266-269 bekannt.
Demgegenüber stellt sich die Aufgabe, einen größeren Teil des Periodensystems, nämlich alle soliden Elemente, möglichst verlustfrei als Ionenstrahl zur Verfügung stellen zu können.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst. Der Unteranspruch beschreibt eine vor­ teilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ionenquelle besteht in ihrem durch die niedrigen Magnetfelder bedingten einfachen Aufbau. Externe Wasserkühlung ist nicht erforderlich. Wegen geringer Betriebskosten eignet sich die Ionenquelle besonders zum groß­ flächigen Beschichten von Oberflächen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand dreier Beispiele mit Hilfe der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt die Fig. 1 eine Ionenquelle mit eingeschränkter Strahlaustrittsöffnung und die Fig. 2 und 3 Isolatoren mit unterschiedlichen Strahlformoptiken.
Die Cavity 1 von Fig. 1 ist zylindrisch ausgebildet. Ihre Länge und ihr Umfang sind jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der verwendeten Wellenlänge der eingespeisten elektomagneti­ schen Strahlung. Besonders geeignet ist als gemeinsames Maß die doppelte Wellenlänge. Innerhalb der Cavity 1 befindet sich ein Rohr 2 aus elektromagnetisch transparentem Material z. B. Quarz oder Saphir. Cavity 1 und Rohr 2 werden durch die Flan­ sche 4 und 5 abgeschlossen.
Die beiden Flansche 4, 5 bestehen aus Metall, wobei der Flansch 4 magnetisierbar und der Flansch 5 nicht magnetisier­ bar ist. Die Cavity 1 ist mit den Flanschen 4, 5 galvanisch leitend verbunden, während das Rohr 2 vakuumdicht in den bei­ den Flanschen mit zwei nicht dargestellten O-Ringen gelagert ist. Die Cavity 1 ist in der üblichen Weise mit Multipol-Per­ manentmagneten 3 umgeben, wobei jedoch diese Magnete radial einstellbar sind.
Die beiden Magnetspulen 6 dienen dem magnetischen Einschluß des Plasmas. Die Spulen 6 sind gegen die übrigen Teile der ECR-Quelle elektrisch isoliert. Sie können achsial einstellbar sein. Die Plasmaelektrode 7 am Ende des Plasmaeinschlusses er­ möglicht einen definierten Strahlaustritt.
Dem Flansch 5 schließt sich ein mit diesem vakuumdicht verbun­ dener Isolator 8 (in den Fig. 2 und 3 dargestellt) an. Der Flansch 4 enthält die Gaszuführung 10, mindestens ein Fenster 11 für die Einkopplung von Laserleistung und mindestens einen Targethalter 12 für das Targt 13, welche alle außerhalb des Zentrums in die Plasmakammer münden. Der Hohlleiter 14 dient der Einkoppelung der elektromagnetischen Strahlung, wobei des­ sen Längsachse senkrecht auf der Längsachse der Cavity 1 steht und der symmetrisch in der Mitte der Cavity 1 auf dieser über einem Einkoppelschlitz 15 galvanisch verbunden aufsitzt. Die Zuführung 16 für Kühlgas mündet in der Cavity 1, so daß sich ein Kühlgasstrom zwischen Cavity 1 und Rohr 2 entwickeln kann.
Der Kühlgasauslaß befindet sich genau dem Kühlgaseinlaß gegen­ über. Kühlgaseinlaß und Einkoppelschlitz 15 liegen nicht un­ mittelbar gegenüber.
Fig. 2 zeigt anschließend an den Flansch 5 den Isolator 8. Dieser enthält einen zentrisch und isoliert gelagerten me­ tallischen Hohlzylinder 9 und eine Absaugelektrode 18, die durch eine Blende oder ein Gitter ersetzt werden kann. Dem Isolator 8 kann ein Strahlführungsrohr oder eine Prozeßkammer folgen.
Die Fig. 3 zeigt einen Teil von Flansch 5 mit daran an­ schließendem Isolator 8, in welchem die Plasmaelektrode 7 durch eine erste Gitterelektrode 17 und die Absaugelektrode 18 durch eine zweite Gitterelektrode 19 ersetzt ist. Besonders geeignet ist diese Gitteranordnung zur Erzeugung eines Plasmas für die Reinigung von Oberflächen, z. B. von medizinischen Implantaten.
Bezugszeichenliste
1
Cavity
2
Rohr
3
Permanentmagneten
4
Flansch (Fe)
5
Flansch (Al)
6
Magnetspulen
7
Plasma-Elektrode
8
Isolator
9
Hohlzylinder
10
Gaseinlaß
11
Fenster
12
Targethalter
13
Target
14
Hohlleiter
15
Einkoppelschlitz
16
Kühlgaszuführung
17
Gitterelektrode
18
Absaugelektrode
19
Gitterelektrode

Claims (2)

1. ECR-Ionenquelle mit
  • - einer zylinderförmigen Cavity (1), bestehend aus einem Metallrohr, dessen Stirnflächen mit je einem Flansch (4, 5) galvanisch leitend verbunden sind, wobei
    die Flansche (4, 5) Öffnungen zur Gaszufuhr und Evakuierung sowie zur Ionenextraktion aufweisen,
    die Länge und der Innenumfang der Cavity (1) ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge der HF-Strahlung betragen und ein HF-Resonator gebildet wird,
    und die Cavity (1) ein Rohr (2) aus HF-durchlässigem Material enthält, welches vakuumdicht mit den Flanschen verbunden ist,
  • - einem Hohlleiter (14) zum Einbringen von HF-Strahlung, dessen Längsachse senkrecht auf der Längsachse der Cavity (1) steht und der symmetrisch auf der Mitte der Cavity (1) über einem Einkoppelschlitz (15) aufsitzt,
  • - außerhalb der Cavity (1) beweglich einstellbar angeordneten Magneten (3, 6) zur Erzeugung eines magnetischen Einschlusses des Plasmas in achsialer und radialer Richtung,
  • - einem oder mehreren Targets (13), die in der Cavity (1) gehaltert und mittels über Fenster (11) eingekoppelter Laserstrahlung verdampfbar sind.
2. ECR-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Metallrohr der Cavity (1) eine Zuführung (16) für Kühlgas mündet und gegenüberliegend ein Kühlgasauslaß von ihm ausgeht, so daß sich ein Kühlgasstrom zwischen Cavity (1) und Rohr (2) entwickeln kann.
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