DE2805273C3

DE2805273C3 - Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles beschleunigter Ionen durch Kontaktionisation

Info

Publication number: DE2805273C3
Application number: DE2805273A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Phys. Dr. 8057 Eching Liebl
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1978-02-08
Filing date: 1978-02-08
Publication date: 1982-03-18
Also published as: DE2805273B2; FR2417180A1; DE2805273A1; IT7983605A0; GB2014355A; IT1126168B; US4246481A; GB2014355B; FR2417180B1

Description

Die vorliegende F.rfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 23 33 866 bekannt.

Einrichtungen, bei denen ein Ionenstrahl durch Kontaktionisa'iion von Atomen an der erhitzten Oberfläche einer Ionisierungselektrode erzeugt wird und die im folgenden kurz als »tnermische Oberflächen-Ionenqueilen« bezeichnet werden, (vgl. das Fachbuch »Ion Beams« von R. G. Wilson uno G. R. Brewer, Verlag Wiley-Interscience. New York, 1973, S. 26-36 sowie S. 72 — 77) beruhen auf dem Effekt, daß wenn neutrale Atome auf eine Oberfläche auftreffen, die heiß genug ist, daß die Atome nicht an der Oberfläche sorbiert werden, ein Teil der Atome beim Verlassen der Oberfläche ionisiert ist Für den Ionisierungsgrad, also das Verhältnis der Ionen zur Gesamtzahl der die Oberfläche verlassenden Teilchen, gilt das Saha-Langmuir-Gesetz:

Für positive Ionen:

R₊ =

"O

1 + ω₊ exp

/- W

Für negative Ionen:

R =

+ tf_

Elektronenaustrittsarbeit der Oberfläche

Ionisierungsarbeit der Atome

Elektronenaffinität der Atome

Qberfllchentemperatur

Boltzmann-Konstante

statische Faktoren

(für Alkalimetalle ω. =2, für Halogene ω-4).

Ist W-/>0,4 eV bzw. E- W>0,4 eV, dann hat /?₊ bzw. R- nahezu den Wert eins, d. h. fast alle Atome, welche die Oberfläche treffen, dampfen als positive bzw. negative Ionen ab. So wird z. B. Cäsium-Dampf (7=3,88 eV) beim Auftreffen auf eine heiße (1300K) Wolframoberfläche (W=4,54 eV) praktisch völlig positiv ionisiert, während andererseits z. B. Jod-Dampf (£=3,12 eV) beim Auftreffen auf eine heiße Lanthan-Hexaborid-Oberfläche (W= 2,70 eV) fast völlig negativ ionisiert wird. Ähnlich hohe Ionisationsgrade lassen sich auch für die übrigen Alkalimetalle und Halogene erreicheri.

Es ist bekannt, die zu ionisierenden Teilchen (Dampf) entweder von vorn auf die heiße Oberfläche zu leiten oder von hinten durch eine heiße Fritte aus dem betreffenden Material zu der dann porösen Oberfläche diffundieren zu lassen. Die entstehenden Ionen werden dann von der Oberfläche durch ein elektrisches Feld absaugt Die erreichbaren Stromdichten / sind bei den oben aufgeführten Fällen begrenzt durch das Childsche Raumladungsgesetz, das für eine ebene Anordnung lautet:

5,45 x 1(T⁸ Vⁱⁿ-

A cm ^:

V = Beschleunigungsspannung
M = Massenzahl

d = Abstand zwischen ionisierender Oberfläche und
Beschleunigungselektrode

Die maximal anlegbare Spannung ist durch die

jo Überschlagsfestigkeit der Beschleunigungsstrecke begrenzt. Der Dampfdruck in der Beschleunigungsstrecke kann bis zu einem Wert erhöht werden, bei dem die mittlere freie Weglänge etwa gleich dem Abstand d wird Beispielsweise für d= 5 mm ist ein Cs-Dampfdruck bis zu 1 Pa zulässig. Das entspricht einer Stoßzahl von etwa 10¹⁸ Atome cm~²s- , oder umgerechnet einer äquivalenten Teilchenst rondichte von etwa 200 mA cm-². Dies wäre bei ungehinderter Absaugung der Ionen die Sättigungsstromdichte. Aus Gl (3) erhä't man für dieses Beispiel jedocfc mit V=IOkV eine raumladungsbegrenzte Stromdichte von nur etwa 2OmA cm-². Dies ist auch die Größenordnung der maximal bisher erreichten Werte. Das ist zehnmal weniger als die Sättigungsstromdichte.

Die Erniergie der durch eine solche Ionenquelle erzeugten Ionen folgt einer Maxwell-Verteilung entsprechend der Temperatur der Oberfläche. Bei einer 1300 K heißen Oberfläche i it die mittlere Anfangsenergie der Ionen gleich 0,17 uV und ihre Energie-Halbwertsbreite 0,2 ev.

Wegen dieser niedrigen Werte sind thermische Oberflächen-Ionenquellen besonders gut geeignet als Quellen für Ionen-Mikrostrahlen, welche unter Ausnützung der Zerstäubung für Ionenmikroätzungen und Ionenmikroanalyse, oder 'ür Ionenimplantation verwendet werden können. Andere für diesen Zweck verwendete Ionenquellen (Duoplasmatron-Quellen, Feldionenquellen) haben erheblich größere Energiebreiten, was zu einem relativ großen chromatischen Bildfehler bei der Mikrofokussierung durch eine elektrostatische Linse führt. Je kleiner die Energiebreite des Ionenstrahl ist, desto kleiner wird die Fleckgröße für einen gegebenen Strahlstrom in dem Bereich sehr kleiner Fleckgrößen, wo der chromatische Bildfehler überwiegt. Der Strahlstrom ist dann noch proportional dem Richtstrahlwert der Quelle, der seinerseits umgekehrt proportional der Anfangsenergie und proportional der Stromdichte ist.

Ionenstrahlen mit verhältnismäßig kleinen Energiebandbreiten lassen sich zwar durch sogenannte FelddesorptionE-Ionenquellen erzeugen (DE-OS 23 33 866). Bei diesen lonenquellen müssen die zu ionisierenden Atome durch eine Wand der Ionisierungs- ■'. elektrode zu einer Oberfläche diese Elektrode hindurchdiffundieren, an der eine für die Desorption und Ionisierung der hindurchaiffundierten Atome ausreichende Feldstärke herrscht Diese lonenquellen sind daher auf bestimmte Ionenarten beschränkt. Eine κι Feldionenquelle, bei der ein durch die Wandung einer Ionisierungselektrode diffundierendes Gas an einer Spitze dieser Elektrode ionisiert wird, ist auch aus der DE-AS 10 44 295 bekannt

Aus der DE-OS 27 16 202 ist eine ionenquelle r, bekannt, die eine spitze Ionisierungselektrode enthält, die mit einem flüssigen Material, dessen Ionen von der Quelle zu emittieren sind, bedeckt ist. Der Krümmungsradius der Spitze ist derart bemessen, daß sich ein Strahl des flüssigen Metalls bildet Auch diese lonenquellen sind nur für spezielle Materialien verwendbar und außerdem schwierig zu betreiben.

Aus der DE-PS 9 74 827 ist schließlich eine ionenquelle mit einer Glühanode bekannt, der eine Ionen liefernde Substanz über kapillare Kanäle zugeführt wird. Die Glühanode kann aus einem haarnadelförmig gebogenen Glühdraht bestehen. Angaben über den Abstand und die Spannungsdifferenz zu einer nachfolgenden Beschleunigungselektrode werden nicht gemacht

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Oberflächen-Ionenquelle anzugeben, die einen Ionenstrahl mit sehr geringer Energiebandbreite und hoher Stromdichte zu liefern vermag.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art mit den im kennzeichnenden Teil angegebenen Maßnahmen gelöst

Da die heiße ionisierende Oberfläche bei der vorliegenden Einrichtung so stark nach außen konvex gekrümmt ist, daß der Krümmungsradius r klein ist gegen die Beschleunigungsstrecke d, ist die Feldstärke auf der Elektrode in stromlosem Zustand von der Größenordnung V/r, also groß verglichen mit der einer ebenen Anordnung, wo sie V/d ist Dadurch werden die 4> entstehenden Ionen wesentlich schneller von der Oberfläche wegbeschleunigt und die Ausbildung einer strombegrenzenden Raumladung unterbleibt, so daß die Sättigungsstromdichte erreicht werden kann. Andererseits darf aber die Feldstärke an der Oberfläche nicht so hoch sein, daß eine ^eldionisation der Dampfatome eintritt, weil dann die Energiebreite wesentlich höher wäre. Feldionisation tri»t, abhängig von der Dampfart, bei Feldstärken £> 1 V/nm ein. Der richtige Bereich für den Krümmungsradius r ist demnach gegeben durch die i>5 Grenzen

V7£,< r< d (4)

Für V= 10 kV, £,= 1 V/nm, c/=5 mm ist das beispiels

60 10 μιη<r<500μπι

Die Oberfläche der Ionisierungselektrode kann als geheizter Stift mit gerundetem Endt oder wie eine Haarnadelkathode ausgebildet werden. Solche Quellen haben einen nur kleinen virtuellen Durchmesser, wodurch sie sich als Quellen für lonen-Mikrostrahlen sehr gut eignen. Die virtuelle Quellengröße ist proportional r, während der Richtstrahlwert innerhalb der obigen Grenzen nicht von r abhängt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

F i g. 1 eine Teilansicht und

Fig.2 eine etwas vereinfachte Schnittansicht einer Einrichtung gemäß einer Ausführungsform der erfindung.

Die dargestellte Einrichtung enthält einen umgebogenen Heizdraht 2, der ähnlich wie eine Haarnadelkathode ausgebildet ist und dessen Biegung eine runde Kuppe 1 mit einem Krümmungsradius r aufweist. Für die Erzeugung positiver Ionen, z. F Alkalimetall-Ionen, wird ein Heizdraht aus einem Meiail f"oher Austriusarbeit verwendet, z. B. aus Wolfram oder Iridium, so daß die Bedingung W— />0,4eV erfüllt ist. Für die Erzeugung von negativen Ionen wird ein Heizdraht aus einen.· Metall niedriger Austrittsarbeit, wie Hafnium odei Thorium verwendet, oder ein Heizdraht, der mit einer Schicht aus einem Material mit niedriger Austrittsarbeit beschichtet ist, z. B. mit LaB₅, so daß die Bedingung E- W>0,4 eV erfüllt ist.

Im Abstand d ist vor dem Scheitel der Kuppe 1 des Heizdrahtes 2 eine ringscheibenförmige Beschleunigungselektrode 3 angeordnet, deren Außenrand an einem den Heizfaden und dessen Durchführung umgebenden zylindrischen Gehäuse befestigt ist.

Der Heizfaden 2 ist an eine Heizstromquelle 4 und an eine Klerr.rr.e einer Quelle 5 für eine Beschleunigungsspannung V 'angeschlossen. Die andere Klemme der Beschleunigungsspannungsquelle 5 ist mit der 3eschleunigungselektrode 3 verbunden. Die Strom- bzw. Spannungsquelle 4 bzw. 5 können Netzgeräte sein. De zu ionisierenden Atome werden aus einem Vorratsbehälter S durch ein Ventil 7 in eine Ionisationskammer 8 geleitet, in der sich der Heizfaden 2 mit der Kuppe 1 befindet Zur Erzeugung von Alkali- oder Jodionen wird die Anordnung in einem Ofen 9 angeordnet, der die Anordnung einschließlich des im Vorratsbehälter 6 enthaltenen Alkali-Vorrats auf eine solche Temperatur erhitzt, daß an der Oberfläche der Kuppe 1 der gewünschte Dampfdruck der zu ionisierenden Atome herrscht Die Halogene (einschließlich Jod) haben schon bei Raumtemperatur einen genügend hohe.i Dampfdruck im Vorratsbehälter 6.

Diü auf die Oberfläche der Kuppe 1 treffenden Atome werden ionisiert und durch die Spannung V zur Beschleunigungselektrode 3 hin beschleunigt. Durch eine Bohrung 10 tritt der zentrale Teil der Ionen als Strahl It mit der Energie eVin den Vakuumraum der an die tonenquelle angeschlossenen Apparatur ein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zum Erzeugen eines Strahles beschleunigter Ionen aus Atomen durch Kontaktionisation der Atome an der erhitzten Oberfläche einer Ionisierungselektrode und Beschleunigung der an der Oberfläche erzeugten Ionen durch Anlegen einer Beschleunigungsspannung zwischen der Ionisierungselektrode und einer Beschleunigungselektrode, wobei die Oberfläche der Ionisierungselektrode zur Beschleunigungselektrode hin konvex gekrümmt ist und einen Krümmungsradius hat, der klein gegenüber dem Abstand zwischen der Oberfläche der Ionisierungselektrode und der Beschleunigungselektrode ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Beschleunigungsspannung (V), dem Krümmungsradius (r) und dem Abstand (d)d\e folgende Beziehung besteht:

V/Ei<r<d/\0
wobei Ε,=! Volt/Nanometer ist