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Diese Erfindung bezieht sich auf eine
Hohlkathoden-Ionenquelle, die bei plasina-Verarbeitung, bei Ionenimplantation
oder einer Analyse verwendet werden kann und wie sie im
ersten Teil des Anspruches 1 beschrieben wird. Eine
derartige Ionenquelle ist bekannt aus der DE-A-3.038.575.
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Allgemein ist bekannt, daß eine Hohlkathoden-Ionenquelle
derartige Merkmale besitzt, daß deren Elektroden-Struktur
einfach ist, ein Plasma von relativ hoher Dichte erzeugt
wird, und der Betrieb für lange Zeit stabil ist, wodurch
man stabile Ionenstrahlen erhält. Verschiedene Arten von
Hohlkathoden-Ionenquellen wurden vorgeschlagen. Zum
Beispiel offenbart DE-A-3 038 575 eine Ionenquelle mit einer
Hohlkathode, die an einem Ende abgeschlossen ist und
gekühlt wird. DD-A-217 082 offenbart eine Ionenquelle mit
einer Hohlkathode, die ein abgeschlossenes Ende aufweist,
sowie eine an das eine abgeschlossene Ende der Hohlkathode
angrenzend vorgesehene Extraktionselektrode und eine andere
an der gegenüberliegenden Seite der Kathode angeordnete
Elektrode. Das japanische Patent KOKAI JP-A 62-73542, das
nach dem ersten Prioritätsdatum veröffentlicht wurde,
offenbart eine Hohlkathode-Ionenquelle eines "kalten"
Kathodentyps, die eine zylindrische großteils als Kathode
ausgebildete Entladekammer umfaßt, sowie Anoden, die an der
Kathodenelektrode über elektrische Isolationsteile
befestigt sind, einen an der zylindrischen Entladekammer
vorgesehenen Einlaß für ein entladungserhaltendes Gas, eine am
Kathodenabschnitt der zylindrischen Entladekammer
vorgesehene Ionen-Extraktionsöffnung und Mittel zur Kühlung des
Kathodenabschnittes der zylindrischen Entladekammer. Ein
Modellgas (oder Metalldampf) wird durch den Gaseinlaß in
die zylindrische Entladekammer eingeführt und wird
ionisiert durch eine Entladung zwischen den Anoden und der
Kathode, um die gewünschten Ionen zu erzeugen. Die
erzeugten
Ionen werden extrahiert bzw. ausgeblendet durch die
Ionen-Extraktions- bzw. Ausblendeöffnung in einer Richtung
senkrecht zur Axiallinie der Kathode. Durch Zuführen eines
Kühlmittels, wie beispielsweise reinem Wasser oder
ähnlichem, zu der Kühleinrichtung, kann das Sputtern bzw.
Abtragen des Kathodenmaterials beschleunigt werden.
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Da die Ionen-Extraktionsöffnung am Kathodenabschnitt der
zylindrischen Entladekammer vorgesehen ist, kann bei dieser
Art von Hohikathoden-Ionenquelle ein Ionenstrahl, der einen
kreisförmigen Querschnitt mit einem beachtlich großen
Durchmesser besitzt, nicht erreicht werden. Außerdem werden
die Ionen in der Nähe der Kathode beschleunigt, so daß der
Ionenstrahl keine reguläre bzw. einheitliche Energie
besitzt, um ihn einfach durch die Extraktionsöffnung an der
Kathode ausströmen zu lassen, und damit können einige
Nachteile verbunden sein, wenn der Ionenstrahl für eine Analyse
werden soll.
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In der japanischen Patentanmeldung JP-A-273767/86 haben
wir, die Erfinder, eine Hohlkathoden-Ionenquelle
vorgeschlagen, in der ein Ionen-Extraktionsspalt und eine
Öffnung zum Einführen eines Trägergases jeweils an der
Vorderund Rückfläche einer zylindrischen Hohlkathode vorgesehen
sind, eine Extraktions-Elektrode vor dem
Ionen-Extraktionsspalt angeordnet ist, eine erdfreie Floating-Elektrode ist
zwischen dem Ionen-Extraktionsspalt und der
Floating-Elektrode eingefügt und ist mit einem mit dem
Ionen-Extraktionsspalt fluchtenden Spalt versehen, und eine Anode ist
zwischen der Floating-Elektrode und der
Extraktionselektrode eingefügt und ist mit einem mit dem Spalt der
Floating-Elektrode in Verbindung stehenden Spalt ausgestattet.
Argongas oder anderes Trägergas werden durch die Öffnung in
die zylindrische Hohlkathode eingeführt. Das eingespeiste
Trägergas passiert den Ionen-Extraktionsspalt und die
Spalten der Floating-Elektrode und der Anode, und eine
Entladung wird in diesen Spalten erzeugt durch Anlegen einer
geeigneten Entladungsspannung, so daß sich ein Plasma mit
relativ hoher Dichte in den Spalten ausbildet.
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Die vorher vorgeschlagene Hohlkathoden-Ionenquelle besitzt
insofern Nachteile, daß die Entladung leicht zwischen der
Extraktions-Elektrode und der Anode stattfinden kann, wenn
der Grad an Vakuum in der zylindrischen Hohlkathode nicht
ausreichend ist, und demzufolge ist es unmöglich, eine
höhere Spannung am Extraktionsabschnitt anzulegen. Um den
Grad an Vakuum in der zylindrischen Hohlkathode zu
verbessern und damit die höhere Spannung am Extraktionsabschnitt
anzulegen, ist es notwendig, die Menge an in die
zylindrische Hohlkathode einzuführendes Gas zu reduzieren. Wird
jedoch die Menge an einzuführendem Gas reduziert, nimmt der
Gasdruck in der zylindrischen Hohlkathode ab, und dadurch
wird die mittlere freie Weglänge der Elektronen verlängert.
Demzufolge ist die Wahrscheinlichkeit, daß die Elektronen
die Oberfläche der zylindrischen Hohlkathode erreichen,
größer als die Wahrscheinlichkeit, daß die Elektronen mit
den Gas- und Metallatomen kollidieren. Als Folge macht es
also die Reduzierung der Gasmenge schwer, die Entladung in
der zylindrischen Hohlkathode aufrechtzuerhalten. Somit
stellt die vorher vorgeschlagene Hohlkathoden-Ionenquelle
keine ausreichende Gaseffizienz zur Verfügung.
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Es ist deshalb Ziel dieser Erfindung, eine Hohlkathoden-
Ionenquelle zu schaffen, wobei die Nachteile der vorstehend
beschriebenen konventionellen Ionenquelle beseitigt werden,
und ein Ionenstrahl mit kreisförmigem Querschnitt und
einheitlicher Energie mit besserer Effizienz erzielt werden
kann.
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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, eine
Hohlkathoden-Ionenquelle zur Verfügung zu stellen, die eine höhere
Entladungsspannung aufrechterhalten kann und eine hohe
Ionisationsrate liefert.
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Noch ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, eine
Hohlkathoden-Ionenquelle zu schaffen, die mit
Vielstufen-Floating-Elektroden ausgestattet ist, zur Erhöhung der
Plasmadichte.
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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, eine
Hohlkathoden-Ionenquelle zu schaffen, die mit Einrichtungen zur
Steigerung einer Sputterrate und Begrenzung bzw.
Konvergierung des Plasmas in einem Entladedurchgang (discharging
pass) ausgestattet ist.
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Erfindungsgemäß ist eine Hohlkathoden-Ionenquelle
geschaffen mit einer Entladekammer, in welche ein
entladungserhaltendes Gas durch ein Ende davon eingeführt wird, so
daß Ionen erzeugt werden, die durch das andere Ende in
axialer Richtung der Kammer extrahiert werden, und die
dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine zylindrische
Kathode für die Begrenzung der Zylinderkammer enthält, in
welche ein Gasmedium, welches das entladungserhaltende Gas
enthält, eingeführt wird, sowie eine erste an einem Ende
der zylindrischen Kathode angeordnete Anode, die mit einer
Ioen-Extraktionsöffnung für die Extraktion der in der
Entladekammer erzeugten Ionen in der axialen Richtung der
zylindrischen Kathode versehen ist, eine zweite am anderen
Ende der zylindrischen Kathode angeordnete Anode, die
zumindest eine Öffnung zum Einführen des Gasmediums in die
Entladekammer besitzt, elektrische Isolatormittel, die
jeweils zwischen der zylindrischen Kathode und ersten Anode
und zwischen der zylindrischen Kathode und zweiten Anode
angeordnet sind, und eine Einrichtung zur Kühlung der
zylindrischen Kathode.
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Die Größe der Ionen-Extraktionsöffnung an der ersten Anode
kann stufenlos bis (maximal) zur Größe des inneren
Durchmessers der zylindrischen Kathode gewählt werden, und die
Ionen-Extraktionsöffnung kann nicht nur als einfache
Öffnung ausgebildet sein, sondern auch als Mehrloch- bzw. Mehrfachöffnung.
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Der Oberflacheninhalt bzw. -bereich und damit der
Durchmesser der Hohlkathode kann derart gewählt werden, daß sie
die Entladung aufrecht erhalten kann, selbst wenn die darin
einzuführende Gasmenge reduziert wird. Durch Erhöhung des
Flächeninhaltes oder Durchmessers der Hohlkathode kann der
Betrag der Elektronenemission von der Oberfläche der
Hohlkathode gesteigert werden, um die Entladung ohne
Schwierigkeiten aufrechtzuerhalten. Die Menge an Metallatomen kann
ebenso erhöht werden durch Erhöhung des Oberflächeninhaltes
oder Durchmessers der Hohlkathode, was eine Zunahme an
Metallionen bewirkt.
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Die Temperaturerhöhung der Hohlkathode kann unterdrückt
werden, dadurch daß sie direkt gekühlt wird, und eine hohe,
für Kathodensputtern notwendige Entladespannung kann
erreicht werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können die
zwischen der zylindrischen Kathode und der ersten Anode
angeordneten elektrischen Isolatormittel
Vielstufen-Isolatormittel umfassen, und Vielstufen-Floating-Elektroden
können vorgesehen sein, wobei jede Floating-Elektrode
zwischen den angrenzenden Isolatoren angeordnet ist und mit
einem Ionendurchgang für die Führung der Ionen von der
Kathode zu der Ionen-Extraktionsöffnung der ersten Anode
entlang der axialen Richtung der Kathode und für das
Floaten bzw. Schweben zwischen dem einen Ende der Kathode und
der ersten Anode versehen ist.
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Die Vielstufen-Floating-Elektrode kann betrieben werden, um
den Fluß des entladungserhaltenden Gases in den
Extraktionsbereich einzuschränken und das Plasma auf den
Abschnitt der Anode und der vielstufen-Floating-Elektrode zu
begrenzen, wobei die Plasma-Ionisation vergrößert und damit
die Ionisationsrate erhöht wird.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel können Mittel
vorgesehen sein zum Anlegen eines Magnetfeldes an eine Anordnung
aus der Kathode, der ersten Anode und der
Vielstufen-Floating-Elektrode in axialer Richtung der Kathode.
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Durch Anlegen des äußeren Magnetfeldes kann das Plasma
stärker auf der Entladebahn begrenzt sein, was eine
Erhöhung der Ionisationsrate bewirkt.
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Um diese Erfindung klarer verständlich zu machen, wird sie
nachfolgend im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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Fig. 1 eine longitudinale Schnittsansicht ist, die das
Prinzip einer Hohlkathoden-Ionenquelle geinäß
dieser Erfindung zeigt;
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Fig. 2 eine longitudinale Schnittsansicht ist, die
schematisch ein Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung zeigt;
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Fig. 3 eine longitudinale Schnittsansicht ist, die
schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung zeigt;
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Fig. 4 eine longitudinale Schnittsansicht ist, die
schematisch noch ein anderes Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung zeigt;
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Fig. 5 eine longitudinale Schnittsansicht ist, die
schematisch eine weiters Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung zeigt.
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Nun wird auf Fig. 1 der Zeichnungen Bezug genommen, worin
das Prinzip der erfindungsgemäßen Hohlkathoden-Ionenquelle
dargestellt ist. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine
zylindrische Kathode mit einem oberen und einem unteren Ende, an
dem eine obere und untere kreisförmige Anode 2 und 3 über
ringförmige elektrische Isolatoren 4 bzw. 5 vorgesehen
sind. Die obere kreisförmige Anode 2 ist mit einer im
wesentlichen in deren Zentrum liegenden
Ionen-Extraktionsöffnung 2a versehen, und die untere kreisförmige Anode 3
ist ausgestattet mit einem Metalldampf-Einlaß 3b und einem
Modellgas-Einlaß 3b. Am äußeren Umfang der zylindrischen
Hohlkathode 1 ist ein zylindrischer Hitzeschild 6 befestigt
zum Tragen der zylindrischen Hohlkathode 1. In einem
"kalten" Kathodentyp können der zylindrische Hitzeschild 6 und
die zylindrische Hohlkathode 1 gekühlt sein durch Vorsehen
einer Kühlrohr 7 zum Zirkulieren von Kühlmittel, wie
beispielsweise reinem Wasser oder ähnlichem, um den
Hitzeschild 9, wie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien
angezeigt.
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Das durch den Gaseinlaß 3b eingeführte Gas oder das durch
den Metalldampf-Einlaß 3a eingeführte Gas und Metalldampf
wird/werden durch eine Entladung ionisiert, die zwischen
der Hohlkathode 1 und jeder der oberen und unteren
kreisförmigen Anoden 2 und 3 auftritt. Die dadurch erzeugten
Ionen werden durch die Ionen-Extraktionsöffnung 2a der
oberen kreisförmigen Anode 2 extrahiert.
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In dieser Ionenquelle ist die Ionen-Extraktionsöffnung 2a
auf der oberen kreisförmigen Anode 2 vorgesehen, um die
Ionen in axialer Richtung der zylindrischen Hohlkathode 1
zu extrahieren. Somit kann der Durchmesser der
Ionen-Extraktionsöffnung 2a stufenlos maximal bis zur Größe des
inneren Durchmessers der zylindrischen Hohlkathode 1
ausgewählt werden; und der extrahierte Ionenstrahl besitzt eine
einheitliche Energie.
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In Fig. 2 ist eine Hohlkathoden-Ionenquelle entsprechend
einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung dargestellt. Die
dargestellte Ionenquelle umfaßt eine zylindrische
Hohlkathode 10, die von einem an ihrem äußeren Umfang
befestigten,
zylindrischen Kathodenschild 11 gestützt bzw. getragen
wird. Der Kathodenschild 11 besitzt einen Randabschnitt
lla, der mit dem oberen Ende der Hohlkathode 10 im Eingriff
steht, und einen im wesentlichen in demselben Niveau wie
das untere Ende der Hohlkathode 10 positionierten Flansch
11b. Die Hohlkathode 10 und der Kathodenschild 11 werden
auf einem Trägerteil 12 getragen.
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Eine obere Anode 13 mit einem Durchmesser größer als
derjenigen des Kathodenschildes 11 ist einer zylindrischen Haube
bzw. Kappe ähnlich und ist mit einer
Ionen-Extraktionsöffnung 13a im Zentrum der oberen Abschlußwand und einem
Flansch 13b am unteren Ende versehen. Die obere Anode 13
wird auf dem Flansch 11b des Kathodenschildes 11 über einen
ringförmigen Isolator 14 getragen.
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Eine scheibenartige untere Anode 15 besitzt einen
kreisförmigen Vorsprung 15a auf der oberen Fläche, einen
Metalldampf-Einlaß 15b im Zentrum und einen Modellgaseinlaß 15c,
der in einer geringfügig vom Zentrum versetzten Position
ausgebildet ist. Die untere Anode 15 trägt das Trägerteil
12, die Kathode 10, den Kathodenschild 11 und die untere
Anode 13 üner einen ringförmigen Isolator 16.
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Falls die Ionenquelle als "kalter" Kathodentyp verwendet
werden soll, umfaßt sie, wie in Fig. 2 durch gestrichelte
Linien gezeigt, eine Kühlmittel-Kreislaufleitung 17 für die
Zirkulation von Kühlmittel, wie beispielsweise reinem
Wasser oder ähnlichem, rund um die obere Anode 13, um diese zu
kühlen; und die Kathode 10 wird durch Wärmeabstrahlung
gekühlt.
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In der dargestellten Hohlkathoden-Ionenquelle werden das
Gas und wahlweise Metalldampf durch den Gas-Einlaß 15c und
den Metalldampf-Einlaß 15b an der unteren Anode 15 in die
Hohlkathode 10 eingeführt und ionisiert durch eine
Entladung, die zwischen einer Kathodenanordnung bestehend aus
der Kathode 10, dem Kathodenschild 11 und dem Trägerteil 12
und jeder der unteren und oberen Anode 13 und 15
stattfindet, um die Ionen zu erzeugen, die durch die
Ionen-Extraktionsöffnung 13a an der oberen Anode 13 in der axialen
Richtung der Hohlkathode 10 extrahiert werden.
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Beim Einsatz eines "kalten" Kathodentyps wird ein
Kühlmittel, wie beispielsweise reines Wasser oder ähnliches, in
die rund um die obere Anode 13 gewundene Rohr 17
eingeführt, um diese zu kühlen. In diesem Falle, wenn die
Kathode 10 und der Kathodenschild 11 aus Metall hergestellt
sind, das eine erforderliche "Ionensaat" bzw. -elemente
beinhaltet, wie beispielsweise Mo, W, Ni und ähnliche,
werden die Atome des Metalls durch Sputtern in die
Ionenquelle eingespeist und werden ionisiert durch Entladung
zwischen der Kathodenanordnung aus der Kathode 10, dem
Kathodenschild 11 und dem Trägerteil 12 und jeder der
oberen und unteren Anode 13 und 15.
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Fig. 3 zeigt schematisch eine Hohlkathoden-Ionenquelle
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bezugszeichen 20 bezeichnet einen Hohlkathodenkörper, der
aus Nickel, Molybdän, Wolfram und ähnlichem hergestellt
wird. Obere und untere Flansche 21 und 22, die aus
demselben Material hergestellt sind wie der Hohlkathodenkörper
20, sind integriert am oberen und unteren Ende des
Hohlkathodenkörpers vorgesehen, um somit einen Teil der Kathode
auszubilden.
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Auf dem oberen Flansch 21 ist eine kreisförmige obere Anode
23 über einen ringförmigen Isolator 24 vorgesehen. Diese
obere Anode 23 ist mit einer Ionen-Extraktionsöffnung 23a
an einer im wesentlichen in dessen Zentrum durchlaufende
Stelle, d.h. der Achse des Hohlkathodenkörpers 20,
vorgesehen.
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Auf dem unteren Flansch 22 ist eine kreisförmige untere
Anode 25 mit einem ringförmigen Isolator 26 dazwischen
vorgesehen. Die untere Anode 25 ist mit einem Einlaß 25a
des entladungserhaltenden Gases und einem
Metalldampf-Einsatz 25b ausgestattet, wie in Fig. 3 gezeigt. Ein
zylindrisches Schildteil 27 ist auf dem äußeren Umfang des
Hohlkathodenkörpers 20 montiert und wird von einer Kühlrohr 28
für die Zirkulation von Kühlmitteln, wie beispielsweise
reinem Wasser oder ähnlichem, umgeben.
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Beim Betrieb der dargestellten, vorstehend beschriebenen
Ionenquelle wird entladungserhaltendes Gas, wie
beispielsweise Argongas oder ähnliches, und Metalldampf (z.B. Na),
um ionisiert zu werden, durch den Gas-Einlaß 25a bzw. den
Metalldampf-Einlaß 25b in den Hohlkathodenkörper 20
eingeführt, und eine geeignete Entladespannung wird zwischen dem
Hohlkathodenkörper 20 und jeder der oberen und unteren
Anoden 23 und 25 angelegt, um die Entladung im
Hohlkathodenkörper 20 zu starten. Dadurch werden der eingeführte
Metalldampf und das Gas durch Entladung zwischen dem
Hohlkathodenkörper 20 und jeden der oberen und unteren Anode 23
und 25 ionisiert. In diesem Fall wird die Menge an durch
den Metalldampf-Einlaß 25b einzuführendem
Metalldampfrelativ reduziert, um die hohe Entladespannung durch
Verbesserung des Vakuumgrades in dem Hohlkathodenkörper 20 bei
zubehalten, und damit wird die mittlere freie Weglänge der
Elektronen verlängert, um so die Wahrscheinlichkeit, daß
die Elektronen nicht mit dem Gas und dem Metallelement
kollidieren, sondern die Oberfläche des Kathodenkörpers 20
erreichen, zu vergrößern, aber aufgrund des großen
Durchmessers des Hohlkathodenkörpers 20 haben die Elektronen
trotzdem die Tendenz, mit dem Gas und dem Metallelement zu
kollidieren, bevor sie die Oberfläche des Kathodenkörpers
20 erreichen, woraus resultiert, daß die Entladung
aufrechterhalten bleibt. Die dadurch erzeugten Metallionen werden
durch die Ionen-Extraktionsöffnung 23a an der oberen Anode
23 extrahiert.
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In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 sollte verdeutlicht
werden, daß, falls das Metall, woraus der
Hohlkathodenkörper 20 geformt ist, gesputtert und ionisiert wird, dieser
aus demselben Metall hergestellt sein muß, wie den durch
die Metalldampf-Einlaß 25b einzuführende Metalldampf.
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Fig. 4 zeigt eine Hohlkathoden-Ionenquelle gemäß einem noch
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese
Hohlkathoden-Ionenquelle umfaßt einen Hohlkathodenkörper 30, der
aus Nickel, Molybdän, Wolfram und ähnlichem hergestellt
wird. Der Hohlkathodenkörper 30 besitzt einen Flansch 31
- aus demselben Material wie der Hohlkathodenkörper 30 - an
dessen oberen Ende und wird am unteren Ende durch eine
Abschlußlatte 32 begrenzt, die genauso aus demselben
Material wie der Hohlkathodenkörper 30 hergestellt ist. Die
Abschlußplatte 32 ist mit einem Einlaß 32a des
entladungserhaltenden Gases und einem Metalldampf-Einlaß 32b
versehen.
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Auf dem Flansch 31 des Kathodenkörpers 30 sind drei obere
Floating-Elektroden 33, 34 und 35 mit ringförmigen
Isolatoren 36, 37 und 38 vorgesehen. Die direkt oberhalb des
Flansches 31 angeordnete Floating-Elektrode 33 besitzt eine
sich verjüngende oder konvergente Öffnung 33a, die sich
entlang der inneren geneigten Randfläche des Flansches 31
ausdehnt, wie in Fig. 4 gezeigt, und die anderen zwei
Floating-Elektroden 34 und 35 weisen Öffnungen 34a und 35a,
koaxial mit der konvergenten Öffnung 33a der
Floating-Elektrode 33 auf.
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Eine Anode 39 ist auf der obersten Floating-Elektrode 35
über einen ringförmigen Isolator 40 versehen und weist eine
im wesentlichen im Zentrum liegende
Ionen-Extraktionsöffnung 39a auf. Die Ionen-Extraktionsöffnung 39a steht mit
dem Inneren des Hohlkathodenkörpers 30 durch die
entsprechenden Öffnungen 33a, 34a und 35a der Floating-Elektroden
33, 34 und 35 in Verbindung.
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Eine untere Floating-Elektrode 41 ist auf der
Kathodenabschlußplatte 32 über einen ringförmigen Isolator 42
vorgesehen und ist ausgestattet mit Öffnungen 41a und 41b, die
mit dem Gas-Einlaß 32a bzw. dem Metalldampf-Einlaß 32b in
Verbindung stehen.
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Am äußeren Umfang des Hohlkathodenkörpers 30 ist ein
zylindrisches Schildteil 43 befestigt, ähnlich wie im Falle des
Ausführungsbeispiels in Fig.3, und ein Kühlrohr 44 für die
Zirkulation von Kühlmitteln, wie reines Wasser oder
ähnliches, ist spiralförmig um das Schildteil 43 aufgewickelt.
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Die Funktionsweise der in Fig. 4 dargestellten Ionenquelle
wird nachfolgend beschrieben.
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Trägergas, wie beispeilsweise Argongas oder ähnliches, und
Metalldampf, die ionisiert werden sollen, werden in den
Hohlkathodenkörper 30 durch die Öffnungen 41a und 41b der
unteren Anode 41 und durch den Gas-Einlaß 32a bzw. den
Metalldampf-Einlaß 32b eingeführte, und die Entladung wird
gestartet, indem anfangs die oberen Floating-Elektroden 33,
34 und 35 und die obere Anode 39 auf dasselbe Potential
gesetzt werden und anschließend eine Spannung zwischen dem
Hohlkathodenkörper 30 und der oberen Anode 39 angelegt
wird. Sodann werden die Verbindungen von jeder der oberen
Floating-Elektroden 33, 34 und 35 und der oberen Anode 39
von der Seite des Hohlkathodenkörpers 30 nacheinander
gelöst und sobald alle oberen Floating-Elektroden 33, 34 und
35 von der oberen Anode 39 abgetrennt sind, ist die
Entladung stabilisiert zwischen dem Hohlkathodenkörper 30 und
der inneren Grenzfläche der Ionen-Extraktionsöffnung 39a in
der oberen Anode 39. Das dabei erzeugte Plasma strömt
naturgemäß durch die Öffnungen der Floating-Elektroden 33, 34
und 35 aus aufgrund der Differenz zwischen dem äußeren
Druck und dem inneren Druck des Hohlkathodenkörpers 30. In
diesem Zusammenhang, falls die Öffnungen der
Floating-Elektroden fein oder eng sind, fließt das Gas nur spärlich
durch diese Öffnungen, so daß eine hohe Plasmadichte
erreicht werden kann. Demzufolge kann die Ionisationsrate
verbessert werden, um einen dichten Ionenstrahl zu
erhalten.
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Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, wobei die Ionisationsrate weiter verbessert werden
kann durch Anlegen eines Magnetfeldes an der Ionenquelle
von Fig. 4, und dieselben Komponenten wie bei der
Ionenquelle in Fig. 4 werden durch dieselben Bezugszeichen wie
in Fig. 4 gekennzeichnet.
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In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 sind an der Außenseite
einer Anordnung aus dem Hohlkathodenkörper 30, der unteren
Floating-Elektroden 33, 34 und 35 und der oberen Anode 39
sind Mittel 45 vorgesehen, um das Magnetfeld in Richtung
einer Ionenextraktion daran anzulegen. Die Mittel 45 zum
Anlegen eines Magnetfeldes können aus einer geeigneten
Elektromagnet- oder Permanentmagnet-Anordnung ausgebildet
sein. Die magnetische Flußdichte des angelegten
Magnetfeldes nimmt entlang der Öffnungen der oberen
Floating-Elektroden 33, 34 und 35 zu, wie in den Graphen an der oberen
und linken Seite in Fig. 5 gezeigt. Dadurch kann die
Entladungsspannung erhöht werden, so daß die Sputterrate
zunimmt, und das Plasma wird auf die Entladebahn begrenzt
bzw. konvergiert, womit die Ionisationsrate zusätzlich
ansteigt.
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Bei den in Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen
wurden drei Floating-Elektroden als die Vielstufe-Floating-
Elektrode verwendet. Das wird jedoch besonders anerkannt,
daß die Anzahl der Floating-Elektroden beliebig - je nach
Bedarf - gewählt werden kann. Weiters weisen die Öffnungen
der Floating-Elektroden und die Ionen-Extraktionsöffnungen
eine kreisförmige Querschnittsform auf. Diese können jedoch
gemäß dem Ziel der Verwendung in jeder anderen
Querschnittsform ausgebildet sein.
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Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 ist der
Hohlkathodenkörper an seinen beiden Seiten mit den Anoden versehen. Es
sollte klar sein, daß ebenso wie bei den
Ausführungsbeispielen in Fig. 4 und 5 die Anode nur an der oberen Seite
des Hohlkathodenkörpers vorgesehen werden kann.
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Da die Ionen-Extraktionsöffnung in der oberen Anode
vorgesehen ist, kann nach dieser vorstehend beschriebenen
Erfindung der Durchmesser des Ionenstrahls, der ausgeblendet
werden soll, kontinuierlich ausgewählt bis zur Größe des
inneren Durchmessers der Hohlkathode und eine einfache
onen-Extraktionsöffnung oder eine Mehrfachöffnung kann
vorgesehen werden.
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Da die Extraktion der erzeugten Ionen durch die Anode
erfolgt, kann ein Strahl mit einheitlicher Energie erhalten
werden, der nicht nur für eine Analyse, sondern auch für
jede andere Anwendungen eingesetzt werden kann.
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Mit dem Einsatz der Hohlkathode mit einem großen
Durchmesser und der direkten Kühlung der Hohlkathode kann, selbst
wenn die Menge an dem zuzuführenden Gas reduziert wird, die
Entladung aufrechterhalten werden, ebenso kann die Zunahme
der Temperatur der Hohlkathode effektiv unterdrückt werden,
und demzufolge kann der Grad an Vakuum in der Ionenquelle
verbessert werden, so daß die für Kathodensputtern
erfoderliche hohe Entladungsspannung leicht aufrechterhalten und
eine hohe Extraktionsspannung am Ionen-Extraktionsabschnitt
angelegt werden kann.
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Durch das Vorsehen der vielstufen-Floating-Elektrode, die
zwischen der Hohlkathode und der Anode angeordnet ist, kann
der Gasfluß im Extraktionsbereich begrenzt werden und die
Plasmaionisation kann erhöht werden durch die Entladung an
der Anode und der Vielstufen-Floating-Elektrode, wodurch
die Ionisationsrate zunimmt und ein dichter Ionenstrahl
erhalten wird.
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Des weiteren kann mit dem Vorsehen der Mittel zum Anlegen
eines Magnetfeldes die Entladungsspannung erhöht werden, so
daß die Sputterrate mehr erhöht werden und das Plasma in
der Entladebahn effektiv begrenzt werden bzw. konvergieren
kann.
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Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele dieser
Erfindung dienen nur zu Zwecken der Illustration, und der
Bereich der Erfindung soll nur durch die nachfolgenden
Patentansprüche begrenzt werden.