DE10010706A1 - Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität - Google Patents
Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher IntensitätInfo
- Publication number
- DE10010706A1 DE10010706A1 DE2000110706 DE10010706A DE10010706A1 DE 10010706 A1 DE10010706 A1 DE 10010706A1 DE 2000110706 DE2000110706 DE 2000110706 DE 10010706 A DE10010706 A DE 10010706A DE 10010706 A1 DE10010706 A1 DE 10010706A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- cathode
- hollow cathode
- ion source
- sputtering
- axis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- 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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/20—Ion sources; Ion guns using particle beam bombardment, e.g. ionisers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
- H01J37/08—Ion sources; Ion guns
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Die Sputter-Hohlkathoden Geometrie ist besonders für die Ökonomie und die Langzeitkonstanz des Ionenquellenbetriebs von Vorteil. Die gesputterten neutralen Teilchen gelangen in das Plasma und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert und können nun, ebenfalls im Kathodenfall beschleunigt, entweder die Elektrode durch das Emissionsfenster verlassen oder durch "Selfsputtering" oder auch durch "Sticking" an der Kanalwand den Ionenproduktionsprozess unterstützen. Nicht ionisierte neutrale Teilchen treffen ebenfalls auf die Innenwand der Elektrode und sind somit weiter im Produktionsprozess präsent. Dies stellt einen ökonomischen Vorteil dar gegenüber der herkömmlichen Sputter-Penningquelle, in welcher die meisten Teilchen, welche nicht als Ionen extrahiert werden, für weitere Ionenerzeugung verloren sind.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen
strahlen hoher Intensität und mittlerer Ladung bei Strahlspan
nungen um 25 kV. Die Ionenerzeugung erfolgt durch Sputtering des
jeweiligen Materials, vorzugsweise Metalle, mit Hilfe des Plas
mas einer Penning-Entladung (Penning or Philips Ionization Va
cuum Gauge, PIG).
Zum Betrieb der Penning-Entladung werden Edelgase verwendet; für
höhere Ladungszustände ist Neon günstig aber auch schwerere
Edelgase finden Anwendung.
In Penning-Ionenquellen werden mehrfach geladene Ionen erzeugt;
sie dienen u. a. als interne Ionenquellen für Zyklotrone und als
leistungsfähige Ionenquellen für lineare Schwerionen-Beschleuni
ger, z. B. UNILAC, GSI-Darmstadt1).
Bekannt sind Ionenquellen, welche die Verdampfung der Materia
lien zur Erzeugung freier Teilchen benutzen (siehe 1), S 331 ff)
Damit werden Ionenstrahlen mit geringer Energiestreuung der
Strahlteilchen erzeugt. Ein Beispiel ist die Oberflächenionen
quelle für Cäsium-Ionen-Strahlen mit thermischer Energievertei
lung, da hier wegen der geringen Bindung des Leuchtelektrons und
der Wechselwirkung mit dem Trägermaterial Wolfram direkt positiv
geladene Cs-Ionen abgedampft werden. Verdampfungsionenquellen
sind für eine große Anzahl von Anwendungen seit dem Beginn der
Ionenbeschleunigertechnik hergestellt worden. Antrieb dazu waren
spezielle Ausrichtungen in der Zielsetzung, wie Massenspektros
kopie, Kernphysik, Implantationstechnik und Oberflächenphysik.
Häufig waren große technische Schwierigkeiten, wie sie mit der
Beherrschung hoher Temperaturen verbunden sind zu bewältigen.
Die Penning-Entladung findet auf einer Achse parallel zu den
Feldlinien eines Magnetfeldes zwischen zwei massiven Kathoden,
aus z. B. W, Ta oder Mo, innerhalb einer Hohlanode statt, wobei
normalerweise eine der Kathoden zum leichteren Zünden der Entla
dung und zur Steigerung der Entladungsstromdichte indirekt durch
Elektronenbombardement auf Emissionstemperatur geheizt wird. Der
Raum zwischen diesen beiden Kathoden wird von der positiven
Säule des Plasmas erfüllt und von der Hohlanode eingeschlossen.
Aus der Hohlanode wird der Ionenstrahl über ein schlitzförmiges
Fenster extrahiert.
In einer Hochleistungs-Penning-Entladung2), bis 30 kW im Puls,
werden auch Ionen des Kathodenmaterials erzeugt. Das ist ein
bisweilen unerwünschter aber unvermeidbarer Nebeneffekt bei der
für die Entladung lebenswichtigen Sekundärelektronenerzeugung
durch das Ionenbombardement der Kathoden, über die beiden Katho
denfälle der Entladung. Für die Penning-Quelle sind konstruktive
Maßnahmen getroffen, um zu verhindern, dass das gesputterte Ka
thodenmaterial in das extrahierbare Aodenplasma gelangt.
Grundsätzlich ist es mit Penning-Ionenquellen möglich auch nied
rig geladene Ionen zu erzeugen, jedoch tendiert die Penning-Ent
ladung typisch zur Bildung höherer Ladungszustände besonders
dann, wenn zur Erzeugung hoher Strahlströme auch hohe Entla
dungsleistungen erforderlich werden.
Ionenquellen, bei denen der Sputtereffekt zur Erzeugung freier
Teilchen benutzt wird, haben den Vorteil, dass die Erzeugung
freier Teilchen praktisch bei Zimmertemperatur unter weitgehen
der Umgehung der Metallchemie bei hohen Temperaturen erfolgt.
Nachteilig ist die relativ große Energiestreuung der Teilchen im
extrahierten Strahl. Ein Beispiel für eine typische Sputterio
nenquelle ist die Ionenquelle nach dem Müller-Hortig-Prinzip3).
Sie dient zur Erzeugung von Strahlen einfach geladener, negati
ver Tonen fast aller Elemente und einer Vielzahl chemischer Mo
lekülfragmente, z. B. Anionen, für die Anwendung an Tandern-Van-
DeGraaff-Beschleunigern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, intensive Ionenstrah
len von Festkörperelementen besonders von Metallen zu erzeugen
und gleichzeitig im Hinblick auf den Materialverbrauch eine bessere
Ökonomie als die der Sputter-Penning-Ionenquellen oder Duo
pigatron-Ionenquellen4) zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch eine Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 (Half-PIG-Geometrie) oder An
spruchs 2 (Full-PIG-Geometrie) gelöst.
Der weiterführenden Erläuterung der Ansprüche wird zur Hinfüh
rung auf die Vorteile der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle die
Beschreibung des Ionenerzeugungsprozesses vorangestellt. Am Bei
spiel der noch zu erläuternden Half-PIG Geometrie werden die
physikalischen Zusammenhänge des Entstehungsvorgangs der Ionen
dargestellt:
In der Half-PIG Ionenquelle bildet sich zunächst ein Penning-
Plasma in der Edelgasathmosphäre. Das Plasma, geführt durch das
Magnetfeld, dringt in den axial verlaufenden Kanal in der Anti
kathode ein, und es bildet sich eine Grenzschicht zwischen Ka
nalwand und Plasma aus. Über dieser Grenzschicht liegt die Po
tentialdifferenz des Kathodenfalls, welche ungefähr der Entla
dungsspannung entspricht. Mit der im Kathodenfall gewonnenen
Energie treffen positive Ionen des Plasmas auf die Kanalwand und
setzen dort durch Sputtering u. a. neutrale Atome des Wandmateri
als frei. Diese gelangen ungehindert in das Plasma und werden
dort durch schnelle Elektronen ionisiert. Die schnellen Elektro
nen werden sowohl durch die heiße Kathode der Penning-Entladung
als auch durch das Ionenbombardement der Kanalwand erzeugt und
in den Kathodenfällen in das Plasma hinein beschleunigt.
Durch den axial stark verlängerten Kanal in der Antikathode ist
die Grenzschicht entsprechend groß, etwa die Fläche der Innen
wand des Kanals, so dass durch einen Durchbruch in der Kanalwand
ausreichend Ionen des Plasmas in den Extraktionsbereich eines
außerhalb der Entladungsgeometrie installierten, starken elekt
rischen Feldes gelangen, um einen Ionenstrahl zu bilden. Diese
Ionen müssen ebenfalls den Kathodenfall passieren und werden da
bei aus dem Plasma heraus in Strahlrichtung beschleunigt.
Wie allen Plasma-Ionenquellen gemeinsam, sind höchste Ionenströ
me von leichteren Elementen sowie von den Elementen mit hoher
Sputterrate und niedrigem Ionisationspotential zu erwarten.
Das Material, aus der die Sputter-Hohlkathode besteht, bzw. de
ren Innenwand für den Zweck damit hinreichend beschichtet ist,
muß ein festes Material sein und unter Ionenbombardement hinrei
chend Sekundärelektronen emittieren können. Die meisten festen
Elemente sind Metalle. Jedoch ist auch Kohlenstoff, ein festes
Material aber kein Metall. Verwandte Elemente, wie Ni, Cr, Fe,
Ti, Mo, usw., zeigen ein relativ einheitliches Verhalten hin
sichtlich des Ionenquellenbetriebs und der Ionenausbeute. Blei
in elementarer Form ist problematisch, es hat eine hohe Sputter
rate, ist aber als Kathodenmaterial offenbar ungeeignet. Unter
schiedliche Kristallformationen des gleichen Elements, z. B. Si-
Einkristall, können sehr unterschiedliche Sputtereigenschaften
haben, die dann die Ionenausbeute begünstigen bzw. herabsetzen.
Bei der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle werden für die Erzeu
gung freier Teilchen und für deren Ionisation ein Penning-Plasma
(Anspruch 1) oder zwei Penning Plasmen (Anspruch 2) benutzt.
Penning-Plasmen sind dafür wegen ihrer hohen Teilchendichte (<
1013/cm3) und wegen der erhöhten Ionisierungswahrscheinlichkeit
durch den für Penning-Plasmen charakteristischen Elektronen-
Pendel-ffekt besonders gut geeignet. Die Formierung des
Ionenstrahls erfolgt durch radiale Extraktion aus einer Kathode,
mittels eines senkrecht zur magnetischen Achse bzw
Ionenquellenachse gerichteten elektrischen Feldes der Stärke um
100 kV/cm.
Wenn die kalte Kathode, die Antikathode der Penning-Entla
dung/en, als solche mit einem zylinderförmigem Hohlraum ausge
bildet ist, können durch einen schlitzförmigen, vorzugsweise
achsparallelen Durchbruch in der Wand, dem Emissionsspalt, Ionen
aus dem im Inneren befindlichen Plasma extrahiert werden. Die
Anordnung aus einer heißen Kathode, einer kurzen Anode und einer
Antikathode mit zylindrischem Hohlraum hat den fachinternen Ar
beitsnamen Half-PIG (halbe Penning oder Philips Ionization Va
cuum Gauge, PIG) (Anspruch 1).
Anspruch 2 kennzeichnet grundsätzlich die Anordnung zweier Ka
thoden mit jeweils zugeordneten Anoden. Mindestens eine der bei
den Kathoden ist beheizt. Zwischen den beiden Anoden liegt die
Sputter-Hohlkathode mit zylindrischem Hohlraum, die hinsichtlich
der beiden Penning-Entladungen eine gemeinsame Antikathode ist.
Die Längsachse des Hohlraums geht durch die beiden Kathoden und
liegt parallel zur Achse des Magnetfelds. Für die grundsätzliche
Anordnung gemäß Anspruch 2 und der darin enthaltenen Spiegelsym
metrie, wie in Anspruch 3 hervorgehoben, bezüglich der Mitten
ebene wird der ebenfalls fachinterne Arbeitsname Full-PIG (ganze
Penning oder Philips Ionization Vacuum Gauge, PIG) verwendet. In
der FULL-PIG Version arbeiten somit zwei Penning-Entladungen auf
eine gemeinsame Antikathode, die Sputter-Hohlkathode. In der
Full-PIG Version ist die Dichteverteilung längs der Plasmaachse
und somit auch die Intensitätsverteilung im Ionenstrahl in ver
tikaler Richtung aus Symmetriegründen gleichförmiger. Es ist für
den Betrieb nicht erforderlich, die Kathode der "gespiegelten"
Penning-Entladung extern zu beheizen.
Je nach Einsatzumgebung ist Half-PIG eine echte Alternative,
denn es wird 1/3 weniger magnetischer Spalt benötigt. Half-PIG
liefert von den gesputterten Materialien hohe Ionenströme in der
gleichen Größenordnung wie Full-PIG. Bei beiden Versionen wird
der Ionenstrahl aus der Sputter-Hohlkathode radial durch den
achsparallelen Durchbruch hindurch extrahiert.
Im Penning-Entladungskreis sind die beiden Kathoden normalerwei
se galvanisch verbunden(Fig. 3), so auch im normalen Betriebs
fall der Half-IG oder Full-PIG-Ionenquelle.
In Anspruch 4 wird beschrieben, daß der Stromkreis, gebildet aus
Sputterhohlkathode - Antikathode in beiden Versionen - und Anode
durch ein eigenes, unabhängig triggerbares und einstellbares
Netzgerät versorgt wird, mit dem Vorteil, durch diesen zusätzli
chen Parameter auf die Strahlverteilung in Richtung Spaltlängs
achse Einfluß nehmen zu können. Die Bedeutsamkeit dieses Parame
ters hängt jedoch sehr von den Forderungen an den Ionenstrahl ab
und kommt nur im komplexen Betrieb einer Anlage zur Geltung.
Auch der/die Stromkreis/e gebildet aus der/den heißen bzw. kal
ten Kathode/n und den/der Anode/n der Penning-Entladung/en wer
den/wird von einem separaten unabhängig triggerbaren Netzgerät
versorgt (Anspruch 5).
Für den Fall der Full-PIG-Geometrie, Ansprüche 2 und 3, wird es
beispielsweise möglich, durch geeignete Pulsverzögerung und
Puls-Triggerung der separaten Stromquellen zwischen den Be
triebsmodi:
- a) Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle und
- b) Penning-Ionenquelle
in beliebiger Abfolge hin und her zu schalten.
In den Ansprüchen 6 und 7 wird jeweils eine gebräuchliche Quer
schnittsform der Hohlkathode aufgeführt, nämlich ein runder und
ein polygonaler Querschnitt.
Anspruch 8 beschreibt einen möglichen Aufbau der Sputter-Hohlka
thode. Das ist üblicherweise ein gut die Wärme leitender, mit
Kühlmittel durchströmter Träger aus z. B. Kupfer, auf welchem die
eigentliche Elektrode, die Sputter-Hohlkathode, mit gutem Wärme
übergang befestigt ist. Die Innenwand des z. B. rohrförmigen
Hohlraums besteht entweder aus dem gewünschten Element, wovon
die Strahlionen gewonnen werden sollen, oder ist damit beschich
tet. Letztere Art der Elektroden-Herstellung kommt dann in
Frage, wenn Ionenstrahlen von sehr teuren oder seltenen Elemen
ten erzeugt werden sollen, wie z. B. angereicherte oder reine
Isotope. Dabei wird von Fall zu Fall geprüft, ob das Aufbringen
auf die Innenwand der Sputter-Hohlkathode auf galvanischem Wege
oder per Drahtexplosion oder durch Aufdampfen oder durch Einklemmen
eines dünnwandigen Röhrchens aus z. B. gerolltem Blech,
erfolgen soll.
Je nach Größe, Geometrie und Forderungen zu der Stärke des Mag
netfelds der Anlage wird das Magnetfeld über einen Permanentmag
neten (Anspruch 9), einen Elektromagneten (Anspruch 10 oder über
eine supraleitenden Magneten (Anspruch 11) erzeugt.
Das Material der Kanalwand muß neben guten Sputtereigenschaften
auch gute Eigenschaften hinsichtlich der Sekundärelektronenemis
sion aufweisen, zusätzlich muß es ausreichend thermisch belast
bar sein.
Die Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle, zeichnet sich aus durch:
- a) die zur Hohlraumachse radiale Extraktion des Ionenstrahls aus der Sputter-Hohlkathode durch den achsparallelen Durchbruch hindurch,
- b) die hohen Ionenstrahl-Intensitäten, siehe Tabelle der Er gebnisse unten, im Einzelimpuls bis zu Repetitionsraten um 100/sec,
- c) die hohe Effizienz des Materialverbrauchs, ca. 2% gegen über der Penning-Ionenquelle von nur ca. 0,02%
- d) den im Vergleich zu klassischen Penning-Ionenquelle ge ringen Oszillationsanteil im Ionenstrahl-Signal, auch Hash oder Rauschen genannt.
Dadurch, dass die Ionen den Kathodenfall passieren und dabei in
Vorwärtsrichtung beschleunigt werden, profitiert die Brillianz
des Ionenstrahls. Vergleichende Messungen der Emittanz gleicher
Ionenstrahlen aus der herkömmlichen Penning-Quelle und der neuen
Ionenquelle am UNILAC, GSI-Darmstadt, bestätigen dies.
Die Sputter-Hohlkathoden Geometrie ist besonders für die Ökono
mie und die Langzeitkonstanz des Ionenquellenbetriebs von Vor
teil. Die gesputterten neutralen Teilchen gelangen in das Plasma
und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert und können
nun, ebenfalls im Kathodenfall beschleunigt, entweder die Elektrode
durch das Emissionsfenster verlassen oder durch "Selfsput
tering", oder auch durch "Sticking" an der Kanalwand den Io
nenproduktionsprozess unterstützen. Nicht ionisierte neutrale
Teilchen treffen ebenfalls auf die Innenwand der Elektrode und
sind somit weiter im Produktionsprozess präsent. Dies stellt ei
nen beträchtlichen ökonomischen Vorteil dar gegenüber der her
kömmlichen Sputter-Penningquelle, in welcher die meisten Teil
chen, welche nicht als Ionen extrahiert werden, für weitere Io
nenerzeugung verloren sind. Lediglich die neutralen Teilchen,
welche den Innenzylinder der Sputter-Hohlkathode an den Zylin
derenden und durch den Emissionsspalt verlassen, sind verloren.
Ein weiterer kleiner Verlustbeitrag kommt von Ionen des gesput
terten Materials, welche über den Kathodenfall in die Kathode/n
implantiert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen mit den
Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Half-PIG-Konfiguration,
Fig. 2 die Full-PIG-Konfiguration,
Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Half-PIG-Konfiguration,
Fig. 4 das Prinzipschaltbild der Full-PIG-Konfiguration.
Für die Realisation der Mechanik des Prototyps der neuen Ionen
quelle wurde auf das modulare, mechanische Konzept der GSI-
Penning-Ionenquelle zurückgegriffen. Dieses Konzept ist ein
nicht publizierter GSI-interner Standard des Entwicklungsstandes
vom Dezember 1989.
Zu Fig. 1 und Fig. 3(Half-PIG):
Die obere Kathode der Ionenquelle ist indirekt beheizt. Auf der
Achse nach unten hin folgt die intensiv gekühlte kurze Anode. An
einer isolierten Durchführung mit gutem Wärmeübergang, ist die
Elektrode der Sputter-Hohlkathode, die Antikathode, eingesetzt.
Die folgende Anode ist in der Half-PIG-Version grundsätzlich
nicht erforderlich ist aber für den gleichförmigen Gashaushalt
der Entladung vorteilhaft.
Der Stromkreis heiße Kathode-Anode wird über des Netzgerät NG1
gebildet. Die Hohlkathode ist galvanisch mit der heißen Kathode
verbunden. Bezugspotential ist die Anode (plus). Das Potential
ist für optimalen Betrieb, d. h. gute Ionenstrahl-Qualität und -
Ausbeute einstellbar. Die Tastverhältnisse sind in weiten Gren
zen einstellbar. Typisch für Hochstrom-Linearbeschleuniger als
Injektoren für Synchrotrons sind Repetitionsraten von 1/s bis
10/s bei 0.5 ms bis 2 ms Pulslänge.
Die nachstehenden Ergebnisse wurden für den Fall des homogenen
magnetischen Feldes mit der Einstellung: 50/s und 1 ms, für den
Fall des inhomogenen magnetischen Feldes mit der Einstellung:
10/s und 1 ms gewonnen.
In Fig. 1 ist die Half-PIG-Geometrie dargestellt, in welcher
das asymmetrische Ionenquellen-Gebilde Half-PIG bei Betrieb nur
einen Teil des Volumens des Hohlzylinders der Sputter-Hohlka
thode nutzt. Für praktische Anwendung kann die Länge der Sput
ter-Hohlkathode den technischen Gegebenheiten angepasst werden.
Der aus dem achsparallelen Schlitz oder Durchbruch in der Wand
der Sputter-Hohlkathode extrahierte bandförmige Ionenstrahl po
sitiv geladener Ionen, hat im wesentlichen die Breite der durch
den Durchbruch sichtbaren Länge, hier 45 mm, der Plasmasäule. Die
Elektrodenkörper der Hohlkathode hat hier eine Länge von 60 mm,
die Anodenlänge beträgt hier 18 mm, um die Kontur einer von vie
len möglichen, maschinenspezifischen Geometrien aufzuzeigen,
Fig. 1 zeigt den Fall des Betriebs der Ionenquelle im inhomoge
nen Magnetfeld des Ionenquellenmagneten der Compact-PIG-
Ionenquelle5). Für den Fall des Betriebs der Ionenquelle im
homogenen Magnetfeld spielt die Ausdehnung des Magnetfeldes für
die Entladung keine Rolle, ist aber ionenoptisch für den
Ionenstrahltransport bedeutungsvoll.
Die Magnetfeldachse liegt parallel zur Längsachse des Hohlzylin
ders der Sputter-Hohlkathode. Die Magnetfeldform ähnelt einer
magnetischen Flasche mit dem Verhältnis der Kraftflußdichte:
Flaschenhals : Flaschenbauch = 2 : 1,
wobei die Kathoden (Full-PIG-Version s. u.) in den Flaschenhälsen
angeordnet sind und die Sputter-Hohlkathode im Bereich des Fla
schenbauchs installiert ist. Für die u. s. Meßwerte war die Mag
netfeldachse mit der Längsachse des Hohlzylinders zusammenge
legt. Beide Achsen können nach Bedarf zur Strahloptimierung zu
einander parallel verschoben werden, was aber mit einigem tech
nischen Aufwand verbunden ist.
Zu Fig. 2:
Die Geometrie in Fig. 2 kann man sich durch Spiegelung der
Half-PIG-Geometrie an einer senkrecht zur Achse der Sputter-
Hohlkathode verlaufenden Ebene entstanden denken. Es entsteht
das symmetrische Ionenquellengebilde Full-PIG, bestehend aus
zwei Penning-Entladungsgeometrien welche, auf einer gemeinsamen
Achse angeordnet, eine gemeinsame Antikathode nutzen.
Die beiden Penning-Plasmen zusammen, im Volumen von der jeweili
gen heißen Kathode/kalten Kathode ausgehend, bis zur Mitte des
zylindrischen Hohlraums der Sputter-Hohlkathode als Antikathode
reichend, da diese hier spiegelbildlich zur Mitteneben liegt,
erfüllen den ganzen zylindrischen Zwischenraum zwischen den Ka
thoden, den beiden Anoden und in der Sputter-Hohlkathode.
Der aus der Sputter-Hohlkathode radial extrahierte, bandförmige
Ionenstrahl positiver Ionen hat eine Breite, die der Länge des
axialen Durchbruchs in der Sputter-Hohlkathode entspricht und
ist der Elektrodenposition und Elektrodengeometrie entsprechend
ebenfalls symmetrisch zur Mittenebene des Magnetfeldes und der
Entladungsgeometrie.
Beiden Konfigurationen, Half-PIG und Full-PIG, ist die radiale
Extraktion eines Strahls positiv geladener Ionen in Form eines
bandförmigen Strahls gemeinsam. Bei gleicher Spalt- bzw. Durchbruch-Geometrie
in der Sputter-Hohlkathode unterscheiden sie
sich in der Breite des Ionenstrahls und auch in der Intensität.
Unterschiedliche Magnetfeldstärken und -formen bedingen unter
schiedliche Betriebsarten der Hohlkathoden-Sputter Ionenquelle.
Höchste Ionenstrahlströme für niedrige Ladungszustände werden
bislang im inhomogenen Magnetfeld erzielt.
Mit massiven Rohrelektroden aus z. B. Aluminium oder Molybdän als
Sputter-Hohlkathoden werden in jeweils einem ununterbrochenen
Betrieb bis zu 100 Stunden Strahlbetrieb mit hoher zeitlicher
Stromkonstanz durchgeführt. Erste Abschätzungen des Material
verbrauchs zeigen Effizienzwerte um 2% im Gegensatz zu Penning-
Ionenquellen von ca. 0,02%.
1) "Handbook of Ion Sources" by Bernhard Wolf,
GSI Center for Heavy Ion Research Darmstadt,
Germany, Crc Press Boca Raton New York London
Tokyo, 1995, P 69).
2) P. M. Morozow et. al., Atomnaya Energiya 3, 272, (1957)
3) M. Müller und G. Hortig, IEEE Trans. Nucl. Sci NS-16, 38, 1969
4) H. Winter, GSI-Bericht PB1-74, Darmstadt 1974
5) M. Müller, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-30 (1983) 1499
2) P. M. Morozow et. al., Atomnaya Energiya 3, 272, (1957)
3) M. Müller und G. Hortig, IEEE Trans. Nucl. Sci NS-16, 38, 1969
4) H. Winter, GSI-Bericht PB1-74, Darmstadt 1974
5) M. Müller, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-30 (1983) 1499
Claims (11)
1. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen
strahlen hoher Intensität, mittlerer Ladung bei niedriger
Energie, bestehend aus:
- - einem Elektromagneten zur Erzeugung eines rotationssym metrischen Magnetfelds,
- - einer extern beheizbaren Kathode, die heiße Kathode, die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegt,
- - einer mit Kühlmittel durchströmten Antikathode, der kal ten Kathode, einer Penning-Entladung mit zylindrischem Hohlraum, das ist die Sputter-Hohlkathode oder Sputter- Antikathode, wobei der Hohlraum mit seiner Hohlraum längsachse auf der oder parallel zu der Magnetfeldachse liegt und die Wand des Hohlraums aus dem sputterbarem Material des zu erzeugenden Ionenstrahls besteht oder dessen Innenwand mit diesem Material beschichtet ist, und die in ihrer Wand einen achsparallelen, schlitzför migen Durchbruch hat,
- - einer mit Kühlmittel durchströmten Anode, zur Erzeugung eines Penning-Plasmas, das an der Kathode beginnt und in den Hohlraum der Sputter-Hohlkathode, welche die Antika thode der Penning-Entladung ist, hineinreicht, woraus die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch hindurch radial zur Hohlraumlängsachse extrahiert wer den.
2. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionen
strahlen hoher Intensität, mittlerer Ladung bei niedriger
Energie, bestehend aus:
- - einem Magneten zur Erzeugung eines rotationssymmetri schen Magnetfelds,
- - zwei Kathoden, wovon zumindest eine extern beheizt ist, die mit ihrem elektrisch wirksamen Bereich auf der Achse des Magnetfelds in demselben liegen und dies- und jen seits der Mittenebene des Magnetfelds senkrecht durch die Magnetfeldachse positioniert sind,
- - einer mit Kühlmittel durchströmten Antikathode mit zy lindrischem Hohlraum, der Sputter-Hohlkathode, die zwi schen den beiden Kathoden und zugehörigen Anoden mit ih rer Hohlraumlängsachse auf der oder parallel zu der Mag netfeldachse liegt, deren Wand aus dem Material des zu erzeugenden Ionenstrahls besteht oder deren Innenwand mit diesem Material beschichtet ist und die in ihrer Wand einen achsparallelen, schlitzförmigen Durchbruch hat,
- - zwei mit Kühlmittel durchströmten Anoden, zur Erzeugung zweier in den Hohlraum der Sputter-Hohlkathode hinein reichender Penning-Plasmen, die jeweils an der zugehöri gen Kathode beginnen und in den Hohlraum der Sputter- Hohlkathode, die die gemeinsame Antikathode der beiden Penning-Entladungen ist, hineinreichen, woraus die Ionen aus dem Innenwandmaterial durch den Durchbruch hindurch radial zur Hohlraumlängsachse extrahiert werden.
3. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Kathoden spiegelbildlich zur Mittenebene des Hohl
raums der Sputter-Hohlkathode, die die Richtung der Hohlraum
achse hat, liegen.
4. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach den Ansprüchen 1 und 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sputter-Antikathode an eine
eigene unabhängig triggerbare und einstellbare Stromquelle
(NG2) angeschlossen ist.
5. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass die heiße Kathode bzw. beiden heißen Ka
thoden an eine eigene unabhängig triggerbare und einstellbare
Stromquelle (NG1) angeschlossen ist bzw. sind.
6. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Hohlraum der Sputter-Antikathode einen
kreisförmigen Querschnitt hat.
7. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Hohlraum der Sputter-Antikathode einen
polygonalen Querschnitt hat.
8. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach den Ansprüchen 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sputter-Hohlkathode aus ei
nem gut die Wärme leitenden, metallischen Trägermaterial, wie
Edelstahl oder Kupfer, besteht und deren Innenwand mit dem
Material der zu erzeugenden Ionen beschichtet ist.
9. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Magnet ein Permanentmagnet ist.
10. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Magnet ein Elektromagnet ist.
11. Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Magnet ein supraleitender Magnet ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000110706 DE10010706C2 (de) | 2000-03-04 | 2000-03-04 | Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität |
AU2001237357A AU2001237357A1 (en) | 2000-03-04 | 2001-01-31 | Hollow cathode sputter ion source for generating high-intensity ion beams |
EP01909713A EP1261982A1 (de) | 2000-03-04 | 2001-01-31 | Hohlkathoden-sputter-ionenquelle zur erzeugung von ionenstrahlen hoher intensität |
PCT/EP2001/000996 WO2001067482A1 (de) | 2000-03-04 | 2001-01-31 | Hohlkathoden-sputter-ionenquelle zur erzeugung von ionenstrahlen hoher intensität |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000110706 DE10010706C2 (de) | 2000-03-04 | 2000-03-04 | Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10010706A1 true DE10010706A1 (de) | 2001-09-13 |
DE10010706C2 DE10010706C2 (de) | 2002-07-25 |
Family
ID=7633575
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2000110706 Expired - Fee Related DE10010706C2 (de) | 2000-03-04 | 2000-03-04 | Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1261982A1 (de) |
AU (1) | AU2001237357A1 (de) |
DE (1) | DE10010706C2 (de) |
WO (1) | WO2001067482A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1450389A2 (de) * | 2003-02-19 | 2004-08-25 | Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH | Multi-Mode-Metall-Ionenquelle mit der Struktur einer Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit radialer Ionenextraktion |
DE102016119791A1 (de) * | 2016-10-18 | 2018-04-19 | scia Systems GmbH | Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Substrates mittels eines Teilchenstrahls |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008022145B4 (de) * | 2008-05-05 | 2015-03-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Vorrichtung und Verfahren zum Hochleistungs-Puls-Gasfluß-Sputtern |
CN102497717A (zh) * | 2011-11-25 | 2012-06-13 | 北京大学 | 一种用于等离子体装置的磁铁及等离子体装置 |
CN102497721B (zh) * | 2011-11-29 | 2014-04-30 | 北京大学 | 双空心阴极以及双空心阴极等离子体装置和应用 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3566185A (en) * | 1969-03-12 | 1971-02-23 | Atomic Energy Commission | Sputter-type penning discharge for metallic ions |
US4344019A (en) * | 1980-11-10 | 1982-08-10 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Penning discharge ion source with self-cleaning aperture |
JP3034076B2 (ja) * | 1991-04-18 | 2000-04-17 | 日本真空技術株式会社 | 金属イオン源 |
-
2000
- 2000-03-04 DE DE2000110706 patent/DE10010706C2/de not_active Expired - Fee Related
-
2001
- 2001-01-31 EP EP01909713A patent/EP1261982A1/de not_active Withdrawn
- 2001-01-31 WO PCT/EP2001/000996 patent/WO2001067482A1/de not_active Application Discontinuation
- 2001-01-31 AU AU2001237357A patent/AU2001237357A1/en not_active Abandoned
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
A.TONEGAWA et al., High efficiency metal ion source, Nucl.Instr. and Meth. in Phys. Res. B70 (1992)205-207 * |
A.TONEGAWA et al., Simple Hollow Cathode Ion Source, Nuc.Instr. and Meth. in Phys.Res. B6 (1985)120-132 * |
B.WOLF, Ed., Handbook of Ion Sources, Chapter 2/Section 5, Characterization of Ion Sorces/ Penning Ion Sources, p. 69-91 * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1450389A2 (de) * | 2003-02-19 | 2004-08-25 | Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH | Multi-Mode-Metall-Ionenquelle mit der Struktur einer Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit radialer Ionenextraktion |
EP1450389A3 (de) * | 2003-02-19 | 2007-12-26 | Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH | Multi-Mode-Metall-Ionenquelle mit der Struktur einer Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit radialer Ionenextraktion |
DE102016119791A1 (de) * | 2016-10-18 | 2018-04-19 | scia Systems GmbH | Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Substrates mittels eines Teilchenstrahls |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10010706C2 (de) | 2002-07-25 |
AU2001237357A1 (en) | 2001-09-17 |
EP1261982A1 (de) | 2002-12-04 |
WO2001067482A1 (de) | 2001-09-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3789618T2 (de) | Ionenerzeugende apparatur, dünnschichtbildende vorrichtung unter verwendung der ionenerzeugenden apparatur und ionenquelle. | |
DE3004546C2 (de) | Penning-Zerstäubungsquelle | |
DE68927043T2 (de) | Plasma-schalter mit einer chrom-kathode mit strukturierter oberfläche | |
DE2243708A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von glimmentladungen | |
DE3136515A1 (de) | "zerstaeubungsvorrichtung und zerstaeubungsverfahren" | |
DE102004014582B4 (de) | Ionenoptische Phasenvolumenkomprimierung | |
CH696972A5 (de) | Vorrichtung zur Kathodenzerstäubung. | |
DE2518688A1 (de) | Linsen-gitter-system fuer elektronenroehren | |
DE69401479T2 (de) | Neutronenröhre mit magnetischem Elektroneneinschluss durch Dauermagneten und dessen Herstellungsverfahren | |
DE3782789T2 (de) | Elektronenkanone mit plasmaanode. | |
DE3881579T2 (de) | Ionenquelle. | |
DE1514990A1 (de) | Hohllathode | |
DE1208420B (de) | Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbuendels von Ionen oder Elektronen bei der wenigstens zwei gleichartige Ionen- bzw. Elektronenquellen hintereinander angeordnet sind | |
DE1515301A1 (de) | Verfahren zur Aufbringung hochwertiger duenner Schichten mittels Kathodenzerstaeubung und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens | |
DE3424449A1 (de) | Quelle fuer negative ionen | |
DE10010706C2 (de) | Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher Intensität | |
DE68922364T2 (de) | Mit einer multizellulären Ionenquelle mit magnetischem Einschluss versehene abgeschmolzene Neutronenröhre. | |
DE69123062T2 (de) | Vorrichtung zum Ionisieren von Metallen hoher Schmelzpunkte verwendbar in mit Freeman oder ähnlichen Ionenquellen ausgerüstete Ionenimplantierungsgeräte | |
DE19949978A1 (de) | Elektronenstoßionenquelle | |
DE1514972B2 (de) | Ionenstoß-Ionenquelle | |
DE3303677C2 (de) | Plasmakanone | |
DE3780675T2 (de) | Vorrichtung, insbesondere duoplasmatron, zur ionisierung eines gases und verfahren zur benutzung dieser vorrichtung. | |
DE2523360A1 (de) | Gasentladungselektronenstrahlerzeugungssystem zum erzeugen eines elektronenstrahls mit hilfe einer glimmentladung | |
DE2655942C2 (de) | ||
DE10306936B3 (de) | Multi-Mode-Metall-Ionenquelle mit der Struktur einer Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit radialer Ionenextraktion |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: GSI HELMHOLTZZENTRUM FUER SCHWERIONENFORSCHUNG, DE |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |