DE2712829C3

DE2712829C3 - Ionenquelle

Info

Publication number: DE2712829C3
Application number: DE19772712829
Authority: DE
Inventors: Jurij Petrovič Maišev
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-23
Filing date: 1977-03-23
Publication date: 1982-02-04
Also published as: DE2712829B2; DE2712829A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Ionenquelle ist bekannt (»Progress in Astronautics and Aeronautics«, Vol. 9, 1963,

S. 291-298).

Am zweckmäßigsten läßt sich die Ionenquelle nach der Erfindung zum Herstellen dünner Filme aas verschiedenen Stoffen durch lonenzerstäubung sowie zur Flächenreinigung durch Ionenätzung anwenden.

Die Ionenquelle nach der Erfindung kann als Injektor geladener Teilchen auch für sonstige Zwecke Verwendung finden.

Bekannt (LA. Arzimovisch et al, Plasmabeschleuniger, Moskau, 1973, S. 60) ist ferner 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 aufweisend, 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 1,33 · 10"²bis 1,33 · 10"³Pa und einer Spannung bis 10 kV einen Ionenstrom bis 1OA 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, d. h. der Strecke zwischen der Kathode und Anode, gleich wahrscheinlich stattfindet und daß die Ionen eine Energie erlangen, die der Potentialdifferenz 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 lonenstrahls verursacht.

Die bekannte Ionenquelle der eingangs genannten Art hat folgenden Aufbau:

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 freien Jochende wird eine Scheibe befestigt, die in der Stirnflächenebene so angeordnet ist, da.3 zwischen der Mantelfläche der Scheibe und der Öffnungswandung der Stirnfläche des Gehäuses ein Ringspalt entsteht. Im Gehäuse sind außerdem zwei Elektromagnet-Spulen angeordnet: Die eine Spule umfaß! 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 als Hohlring mit einem Ringspalt an seiner Stirnfläche ausgebildet, koaxial im Zylinder-Gehäuse angeordnet und an der geschlossenen Stirnfläche des Gehäuses befestigt. Im Kathodenschirm ist ein Ringspalt für Elektronenaustritt gegenüber dem Ringspalt vorgesehen, der durch die Scheibenmantelfläche und die Öffnungswandung der Stirnfläche des Gehäuses gebildet ist.

Bei dieser Ionenquelle 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. 3 >

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 Kathodenschinn 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 ßewegungsrichtung des erzeugten lonenstroms, 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. Bsi 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 lonenstroms wird durch die angelegte Spannung und den Abstand zwischen der Plasmagrenze und der Beschleunigungselektrode bestimmt. Ferner wird die Dichte des durch die öffnung in der Beschleunigungselektrode fließenden Stroms durch die Eigen-Raumladung des Ionenstrahl selbst beschränkt, deren Wirkung eine Zerstreuung des Ionenstrahl hervorruft, weshalb die Erzeugung geformter lonenstrahlen von hoher Intensität erschwert wird, was gerade ein wesentlicher Mangel der oben beschriebenen Ionenquelle ist.

Darüber hinaus erfolgt die Extraktion und Formung des Ionenstrahl mit Hilfe eines Mehrelektrodensystems, an dem Verluste des lonenstroms entstehen.

Zu den Nachteilen der genannten Ionenquelle gehören ferner komplizierte Bauart, großes Gewicht, sperrige Außenmaße und komplizierte Bedienung (erschwerte Justierung, große Anzahl der Speisequellen).

Bekannt (CH. Weissmantel et al, New Developments in Ion Beam Sputtering and Etching Techniques, Proc. 6th Intern!. Vacuum Congr. 1974, Japan. J. Appl. Phys. Suppl. 2, Pt. 1, 1974 S. 509-512) ist ferner eine Ionenquelle, deren Gehäuse einen Hohhylinder 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 hoher Innenzylinder befestigt. Der Innenzylinder und das Gehäuse sind so zueinander angeordnet, daß die der Stirnfläche des Gehäuses gegenüberliegenden Enden in einer Ebene liegen. An diesen Enden 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 Ai.tikathode, 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 Entladungskaminer eingeführt. Die Ionenquelle ist im Magnetfeld so angeordnet, daß die magnetischen Kraftlinien längs der Gehäuseachse verlaufen.

Bevor die von der Oberfläche der heißen Kathode emittierten Elektroden an die Anode gelangen, ionisieren sie auf ihrer Bahn den Arbeitsstoff (Argongas). In der Entladungskarnmer 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 Bünde! geformt. Dabei gelangen die Ionen teilweise auf die Beschleunigungselektrode und schlagen Sekundärelektronen heraus, die entgegen dem lonenstrom beschleunigt werden, auf die Oberfläche der Entladungskammer, der Kathode und Anode prallen, sie erwärmen und schließlich zerstören. Beim Durchgang des Ionenstrahl durch das Restgas wird dieser ionisiert, wobei die nun entstehenden Elektronen gleich den Sekundäreiektronen unbehindert auf die Oberfläche 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 extrahierten lonenstroms 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 lonenstroms durch die Eigen-Raumladung des Ionenstrahls selbst begrenzt.

Die Wirkung der Eigen-Raumladung verursacht ein Streuen des Ionenstrahls, wodurch die Erzeugung zweckmäßig geformter lonenstrahlen hoher Intensität erschwert wird.

Schließlich ist bekannt (W. A. Nikilishij et al. Der Austritt von Ionen in Vakuum aus in gekreuztem elektro-magnetischem Feld kontrahierter Ladung, Zeitschrift f. techn. Physik, Band 44, 1974, Heft 6, Juni, S. 1333) 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 Mantelfläche 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 lonenstrahls eine Beschleunigungselektrode vorgesehen. Die Beschleunigungselektrode ist als eine ι 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,

κι eingeführt.

Das Arbeitsprinzip dieser Ionenquelle besteht im folgenden:

Die von der Oberfläche der geheizten Kathode emittierten Elektronen bewegen sich längs der Kraftli-

\^r: nien des elektrischen Felds innerhalb des Gehäuses zur Anode, !m 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 Ionenstrahl ist gering, da die Eigen-Raumladung des Ionenstrahl die Extraktion der Ionen von der Plasmaoberfläche erschwert und eine Steigerung der Dichte des lonenstroms behindert. Die Gegenwart der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls erschwert das Formen

in des Ionenstrahl, wodurch Verluste des lonenstroms an der Beschleunigungselektrode entstehen.

Die beim Beschüß der Beschleunigungselektrode mit Ionen erzeugten Sekundärelektroden zerstören die Stirnfläche des Gehäuses mit der runden öffnung.

j5 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 Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der angeführten Mangel der genannten lonenquellen eine Ionenquelle zu entwickeln, in der eine Intensitätssteigerung des Ionenstrahls durch Kompensation der Eigen-Raumladung des Ionenstrahls während dessen Erzeugung erfolgt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Lehre des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.
Die Ausführung der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses und des Stabs mit der Scheibe aus weichmagnetischem Material gestattet, in der Erzeugungs- und Formungszone des Ionenstrahl ein radiales Magnetfeld zu erzeugen, dessen Kraftlinien senkrecht zu den Kraftlinien des die Ionen beschleunigenden 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 Ionenstrahl kompensiert

Die Anordnung der Glüh-Kathode vor der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses ermöglicht die Erzeugung eines Elektronenstroms zum weiteren Ausgleich der Eigen-Raumladung des lonenstrahls.
Außerdem ermöglicht die Glüh-Kathode eine Stromneutralisation des lonenstrahls auf dem Target (Werkstück).

Die Erfindung wird vorteilhaft weitergebildet durch die Lehre des Patentanspruchs 2.

Auf diese Weise werden optimale Bedingungen für die Kompensation der Eigen-Raumladung des lonenstrahls geschaffen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenquelle im Längsschnitt;

F i g. 2 schematisch die Ionenquelle in Pfeilrichtung A;

Fig. 3 schematisch den Schnitt lll-!ll 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 Ionenquelle zur Erzeugung eines hohlzylindrischen Ionenstrahl 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 aus Stahl mit Kohlenstoff bis 0,1 %, Silizium bis 0,2% 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 Öffnungswandung 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 24 000 bis 40 000 A/m Feldstärke erzeugt, wobei das radiale Magnetfeld im Ringspalt 80 000 bis 120 000 A/m beträgt.

Im Gehäuse 1 ist koaxial zum Stab 4 ein Hohlring 7 mit einem rvingspsit in ucr otirnuäCnc 8 gegenüber dern Ringspalt der Stirnfläche 3 des Gehäuses 1 angeordnet Der Hohlring 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 Hohlrings 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

ίο Anode 10 zu verlängern und damit auch den lonisationsgrad des Arbeitsstoffs 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 Ionenstrahl im Erzeugungsbereich des Ionenstrahls kompensiert. Folglich muß die Glüh-Kathode 11 genügend viel Elektronen emittieren, weshalb sie aus einem beliebigen entsprechenden 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 Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ionenquelle beträgt dieser Abstand 25 bis 40 mm bei einer Feldstärke des radialen Magnetfelds von 80 000 bis 120 000 A/m. Bei diesem Abstand ist eine Einwirkung der durch die Elektromagnet-Spule 6 erzeugten Streufelder auf die von der Oberfläche der Glüh-Kathode 11 emittierten Elektronen praktisch ausgeschlossen. Der Durchmesser der Glüh-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.

Eine Hochspannungs-Quelle (nicht gezeigt) ist mit » + « an den Hohlring 7 und » —« an das Gehäuse 1 angeschlossen, so daß die Stirnfläche 3 mit der Öffnung und die Scheibe 5 ein Mittel zum Extrahieren und Beschleunigen der Ionen werden, die im Hohlring 7 erzeugt worden sind. d. h. sie bilden eine Beschleunigungselektrode.

Die Form dieser Beschleunigungselektrode und des üchirings 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 F i g. 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 Kantenform der öffnung der Stirnfläche 3 des Gehäuses 1 und der Scheibe 5 sowie die Kantenform der öffnung im Hohlring 7 gemäß F i g. 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 F i g. 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 beschriebenen Ionenquelle besteht im folgenden:

Zunächst wird die Ionenquelle an eine Arbeitsvaku-Lmkammer (in F i g. 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 1,33 · 10~³ Pa 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 1,33-2,66 ■ ΙΟ-² Pa 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 Hohlring 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 ! iohlrings 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 Beschleunigungselektrode 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 lonenstroms bei gleichem Abstand von der Beschleunigungselektrode 2:ur Plasmagrenze kann man durch eine Erhöhung der Plasmakonzentration und eine Einwirkungsverringerung der Eigen-Raumladung des Ionenstrahl auf dessen Divergenz auf der Strecke zwischen der Plasmagrenze und der Beschleunigungselektrode erreichen.

Eine Neutralisierung der Eigen-Raumladung des

ίο Ionenstrahl im Beschleunigungszwischenraum erreicht man durch Einführung eines Elektronenstroms von der Glüh-Kathode 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 ii emittierten Elektronen werden durch die angelegte Spannung entgegengesetzt zur Richtung des lonenstroms 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 Ionenstrahl kompensiert.

Um die Elektronen wirksam festzuhalten, müssen die magnetischen Kraftlinien des durch die Elektromagnet-Spule 6 erzeugten radialen Magnetfelds mit den Äquipotentialflächen des elektrischen Felds im Beschleunigungszwischenraum zusammenfallen.

Die Feldstärke des Magnetfelds im Ringspalt der Beschleunigungselektrode übersteigt einen gewissen kritischen Wert, der von der Größe der Beschleunigungsspannung in der Beschleunigungszone abhängt. Nur unter dieser Bedingung laufen die Elektronen in der Nähe der die Ionen emittierenden Fläche, d. h. der 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 Ionenstrahl am Strahl entlang zu wandern, gelangen in die Beschleunigungszone und kompensieren teilweise die Eigen-Raumladung des Ionenstrahl 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 3,99 · 10"²-1,33 ■ 10~³ Pa die beim Durchlaufen des Restgases gebildeten Elektronen zum Kompensieren der Eigen-Raurriiauung ues loncnstrahls 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 kana

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 Il bei der Emissionstemperatur 30-40 V beträgt, wobei der Pluspol ( + ) der Stromversorgung der Glüh-Kathode Il 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 Ionenstrahl am Target verwirklichen läßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

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 einem innerhalb des Zylinder-Gehäuses koaxial zu diesem angeordneten, die Ring-Kathode umgebenden Hohlring,

— der mit einem Ringspalt an seiner Stirnfläche zum Ringspalt der Stirnfläche des Zylinder-Gehäuses hin gerichtet ist,

— mit einer innerhalb des Gehäuses koaxial zu ihm angeordneten Elektromagnet-Spule und

— mit einer Ionen-Beschleunigungseinrichtung,

— bei der das Zylinder-Gehäuse mit den Stirnflächen und der Stab mit der Scheibe aus weichmagnetischem Material bestehen,

dadurch gekennzeichnet,

— daß im vom Zylinder-Gehäuse (1) elektrisch isolierten, aus nichtmagnetischem Material bestehenden Hohlring (7) auch die Ring-Anode (10) angeordnet ist,

— daß die Ionen-Beschleunigungseinrichtung dadurch ausgebildet ist,

— daß eine Beschleunigungsspannung anliegt zwischen

— einerseits dem Hohlring (7) und

— andererseits der die Axialöffnung enthaltenden Stirnfläche des Zylindergehäuses (1) und der Scheibe (5) und

— daß außerhalb des Zylinder-Gehäuses (1) nahe dessen Stirnfläche (3) mit dem Ringspalt koaxial zu diesem eine Glüh-Kathode (11) angeordnet ist.

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 (I) und des Hohlrings (7) mit den Äquipotentialflächen des von der Beschleunigungsspannung erzeugten elektrischen Felds zusammenfallen.