DE1955137A1

DE1955137A1 - Device for generating a monoenergetic focused ion beam

Info

Publication number: DE1955137A1
Application number: DE19691955137
Authority: DE
Inventors: Dickinson Theodore Miner
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-11-04
Filing date: 1969-11-03
Publication date: 1971-06-24
Also published as: US3517240A; FR2022555A1

Description

DR. ERHART ZIEGLER <i q c ei q 7 ■DR. ERHART ZIEGLER <i q c ei q 7 ■

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TIROLER STRASSE 61-03TIROLER STRASSE 61-03

POSTFACH 700961 TELEFON 0611/6165 57POST BOX 700961 TELEPHONE 0611/6165 57

711 - (RDCD-93) General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N,Y., USA711 - (RDCD-93) General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N, Y., USA

Vorrichtung aur Erzeugung eines monoenergetischen fokussierten·Device for generating a monoenergetic focused

IonenstrahlsIon beam

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung eines monoenergetischen fokussierten Ionenstrahls, bei der neben einer Ionenquelle, die eine hohe Ionendiohte erzeugt, eine Ionenfokus sierungsanordnung vorgesehen ist, während in größerem Abstand von der Ionenquelle eine negative Beschleunigungselektrode angeordnet ist.The invention relates to a device for generating a monoenergetic focused ion beam, in addition to an ion source that generates a high Ionendiohte, an ion focussing arrangement is provided while at a greater distance a negative acceleration electrode is arranged by the ion source.

Zu den heute verwendeten Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gehört der Einbau von Aktivatoren in ein Halbleiterscheibchen durch Ionenbeschuß, um an ganz diskreten Stellen des Halbleiterscheibchens unsymmetrisch leitende übergänge hervorzurufen. Die Divergenz des Ionenstrahls, der zum Dotieren des Halbleiterscheibchens verwendet wird, sollte so klein wie möglich sein, um den Ionenstrahl auf eine ganz bestimmte Stelle des HaIbleiterscheibohens fokussieren zu können. Wie tief die Ionen in das Halbleiterscheibchen eindringen, hängt von der Energie der Ionen ab, die auf das Halbleiterscheibohen auftreffen.To the methods used today for the production of semiconductor components includes the incorporation of activators into a semiconductor wafer by ion bombardment in order to make the To cause semiconductor wafers asymmetrically conductive transitions. The divergence of the ion beam that is used to dop the semiconductor wafer should be as small as possible be to the ion beam on a very specific point of the semiconductor wafer to be able to focus. How deep the ions penetrate the semiconductor wafer depends on the energy of the Ions that strike the semiconductor wafer.

Q Q

Zur Erzeugung von Ionenstrahlen war es bisher üblich, feste oder gasförmige Stoffe mit einem Elektronenstrahl zu beschießen. Hierbei bildete sich eine Ionenwolke, aus der Ionen mittels einer Beschleunigungselektrode herausgezogen wurden. Wenn man jedoch zur Erzeugung eines koaxialen Ionenstrahls als Ionenquelle ein gasförmiges Medium verwendet, werden die Ionen hauptsächlich durch das Spannungsgefälle im Kathodenfallgebiet zwischen dem Plasma und der Kathode beschleunigt, die die Elektronen emittiert. Da nun die Energie eines jeden Ions dem Spannungsgefälle proportional ist, das das Ion durchläuft, weisen derartig hergestellte koaxiale Ionenstrahlen breite Energiespektren auf. In den Fällen, in denen die Ionen durch Elektronenbeschuß fester Stoffe erzeugt werden, was beispielsweise immer dann der Fall sein wird, wenn es schwierig ist, aus den festen Stoffen geeignete gasförmige Verbindungen herzustellen oder wenn es schwierig ist, diese festen Stoffe zu verdampfen, ist die Beschleunigungselektrode für die Ionen ganz dicht an der erzeugten Gaswolke angeordnet, um möglichst viele der erzeugten Ionen aus der Gaswolke herausziehen zu können. Auch dadurch wird ein großer Anteil der erzeugten Ionen durch stark unterschiedliche Spannungsgefälle beschleunigt, so daß auch in diesem Fall das Energiespektrum des erzeugten Ionenstrahls sehr breit ist.To generate ion beams, it has hitherto been customary to bombard solid or gaseous substances with an electron beam. Here An ion cloud formed from which ions were extracted by means of an acceleration electrode. However, if you can When a gaseous medium is used as an ion source to generate a coaxial ion beam, the ions are mainly used by the voltage gradient in the cathode drop area between the Accelerates plasma and the cathode, which emits the electrons. Since the energy of each ion is proportional to the voltage gradient that the ion passes through, coaxial ion beams produced in this way have broad energy spectra. In the cases in which the ions are generated by electron bombardment of solid substances, which will be the case, for example, whenever it is difficult to prepare suitable gaseous compounds from the solids, or if it is difficult to make these solid ones In order to vaporize substances, the acceleration electrode for the ions is arranged very close to the generated gas cloud to be able to extract as many of the ions generated from the gas cloud as possible. This also causes a large proportion of the generated Ions accelerated by very different voltage gradients, so that in this case too the energy spectrum of the generated Ion beam is very wide.

Wenn man einen Ionenstrahl erzeugen will, der zum hierfür verwendeten Elektronenstrahl koaxial verläuft, tritt eine weitere Schwierigkeit auf. Die Felder, die zur Fokussierung des Elektronenstrahls verwendet werden, können nämlich auf den Ionenstrahl eine defokussierende Wirkung ausüben. Wenn andererseits zwischen dem Ursprungsort der Ionen und der Kathode zur Erzeugung des Elektronenstrahls umfangreiche Fokussierungslinsen für die Ionen angeordnet sind, wird die Feinfokussierung des Elektronenstrahls auf dem Material, von dem Ionen erzeugt werden sollen, beeinträchtigt, und auch dadurch wird die Bildung monoenergetischer Ionenstrahlen gestört.If you want to generate an ion beam, the one used for this When the electron beam is coaxial, another problem arises. The fields used to focus the electron beam are used, namely can exert a defocusing effect on the ion beam. On the other hand, if between extensive focusing lenses for the ions at the point of origin of the ions and the cathode for generating the electron beam the fine focusing of the electron beam on the material from which ions are to be generated is impaired, and this also disrupts the formation of monoenergetic ion beams.

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Zur Vermeidung dieser eben geschilderten Nachteile wird ein fester Stoff mit einem Elektronenstrahl beschossen, dessen Intensität ausreicht, um einen Teil dieses festen Stoffes zu verdampfen und zu ionisieren. Die erzeugten Ionen werden aus der Dampfwolke mit Hilfe einer lonenbeschleunigungslinse herausgezogen, die in einem gewissen Abstand von "dem festen Stoff beziehungsweise der Gaswolke angeordnet ist, der beispielsweise das 50-fache des Elektronenstrahldurchmessers auf dem festen Stoff betragen kann. Zwischen dem festen Stoff und der Ionenbeschleunigungselektrode werden die erzeugten Ionen zu einem konvergierenden Ionenstrahl fokussiert, so daß in der lonenbeschleunigungslinse ein konvergierender Ionenstrahl vorliegt. Ein erfindungsgemäßer Ionenstrahlgenerator weist daher einen Elektronenstrahlgenerator und Fokussierungsmittel zur Fokussierung des erzeugten Elektronenstrahls auf einem elektrisch leitenden, festen Stoff auf, der zum Teil verdampft werden soll. Das verdampfte Material wird dann durch eine Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl zum Teil ionisiert. Weiterhin ist eine lonenbeschleunigungslinse vorgesehen, durch deren Feld die erzeugten Ionen in Form eines praktisch monoenergetischen Ionenstromes herausgezogen werden. Zwischen dem Ort, an dem die Ionen erzeugt werden, und der lonenbeschleunigungslinse ist ein Fokussierungsfeld vorgesehen, durch das der Ionenstrom am Ort der Beschleunigungslinse zu einem konvergenten Ionenstrahl fokussiert wird.In order to avoid these disadvantages just described, a solid one is used Bombarded material with an electron beam, the intensity of which is sufficient to vaporize part of this solid material and to ionize. The generated ions are extracted from the vapor cloud with the help of an ion accelerator lens, which is in a certain distance from "the solid substance or the gas cloud is arranged, for example, 50 times the electron beam diameter on the solid material. Between the solid and the ion accelerating electrode are the generated ions focused to a converging ion beam, so that in the ion accelerating lens a converging Ion beam is present. An ion beam generator according to the invention therefore has an electron beam generator and focusing means to focus the generated electron beam on an electrically conductive, solid substance, which partially evaporates shall be. The vaporized material is then partially ionized by interaction with the electron beam. Farther an ion acceleration lens is provided, through whose field the ions generated in the form of a practically monoenergetic Ion current are pulled out. Between the location where the ions are generated and the ion accelerating lens is a focusing field is provided through which the ion current at the Location of the accelerating lens is focused into a convergent ion beam.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen der Ionenstrahl und der Elektronenstrahl koaxial zueinander, und zwischen der Elektronenstrahlquelle und der Ionenquelle ist eine gemeinsame Lochelektrode vorgesehen, durch deren Potential sowohl die Elektronen als auch die Ionen beschleunigt werden, wenn sie durch die Elektrode hindurchgehen. Wenn man das Ionenfokussierungsfeld im Ionenbeschleunigungsfeld hervorruft, treten die Ionen bereits mit einer hohen Energie in das Elektronenfokussierungsfeld des Ionenstrahlgenerators ein, so daß die vom Elektronenfokussierungsfeld hervorgerufene Divergenz des Ionenstrahls nur gering ist.In a preferred embodiment of the invention, the ion beam and the electron beam are coaxial with one another and between the electron beam source and the ion source a common hole electrode is provided, through their potential both the electrons as well as the ions are accelerated as they pass through the electrode. When you get the ion focusing field in the ion acceleration field, the ions already enter the electron focusing field with high energy of the ion beam generator, so that the divergence of the ion beam caused by the electron focusing field is only slight is.

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Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.In the following the invention is intended in connection with the drawings will be described in detail.

Figur 1 zeigt vereinfacht einen Schnitt durch einen Ionenstrahlgener ator nach der Erfindung.FIG. 1 shows a simplified section through an ion beam generator ator according to the invention.

Figur 2 zeigt vergrößert die Dampfwolke, die durch Elektronenbeschuß der Ionenquelle hervorgerufen wird.Figure 2 shows an enlarged view of the vapor cloud generated by electron bombardment caused by the ion source.

Der erfindungsgemäße Ionenstrahlgenerator 10 aus Figur 1 weist eine Glühkathode 12 auf, mit der ein Elektronenstrahl erzeugt wird. Dieser Elektronenstrahl wird auf ein Stück festes Metall fokussiert. Die Intensität des Elektronenstrahls ist so hoch, daß ein Teil des Metalls 14 verdampft, so daß sich dicht vor der Stelle, an der der Elektronenstrahl auf das Metall 14 auftrifft, eine Dampfwolke 16 hoher Dichte bildet. Durch Wechselwirkung mit dem Elektronenstrahl werden in der Dampfwolke Ionen erzeugt, die durch die BEschleunigungselektrode 18 aus der Dampfwolke herausgezogen werden. Die Beschleunigungselektrode 18 ist zwischen der Kathode 12 und dem Metall 14 durch Isolierstäbe 20 zentral gehaltert, und zwar sollte der Abstand der Beschleunigungselektrode 18 vom Metallstück 14 mindestens das 50-fache des Elektronenstrahldurchmessers auf dem Metallstück 14 betragen. Dieses ist erforderlich, um einen monoenergetischen Ionenstrahl zu erzeugen, wie es noch näher erläutert wird. Die bisher beschriebenen Einzelteile sind in einem Gehäuse eingeschlossen, das einen Deckel 22 aufweist, der auf einen Seitenwandzylinder 24 aufgeschraubt ist. Hierzu dienen Schrauben 26, die in Gewindebohrungen 28 eingeschraubt sind, die sich im Flansch 30 befinden. Zum vakuumdichten Abschießen dient eine Dichtung 31. Das untere Ende des Ionenstrahlgenerators ist beispielsweise auf einen Ionenbeschleuniger 32 aufgesetzt, der an ein Vakuumsystem (nicht gezeigt) angeschlossen ist, so daß der Druck innerhalb der gesamten Anordnung auf beispielsweise 5 x 10~^ torr abgepumpt werden kann, um für dip Elektronenquelle optimale Verhältnisse zu schaffen. Um dafür zu sorgen, daß die Dampfwolke 16 an der Oberfläche des Me-The ion beam generator 10 according to the invention from FIG. 1 has a hot cathode 12 with which an electron beam is generated will. This electron beam is focused on a piece of solid metal. The intensity of the electron beam is so high that a part of the metal 14 evaporates, so that close to the point at which the electron beam strikes the metal 14, forms a high density vapor cloud 16. By interacting with the electron beam, ions are generated in the vapor cloud, which by the accelerating electrode 18 from the vapor cloud be pulled out. The acceleration electrode 18 is central between the cathode 12 and the metal 14 by insulating rods 20 held, namely the distance of the acceleration electrode 18 from the metal piece 14 should be at least 50 times the electron beam diameter be on the metal piece 14. This is necessary to generate a monoenergetic ion beam, as it will be explained in more detail. The items described so far are enclosed in a housing, the one Has cover 22 which is screwed onto a side wall cylinder 24. For this purpose screws 26 are used, which are in threaded holes 28, which are located in the flange 30. For vacuum sealing A seal 31 is used for firing. The lower end of the ion beam generator is, for example, on an ion accelerator 32 attached, which is connected to a vacuum system (not shown), so that the pressure within the entire arrangement can be pumped out to for example 5 x 10 ~ ^ torr to create optimal conditions for dip electron source. Around to ensure that the steam cloud 16 on the surface of the

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tallstückes 14 eine kugelförmige Gestalt annimmt und daß der Druck innerhalb der Dampfwolke 14 vom Elektronenbrennfleck aus sehr rasch abnimmt, ist im allgemeinen ein Druck von weniger alsTallstückes 14 assumes a spherical shape and that the Pressure within the vapor cloud 14 from the electron focal point decreases very rapidly, is generally a pressure less than

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10 torr erforderlich. Da der Ionenstrahlgenerator 10 durch das Vakuumsystem des Ionenbeschleunigers 32 laufend evakuiert wird, bilden sich auch in der Ionenfokussierungskammer 33 keine Glimmentladungen aus, wenn an die verschiedenen Elektroden hohe Spanlungen angelegt werden.-4
10 torr required. Since the ion beam generator 10 is continuously evacuated by the vacuum system of the ion accelerator 32, no glow discharges form in the ion focusing chamber 33 either when high voltages are applied to the various electrodes.

um Erzeugen des Elektronenstrahles kann man jede nicht-gasförmige Elektronenquelle verwenden. Besonders günstig erscheint jedoch eine Elektronenkanone mit einer ringförmigen Glühkathode und einer als kugelfläche ausgebildeten Besohleunigungsanode 18, da eine solche Elektronenkanone gut fokussierte Elektronenstrahlen hoher Energie und hoher Intensität erzeugen kann, während auf der anderen Seite die Kathode einer solchen Elektronenkanone eine öffnung aufweist, durch die der erzeugte Ionenstrahl ungehindert hindurchgehen kann, ohne die Kathode zu zerstören. Um die Kathode 12 herum ist eine Elektronenfokussierungselektrode 36 angeordnet, die als Kugelschale ausgebildet und konzentrisch zur Kugel-3chalenflache der Beschleunigungselektrode 18 angeordnet ist, die zur Kathode 12 blickt. Dadurch werden die Elektronen aus der Kathode 12 durch eine öffnung 38 in der Beschleunigungselektrode lindurch fokussiert. Die Elektronenfokussierungselektrode 36 solle, wie gesagt zu derjenigen Fläche der Beschleunigungselektrode 8 konzentrisch angeordnet sein, die zur Kathode blickt, um im iaum zwischen der Kathode 12 und der Beschleunigungselektrode 18 radiale Kraftlinien zu erzeugen. Die Geometrie der Fokussierungslektrode kann jedoch unter Anwendung bekannter Grundlagen etwas nodifiziert werden. Man kann beispielsweise den Krümmungsradius der Fokussierungselektrode etwas kleiner wählen oder die Fokusierungselektrode konisch ausbilden, um Raumladungseffekte ausugleichen und um die Konvergenz des Elektronenstrahls auf dem etallstück 14 in einem kleinen Brennfleck zu verbessern. Wenn lan einen sehr intensiven Ionenstrahl erzeugen will, kann man uch die Kathode 12 als Kugelschale ausbilden und sie in der Mit-In order to generate the electron beam one can use any non-gaseous Use electron source. However, an electron gun with an annular hot cathode and appears particularly favorable an acceleration anode 18 designed as a spherical surface, since such an electron gun has well-focused electron beams high energy and high intensity, while on the other hand the cathode of such an electron gun can produce a Has opening through which the generated ion beam can pass unhindered without destroying the cathode. To the cathode An electron focusing electrode 36 is arranged around 12, designed as a spherical shell and concentric to the spherical 3-shell surface the acceleration electrode 18 is arranged, which faces the cathode 12. This will get the electrons out of the cathode 12 through an opening 38 in the acceleration electrode. The electron focusing electrode 36 should as said, be arranged concentrically to that surface of the accelerating electrode 8 which faces the cathode in order to im in order to generate radial lines of force between the cathode 12 and the acceleration electrode 18. The geometry of the focusing electrode however, it can be modified somewhat using known principles. For example, you can use the radius of curvature choose a slightly smaller focus electrode or the focus electrode form conical in order to compensate for space charge effects and to ensure the convergence of the electron beam on the metal piece 14 to improve in a small focal point. if If you want to generate a very intense ion beam, you can also design the cathode 12 as a spherical shell and place it in the middle.

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te mit einer öffnung versehen, durch die hindurch der erzeugte Ionenstrahl sum Ionenbeschleuniger 32 gelangen kann.te provided with an opening through which the generated Ion beam sum ion accelerator 32 can arrive.

Die Glühkathode wird durch eine Stromversorgung 40 mit Energie versorgt, die mit der Glühkathode in Serie geschaltet ist. Der eine Pol der Stromversorgung 40 ist weiterhin mit der Fokussierungselektrode 36 verbunden, um das Potential dieser Elektrode gegenüber dem Kathodenpotential konstant zu halten. Man kann aber auch ein zusätzliches Stromversorgungsgerät verwenden, um zwischen der Kathode 12 und der Pokussierungselektrode 36 eine gewisse Spannungsdifferenz hervorzurufen, beispielsweise um zum Ausgleich von Herstellungstoleranzen den Elektronenbrennfleck fein einstellen zu können. Das Potential der Beschleunigungselektrode 18 ist mittels einer Gleichspannungsquelle 42 gegenübder der Kathode auf einen positiven Wert festgelegt worden, während das Metallstück 14 mittels der Gleichspannungsquelle 44, die zur Gleichspannungsquelle 42 in Serie geschaltet ist, ein Potential erhält/ das sowohl gegenüber der Kathode 12 als auch gegenüber der Beschleunigungselektrode 18 positiv ist.The hot cathode is supplied with energy by a power supply 40 which is connected in series with the hot cathode. Of the one pole of the power supply 40 continues to be with the focusing electrode 36 connected in order to keep the potential of this electrode constant with respect to the cathode potential. One can but also use an additional power supply device between the cathode 12 and the focusing electrode 36 a cause a certain voltage difference, for example to compensate for manufacturing tolerances, the electron focal point to be able to fine-tune. The potential of the accelerating electrode 18 has been set to a positive value with respect to the cathode by means of a DC voltage source 42, while the metal piece 14 by means of the DC voltage source 44, which is connected in series with the DC voltage source 42, a potential receives / which is positive with respect to both the cathode 12 and the acceleration electrode 18.

Die Beschleunigungselektrode 18, die mittels der Isolierstäbe etwa in der Mitte zwischen der Kathode 12 und dem Metallstück starr gehalter ist, kann aus irgend einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein. Wenn die Elektronen aus der Kathode durch hohe Potentiale beschleunigt werden sollen, erscheint es vorteilhaft, wenn die Beachleunigungselektrode 18 aus Molybdän hergestellt wird.The acceleration electrode 18, which by means of the insulating rods approximately in the middle between the cathode 12 and the metal piece is rigidly held, can be made of any electrically conductive material. When the electrons come out of the cathode are to be accelerated by high potentials, it appears advantageous if the acceleration electrode 18 made of molybdenum will be produced.

Um die erzeugten Elektronen und Ionen so fokussieren zu können, daß sie durch die Beschleunigungselektrode 18 hindurchgehen können, werden radiale Kräfte hervorgerufen. Hierzu ist der Mittelteil der Beschleunigungselektrode 18 kugelflächenförmig ausgebildet worden, und zwar derart, daß die zum Metallstück 14 blickende Kugelfläche konzentrisch zur Beschleunigungselektrod% 3K und die zur Kathode 12 blickende Kugelfläche der Beschleunigungselektrode 18 konzentrisch zur Fokussierungselektrode 36 angeordnet ist. Die öffnung 38 innerhalb der Beechleunigungselektrode 18 ist zylind-In order to be able to focus the electrons and ions generated so that they can pass through the acceleration electrode 18, radial forces are generated. For this purpose, the central part of the acceleration electrode 18 has been designed in the shape of a spherical surface, namely in such a way that the spherical surface facing the metal piece 14 is concentric to the acceleration electrode 3K and the spherical surface of the accelerating electrode 18 facing the cathode 12 is concentric to the focusing electrode 36. The opening 38 within the acceleration electrode 18 is cylindrical

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risch ausgebildet und verläuft zur Elektronenstrahlachse parallel. Der Durchmesser der Öffnung 38 innerhalb der Besohleunigungselektrode 18 ist so gewählt, daß der Elektronenstrahl ungehindert hindurch gehen kann.risch formed and runs parallel to the electron beam axis. The diameter of the opening 38 within the acceleration electrode 18 is chosen so that the electron beam can pass through unhindered.

Das Metallstück 14, an dem die Ionen des Ionenstrahls entstehen, ist in der geometrischen Mitte der Fokussierüngselektrode 34 angeordnet, die genau so wie die bereits beschriebene Elektronenfokussierungselektrode 36 ausgebildet ist. Die Fokussierüngselektrode 34 ist also kugelschalenförmig ausgebildet und symmetrisch zur kugelschalenförmig ausgebildeten Elektronenfokussierungselektrode 36 angeordnet. Das Metallstück· selbst ist auf einer Platte 50 montiert, die mittels der Schrauben 48 an der Fokussierüngselektrode 34 angeschruabt ist, so daß sie auch elektrisch mit dieser Fokussierüngselektrode verbunden ist, so daß man das Metallstück 14 leicht ersetzen oder austauschen kann. Da die Ionenfokussierungselektrode 36 und die Ionenfokussierungselektrode 34 praktisch symmetrisch zueinander angeordnet sind, werden die Ionen, die durch Elektronenbeschuß des Metallstückes 14 entstehen, längs einer Achse fokussiert, die mit der Elektronenstrahlachse zusammenfällt. Der Ionenstrahl geht dann nacheinander durch die Öffnung in der Beschleunigungselektrode 18 hindurch, dann durch die Öffnung in der Glühkathode 12 und zum Schluß durch eine Öffnung 70 in einer Aperturplatte 72, die auf der anderen Seite der Glühkathode 12 angeordnet ist. Da das Metallstück 14 in der gebmetrischen Mitte der Ionenfokussierungselektrode 34 angeordnet ist, werden die durch Elektronenbeschuß erzeugten Ionen sofort nach ihrer Bildung in einen Ionenstrahl fokussiert, der koaxial zum Elektronenstrahl verläuft, und nur wenige Ionen diffundieren in die Kammer des Ionenstrahlerzeuger hinein. Es ist günstig, wenn die Abmessungen der Fokussierüngselektrode 34 mindestens 30% des linearen Abstandes zwischen dem Metallstück 14 und der Beschleunigungselektrode 18 betragen, da dadurch die Fokussierung der Ionen auf einem wesentlichen Teil ihrer Beschleunigungsstrekke besonders effektiv wird. Ganz allgemein werden die durch Elektronenbeschuß des MetallBtückes 14 erzeugten Ionen durch die Wir-The metal piece 14, on which the ions of the ion beam arise, is arranged in the geometric center of the focusing electrode 34, which is designed exactly like the electron focusing electrode 36 already described. The focusing electrode 34 is thus designed in the shape of a spherical shell and is arranged symmetrically to the electron focusing electrode 36 which is designed in the form of a spherical shell. The metal piece itself is mounted on a plate 50 which is scraped onto the focusing electrode 34 by means of the screws 48 so that it is also electrically connected to this focusing electrode so that the metal piece 14 can easily be replaced or exchanged. Since the ion focusing electrode 36 and the ion focusing electrode 34 are arranged practically symmetrically with respect to one another, the ions produced by electron bombardment of the metal piece 14 are focused along an axis which coincides with the electron beam axis. The ion beam then successively passes through the opening in the acceleration electrode 18, then through the opening in the hot cathode 12 and finally through an opening 70 in an aperture plate 72 which is arranged on the other side of the hot cathode 12. Since the metal piece 14 is located in the geometrical center of the ion focusing electrode 34, the ions generated by electron bombardment are immediately focused into an ion beam which is coaxial with the electron beam and only a few ions diffuse into the chamber of the ion gun. It is advantageous if the dimensions of the focusing electrode 34 are at least 30% of the linear distance between the metal piece 14 and the acceleration electrode 18, since this makes the focusing of the ions particularly effective over a substantial part of their acceleration distance. In general, the ions generated by electron bombardment of the metal piece 14 are

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kung der Fokussierungslinse 34 zu einem leicht konvergenten Strahl zusammengefaßt, der dann durch die öffnung 38 hindurchläuft, so daß es leicht ist, den Ionenstrahl durch eine erneute Fokussierung zu einem kleinen Brennfleck zusammenzufassen oder ihn mit nur sehr geringer Dispersion in dem Ionenbeschleuniger 32 abzulenken, während die Ausgangsöffnung 70 im Brennpunkt der Fokussierungslinse 34 liegt. Der Durchmesser der Ausgangsöffnung 70 ist vorzugsweise kleiner als der dreifache Durchmesser des Elektronenbrennfleckes auf dem Metallstück 14, um solche Ionen wegzufangen, deren Energie außerhalb des angestrebten monoenergetischen Energiebereiches liegt.kung the focusing lens 34 to a slightly convergent Combined beam, which then passes through the opening 38, so that it is easy to re-focus the ion beam into a small focal spot or deflect it with only very little dispersion in the ion accelerator 32, while the exit opening 70 is at the focal point of the Focusing lens 34 is. The diameter of the outlet opening 70 is preferably less than three times the diameter of the Electron focal point on the metal piece 14 to such ions to catch away whose energy lies outside the targeted monoenergetic energy range.

Um einen monoenergetischen Ionenstrahl zu erzeugen, ist die Beschleunigungselektrode 18 in einem Abstand von dem Metallstück angeordnet, der mindestens dem 50-fachen Durchmesser des Elektronenstrahlbrennfleckes auf dem Metallstück 14 entspricht. Da die Beschleunigungselektrode im Idealfall in der Mitte zwischen dem Metallstück 14 und der Kathode 12 angeordnet sein sollte, um sowhl Ionen als auch Elektronen beschleunigen zu können, sollte auch der Abstand zwischen der Beschleunigungselektrode 18 und der Kathode 12 mindestens dem 50-fachen Brennfleckdurchmesser auf dem Metallstück 14 entsprechen.The accelerating electrode is used to generate a monoenergetic ion beam 18 arranged at a distance from the metal piece which is at least 50 times the diameter of the electron beam focal point on the metal piece 14 corresponds. Since the acceleration electrode is ideally in the middle between the Metal piece 14 and the cathode 12 should be arranged in order to be able to accelerate both ions and electrons also the distance between the acceleration electrode 18 and the cathode 12 is at least 50 times the focal spot diameter correspond to the metal piece 14.

Wenn man die Betriebsbedingungen etwas ändert, also beispielsweise den Potentialgradienten zwischen dem Metallstück 14 und der Beschleunigungselektrode 18 und/oder den Brennfleckdurchmesser auf dem Metallstück 14, kann es erforderlich sein, die Geometrie der Ionenfokussierungslinse leicht zu ändern. Es kann beispielsweise notwendig sein, den Krümmungsradius am Außenrand der Ionenfokussierungslinse geringer zu wählen, als es einer Kugelschale entspricht, um sicher zu stellen, daß die Ionen als leicht konvergenter Strahl durch die öffnung 38 hindurch gehen. Wenn dann die Ionen das Gebiet zwischen der Kathode 12 und der Beschleunigungslinse 18 durchlaufen, wird die geringe Konvergenz des lonenstrahls durch die divergierende Wirkung der Elektronenfokussierungslinse 36 kompensiert, so daß der Ionenstrahl praktisch als Parallelstrahl durch die Mitte der Kathode 12 hindurchgeht.If you change the operating conditions a little, for example the potential gradient between the metal piece 14 and the acceleration electrode 18 and / or the focal spot diameter on the metal piece 14, it may be necessary to slightly change the geometry of the ion focusing lens. It can for example It may be necessary to choose the radius of curvature at the outer edge of the ion focusing lens to be smaller than that of a spherical shell to ensure that the ions pass through the opening 38 as a slightly convergent beam. If then the Ions pass through the area between the cathode 12 and the accelerating lens 18, the low convergence of the ion beam compensated by the diverging effect of the electron focusing lens 36, so that the ion beam practically as The parallel beam passes through the center of the cathode 12.

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Als Metallstück 14 kann man jedes feste oder flüssige elektrisch leitende Material verwenden, das für einen besonderen Zweck ionisiert werden soll. Man kann das Metall in Form eines groben Metallstückes oder eines Barrens verwenden. Es erscheint jedoch günstiger, das Metall in Form einer Folie anzuwenden, die auf einem Block aus einem Material gehaltert ist,- dessen Verdampfungstemperatur wesentlich höher als die Verdampfungstemperatur der Folie ist und dessen Wärmeleitfähigkeit schlecht ist, um Wärmeverluste während des Betriebs des Ionenstrahlgenerators zu vermeiden. Um eine Verunreinigung des Ionenstrahls zu vermeiden, die durch feste oder gasförmige Fremdstoffe in der Metallfolie verursacht sein kann, sollte die Folie eine hohe Reinheit aufweisen und vorzugsweise mittels eines Vakuumschmelzverfahrens hergestellt sein. Da die Isolierstäbe, die die Beschleunigungselektrode 18 haltern, offen liegen, werden alle an ihnen adsorbierten Gase sehr rasch von dem Vakuumsystem des Ionenbeschleunigers abgepumpt,The metal piece 14 can be any solid or liquid electrically Use conductive material that is intended to be ionized for a specific purpose. One can get the metal in the form of a rough Use a piece of metal or a bar. However, it seems more beneficial to use the metal in the form of a foil that is on a block made of a material is held, - the evaporation temperature is significantly higher than the evaporation temperature of the film and whose thermal conductivity is poor, in order to avoid heat losses during the operation of the ion beam generator avoid. To avoid contamination of the ion beam caused by solid or gaseous foreign matter in the metal foil can be caused, the film should have a high purity and preferably produced by means of a vacuum melting process be. Since the insulating bars holding the accelerating electrode 18 are exposed, all of them are adsorbed on them Gases pumped very quickly from the vacuum system of the ion accelerator,

Wie aus der Figur 2 noch klarer hervorgeht, wird der Elektronenstrahl aus der Kathode 12 auf das Metallstück 14 fokussiert. Er weist eine solche Intensität auf, daß ein Teil des Metallstückes verdampft. Der entstehende Dampf diffundiert nun in halbkugelförmiger Verteilung in das Vakuum innerhalb des Ionenstrahlgenerators 10 hinein. Der Radius dieser aus Dampf bestehenden Halbkugel entspricht etwa dem Radius des Brennfleckes auf dem Metallstück 14. Die Dichte innerhalb der Dampfhaikugel 16 hängt von der Intensität des auffallenden Elektronenstrahls und dem Dampfdruck ab, der am Metallstück 14 entsteht. Da nun die Dampfdiohte in das Vakuum hinein mit dem Quadrat des Abstandes von dem Entstehungsort des Dampfes abnimmt, hat die Dichte in der Dampfwolke in einem Abstand von etwa 5 Brennfleckradien von der Oberfläche des Metallstüokes 14 auf etwa H% abgenommen, und somit beträgt die Ionisierungsrate in diesem Abstand auch nur noch 45t. Die Gesamtzahl der Ionen, die längs des Elektronenstrahle erzeugt werden, erhält man, wenn man die Dicht als Funktion des Abstandes integriert. Als Ergebnis hiervon sieht man, daß die Gesamtionen-As can be seen even more clearly from FIG. 2, the electron beam from the cathode 12 is focused on the metal piece 14. It has such an intensity that part of the metal piece evaporates. The resulting vapor now diffuses in a hemispherical distribution into the vacuum within the ion beam generator 10. The radius of this hemisphere, consisting of steam, corresponds approximately to the radius of the focal point on the metal piece 14. Since the vapor density into the vacuum decreases with the square of the distance from the point of origin of the vapor, the density in the vapor cloud at a distance of about 5 focal point radii from the surface of the metal piece 14 has decreased to about H% , and thus the ionization rate is at this distance only 45t. The total number of ions that are generated along the electron beam is obtained by integrating the density as a function of the distance. The result of this is that the total ionic

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zahl, die jenseits eines bestimmten Radiuswertes erzeugt wird, mit der ersten Potenz des Radius abnimmt. Somit entstehen 80$ aller durch Elektronenbeschuß erzeugten Ionen innerhalb einer Halbkugel 62, deren Radius dem 5-fachen des Brennfleckradius auf dem Metallstück 1*1 entspricht. Da nun die am nächsten liegende Beschleunigungselektrode 18 einen Abstand vom Elektronenbrennfleck auf dem Metalistück 1*1 aufweist, der mindestens dem 50-fachen Brennfleckdurchmesser auf dem Metallstück 14 entspricht, werden die Ionen, die innerhalb der Halbkugel 62 erzeugt werden,· durch ein Spannungsgefälle beschleunigt, das im Minimum 95% des maxiaml auftretenden Spannungsgefälle beträgt. 80% aller erzeugten Ionen weisen daher eine Energie auf, die um nicht mehr als etwa 2,5$ vom Mittelwert abweicht. Die restlichen 20? der Ionen von niedrigerer Energie, die innerhalb des Elektronenstrahls und außerhalb der Halbkugel 62 erzeugt werden, werden nicht mehr innerhalb der Achse erzeugt, da der Elektronenstrahl immer breiter wird und die Ionen vor der Brennebene der Fokussierungselektrode entstehen. Sie werden daher nicht durch die Austrittsöffnung 70 hindurchfokussiert und können somit den Ionenstrahlgenerator nicht verlassen. Der Ionenstrahl, der den Generator verläßt, besteht somit zu 100£ aus Ionen, die innerhalb einer Halbkugel direkt an dem Metallstück 14 erzeugt worden sind, deren Radius 5 Brennfleckradien auf dem Metallstück 14 entspricht, und die Energie dieser Ionen weicht um nicht mehr als 2,5# vom Mittelwert nach beiden Seiten ab.number that is generated beyond a certain radius value decreases with the first power of the radius. Thus, 80 $ of all ions generated by electron bombardment arise within a hemisphere 62, the radius of which corresponds to 5 times the focal point radius on the metal piece 1 * 1. Since the closest acceleration electrode 18 is now at a distance from the electron focal spot on the metal piece 1 * 1, which corresponds to at least 50 times the focal spot diameter on the metal piece 14, the ions that are generated within the hemisphere 62 are accelerated by a voltage gradient , which is a minimum of 95% of the maximum occurring voltage gradient. 80% of all ions generated therefore have an energy that does not deviate from the mean value by more than about $ 2.5. The remaining 20? of the lower energy ions generated within the electron beam and outside the hemisphere 62 are no longer generated within the axis because the electron beam becomes wider and wider and the ions arise in front of the focal plane of the focusing electrode. They are therefore not focused through the exit opening 70 and thus cannot leave the ion beam generator. The ion beam leaving the generator thus consists of 100 pounds of ions that have been generated within a hemisphere directly on the metal piece 14, the radius of which corresponds to 5 focal point radii on the metal piece 14, and the energy of these ions does not deviate by more than 2 , 5 # from the mean on both sides.

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Claims

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Device for generating a monoenergetic focused Ion beam with an electron beam source, the electron beam of which by means of a focusing device on a piece an electrically conductive material which is to be vaporized and ionized, characterized in that that a device for generating an acceleration field is provided with the ions from the from

electron beam to pull out vaporized electrically conductive material are that further means for generating a focusing field for the ions between the piece electrically conductive material and the device for generating an acceleration field for the ions is provided, from which the ions at the location of the device for generating an acceleration field for the ions are combined into a converging ion beam, and that the ion focusing device and the

Electron focusing device arranged symmetrically to one another so that the electron and ion beams are coaxial with each other.

2. Device according to claim 1, characterized in that that the distance between the device for generating the ion acceleration field and the focal point of the electron beam on the piece of electrically conductive material is at least 50 times the focal spot diameter of the electron beam is on the electrically conductive material.

3. Device according to claim 2, characterized in that that a perforated plate is arranged in the focal plane of the ion focusing device, the opening of which is arranged coaxially to the ion beam and whose diameter is smaller than three times the focal spot diameter of the electron beam is on the electrically conductive material.

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4. Apparatus according to claim 1, characterized in that the electron beam source is a hot cathode comprises that there is also a voltage between the electron beam source and the piece of electrically conductive material can be applied, through which an electron beam between the electron beam source and the piece of electrically conductive material can be generated, and that the device for producing an acceleration field is designed as a perforated electrode for the ions, which is penetrated by the electron beam, and that this perforated electrode is arranged at a distance from the electrically conductive material which is at least 50 times Diameter of the electron beam focal point on this piece of electrically conductive material corresponds, so that by the of This perforated electrode elicited ions from the vaporized material in the form of a practically monoenergetic field Ion current are pulled out.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the device for generating a Focusing field for the ions as a spherical shell-shaped electrode is formed, in the geometric center of which the piece of electrically conductive material is arranged.

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