DE2712829A1 - Ionenquelle - Google Patents

Ionenquelle

Info

Publication number
DE2712829A1
DE2712829A1 DE19772712829 DE2712829A DE2712829A1 DE 2712829 A1 DE2712829 A1 DE 2712829A1 DE 19772712829 DE19772712829 DE 19772712829 DE 2712829 A DE2712829 A DE 2712829A DE 2712829 A1 DE2712829 A1 DE 2712829A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
housing
face
cathode
ion
hollow ring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19772712829
Other languages
English (en)
Other versions
DE2712829B2 (de
DE2712829C3 (de
Inventor
Georgij Aleksandrovi Kovalskij
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KOVALSKIJ
Original Assignee
KOVALSKIJ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KOVALSKIJ filed Critical KOVALSKIJ
Priority to DE19772712829 priority Critical patent/DE2712829C3/de
Publication of DE2712829A1 publication Critical patent/DE2712829A1/de
Publication of DE2712829B2 publication Critical patent/DE2712829B2/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2712829C3 publication Critical patent/DE2712829C3/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
    • H01J27/143Hall-effect ion sources with closed electron drift
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/08Ion sources; Ion guns

Description

  • Ionenquelle
  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ionenstrahls, insbesondere eine Ionenquelle, die einen intensiven axialsymmetrischen Ionenstrahl erzeugt.
  • Am zweckmäßigsten läßt sich die Erfindung zum Herstellen dünner Filme aus verschiedenen Stoffen durch Ionenzerstäubung sowie zur Flächenreinigung durch Ionenätzung anwenden.
  • Die Erfindung kann als Injektor geladener Teilchen auch für sonstige Zwecke Verwendung finden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An die Ionenquelle ist eine Spannung so angelegt, daß das Gehäuse mit dem Stab die Kathode bildet, während die Ring-Elektrode die Anode darstellt.
  • In den Innenraum des Gehäuses wird der Arbeitsstoff, aus dem die Ionen erzeugt werden, z. B. Argongas, eingebracht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Gehäuse, das Joch und die Scheibe sind aus einem weichmagnetischen Material hergestellt.
  • 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.
  • Im Kathodenschirm ist ein Ringspalt für Elektronenaustritt gegenüber dem Ringspalt vorgesehen, der durch die Scheibenmantelfläche und die Örfnungswandung der Stirnfläche des Gehäuses gebildet ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Argongas, eingebracht, aus dem die Ionen erzeugt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Darüber hinaus erfolgt die Extraktion und Formung des Ionenstrahls mit Hilfe eines Mehrelektrodensystems, an dem Verluste des Ionenstroms entstehen.
  • Zu den Nachteilen der genannten Ionenquelle gehören ferner komplizierte Bauart, großes Gewicht, sperrige Außenmaße und komplizierte Bedienung (erschwerte Justierung, große Anzahl der Speisequellen).
  • 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.
  • 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.
  • Argongas, wird in die Entladungskammer eingerührt. Die Ionenquelle ist im Magnetfeld so angeordnet, daß die magnetischen Kraftlinien längs der Gehäuseachse verlaufen.
  • 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.
  • 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.
  • Darüber hinaus wird die Dichte des durch die Öffnung der Beschleunigungselektrode hindurchgehenden Ionenstroms durch die Eigen-Raumladung des Ionenstrahls selbst begrenzt.
  • Die Wirkung der Eigen-Raumladung verursacht ein Streuen des Ionenstrahls, worurch die Erzeugung zweckmäßig geformter Ionenstrahlen hoher Intensität erschwert wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Gehäuse ist rings um den Stab und koaxial zu ihm eine Hohlzylinder-Anode angeordnet.
  • Außerhalb des Gehäuses ist seitlich der Stirnfläche mit der Öffnung, koaxial zum Gehäuse, eine Ring-Kathode angeordnet.
  • Hinter der Kathode ist in Bewegungsrichtung des erzeugten Ionenstrahls eine Beschleunigungselektrode vorgesehen.
  • 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.
  • In das Gehäuse wird der Arbeitsstoff, z. B. Argongas, eingeführt.
  • 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.
  • 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.
  • Die Gegenwart der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls erschwert das Formen des Ionenstrahls, wodurch Verluste des Ionenstroms an der Beschleunigungselektrode entstehen.
  • Die beim Beschuß der Beschleunigungselektrode mit Ionen erzeugten Sekundärelektronen zerstören die Stirnfläche des Gehäuses mit der runden Öffnung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Anordnung der Glüh-Kathode vor der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses ermöglicht die Erzeugung eines Elektronenstroms zum Ausgleich der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls.
  • Außerdem ermöglicht die Glüh-Kathode eine Stromneutralisation des Ionenstrahls auf dem Target (Werkstück).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 %.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Elohlring 7 ist aus nichtmagnetischem Material, z. B.
  • aus Kupfer bzw. Molybdän, ausgeführt. Der Hohlring 7 ist vom Gehäuse 1 und der Elektromagnet-Spule 6 elektrisch isoliert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Arbeit der Ionenquelle beginnt mit der Zufuhr des Arbeitsstoffs (z. B. Argongas) in den Hohlring 7, aus dem die Ionen erzeugt werden.
  • 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.
  • Argongas) (nicht gezeigt) angeschlossen. In der Vakuumkammer wird ein Unterdruck von ungefähr 10-5 5 mm Hg erzeugt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Neutralisierung der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls im Beschleunigungszwischenraum erreicht man durch Einführung eines Elektronenstroms von der Glüh-Katnode 11 in den Beschleunigungszwischenraum.
  • Für diesen Zweck wird die Stromversorgung der Glüh-Kathode 11 eingeschaltet und diese mit 10 bis 15 A Gleichstrom auf die Emissionstemperatur erwärmt.
  • Die von der Oberfläche der erwärmten Glüh-Kathode 11 emittierten Elektronen werden durch die angelegte Spannung entgegengesetzt zur Richtung des Ionenstroms beschleunigt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei weiterer Drucksenkung entsteht ein Elektronenmangel, so daß man ihn nur mit Hilfe der von der Glüh-Kathode 11 erhaltenen Elektronen ergänzen kann.
  • 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.
  • 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.
  • Leerseite

Claims (2)

  1. Patentansprüche 1. ) 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 Axialöffnung 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 Axialöffnung einen Ringspalt zum Ionenaustritt bildet, mit einer innerhalb des Gehäuses koaxial zu ihm angeordneten Elektromagnet-Spule und mit einer Ionen-Beschleunigungseinrichtung, gekennzeichnet durch einen im Zylinder-Gehäuse (1) elektriscii von ihm isoliert und koaxial zu ihm angeordneten, die Ring-Kathode (9) und die Ring-Anode (10) umfassenden tiohlring (7) mit einem Ringspalt an seiner Stirnfläche (8), der zum Ringspalt der Stirnfläche (3) des Zylinder-Gehäuses (1) hin gerichtet ist, und durch eine außerhalb des Zylinder-Gehäuses (1) nahe dessen Stirnfläche (3) mit dem Ringspalt koaxial zu ihm angeordnete Glüh-Kathode (11), wobei das Zylinder-Gehäuse (1) mit den Stirnflächen (2, 3) und der Stab (4) mit der Scheibe (5) aus weichmagnetischem Material und der Ifohlring (7) aus nichtmagnetischem Material ausgeführt sind.
  2. 2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Stabs (4) und die Kantenform der Öffnung der Stirnfläche (3) des Zylinder-Gehäuses (1) und der Scheibe (5) so gewählt sind, daß die Kraftlinien des durch die Elektromagnet-Spule (6) erzeugten Magnetfelds zwischen den die Öffnungen aufweisenden Stirnflächen (3, 8) des Zylinder-Gehäuses (1) und des Hohlrings (7) mit den quipotentialflächen des bei Anlegen einer Spannung an den Hohlring (7) erzeugten elektrischen Felds zusammenfallen.
DE19772712829 1977-03-23 1977-03-23 Ionenquelle Expired DE2712829C3 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19772712829 DE2712829C3 (de) 1977-03-23 1977-03-23 Ionenquelle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19772712829 DE2712829C3 (de) 1977-03-23 1977-03-23 Ionenquelle

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2712829A1 true DE2712829A1 (de) 1978-09-28
DE2712829B2 DE2712829B2 (de) 1981-06-11
DE2712829C3 DE2712829C3 (de) 1982-02-04

Family

ID=6004475

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19772712829 Expired DE2712829C3 (de) 1977-03-23 1977-03-23 Ionenquelle

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE2712829C3 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0781921A1 (de) * 1995-12-29 1997-07-02 Societe Europeenne De Propulsion Ionenquelle mit geschlossener Elektronendrift
WO2002069364A2 (en) * 2001-02-23 2002-09-06 Kaufman & Robinson Inc. Magnetic field for small closed-drift thruster
CN111916326A (zh) * 2020-06-09 2020-11-10 哈尔滨工业大学 一种具有防护功能的离子源的导磁套筒结构

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Arzimovisch, L.A.: Plasmabeschleuniger, Moskau 1973, S. 60 *
JP-Z: Proc. Coth Internl. Vacuum Congr. 1974, Japan. J. Appl. Phys. Suppl. 2, Pt. 1, 1974, S. 509-512 *
SU-Z: Zeitschrift f. techn. Physik, Bd. 44, H. 6, Juni 1974, S. 1333 *
US-Z: Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 9, 1963, S. 291-298 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0781921A1 (de) * 1995-12-29 1997-07-02 Societe Europeenne De Propulsion Ionenquelle mit geschlossener Elektronendrift
FR2743191A1 (fr) * 1995-12-29 1997-07-04 Europ Propulsion Source d'ions a derive fermee d'electrons
US5945781A (en) * 1995-12-29 1999-08-31 Societe Nationale D'etude Et De Construction De Moteurs D'aviation Ion source with closed electron drift
WO2002069364A2 (en) * 2001-02-23 2002-09-06 Kaufman & Robinson Inc. Magnetic field for small closed-drift thruster
WO2002069364A3 (en) * 2001-02-23 2003-02-27 Front Range Fakel Inc Magnetic field for small closed-drift thruster
CN111916326A (zh) * 2020-06-09 2020-11-10 哈尔滨工业大学 一种具有防护功能的离子源的导磁套筒结构

Also Published As

Publication number Publication date
DE2712829B2 (de) 1981-06-11
DE2712829C3 (de) 1982-02-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69732364T2 (de) Ionenquelle
DE2264437A1 (de) Mit hochfrequenz-spannung betriebene entladungsvorrichtung
DE2039832A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Beschleunigen von Teilchen
DE10014034C2 (de) Plasma-Beschleuniger-Anordnung
DE3429591A1 (de) Ionenquelle mit wenigstens zwei ionisationskammern, insbesondere zur bildung von chemisch aktiven ionenstrahlen
DE10130464A1 (de) Plasmabeschleuniger-Anordnung
CH696972A5 (de) Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung.
WO2001071185A2 (de) Plasma-beschleuniger-anordnung
DE19853943A1 (de) Vorrichtung für Zerstäubung oder Bogenaufdampfung
EP0631712B1 (de) Verfahren zum beschleunigen elektrisch geladener teilchen
DE1153463B (de) Plasmaerzeuger zur Erzeugung eines kontinuierlichen Plasmastrahls
DE3424449A1 (de) Quelle fuer negative ionen
DE2602078B2 (de) Niederdruck-gasentladungsroehre
DD153018A5 (de) Kathodenstrahlroehre
DE1589487A1 (de) Anordnung zur Erzeugung und Fuehrung eines ElektroAnordnung zur Erzeugung und Fuehrung eines Elektronenstrahles nenstrahles
EP1222677A2 (de) Elektronenstossionenquelle
DE2712829C3 (de) Ionenquelle
DE1218078B (de) Vorrichtung zum Erzeugen und Einschliessen eines Plasmas
DE3438987A1 (de) Auger-elektronenspektrometer mit hoher aufloesung
DE2519537A1 (de) Elektronenkanone fuer heiz-, schmelzund verdampfungszwecke mit ablenksystemen
DE3303677C2 (de) Plasmakanone
DE1074163B (de) Kathodenstrahlröhre mit einem Strahlerzeugungssystem mit Ionenfalle
CH612793A5 (en) Ion-beam source
DE1764062A1 (de) Hochvakuumpumpe
DE2362723C3 (de) Ionenquelle zur Erzeugung einfach und/oder mehrfach geladener Ionen

Legal Events

Date Code Title Description
OAM Search report available
OC Search report available
OD Request for examination
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
8380 Miscellaneous part iii

Free format text: DER VERTRETER IST NACHZUTRAGEN BEETZ SEN., R., DIPL.-ING. LAMPRECHT, K., DIPL.-ING. BEETZ JUN., R.,DR.-ING. HEIDRICH, U., DIPL.-PHYS. DR.JUR., RECHTSANW. TIMPE, W., DR.-ING. SIEGFRIED, J., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN

8339 Ceased/non-payment of the annual fee