DE2552783B2 - Verfahren und anordnung zur erzeugung von ionen - Google Patents

Description

daß ein weiterer Durchlaß (42) zur Beschickung der Ionisationskammer (26) mit flüchtigen Stoffen vorgesehen ist und daß schließlich Mittel (16,18) zur Kühlung der Heizdi ahtkammer vorhanden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet daß die Abschlußplatte (134) der Ionisationskammer von ikrer Wandung (126) isoliert angeordnet und durch eine weitere Spannungsquelle (Vj,) gegenüber dem Heizdraht (120) mit Spannung belegt ist.

lung der Erfindung vorteilhafterweise sowohl mit dem Heizdraht als auch mit der Entnahmeöffnung der Ionisationskammer in Ausrichtung gebracht.

Weiterhin sind in Weiterbildung der Erfindung Maßnahmen dafür getroffen, daß unabhängige und nicht miteinander gekoppelte Entladungen in jeder der beiden Kammern stattfinden können.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, wenn ein axial gerichtetes Magnetfeld parallel zur Verbindungslinie zwischen Heizdraht kleiner öffnung und Entnahmeöffnung angelegt wird. Andere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen in Form zweier Ausführungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Längsschnitt der Doppelkammer-Ionen-

Die vorliegende Erfindung betrifft eia Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von Ionen durch Aufrechterhalten einer Bogenentladung in einer Heizdrahtkammer, welche ein reaktionsträges Gas enthält

und mit einer eine chemisch aktive Gasatmosphäre 5° quelle gemäß vorliegender Erfindung,
enthaltenden Ionisationskammer in Verbindung steht. F i g. 2 eine schematische Darstellung einer abgeän-

lonenquellen mit heißer Kathode und Lichtbogen werden schon viele Jahre lang verwendet. Ihr Nutzen ist aber oft wegen der relativ kurzen Lebensdauer des derten Doppelkammer- Ionenquelle.

Die Doppelkammer-Ionenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine zylindrische Heizdraht-

Hßizdrahtes begrenzt. Die Lebensdauer wird durch 55 kammer 10, die am einen Ende im wesentlichen durch

folgende Vorgänge verkürzt: Sprühen, Verdampfen des Wolfram-Materials, reaktives Verdampfen von flüchtigen Stoffen wie Wolframoxyd und der Einschluß von Fremdstoffen wie Bor in das Wolfram-Kristallgitter. Die eine Platte 12 mit einer zentralen öffnung 14 abgeschlossen ist. Die zylindrischen Wände der Heizdrahtkammer 10 sind mit Hohlräumen 16 zur Kühlung versehen, durch welche ein geeignetes

letzten zwei Vorgänge spielen sich im Beisein chemisch 60 Kühlmittel fließen kann. Die Hohlräume 16 sind in aktiver Gase am Heizdraht ab. F i g. 1 nur schematisch dargestellt und können in der

Es ist verschiedentlich versucht worden, den Heiz- Wirklichkeit alle möglichen anderen Formen aufweisen, draht einer Ionenquelle von den chemisch aktiven Beispielsweise könnte die Heizdrahtkammer einfach Gasen zu isolieren. So wird in einer vorbenutzten doppelwandig ausgeführt sein und für die Zirkulation Anordnung eine weitere Kammer nach der Ionisation ⁶5 des Kühlmittels einen ringförmigen Hohlraum aufweiverwendet, welche durch die öffnung mit der Kammer sen. Das Kühlmittel kann dem Hohlraum 16 über eine des Heizdrahtes in Verbindung steht. Der heizdraht ist der Zuleitungen 18 zugeflilhrt werden, die an jede von Edelgas umgeben und aus dieser Umgebung gelangt geeignete Kühlmittelpumpe anschließbar sind. In der

Kammer 10 ist ein Heizdraht 20 aus Wolfram oder ähnlichem Material zentral angeordnet Er wird von zwei elektrischen Leitern 22 getragen, deren Enden durch einen Querbügel 24 aus Isoliermaterial gestützt sind.

Die Ionisationskammer 26 ist zylindrisch und am einen Ende offen. Sie ist koaxial zur Heizdrah'kammer 10 angeordnet Eine Platte 28 mit einer öffnung 30 ist am Ende der Heizdrahtkanuner 10 befestigt und die Ionisationskammer 26 ist mittels eines Isolationsringes 32 an dieser Platte 28 angebaut Am anderen Ende der Ionisationskammer 26 ist mittels eines weiteren Isolationsringes 36 eine Auslaßplatte 34 angebracht Diese Auslaßplatte 34 ist mit einer Auslaßöffnung 38 für die Ionisationskammer 26 versehen, welche sich auf der Außenseite zu einem konischen Auslaß 40 ausweitet Ein weiterer Durchlaß 42 erstreckt sich durch die Auslaßplatte 34 hindurch und steht mii dem Innern der Ionisationskammer 26 in Verbindung. Der Durchlaß kann dazu benutzt werden, der Ionisationskammer ein Dotierungsgas zuzuführen. Es sind hierzu lediglich an der Außenseite geeignete Leitungen am Durchlaß 42 anzuschließen und die Verbindung mit der Gasversorgung herzustellen.

Ein zylindrisches Gehäuse 44 umschließt die Doppelkammer-Ionenquelle vollständig und ist am Umfang mit einer ringförmigen Nut 46 versehen, in welcher eine Magnetspule 48 angeordnet ist. Die Heizdrahtkammer 10 ist im Gehäuse 44 durch einen Isolierring 50 zentriert, der eine Anzahl Durchlaßöffnungen 52 aufweist. In ähnlicher Weise zentriert ein weiterer Isolierring 54 die ionisationskammer 26 im zylindrischen Gehäuse 44. Auch dieser Ring 54 weist eine Anzahl Durchlaßöffnungen 56 auf. Die Auslaßplatte 34 mit der Auslaßöffnung 40 ist durch einen Ring 58 am Gehäuse 44 befestigt In diesem Ring 58 befinden sich ein oder mehrere Durchlaßöffnungen 60, an welche eine geeignete Vakuumpumpe angeschlossen werden kann. Ein weiterer Isolierring 62 ist außen auf einem Flansch 64 am Ende des zylindrischen Gehäuses 44 unter Verwendung beliebiger, geeigneter Befestigungsmittel festgemacht. Durch diese Armatur kann die Doppelkammer-Ionenquelle in ein übliches Ionenimplantationsgerät eingebaut werden. Das Gerät selbst und dessen Entnahmeelektroden, die in die Nähe der öffnung 38,40 zu liegen kommen, sind hier nicht abgebildet, da diese Einzelheiten nicht zur vorliegenden Erfindung gehören.

Das andere Ende des Gehäuses 44 ist durch eine kreisrunde Platte 66 abgeschlossen, die in jeder geeigneten Weise am Gehäuse 44 festgemacht werden kann. Zwischen der Platte 66 und dem Gehäuse 44 kann zwecks Dichtung ein Ring oder ein anderes geeignetes Mittel eingesetzt werden, um das Vakuum im Gehäuse aufrechtzuerhalten.

Die Heizdrahtkammer 10 und die Ionisationskammer 26 sind aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material gefertigt Die Heizdrahtkammer ist über eine Zuleitung 70 mit einer geeigneten Spannungsquelle verbunden und eine weitere Zuleitung 72 verbindet auch die Ionisationskammer elektrisch mit einer passenden Spannungsquelle. Die Zuleitung 70 durchquert die Endplatte 66 durch eine öffnung und ist von ihr mittels einer Hülse 74 isoliert Ähnlich ist auch die Zuleitung 72 durch die Platte 66 geführt und von ihr mittels der Hülse 76 isoliert. Die Zuleitung 72 durchdringt auch den Zentrierflansch 78 an der Heizdrahtkammer ir der öffnung und ist darin mittels der Hülse 80 isoliert. Die elektrischen Leitungen 22 sind mittels Hülsen 82 von der Endplatte 66 ebenfalls isoliert Alle Hülsen 74,76 und 82 sind luftdicht ausgeführt, so daß das Innere des Gehäuses 44 unter reduziertem Druck gehalten werden kann. Die Zuleitungen 18 für das Kühlmittel können aus nachgiebig elastischem Material bestehen, das mittels Preßsitz in öffnungen der Endplatte 66 luftdicht eingefügt ist Schließlich befindet sich in der Platte 66 eine öffnung 84 für die Zufuhr eines Edelgases in das Gehäuse 44. Von außen kann ein geeigneter Anschluß an die öffnung 84 hergestellt werden, um diese mit einer passenden Gasversorgung zu verbinden.

Beim Betrieb der Doppelkammer-Ionenquelle wird durch die öffnung 84 ein reaktionsträges Gas wie beispielsweise Argon oder Helium in das Gehäuse 44 geleitet Da die Heizdrahtkammer 10 einseitig offen ist, dringt das Gas in die Heizdrahtkammer ein. Darin wird nun eine Bogenentladung bei geringer Spannung unterhalten. Eine weitere Entladung bei höherer Spannung wird in der Ionisationskammer in Gang gesetzt wobei ein Dotierungsgas oder Dampf in diese eingeführt wird, welches Bor-, Phosphor-, Arsen-, Antimon- oder ähnliche Ionen abgeben kann. Die ganze Ionenquelle wird von einem axialen Magnetfeld durchsetzt, das parallel zur Linie Heizdraht 20, öffnungen 14 und 30 zwischen den zwei Kammern und Auslaßöffnung 38 verläuft. Elektronenstrahlen aus der Heizdrahtkammer werden dazu verwendet, die Entladung in der Ionisationskammer aufrechtzuerhalten. Um das Maximum der Ionisation des Dotierungsdampfes oder -gases zu erreichen, müssen die Elektronen in der Ionisationskammer Energien aufweisen, welche durch die der Kammer angelegte Spannung bestimmt werden, nämlich etwa 100—150 eV. Für diesen Wert erreicht die Wahrscheinlichkeit der Ionisation für die meisten Gase ein Maximum.

Das in der Heizdrahtkammer verwendete reaktionsträge Gas sollte unter den typischen Betriebsbedingungen wenig Sprühwirkung auslösen und die Wirkung der thermischen Austrittsarbeit des Heizdrahtes nicht erhöhen. Dieses Gas soll auch chemisch nicht mit dem heißen Draht reagieren und dabei flüchtige Verbindungen erzeugen. Es soll auch nicht durch Eindringen in das Kristallgitter des Heizdrahtmaterials diesen Draht zerstören und darf auch nicht die Kennwerte der Ionenquelle beeinträchtigen, wenn davon eine kleine Menge durch die öffnung 30 in die Ionisationskammer gelangt. Die Bogenspannung soll in der Heizdrahtkammer zur Herabminderung der Sprühwirkung so klein als möglich gehalten werden, jedoch groß genug, um genügend Elektronen für die Ionisationskammer zu liefern. Der Grund zur Erzeugung einer Bogenentladung in der Heizdrahtkammer, statt beispielsweise eine Hochvakuum-Elektronenkanonc zur Lieferung der Elektronen für die Ionisationskammer zu verwenden, liegt darin, daß bei Bogenentladung der Heizdraht in einem Bereich mit begrenzter Temperatur und niedriger Spannung betrieben werden kann. Die Energie der Ionen, welche auf den Heizdraht prallen, ist im wesentlichen durch die Bogenspannung bestimmt. Die beiden öffnungen 14 und 30 zwischen den beiden Kammern sollten so klein gehalten werden, daß die zwei Plasmen nicht miteinander gekoppelt sind.

Das aktive Gas der Ionisationskammer kann vom Heizdraht dadurch isoliert werden, daß der Druck des reaktionsträgen Gases in der Heizdrahtkammer hoch genug erhalten wird, damit es durch die öffnung 14, 30 hindurch in die Ionisationskammer dringt. Es verhindert in dieser Weise das Eindringen des chemisch aktiven

Gases in die Kamirer des Heizdrahtes. An den Öffnungen 60 kann zudem eine Vakuumpumpe angeschlossen werden, die trotz allem in den äußeren Raum diffundierte Moleküle des aktiven Gases rasch abzupumpen erlaubt. Die Pumpgeschwindigkeit, welche für diese Art Betrieb benötigt wird, hängt von der Größe der öffnung 14,30 ab. Für einen Öffnungsdurchmesser von 1 mm ist schätzungsweise eine Pumpgeschwindigkeit von 1000 l/s wünschbar, wodurch in der Heizdrahtkammer ein Druckanteil des aktiven Gases von weniger als 10"⁵ Torr erreicht wird. Werden die Wände der Heizdrahtkammer 10 durch ein Kühlmittel, das über eine Zuleitung IS zugeführt wird, abgekühlt, dann wird sich ein Dotierungsgas, das durch die öffnung 14, 30 gedrungen ist, an den Wänden der gekühlten Kammer niederschlagen. Dadurch wird eine schädliche Beeinflussung des Heizdrahtes durch das aktive Gas verhindert.

F i g. 2 zeigt schematisch eine andere Anordnung, in der die zylindrischen Wände HO die Heizdrahtkammer und die Wände 126 die Ionisationskammer darstellen. Ein Heizdraht 120 ist in der ersten Kammer angeordnet und elektrisch an eine Spannungsquelle Vm angeschlossen. Die eine öffnung aufweisende Platte 112 zwischen der Ionisations- und der Heizdrahtkammer ist mit einer Spannungsquelle V_arc verbunden und damit auf derselben Spannung gehalten wie die Kammerwände 110. Die eine Öffnung aufweisende Trennplatte 112 ist von den zylindrischen Wänden 110 getrennt. Dadurch, daß beide auf demselben Potential gehalten werden, ergibt sich eine oszillierende Elektronenentladung. Die zylindrischen Wände 126 der Ionisationskammer sind an eine Spannungsquelle V,- angeschlossen und die Abschluß platte 134 mit der Auslaßöffnung 138 an eine Spannungsquelle Vb. Die elektrischen Anschlüsse der Kammern von F i g. 1 und F i g. 2 sind dieselben außer, daß in F i g. 1 die Spannung V_b wegfällt Durch die Verbindung der Ionisationskammer mit einer eigenen

ι) Versorgungsquelle für die Bogenentladung wird ein zweites Plasma erzeugt, das vom Plasma der Heizdrahtkammer unabhängig ist. Die Elektronen aus der Heizdrahtkammer, welche in die Ionisationskammer eindringen, unterhalten dieses zweite Plasma und

to ionisieren das Dotierungsgas oder den Dampf in der Kammer. Die Ionen werden der Auslaßöffnung 138 in der üblichen Weise entnommen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Ionen durch Aufrechterhalten einer Bogenentladung in einer Heizdrahtkammer, welche ein reaktionsträges Gas enthält und mit einer eine chemisch aktive Gasatmosphäre enthaltenden Ionisationskammer in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektronenstrom von der Heizkammer in die Ionisationskammer gerichtet und das in letzterer enthaltene Gas ionisiert wird, ferner daß in der Ionisationskammer eine getrennte Bogenentladung unterhalten und ein Plasma erzeugt wird, dem Ionen entnehmbar sind.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Isolation (32,36,54) der Wandung der Ionisationskammer (26) sowie durch eine elektrische Zuleitung (72), die mit ein Plasmastrahl in die andere Kammer (Ionisationskammer). Darin wirkt das Plasma mit einem Dotierungsgas oder Dämpfen eines festen Stoffes zusammen und erzeugt einen vorwiegend aus Ionen bestehenden

Strom der Größenordnung von 25 μΑ. Es können also in der Ionisationskammer Ionen chemisch aktiver Elemente erzeugt werden, welche die Lebendauer des Heizdrahtes nicht beeinträchtigen. Diese bekannte Ionenquelle erzeugt aber nur ein einziges Plasma und

unterhält in der Ionisationskammer keine weitere Bogenentladung. Das einzige Plasma der Heizdrahtkammer wird lediglich dazu verwendet, in der zweiten Kammer das Dotierungsgas oder die Dämpfe zu ionisieren.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung bezweckt eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer einer Ionenquelle. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, wie im Kennzeichen des Patentanspruchs angegeben.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah-

dieser Wandung in Verbindung steht und das 20 rens ist also eine Ionenquelle vorgesehen, die eine

Anschließen einer Spannungsquelle (V) zwischen Heizfaden (20) und Wandung erlaubt, ferner durch eine Magnetspule, die zu den beiden genannten Kammern konzentrisch angeordnet ist.

Heizdrahtkammer und eine Ionisationskammer enthält Die Hejzdrahtkammer ist mit einem reaktionsträgen Gas gefüllt, während in die Ionisationskammer Dotierungsgas oder -dampf eingebracht ist, so daß chemisch

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 25 aktive Ionen nicht auf den Heizdraht einwirken.

Dies trägt wesentlich zur Erhöhung der Lebensdauer bei. Andererseits wird durch Anwenden einer Niedrigspannung-Bogenentladung in der Gas-Atmosphäre der Heizdrahtkammer ein Zersprühen weitgehend ausge-

das Innere der Heizdrahtkammer (10) mit dem 3° schaltet, was ebenfalls zur Lebensdauererhöhung Innenraum des Gehäuses (44) in Verbindung steht, beiträgt Die kleine öffnung zwischen Heizdrahtkammer und Ionisationskammer ist dabei in Weiterentwick-

zeichnet daß beide Kammern von einem Gehäuse (44) umgeben sind, daß das Gehäuse mit einem Durchlaß (84) ausgerüstet ist, um darin eine vorgegebene Atmosphäre zu erzeugen, ferner daß