EP1396870B1 - Sputterionenquelle - Google Patents

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EP1396870B1
EP1396870B1 EP03017996A EP03017996A EP1396870B1 EP 1396870 B1 EP1396870 B1 EP 1396870B1 EP 03017996 A EP03017996 A EP 03017996A EP 03017996 A EP03017996 A EP 03017996A EP 1396870 B1 EP1396870 B1 EP 1396870B1
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EP
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cathode
sputter
electrode
ion source
ionizer
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EP1396870A2 (de
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Manfred Dr. Friedrich
Horst Dr. Tyrroff
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Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/04—Ion sources; Ion guns using reflex discharge, e.g. Penning ion sources

Definitions

  • the invention relates to a sputtering ion source.
  • the use of the invention is given in particular in Cs sputtering ion sources of particle accelerators.
  • Cs sputtering ion sources It is known to generate negative ions for acceleration at particle accelerators by means of Cs sputtering ion sources (GD Alton, Nuclear Instruments and Methods B73 (1993), page 254).
  • Cs atoms on a hot surface (ionizer) are converted into positive Cs ions in Cs sputtering sources. These are accelerated towards the cathode by a potential difference between the ionizer and the negative cathode and focused on a sputtering insert made of the material for the negative ions to be generated.
  • the resulting in the sputtering of the sputtering negative ions are accelerated by the same potential difference in the direction of the ionizer and extracted through an opening in the center of the ionizer.
  • the sputtering ion source most commonly used in commercial accelerators is the IONEX 860-C or HVEE 860-C from High Voltage Engineering Europe BV Amersfoort / NL (HVEE Manual A-4-35-106 for Sputtering Source 860-C), which has been in use for approx Years unchanged.
  • Disadvantage of their construction is the wear of the shielding of the cathode and the associated covering of the cathode insulator with conductive material, which makes a periodic replacement of these parts and thus a decomposition of the ion source required.
  • This disadvantage can not be explained by the ion-optical structure of the ion source and the paths of the Cs ions formed on the ionizer surface.
  • a sputtering ion source substantially corresponding to the above-described sputter ion source IONEX 860-C is known (Liu Liafan et al., "The AMS System at the Shanghai Institute of Nuclear Research", Nucl. Instr. Meth. B 52, No. 3 / 4, pages 298-300, 2 December 1990). Even with this technical solution erosion can not be ruled out.
  • the invention has for its object to increase the life of a sputtering ion source to reduce maintenance and the atomization of the parts of the ion source, which is in the vicinity of the required for the generation of negative ions cathode insert be largely prevented.
  • the object is achieved with the features set forth in the first claim. Further developments of the invention are described in the subclaims.
  • positive Cs ions could be detected, which arise outside the spherical ionizer surface, z. B. on an adjacent hot electrode for forming the positive Cs ion beam.
  • These unwanted ions are prevented by the shielding electrode according to the invention from hitting the cathode.
  • the shielding electrode surrounds the sensitive parts of the cathode holder and the cathode insulator.
  • this shielding electrode By selecting the potential of this shielding electrode equal to or approximately equal to the potential of the ionizer, the Cs ions to be shielded do not impinge on this shielding electrode or only with low energy and do not cause any atomization of the material. By attaching the shield electrode to the coldest part of the inner source vessel, thermal ionization of Cs atoms on the surface of this electrode is prevented.
  • the advantage of the invention is that the atomization of the cathode parts and the resulting coverage of the cathode insulator with conductive material are largely avoided. This increases the life of the ion source, reduces maintenance and parts costs, and improves the availability of the equipment where the ion source is installed.
  • the drawing shows the inner part of a per se known Cs sputtering source type 860-C with the parts ionizer 2, cathode 3, sputtering insert 4, forming electrode 5, shielding cap 6 and cathode insulator 7.
  • an additional hollow cylindrical shielding electrode 1 is introduced, which surrounds the sputtering cathode with the components cathode 3, cathode insulator (7), sputtering insert 4 and shielding cap 6.
  • the shielding electrode 1 is designed to be rotationally symmetrical in shape.
  • the shielding electrode 1 can be connected to the housing by means of screwing. In this case, the shielding electrode 1 should be mounted as far away as possible from the ionizer 2.
  • the positive Cs ions are generated at the spherical surface of the hot ionizer 2 and accelerated by a potential difference between the ionizer 2 and cathode 3 and focused on the sputtering insert 4 of the cathode 3.
  • On the hot surface of the forming electrode 5 also arise positive Cs ions which are accelerated to the shield 6 of the cathode 3.
  • the sputtered material of the shielding cap 6 deposits, inter alia, on the surface of the cathode insulator 7 and leads to a short circuit within the ion source.
  • the shielding cap 6 and the cathode insulator 7 must be replaced after 500 hours of operation.
  • the additional shielding electrode 1 increases the lifetime of the source by a multiple.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sputterionenquelle. Der Einsatz der Erfindung ist insbesondere bei Cs-Sputterionenquellen an Teilchenbeschleunigern gegeben.
  • Es ist bekannt, negative Ionen für die Beschleunigung an Teilchenbeschleunigern mittels Cs-Sputterionenquellen zu erzeugen (G. D. Alton, Nuclear Instruments and Methods B73 (1993), Seite254). Dabei werden in Cs-Sputterionenquellen Cs-Atome an einer heißen Oberfläche (Ionisierer) in positive Cs-Ionen umgewandelt. Diese werden durch eine Potentialdifferenz zwischen dem Ionisierer und der negativen Kathode zur Kathode hin beschleunigt und auf einen Sputtereinsatz, welcher aus dem Material für die zu erzeugenden negativen Ionen besteht, fokussiert. Die bei der Zerstäubung des Sputtereinsatzes entstehenden negativen Ionen werden durch die gleiche Potentialdifferenz in Richtung des Ionisierers beschleunigt und durch eine Öffnung im Zentrum des Ionisierers extrahiert.
    Die an kommerziellen Beschleunigern meistverwendete Sputterionenquelle ist die IONEX 860-C bzw. HVEE 860-C der Firma High Voltage Engineering Europa B.V. Amersfoort/NL (HVEE Handbuch A-4-35-106 für Sputterionenquelle 860-C), welche seit ca. 10 Jahren unverandert produziert wird. Nachteil bei deren Aufbau ist der Verschleiß der Abschirmkappe der Kathode und die damit verbundene Bedeckung des Kathodenisolators mit leitendem Material, was einen periodischen Austausch dieser Teile und damit eine Zerlegung der Ionenquelle erforderlich macht. Dieser Nachteil ist aus dem ionenoptischen Aufbau der Ionenquelle und den Bahnen der an der Ionisiereroberfläche entstehenden Cs-Ionen nicht zu erklären.
    Außerdem ist eine Sputterionenquelle bekannt, die im Wesentlichen der vorbeschriebenen Sputterionenquelle IONEX 860-C entspricht (Liu Liafan et al., "The AMS system at the Shanghai Institute of Nuclear Research", Nucl. Instr. Meth. B 52, Nr. 3/4, Seiten 298-300, 2. Dezember 1990). Auch mit dieser technischen Lösung ist eine Erosion nicht auszuschließen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer einer Sputterionenquelle zu erhöhen, den Wartungsaufwand zu senken und die Zerstäubung der Teile der Ionenquelle, welche sich in der Nähe des für die Erzeugung der negativen Ionen erforderlichen Kathodeneinsatzes befinden, weitgehend zu verhindern.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit dem im 1. Patentanspruch dargelegten Merkmalen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
    Als Ursache der Zerstäubung der Quellenteile konnten positive Cs-Ionen erkannt werden, die außerhalb der sphärischen Ionisiereroberfläche entstehen, z. B. an einer benachbarten heißen Elektrode zur Formierung des positiven Cs-Ionenstrahles. Diese unerwünschten Ionen werden durch die erfindungsgemäße Abschirmelektrode am Auftreffen auf die Kathode gehindert. Die Abschirmelektrode umgibt dabei die empfindlichen Teile der Kathodenhalterung und den Kathodenisolator. Indem das Potential dieser Abschirmelektrode gleich oder annähernd gleich dem Potential des Ionisierers gewählt wird, treffen die abzuschirmenden Cs-Ionen nicht oder nur mit geringer Energie auf diese Abschirmelektrode und bewirken keine Materialzerstäubung. Durch eine Befestigung der Abschirmelektrode am kältesten Teil des inneren Quellengefäßes wird eine thermische Ionisation von Cs-Atomen an der Oberfläche dieser Elektrode verhindert.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Zerstäubung der Kathodenteile und die daraus resultierende Bedeckung des Kathodenisolators mit leitendem Material weitgehend vermieden werden. Dadurch wird die Lebensdauer der Ionenquelle erhöht, der Wartungs aufwand und die Kosten für Ersatzteile gesenkt und die Verfügbarkeit der Anlage, an dem die Ionenquelle eingesetzt ist, verbessert.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt den inneren Teil einer an sich bekannten Cs-Sputterionenquelle vom Typ 860-C mit den Teilen Ionisierer 2, Kathode 3, Sputtereinsatz 4, Formierungselektrode 5, Abschirmkappe 6 und Kathodenisolator 7. Nach der Erfindung wird eine zusätzliche hohlzylinderförmige Abschirmelektrode 1 eingebracht, die die Sputterkathode mit den Bauteilen Kathode 3, Kathodenisolator (7), Sputtereinsatz 4 und Abschirmkappe 6 umgibt. Im Bereich des Sputtereinsatzes 4 ist die Abschirmelektrode 1 rotationssymmetrisch verjüngt ausgebildet Die Abschirmelektrode 1 kann mittels Verschrauben mit dem Gehäuse verbunden werden. Dabei soll die Abschirmelektrode 1 so weit wie möglich vom Ionisierer 2 entfernt angebracht werden.
  • Die positiven Cs-Ionen werden an der sphärischen Oberfläche des heißen Ionisierers 2 erzeugt und durch eine Potentialdifferenz zwischen Ionisierer 2 und Kathode 3 beschleunigt und auf den Sputtereinsatz 4 der Kathode 3 fokussiert. An der heißen Oberfläche der Formierungselektrode 5 entstehen ebenfalls positive Cs-Ionen, die auf die Abschirmkappe 6 der Kathode 3 beschleunigt werden. Das zerstäubte Material der Abschirmkappe 6 lagert sich unter anderem auch auf der Oberfläche des Kathodenisolators 7 ab und führt zu einem Kurzschluss innerhalb der Ionenquelle. In Abhängigkeit von dem Betriebsregime der Quelle müssen nach 500 Betriebsstunden die Abschirmkappe 6 und der Kathodenisolator 7 ausgetauscht werden. Durch die zusätzliche Abschirmelektrode 1 steigt die Lebensdauer der Quelle um ein Vielfaches an.

Claims (3)

  1. Sputterionenquelle, im Wesentlichen bestehend aus den Bauteilen Ionisierer (2), Kathode (3), Sputtereinsatz (4), Formierungselektrode (5), Abschirmkappe (6) und Kathodenisolator (7) in einem vakuumdichten Gehäuse, wobei eine Abschirmelektrode (1) hohlzylinderförmig um die Sputterkathode, bestehend aus den Bauteilen Kathode (3), Kathodenisolator (7) Sputtereinsatz (4) und Abschirmkappe (6), angeordnet ist und die Abschirmelektrode (1) im Bereich des Sputtereinsatzes (4) rotationssymmetrisch verjüngt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abschirmelektrode (1) auf oder annähernd auf dem Potential des Ionisierers (2) und auf dem des Gehäuses befindet.
  2. Sputterionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der Kathode (3) zugewandte Seite der Formierungselekrrode (5) mit der Abschirmelektrode (1) verbunden ist und keine weitere mechanische Verbindung zwischen der Formierungselektrode (5) und dem Gehäuse und/oder dem Ionisierer (2) besteht.
  3. Sputterionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmelektrode (1) mit dem kältesten Teil des Gehäuses verbunden ist.
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