DE3632340A1

DE3632340A1 - Induktiv angeregte ionenquelle

Info

Publication number: DE3632340A1
Application number: DE19863632340
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Mueller
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1986-09-24
Filing date: 1986-09-24
Publication date: 1988-03-31
Anticipated expiration: 2006-09-25
Also published as: EP0261338A2; DE3632340C2; DE3789478D1; EP0261338A3; EP0261338B1; US4849675A; JPS63184233A

Description

Die Erfindung betrifft eine induktiv angeregte Ionenquelle nach dem Ober begriff des Patentanspruchs 1.

Mit Hilfe von Ionenquellen wird ein Strahl von Ionen, d.h. von elektrisch geladenen Atomen oder Molekülen, erzeugt. Die den jeweiligen Anfor derungen angepaßten verschiedenen Typen von Ionenquellen benutzen zur Ionisation neutraler Atome oder Moleküle meist eine Form der Gasent ladung.

Die älteste, sehr einfache Ionenquelle, ist die Kanalstrahl-Ionenquelle oder Kanalstrahlröhre. Hierbei "brennt" zwischen zwei Elektroden, die eine Spannung von einigen 1000 Volt führen, eine Gasentladung bei einem Druck von 10^-1 bis 1 Pa, in der die Ionisation durch Elektronen- oder Ionenstoß erfolgt. Diese Ionenquelle, bei der die Elektroden in das Plasma eintauchen, wird auch Ionenquelle mit kapazitiver Anregung bezeichnet.

Eine andere Art der Ionenerzeugung wird mit Hilfe der Hochfrequenz-Ionen quelle realisiert. Hierbei werden die Ionen durch eine Hochfrequenzentla dung im MHz-Bereich bei etwa 10^-2 Pa erzeugt, die zwischen zwei beson ders geformten Elektroden brennt oder von einer äußeren Spule erzeugt wird. Die Ionen werden mittels einer besonderen Extraktionsmethode aus dem Plasma herausgezogen und fokussiert (H. Oechsner: Electron cyclotron wave resonances and power absorption effects in electrodeless low press ure H.F. plasmas with superimposed static magnetic field, Plasma Physics, 1974, Band 16, S. 835 bis 841).

Nachteilig ist bei den bekannten Ionenquelle mit induktiver Anregung in dessen, daß sie eine erhebliche HF-Verlustleistung besitzen. Diese HF- Verlustleistung tritt dadurch auf, daß die HF-Spule, die um das Gefäß ge schlungen ist, in welchem sich das Plasma befindet, an den HF-Generator angepaßt werden muß. Zwischen dem HF-Generator und der HF-Spule ist zu diesem Zweck ein Anpaßnetzwerk vorgesehen, das die Generatorleistung an die Verbraucherleistung, d.h. an die Spulenleistung anpaßt. Diese An passung besteht darin, daß der Wellenwiderstand der durch das Plasma be lasteten Spule in den Wellenwiderstand der Senderleitung transformiert wird. In der Anpaßschaltung tritt hierbei eine Verlustleistung von 20% bis 50% der vom HF-Generator abgegebenen Gesamtleistung auf.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Ionenquelle mit induktiver Anregung besteht darin, daß die Anbringung von Zusatzmagneten in der Umgebung des Gefäßes, in dem sich das Plasma befindet, erschwert ist, weil die HF- Spule relativ viel Raum beansprucht und weil sich die Magnete im Magnet feld der HF-Spule aufheizen. Derartige Zusatzmagnete werden benötigt, um das Plasma von bestimmten Stellen der Gefäßwand fernzuhalten oder um das Plasma zu verdichten (vergl. EP-A-01 69 744).

Schließlich ist auch die Kühlung der Spulen aufgrund des Umstands proble matisch, daß diese Spulen einerseits hohl und mit Kühlwasser durchspült und andererseits auf HF-Potential liegen, wodurch platzaufwendige Poten tialabbaustrecken benötigt werden, um das Potential von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert zu bringen. Da der Potentialabbau in der Regel über eine Verlängerung der Spule erfolgt, tritt eine erhöhte Verlustlei stung auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer induktiv ange regten Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine An ordnung zu schaffen, welche auf ein besonderes Anpaß-Netzwerk verzichtet.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan spruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Leistungsverluste einer induktiv angeregten Ionenquelle erheblich reduziert werden können. Außerdem ist es möglich, das Kühlwasser problemlos auf Erdpotential zu- und abzuführen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der äußeren mechanischen Form der erfindungsgemäßen Ionenquelle;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Schal tungsanordnung;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Ionenquelle mit den zugehörigen elektrischen Anschlüssen.

In der Fig. 1 ist ein evakuiertes Gefäß 1 dargestellt, das mit einer elek trisch leitenden Hochfrequenz-Spule 2 umgeben und mit einer oberen kreis ringförmigen Abschlußplatte 4 abgeschlossen ist. Die Enden 5, 6 der Hoch frequenzspule 2 sind über entsprechende Durchbrüche in der unteren Ab schlußplatte 4 auf ein nicht dargestelltes Kühlsystem geführt. Dieses Kühl system bewirkt, daß durch das Ende 5 der als Hohlrohr ausgebildeten Hoch frequenzspule 2 eine Kühlflüssigkeit eingeführt und durch das Ende 6 die ser Spule 2 wieder herausgeführt wird. Das Ein- und Ausströmen der Kühl flüssigkeit ist hierbei durch die Pfeile 7 und 8 angedeutet. Als Kühlflüssig keit wird vorzugsweise Wasser verwendet. Die Hochfrequenzspule 2 hat in dem Ausführungsbeispiel 9 Windungen, einen Durchmesser von ca. 120 mm und eine Höhe von ca. 130 mm. Ihre Länge beträgt λ/2, wobei λ auf die Frequenz eines Hochfrequenzgenerators bezogen ist. Unter Spulenlänge wird die Länge des ausgezogenen Spulendrahts verstanden und nicht etwa die Spulenlänge. Es versteht sich, daß die Hochfrequenz-Spule 2 auch andere als die hier angegebenen Abmessungen haben kann. Außerdem muß sie nicht um das Gefäß 1 geschlungen sein, sondern kann sich beispielsweise auch an der Innenwand des Gefäßes 1 befinden oder in die Gefäßwand in tegriert sein. An der Unterseite des Gefäßes 1 ist ein Stutzen 9 vorgese hen, durch den das zu ionisierende Gas in das Gefäß 1 gelangt. Die elek trische Einkopplung der HF-Leistung erfolgt über ein mit einem Hoch frequenz-Generator verbundenes Kabel 10, das mit einer Schelle 11 an die Spule 2 angeschlossen ist.

In der Fig. 2 ist, von den Abschlußplatten 3, 4 abgesehen, im wesentlichen die elektrische Schaltung der erfindungsgemäßen Ionenquelle dargestellt. Sind die Abschlußplatten 3, 4 ihrerseits gut leitend miteinander verbunden, so können die Spulenenden 5, 6 auch an einer eigenen Platte 3, 4 allein befe stigt sein. Man erkennt in der Fig. 2 einen über eine Leitung 22 geerdeten Hochfrequenz-Generator 12, der über das Kabel 10 an die Hochfrequenz- Spule 2 angeschlossen ist. Der elektrische Anschlußpunkt des Generators 12 ist mit 13 bezeichnet. An einer anderen Stelle der Spule 2 befindet sich ein weiterer elektrischer Anschlußpunkt 14, an den ein Kondensator 15 mit veränderlicher Kapazität angeschlossen ist. Dieser Kondensator kann jedoch auch weggelassen werden, wenn die Resonanzfrequenz des aus der Spule 2 und dem eingeschlossenen Plasma genau auf die Frequenz des Hochfrequenz-Generators 12 abgestimmt ist. Der HF-Generator 12, die untere Abschlußplatte 4 und der Kondensator 15 sind über die Leitungen 22, 21, 23 mit Erde bzw. Masse verbunden. Die Erdung erfolgt vorzugsweise über ein kurzes, breites und gut leitendes Kabel, das z.B. aus Silber be steht.

Die Spule hat, hochfrequenzmäßig betrachtet, nicht nur eine Induktivität, sondern auch eine ihärente Kapazität. Induktivität und Kapazität bilden zu sammen die Resonanz-Frequenz der Spule 2, wobei sich die Induktivität und die Kapazität über den sogenannten Induktionsbelag und den Kapazi tätsbelag bestimmen. Die Spule 2 ist folglich als ein Wellenleiter aufzu fassen, auf dem sich Wellen vom Lecher-Typ ausbreiten (vergl. K. Simonyi: Theoretische Elektrotechnik, Berlin 1956, S.313-363 oder H.-G. Unger: Elektromagnetische Wellen auf Leitungen, Heidelberg, 1980). Die Wen delung der Spule 2 ist gegenüber ihrer Drahtlänge hierbei als eine unter geordnete Einflußgröße zu betrachten.

Auf die Resonanzfrequenz der Hochfrequenz-Spule 2, die durch die im Ge fäß 1 befindlichen Ionen beeinflußt werden kann, wird die Ausgangsfre quenz des HF-Generators 12 gelegt. Somit wird die gesamte verbrauchte Leistung im Resonanz-Kreis und nicht an einer Impedanz-Anpassung ver braucht; d.h. es tritt praktisch keine Verlustleistung auf. Eine Leistungsan passung in dem Sinn, daß die Leistung des Hochfrequenz-Generators 12 optimal auf die Spule 2 gegeben wird, ist hiermit noch nicht verbunden. Diese Leistungsanpassung ist jedoch mittels einer geeigneten Wahl des An schlußpunktes 13 der Leitung 10 an die Spule 2 möglich. Der Anschluß punkt 13 wird so ausgewählt, daß der Quotient aus Spannung und Strom an dem Punkt 13 gleich dem Wellenwiderstand der Leitung 10 ist. Mißt man diesen Quotienten fortlaufend und vergleicht ihn mit dem bekannten Wel lenwiderstand, so kann mit Hilfe einer Regelschaltung ein elektrischer An trieb so gesteuert werden, daß er den Punkt 13 stets in eine Position bringt, in welcher die oben erwähnte Bedingung gilt. Auf diese Weise ist es möglich, die Leistungsanpassung zu automatisieren.

Bei der Darstellung der Fig. 2 ist der Hochfrequenz-Generator 12 keines wegs kurzgeschlossen, wie es bei einer niederfrequenzmäßigen Betrachtung den Anschein haben könnte. Vielmehr ist das gerade Stück der Spule 2, das vom Anschlußpunkt 13 bis zur Platte 4 reicht, mit einem Induktivitäts- und einem Kapazitätsbelag behaftet, der einen hochfrequenzmäßigen Kurz schluß verhindert.

Statt die Frequenz des Frequenzgenerators 12 auf die Eigen- oder Reso nanzfrequenz der Spule 2 zu legen, ist es auch möglich, die Resonanzfre quenz der Spule 2 an die vorgegebene Frequenz des Hochfrequenz-Genera tors 12 anzupassen. Hierzu ist der Kondensator 15 vorgesehen, der an die Spule 2 angeschlossen ist. Durch Verstellen dieses Kondensators 15, der an den Symmetriepunkt 14 der Spule 2 angeschlossen ist, wird die Resonanz frequenz des Systems Spule 2 / Kondensator 15 verändert. Mittels dieser Änderung der Resonanzfrequenz kann der Einfluß der Ionen auf die Spulen- Resonanzfrequenz ausgeglichen werden.

Wird die Spule 2 bzw. das System Spule 2 / Kondensator 15 mit einer Wechselspannung beaufschlagt, deren Frequenz gleich der Resonanzfrequenz der Spule 2 bzw. des Systems Spule 2 / Kondensator 15 oder einer Harmo nischen hiervon ist, so sind die momentanen Ströme und Spannungen auf der Spule 2 wie ganzzahlige Vielfache von halben Wellenlängen verteilt. Dabei kommen auf den Spulenenden 5, 6 stets Strombäuche und Spannungs knoten zu liegen; d.h. die Spulenenden 5, 6 befinden sich auf Erdpotential. Das Kühlwasser kann also problemlos auf Erdpotential zu- und abgeführt werden. Bei Resonanz gibt es auf der Spule immer mindestens zwei Punkte, an denen das Verhältnis von Spannung und Strom gleich dem Wellenwider stand der Leitung 10 ist. Schließt man die Leitung 10 an einen solchen Punkt 13 an, so wird die Leistung des Hochfrequenzgenerators 12 verlust frei eingekoppelt. Durch Verschieben dieses Einkoppelpunktes 13 ist es möglich, Veränderungen der Eigenfrequenz der Spule 2, die sich durch ver schiedene Plasmadichten, d.h. verschiedene Belastungen der Spule 2, erge ben, auszugleichen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird die gesamte auftretende mag netische Feldenergie in der Spule 2 konzentriert, so daß deren Magnetfeld das Plasma sehr effektiv zusammenhält und komprimiert. Natürlich kann die Spule auch anders, z.B. mäanderförmig, ausgebildet sein, um andere Feldkonfigurationen, z.B. ein "cusp"-Feld oder multipolares Feld zu erzeu gen, wie es in der Fig. 2 der EP-A-01 69 744 gezeigt ist.

In der Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Anordnung noch einmal im Schnitt dargestellt. Das Gefäß 1, das zylindrisch ausgebildet ist und aus einem chemisch inerten Material besteht, ist von der Spule 2 umgeben und weist an seinem oberen Ende ein Extraktionsgittersystem 16 auf, das mit einem Extraktionsnetzteil 17 verbunden ist. An dem unteren Ende des Gefäßes 1 ist der Einlaßstutzen 9 mit seinem Gaszufuhrkanal 18 vorgesehen. Wird im Entladungsraum 19 des Gefäßes 1 ein Druck zwischen etwa 2×10^-2 Pa und 50 Pa eingestellt, so kann über die Anschaltung des Hochfrequenz- Generators 12 eine Entladung gezündet werden. Die hierbei entstehenden Ionen werden durch das Extraktionsgittersystem 16 abgesaugt, wenn an diesem Gittersystem 16 eine geeignete Spannung des Extraktionsnetzteils 17 anliegt. Das Extraktionsgittersystem 16 liegt - im Gegensatz zu den kreisringförmigen Abschlußplatten 3, 4, die über die Leitungen 20, 21 geer det sind bzw. im Gegensatz zum Hochfrequenz-Generator 12, der über die Leitung 22 geerdet ist - nicht an Erdpotential.

Obwohl bei der Erfindung Resonanzerscheinungen eine wichtige Rolle spie len, unterscheidet sie sich dennoch von anderen Schaltungen für induktiv gekoppeltes Niederdruckplasma, die ebenfalls mit Resonanzen arbeiten, er heblich. Bei dem oben bereits angegebenen bekannten Resonanzinduktor muß eine Anpassung mittels Kapazitäten und Induktivitäten vorgenommen werden. Aber auch bei einer Speisung der Spule bzw. des Induktors über eine unsymmetrische Leitung, beispielsweise ein Koaxialkabel, muß dieses Kabel symmetriert und an die Induktorimpedanz angepaßt werden. Bei der vorliegenden Erfindung entfallen Anpassungsnetzwerke und Impedanztransfor mationen. Weder ist eine Impedanztransformation mittels HF-Übertrager, noch über eine π-Transformation oder eine T-Transformation erforderlich.

Claims

1. Induktiv angeregte Ionenquelle mit einem Gefäß für die Aufnahme von zu ionisierenden Stoffen, insbesondere von Gasen, wobei die zu ionisieren den Stoffe von einem Wellenleiter umgeben sind, der mit einem Hoch frequenzgenerator in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (5, 6) des Wellenleiters (2) auf gleichem Potential liegen, daß ferner der eine Anschluß (10) des Hochfrequenzgenerators (12) an einer Stelle (13) mit dem Wellenleiter (2) verbunden ist, die sich zwischen den beiden Enden (5, 6) des Wellenleiters (2) befindet und daß der andere Anschluß (22) des Hochfrequenzgenerators (12) auf dem gleichen Poten tial wie die Enden (5, 6) des Wellenleiters (2) liegt.

2. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Länge des Wellenleiters im wesentlichen n ×λ/2 beträgt, wo bei λ auf die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) bezogen ist.

3. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) der Eigenfrequenz des aus dem Wellenleiter (2) und dem zu ionisierenden Stoff bestehenden Systems entspricht.

4. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Potential, auf dem die Enden (5, 6) des Wellenleiters (2) und der eine Anschluß (22) des Hochfrequenzgenerators (12) liegen, Endpoten tial ist.

5. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Wellenleiter (2) das Gefäß (1) für die Aufnahme der zu ionisierenden Stoffe von außen umgibt.

6. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Wellenleiter (2) in das Gefäß (1) integriert ist.

7. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Wellenleiter (2) an der Innenwand des Gefäßes (1) angeord net ist.

8. Induktiv angeregte Ionenquelle nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2) eine Spule ist.

9. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) auf die Eigen frequenz des aus dem Wellenleiter (2) und dem zu ionisierenden Stoff bestehenden Systems abgestimmt ist.

10. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Eigenfrequenz des aus Wellenleiter (2) und zu ionisierendem Stoff bestehenden Systems auf die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) abgestimmt ist.

11. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Abstimmung der Eigenfrequenz des aus dem Wellenleiter (2) und dem zu ionisierenden Stoff bestehenden Systems mit Hilfe eines variab len Kondensators (15) erfolgt.

12. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) mit der Frequenz einer Harmonischen der Spule (2) des aus Wellenleiter (2) und zu ionisie rendem Gas bestehenden Systems übereinstimmt.

13. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Spule (2) als Hohlrohr ausgebildet ist, durch das ein Kühl mittel strömt.

14. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Punkt (13) für die Einspeisung der Hochfrequenzleistung des Hochfrequenzgenerators (12) in den Wellenleiter (2) so gewählt wird, daß an ihm der Quotient aus Spannung und Stromstärke im jeweiligen Betriebs zustand der Ionenquelle gleich dem Wellenwiderstand der Generatorleitung (10) ist.

15. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß die Einstellung des Punktes (13) für die Einspeisung der Hochfre quenzleistung automatisch erfolgt.

16. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß der Anschluß des Kondensators (15) im elektrischen Symmetrie punkt (14) des Wellenleiters (2) erfolgt.

17. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Gefäß (1) die Form eines Hohlzylinders aufweist und mit einer oberen und einer unteren Abschlußplatte (3 bzw. 4) abgeschlossen ist, wobei die obere Abschlußplatte (3) mit einem Extraktionsgitter (16) und die untere Abschlußplatte (4) mit einem Öffnungsstutzen (9) für die Gaszufuhr versehen ist.

18. Induktiv angeregte Ionenquelle nach den Ansprüchen 4 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (5, 6) des Wellenleiters (2) über eine Ab schlußplatte (3 bzw. 4) geerdet sind.

19. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß der eine Anschluß des Kondensators (15) an der Spule (2) und der andere Anschluß dieses Kondensators (15) an Erde liegt.

20. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Gefäß (1) aus chemisch inertem Material besteht.

21. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß das Kühlmittel Wasser ist.

22. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Wellenleiter (2) zusätzlich von einem Gleichstrom durch flossen ist, der ein die Ionen führendes Magnetfeld erzeugt.

23. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Länge des als Hohl- oder Massivdraht ausgebildeten Wellen leiters (2) einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänger der Ausgangs spannung des Hochfrequenzgenerators (12) entspricht.