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Ionenquelle
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls,
insbesondere eine Ionenquelle, die einen intensiven axialsymmetrischen Ionenstrahl
erzeugt.
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Am zweckmäßigsten läßt sich die Erfindung zum Herstellen dünner Filme
aus verschiedenen Stoffen durch Ionenzerstäubung sowie zur Flächenreinigung durch
Ionenätzung anwenden.
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Die Erfindung kann als Injektor geladener Teilchen auch für sonstige
Zwecke Verwendung finden.
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Es gibt eine Ionenquelle mit einem Hohlzylinder-Gehäuse, dessen eine
Stirnfläche geschlossen ausgeführt ist, während dessen zweite Stirnfläche eine Öffnung
hat. Im Gehäuse ist ein Stab axial zum Gehäuse angeordnet, der mit
einem
Ende an der geschlossenen Stirnfläche des Gehäuses starr befestigt ist. Das andere
Stabende ist in der Öffnung der zweiten Stirnfläche so angeordnet, daß zwischen
der Stabmantelfläche und der Öffnungswandung der zweiten Stirnfläche des Gehäuses
ein Ringspalt zum Austritt der Ionen entsteht. Das Gehäuse und der Stab sind aus
weichmagnetischem Material hergestellt.
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Auf dem Stab ist eine Elektromagnet-Spule so befestigt, daß dank
dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld das freie Stabende und die Öffnungswandung
der Stirnfläche des Gehäuses eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, d. h. im
Ringspalt ein radiales Magnetfeld entsteht.
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Innerhalb des Gehäuses, koaxial zum Stab und nahe der Stirnfläche
mit der Öffnung ist eine Ring-Elektrode angeordnet, deren Stirnseite sich gegenüber
dem Ringspalt befindet.
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An die Ionenquelle ist eine Spannung so angelegt, daß das Gehäuse
mit dem Stab die Kathode bildet, während die Ring-Elektrode die Anode darstellt.
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In den Innenraum des Gehäuses wird der Arbeitsstoff, aus dem die
Ionen erzeugt werden, z. B. Argongas, eingebracht.
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Sobald an die Ionenquelle eine Spannung im Bereich bis 10 kV angelegt
wird, zündet zwischen der Kathode und Anode eine kalte (stille) Entladung, und die
dabei erzeugten Ionen bewegen sich unter der Einwirkung des elektromagnetischen
Felds in Richtung zur Kathode und treten durch den Ringspalt aus.
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Mit der beschriebenen Ionenquelle kann man bei einem Unterdruck von
10 4 - 10 5 mm Hg und einer Spannung bis lo kV einen Ionenstrom bis 10 A erhalten.
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Ein wesentlicher Mangel dieser Ionenquelle ist die hohe Energiestreuung
der Ionen (praktisch von Null bis zum Wert der angelegten Spannung), wodurch Erzeugen,
Steuern und Transport der Ionen zur Bearbeitungsfläche des Werkstücks erschwert
werden.
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Die Energiestreuung der Ionen erfolgt dadurch, daß die Gasionisation
an einer beliebigen Stelle der Beschleunigungsstrecke (der Strecke zwischen der
Kathode und Anode) gleich wahrscheinlich stattfindet und daß die Ionen eine Energie
erlangen, die derPotentialdifferenz zwischen dem Potential am Entstehungsort und
dem Kathodenpotential entspricht. Die Austrittsrichtung der Ionen aus dem Beschleuniger
wird gleichfalls durch den Entstehungsort der Ionen bestimmt, was eine wesentliche
Divergenz des Ionenstrahls verursacht.
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Es gibt auch eine Ionenquelle folgenden Aufbaus: Sie enthält ein
Zylinder-Gehäuse, dessen eine Stirnfläche geschlossen und in dessen anderer Stirnfläche
eine Öffnung ausgeführt ist. Innerhalb des Gehäuses ist ein als Hohlzylinder ausgeführtes
Joch untergebracht, das mit einem Ende an der geschlossenen Stirnfläche, koaxial
zum Gehäuse, starr befestigt ist. Am rreien Jochende wird eine Scheibe befestigt,
die in der Stirnflächenebene so angeordnet ist, daß zwischen der Mantel fläche der
Scheibe und der Öffnung wandung der Stirnfläche des Gehäuses ein Ringspalt entsteht.
Im Gehäuse sind außerdem zwei Elektromagnet-Spulen angeordnet: Die eine Spule umfaßt
das Joch, während die
andere Spule von der Innenseite an der Seitenfläche
des Gehäuses befestigt ist.
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Das Gehäuse, das Joch und die Scheibe sind aus einem weichmagnetischen
Material hergestellt.
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Im Gehäuse, in der Nähe der geschlossenen Stirnfläche, gegenüber
dem Ringspalt und koaxial zum Gehäuse ist eine Ring-Kathode angeordnet. Um die Kathode
ist ein Schirm aus weichmagnetischem Material aufgestellt. Der Kathodenschirm ist
an der geschlossenen Stirnfläche des Gehäuses befestigt.
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Im Kathodenschirm ist ein Ringspalt für Elektronenaustritt gegenüber
dem Ringspalt vorgesehen, der durch die Scheibenmantelfläche und die Örfnungswandung
der Stirnfläche des Gehäuses gebildet ist.
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In dieser Ausführung ist eine Elektromagnet-Spule vorhanden, die
an der Mantelfläche des Gehäuses befestigt ist und ein Magnetfeld erzeugt. Die Spule
umfaßt die Stirnfläche des Gehäuses mit der Öffnung, die Mantelfläche des Gehäuses,
einen Teil der geschlossenen Stirnfläche, einen Teil des Kathodenschirms und erzeugt
ein axiales Magnetfeld im Spalt zwischen dem Kathodenschirm und der Kante der Stirnfläche
des Gehäuses mit der Öffnung.
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Außerdem ist eine Elektromagnet-Spule vorhanden, die an einem Stab
befestigt ist und ein Magnetfeld erzeugt; die Spule umfaßt die Scheibe, den Stab,
einen Teil der geschlossenen Stirnseite des Gehäuses und einen Teil des Kathodenschirms;
sie erzeugt ein axiales Magnetfeld im Spalt zwischen dem Kathodenschirm und der
Scheibenkante.
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Das Magnetfeld wird durch die beiden Spulen derart erzeugt, daß die
magnetischen Kraftlinien aus der Stirnfläche mit der Öffnung und aus der Scheibe
des Jochs heraustreten und in den Kathodenschirm gelangen.
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Zwischen der Stirnfläche mit der Öffnung und dem Kathodenschirm ist
koaxial zum Gehäuse eine flache Ring-Anode mit einem Ringspalt angeordnet, wobei
dieser Spalt gegenüber dem Spalt liegt, der durch die Stirnfläche mit der Öffnung
und die Scheibe gebildet ist.
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Außerhalb des Gehäuses, seitlich der Stirnfläche mit der Öffnung,
ist eine Beschleunigungselektrode vorgesehen. Die Beschleunigungselektrode ist als
Scheibe aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt und hat einen Ringspalt,
koaxial zum Gehäuse, und ist gegenüber dem Spalt angeordnet, der durch die Stirnfläche
mit der Öffnung und die Scheibe gebildet ist.
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Hinter der Beschleunigungselektrode, in der Bewegungsrichtung des
erzeugten Ionenstroms, ist eine Brems- oder Verzögerungselektrode untergebracht.
Die Bremselektrode ist analog der Beschleunigungselektrode ausgeführt und hat einen
Ringspalt, der gegenüber der Beschleunigungselektrode gerichtet ist. In das Gehäuse
wird der Arbeitsstoff, z. B.
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Argongas, eingebracht, aus dem die Ionen erzeugt werden.
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Das Arbeitsprinzip dieser Ionenquelle besteht im folgenden: Die von
der Oberfläche der heißen Kathode emittierten Elektronen prallen auf ihrer Bahn
mit den Molekülen des Arbeitsstoffs zusammen und ionisieren ihn. Zwischen der
Kathode
und der Anode entsteht eine Entladung. Das dabei gebildete Plasma diffundiert längs
des durch die beiden Spulen erzeugten Magnetfelds zum Ringspalt, der durch die Stirnfläche
mit der Öffnung und die Scheibe gebildet worden ist. Bei Anlegen einer hinreichend
hohen Spannung zwischen dem Gehäuse und der Beschleunigungselektrode werden von
der Plasmagrenze die Ionen extrahiert, beschleunigt, dann auf die erforderliche
Energie gebremst und in einen Strahl von der zwischen der Beschleunigungs- und der
Bremselektrode angelegten Spannung geformt.
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Die Plasmagrenze wird je nach der zwischen dem Gehäuse und der Beschleunigungselektrode
angelegten Spannung eingestellt. Die Dichte des extrahierten Ionenstroms wird durch
die angelegte Spannung und den Abstand zwischen der Plasmagrenze und der Beschleunigungselektrode
bestimmt.
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Außerdem wird die Dichte des durch die Öffnung in der Beschleunigungselektrode
fließenden Stroms durch die Eigen-Raumladung des Ionenstrahls selbst beschränkt,
deren Wirkung eine Zerstreuung des Ionenstrahls hervorruft, weshalb die Erzeugung
geformter Ionenstrahlen von hoher Intensität erschwert wird, was gerade ein wesentlicher
Mangel der obenbeschriebenen Ionenquelle ist.
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Darüber hinaus erfolgt die Extraktion und Formung des Ionenstrahls
mit Hilfe eines Mehrelektrodensystems, an dem Verluste des Ionenstroms entstehen.
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Zu den Nachteilen der genannten Ionenquelle gehören ferner komplizierte
Bauart, großes Gewicht, sperrige Außenmaße und komplizierte Bedienung (erschwerte
Justierung, große Anzahl der Speisequellen).
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Es gibt ferner eine Ionenquelle, deren Gehäuse einen Hohlzylinder
darstellt, der an einer Seite durch eine ebene Stirnfläche abgeschlossen ist. In
diesem Hohlzylinder-Gehäuse ist auf dessen Stirnfläche, koaxial zu ihm, mit einem
Ende ein hohler Innenzylinder befestigt. Der Innenzylinder und das Gehäuse sind
so zueinander angeordnet, daß die der Stirnfläche des Gehäuses gegenüberliegenden
Enden in einer Ebene liegen. An diesenEnden des Gehäuses und des Innenzylinders
sind zwei flache Ringe befestigt, die eine Antikathode darstellen. Diese beiden
Ringe liegen in einer Ebene und sind konzentrisch und koaxial zum Gehäuse so angeordnet,
daß der zwischen ihnen gebildete Spalt sich im Raum zwischen dem Gehäuse und dem
Innenzylinder befindet. Dieser Raum bildet die Entladungskammer, während der Spalt
zur Extraktion der Ionen aus dem Plasma dient, das in der Entladungskammer erzeugt
worden ist. In der Entladungskammer, an der flachen Stirnseite, gegenüber dem durch
die genannten Ringe gebildeten Spalt, ist eine Ring-Kathode angeordnet, zu deren
beiden Seiten, konzentrisch und koaxial zum Gehäuse, zwei Zylinder vorhanden sind,
die die Anode darstellen.
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Außerhalb der Entladungskammer, seitlich der Antikathode, sind mit
Hilfe zylindrischer Hohlisolatoren an den Enden des Gehäuses und des Innenzylinders,
auf dem die Antikathodenringe befestigt sind, parallel zur Antikathodenebene zwei
Ringe befestigt, die die Beschleunigungselektrode bilden, in der ein Ringspalt gegenüber
dem Spalt in der Antikathode ausgeführt ist. Der Arbeitsstoff, z. B.
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Argongas, wird in die Entladungskammer eingerührt. Die Ionenquelle
ist im Magnetfeld so angeordnet, daß die magnetischen Kraftlinien längs der Gehäuseachse
verlaufen.
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Bevor die von der Oberfläche der heißen Kathode emittierten Elektronen
an die Anode gelangen, ionisieren sie auf ihrer Bahn den Arbeitsstoff (Argongas).
In der Entladungskammer erfolgt eine Entladung. Das dabei gebildete Plasma bewegt
sich durch die Diffusion längs der Kraftlinien des Magnetfelds zur Antikathode.
Bei Anlage einer entsprechenden Spannung zwischen der Antikathode und der Beschleunigungselektrode
werden von der Plasmaoberfläche durch den Ringspalt in der Antikathode die Ionen
des Arbeitsstoffs extrahiert, beschleunigt und in ein Bündel geformt. Dabei gelangen
die Ionen teilweise auf die Beschleunigungselektrode und schlagen Sekundärelektronen
heraus, die entgegen dem Ionenstrom beschleunigt werden, auf die Oberfläche der
Entladungskammer, der Kathode und Anode prallen, sie erwärmen und schließlich zerstören.
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Beim Durchgang des Ionenstrahls durch das Restgas wird dieser ionisiert,
wobei die nun entstehenden Elektronen gleich den Sekundärelektronen unbehindert
auf die OberRläche der Entladungskammer und ihrer Elemente gelangen, sie erwärmen
und zerstören, was einen wesentlichen Mangel darstellt. Ein weiterer Nachteil dieser
Bauart ist, daß die Dichte des von der Plasmagrenze entrahierten Ionenstroms durch
die angelegte Spannung und den Abstand zwischen der Plasmagrenze und der Beschleunigungselektrode
bestimmt wird, während die Einstellung der Plasmagrenze von der angelegten Spannung
abhängt.
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Darüber hinaus wird die Dichte des durch die Öffnung der Beschleunigungselektrode
hindurchgehenden Ionenstroms durch die Eigen-Raumladung des Ionenstrahls selbst
begrenzt.
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Die Wirkung der Eigen-Raumladung verursacht ein Streuen des Ionenstrahls,
worurch die Erzeugung zweckmäßig geformter Ionenstrahlen hoher Intensität erschwert
wird.
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Schließlich gibt es eine Ionenquelle mit einem Hohlzylinder-Gehäuse,
dessen eine Stirnfläche geschlossen ausgeführt ist und dessen andere Stirnfläche
eine runde Öffnung hat. Im Gehäuse ist koaxial zu ihm ein Stab untergebracht, der
mit einem Ende an der geschlossenen Stirnfläche des Gehäuses befestigt ist.
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Das andere Stabende ist in der Öffnung der zweiten Stirnfläche so
angeordnet, daß zwischen der Mantel fläche des Stabs und der Öffnungswandung dieser
Stirnfläche ein Ringspalt für den Austritt der Ionen entsteht.
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Das Gehäuse und der Stab sind aus weichmagnetischem Material hergestellt.
Innerhalb des Gehäuses ist an dessen Mantelfläche eine Elektromagnet-Spule so befestigt,
daß durch das durch diese Spule erzeugte Magnetfeld das freie Stabende und die Öffnungswandung
eine entgegengesetzte magnetische Polarität haben, d. h. im Ringspalt ein radiales
Magnetfeld erzeugt wird.
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Im Gehäuse ist rings um den Stab und koaxial zu ihm eine Hohlzylinder-Anode
angeordnet.
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Außerhalb des Gehäuses ist seitlich der Stirnfläche mit der Öffnung,
koaxial zum Gehäuse, eine Ring-Kathode angeordnet.
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Hinter der Kathode ist in Bewegungsrichtung des erzeugten Ionenstrahls
eine Beschleunigungselektrode vorgesehen.
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Die Beschleunigungselektrode ist als eine Scheibe mit einer Öffnung
ausgeführt, wobei die Öffnung der Beschleunigungselektrode koaxial zum Gehäuse,
gegenüber der Öffnung in dessen Stirnfläche, liegt.
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In das Gehäuse wird der Arbeitsstoff, z. B. Argongas, eingeführt.
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Das Arbeitsprinzip dieser Ionenquelle besteht im folgenden: Die von
der Oberfläche der geheizten Kathode emittierten Elektronen bewegen sich längs der
Kraftlinien des elektrischen Felds innerhalb des Gehäuses zur Anode. Im Gehäuse
erfolgt eine Ionisierung des Gases. Das dabei gebildete Plasma füllt den Innenraum
des Gehäuses aus. Legt man eine Hochspannung bis 10 kV an, so erfolgt zwischen dem
Gehäuse und der Beschleunigungselektrode eine Extraktion, Beschleunigung und Formung
der Ionen zu einem Strahl.
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Der beschriebenen Ionenquelle haftet eine Reihe von Mängeln an: Die
Intensität des mit ihr erzeugten Ionenstrahls ist gering, da die Eigen-Raumladung
des Ionenstrahls die Extraktion der Ionen von der Plasmaoberfläche erschwert und
eine Steigerung der Dichte des Ionenstroms behindert.
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Die Gegenwart der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls erschwert das
Formen des Ionenstrahls, wodurch Verluste des Ionenstroms an der Beschleunigungselektrode
entstehen.
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Die beim Beschuß der Beschleunigungselektrode mit Ionen erzeugten
Sekundärelektronen zerstören die Stirnfläche des Gehäuses mit der runden Öffnung.
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Die Beschleunigungselektrode befindet sich unmittelbar in der Zone
der Plasmabildung, so daß ihre gesamte Oberfläche dem intensiven Ionenbeschuß ausgesetzt
ist, wodurch die Beschleunigungselektrode überhitzt und schließlich zerstört wird.
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Der Erfindung liegt die Aurgabe zugrunde, unter Beseitigung der angeführten
Mängel der genannten Ionen quellen eine Ionenquelle zu entwickeln, in der eine Intensitätssteigerung
des Ionenstrahls durch Kompensation der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls während
dessen Erzeugung erfolgt.
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Die Lösung dieser Aurgabe bei einer Ionenquelle für hohlzylindrischen
Ionenstrahl mit einer Ring-Anode und mit einer Ring-Kathode, die in einem Zylinder-Gehäuse
mit Stirnflächen angeordnet sind, deren eine eine Axialörfnung hat und deren andere
geschlossen ist und koaxial zum Gehäuse mit einem Ende eines Stabs starr verbunden
ist, dessen anderes Ende eine Scheibe trägt, die in der Axialöffnung der Stirnfläche
angeordnet ist und mit der Wandung der Axialörfnung einen Ringspalt zum Ionenaustritt
bildet, mit einer innerhalb des Gehäuses koaxial zu ihm angeordneten Elektromagnet-Spule
und mit einer Ionen-Beschleunigungseinrichtung erfolgt erfindungsgemäß durch einen
im Zylinder-Gehäuse elektrisch von ihm isoliert und koaxial zu ihm angeordneten,
die Ring-Kathode und die Ring-Anode umfassenden Hohlring mit einem Ringspalt an
seiner Stirnfläche, der zum Ringspalt der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses hin
gerichtet ist, und durch eine außerhalb des Zylinder-Gehäuses nahe dessen Stirnfläche
mit dem Ringspalt koaxial zu ihm angeordnete Glüh-Kathode, wobei das Zylinder-Gehäuse
mit den Stirnflächen und der Stab mit der Scheibe aus weichmagnetischem Material
und der Hohlring aus nichtmagnetischem Material ausgeführt sind.
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Die Anordnung des die Kathode und die Anode umfassenden Hohlrings
innerhalb des Zylinder-Gehäuses und seine Ausführung aus nichtmagnetischem Material
ermöglichen eine isolierte Entladungskammer und einen höheren Ionisationsgrad des
Arbeitsstoffs, d. h. eine Steigerung der Plasmakonzentration, wodurch die Dichte
des extrahierten Ionenstroms entsprechend erhöht werden kann.
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Die Ausführung der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses und des Stabs
mit der Scheibe aus weichmagnetischem Material gestattet, in der Erzeugungs- und
Formungszone des Ionenstrahls ein Magnetfeld zu erzeugen, dessen Kraftlinien senkrecht
zu den Kraftlinien des elektrischen Felds verlaufen. Das ermöglicht eine Elektronenwanderung
in der Erzeugungs- und Formungszone des Ionenstrahls und somit die Erzeugung eines
Elektronenstroms, der die Eigen-Raumladung des Ionenstrahls kompensiert.
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Die Anordnung der Glüh-Kathode vor der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses
ermöglicht die Erzeugung eines Elektronenstroms zum Ausgleich der Eigen-Raumladung
des Ionenstrahls.
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Außerdem ermöglicht die Glüh-Kathode eine Stromneutralisation des
Ionenstrahls auf dem Target (Werkstück).
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Es ist zweckmäßig, daß der Querschnitt des Stabs und die Kantenform
der Öffnung der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses und der Scheibe so gewählt sind,
daß die Kraftlinien des durch die Elektromagnet-Spule erzeugten Magnetfelds zwischen
den die Öffnungen aufweisenden Stirnflächen des Zylinder-Gehäuses und des Hohlrings
mit den Aquipotentialflächen des bei Anlegen einer Spannung an den Hohlring erzeugten
elektrischen Felds zusammenfallen.
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Die Ausführung des Stabquerschnitts und der Kantenform der Öffnungen
des Zylinder-Gehäuses und des Hohlrings derart, daß die Kraftlinien des Magnetfelds
mit den quipotentialflächen des elektrischen Felds zusammenfallen, schafft optimale
Bedingungen für die Kompensation der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung mittels der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch
die erfindungsgemäße Ionenquelle im Längsschnitt; Fig. 2 schematisch die Ionenquelle
in Pfeilrichtung A; Fig. 3 schematisch den Schnitt III-III der Ionenquelle von Fig.
1; Fig. 4 eine erste Kantenformvariante der Öffnung des Hohlrings sowie der Öffnungskanten
der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses und der Scheibe; und Fig. 5 eine zweite Kantenformvariante
der Öffnung des Hohlrings sowie der Öffnungskanten der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses
und der Scheibe.
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Die erfindungsgemäße Ionenquelle eines hohlzylindrischen Ionenstrahls
enthält ein Hohlzylinder-Gehäuse 1 (Fig. 1-3), dessen eine Stirnfläche 2 geschlossen
ist und
dessen andere Stirnfläche 3 eine runde Öffnung hat. Innerhalb
des Gehäuses 1 ist ein Rund-Stab 4 vorhanden, der koaxial zum Gehäuse 1 angeordnet
ist und mit einem Ende an der geschlossenen Stirnfläche 2 starr befestigt ist. Am
freien Ende des Stabs 4 ist eine Scheibe 5 befestigt, die in der Ebene der Stirnfläche
3 mit der Öffnung so angeordnet ist, daß zwischen der Mantelfläche der Scheibe 5
und der Öffnungswandung der Stirnfläche 3 ein Ringspalt zum Austritt der Ionen gebildet
wird.
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Das Gehäuse 1, der Stab 4 und die Scheibe 5 sind aus weichmagnetischem
Material ausgeführt, beispielsweise .1!15 Stahl mit Kohlstoff bis 0,1 %, Silizium
bis 0,2 X und Mangan bis 0,4 %.
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Im Gehäuse 1 ist koaxial zu ihm an dessen Mantelfläche eine Elektromagnet-Spule
6 so befestigt, daß durch das von ihr erzeugte Magnetfeld die Mantelfläche der Scheibe
5 und die Clfnungswandung der Stirnfläche 3 eine entgegengesetzte magnetische Polarität
haben, d. h. im Ringspalt zwischen den Öffnungskanten der Stirnfläche 3 und der
Scheibe 5 ein radiales Magnetfeld entsteht.
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Der Querschnitt des Stabs 4 ist so gewählt, daß gleichzeitig mit
dem radialen Magnetfeld zwischen den Öffnungskanten der Stirnfläche 3 und der Scheibe
5 innerhalb des Gehäuses 1 ein axiales Magnetfeld entsteht. So wird z. B. bei einer
Querschnittsfläche des Stabs 4 von 80 bis 120 mm2 innerhalb des Gehäuses 1 ein axiales
Magnetfeld von 300 bis 500 Oe Feldstärke erzeugt, wobei das radiale Magnetfeld im
Ringspalt 1000 bis 15000 Oe beträgt.
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Im Gehäuse 1 ist koaxial zum Stab 4 ein Hohlring 7 mit einem Ringspalt
in der Stirnfläche 8 gegenüber dem Ringspalt der Stirnfläche 3 des Gehäuses 1 angeordnet.
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Der Elohlring 7 ist aus nichtmagnetischem Material, z. B.
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aus Kupfer bzw. Molybdän, ausgeführt. Der Hohlring 7 ist vom Gehäuse
1 und der Elektromagnet-Spule 6 elektrisch isoliert.
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Innerhalb des Hohlrings 7, in der Zone des homogenen Magnetfelds,
das durch die Elektromagnet-Spule 6 erzeugt wird, ist ungefähr im gleichen Abstand
von den beiden Stirnflächen des Gehäuses 1, koaxial mit dem Gehäuse 1, eine Ring-Kathode
9 angeordnet, die z. B. aus Wolframdraht von 2 mm Durchmesser ausgeführt sein kann.
Die Kathode 9 ist so angeordnet, daß die Kraftlinien des axialen Magnetfelds, das
von der Elektromagnet-Spule 6 erzeugt wird, durch die Kathode 9 und den Ringspalt
der Stirnfläche 8 des flohlrings 7 verlaufen.
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Im Hohlring 7, zwischen der Kathode 9 und der Stirnfläche 8 des Hohlrings
7, ist koaxial mit dem Gehäuse 1 eine Ring-Anode 10 angeordnet. Die Anode 10 ist
deshalb in der Nähe der Kathode 9 angeordnet, um den Wert der zwischen der Kathode
9 und der Anode 10 angelegten Zünd-und Brennspannung der Entladung zu verringern.
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Um die Bahn der Elektronen von der Kathode 9 zur Anode 10 zu verlängern
und damit auch den Ionisationsgrad des Arbeitsstofrs zu erhöhen, wird der Innendurchmesser
der Anode 10 etwas größer als der Außendurchmesser der Kathode 9 ausgeführt.
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Außerhalb des Gehäuses 1 ist vor seiner Stirnfläche 3 mit der Öffnung,
koaxial zu ihm, eine Ring-Glüh-Kathode
11 angeordnet. Die Glüh-Kathode
11 dient zum Erzeugen eines gegensinnigen Elektronenstroms, der die Eigen-Raumladung
des Ionenstrahls im Erzeugungsbereich des Ionenstrahls kompensiert. Folglich muß
die Glüh-Kathode 11 genügend viel Elektronen emittieren, weshalb sie aus einem beliebigen
ensprechenden Material, z. B. Wolfram oder Tantal, hergestellt ist.
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Die Glüh-Kathode 11 ist in der Nähe der Stirnfläche 3 des Gehäuses
1 angeordnet. Der Abstand zwischen der Glüh-Kathode 11 und der Stirnfläche 3 des
Gehäuses 1 hängt von der Feldstärke des radialen Magnetfelds ab, das durch die Elektromagnet-Spule
6 in der Nähe der Stirnfläche 3 des Gehäuses 1 erzeugt wird. Bei einer Erhöhung
der Feldstärke des Magnetfelds wird dieser Abstand vergrößert. Im beschriebenen
Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenquelle beträgt dieser Abstand 25
bis 40 mm bei einer Feldstärke des radialen Magnetfelds von 1000 bis 1500 Oe.
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Bei diesem Abstand ist eine Einwirkung dcr durch die Elektromagnet-Spule
6 erzeugten Streufelder auf die von der Oberfläche der Glüh-Kathode 11 emittierten
Elektronen praktisch ausgeschlossen. Der Durchmesser der Gldh-Kathode 11 wird so
gewählt, daß sie vom sie durchsetzenden Ionenstrahl nicht gestreift wird; anderenfalls
wird die Glüh-Kathode 11 einem intensiven Ionenbeschuß ausgesetzt, was ihren schnellen
Verschleiß herbeiführt. Praktisch muß der Durchmesser der Glüh-Kathode 11 den Öffnungsdurchmesser
der Stirnfläche 3 des Gehäuses 1 um 5 bis 15 mm übersteigen.
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Der Hohlring 7 ist an eine Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen,
wodurch zwischen der Stirnfläche 3 mit der Öffnung des Gehäuses 1 und der Scheibe
5 ein elektrisches Feld erzeugt wird.
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Wird an die Ionenquelle eine Hochspannung angelegt: "+" an den Hohlring
7 und "-" an das Gehäuse 1, so werden die Stirnfläche 3 mit der Öffnung und die
Scheibe 5 ein Mittel zum Extrahieren und Beschleunigen der Ionen, die im Hohlring
7 erzeugt worden sind, d. h. sie bilden eine Beschleunigungselektrode.
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Die Form dieser Beschleunigungselektrode md des Hohlrings 7 sowie
ihre gegenseitige Lage werden so gewählt, daß die Kraftlinien des radialen Magnetfelds,
das durch die Elektromagnet-Spule 6 erzeugt wird, mit den Äquipotentialflächen des
elektrischen Felds auf der Strecke (Beschleunigungsstrecke) zwischen dem Hohlring
7 und der Beschleunigungselektrode miteinander zusammenfallen. Auf diese Weise werden
auf der Beschleunigungsstrecke ein elektrisches und ein magnetisches Feld erzeugt,
die senkrecht zueinander gerichtet sind. Dabei kann man durch entsprechende Änderung
der Form und der gegenseitigen Lage des Hohlrings 7 und der Beschleunigungselektrode
den Ionenstrahl entweder zu einem Fleck von 5 bis 20 mm Durchmesser fokussieren
oder ihn längs der Ionenquellenachse in Form eines Zylinderrohrs auf eine Strecke
bis 600 mm und darüber richten oder auch auf eine größere Fläche defokussieren.
Die optimale Form der Beschleunigungselektrode und des Hohlrings 7 sowie ihre gegenseitige
Lage hängen vom Wert der angelegten Hochspannung ab und können so ausgeführt werden,
wie das in Fig. 4 und 5 gezeigt wird.
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Bei einer Spannung zwischen der Beschleunigungselektrode (d. h. der
Stirnfläche 3 des Gehäuses 1 und der Scheibe 5) und dem Hohlring 7 von 0,2 bis 5
kV werden die Kantenrorm der Öffnung der Stirnfläche 3 des Gehäuses 1 und der Scheibe
5 sowie die Kantenform der Öffnung im Hohlring 7 gemäß Fig. 4 ausgeführt. Dabei
liegt der Wert
der Strecke h zwischen dem Hohlring 7 und der Beschleunigungselektrode
im Bereich von 1,0 bis 2,5 mm.
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Bei einer Spannung zwischen der Beschleunigungselektrode und dem
Hohlring 7 von 6 bis 10 kV wird die Kantenform der Öffnung der Stirnfläche 3 des
Gehäuses 1 und der Scheibe 5 sowie die Kantenform der Öffnung im Hohlring 7 gemäß
Fig. 5 ausgeführt. Dabei liegt der Wert der Strecke h zwischen dem Hohlring 7 und
der Beschleunigungselektrode im Bereich von 3 bis 3,5 mm.
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Die Arbeit der Ionenquelle beginnt mit der Zufuhr des Arbeitsstoffs
(z. B. Argongas) in den Hohlring 7, aus dem die Ionen erzeugt werden.
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Das Arbeitsprinzip der erfindungsgemäßen Ionenquelle besteht im folgenden:
Zunächst wird die Ionenquelle an eine Arbeitsvakuumkammer (in Fig. 1 nicht dargestellt)
angeschlossen, die z. B. mit Hilfe einer allgemein bekannten Öldiffusions-Hochvakuumpumpe
evakuiert wird. Dann wird die Ionenquelle an ein Wasserkühlsystem (nicht gezeigt),
an Stromversorgungen und an ein Zufuhrsystem des Arbeitsstoffs (z. B.
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Argongas) (nicht gezeigt) angeschlossen. In der Vakuumkammer wird
ein Unterdruck von ungefähr 10-5 5 mm Hg erzeugt.
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Dann wird die Kathode 9 mit 140 A Gleichstrom auf die Emissionstemperatur
erwärmt. Nun schaltet man die Stromversorgung der Elektromagnet-Spule 6 ein, wonach
mit Hilfe einer Anströmvorrichtung (nicht gezeigt) das Argongas in die Ionenquelle
eingebracht wird. Der Argonstrom wird so lange erhöht, bis sich in der Vakuumkammer
ein Unterdruck
von 1-2k10 4 mm fig bei einer effektiven Evakuierungsgeschwindigkeit
von 1000 l/s eingestellt hat. Sodann wird die Spannungsquelle der Anode 10 eingeschaltet
und eine Spannung zwischen der Kathode 9 und Anode 10 im Bereich von 40 bis 70 V
angelegt. Im lIohlring 7 zündet dabei eine Lichtbogenentladung, die Entladungsspannung
sinkt spontan ab, und es entsteht ein Lichtbogenstrom, den man durch eine Steigerung
der Entladungsspannung auf 20 bis 30 A erhöhen muß.
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Das im Hohlring 7 gebildete Plasma diffundiert längs der Kraftlinien
des Magnetfelds in die Zone des Ringspalts des Hohlrings 7. Zwischen dem Hohlring
7 und dem Gehäuse 1 wird eine Beschleunigungsspannung angelegt. Im Spalt des Hohlrings
7 bildet sich die Plasmagrenze, von der die Ionenextraktion unter der Einwirkung
des elektrischen Felds erfolgt.
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Die Plasmagrenze wird je nach der zwischen dem Hohlring 7 und der
Beschleunigungselektrode angelegten Spannung eingestellt. Die Dichte des von der
Plasmagrenze extrahierten Ionenstroms wird durch die angelegte Spannung und den
Abstand von der Plasmagrenze zur BeschleunigungseleAtrode bestimmt. Außerdem ist
die Dichte des Ionenstroms durch den Ringspalt der Beschleunigungselektrode durch
die Eigen-Raumladung des Ionenstroms selbst beschränkt, deren Wirkung eine Divergenz
des Ionenstrahls hervorruft. Eine Steigerung des extrahierten Ionenstroms bei gleichem
Abstand von der Beschleunigungselektrode zur Plasmagrenze kann man durch eine Erhöhung
der Plasmakonzentration und eine Einwirkungsverringerung der Eigen-Raumladung des
Ionenstrahls auf dessen Divergenz auf der Strecke zwischen der Plasmagrenze und
der Beschleunigungselektrode erreichen.
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Eine Neutralisierung der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls im Beschleunigungszwischenraum
erreicht man durch Einführung eines Elektronenstroms von der Glüh-Katnode 11 in
den Beschleunigungszwischenraum.
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Für diesen Zweck wird die Stromversorgung der Glüh-Kathode 11 eingeschaltet
und diese mit 10 bis 15 A Gleichstrom auf die Emissionstemperatur erwärmt.
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Die von der Oberfläche der erwärmten Glüh-Kathode 11 emittierten
Elektronen werden durch die angelegte Spannung entgegengesetzt zur Richtung des
Ionenstroms beschleunigt.
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Diese Elektronen gelangen in die Zone zwischen dem Hohlring 7 und
der Beschleunigungselektrode und werden dort mit Hilfe des elektrischen und des
radialen Magnetfelds, die senkrecht aufeinanderstehen, festgehalten.
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Indem die genannten Elektronen auf Kardioidbahnen längs des Ringspalts
im Hohlring 7 wandern, erzeugen sie eine negative Raumladung, die die Eigen-Raumladung
des Ionenstrahls kompensiert.
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Um die Elektronen wirksam restzuhalten, müssen die magnetischen Kraftlinien
des durch die Elektromagnet-Spule 6 erzeugten radialen Magnetfelds mit den quipotentialfläcilen
des elektrischen Felds im Beschleunigungszwischenraum zusammenfallen.
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Die Feldstärke des Magnetfelds im Ringspalt der Beschleunigungselektrode
übersteigt einen gewissen kritischen Wert, der von der Größe der Beschleungigungsspannung
in der Beschleunigungszone abhängt. Nur unter dieser Bedingung
laufen
die Elektronen in der Nähe der die Ionen emittierenden Fläche, d. h. er Plasmagrenze
am Hohlring 7, vorbei und gelangen an die Elektroden, die das gleiche Potential
wie die Glüh-Kathode 11 haben. Sobald der Ionenstrahl das Restgas passiert, wird
letzteres ionisiert, und die dabei gebildeten Elektronen beginnen unter der Wirkung
des elektrischen Felds des Ionenstrahls am Strahl entlang zu wandern, gelangen in
die Beschleunigungszone und kompensieren teilweise die Eigen-Raumladung des Ionenstrahls
analog den Elektronen, die von der Oberfläche der Glüh-Kathode 11 emittiert werden.
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In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß bei Betrieb der Ionenquelle
mit einem Unterdruck in der Vakuumkammer von 3.10 4 - 1 10 mm fig die beim Durchlaufen
des Restgases gebildeten Elektronen zum Kompensieren der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls
in der Beschleunigungszone völlig ausreichen und daß dabei ein gerichteter Argonionenstrahl
von 0,2 A mit einer Energie von 1 keV bis 0,5 A mit einer Energie von 5 keV erhalten
werden kann.
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Bei weiterer Drucksenkung entsteht ein Elektronenmangel, so daß man
ihn nur mit Hilfe der von der Glüh-Kathode 11 erhaltenen Elektronen ergänzen kann.
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Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Ionenquelle eine Stromneutralisation
des Ionenstrahls auf der Bearbeitungsfläche (Target). Für eine Stromneutralisierung
der Raumladung des Ionenstrahls am Target muß man an die Glüh-Kathode 11 eine negative
Vorspannung von 30 - 40 V gegenüber der Beschleunigungselektrode anlegen bzw. den
Querschnitt und die Länge des Drahts der Glüh-Kathode 11 so wählen, daß der Spannungsabfall
an der Glüh-Kathode 11 bei der Emissionstemperatur 30 - 40 V beträgt, wobei der
Pluspol
(+) der Stromversorgung der Glüh-Kathode 11 mit der Beschleunigungselektrode verbunden
sein muß.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ionenquelle besteht also insbesondere
darin, daß man mit ihr einen monoenergetischen Ionenstrahl hoher Intensität erhalten
kann, wobei sich eine Stromneutralisierung des Ionenstrahls am Target verwirklichen
läßt.
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