DE4419970A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener Ionen - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener IonenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von
intensiven Strahlen hochgeladener Ionen gemäß Oberbe
griff des Anspruches 1.
Es ist beispielsweise bekannt, Strahlen hochgeladener
Ionen mit guter Ausbeute aus Elektronen-Zyklotron-Reso
nanz-Ionenquellen zu extrahieren (im folgenden: Elektro
nen-Zyklotron-Resonanz = EZR). Die Konstruktionsmerkmale
bekannter EZR-Ionenquellen sind aus Patentdokumenten (EP
138 642, 130 607, 142 414, 145 584, 238 397, 252 845
sowie französischen Offenlegungsschriften 24 75 798,
25 12 623, 25 92 518) und anderen wissenschaftlichen-techni
schen Veröffentlichungen bekannt. Nach diesen Veröffent
lichungen wird ein Plasma durch zwei oder mehrere
kreisförmige, nicht notwendigerweise identische Magnet
spulen, die in einem gewissen axialen Abstand vonein
ander stehen, eingeschlossen. Auf der Symmetrieachse des
eingeschlossenen Plasmas entsteht jeweils am Ort der
Spulen ein Maximum und zwischen den Spulen ein Minimum
der Magnetfeldstärke. Diese Magnetfeldstruktur, die auch
als magnetisches Spiegelfeld bekannt ist, läßt sich mit
herkömmlichen oder mit supraleitenden Spulen mit
gleichsinniger oder entgegengesetzter Stromrichtung
realisieren.
Es ist auch bekannt, diese axiale Magnetfeldstruktur mit
Permanent-Magneten ohne Verwendung von Spulen zu
realisieren. Der radiale Plasmaeinschluß wird durch
magnetische Multipolfelder, bei denen sich Nord- und
Südpole als Funktion des Winkels um die Ionenquellen
achse abwechseln (meist Hexapole), bewirkt, die mit
Permanent-Magneten aufgebaut sind. Es können aber auch
supraleitende Spulen oder eisenbestückte normalleitende
Spulen für die Realisierung dieser Multipole verwendet
werden.
Eine zylindrische Plasmakammer aus Metall ist in eine
solche Magnetfeldstruktur auf deren Symmetrieachse
eingesetzt; die Plasmakammer dient im Wesentlichen als
Vakuumkammer. In der Plasmakammer wird ein Unterdruck
von 10-1 bis 10-4 Pa des zu ionisierenden Gases oder
Gasgemisches aufrecht erhalten. Der Gaseinlaß erfolgt
über eine Gaseinlaßleitung, direkt in die Plasmakammer
oder in die Pumpleitungen zwischen den Vakuumpumpen und
der Plasmakammer, wobei sehr häufig nicht nur das zu
ionisierende Gas, sondern auch ein sogenanntes Unterstüt
zungsgas eingelassen wird.
Mikrowellenenergie wird mit Hochfrequenz-Hohlleitern
oder mit Koaxialleitungen, eventuell in Kombination mit
Antennen, radial oder axial in die Plasmakammer eingekop
pelt, wobei ein mikrowellen-durchlässiges, aber vakuum
dichtes Fenster den Vakuumabschluß der Plasmakammer
gewährleistet. Es sei darauf verwiesen, daß die Begriffe
Unterdruck und Vakuum teilweise synonym verwendet
werden.
An Stelle von Mikrowellenenergie können auch andere
Energieträger, wie an sich bekannt, das Plasma erzeugen
bzw. heizen.
Bei der Plasmaelektrode handelt es sich um eine durch
bohrte Elektrode, durch welche die Ionen mittels des
elektrischen Ziehfeldes axial extrahiert werden. Diese
Plasmaelektrode ist im Bereich eines der beiden axialen
Magnetfeldmaxima, im folgenden als vorderes Maximum
bezeichnet, angeordnet. Das Ziehfeld wird durch
Spannungsdifferenz zwischen der Plasmaelektrode und
einer weiteren, durchbohrten Elektrode, der sogenannten
Extraktionselektrode, aufgebaut. Die Plasmaelektrode und
das gesamte Plasma liegen auf einem positiveren
Potential als die Extraktionselektrode.
Wie bekannt, besitzen demnach EZR-Ionenquellen für die
Erzeugung hochgeladener Ionen für den axialen Einschluß
eines elektronisch heißen Plasmas hoher Energiedichte
(Mikrowellenenergie pro Volumeneinheit) und mittlerer
Ladung q < 1 (q ist Mittelwert der positiven neutralen
Teilchen), d. h. eines Plasmas mit mittleren Elektronen
energien von einigen 100 eV bis zu einigen keV und
mittleren Ionenenergien von < 5 eV, ein magnetisches
Spiegelfeld. Dabei wird gefordert, daß beide Spiegel
feld-Maxima nicht gleich, aber möglichst groß gegenüber
der EZR-Resonanzfeldstärke sein müssen, während gleich
zeitig das Minimum deutlich kleiner als die EZR-Resonanz
feldstärke sein muß, damit das Plasma im Bereich des
Minimums zwischen den Maxima axial eingeschlossen wird
und axial auf beiden Seiten eine EZR-Resonanzzone
besitzt.
Verwendet wurden für diesen radialen magnetischen
Einschluß dieses Plasmas möglichst starke magnetische
Multipole, bei denen sich am Umfang der Plasmakammer
Nord- und Südpole als Funktion des Winkels um die Achse
in regelmäßigen Abständen abwechseln, während sich die
axiale Länge der Magnetpole etwa von Maximum zu Maximum
des axialen Spiegelfeldes erstreckte.
Dieses magnetische Einschlußfeld für ein elektronisch
heißes Plasma erzeugt im Idealfall eine räumlich
geschlossene Fläche der magnetischen EZR-Resonanzfeld
stärke innerhalb der Plasmakammer. Von dieser geschlos
senen Fläche ausgehend bis zu den Plasmakammerwänden
steigt der Betrag der magnetischen Feldstärke weiter an.
Dadurch sind Ionenquellen für die Produktion hochgelade
ner Ionenstrahlen aus einem "heißen" Plasma mit q < 1
gegenüber sogenannten Plasmaquellen für die Erzeugung
"kalter" Plasmen mit mittlerer Ladung q < 1 ausgezeich
net, die weithin industriell angewendet werden.
Der Nachteil dieser magnetischen Konzeption von
EZR-Ionenquellen für die Erzeugung hochgeladener Ionen
ist das teilweise gegenseitige Auslöschen der Magnetfeld
komponenten des axialen Spiegelfeldes durch jeden
zweiten Pol des Multipols jeweils im axialen Endbereich
des Multipols. Dadurch entstehen lokal kleinere Absolut-
Werte der Gesamtmagnetfeldstärke, die Schwachstellen des
magnetischen Einschlusses des elektronisch "heißen"
Plasmas darstellen. Bei Erhöhung der Mikrowellenenergie
zufuhr in das Plasma führt dies dazu, daß sich das
Plasma längs dieser Schwachstellen bis zur Plasmakammer
wand ausdehnt und damit durch Neutralisation an der Wand
der Anteil hochgeladener Ionen zurückgeht. Damit wird
die Energiedichte im Plasma und damit auch die Ausbeute
hochgeladener Ionen begrenzt.
Außerdem werden durch die bekannten Multipolgeometrien
zylindrische oder polygonale Plasmakammern aufgezwungen
und Magnetfeldkomponenten senkrecht zu r-z-Ebenen mit
wechselnden Vorzeichen erzeugt. Hierbei ist r die
Radial- und z die Axialrichtung. Hierdurch werden bis in
unmittelbare Nähe der Achse z der Ionenquelle die für
eine optimale Ionenextraktion wünschenswerte magnetische
Rotationssymmetrie um die Ionenquellenachse verletzt, was
unter anderem zur schlechten Emittanz und Brillanz
heutiger EZR-Ionenquellen für die Erzeugung
hochgeladener Ionen führt und großflächige Extraktion
verhindert. Eine Übertragung auf andere Plasmakammergeo
metrien speziell für großflächige Extraktion hochgelade
ner Ionen ist deshalb praktisch nicht möglich gewesen.
Es ist ebenfalls bekannt, daß eine Vielzahl magnetischer
Multipolkonfigurationen mit Permanentmagneten für die
Vermeidung von Plasma-Wand-Wechselwirkungen bei Plasma
reaktoren oder bei Plasmaquellen für die Oberflächen
bearbeitung mit Plasmen geringer Energiedichte und damit
geringen Ionisationsgrades mit mittlerer Ladung q < 1
verwendet werden [R. Limpaecher und K. R. MacKenzie,
Review of Scientific Instruments, Band 44, Seiten 726
bis 731, 1973].
Es handelt sich dabei aber um sogenannte kalte Plasmen,
bei denen einfach geladene Ionen und Elektronen für die
Oberflächenbearbeitung aktiv sind. Es wird deshalb sogar
besonders darauf geachtet, daß in diesen Plasmen
möglichst nur geringste Anteile an hochgeladenen Ionen
vorhanden sind, denn höher geladene Ionen würden bei den
angelegten Beschleunigungsspannungen höhere Energie
besitzen und damit die Oberflächen stärker schädigen.
Magnetische Multipolkonfigurationen werden bei derarti
gen Anwendungen also nicht für eine möglichst guten
Plasmaeinschluß mit größtmöglichen Magnetfeldabsolut
werten eingesetzt, sondern lediglich für das großflächi
ge Vermeiden von Plasmawand-Wechselwirkungen eines
Plasmas geringer Energiedichte. Die räumliche Anordnung
der Permanentmagneten an der Plasmakammeraußenwand muß
nicht sehr dicht sein. Ein starkes axiales Spiegelfeld
ist nicht notwendig und für die meisten Anwendungen auch
nicht wünschenswert.
Weiterhin vermeiden die Anwender bekannter EZR-Ionen
quellen für die Erzeugung hochgeladener Ionenstrahlen
explizit Plasmakammern mit Mikrowellen-Hohlraumresonator
eigenschaften. Sie verwenden stattdessen sogenannte
Multimoden-Plasmakammern in Form von Zylindern, deren
Volumen deutlich größer ist als die für die niedrigsten
H₁₁₁- oder E₀₁₁-Mikrowelleneigenschwingungen notwendige
Mikrowellenresonator-Volumina. In einer Multimoden-Plas
makammer liegen aber die Mikrowellenresonanzen so dicht
beieinander, daß sie vom Plasma je nach Plasmadichte
untereinander gekoppelt werden, was dann sehr nachteilig
zu Instabilitäten und chaotischem Verhalten der Ionen
quellen führen kann. Die elektrische Mikrowellen-Feld
amplitude, die für die Einkopplung der Mikrowellen
leistung in das Plasma entscheidende Bedeutung hat, kann
in solchen Fällen wegen zeitlich schnell variierender
Resonanzüberhöhung zeitlich sehr stark fluktuieren.
Trotz aller Anstrengungen gelang es aber bisher nicht,
die angestrebten Elektronendichten mittlerer Energie
(einige 100 eV bzw. einige keV) im Plasma allein durch
Mikrowellenleistungszufuhr zu erhalten. Es wurden
deshalb erfolgreiche Versuche zum axialen Einschuß von
hochenergetischen Elektronen durchgeführt, die
Steigerungen der Ionenausbeute um einen Faktor 2 bis 3
ergaben [Instruments, 62(3), Seiten 775 bis 778, 1991].
Diese geringe Steigerung liegt daran, daß Elektronen,
die durch die magnetischen Wände für den Einschluß des
Plasmas in das Plasma eindringen sollen, gewöhnlich nur
einmal durch das Plasma laufen und dann durch die
gegenüberliegende magnetische Wand wieder aus dem
Plasmabereich austreten oder beim Aufprall auf Plasma
kammerwände nur sehr niederenergetische Sekundär
elektronen erzeugen.
Höchstens ausnahmsweise kommt es zweimal zum Durchlaufen
des Plasmas, wenn die Elektronen von der hinteren Seite
der Ionenquelle eingelassen werden, da die Elektronen
dann am Extraktionspotential zwischen Plasma- und
Extraktionselektrode reflektiert werden. Die Erzeugung
der Elektronen innerhalb des magnetischen Einschlusses
ist mit Erfolg demonstriert worden [V. D. Dougbar-Jabon,
K. S. Golovanivsky, B. A. Kondratov und V. D. Kushna
renko, Rev. Sci. Instrum. 63 (4), Seiten 2864 bis 2868,
1992]. Diese Erzeugung besitzt aber den großen Nachteil,
daß die Elektronenerzeugung dem Plasma direkt ausgesetzt
ist und deshalb nur kurze Standzeiten besitzen.
Es stellt sich damit die Aufgabe,
- a) den Magneteinschluß des Plasmas senkrecht zur Ionenquellachse nicht beispielsweise durch ein Multipolfeld herkömmliche EZR-Ionenquellen für die Erzeugung hochgeladener Ionen, sondern durch eine rein oder sehr gut angenähert rotationssymmetrische Magnetfeldanordnung zu gewährleisten, die Schwach stellen des magnetischen Plasmaeinschlusses vermeidet, für bestmögliche Emittanz und Brillanz der Ionenquelle sowie großflächige Extraktion sorgt, wobei unter analoger Beachtung dieser für zylindri sche Plasmakammern zu fordernden Bedingungen auch andere Plasmakammerformen, z. B. Quader, in Betracht gezogen werden können, bei denen dann z. B. über große Extraktionsbereiche nur magnetische x- und z-Komponenten auftreten (dabei ist x die Höhe, y die Breite eines Quaders mit y < x und z die Ionenquellenachse),
- b) hohe Dichten von Elektronen mittlerer Energie im Plasmabereich innerhalb der magnetischen Wände mit großen Standzeiten erzeugen, so daß sie im magne tischen Einschlußfeld des Plasmas gefangen bleiben.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Magnet
anordnung für den Einschluß des Plasmas gelöst, die die
Kennzeichen des Anspruches 1 besitzt.
Vorzugsweise erfolgt der Magneteinschluß des Plasmas
senkrecht zur Ionenquellenachse z durch eine gerade Zahl
von senkrecht zu den parallel zur Achse liegenden
Plasmakammerwänden hochmagnetisierten, dicht gepackten,
zylindrischen oder polygonalen Permanentmagnetkränzen
oder durch eine ungerade Anzahl von zylindrischen oder
polygonalen, stromdurchflossenen Kranzspulen auf dem
Umfang der äußeren Plasmakammerwand mit abwechselnder
Polarität, bzw. abwechselndem stromumlaufsinn längs der
Ionenquellenachse z.
Der axiale Magneteinschluß erfolgt durch einen verstärk
ten (vermehrfachten) Permanentmagnetkranz oder je eine
verstärkte stromdurchflossene Kranzspule gleicher Form,
aber mit geringeren Innenabständen von der Ionenquellen
achse auf der Extraktionsseite und auf der axial gegen
überliegenden Seite der Ionenquelle. Diese Magnetelemen
te sind nahe, aber mit variablem Abstand von den senk
recht zur Ionenquellenachse stehenden stirnseitigen
Plasmakammerwänden angebracht. Sie besitzen entgegenge
setzte Polarität bzw. gleichen Stromumlaufsinn, der je
weils der Polarität bzw. dem Stromumlaufsinn entgegenge
setzt ist, den der benachbarte Kranz für den magneti
schen Einschluß senkrecht zur Ionenquellenachse besitzt.
Dadurch verstärkt sich in der Nähe von den senkrecht zur
Ionenquellachse stehenden Plasmakammerwänden das von den
Kränzen für den axialen Magneteinschluß und das von den
Kränzen für den Magneteinschluß senkrecht zur Ionenquel
le erzeugte magnetische Feld.
Weitere Vorteile sind,
- - daß an allen Plasmakammerwänden durchgehend hohe Magnetfeldbeträge herrschen, d. h. ein Mehrfaches der EZR-Resonanzfeldstärke;
- - daß gezielt an den Extraktionsöffnungen der Plasma elektrode im Vergleich zu den anderen Plasmakammer wänden das schwächste Magnetfeld erzeugt werden kann, damit bei Mikrowellenleistungszufuhr das Plasma zu diesen Plasmaelektrodenöffnungen für optimale Ionen extraktion getrieben wird, oder das neutrale, an hochgeladenen Ionen reiche Plasma mit und sogar ohne Extraktionstrennung durch die Plasmaelektroden öffnungen aus der Magnetstruktur herausgetrieben wird, so daß es außerhalb des magnetischen Spiegel feldes extern genutzt werden kann,
- - daß bei zylindrischen oder polygonalen Plasmakammern nur r- und z-Magnetfeldkomponenten oder bei quaderför migen Plasmakammern nur x-z-Magnetfeldkomponenten im zentralen Ionenquellenextraktionsbereich auftreten, und
- - daß dadurch bestmögliche Emittanz und Brillanz der Ionenquellen auch für großflächige Extraktion gewähr leistet ist.
Die Plasmakammer ist vorzugsweise als zylindrischer
quaderförmiger oder andersförmiger Mikrowellen-Hohlraum
resonator für die niedrigen Mikrowellen-Eigenschwingun
gen (z. B. H₁₁₁, H₁₁₂, E₀₁₁, E₀₁₂ usw. für zylindrische
Plasmakammern und H₁₀₁, H₁₀₂, H₁₁₁, H₁₁₂, E₁₁₁, E₁₁₂
usw. für quaderförmige Plasmakammern) ausgeführt, in die
die Mikrowelle mit Hohlleitern, Koaxialleitern oder über
Antennen eingekoppelt wird.
Vorzugsweise befindet sich im Inneren der Plasmakammern
ein auf negativem Potential U befindliches Flächenele
ment, auf das Elektronenstrahlen durch die Feldmaxima
des magnetischen Einschlußfeldes schießbar sind, so daß
dort Sekundärelektronen erzeugbar sind. Elektronen
strahlen mit Energien E von 1 keV von bis zu mehr als
[e·Extraktionsspannung] werden durch die magnetischen
Spiegelwände hindurch von außen in den magnetischen In
nenraum der Ionenquelle auf das dort befindliche auf ne
gativem Potential befindliche Flächenelement geschossen,
so daß dort Sekundärelektronen erzeugt werden, die vom
wählbaren negativen Potential U auf Energien von eU in
das Plasma beschleunigt werden und im Magneteinschluß
des Plasmas gefangen bleiben.
Durch diese Maßnahmen werden die Voraussetzungen geschaf
fen, intensive und homogene Strahlen hochgeladener Ionen
mit guter Brillanz zu erzeugen, die nach Abbremsen für
den technischen Einsatz zur Oberflächenbearbeitung gerin
ger Substratschädigung mit langsamen, hochgeladenen
Ionen benötigt werden.
Durch geeignete Wahl der Permanentmagnetkränze, bzw. der
stromdurchflossenen Spulen an der bzw. den Extraktions
öffnungen der Plasmaelektrode wird hier im Vergleich zu
den anderen Plasmakammerwänden das schwächste Magnetfeld
erzeugt. Bei Mikrowellenleistungserhöhung wird das
Plasma zu diesen Plasmaelektrodenöffnungen für optimale
Ionenextraktion getrieben. Ein neutrales, an
hochgeladenen Ionen reiches Plasma wird sogar ohne jede
Extraktionsspannung durch die Plasmaelektrodenöffnung
aus der Magnetstruktur herausgetrieben, so daß es
außerhalb des magnetischen Spiegelfeldes extern genutzt
werden kann.
Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand
von Beispielen und Zeichnungen. Die Figuren der
Zeichnung zeigen in Einzelnen:
Fig. 1a, b (letztere im Schnitt) eine erste
Ausführungsform einer Vorrichtung mit
Ionenquellenvorrichtung;
Fig. 2a, 2b eine zweite Ausführungsform;
Fig. 3a, 3b eine dritte Ausführungsform;
Fig. 4a, 4b eine vierte Ausführungsform.
In den Fig. 1a und 1b ist schematisch eine erste
Ausführungsform einer Ionenquellenvorrichtung für die
Erzeugung und Extraktion von Strahlen hochgeladener
Ionen dargestellt. In einer Plasmakammer 1, die als
zylindrischer, metallischer H₁₁₁-Mikrowellenhohlraumreso
nator ausgeführt ist, ist magnetisch ein Plasma 2 hoher
Mikrowellenenergiedichte und damit hoher mittlerer
Ladung (q < 1) eingeschlossen. Die Innenwände dieser
Plasmakammer 1 können durch Beschichtung 1′ mit
mikrowellentransparentem Material geschützt werden. In
der Plasmakammer 1 kann auch eine zweite,
mikrowellentransparente Kammer eingesetzt sein (nicht
dargestellt), die die Funktion der Vakuumkammer und des
Plasmabehälters übernimmt, während die metallische
Kammer nur die Aufgabe des Mikrowellenresonators
übernimmt. Die Mikrowellen werden über einen
Flachhohlleiter 5 radial eingespeist.
Der magnetische Einschluß des elektronisch heißen
Plasmas in der Plasmazone 2 wird senkrecht zur Ionenquel
lenachse z durch eine rein oder sehr gut genähert
rotationssymmetrische Magnetanordnung 3 gewährleistet,
die aus einer geraden Anzahl von radial höchstmagne
tisierten dicht gepackten, zylindrischen oder
polygonalen Permanentmagnetkränzen 3.1 . . . 3.4 auf dem
Umfang der äußeren Plasmakammerwand mit abwechselnder
Polarität längs der Ionenquellenachse z besteht, wobei
hier z. B. die Permanentmagnetkränze aus Permanent
magnetquadern oder Permanetmagnettrapezoiden so
zusammengesetzt sind, daß dazwischen einerseits die
Mikrowelle durch einen Flachhohlleiter 5 radial in die
Plasmakammer eingekoppelt und andererseits Kühlvorrich
tungen 6 auf der Plasmakammeraußenwand 4 angebracht
werden können. Die erzeugten Ionen werden entlang der
Ionenquellenachse mit Plasmaelektrode 10 und
Extraktionselektrode 11 mittels elektrischer Ziehfeld
anordnung extrahiert.
Der axiale Magneteinschluß wird hier durch je zwei
verstärkte Permanentmagnetkränze 7, 8 gleicher Polarität
auf der Extraktionsseite 17 (Vorderseite) und mit
umgekehrter Polarität 8 auf der gegenüberliegenden Seite
der Plasmakammer (Hinterseite 18). Diese Permanent
magnetkränze 7, 8 sind nahe, aber mit variablem Abstand
von den senkrecht zur Ionenquellenachse z stehenden
Plasmakammer-Stirnwänden 19, 20 angebracht. Sie haben
auf der Extraktionsseite und auf der Hinterseite
verschiedene Magnetvolumina und verschiedene
Innenabstände von der Ionenquellenachse z, die kleiner
als die der Magnetanordnung 3 sind, so daß ein starkes,
asymmetrisches und axiales Spiegelfeld entsteht, das auf
der Hinterseite 18 der Ionenquelle stärker ist als auf
der Extraktionsseite.
Die Polarität der Permanentmagnetkränze 7 und 8 ist
jeweils der Polarität des nächst benachbarten
Permanentmagnetkranzes 3.1 und 3.4 der Magnetanordnung 3
entgegengesetzt, so daß sich in der Nähe von
Plasmakammer-Stirnwänden 19, 20 das von den Kränzen für
den axialen Magneteinschluß und das von den Kränzen für
den Magneteinschluß senkrecht zur Ionenquellenachse z
erzeugte magnetische Feld nicht kompensiert, sondern
verstärkt.
An allen Plasmakammerwänden herrschen durchgehend hohe
Magnetfeldbeträge, d. h. ein Mehrfaches der
EZR-Resonanzfeldstärke. Die Permanentmagnetkränze 7 und
8 sind aus Permanentmagnetquadern zusammengesetzt.
Alternativ können sie aber auch radial magnetisierte
Vollringe sein oder auch aus anders geformten
Permanentmagneten zusammengesetzt sein.
Durch geeignete Wahl der Permanentmagnetkränze
3.1 . . . 3,4 bzw. 7, 8 kann gezielt an der Extraktions
öffnung 9 der Plasmaelektrode 10 im Vergleich zu den
anderen Plasmakammerwänden das schwächste Magnetfeld
erzeugt werdend damit bei Mikrowellenleistungserhöhung
das Plasma zu dieser Plasmaelektrodenöffnung 9 getrieben
wird. Hierdurch wird eine optimale Ionenextraktion im
Ziehfeld zwischen der Plasmaelektrode 10 (positives
Potential) und der Extraktionselektrode 11 (negatives
Potential) durch die Extraktionsöffnungen der beiden
Elektroden hindurch erzielt. Ein Ionenstrahl hoher
Brillanz ist die Folge.
In Fig. 1 ist außerdem die Erzeugung eines Elektronen
strahls 13 mit Energien E von 1 keV bis zu etwas weniger
als [e·Extraktionsspannung] in einer rotations
symmetrisch um die Ionenquellenachse z angeordneten
Elektronenkanone 14 gezeigt. Durch das magnetische
Einschlußfeldmaximum gelangt der Elektronenstrahl an der
Hinterseite hindurch in den magnetischen Innenraum der
Plasmakammer 1. Er bläht sich in Gebieten des schwäche
ren Axialmagnetfeldes auf und wird dann im Einschluß
feldmaximum an der Extraktionsseite in das Plasma
elektrodenloch konzentriert. Dort wird der Elektronen
strahl am Extraktionsfeld reflektiert und läuft zur
hinteren Plasmakammerwand zurück, wo er auf ein
elektrisch isoliertes, auf negativem, wählbarem
Potential U befindliches Flächenelement 15 trifft, so
daß dort Sekundärelektronen erzeugt werden. Diese werden
vom negativem Potential U auf Energien eU in das Plasma
beschleunigt und bleiben im Magneteinschluß des Plasmas
gefangen.
In den Fig. 2a und 2b ist in einer Plasmakammer 21,
die hier als zylindrischer E₀₁₁-Mikrowellenhohlraum
resonator ausgeführt ist, ein elektronisch "heißes"
Plasma hoher Mikrowellenenergiedichte in einer Plasma
zone 22 magnetisch eingeschlossen. Der magnetische
Einschluß des Plasmas wird wie im Ausführungsbeispiel 1
erzeugt. Statt der beschriebenen Magnetstruktur werden
aber hier radial magnetisierte Permanentringe
23.1 . . . 23.4 verwendet, für die ansonsten das gleiche
gilt wie für die Magnetstruktur im Ausführungsbei
spiel 1. Bei dieser reinen rotationssymmetrischen Magnet
anordnung muß die Mikrowelle mit einer Koaxialleitung 25
in die Plasmakammer 21 eingekoppelt werden. Die Kühlung
der Plasmakammer 21 muß deshalb hier entweder in die
Plasmakammerwand integriert oder in Form von dünnen,
thermisch gut leitenden Kühlscheiben 26 zwischen und
neben den Magnetkränzen 23.1 . . . 23.4 mit thermischem
Kontakt mit der Plasmakammerwand 4 angebracht werden.
Durch geeignete Wahl der Permanentmagnetkränze
23.1 . . . 23.4 kann gezielt an den Extraktionsöffnungen
29 der Plasmaelektrode 30 im Vergleich zu den anderen
Plasmakammerwänden das schwächste Magnetfeld erzeugt
werden, damit bei Mikrowellenleistungserhöhung das
Plasma zu den Plasmaelektrodenöffnungen 29 getrieben
wird.
Sowohl die Plasmaelektrode 30 als auch die Extraktions
elektrode 31 sind hier als wabenartige, sechskantige
Vielfachöffnungen ausgeführt, die auch siebartig mit
vielen runden oder andersförmigen Öffnungen ausgeführt
sein können, um die Extraktionsfläche bei gleichzeitig
wohldefinierten Extraktionspotentialverhältnissen
drastisch zu erhöhen. Sowohl die großflächig durch
lässige Fläche der Plasmaelektrode als auch die
korrespondierende, ähnlich großflächig durchlässige
Fläche der Extraktionselektrode sind so gewölbt, daß
optimale Ionenextraktion im Ziehfeld zwischen der
Plasmaelektrode 30 (positives Potential) und der
Extraktionselektrode 31 (negatives Potential) und damit
ein Ionenstrahl hoher Brillanz 32 erzielt wird.
In Fig. 2 ist außerdem die Erzeugung eines Elektronen
strahls 33 mit Energien E von 1 keV bis zu mehr als
[e·Extraktionsspannung] in einer durchbohrten, rotations
symmetrisch um die Ionenquellenachse z angeordneten
Elektronenkanone 34 gezeigt. Durch das magnetische
Einschlußfeldmaximum an der Extraktionsseite gelangt der
Elektronenstrahl in den magnetischen Innenraum der
Plasmakammer. Er bläht sich in Gebieten schwächeren
Axialmagnetfeldes auf und wird dann im Einschlußfeld
maximum an der Hinterseite auf ein Flächenelement 35
vor dem Mittelleiter 36 der Mikrowellenkoaxialleitung
konzentriert, das sich elektrisch isoliert auf
negativem, wählbarem Potential u befindet, so daß dort
Sekundärelektronen erzeugt werden, die vom negativen
Potential U auf Energien von eU in das Plasma
beschleunigt werden und im Magneteinschluß des Plasmas
gefangen bleiben.
In den Fig. 3a und 3b ist in einer Plasmakammer 41,
die hier als H₁₁₁-Quaderhohlraumresonator ausgeführt
ist, ein elektronisch "heißes" Plasma magnetisch
eingeschlossen. Der magnetische Einschluß des
elektronisch "heißen" Plasmas in der Plasmazone 42 wird
senkrecht zu den parallel zur Ionenquellenachse z
liegenden Plasmakammerwänden von einer geraden Anzahl
von senkrecht zu diesen Plasmakammerwänden magne
tisierten, an den Plasmakammeraußenwänden eng anliegen
den und dicht gepackten Permanentmagnetkränzen 44 mit
Symmetrieachse identisch der Ionenquellenachse z
bewirkt, deren Polarität sich in Richtung der Ionenquel
lenachse abwechselt.
Für den magnetischen Einschluß parallel zur Ionenquellen
achse z wird je ein Verstärkter (vermehrfachter)
Permanentmagnetkranz 47 und 48 mit geringeren Innen
abständen von der Ionenquellenachse z auf der
Extraktionsseite 47 und auf der Hinterseite 48 der
Ionenquelle verwendet. Diese Permanentmagnetkränze sind
nahe, aber mit variablem Abstand von den senkrecht zur
Ionenquellenachse z stehenden Plasmakammeraußenwänden
angebracht. Sie besitzen relativ zueinander entgegen
gesetzte Polarität, welche jeweils der Polarität
entgegengesetzt ist, den der unmittelbar benachbarte
Kranz 44.1 und 44.4 für den magnetischen Einschluß
senkrecht zur Ionenquellenachse z besitzt. Die
Mikrowellenleistung wird durch einen rechteckigen
Flachhohlleiter 45 in den Hohlraumresonator
eingekoppelt.
Die Plasmaelektrodenöffnung 49 profitiert von der
rechteckigen Form der Plasmaelektrode 50 und ist hier
z. B. als großflächiger Schlitz (vgl. Fig. 3b) vorge
sehen. In ähnlicher Weise ist die Extraktionselektrode
51 mit rechteckigem Querschnitt und ihre Ionendurch
trittsöffnung 51′ als Schlitz ausgeführt.
Alle weiteren in den Anwendungsbeispielen 1 und 2
erwähnten Besonderheiten lassen sich analog auf das
Ausführungsbeispiel 3 übertragen.
In Fig. 4a ist in einer Plasmakammer 61, die hier als
E₀₁₂-Zylinderhohlraumresonator ausgeführt ist, ein
elektronisch "heißes" Plasma hoher Mikrowellen
energiedichte mit mittlerer Ladung q < 1 magnetisch
eingeschlossen. Der radiale magnetische Einschluß des
Plasmas wird von einer ungeraden Anzahl von
stromdurchflossenen Kranzspulen 64 (normalleitend,
supraleitend oder normalleitend mit Eisen verstärkt) an
den zylindrischen Plasmakammeraußenwänden bewirkt. Der
Stromumlaufsinn der Kranzspulen wechselt sich längs der
Ionenquellenachse z ab.
Der axiale magnetische Einschluß des Plasmas parallel
zur Ionenquellenachse z wird durch je eine verstärkte
stromdurchflossene Kranzspule 67, 68 mit geringeren
Innenabständen von der Ionenquellenachse z als die
Kranzspulen 64 auf der Extraktionsseite (67) und auf der
Hinterseite der Ionenquelle (68) bewirkt. Die Kranz
spulen 67, 68 sind nahe, aber mit variablem Abstand von
den senkrecht zur Ionenquellenachse z stehenden Plasma
kammeraußenwänden 20 angebracht. Sie haben relativ
zueinander gleichen Stromumlaufsinn, der dem Stromumlauf
sinn entgegengesetzt ist, den die unmittelbar
benachbarte Kranzspule 64.1 und 64.9 für den
magnetischen Einschluß senkrecht zur Ionenquellenachse z
besitzt.
In der rechten Hälfte des rechten Querschnitts der
Ionenquelle der Fig. 4a ist als Beispiel eine Weich
eisenverstärkung 77 der magnetischen Feldkonfiguration
für den Plasmaeinschluß gezeigt. Weicheisenfreie Feld
konfigurationen für den Plasmaeinschluß allein mit
stromdurchflossenen Kranzspulen 64, 67, 68 sind insbe
sondere für supraleitende Spulen geeignet.
Alle weiteren in den Anwendungsbeispielen 1 bis 3
erwähnten Besonderheiten lassen sich analog auf das
Ausführungsbeispiel 4 übertragen; umgekehrt können die
Besonderheiten des Ausführungsbeispiel 4 auch auf die
Ausführungsbeispiele 1 und 2 und 3 übertragen werden. Es
lassen sich auch Kombinationen aus Permanent
magnetkränzen und stromdurchflossenen Kranzspulen
zusammensetzen, die einen sehr flexiblen Betrieb einer
Ionenquelle für hochgeladene Ionen zulassen, da Strom
änderungen in Kranzspulen dazu benutzt werden können,
während des Betriebs magnetische Einschlußparameter des
Plasmas an gewünschte Ionenextraktionsbedingungen
anzupassen.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener
Ionen mit guter Brillanz, mit einer Ionenquellen
vorrichtung, die eine von Magneten umgebene Plasma
kammer (1) umfaßt, in der der für die Plasmaerzeu
gung erforderliche Unterdruck erzeugbar ist und die
ein magnetisch eingeschlossenes Plasma enthält, das
mit Hilfe zugeführter Energie erzeugt und geheizt
wird, wobei im Plasma hochgeladene Ionen erzeugbar
und aus diesem extrahierbar sind, sowie mit einer
elektrischen Ziehfeldanordnung, bestehend aus einer
Plasmaelektrode (10) und einer Extraktions
elektrode (11), durch die hindurch erzeugte Ionen
aus dem Plasma entlang einer Ionenquellenachse z ex
trahierbar sind,
gekennzeichnet durch eine Magnetanordnung für den
Einschluß des Plasmas derart, daß,
- (1) für den magnetischen Einschluß des Plasmas sen krecht zur Ionenquellenachse z die Plasmakammer (1) im Bereich des entstehenden Plasmas eng umfaßt umgeben ist von in einer geraden Anzahl (2, 4, . . . ) vorliegenden Permanentmagnetkränzen (3.1, . . . 3.4), deren Polarität sich längs der Ionenquellenachse z abwechselt, oder von einer ungeraden Anzahl (3, 5, . . . ) von stromdurch flossenen Magnetspulen (64.1, . . . 64.9), deren Stromumlaufsinn sich längs der Ionenquellenach se z abwechselt,
- (2) für den magnetischen Einschluß des Plasmas pa rallel zur Ionenquellenachse z die Plasmakammer (1) in den Bereichen ihrer Stirnseiten (19, 20) die Ionenquellenachse z umgeben ist von wenig stens je einem Permanentmagnetkranz oder von je einer stromdurchflossenen Magnetspule, von denen je eines der genannten Magnetelemente auf der Extraktionsseite (17) und auf der extraktionsabgewandten Seite der Plasmakammer liegt und einen geringeren Abstand von der Ionenquellenachse z hat als die erstgenannten Magnetelemente,
- (3) und daß die an den Stirnseiten (19, 20) der Plas makammer (1; 21; 41; 61) angebrachten Magnetelemen te zueinander entgegengesetzte Polarität bzw. gleichen Stromumlaufsinn aufweisen, wobei diese Polarität bzw. dieser Stromumlaufsinn wiederum jeweils der bzw. dem entgegengesetzt ist, die der unmittelbar benachbarte Permanentmagnet kranz (3.1; 3.4) bzw. die unmittelbar benachbar te Magnetspule (64.1; 64.9) aufweist, so daß in der Nähe der Stirnwände (19, 20) das von den Magnetelementen erzeugte magnetische Feld ver stärkt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetspulen (64) normalleitend oder supra
leitend ausgerüstet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Magnetspulen (64) mit Eisen ver
stärkt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels ver
stellbarer Magnetelemente der Abstand von dem im Be
reich der Plasmakammer-Stirnseiten (19, 20) angeordne
ten Magnetelementen bis zur Mitte der Plasmakammer
variabel ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Extrak
tionsöffnungen (9; 29 oder 49) der Plasmaelektrode
(10; 30; oder 50) im Vergleich zu den anderen Berei
chen der Wände der Plasmakammer (1; 21; 41 oder 61)
das schwächste Magnetfeld erzeugt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeschlos
sene Plasma mit Hilfe von eingekoppelten Mikrowellen
unter Ausnutzung der Elektronen-Zyklotron-Resonanz
(EZR) erzeugbar und beheizbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Plasmakammer (1; 21; 41 oder 61) eine auf
die Mikrowellenfrequenz abgestimmter, metallischer
Mikrowellen-Hohlraumresonator ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Plasmakammer (1) auf der Innen
seite mit Quarz oder anderem Material ausgekleidet
ist, das für die Mikrowellen transparent ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß im Innenraum der metallischen Plasmakammer (1)
eine mikrowellentransparente Kammer eingesetzt ist,
die die Funktion der Vakuumkammer und des
Plasmabehälters übernimmt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einer Mikrowellen
leitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß
in die Plasmakammer und/oder daß Vakuumpumpen der
Plasmakammer wenigstens teilweise durch die Mikrowel
lenzuleitung erfolgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Plasmakammer eine zylindrische
oder prismatische Form, letztere mit polygonaler
oder rechteckiger Grundfläche hat.
12. Vorrichtung nach einem der folgenden Ansprüche
1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der
Plasmakammer ein auf negativem Potential U befindli
ches Flächenelement (15; 35) angeordnet ist, auf das
Elektronenstrahlen (13; 33) durch die Feldmaxima des
magnetischen Einschlußfeldes schießbar sind, so daß
dort Sekundärelektronen erzeugbar sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Permantmagnetkränze
aus massivem permanenten Magnetmaterial mit Magneti
sierung senkrecht zur Innenoberfläche der Kränze be
stehen.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetkrän
ze (3.1, . . . , 3.4; 23.1, . . . , 23.4; 44.1, . . . , 44.4) aus Ein
zelpermanentmagneten gleicher oder verschiedener
Formen zusammengesetzt sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl der
Permanentmagnetkränze bzw. der stromdurchflossenen
Magnetspulen die axiale Magnetfeldkomponente auf der
Ionenquellenachse z mehr als zweimal die
EZR-Resonanzfeldstärke innerhalb der Plasmakammer
durchläuft.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Plasma
elektroden (10; 30; 50) wie auch die Extraktionselek
trodenöffnungen (9; 29; 49) für den Durchtritt der
extrahierten Ionen als Einzelöffnung oder als Vielfa
chöffnungen ausgeführt sind, wobei bei letzterer
elektrisch leitende Gitter-, Netz- oder Wabenstruk
turen wählbare Krümmung dafür sorgen, daß die Extrak
tionspotentialverteilungen für höchste Ionenbrillanz
optimierbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944419970 DE4419970A1 (de) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener Ionen |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19944419970 DE4419970A1 (de) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener Ionen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4419970A1 true DE4419970A1 (de) | 1995-12-21 |
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ID=6520056
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Country | Link |
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8131 | Rejection |