EP0261338A2 - Inductively excited ion source - Google Patents

Inductively excited ion source

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EP0261338A2
EP0261338A2 EP19870110646 EP87110646A EP0261338A2 EP 0261338 A2 EP0261338 A2 EP 0261338A2 EP 19870110646 EP19870110646 EP 19870110646 EP 87110646 A EP87110646 A EP 87110646A EP 0261338 A2 EP0261338 A2 EP 0261338A2
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inductively
excited
ion
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inductively excited
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EP19870110646
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Jürgen Dr. Müller
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Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
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    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00Ion beam tubes
    • H01J27/02Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktiv angeregte Ionenquelle mit einem Gefäß (1), um das eine Spule (2) geschlungen ist. The invention relates to an inductively excited ion source with a vessel (1) around which a coil (2) is looped. Das Gefäß (1) besteht aus chemisch inertem Material und dient zur Aufnahme des zu ionisierenden Stoffs. The vessel (1) is made of chemically inert material and serves to receive the substance to be ionized. An die Spule (2), deren beide Enden geerdet sind, ist ein Hochfrequenzgenerator (12) mit seinem einen Anschluß angeschlossen, während sein anderer Anschluß (22) ebenfalls geerdet ist. To the coil (2) whose both ends are grounded, a high-frequency generator (12) with its one terminal is connected while the other terminal (22) is also grounded. Die Länge der Spule (2), die als elektrisch lange Leitung aufzufassen ist, beträgt n ·λ/2, wobei λ die Wellenlänge der Spannung des Hochfrequenzgenerators (12) und n eine ganze Zahl ist. The length of the coil (2) which is to be regarded as an electrically long line is n · λ / 2, where λ is the wavelength of the voltage of the high-frequency generator (12) and n is an integer.

Description

  • [0001]
    Die Erfindung betrifft eine induktiv angeregte Ionenquelle mit einem Gefäß für die Aufnahme von zu ionisierenden Stoffen, insbesondere von Gasen, wobei die zu ionisierenden Stoffe von einem Wellenleiter umgeben sind, der mit einem Hochfrequenzgenerator in Verbindung steht, und wobei die beiden Enden des Wellenleiters auf gleichem Potential liegen. The invention relates to an inductively excited ion source with a vessel for receiving material to ionizing substances, in particular gases, which are surrounded to be ionized substances from a waveguide, which communicates with a high-frequency generator in communication, and wherein the two ends of the waveguide at the same potential.
  • [0002]
    Mit Hilfe von Ionenquellen wird ein Strahl von Ionen, dh von elektrisch geladenen Atomen oder Molekülen, erzeugt. By means of ion sources, a beam of ions, that is generated by electrically-charged atoms or molecules. Die den jeweiligen Anforderungen angepaßten verschiedenen Typen von Ionenquellen benutzen zur Ionisation neutraler Atome oder Moleküle meist eine Form der Gasentladung. The matched to the respective requirements different types of ion sources used for ionization of neutral atoms or molecules usually a form of gas discharge.
  • [0003]
    Die älteste, sehr einfache Ionenquelle ist die Kanalstrahl-Ionenquelle oder Kanalstrahlröhre. The oldest, very simple ion source is the channel beam ion source or channel-ray tube. 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. Here, "burns" between two electrodes, which carry a voltage of several 1000 V, a gas discharge at a pressure of 10⁻¹ to 1 Pa, in which the ionization is carried out by electron or ion impact. Diese Ionenquelle, bei der die Elektroden in das Plasma eintauchen, wird auch Ionenquelle mit kapazitiver Anregung bezeichnet. This ion source in which the electrodes are immersed in the plasma, also known ion source with capacitive excitation.
  • [0004]
    Eine andere Art der Ionenerzeugung wird mit Hilfe der HochfrequenzIonenquelle realisiert. Another type of ion generation is realized by means of radio frequency ion source. Hierbei werden die Ionen durch eine Hochfrequenz-entladung im MHz-Bereich bei etwa 10⁻² Pa erzeugt, die zwischen zwei besonders geformten Elektroden brennt oder von einer äußeren Spule erzeugt wird. Here, the ions are generated by a high frequency discharge in the MHz range at about 10⁻² Pa burning between two specially shaped electrodes, or is created by an outer coil. 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 pressure HF plasmas with superimposed static magnetic field, Plasma Physics, 1974, Band 16, S. 835 bis 841; J Freisinger, S. Reineck, HW Loeb: the RF-Ion source RIG 10 for intense hydrogen ion beams, Journal de Physique, Colloque C7, Supplement au n o 7, Tome 40, Juli 1979, S. C7-477 bis C7-478; I. Ogawa: Electron cyclotron resonances in a radio-frequency ion source, Nuclear Instruments and Methods 16, 1962, S. 227 bis 232). The ions are extracted from the plasma by means of a special extraction method and focused (H. Oechsner: Electron cyclotron wave resonances and power absorption effects in an electrodeless low pressure RF plasma with superimposed static magnetic field, Plasma Physics, 1974, Volume 16, pp 835 to 841; J Freising, S. Reineck, HW Loeb: the RF ion source RIG 10 for intense ion beams hydrogen, Journal de Physique, Colloque C7, Supplement au n o 7, Tome 40 July 1979, p C7-477 up C7-478; I. Ogawa: Electron cyclotron resonances in a radio-frequency ion source, Nuclear Instruments and Methods 16, 1962, p 227-232).
  • [0005]
    Nachteilig ist bei vielen bekannten Ionenquellen mit induktiver Anregung indessen, daß sie eine erhebliche HF-Verlustleistung besitzen. A disadvantage with many known ion sources with inductive excitation, however, that they have a significant RF power loss. Diese HF-Verlustleistung tritt dadurch auf, daß die HF-Spule, die um das Gefäß geschlungen ist, in welchem sich das Plasma befindet, an den HF-Generator angepaßt werden muß. These RF power loss occurs in that the RF coil which is looped around the vessel in which the plasma is located, must be adapted to the RF generator. Zwischen dem HF-Generator und der HF-Spule ist zu diesem Zweck ein Anpaßnetzwerk vorgesehen, das die Generatorleistung an die Verbraucherleistung, dh an die Spulenleistung anpaßt (vgl. z. B. DE-OS 25 31 812, Bezugszahl 40 in den Figuren). Between the RF generator and the RF coil, a matching network is provided for this purpose, the generator power to the load power, that conforms to the coil power (see. Eg. For example, DE-OS 25 31 812, reference numeral 40 in the figures) , Diese Anpassung besteht darin, daß der Wellenwiderstand der durch das Plasma belasteten Spule in den Wellenwiderstand der Senderleitung transformiert wird. This adaptation is that the characteristic impedance of the loaded by the plasma coil is transformed into the characteristic impedance of the transmitter cable. In der Anpaßschaltung tritt hierbei eine Verlustleistung von 20 % bis 50 % der vom HF-Generator abgegebenen Gesamtleistung auf. In the matching circuit, a power loss of 20% to 50% of the delivered by the HF-generator in this case total power occurs.
  • [0006]
    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 Magnetfeld der HF-Spule aufheizen. Another disadvantage of the known ion source with inductive excitation is that the attachment of additional magnets in the vicinity of the vessel in which the plasma is located, is more difficult because the RF coil takes relatively much room and because the magnets in the magnetic field of the heat up the RF coil. Derartige Zusatzmagnete werden benötigt, um das Plasma von bestimmten Stellen der Gefäßwand fernzuhalten oder um das Plasma zu verdichten (vgl. EP-A-0169744). Such additional magnets are needed to keep the plasma from certain points of the vessel wall or to densify the plasma (see. EP-A-0169744). Außerdem ist die Kühlung der Spulen aufgrund des Umstands problematisch, daß diese Spulen einerseits hohl und mit Kühlwasser durchspült und andererseits auf HF- Potential liegen, wodurch platzaufwendige Potentialabbaustrecken benötigt werden, um das Potential von einem hohen Wert auf einen niedrigen Wert zu bringen. In addition, the cooling of the coils is problematic due to the fact that these coils flushed through the one hand, hollow and provided with cooling water and on the other hand lie on RF potential whereby encumbrance potential degradation routes are needed to bring the potential from a high value to a low value. Da der Potentialabbau in der Regel über eine Verlängerung der Spule erfolgt, tritt eine erhöhte Verlustleistung auf. Since the potential loss is usually an extension of the coil occurs an increased power dissipation.
  • [0007]
    Es ist weiterhin bekannt, Induktionsspulen in einer Stromrichteranlage als Hohlleiter auszubilden und mit einer Flüssigkeit zu kühlen (DE-OS 25 44 275). It is also known to form induction coils in a converter plant as a waveguide and with a liquid cooling (DE-OS 25 44 275). Derartige flüssigkeitsgekühlte Induktionsspulen werden indessen auch bei Hochfrequenz-Induktionsplasmabrennern verwendet (DE-AS 21 12 888). Such liquid-cooled induction coils are, however, also used in high frequency induction plasma torches (DE-AS 21 12 888).
  • [0008]
    Schließlich ist auch noch eine Vorrichtung zum Durchführen einer Reaktion zwischen einem Gas und einem Material in einem elektromagnetischen Feld bekannt, die eine Reaktionskammer zur Aufnahme des Gases und des Materials, eine zusammengesetzte Spule mit zwei miteinander verbundenen Spulenabschnitten, deren Windungen in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind, eine Hochfrequenzquelle und eine Einrichtung zum Verbinden der Hochfrequenzquelle mit der Spule aufweist (DE-OS 22 45 753). Finally, a device for performing a reaction between a gas and a material in an electromagnetic field is also known that a reaction chamber for receiving the gas and the material, a composite coil with two interconnected coil sections, the coils of which are wound in opposite directions, a high frequency source, and means for coupling the RF source with the coil having (DE-OS 22 45 753). Bei dieser Vorrichtung sind die beiden Enden der Spule untereinander verbunden, so daß sie auf gleichem Potential liegen. In this device, the two ends of the coil are connected to each other so that they are at the same potential. Außerdem ist der eine Anschluß der Hochfrequenzquelle an eine Stelle der Spule angeschlossen, die sich zwischen den beiden Enden der Spule befindet. In addition, the one terminal of the high frequency source is connected to a point of the coil, which is located between the two ends of the coil. Der geerdete Anschluß der Hochfrequenzquelle liegt jedoch auf einem anderen Potential als die Enden der Spule. However, the earthed terminal of the high frequency source is at a different potential than the ends of the coil. Nachteilig ist auch bei dieser Vorrichtung, daß ein Anpassungsnetzwerk erforderlich ist. It is a disadvantage also in this apparatus that a matching network is required.
  • [0009]
    Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einer induktiv angeregten Ionenquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Anordnung zu schaffen, welche auf ein besonderes Anpaß-Netzwerk verzichtet. The invention is therefore based on the object to provide, in an inductively excited ion source according to the preamble of claim 1 is an arrangement which dispensed with a particular matching network.
  • [0010]
    Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Länge des Wellenleiters im wesentlichen n ·λ/2 beträgt, wobei λ = c/f ist und n eine ganze Zahl, c eine Konstante und f die Frequenz des Hochfrequenzgenerators bedeuten. This object is achieved in that the length of the waveguide · λ / 2 is substantially n, where λ = / f c, and n is an integer, c is a constant and f represents the frequency of the high frequency generator.
  • [0011]
    Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Leistungsverluste einer induktiv angeregten Ionenquelle erheblich reduziert werden können. The advantage achieved with the invention is particular in that the power losses of an inductively excited ion source can be significantly reduced. Außerdem ist es möglich, das Kühlwasser problemlos auf Erdpotential zu- und abzuführen. Moreover, it is possible to easily switched on and drain the cooling water at ground potential.
  • [0012]
    Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in more detail below. Es zeigen: Show it:
    • Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der äußeren mechanischen Form der erfindungsgemäßen Ionenquelle; Figure 1 is a perspective view of the external mechanical form of the ion source of the invention.
    • Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung; Fig. 2 is a schematic representation of the electrical circuit arrangement according to the invention;
    • Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Ionenquelle mit den zugehörigen elektrischen Anschlüssen; Figure 3 is a sectional view of the ion source according to the invention with the associated electrical connections.
    • Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch eine Variante der erfindungsgemäßen Ionenquelle; Figure 4 is a sectional view through a variant of the ion source of the invention.
    • Fig. 5 eine besondere Anschaltung einer variablen Kapazität an eine Spule der erfindungsgemäßen Ionenquelle. Fig. 5 shows a particular connection of a variable capacitor to a coil of the ion source according to the invention.
  • [0013]
    In der Fig. 1 ist ein evakuiertes Gefäß 1 dargestellt, das mit einer elektrisch leitenden Hochfrequenz-Spule 2 umgeben und mit einer oberen kreisringförmigen Abschlußplatte 4 abgeschlossen ist. In Fig. 1 an evacuated vessel 1 is shown, which is surrounded by an electrically conductive high-frequency coil 2 and completed with an upper circular closure plate 4. Die Enden 5, 6 der Hochfrequenzspule 2 sind über entsprechende Durchbrüche in der unteren Abschlußplatte 4 auf ein nicht dargestelltes Kühlsystem geführt. The ends 5, 6 of the high-frequency coil 2 are guided through corresponding openings in the lower end plate 4 on a not-shown cooling system. Dieses Kühlsystem bewirkt, daß durch das Ende 5 der als Hohlrohr ausgebildeten Hochfrequenzspule 2 eine Kühlflüssigkeit eingeführt und durch das Ende 6 dieser Spule 2 wieder herausgeführt wird. This cooling system causes a cooling liquid introduced through the end 5 of the high-frequency coil 2 formed as a hollow tube and is drawn out again through the end 6 of this coil. 2 Die Hochfrequenzspule 2 besteht beispielsweise aus Kupferrohr, das hier zwar außerhalb des Gefäßes angeordnet ist, aber auch in dieses integriert oder innerhalb des Gefäßes angeordnet sein kann. The high-frequency coil 2 consists for example of copper tube which, while here arranged outside the vessel, but can also be integrated into this or disposed within the vessel. Das Ein- und Ausströmen der Kühlflüssigkeit ist hierbei durch die Pfeile 7 und 8 angedeutet. The inflow and outflow of the cooling liquid is in this case indicated by the arrows 7 and 8. FIG. Als Kühlflüssigkeit wird vorzugsweise Wasser verwendet. As a cooling liquid, preferably water is used. Die Hochfrequenzspule 2 hat in dem Ausführungsbeispiel neun Windungen, einen Durchmesser von ca. 120 mm und eine Höhe von ca. 130 mm. The high-frequency coil 2 has in the embodiment, nine turns, a diameter of about 120 mm and a height of about 130 mm. Ihre Länge beträgt λ /2, wobei λ auf die Frequenz eines Hochfrequenzgenerators bezogen ist. Its length is λ / 2, where λ is related to the frequency of a high frequency generator. Unter Spulenlänge wird die Länge des ausgezogenen Spulendrahts verstanden und nicht etwa die Spulenlänge. Under coil length, the length of extended coil wire is meant and not the coil length. Es versteht sich, daß die Hochfrequenzspule 2 auch andere als die hier angegebenen Abmessungen haben kann. It is understood that the high-frequency coil 2 can also have dimensions other than those given here. 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 integriert sein. It must also not be wrapped around the container 1, but may for example also be located at the inner wall of the vessel 1 or may be integrated into the vessel wall. An der Unterseite des Gefäßes 1 ist ein Stutzen 9 vorgesehen, durch den das zu ionisierende Gas in das Gefäß 1 gelangt. At the bottom of the vessel 1, a nozzle 9 is provided through which passes the gas to be ionized into the vessel. 1 Die elektrische Einkopplung der HF-Leistung erfolgt über ein mit einem Hochfrequenz-Generator verbundenes Kabel 10, das mit einer Schelle 11 an die Spule 2 angeschlossen ist. The electrical coupling of RF power via a connected to a high-frequency generator cable 10 is connected with a clamp 11 to the coil. 2
  • [0014]
    In der Fig. 2 ist, von den Abschlußplatten 3, 4 abgesehen, im wesentlichen die elektrische Schaltung der erfindungsgemäßen Ionenquelle dargestellt. , Apart from the end plates 3, 4 in Fig. 2, essentially shown the electric circuit of the ion source according to the invention. Sind die Abschlußplatten 3, 4 ihrerseits gut leitend miteinander verbunden, so können die Spulenenden 5, 6 auch an einer eigenen Platte 3, 4 allein befestigt sein. If the end plates 3, 4 in turn connected to each other with good conductivity, so the coil ends 5 to be attached alone even on its own plate 3 4 6 can. Man erkennt in der Fig. 2 einen über eine Leitung 22 geerdeten Hochfrequenz-Generator 12, der über das Kabel 10 an die Hochfrequenzspule 2 angeschlossen ist. It can be seen in FIG. 2, a grounded via a line 22 high-frequency generator 12 which is connected to the high-frequency coil 2 via the cable 10. Der elektrische Anschlußpunkt des Generators 12 ist mit 13 bezeichnet. The electrical connection point of the generator 12 is designated. 13 An einer anderen Stelle der Spule 2 befindet sich ein weiterer elektrischer Anschlußpunkt 14, an den ein Kondensator 15 mit veränderlicher Kapazität angeschlossen ist. is located at a different location of the coil 2 a further electrical connection point 14 to which a capacitor 15 is connected variable capacitance. Dieser Kondensator kann jedoch auch weggelassen werden, wenn die Resonanzfrequenz des aus der Spule 2 und dem eingeschlossenen Plasma bestehenden Resonators genau auf die Frequenz des Hochfrequenzgenerators 12 abgestimmt ist. However, this capacitor may be omitted if the resonant frequency of the group consisting of the coil 2 and the confined plasma resonator is tuned exactly to the frequency of the high frequency generator 12th
  • [0015]
    In der Regel ist diese genaue Abstimmung jedoch schwierig durchzuführen, so daß es einfacher ist, durch Verändern der Kapazität des Kondensators 15 den Schwingkreis auf Resonanz zu bringen. In general, these precise coordination is difficult to carry out, so that it is easier to get by changing the capacitance of the capacitor 15 the resonant circuit at resonance.
  • [0016]
    Der HF-Generator 12, die untere Abschlußplatte 4 und der Kondensator 15 sind über die Leitungen 21, 22, 23 mit Erde bzw. Masse verbunden. The RF generator 12, the lower end plate 4 and the capacitor 15 are connected via the lines 21, 22, 23 connected to ground. Die Erdung erfolgt vorzugsweise über ein kurzes, breites und gut leitendes Kabel, das z. Grounding is preferably via a short, wide and well-conducting cable, the z. B. aus Silber besteht. B. of silver.
  • [0017]
    Die Spule hat, hochfrequenzmäßig betrachtet, nicht nur eine Induktivität, sondern auch eine inhärente Kapazität. The coil is considered high in frequency, not just an inductor, but also an inherent capacity. Induktivität und Kapazität bilden zusammen die Resonanz-Frequenz der Spule 2, wobei sich die Induktivität und die Kapazität über den sogenannten Induktionsbelag und den Kapazitätsbelag bestimmen. Inductance and capacitance together form the resonant frequency of the coil 2, whereby the inductance and capacitance across the so-called induction covering and the capacitance determined. Die Spule 2 ist folglich als ein Wellenleiter aufzufassen, auf dem sich Wellen vom Lecher-Typ ausbreiten (vgl. K. Simonyi: Theoretische Elektrotechnik, Berlin 1956, S. 313 bis 363, oder H.-G. Unger: Elektromagnetische Wellen auf Leitungen, Heidelberg, 1980). The coil 2 is thus to be regarded as a waveguide on which waves from the Lecher type spread (cf. K. Simonyi. Electromagnetic Theory, Berlin 1956, pp 313-363, or H.-G. Unger: Electromagnetic waves on lines , Heidelberg, 1980). Die Wendelung der Spule 2 ist gegenüber ihrer Drahtlänge hierbei als eine untergeordnete Einflußgröße zu betrachten. The coiling of the coil 2 is to be considered in relation to its wire length here as a secondary effect size.
  • [0018]
    Auf die Resonanzfrequenz der Hochfrequenzspule 2, die durch die im Gefäß 1 befindlichen Ionen beeinflußt werden kann, wird die Ausgangsfrequenz des HF-Generators 12 gelegt. To the resonant frequency of the high frequency coil 2, which can be influenced by the vessel 1 located in the ion, the output frequency of the RF generator 12 is placed. Somit wird die gesamte verbrauchte Leistung im eigentlichen Resonanz-Kreis und nicht an einer Impedanz-Anpassung verbraucht, dh es tritt praktisch keine Verlustleistung auf. Thus, the total consumed power is not consumed on an impedance matching in the actual resonance circuit and, ie, there is virtually no loss of power. Unter dem eigentlichen Resonanzkreis wird hierbei die Kombination aus Erregerspule und Plasma verstanden, also die durch das Plasma belastete Erregerspule. Under the actual resonant circuit, the combination is understood from excitation coil and plasma, ie loaded by the plasma excitation coil. Zu diesem eigentlichen Resonanzkreis zählt gegebenenfalls auch noch ein Hochfrequenz-Abschirmgehäuse. At this actual resonant circuit that counts, where appropriate, a high-frequency shielding. Auf die Darstellung eines solchen Abschirmgehäuses wurde bei der Darstellung der Fig. 2 verzichtet, weil das Aussehen dieser Gehäuse sowie ihr Einfluß auf den Gesamt-Resonanzkreis bekannt ist. On the presentation of such a shield case of FIG. 2 has been omitted, because the appearance of this housing, as well as their influence on the overall resonance circuit is known in the representation.
  • [0019]
    Durch die erwähnten Maßnahmen ist eine Leistungsanpassung in dem Sinn, daß die Leistung des Hochfrequenz-Generators 12 optimal auf die Spule 2 gegeben wird, jedoch noch nicht verbunden. Through the measures mentioned above is a power adjustment in the sense that the power of the high frequency generator 12 is added optimally to the coil 2, but not yet connected.
  • [0020]
    Diese Leistungsanpassung ist jedoch mittels einer geeigneten Wahl des Anschlußpunktes 13 der Leitung 10 an die Spule 2 möglich. However, this power adjustment is possible to the coil 2 by means of a suitable choice of the connection point 13 of the line 10th Der Anschlußpunkt 13 wird so ausgewählt, daß der Quotient aus Spannung und Strom an dem Punkt 13 gleich dem Wellenwiderstand der Leitung 10 ist. The connection point 13 is selected so that the quotient of voltage and current at the point 13 is equal to the characteristic impedance of the line 10th Mißt man diesen Quotienten fortlaufend und vergleicht ihn mit dem bekannten Wellenwiderstand, so kann mit Hilfe einer Regelschaltung ein elektrischer Antrieb so gesteuert werden, daß er den Punkt 13 stets in eine Position bringt, in welcher die oben erwähnte Bedingung gilt. If we measure this ratio continuously, and compares it with the known characteristic impedance, an electric drive can be controlled with the aid of a control circuit that it always brings the point 13 in a position in which the above-mentioned condition holds. Auf diese Weise ist es möglich, die Leistungsanpassung zu automatisieren. In this way it is possible to automate the power adjustment.
  • [0021]
    Bei der Darstellung der Fig.2 ist der Hochfrequenz-Generator 12 keineswegs kurzgeschlossen, wie es bei einer niederfrequenzmäßigen Betrachtung den Anschein haben könnte. In the illustration of Figure 2 the high-frequency generator 12 is not short-circuited, as it might appear at a low frequency moderate viewing. 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 Kurzschluß verhindert. Rather, that is straight section of the coil 2, which extends from the connection point 13 to the plate 4, subject to a inductance and a capacitance that prevents a high-frequency manner short circuit.
  • [0022]
    Statt die Frequenz des Frequenzgenerators 12 auf die Eigen- oder Resonanzfrequenz der Spule 2 zu legen, ist es auch möglich, die Resonanzfrequenz der Spule 2 an die vorgegebene Frequenz des Hochfrequenz-Generators 12 anzupassen. to place instead of the frequency of the frequency generator 12 to the natural or resonance frequency of the coil 2, it is also possible to adjust the resonance frequency of the coil 2 to the predetermined frequency of the high frequency generator 12th Hierzu ist der Kondensator 15 vorgesehen, der an die Spule 2 angeschlossen ist. For this purpose, the capacitor 15 is provided, which is connected to the coil. 2 Durch Verstellen dieses Kondensators 15, der an den Symmetriepunkt 14 der Spule 2 angeschlossen ist, wird die Resonanzfrequenz des Systems Spule 2 / Kondensator 15 verändert. By adjusting this capacitor 15 which is connected to the point of symmetry 14 of the coil 2, the resonant frequency of the system 2 coil / capacitor 15 is changed. Mittels dieser Änderung der Resonanzfrequenz kann der Einfluß der Ionen auf die Spulen-Resonanzfrequenz augeglichen werden. By means of this change in the resonant frequency of the influence of the ions can be adjusted to the eye coil resonant frequency.
  • [0023]
    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 Harmonischen hiervon ist, so sind die momentanen Ströme und Spannungen auf der Spule 2 wie ganzzahlige Vielfache von halben Wellenlängen verteilt. If the coil 2 or the system coil 2 / condenser 15 supplied with an alternating voltage whose frequency is equal to the resonant frequency of the coil 2 or the system coil 2 / condenser 15 or a harmonic thereof, so are the actual currents and voltages on the coil 2 as integral multiples of half wavelengths distributed. Dabei kommen auf den Spulenenden 5,6 stets Strombäuche und Spannungs knoten zu liegen; Here come to the coil ends 5.6 knot current always bellies and voltage to lie; dh die Spulenenden 5,6 befinden sich auf Erdpotential. that is, the coil ends 5.6 are at ground potential. Das Kühlwasser kann also problemlos auf Erdpotential zu- und abgeführt werden. The cooling water can thus be easily to-ground potential and discharged. Bei Resonanz gibt es auf der Spule immer mindestens zwei Punkte, an denen das Verhältnis von Spannung und Strom gleich dem Wellenwiderstand der Leitung 10 ist. At resonance there on the coil always at least two points at which the ratio of voltage and current is equal to the characteristic impedance of the line 10th Schließt man die Leitung 10 an einen solchen Punkt 13 an, so wird die Leistung des Hochfrequenzgenerators 12 verlustfrei eingekoppelt. Includes one conduit 10 at such a point 13, so the power of the high frequency generator 12 is coupled without loss. Durch Verschieben dieses Einkoppelpunktes 13 ist es möglich, Veränderungen der Eigenfrequenz der Spule 2, die sich durch verschiedene Plasmadichten, dh verschiedene Belastungen der Spule 2, ergeben, auszugleichen. By shifting this coupling-13, it is possible to compensate for changes in the natural frequency of the coil 2 by different plasma densities, ie, different loads of the coil 2 arise.
  • [0024]
    Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird die gesamte auftretende magnetische Feldenergie in der Spule 2 konzentriert, so daß deren Magnetfeld das Plasma sehr effektiv zusammenhält und komprimiert. Due to the inventive arrangement, the entire occurring magnetic field energy in the coil 2 is concentrated so that its magnetic field is very effective holds the plasma and compressed. Natürlich kann die Spule auch anders, zB mäanderförmig, ausgebildet sein, um andere Feldkonfigurationen, zB ein "cusp"-Feld oder multipolares Feld zu erzeugen, wie es in der Fig.2 der EP-A-0169744 gezeigt ist. Of course, the coil can be different, for example, be a meandering manner, designed to generate other field configurations, such as a "cusp" field or multipolar field, as shown in Figure 2 of EP-A-0,169,744th
  • [0025]
    In der Fig.3 ist die erfindungsgemäße Anordnung noch einmal im Schnitt dargestellt. In Figure 3, the inventive arrangement is shown once again in section. 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. The vessel 1, which is cylindrical and consists of a chemically inert material, is surrounded by the coil 2 and has at its upper end an extraction grid system 16 which is connected to an extraction power supply 17th An dem unteren Ende des Gefäßes 1 ist der Einlaßstutzen 9 mit seinem Gaszufuhrkanal 18 vorgesehen. At the lower end of the vessel 1 to the inlet pipe 9 is provided with its gas supply channel eighteenth Wird im Entladungsraum 19 des Gefäßes 1 ein Druck zwischen etwa 2 x 10⁻² Pa und 50 Pa eingestellt, so kann über die Anschaltung des Hochfrequenz-Generators 12 eine Entladung gezündet werden. If a pressure of between about 2 x 10⁻² adjusted Pa and 50 Pa in the discharge space 19 of the vessel 1, so a discharge can be ignited by the connection of the high-frequency generator 12th Die hierbei entstehenden Ionen werden durch das Extraktionsgittersystem 16 abgesaugt, wenn an diesem Gittersystem 16 eine geeignete Spannung des Extraktionsnetzteils 17 anliegt. The ions produced herein are exhausted through the extraction grid system 16 when an appropriate voltage of the extraction power supply 17 is applied to this grating system sixteenth Das Extraktionsgittersystem 16 liegt - im Gegensatz zu den kreisringförmigen Abschlußplatten 3,4, die über die Leitungen 20,21 geerdet sind bzw. im Gegensatz zum Hochfrequenz-Generator 12, der über die Leitung 22 geerdet ist - nicht an Erdpotential. The extraction grid system 16 is - in contrast to the circular ring-shaped end plates 3,4, which are grounded via lines 20,21 or, in contrast to the high-frequency generator 12 is grounded via the line 22 - not at ground potential.
  • [0026]
    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, erheblich. Although len an important role in the invention resonance spat, it differs however from other circuits for inductively coupled low-pressure plasma, which also work with resonances significantly. Bei dem oben bereits angegebenen bekannten Resonanzinduktor muß eine Anpassung mittels Kapazitäten und Induktivitäten vorgenommen werden. In the already above-mentioned known resonant an adjustment must be carried out by means of capacitors and inductors. 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. However, even with a supply of the coil or the inductor via an unbalanced line such as a coaxial cable, this cable must be balanced and adapted to the Induktorimpedanz. Bei der vorliegenden Erfindung entfallen Anpassungsnetzwerke und Impedanztransformationen. In the present invention account for the matching networks and impedance transformations. Weder ist eineImpedanztransformation mittels HF-Übertrager, noch über eine π - Transformation oder eine T-Transformation erforderlich. Neither is an impedance transformation by HF transformer nor a π - transformation or a T transformation required.
  • [0027]
    In der Fig. 4 ist eine Variante der in der Fig. 3 dargestellten Ionenquelle gezeigt. In FIG. 4 is a variant of the ion source shown in Fig. 3 is shown. Bei dieser Ausführungsform ist die Grund-Resonanzfrequenz der Spule 2 von ursprünglich ca. 50 MHz durch Verdoppelung ihrer Länge auf etwa die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes auf ca. 25 MHz abgesenkt. In this embodiment, the basic resonance frequency of the coil 2 of originally about 50 MHz is reduced by doubling its length to about half of its original value at about 25 MHz. Die Verdoppelung der Spulenlänge wird hierbei durch eine zweite Spulenlage erreicht, die mit 25 bezeichnet ist. The doubling of the coil length is achieved here by a second coil layer which is designated by the 25th Der Wickelsinn der beiden Spulenlagen 25, 26 kann gegenläufig sein, wodurch besonders vorteilhafte Effekte erzielt werden. The winding sense of the two coil layers 25, 26 may be opposite directions, whereby particularly advantageous effects are obtained.
  • [0028]
    Die Effizienz der Ionenquelle wird durch einen geringen Abstand von Resonanz- und Anregungsfrequenz verbessert. The efficiency of the ion source is improved by a small distance from the resonance and excitation frequency. Außerdem nimmt mit der Windungszahl der Spule die Induktivität zu, was zu einer Verbesserung der Schwingkreisgüte führt. Also notes with the number of turns of the coil to the inductance, resulting in an improvement of the oscillating circuit quality.
  • [0029]
    Mit der doppellagigen Wicklung der Spule 2 kann ein Zünden ohne Druckstoß erreicht werden, dh es ist eine rein elektrische Zündung möglich. With the double-winding of the coil 2, an ignition without pressure surge can be achieved, that it is a purely electrical ignition possible.
  • [0030]
    Die Fig. 5 zeigt eine Variante der in der Fig. 2 gezeigten Anschaltung eines Kondensators 27 an die Spule. FIG. 5 shows a variant of the connection of a capacitor 27 shown in Fig. 2 to the coil. Der Kondensator 27 ist hierbei an zwei Punkten 28, 29 mit der Spule 2 verbunden, während der Oszillator 12 am "50-Ohm-Punkt" 30 der Spule 2 liegt. The capacitor 27 is in this case at two points 28, 29 connected to the coil 2, while the oscillator 12 at the "50-ohm point" 30 of the coil 2. Durch diese Anschaltung wird die HF-Ionenquelle auf niedrigem Spannungsniveau abgestimmt. Through this interface, the RF ion source is tuned to a low voltage level. Der Einfluß des Kondensators 27 auf die Abstimmung ist hierbei zwar geringer, und es tritt auch eine gewisse Verzerrung der Strom- und Spannungsverteilung auf, doch kann die Kondensatorleitung 31 wegen der niedrigeren Spannung länger ausgeführt werden. The influence of the capacitor 27 on the tuning is indeed hereby reduced, and there is also a certain distortion of the current and voltage distribution, but the capacitor line can be made longer because of the lower voltage 31st Der hiermit erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Kondensator nicht mehr direkt auf der Ionenquelle sitzen muß, sondern in einem gewissen Abstand von dieser angeordnet werden kann, ohne daß hierbei wesentliche Leistungsverluste durch an hoher Spannung liegende Streukapazitäten auftreten. The advantage hereby achieved is, in particular, that the capacitor must not sit directly on the ion source, but may be arranged at a certain distance from the latter, without this essential power losses occur due to lying on high voltage stray capacitances.

Claims (17)

  1. 1. Induktiv angeregte Ionenquelle mit einem Gefäß für die Aufnahme von zu ionisierenden Stoffen, insbesondere von Gasen, wobei die zu ionisierenden Stoffe von einem Wellenleiter umgeben sind, der mit einem Hochfrequenzgenerator in Verbindung steht, und wobei die beiden Enden des Wellenleiters auf gleichem Potential liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Wellenleiters (2) im wesentlichen n ·λ /2 beträgt, wobei λ = c/f ist und n eine ganze Zahl, c eine Konstante und f die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) bedeuten. 1. Inductively excited ion source with a vessel for receiving material to ionizing substances, in particular gases, which are surrounded to be ionized substances from a waveguide, which communicates with a high-frequency generator in communication, and wherein, the two ends of the waveguide at the same potential characterized in that the length of the waveguide (2) · λ / m 2 is substantially n, where λ is = c / f and n is an integer, c is a constant and f represents the frequency of the high-frequency generator (12).
  2. 2. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine doppellagige Wicklung (25, 26) der Spule (2) vorgesehen ist, so daß die Spulenlänge verdoppelt wird. 2. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that a double-winding (25, 26) of the coil (2) is provided, so that the coil length is doubled.
  3. 3. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential, auf dem die Enden (5, 6) des Wellenleiters (2) und der eine Anschluß (22) des Hochfrequenzgenerators (2) liegen, Erdpotential ist. 3. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the potential at which the ends (5, 6) of the waveguide (2) and a terminal (22) of the high-frequency generator (2) are, ground potential.
  4. 4. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Wicklungslage (25) gegensinnig zur anderen Wicklungslage gewickelt ist. 4. Inductively excited ion source according to claim 2, characterized in that the one winding layer (25) is wound in opposite directions to the other winding layer.
  5. 5. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) auf die Eigenfrequenz des aus dem Wellenleiter (2) und dem zu ionisierenden Stoff bestehenden Systems abgestimmt ist. 5. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the frequency of the high frequency generator (12) is tuned to the natural frequency of the out of the waveguide (2) and the existing fuel system to be ionized.
  6. 6. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des aus Wellenleiter (2) und zu ionisierendem Stoff bestehenden Systems auf die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) abgestimmt ist. 6. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the natural frequency of the of the waveguide (2) and existing for ionizing fuel system to the frequency of the high frequency generator (12) is tuned.
  7. 7. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung der Eigenfrequenz des aus dem Wellenleiter (2) und dem zu ionisierenden Stoff bestehenden Systems mit Hilfe eines variablen Kondensators (15) erfolgt. 7. Inductively excited ion source according to claim 6, characterized in that the tuning of the natural frequency of the out of the waveguide (2) and the existing to ionizing material system with the aid of a variable capacitor (15).
  8. 8. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Kondensators (15) im elektrischen Symmetriepunkt (14) des Wellenleiters (2) erfolgt. 8. Inductively excited ion source according to claim 7, characterized in that the terminal of the capacitor (15) takes place in the electrical point of symmetry (14) of the waveguide (2).
  9. 9. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß des Kondensators (15) an der Spule (2) und der andere Anschluß dieses Kondensators (15) an Erde liegt. 9. Inductively excited ion source according to claim 7, characterized in that the one terminal of the capacitor (15) is located on the coil (2) and the other terminal of this capacitor (15) to ground.
  10. 10. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Hochfrequenzgenerators (12) mit der Frequenz einer Harmonischen der Spule (2) des aus Wellenleiter (2) und zu ionisierendem Gas bestehenden Systems übereinstimmt. 10. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the frequency of the high frequency generator (12) with the frequency of a harmonic of the coil (2) of the waveguide (2) and existing gas to be ionised system matches.
  11. 11. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter eine als Hohlrohr ausgebildete Spule (2) ist, durch die ein Kühlmittel strömt. 11. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the waveguide designed as a hollow tube coil (2), through which a coolant.
  12. 12. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Wasser ist. 12. Inductively excited ion source according to claim 11, characterized in that the coolant is water.
  13. 13. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Betriebszustand der Ionenquelle gleich dem Wellenwiderstand der Generatorleitung (10) ist. 13. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the point (13) is selected for the feed of the high-frequency power of the high frequency generator (12) into the waveguide (2) so that to him is the quotient of voltage and current in the respective operating state is the ion source is equal to the wave resistance of the generator line (10).
  14. 14. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Punktes (13) für die Einspeisung der Hochfrequenzleistung automatisch erfolgt. 14. Inductively excited ion source according to claim 13, characterized in that the adjustment of the point (13) is done automatically for the supply of high frequency power.
  15. 15. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 und wobei die Enden (5, 6) des Wellenleiters (2) über eine Abschlußplatte (3 bzw. 4) geerdet sind. 15. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the vessel (1) has the shape of a hollow cylinder and is terminated by an upper and a lower closure plate (3 and 4), said upper closure plate (3) with an extraction grid (16) and the lower closure plate (4) having an opening port (9) is provided for the gas supply, and wherein the ends (5, 6) of the waveguide (2) via a closure plate (3 and 4) are grounded.
  16. 16. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (2) zusätzlich von einem Gleichstrom durchflossen ist, der ein die Ionen führendes Magnetfeld erzeugt. 16. Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that the waveguide (2) is also traversed by a direct current of the ion generating a leading magnetic field.
  17. 17. Induktiv angeregte Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein variabler Kondensator (27) vorgesehen ist, der mit seinem einen Anschluß auf Erdpotential liegt und mit seinem anderen Anschluß an zwei verschiedenen Punkten (28, 29) der Spule (2) angeschlossen ist. Connected 17 Inductively excited ion source according to claim 1, characterized in that a variable capacitor (27) is provided which lies with its one terminal is at ground potential and at the other terminal at two different points (28, 29) of the coil (2) is.
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