DE2263478A1 - Anordnung zur erzeugung von ionen - Google Patents

Description

BALZERS HOCHVAKUUM GMBH, Heinrich-Hertz-Str.6, D 6 Frankfurt/M

Anordnung zur Erzeugung von Ionen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Ionen mittels eines sogenannten geraden Kanalelektronenvervielfachers, wobei die Ionen durch Ionisierung des bei Betrieb in einer verdünnten Gasatmosphäre im Innern des Kanals vorhandenen Gases erzeugt werden.

Derartige Anordnungen sind beschrieben worden z.B. in "Nuclear Instruments & Methods" - Vol. 88 (1970),' Seiten 99 - 104 und Vol. 9^ (1971), Seiten 429 -

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Der besondere Vorteil dieser Ionenquellen liegt darin, dass sie sehr robust und unempfindlich im Gebrauch sind, einfach zu handhaben sind und einen relativ gut gebündelten Strahl ergeben, dessen Intensität in weiten Grenzen durch die angelegte Spannung und den Druck der umgebenden Gasatmosphäre gesteuert werden kann. Ausserdem besitzen solche Ionenquellen eine scharfe obere Grenze (welche der angelegten Betriebsspannung entspricht) der erzeugten Ionen, was für manche Anwendungen wichtig ist.

Als Nachteil dieser bekannten Ionenquelle wird jedoch empfunden, dass die Einstellung der Strahlintensität nicht unabhängig vom Druck im Arbeitsraum (d.h. in dem Raum, in welchem der gewonnene Ionenstrahl verwendet werden soll) erfolgen kann und dass deshalb besonders bei Untersuchungen, bei denen in diesem Arbeitsraum ein sehr niedriger Druck herrschen muss, die zur Verfügung stehende Intensität oft nicht mehr ausreicht.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die bekannte Anordnung so zu verbessern, dass eine grössere. Ionenstrahlintensität als bisher erreicht wird und diese getrennt vom Druck im Arbeitsraum gesteuert werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Winkelverteilungscharakteristik der aus dem Entladungskanal des Kanalelektronenvervielfachers austretenden Ionen zu verbessern.

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Die erfindungsgemässe Anordnung, der Erzeugung von Ionen, wobei ein gerader Kanal-Elektronenvervielfacher bei Anwesenheit eines bei Ionisierung die gewünschten Ionen liefernden Gases betrieben wird und die dabei aus dem Entladungskanal des Kanalelektronenvervielfachers austretenden Ionen als Ionenstrahl verwendet werden, .ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden des Entladungskanals in getrennte Räume münden und Mittel zur Aufrechterhaltung eines Partialdruckgefälles bezüglich des die Ionen liefernden Gases zwischen den beiden Räumen vorgesehen sind.

Die anliegende Zei dinung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Darin ist mit 1 eine über den Pumpstutzen evakuierbare Arbeitskammer bezeichnet, in weicher der zu erzeugende Ionenstrahl auf irgend eine Weise ausgenutzt werden soll. Es kann sich dabei z.B. um massenspektrometrisehe Untersuchungen der erzeugten Ionen handeln, um Messungen betreffend die Wechselwirkung dieser Ionen mit einer in der Arbeitskammer aufrechterhaltenen Gasatmosphäre, um den Beschuss einer Oberfläche mit Ionen, um Sekundärionen zu erhalten und dgl. mehr. Auch die Bearbeitung von Oberflächen durch einen Ionenstrahl z.B. um eine Oberfläche gewünschter Mikrοstruktur erzeugen zu können oder die Implatation von Ionen in einer Oberfläche stellen immer wichtiger werdende Anwendungsgebiete von Ionenstrahlerzeugungs-

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einrichtungen dar. Stellvertretend für alle möglichen Anwendungen eines Ionenstrahls ist in der Zeichnung ein sogenanntes Target 3, d.h. eine Fläche, welche mit dem Ionenstrahl 4 beschossen wird, angedeutet.

Zur Erzeugung dieses Ionenstrahls wird in ansicht bekannter Weise ein sogenannter gerader Kanalelektronenvervielfacher verwendet. Ein solcher besitzt gewöhnlich die Form eines Rohres 5» wobei die offenen Rohrenden je mit einer Elektrode 6 bzw. 7 zum Anlegen der Betriebsspannung verbunden sind. Diese wird über Spannungszuführungen die in der Zeichnung mit 7 und 9 angedeutet sind, zugeführt; meist werden Betriebsspannungen von einigen tausend Volt verwendet.

Der Aufbau eines Kanalelektronenvervielfachers wird hier, da ansich bekannt, nicht näher beschrieben; Details können der einschlägigen Literatur entnommen werden. Erwähnt sei lediglich, dass die Innenwand des EntJadungskanals 10 eine für Sekundärelektronenemission geeignete Oberfläche aufweist. Wird beim Betrieb auf der negativen Seite des Kanals 10 ein Elektron ausgelöst, was z.B. durch eine mit 14 schematisch angedeutete Elektronenquelle oder durch Lichtquanten (z.B. durch UV-Licht) kontinuierlich oder pulsierend geschehen kann, dann wird dieses Elektron im elektrischen Feld im Innern des Kanals 10 beschleunigt, löst beim Auftreffen auf die Wand Sekundärelektronen

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aus, welche ihrerseits wieder beschleunigt werden und Sekundärelektronen auslösen, und so fort, wobei schliesslich am positiven Ende des Kanals eine Elektronenlawine in Erscheinung tritt. Die durch die Elektrönenlawine hauptsächlich am positiven Ende des Entladungskanals durch Ionisation des Gases erzeugten Ionen werden zum negativem Rohrende hin beschleunigt und treten dort als Ionenstrahl aus. Bisher wurde ein-solcher Kanalelektronenvervielfacher zum Zwecke der Erzeugung von Ionen einfach in dem Gasraum betrieben, aus dem man Ionen gewinnen wollte, wobei sich Eintritts- und Austrittsseite unter gleichem Gasdruck befanden.

Im Sinne der Erfindung werden nun aber Mittel zur Aufrechterahltung eines Druckgefälles des die Ionen liefernden Gases zwischen den beiden Enden des Entladungskanals vorgesehen. Die beiden genannten Enden müssen also in Räume münden, welche bezüglich des Gases, dessen Ionen erzeugt werden sollen, verschiedene Partialdrucke aufweisen. Am einfachsten ist es, wie das Ausfühcungsbeispiel zeigt, das positive Ende 6 des Entaldungskanals mit einer Zuführung 11 des Gases zu versehen, welches entsprechend seiner Ionisierbarkeit bei Anlegen der Betriebsspannung die gewünschten Ionen liefert, wogegen dieses Ende 6 gegenüber dem Arbeitsraum 1 abgesperrt ist.Diese Gaszuführurig kann über ein Regel-

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ventil 15 an einen Vorratsbehälter 12 des ionenliefernden Gases angeschlossen werden.

Zum Betrieb wird der Arbeitsraum 1 evakuiert, die Betriebsspannung an den Entladungskanal angelegt und durch diesen ein Strom des die gewünschten Ionen liefernden Gases geleitet. Zwischen den beiden Enden 6 und 7 bildet sich dabei infolge des Strömungswiderstandes ein Druckgefälle aus, was zur Folge hat, dass auf der Gaseintrittseite eine wesentlich höhere (z.B. 10 - 1000-fach höhere) Gasdichte herrscht als an der Austrittsseite 7 der Ionen. Durch Pumpen während des Betriebes kann erreicht werden, dass trotzdem im Arbeitsraum ein wesentlich besseres Hochvakuum aufrechterhalten werden kann, als bisher möglich, was für viele Anwendungen von Bedeutung ist.

Der Winkel, den die Bahn eines bei 7 austretenden Ions mit der Achse des Entladungskanals höchstens einschliessen kann, ist vom Erzeugungsort dieses Ions im Innern desselben abhängig. Da nun bei der Erfindung infolge des Druckgefälles der relative Anteil der auf der Gaseintrittseite erzeugten Ionen gegenüber der Anzahl der Ionen, die weiter dem negativen Ende zu erzeugt werden, wesentlich erhöht ist, ergibt sich eine verbesserte Winkelverteilungscharakteristik.

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Schliesslich sei noch erwähnt, dass die erfindungsgemässe Massnahme (entgegen dem bisher Bekannten) erlaubt, im Arbeitsraum 1 eine Atmosphäre eines anderen Gases aufrecht zu erhalten, wodurch man für Untersuchungen über die Wechselwirkung von Ionen mit anderen·Gasen und auch für andere Anwendungsfälle mehr Spielraum gewinnt.

Erwähnt sei noch, dass es erforderlich ist, dass im Entladungskanal eine genügend lange gerade Beschleunigungsstreeke für die Ionen vor dem Austritt in den Arbeitsraum zur Verfügung steht. In diesem Sinne wird die Bezeichnung "gerader Kanal-Elektronenvervielfacher" im Rahmen der Erfindungsbeschreibung verwendet. Auf der Gaseintrittseite dagegen könnte der Entladungskanal gekrümmt sein, was unter Umständen aus konstruktiven Gründen vorteilhaft sein mag.

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Claims (2)

PATENTANSPRUECHE

1. Anordnung zur Erzeugung von Ionen, wobei ein gerader Kanal-Elektronenvervielfächer bei Anwesenheit eines bei Ionisierung die gewünschten Ionen liefernden Gases betrieben wird und die dabei aus dem Entladungskanal des Kanalelektronenvervielfachers austretenden Ionen als Ionenstrahl verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Enden des Entladungskanals in getrennte Räume münden und Mittel zur Aufrechterhaltung eines Partialdruckgefälles bezüglich des die Ionen liefernden Gases zwischen den beiden Räumen vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das positive Ende des Entladungskanals mit einer Zuführungsleitung für das ionenliefernde Gas ausgebildet ist und das negative Ende des Entladungskanals in den Arbeitsraum mündet, in welchem die Ionen verwendet werden.

PR 7297 d

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