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Ionenkanone zur Erzeuqung von Ionenstrahlen.
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Die Erfindung betrifft -eine lonenkanone zur Erzeugung von Ionenstrahlen,
die aus einer Austrittsöffnung einer Ionenquelle austreten und mit einer zylindersymmetrischen
Extraktionselektrode, deren eine blendenrormige- Öffnung der Austrittsöffnung gegenübersteht
sowie einer zylindersymmetrischen Beschleunigungselektrode, deren eine stirnseitige
Öffnung mit der der blendenförmigen Öffnung der Extraktionselektrode gegenüberliegenden
stirnseitig Öffnung eine Immersionslinse bildet, beschleunig- und fokussierbar sind.
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Die Erfindung hat folgenden physikalisch-technischen Hintergrund:
Ionenbeschleuniger für kern- und festkörperphysikalische Untersuchungen im Niederenergiebereich
(Energie # 300 keV) werden meist als Massenseparatoren ausgelegt. In neuerer Zeit
gewinnen darüberhinaus- die zum Zwecke der Ionenimplantation konzipierten Beschleuniger
immer mehr an Bedeutung. Solche Beschleuniger enthalten mindestens eine Ionenquelle,
ein Strahlerzeugungs- und Beschleunigungssystem und einen Massentrenner. Die wesentlichen
-Auswahikriterien' bei
der Zusammenstellung und Optimierung der
Komponenten liegen in der Erzeugung hoher Ströme, der Beschleunigung und Fokussierung
hoher Ströme an einem bestimmten Targetort und der Massentrennung mit hoher Auf
lösung.
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Bekannte Massenseparatoren (O. Almen and K.0. Nielsen, Nucl. Instr.l
(1957), S. 302) bestehen aus einer Ionenquelle, einer Extraktionselektrode auf einem
Potential von etwa 20 bis 100 kV gegenüber der Quelle und einer sogenannten Einzellinse,
bestehend aus drei Elektroden, von denen die erste häufig gleichzeitig Teil der
Extraktionselektrode ist.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Konzeption für die Ionenkanone
benutzt eine ebenfalls bekannte ionenoptische Anordnung zur Strahlerzeugung (F.
Schmitthenner, Ann. Phys. (5) 42 (1942) 273), die geringere Abstände zwischen Ionenquelle
und Extraktionselektrode erlaubt, da das Potential der Extraktionsclektrode gegenüber
der Quelle nur einige Prozent des Potentials beträgt, das an der anschließenden
Beschleunigungse lektrode liegt. Die Fokussierung des lonenstrahls erfolgt bei diesem
System mittels der Immersionslinsc, die durch das Feld zwischen Extraktions- und
Beschleunigungselektrode aufc3ehaut wird.
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Wenig beachtet wurden jedoch von der Fachwelt bisher die Aussirkungen
grundsätslich bekannter physikalischer Effekte auf das Strahiprofil. Das Profil
der Stromdichteverteilung und die möglichen Verzerrungen erlangen jedoch große Bedeutung,
wenn Probenflächen mit definierter Stromdichteverteilung beschickt werden sollen.
Bei der Festkörperzerstäubung durch Ionenbeschuß ist z.B.
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eine konstante Stromdichte über den gesamten Strahlquerschnitt wünschenswert
(Rechteckprofil).
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Bisher wurde eine homogene Bestrahlung großer Probenflächen (Durchmesser
# 5 mm) dadurch erreicht, daß ein fokussierter Strahl (Durchmesser < 1 mm) in
geeigneter Weise so über die Probe hin- und. hergelenkt wurde, daß alle Flächenelemente
gleich lang von dem Strahl getroffen wurden. Diese Methode ist in vielen Fällen
recht brauchbar, hat jedoch den Nachteil, daß sich bei der
Bestrahlung
kein Gleichgewicht zwischen Zerstäubung und Restgasbelegung einstellen kann, da
jedes Flächenelement nur intermittierend dem Strahl ausgesetzt ist. Eine andere
Methode zur nä herungsweise homogenen Bestrahlung besteht darin, den Ionenstrahl
stark zu defokussieren und von dem angenähert gaußförmigen Stromdichteprofil nur
den achsennahen Teil. zu benutzen. Dies bedeutet eine beträchtliche Einbuße an Strahlstrom,
so daß maximal nur einige Prozent des gesamten Strahlstroms ausgenutzt werden können
bei einer flomogenität der Stromdichte von bestenfalls etwa 10 %.
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Der Versuch, ein Rechteckprofil der Stromdichteverteilung zu erzeugen,
ist physikalisch völlig unrealistisch. Deshalb kann man lediglich anstreben, eine
konstante Stromdichte über einen möglichst großen zentralen Bereich des Strahlenquerschnitts
zu erreichen (Trapezprofil).
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunnehr darin, die Detailauslegung
und die Betriebsbedingungen eines ionenbeschleunigcrs für den unteren keV-Bereich
(Energie 4 50 keV) zu bestimmen, die es erlauben, trapezförmige Stromdichteprofile
mit konstanter Stromdichte zu erzeugen.
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Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgeinäß darin, daß für eine
Konstanz der radialen Strahlstromdichte auf einer zu bestrahlenden Targetoberfläche
über mehr als 50 % des Strahldurchmessers bei Vorgabe einzelner oder mehrerer Konstruktions-
und/oder Betriebsparameter die weiteren Konstruktions- und Betriebsparameter der
Ionenkanone untereinander in einem bestimmten angebbaren zusammenhang zu den vorgegebenen
einstellbar sind. In Ausführungsformen der Erfindung kann die Länge der Öffnung
der Ionenquelle kleiner ihr Durchmesser und der Durchmesser der blendenförmigen
Öffnung der Extraktiönselektrode größer als der Durchmesser der Austrittsöffnung
sein.
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Weiterführungen der Erfindung können vorsehen, daß bei konstant' gehaltenen
Innendurchmessern der Extraktions- und Beschleunigungselektrode, definierter Magnetfelcl:stärke
in der Ionenquelle und vorgegebenem Abstand von Targetoberfläche zur Mittelebene
zwischen den beiden stirnseitigen Öffnungen von Extraktions- und Beschleunigungselektrode
die Länge der Öffnung der Ionenquelle sowie der Durchmesser der blendenförmigen
Öffnung der Extraktionselektrode und der
Strahlstrom Werte innerhalb
einer bestimmten Toleranzbreite haben müssen, daß der Abstand der beiden stirnseitigen
Öffnungen von Extraktions- und Beschleunigungselektrode höchstens gleich'dem Innendurchmesser
der Elektroden ist und daß der Abstand der Öffnung der Ionenquelle und der blendenförmigen
Öffnung der Extraktionselektrode in einem vorgegebenen Zusammenhang zum Verhältnis
von Länge der Extraktionselektrode zu Innendurchmesser steht.
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Mit Hilfe der vorgelegten Erfindung ist es möglich, Ionenstrah)n mit
trapezförmiger Stromdichteverteilung zu erzeugen. Das wesentliche Neue der Lösung
liegt in der Erkenntnis, daß mit einer Ionenkanone unter bestimmten angebbaren Bedingungen
derartige Stromdichteverteilungen erreicht werden können. Sie bestehen bei Zusammenstellung
der Kanone aus bekannten Komponenten darin, daß eine Reihe von linearen Abmessungen
sowie Parameter der Ionenquelle innerhalb einer bestimmten Toleranzbreite eingehalten
werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels-der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei der Konstruktion
wurde besonderer Wert darauf gelegt, die ionenoptisch wichtigen Parameter auf einfache
Art verändern zu können. Der für die Strahlbildung besonders wichtige Abstand zwischen
lonenguellenausgang und Extraktionselektrodeneingang läßt sich während des Betriebes
der lonenkanone ändern. Das radiale Stromdichteprofil des mit dieser Ionenkanone
erzeugten Ionenstrahls wurde weit außerhalb des Beschleunigungsfeldes mit einer
nicht näher dargestellten Anordnung vermessen, bei der hinter einer verschiebbaren
Schlitzblende ein Draht zur differentiellen Strommessung bewegt werden konnte.
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Üblicherweise verläuft die unverzerrte Stromdichteverteilung in etwa
gaußförmig. Strahlverzexrungen können auftreten durch eine inhomogene radiale Plasmadichteverteilung
am Ionenquellenausgang, durch Lberhöhten Gasdruck in der ionenquelle, durch Linsenfelder
und durch zu große Extraktionsfeldstärken. Diese Verzerrungen lassen sich jedoch
verraeiden z.B. durch Begrenzung des Gasdrucks oder Beschränkung des maximalen Strahlstrom.s.
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Die Ionenkanone besteht aus einem Glasrohr 9,, an dessen einen Stirnseite
10 ein Montage flansch. 8 für die Beschleunigungselektrode 7 mit einer Stirnseitigen
Austrittsöffnung 11 befestigt ist Die Beschleunigungselektrode 7 besteht aus einem
zylindrischen Rohr, dessen zweite stirnseitige Öffnung 12 der stirnseitigen Öffnung
13 einer Extraktionselektrode 4 gegenübersteht. Zwischen den beiden stirnseitigen
Öffnungen 12 und 13 wlrd durch das durch die Potentiale der Beschleunigungs- und
Extraktionselektrode aufgebaute elektrische Feld eine elektrostatische Immersionslinse
erzeugt.
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Auf der zweiten Stirnseite 14 des Glasrohres 9 ist der Manipulierflansch
3 für die Extraktionselektrode 4 und auf diesem der Montageflansch 2 für die Ionenquelle
1 angeordnet.
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Die Ionenquelle 1 (Elektrodenstoßquelle) weist eine heiße Kathode
15 auf, von der Elektronen emittiert werden und mittels eines von der Spule 19 erzeugten
magnetischen Feldes kontrahiert werden. Das Magnetfeld B hat gewöhnlich die Stärke
von 300 Oe. Es werden nur etwa 30 W benötigt, um Ionenströme bis zu 100 µA durch
die Austrittsöffnung 16 der Ionenkanone von. 1,5 tam Durchmesser zu extrahieren..
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Die Austrittsöffnung 16 der ionenquelle t steht mit veränderlichem
Abstand einer blendenförmigen Öffnung. 17 der der Stirnse.ite 13 gegenüberliegenden
Seite der Extraktionselektrode 4 gegenüber. Die Länge der Extraktionselektrode 4
kann durch Verwendung verschiedener Ringe verändert werden. Der Abstand zwischen
der blendenförmigen Öffnung 17 und der Austrittsöffnung 16, sowie der Abstand zwischen
Extraktionselektrode 4 und der Stirnseite 12 der Beschleunigungselektrode kann über
drei Drehdurchführungen 5 mit Kegelrädern und drei Antriche 25 von außerhalb der
Ionenkanone verändert werden.
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Dabei werden die Drehbewegungen der Drehdurchführung am Manipulierflansch
3 auf einen rohrförmigen Zylinder 18 übertragen, an dossen Stirnseite 20 die Extraktionselektrode
4 befestigt ist. Eine Hochspannungsdurchführung 6 durch den Manipulierflansch 3
führt über eine Verbindung 21 zu dem rohrförmigen Zylinder 20 und legt diesen sowie
die Extraktionselektrode 4 auf ein bestimmtes Potential.
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Die Spannungszuführung zur Beschleunigungselektrode 7 ist nicht näher
dargestellt. Die Länge der Beschleunigungselektrode 7 kann durch mehr oder weniger
lanae Ringe 22, 23 variiert werden. Die Ringe 22, 23 sind an einem Trichter 24 angeschraubt,
der wiederum an der Innenseite des Montageflansches 8 für die Beschleunigungselektrode
angeschraubt ist, Der gesamte Innenraum der lonenkanone ist evakuiert. Der Druck
beträgt 2 x 10 6 Torr. Er vergrößert sich um etwa 1 x 10-6 Torr, wenn die Ionenquelle
1 mit Argon arbeitet.
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Zum besseren überblick ist in Figur 2 die lonenkanone schematisch
noch einmal dargestellt, wobei der Bereich der blendenförmigen Öffnung 17 der Extraktionselektrode
4 und die Austrittsöffnung 16 der lonenauelle 1 besonders herausgehoben sind. In
der Ausführung der Erfindung gemäß Figur 1 sind folgende Abmessungen konstant gehalten:
a (Durchmesser der Austrittsöffnung 16) = 1,5 mm; Innendurchmesser D1 der Extraktionselektrode
4 und Innendurchmesser D2 der Beschleunigungselektrode 7 sind beide gleich 46 mm;
der Abstand Q der Mittelebene 28 wischen den beiden Stirnseiten 12 und 13 und der
Oberfläche 27 eines Targets 26 beträgt ein Vielfaches der gleichen Durchmesser D1
ode D2 (D1 = D2 = D) der Extraktions- oder Beschleunigungselektrode 4 oder 7, hier
das iS-fache; h(Höhe der blendenförmigen Öffnung 17) = 1 mm.
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a beeinflußt lediglich die Größe des Ionenstroms und Strahldurchmessers.
D1 und D2 bestimmen den relativen Einfluß der Linsenfehle und die linearcn Abmessungen
der Ionenkanone. Die Größe von h ist nicht kritisch.
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zur Erzielung von Trapezprofilen müssen in der Ausführung der Erf
dung gemäß Figur 1 die übrigen Größen innerhalb folgender Grenzen gehalten werden:
t (die Länge der Austrittsöffnung G) zwischen 0,5 mm und 1,5 mm; der Innendurchmesser
b der blendenförrnigen Öffnung 17 zwischen und 4 mm sowie der Abstand g der stirnseitigen
Öffnungen 12 un' voneinander zwischen dem Minimalabstand gmin, gegeben durch die
Überschlagsweite
bei einer bestimmten Beschleunigungsspannung, und gmax = D. Der Abstand Q muß größer'
oder mindestens gleich dem 10-fachen der Innendurchmesser D1 hzw. D2 sein.
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Der Abstand d zwischen der Stirnseite der Austrittsöffnung 16 und
der blendenförmigen Öffnung 17 muß einer bestimmten Funktion folgen.
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Diese Funktion des Abstandes d in mm gegenüber dem Quotienten von
L (gleich der Länge der Ext'raktionse]ektrode 4):zu dem Durchmesser D ist in Figur
3 dargestellt.
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Die Magnetfeldstärke B in der Ionenquelle muß größer 50 Oe sein.
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Für ausgeprägte -Trapezprofile sind etwa 300 Oe erforderlich.
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Der Strahlstrom darf gewisse Grenzen außerdem nicht überschreiten.
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Im Fall von 40 keV Argon-Ionen muß er im Fall der obengenannten geometrischen
Abmessungen z.B. der Bedingung gehorchen, daß er zwischen 30 µA und 120 µA liegt.
Unterhalb 30 µA ist kein Plateau mehr ausgeprägt und oberhalb 120 um machen sich
Linsenfehler bemerkbar. Schließlich darf auch der Argon-Gasdruck in der Ionenquelle
1 -3 etwa 10 Torr nicht uberschreiten. Andernfalls treten ebenfalls Stromdichteverzerrungen
auf. Er muß kleiner als das Fünffache des minimalen Arbeitsdruckes sein.