DE3874386T2

DE3874386T2 - Vakuum-lichtbogen-ionenquelle.

Info

Publication number: DE3874386T2
Application number: DE8888200649T
Authority: DE
Inventors: Henri Societe Civile Bernardet
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1988-04-06
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2008-04-07
Also published as: DE3874386D1; EP0286191A1; FR2613897B1; FR2613897A1; JPS63279543A; US4924138A; EP0286191B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuum-Lichtbogen-Ionenquelle mit einer ein Plasma aussendenden Kathode und einer mit geeigneten Potentialen polarisierten Anode.
Wenn zwischen zwei in einem Vakuum angeordneten Elektroden ein Lichtbogen entsteht, verdampft stellenweise das Material der Elektroden unter dem Einfluß der Erwärmung. Das ionisierte Gas erzeugt ein aus einer Mischung von Ionen/Elektronen mit einer Gesamtladung gleich Null bestehendes Plasma. Der Lichtbogen wird durch die in bezug auf die Lange des Lichtbogenimpulses kurzzeitige Projektion eines Hilfsplasmas zwischen der Anode und der Kathode mittels einer selbstandigen Steuerelektrode eingeleitet.
Der Austritt dieses Plasmas mit einer mitfleren Energie von einigen zehn eV (Elektron-Volt) erfolgt von stark leuchtenden Punkten mit winzigen Abmessungen aus, die mit Kathodenstellen bezeichnet werden, und bildet sich konusförmig aus, wobei der Winkel der Konen annähernd 30º beträgt.
Dieser Plasma-Austritt wird bei bestimmten Werkstoffen von einem Mikrotröpfchenausstoß aus Schmelzmaterial begleitet; dieser Austritt ist nicht isotrop und erfolgt vorwiegend unter einem Raumwinkel mit der Kathodenoberfläche.
Aus den Patentschriften US-A-4 191 888 und JP-A-61-22 548 ist bekannt, die Form einer Abzugselektrode zur Verringerung des Teilchenaustritts zu ändern. Es handelt sich somit nicht um die Plasmaerzeugung. Nur die Austrittsrate der Teilchen durch eine Abzugselektrode steht zur Diskussion und diese Teilchen werden nicht als Mikrotröpfchen bezeichnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die teilweise oder vollständige Unterbindung des erwähnten Austritts von Mikrotröpfchen herbeizuführen, die die Qualität der untersuchten Schicht oder die gute Wirkung der Apparatur mit dieser Quelle beeinträchtigen können.
Erfindungsgemäß treten die Mikrotröpfchen während des Ionenquellenbetriebs ausgehend von den Kathodenstellen vorwiegend unter einem Raumwinkel nahe bei der Oberfläche der Kathode aus, und es sind Mittel zum Rückgewinnen der Mikrotröpfchen in wenigstens einem Teil des von den Mikrotröpfchen zurückgelegten Wegs angeordnet.
Bei zufriedenstellender Unterdrückung der Mikrotröpfchen, die unter einem Raumwinkel nahe bei der Oberfläche der Kathode ausgesandt werden, bestehen die Behälter aus in der Höchstaustrittszone von Mikrotröpfchen angeordneten Hohlteilen (die Mikrotröpfchen schließen einen spitzen Winkel ein mit der Plasma-Austrittsebene), und die Hohlteile wurden einer geeigneten Oberflächenbehandlung zum Gewährleisten einer guten Haftung der Mikrotröpfchen unterworfen, wobei diese Haftung noch durch eine Polarisation der Behälter in bezug auf die Quelle verbessert werden kann.
Wenn ein vollständigeres Beseitigen der Mikrotröpfchen erwünscht ist, werden die Behälter in Gitterform auf Anodenhöhe oder über der Anode derart angeordnet, daß eine direkte Sicht auf die Kathode von der Extraktion aus vermieden wird.
Die Mittel zum Trennen der Mikrotröpfchen vom Plasma bestehen aus Induktionsspulen, die ein Magnetfeld zum Isolieren des Plasmas erzeugen, das seine radiale Streuung entsprechend eines geradlinigen oder toroidalen Weges begrenzt, wobei das Plasma sich erneut am Ausgang der Anordnung bei Nichtvorhandensein eines Magnetfelds ausdehnt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung zum besseren Verständnis der Verwirklichung der Effindung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 die Höchstaustrittswne von Mikrotröpfchen,
Fig. 2 eine Rückgewinnungsweise für die Mikrotröpfchen in ihrer Höchstaustrittszone,
Fig. 3 eine Rückgewinnungsweise für die Mikrotröpfchen mit Hilfe eines Antimikrotröpfchen-Gittersystems in der Plasmaaustrittszone,
Fig. 4 die Benutzung des Antimikrotröpfchengitters als Ionenextraktionsgitter,
Fig. 5 eine Art und Weise zum Trennen der Mikrotröpfchen vom Plasma mit Hilfe eines Magnetfelds auf einem geradlinigen (Fig. 5a) und toroidalen Plasmaweg (Fig. 5b).
Die in diesen Figuren dargestellten gleichen Elemente sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
In Fig. 1 ist ein Plasma 1 dargestellt, das von einer Kathode 2 zwischen dieser Kathode und einer Anode 3 erzeugt wird. Die Höchstaustrittszone 4 von Mikrotröpfchen 5 neben der Erzeugungsfläche des Plasmas wird einerseits durch diese Fläche und andererseits durch einen Konus begrenzt, deren Umriß in der Zeichenebene gestrichelt dargestellt ist.
In Fig. 2 ist die zylinderförmige Kathode 2 von einer Hülse mit derselben Form umgeben, die die anodische Steuerelektrode 6 darstellt. Die Rückgewinnung der Mikrotröpfchen erfolgt in der Höchstaustrittszone nach Fig. 1 mit Hilfe von Behältern, die aus Hohlteilen 7 bestehen, die mittels der Elemente 8 bzw. 9 von der Steuerelektrode 6 und der Anode 3 isoliert sind. Diese Hohlteile dienen zum Auffangen der Tröpfchen, und ermöglichen durch eine geeignete Oberflächenbehandlung eine gute Haftung, die durch eine beschränkte Polarisation der Behälter in bezug auf die Quelle und entgegen der Ladungsrichtung der elektrischen Ladung der Mikrotröpfchen verstärkt werden kann.
Bei Anwendungen, die ein vollständiges Ausbleiben von Mikrotröpfchen erfordern, muß dem System 7 nach Fig. 2 ein Behältersystem in Form von in der Projektionszone des Plasmas angeordneten Gittern entsprechend Bezugsziffer 10 in Fig. 3 zugeordnet werden. Diese Gitter befinden sich auf Anodenhöhe oder über der Anode 3 und sollen eine direkte Sicht der Kathode von der Abzugsseite her vermeiden; sie können zum Gewährleisten eines wirksameren Einfangens mit Rücksichtnahme auf die elektrische Ladung der Mikrotröpfchen schwach polarisiert sein.
Die Mikrotröpfchen werden durch diese Gitter eingefangen und darauf durch Anhaften auf ihrer Oberfläche festgehalten, wenn ihre Oberfläche eine das Anhaften fördernde Behandlung erfahren haben, oder sie werden durch Schwerkraft darauf festgehalten, wenn ihr Durchschnitt die Form einer Rinne hat (wie in Fig. 3 dargestellt).
Die Durchlässigkeit dieser Gitter für Plasma ist gering, da nur die Ionen 11 mit einer ausreichenden radialen Streuung sich zum Entziehen eignen (siehe Fig. 4).
Diese Durchlässigkeit wird durch die Verwendung von Antimikrotröpfchengitter als Plasmaentzugsoberfläche weiter verbessert, wobei das Plasma durch das Rückgewinnungssystem für die Mikrotröpfchen hindurch ausgesandt wird. In diesem Fall sind die Antimikrotröpfchengitter über der Anode angeordnet.
Ein Mittel zum Trennen der Mikrotröpfchen von den Ionen ist in Fig. 5a und 5b dargestellt. Es besteht aus der Benutzung eines Magnetfelds zum Abgrenzen des von den Induktionsspulen 12a und 12b gelieferten Plasmas. Das Volumen 1 des Plasmas (bei einer Induktion B = 0) reduziert sich nach 13 (bei einer Induktion B = B&sub0;) in Fig. 5a, wobei die Anordnung der Spulen 12 einen geradlinigen Plasmaweg gewährleistet. Die Mikrotröpfchen werden also im System 7 und im oben beschriebenen System 16 rückgewonnen.
In Fig. 5b sorgt die Anordnung der Spulen 12b für einen toroidalen Plasmaweg. Die entlang der Wände des Flußweges im Abstand voneinander liegenden Schikanen 14 gewährleisten die Rückgewinnung der Mikrotröpfchen.
Am Ausgang dieses Systems und ohne Magnetfeld dehnt sich das Plasma bei 15 wieder aus und es werden dieselben Elemente vorgefunden, wie die am Ausgang der Anode einer Struktur ohne dieses Trennmittel.

Claims

1. Vakuum-Lichtbogen-Ionenquelle mit einer ein Plasma (1) aussendenden Kathode (2) und einer mit geeigneten Potentialen polarisierten Anode (3), dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der Ionenquelle vorwiegend under einem Raumwinkel nahe bei der Kathodenoberfläche und ausgehend von Kathodenstellen Mikrotröpfchen (5) ausgestoßen werden, und daß die Quelle wenigstens auf einem Teil des Weges der Mikrotröpfchen Rückgewinnungsmittel (7, 10) für die Mikrotröpfchen (5) enthält.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungsmittel (7, 10) einer geeigneten Oberflächenbehandlung unterworfen werden, die eine gute Haftung der Mikrotröpfchen (5) an der Oberfläche gewährleistet.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungsmittel (7, 10) gegen die Kathode (2) in einer Richtung polarisiert werden, die der elektrischen Ladung der Mikrotröpfchen entgegengesetzt ist.

4. Ionenquelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungsmittel aus Hohlteilen (7) bestehen, die in der Höchstaustrittszone der Mikrotröpfchen angeordnet sind.

5. Ionenquelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungsmittel die Form von auf Anodenhöhe oder über der Anode (3) angeordneten Gitter (10) besitzen, um eine direkte Sicht der Kathode (2) von der Extraktion aus zu vermeiden.

6. Ionenquelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnungsmittel für die Mikrotröpfchen (5) Mittel zum trennen dieser Mikrotröpfchen vom Plasma enthalten, und diese Mittel aus Induktionsspulen (12a, 12b) bestehen und ein Magnetfeld zum Aussenden des Plasmas erzeugen, das seine Radialstreuung auf einem geraden oder toroidalen Weg begrenzt.