DE19641439C2

DE19641439C2 - ECR ion source

Info

Publication number: DE19641439C2
Application number: DE1996141439
Authority: DE
Inventors: Hans-P Ehret
Original assignee: EHRET HANS P
Current assignee: EHRET HANS P
Priority date: 1995-04-08
Filing date: 1996-10-08
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: DE19641439A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Electronen-Cyclotron-Resonanz-Ionenquelle (ECR- Ionenquelle) mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to an electron cyclotron resonance ion source (ECR- Ion source) with the features of the preamble of claim 1.

ECR-Ionenquellen sind seit Jahren bekannt und finden insbesondere in der For schung Verwendung. Sie sind allgemein durch die Überlagerung bzw. Kombina tion eines magnetischen Querfeldes und eines magnetischen Längsfeldes ge kennzeichnet. Diese Felder bewirken zusammen den magnetischen Einschluss, der den Vakuumeinschluss überlagert.ECR ion sources have been known for years and are found particularly in the For use. They are general through the overlay or Kombina tion of a magnetic transverse field and a longitudinal magnetic field ge indicates. Together these fields cause magnetic confinement, that overlaps the vacuum inclusion.

Gegenüber Ionenquellen, die einen Glühdraht verwenden (Ohm'sche Heizung), weisen ECK-Ionenquellen den Vorteil einer weit verbesserten Standzeit auf.Compared to ion sources that use a filament (ohmic heating), ECK ion sources have the advantage of a much improved service life.

Bisher bekannte ECR-Ionenquellen weisen jedoch den Nachteil sehr hoher Ko sten für den Hochfrequenz-Generator für die Erzeugung hochgeladener Ionen (z. B. Ar⁹⁺) auf, welcher Frequenzen von beispielsweise 7, 9 oder 14 GHz erzeu gen muss. Zu den hohen Kosten für die Senderanlage addieren sich die Kosten des von der Arbeitsfrequenz abhängigen Magneteinschlusses. Zudem muss zur Lösung der Kühlprobleme ein entsprechender Aufwand betrieben werden (vgl. z. B. Hitz et al., KIV-Report 996 Rijksuniversiteit Groningen, S. 91-96).Previously known ECR ion sources, however, have the disadvantage of very high costs for the high-frequency generator for generating uploaded ions (e.g. Ar ⁹⁺ ), which must generate frequencies of, for example, 7, 9 or 14 GHz. In addition to the high costs for the transmitter system, the costs of the magnetic inclusion, which is dependent on the operating frequency, add up. In addition, a corresponding effort must be made to solve the cooling problems (see e.g. Hitz et al., KIV Report 996 Rijksuniversiteit Groningen, pp. 91-96).

Der Einsatz bekannter ECR-Ionenquellen ist daher für eine wirtschaftliche An wendung/Nutzung - außerhalb der staatlich finanzierten Forschung - zu kosten intensiv. The use of known ECR ion sources is therefore an economical option use / use - outside of state-funded research - to cost intensive.

Aus der DE 38 29 338 C2 ist eine Vorrichtung zur Ionisation eines polarisierten Atomstrahls bekannt, bei der eine ECR-Quelle verwendet wird, welche zwei Flansche aufweist, zwischen denen eine Plasmabrennkammer und eine Kavität vorgesehen ist. Die Plasmabrennkammer und die Kavität sind von einem 6-Pol-Permanentmagnetsystem umgeben, welches ebenfalls in den Flanschen gehalten ist.DE 38 29 338 C2 describes a device for ionization of a polarized atomic beam known to have an ECR source is used, which has two flanges between which a plasma combustion chamber and a cavity is provided. The plasma combustion chamber and the cavity are surrounded by a 6-pole permanent magnet system, which is also held in the flanges.

Die DE 44 19 970 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener Ionen, bei der durch eine spezielle Wahl der Polarität von Permanentmagneten, die um die Plasmabrennkammer herum angeordnet sind, ein bezüglich der Ionenquellenachse rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt wird. Die konstruierte Ausbildung der Halterung der Magnete ist in dieser Schrift offengelassen.DE 44 19 970 A1 describes a device for generating of rays of uploaded ions, by means of a special Choosing the polarity of permanent magnets around the Plasma combustion chamber are arranged around one with respect the ion source axis rotationally symmetrical magnetic field is produced. The constructed design of the bracket of the Magnets is left open in this document.

Schließlich ist aus der Fachveröffentlichung Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B 26, 1987, Seiten 253-258 eine ECR-Quelle bekannt, bei der das radiale Feld durch Permanentmagnete erzeugt wird, die von einem Aluminiumgehäuse umschlossen sind. Das System bestehend aus dem Permanentmagneten und dem Gehäuse umgibt eine Quarzröhre zum Einschluß des Plasmas und ist auf dieser gehalten.Finally, Nuclear is out of the professional publication Instruments and Methods in Physics Research, B 26, 1987, Pages 253-258 an ECR source known, in which the radial field is generated by permanent magnets that are enclosed in an aluminum housing. The System consisting of the permanent magnet and the Housing surrounds a quartz tube to enclose the Plasma and is held on this.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine ECR-Ionenquelle zu schaffen, die kostengünstiger herstellbar und demzufolge auch für kommerzielle Anwendungszwecke geeignet ist.Based on this prior art, the invention is based on the object of providing an ECR ion source create, which can be produced more cost-effectively and consequently also for commercial purposes Application is suitable.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen.The invention solves this problem with the features of claim 1. Further refinements of the invention result from the subclaims chen.

In der nicht vorveröffentlichten DE 195 13 345 A1 ist bereits eine spezielle Ankopplung eines Hohlleiters an die Cavity der ECR-Ionenquelle beschrieben, durch welche bereits bei niedrigeren Frequen zen der Mikrowellenenergie, beispielsweise bei 2,45 GHz, eine sehr effektive Plasmaheizung gewährleistet werden kann.In the unpublished DE 195 13 345 A1 is already a special coupling of a waveguide to the cavity the ECR ion source described by which already at lower frequencies zen of microwave energy, for example at 2.45 GHz, a very effective Plasma heating can be guaranteed.

Dabei ist davon auszugehen, dass ein erheblicher Anteil der Mikrowellenenergie über die Landau-Dämpfung in das Plasma eingespeist bzw. auf das Plasma über tragen wird. Dies erklärt die hohe Plasmatemperatur, die durch experimentelle Werte der Ionen-Ladungszahl, z. B. Ar9+ bzw. B4+ oder Alphateilchen, doku mentiert werden konnte.It can be assumed that a significant proportion of the microwave energy fed into the plasma via the Landau attenuation or onto the plasma via will wear. This explains the high plasma temperature caused by experimental Values of the ion charge number, e.g. B. Ar9 + or B4 + or alpha particles, docu could be mented.

Eine Reflexion der mittels dieser Hohlleiterankopplung eingespeisten Mikro wellenenergie wurde nicht beobachtet.A reflection of the micro fed in by means of this waveguide coupling wave energy was not observed.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein einfacher und damit kostengünstiger konstruktiver Aufbau für einen hervorragenden magnetischen und Vakuumein schluss des Plasmas geschaffen. Hieraus resultiert eine sehr gute Beherrschung bzw. eine sehr gute Bedienbarkeit des Plasmas. With the present invention, a simple and therefore less expensive constructive construction for an excellent magnetic and vacuum created the end of the plasma. This results in very good command or a very good usability of the plasma.

Des Weiteren kann so die außergewöhnlich hohe Standzeit von ECR- Ionenquellen noch verbessert werden.Furthermore, the exceptionally long service life of ECR Ion sources can still be improved.

Diese Vorteile werden durch den einfachen konstruktiven Aufbau des Confine ment und die vorteilhafte Anordnung zumindest der Permanentmagnete für die Erzeugung des magnetischen Querfeldes erreicht. Unter Confinement sei dabei im Folgenden der magnetische Einschluss und der Vakuumeinschluss (bzw. die hierzu erforderlichen Komponenten) verstanden.These advantages are due to the simple design of the Confine ment and the advantageous arrangement of at least the permanent magnets for the Generation of the magnetic transverse field achieved. Under Confinement be there hereinafter the magnetic inclusion and the vacuum inclusion (or the required components) understood.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann aufgrund der erzielbaren au ßergewöhnlich guten Einspeisung der Mikrowellenenergie in das Plasma (über die Landau-Dämpfung) die Erzeugung des Plasmas ohne Längsfeldeinschluss erreicht werden.According to one embodiment of the invention, due to the achievable au extraordinarily good feeding of the microwave energy into the plasma (over Landau damping) the generation of the plasma without longitudinal field inclusion can be achieved.

Dies hat weitreichende Folgen in der praktischen Anwendung der erfindungsge mäßen Vorrichtung. Beispielsweise ist durch die geringe Baugröße und durch die geringen Herstellungs- und Betriebskosten eine Verwendung zur Plasmasterili sation im medizinischen Bereich möglich, die eine neue Qualität bzw. einen neuen Standard im Bereich der Sterilisation setzen kann.This has far-reaching consequences in the practical application of the fiction moderate device. For example, the small size and the low manufacturing and operating costs use for plasma sterilization sation in the medical field possible, which a new quality or a can set new standards in the field of sterilization.

Eine derartige erfindungsgemäße ECR-Ionenquelle kann in modifizierter Form auch in der medizinischen Geräte- und Implantatsterilisation und Implantatbe schichtung einen weiteren Anwendungsbereich finden.Such an ECR ion source according to the invention can be modified also in medical device and implant sterilization and implantation layering find another area of application.

Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Ionenquelle in einer Vakuumkammer geeigneter Größe beweglich oder fest installiert sein, wobei feste oder flexible Versorgungsleitungen die Plasmaerzeugung und die Plasmadotierung sicherstel len. Der extrahierte Plasmastrahl bzw. die extrahierte Plasmafackel kann dann auf die betreffende Oberfläche gelenkt werden (Fig. 15, Bezugszeichen 55, 59).For example, the ion source according to the invention can be movably or permanently installed in a vacuum chamber of a suitable size, with fixed or flexible supply lines ensuring the plasma generation and the plasma doping. The extracted plasma jet or the extracted plasma torch can then be directed onto the surface in question ( FIG. 15, reference numerals 55 , 59 ).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Fig. 7, 9 und 10 dargestellter Ausfüh rungsbeispiele näher beschrieben. Die übrigen Figuren dienen als Zusatzerläuterung. In der Zeichnung zeigen:The invention is described in more detail below with reference to examples shown in FIGS . 7, 9 and 10. The remaining figures serve as an additional explanation. The drawing shows:

Fig. 1 und 2 schematische Systemübersichten einer ECR-Ionenquelle mit laserinduzierter Plasmadotierung; Fig. 1 and 2 are schematic views of a System ECR ion source with laser-induced plasma doping;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung der Ausführungsform eines System (Kern)-Moduls in den Fig. 1 und 2; Fig. 3 is a sectional view of the embodiment of a system (core) module in FIGS. 1 and 2;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des System (Kern)-Moduls in Fig. 3 und der wesentlichen weiteren Komponenten der ECR-Ionenquelle in den Fig. 1 und 2; Fig. 4 is a sectional view of the system (core) module in Figure 3 and the other significant components of the ECR ion source shown in Figures 1 and 2..;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer Ankopplung eines Hohllei ters an das System (Kern)-Modul nach Fig. 3; Fig. 5 shows a further embodiment of a coupling of a Hohllei ters to the system (core) module of FIG. 3;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform für das System (Kern)-Modul; Fig. 6 shows another embodiment for the system (core) module;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform für das System (Kern)-Modul mit ummantelten Permanentmagneten für das Querfeld und System trennung als Voraussetzung für ein Ersatzcavity-System (Fig. 9 und 10); Fig. 7 shows another embodiment for the system (core) module with coated permanent magnets for the transverse field and system separation as a prerequisite for a replacement cavity system ( Fig. 9 and 10);

Fig. 8 eine Frontalansicht eines Steuer-/Absaug-/Beschleunigungs gitters; Fig. 8 is a frontal view of a control / suction / acceleration grid;

Fig. 9 eine Querschnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines System (Kern)-Moduls mit im wesentlichen kreiszylindri scher Ersatzcavity; Fig. 9 is a cross-sectional view through a further embodiment of a system (core) module having substantially kreiszylindri shear Ersatzcavity;

Fig. 10 eine Querschnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines System (Kern)-Moduls mit im wesentlichen sechseckiger Ersatzcavity; FIG. 10 is a cross-sectional view through a further embodiment of a system (core) module having a substantially hexagonal Ersatzcavity;

Fig. 11 eine Teil-Längsschnittdarstellung einer Ausführungsform für die Steuer-/Absaug-Beschleunigungselemente einer ECR- Ionenquelle; FIG. 11 is a partial longitudinal sectional view of an embodiment for the control / suction acceleration elements of an ECR ion source;

Fig. 12 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines System (Kern)-Moduls mit Permanentmagneten für die Längs felderzeugung; Fig. 12 field generating a longitudinal section through another embodiment of a system (core) module with permanent magnets for the longitudinal;

Fig. 13 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines System (Kern)-Moduls mit Permanentmagneten für die Längs felderzeugung und magnetischem Ausgleichsring; Fig. 13 field generating a longitudinal section through another embodiment of a system (core) module with permanent magnets for the longitudinal and magnetic compensation ring;

Fig. 14 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer erfin dungsgemäßen ECR-Ionenquelle in einer Vakuumkammer mit extrahierter Plasmafackel; und Figure 14 is a schematic representation of a system including an OF INVENTION to the invention ECR ion source in a vacuum chamber with extracted plasma torch. and

Fig. 15 eine schematische Darstellung eines Systems mit einer an eine Vakuumkammer angekoppelten erfindungsgemäßen ECR- Ionenquelle als Wechselsystem für radioaktive Prozesse. Fig. 15 is a schematic representation of a system with an input coupled to a vacuum chamber according to the invention ECR ion source as an alternating system for radioactive processes.

Wie in Fig. 3 gezeigt, bilden ein Fe-Flansch 4 und ein Al-Flansch 5 eine kon struktive Einheit zur Aufnahme einer Cavity 1 und eines Vakuumrohrs 2, welches aus einem mikrowellentransparenten Material besteht und in den Flanschen 4, 5 vakuumdicht und spannungsfrei gelagert ist. Die Cavity 1 ist galvanisch mit den Flanschen 4, 5 verbunden.As shown in Fig. 3, an Fe flange 4 and an Al flange 5 form a structural unit for receiving a cavity 1 and a vacuum tube 2 , which consists of a microwave-transparent material and is stored in the flanges 4 , 5 in a vacuum-tight and stress-free manner is. The cavity 1 is galvanically connected to the flanges 4 , 5 .

An den Verbindungsteilen 21, welche die Flansche 4 und 5 verbinden, sind Per manentmagnete 3 befestigt. Die Permanentmagnete sind über Vorrichtungen 26 radial einstellbar. Die an den Permanentmagneten wirkenden Kräfte werden in den Flanschen 4 und 5 aufge nommen.At the connecting parts 21 , which connect the flanges 4 and 5 , are fixed by permanent magnets 3 . The permanent magnets are radially adjustable via devices 26 . The forces acting on the permanent magnets are taken up in the flanges 4 and 5 .

Die Permanentmagnete 3 und die Verbindungsteile 21 mit den Einstellvorrich tungen 26 bilden einen Sechspol.The permanent magnets 3 and the connecting parts 21 with the Settings 26 lines form a six-pole.

Der Flansch 4 mit wenigstens einer Gaszufuhr 10 ist mit wenigstens einer Öff nung für die Zufuhr von Laserenergie 11, wenigstens einer Öffnung für Targethalter 12 und der Zentralbohrung 22 ausgestattet.The flange 4 with at least one gas supply 10 is equipped with at least one opening for the supply of laser energy 11 , at least one opening for target holder 12 and the central bore 22 .

Der Flansch 5 ist mit der Öffnung 23, 24 zur Aufnahme von der Plasmasteuerele menten 42, 7 (Fig. 8, 11a) und einer Anschlussfläche 25 für den vakuumdichten Anschluss des Isolators 8 mit den Ionenstrahl- und/oder Plasmasteuerelementen 9, 41, 18 ausge stattet (Fig. 11 und 11a). The flange 5 is with the opening 23 , 24 for receiving the plasma control elements 42 , 7 ( Fig. 8, 11a) and a connection surface 25 for the vacuum-tight connection of the insulator 8 with the ion beam and / or plasma control elements 9 , 41 , 18th equipped ( Fig. 11 and 11a).

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 besteht die Cavity 1 aus einem Cu-Rohr oder einem beschichteten Cu-Rohr. Die Länge 29 und der Innen umfang betragen ein Vielfaches der Wellenlänge der Hf-Energie bzw. des HF- Strahlers (vgl. Fig. 6). Die Angaben bedeuten keine Einschränkung bezüglich Material und Wellenlänge/Frequenz.In the apparatus according to Fig. 4, the cavity 1 is made of a copper pipe or a coated copper pipe. The length 29 and the inner circumference are a multiple of the wavelength of the RF energy or the RF radiator (see FIG. 6). The information means no restriction with regard to material and wavelength / frequency.

Ein Hf-Hohlleiter 14 trifft rechtwinklig und zentral auf die Cavity 1. Der Hohl leiter 14 ist in y-Achse verändert und bildet einen Einkoppelschlitz 15 (von bei spielsweise 8 × 86 mm). Der Hohlleiter 14 ist galvanisch mit der Cavity 1 ver bunden (vgl. Fig. 4, Bezugszeichen 1, 14, 15).An RF waveguide 14 meets the cavity 1 at right angles and centrally. The waveguide 14 is changed in the y-axis and forms a coupling slot 15 (of example 8 × 86 mm). The waveguide 14 is galvanically connected to the cavity 1 (see FIG. 4, reference numerals 1 , 14 , 15 ).

Die Cavity 1 und der geänderte Hohlleiter 14 werden in der Folge als Cavity bezeichnet. Die Bezeichnung beinhaltet auch den Anschlussteil des Hohlleiters in Richtung Hf-Generator und Kühlgasvorrichtung 16.The cavity 1 and the modified waveguide 14 are referred to below as the cavity. The designation also includes the connection part of the waveguide in the direction of the HF generator and cooling gas device 16 .

Der Hohlleiter 14 und der Einkoppelschlitz 15 können, wie in Fig. 5 dargestellt, in y- und x-Achse geändert sein. Hierbei sitzen die Schmalseiten des Hohlleiters 14 ungleich 90° zur Längsachse des Hohlzylinders 1 auf diesem auf. Der Einkoppel schlitz kann mit einem Keil 27 ausgestattet sein.The waveguide 14 and the coupling slot 15 can, as shown in FIG. 5, be changed in the y and x axes. Here, the narrow sides of the waveguide 14 are not at 90 ° to the longitudinal axis of the hollow cylinder 1 on this. The coupling slot can be equipped with a wedge 27 .

Der Vakuumeinschluss, gebildet durch den Hohlzylinder 2 und die Flansche 4, 5, ist nicht durch radiale Pumpöffnungen belastet. Der Pumpprozess kann über die Zentralbohrung 22 und/oder die Prozessöffnung 23 erfolgen (vgl. Fig. 3, 4, 6). The vacuum inclusion, formed by the hollow cylinder 2 and the flanges 4 , 5 , is not loaded by radial pump openings. The pumping process can take place via the central bore 22 and / or the process opening 23 (cf. FIGS. 3, 4, 6).

Am Ende des Hf-Hohlleiters 14 kann eine Hochspannungstrennstelle angebracht sein, die in der weiteren Ausgestaltung/Entwicklung mit einer Vakuumabdich tung kombinierbar ist.At the end of the RF waveguide 14 , a high-voltage separation point can be attached, which can be combined with a vacuum seal device in the further configuration / development.

Über den Einlass 16 kann ein Kühlgas eingeleitet werden, wobei sich zwischen Cavity 1 und Vakuumeinschluss 2 ein Kühlgasstrom ausbilden kann. Einlass 16 und Einkoppelschlitz 15 bilden einen von 180° verschiedenen Winkel. Der Kühl gaseinlass kann dem Auslass gegenüber liegen, wobei darin keine Einschränkung in der Anordnung zu sehen ist.A cooling gas can be introduced via the inlet 16 , a cooling gas stream being able to form between the cavity 1 and the vacuum inclusion 2 . Inlet 16 and coupling slot 15 form an angle different from 180 °. The cooling gas inlet can be opposite the outlet, but there is no restriction in the arrangement.

Der Vakuumeinschluss 2 mit magnetischem Quereinschluss 3 (z. B. Sechspol), magnetischem Längseinschluss 6 und Cavity 1 - zur Einspeisung der Mikrowel lenenergie - bilden eine als "Confinement" bezeichnete Einheit.The vacuum enclosure 2 with magnetic transverse enclosure 3 (eg six-pole), magnetic longitudinal enclosure 6 and cavity 1 - for feeding the microwave energy - form a unit called "confinement".

Die Beherrschung des Plasmaeinschlusses und die Anpassung an den verfolgten Prozess ist von entscheidender Bedeutung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat zu diesem Zweck einstellbare magnetische Komponenten.Mastery of plasma confinement and adaptation to the persecuted Process is vital. The device according to the invention has adjustable magnetic components for this purpose.

Vorzugsweise sind der magnetische Quereinschluss und der magnetische Längs einschluss einstellbar ausgebildet.The transverse magnetic inclusion and the magnetic longitudinal are preferred inclusion adjustable.

Die Neutralgaszufuhr 10 erfolgt über den Flansch 4 in das Confinement bzw. den Vakuumeinschluss. Die Neutralgaseinleitung befindet sich außerhalb der ECR-Zone. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist wenigstens mit einer Neutralgaseinleitung 10 ausgestattet (Fig. 1, 4, 7).The neutral gas supply 10 takes place via the flange 4 in the confinement or the vacuum enclosure. The neutral gas inlet is outside the ECR zone. The device according to the invention is equipped at least with a neutral gas inlet 10 ( FIGS. 1, 4, 7).

Die gesamte Vorrichtung weist eine Gasflaschen-/Gasdosenbatterie auf. Hier durch kann eine Mono- oder Mixgaseinleitung zur Erzeugung eines prozess- und dotierungskonformen Plasmas erfolgen (Fig. 2). The entire device has a gas bottle / gas can battery. In this case, mono or mixed gas can be introduced to produce a plasma that conforms to the process and doping ( FIG. 2).

Nach der Plasmaelektrode 7 ist, durch einen Isolator 8 von der ECR-Ionenquelle bzw. vom Plasma getrennt, ein Al-Hohlzylinder 9 (Fig. 4) vorgesehen. Dieser nimmt ein vom Ionenstrom/Plasma verschiedenes Potential an oder wird mit einem entsprechenden Potential angesteuert. Die Materialangabe ist dabei nicht als Einschränkung zu sehen.After the plasma electrode 7 , an Al hollow cylinder 9 ( FIG. 4) is provided, separated from the ECR ion source or from the plasma by an insulator 8 . This assumes a potential different from the ion current / plasma or is driven with a corresponding potential. The material specification is not to be seen as a restriction.

Zur prozesskonformen Steuerung des extrahierten Ionenstroms/Plasmas kann eine Kombination von Elektroden und/oder Steuergittern (Fig. 4, Bezugszeichen 7, 18) in den Isolatoren 8, 8a eingesetzt sein (Fig. 8, 11, 11a, 12, 12a). Die Steuergitter 41 sind in x-y Richtung mit verschiedenem Potential ansteuerbar (Fig. 8).A combination of electrodes and / or control grids ( FIG. 4, reference numerals 7 , 18 ) can be used in the insulators 8 , 8 a ( FIG. 8, 11, 11a, 12, 12a) to control the extracted ion current / plasma in accordance with the process. The control grids 41 can be controlled in the xy direction with different potential ( FIG. 8).

Mittels eines oder mehrerer Targethalter 12, 12a (Fig. 4) kann das Dotiermateri al/Target 13 in den Vakuumeinschluss eingebracht bzw. deponiert werden. Die Targethalter können beispielsweise aus Rubin oder Saphir bestehen. Das im Tar gethalter 12 deponierte Targetmaterial 13 kann auf ein vom Plasma verschiede nes Potential (voltaisch) eingestellt werden.The doping material / target 13 can be introduced or deposited into the vacuum enclosure by means of one or more target holders 12 , 12 a ( FIG. 4). The target holders can be made of ruby or sapphire, for example. The target material 13 deposited in the target holder 12 can be set to a potential different from the plasma (voltaic).

Der Laserstrahl und damit die Laserenergie kann zentral, durch eine Laseroptik des Targethalters (12, 12a in Fig. 4) und/oder über die Laseroptik 11 (Fig. 4) auf das Target geleitet werden. Wie ersichtlich, kann we nigstens eine Laseroptik an der Stirnseite (Fig. 4, Bezugszeichen 11) angebracht sein.The laser beam and thus the laser energy can be guided centrally to the target by laser optics of the target holder ( 12 , 12 a in FIG. 4) and / or via laser optics 11 ( FIG. 4). As can be seen, at least one laser optics can be attached to the end face ( FIG. 4, reference number 11 ).

Das Gesamtsystem Targethalter-Target-Laser ist räumlich so angeordnet, dass die Laserfackel 31 (Fig. 6) die Plasma-Randzone bzw. ECR-Zone tangiert und/oder in die Randzone unter einem definierten Raumwinkel eindringt. The overall system target holder-target laser is spatially arranged in such a way that the laser torch 31 ( FIG. 6) affects the plasma edge zone or ECR zone and / or penetrates into the edge zone at a defined solid angle.

Wie in Fig. 4 gezeigt, besitzt die Vorrichtung bzw. der Targethalter 12, 12a eine Laseroptik, die eine Einleitung der Laserenergie in axialer Richtung gestattet (Vorteil in der Dotierung des Plasmas).As shown in Fig. 4, the device or the target holder 12 , 12 a has laser optics that allow the introduction of laser energy in the axial direction (advantage in the doping of the plasma).

Eine Hochspannungsisolierung 8 (Fig. 4) bzw. 17 (Fig. 12) erlaubt eine Plas mapotential-Einstellung bis 400 kV, ohne dass diese Wertangabe als Einschrän kung zu werten ist. A high-voltage insulation 8 ( Fig. 4) or 17 ( Fig. 12) allows a plasma map potential setting up to 400 kV without this value being a limitation.

Hiermit sind die Voraussetzungen für die Einbringung des Beschichtungs- Implantations-Materials in tiefe Schichten des Implantaten gegeben.Herewith the requirements for the introduction of the coating Implantation material placed in deep layers of the implant.

Die Spulen 6 (Fig. 4) zur Erzeugung des Längsfeldes sind bei den Ausführungs formen gemäß den Fig. 12 und 13 durch Permanentmagnete 52 ersetzt. Die axiale Einstellbarkeit bleibt erhalten.The coils 6 ( Fig. 4) for generating the longitudinal field are in the execution forms shown in FIGS. 12 and 13 replaced by permanent magnets 52 . The axial adjustability is retained.

Die das magnetische Querfeld erzeugenden Permanentmagnete 3 können drei seitig durch einen Cu-Blechmantel 38 (Fig. 7) eingeschlossen sein. Diese Anga ben bedeuten jedoch keine Einschränkung auf dieses Material.The permanent magnets 3 generating the magnetic transverse field can be enclosed on three sides by a copper sheet jacket 38 ( FIG. 7). However, this information does not imply any restriction to this material.

Die symmetrische Sechspolanordnung der Permanentmagnete 3 ermöglicht die Ausgestaltung einer Ersatzcavity 49 (Fig. 9), wobei die Ummantelung 38 der Permanentmagnete 3 in die Cavitygestaltung 49, 50 einbezogen ist.The symmetrical six-pole arrangement of the permanent magnets 3 enables the design of a replacement cavity 49 ( FIG. 9), the sheath 38 of the permanent magnets 3 being included in the cavity design 49 , 50 .

Die übrigen, oben beschriebenen Merkmale, wie z. B. die Dimension 29, die Schlitzeinspeisung 15, die Verjüngung des Hf-Hohlleiters 14, die Kühlgasein leitung 16, die radiale Einstellbarkeit der Permanentmagnete 3 etc., können selbstverständlich auch mit diesen Ausführungsformen verwendet werden.The remaining features described above, such as. B. the dimension 29 , the slot feed 15 , the taper of the RF waveguide 14 , the Kühlgasein line 16 , the radial adjustability of the permanent magnets 3, etc., can of course also be used with these embodiments.

Insbesondere die Kombination einer 400 kV Isolation und Permanentmagnete erweitert das Anwendungsspektrum der erfindungsgemäßen Vorrichtung we sentlich.In particular the combination of 400 kV insulation and permanent magnets extends the range of applications of the device according to the invention considerable.

Eine Segmentierung der erfindungsgemäßen Ersatzcavity gestattet eine bessere bzw. wirksamere Anpassung der Resonanzbedingungen der Mikrowelleneinspei sung in das Plasma, eine Verbesserung der Landau-Dämpfung und in der Folge eine höhere Plasmatemperatur. A segmentation of the replacement cavity according to the invention allows a better one or more effective adaptation of the resonance conditions of the microwave feed solution in the plasma, an improvement in Landau attenuation and as a result a higher plasma temperature.

Vorzugsweise bilden die Bodenseiten der z. B. aus Kupfer bestehenden Umman telung 38 der Permanentmagnete gemeinsam mit den Segmenten 50 der Ersatz cavity ein Sechseck (Fig. 10).Preferably, the bottom sides of the z. B. existing copper umman telung 38 of the permanent magnets together with the segments 50 of the replacement cavity a hexagon ( Fig. 10).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 54 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann innerhalb einer geeigneten Prozesskammer bzw. eines Vakuumbehälters 20 fest oder beweglich eingebaut sein (Fig. 14). Gegenüber dem Vakuumbehälter bzw. der Prozesskammer 20 ist die Vorrichtung dabei hochspannungsfest angeordnet.The device 54 according to the invention in accordance with the above-described embodiments can be installed fixed or movably within a suitable process chamber or vacuum container 20 ( FIG. 14). Compared to the vacuum container or the process chamber 20 , the device is arranged to be resistant to high voltages.

Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann ein Ionenstrahl oder eine Plasmafackel 55 extrahiert werden.In all of the embodiments described above, an ion beam or a plasma torch 55 can be extracted.

Wie in Fig. 14 dargestellt, kann auch ein Substrat/Werkstück 59 gereinigt und/oder beschichtet/implantiert und/oder einer Schichten-/Oberflächen behandlung unterzogen werden.As shown in FIG. 14, a substrate / workpiece 59 can also be cleaned and / or coated / implanted and / or subjected to a layer / surface treatment.

Die mit und ohne magnetischem Längsfeldeinschluss extrahierbare ECR- Plasmafackel hat in der praktischen Anwendung weitreichende Konsequenzen. The extractable ECR with and without magnetic longitudinal field confinement Plasma torch has far-reaching consequences in practical use.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 15 bildet der Vakuumeinschluss der er findungsgemäßen Vorrichtung ein geschlossenes System/Kolben 61 und kann den Vakuumeinschluss 2 in Fig. 4 ersetzen. Der Vakuumeinschluss 61 besitzt wenigstens einen Targethalter 62, wenigstens einen Gaseinlass 65, wenigstens ein Laserfenster 66 und wenigstens eine Elektrode 63. Der Vakuumeinschluss 61 besteht aus mikrowellentransparentem Material. Die zur Erzeugung eines Ionen strahls 67 erforderlichen Vorrichtungen, insbesondere die Plasmaelektrode 7 und Absaugelektrode 18 sind, sind in der Prozessöffnung eingebaut.According to the embodiment according to FIG. 15, the vacuum enclosure of the device according to the invention forms a closed system / piston 61 and can replace the vacuum enclosure 2 in FIG. 4. The vacuum enclosure 61 has at least one target holder 62 , at least one gas inlet 65 , at least one laser window 66 and at least one electrode 63 . The vacuum enclosure 61 is made of microwave-transparent material. The devices required to generate an ion beam 67 , in particular the plasma electrode 7 and suction electrode 18 , are installed in the process opening.

Der Kolben 61 ist an der Absaugseite/Prozessseite mit einem zum Vakuuman schluss geeigneten Flansch 64 ausgestattet.The piston 61 is equipped on the suction side / process side with a flange 64 suitable for the vacuum connection.

Die Ausführungsformen nach Fig. 15 in Verbindung mit Fig. 3 wird z. B. bei Prozessen mit toxischen und/oder radioaktiven Materialien und/oder Substanzen zum Einsatz gebracht.The embodiment according to FIG. 15 in connection with FIG . B. used in processes with toxic and / or radioactive materials and / or substances.

Die vorliegende Erfindung bietet somit folgende Vorteile:The present invention thus offers the following advantages:

Durch die spezielle Art der Ankopplung eines Hohlleiters an das Confine ment/Cavity ist bereits bei relativ niedrigen Frequenzen von z. B. 2,45 GHz die Erzeugung hochgeladener Ionen möglich. Due to the special way of coupling a waveguide to the confine ment / cavity is already at relatively low frequencies of z. B. 2.45 GHz Generation of uploaded ions possible.

Eine Dotierung des Plasmas mit Solidelementen des Periodensystems mittels laserinduzierter Verdampfung von Material an geeigneter Stelle im Plasmaraum und eine Erzeugung eines entsprechenden Ionenstroms wird auf einfache Weise ermöglicht, wobei eine hochgenaue Dotierung sichergestellt werden kann.A doping of the plasma with solid elements of the periodic table by means of Laser-induced evaporation of material at a suitable point in the plasma room and generation of a corresponding ion current is easy enables a highly accurate doping can be ensured.

Ein Ionenstrom bzw. eine Plasmafackel kann mit und ohne magnetischem Längs feldeinschluss in einer geeigneten Prozesskammer erzeugt werden.An ion current or a plasma torch can be used with and without a magnetic longitudinal field enclosure can be generated in a suitable process chamber.

Die Aufbereitung bzw. Erzeugung eines Mixplasmas zur Erzeugung eines pro zesskonformen Primärplasmas ist auf einfache Weise möglich.The preparation or generation of a mix plasma to generate a pro Primary plasma conforming to the process is possible in a simple manner.

Es wird die Erzeugung von Legierungen in der Plasmaphase der Materie ermög licht bzw. die Erzeugung von entsprechenden Schichten und/oder das Implantie ren dieser Legierungen, was bisher nicht oder nicht wirtschaftlich durchführbar ist. In der Folge sind hierdurch neue Erkenntnisse, insbesondere auf dem Gebiet der Supraleitung, der Solartechnik, Solarschutz, Optik, Laseroptik, Oberflächen- und Verschleißtechnik und Korrosionsschutz, zu erwarten.The generation of alloys in the plasma phase of matter is made possible light or the generation of appropriate layers and / or the implant Ren of these alloys, which was previously not or not economically feasible is. As a result, this gives new insights, especially in the field superconductivity, solar technology, solar protection, optics, laser optics, surface and wear technology and corrosion protection.

Neue Horizonte eröffnen sich für Behandlungsmethoden von Tumoren, insbe sondere bei Hautkrebs, beispielsweise durch Ionen-Implantation in Oberflächen- Tumorgewebe/offengelegter Tumore.New horizons are opening up for the treatment of tumors, especially especially for skin cancer, for example by ion implantation in surface Tumor tissue / exposed tumors.

Die ECR-Ionenquelle bietet nahezu ideale Voraussetzungen zu Ionisation von Radionukliden und kann daher hervorragend auf dem Gebiet der Radionuklid- Implantationstechnik eingesetzt werden, das derzeit in starker Entwicklung be griffen ist.The ECR ion source offers almost ideal conditions for ionization of Radionuclides and can therefore be excellent in the field of radionuclides Implantation technology are used, which is currently in strong development is gripped.

Mit der ECR-Ionenquelle kann die Aufbereitung eines prozessgerechten Plasmas (Mixplasmas) erfolgen. Die exakte Dotierung des Plasmas mit dem Radionuklid zum Zweck der Ionisation, Extraktion, Beschleunigung und Implantation ist möglich.With the ECR ion source, the processing of a process-appropriate plasma can be carried out (Mix plasmas). The exact doping of the plasma with the radionuclide for the purpose of ionization, extraction, acceleration and implantation possible.

Des weiteren kann eine systemkonforme periodische Entsorgung des Vaku umeinschlusses ermöglicht werden. Hierzu kann ein Vakuumeinsatz verwendet werden, der leicht montierbar/demontierbar ist, wodurch nach dem Gebrauch bzw. nach einer Kontamination eine systemgerechte Entsorgung sichergestellt werden kann. Die unerwünschte aber unvermeidbare Kontamination durch radio aktive Substanzen kann mittels laserinduzierter Verdampfung des Radionuklids in den engen Grenzen des Unvermeidbaren gehalten werden.Furthermore, periodic disposal of the vacuum can be carried out in accordance with the system inclusion are made possible. A vacuum insert can be used for this easy to assemble / disassemble, which means that after use or systematic disposal after contamination can be. The unwanted but unavoidable contamination from radio active substances can be generated by laser-induced evaporation of the radionuclide be kept within the narrow limits of the inevitable.

Claims

1. ECR ion source with a unit (confinement) for the magnetic and vacuum confinement of a plasma generated by microwave radiation,

a) the unit comprising a first flange ( 4 ), preferably made of iron, and a second flange ( 5 ), preferably made of aluminum, between which a cavity ( 1 ) is provided,
b) the flanges ( 4 , 5 ) being connected to a constructive unit via connecting parts ( 21 ),
c) being held on the connecting parts ( 21 ) permanent magnets ( 3 ) for generating a magnetic transverse field for the magnetic inclusion of the plasma, and
the cavity being designed as a replacement cavity, which has the segments ( 50 ) between which the permanent magnets are arranged, the permanent magnets ( 3 ) being coated on three sides with a material suitable for forming a cavity and the coating in the cavity design is involved.

2. ECR ion source according to claim 1, characterized in that the permanent magnets ( 3 ) via devices ( 26 ) are radially adjustable ausgebil det.

3. ECR ion source according to claim 1 or 2, characterized in that the permanent magnets ( 3 ) extend over substantially the entire axial length between the flanges ( 4 , 5 ) and are guided in the inner walls of the flanges ( 4 , 5 ) .

4. ECR ion source according to claim 3, characterized in that the bottom sides of the casing of the permanent magnets form a hexagon together with the segments ( 50 ) of the replacement cavity.

5. ECR ion source according to one of the preceding claims, characterized in that the longitudinal magnetic field is generated by axially displaceable permanent magnets ( 52 ).

6. ECR ion source according to one of the preceding claims, characterized in that for the microwave coupling, a waveguide ( 14 ) meets the replacement cavity at right angles and centrally and tapers in the direction transverse to the longitudinal axis of the unit except for a coupling slot and is galvanically connected to the replacement cavity .

7. ECR ion source according to claim 6, characterized in that the Waveguide taper in the direction of the longitudinal axis of the unit ternd is formed.

8. ECR ion source according to claim 7, characterized in that a wedge ( 27 ) is provided in the waveguide ( 14 ) in the region of the coupling, which divides the coupled radiation into two bundles extending obliquely to the longitudinal axis of the unit.