DE4419970A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener Ionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von intensiven Strahlen hochgeladener Ionen gemäß Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Es ist beispielsweise bekannt, Strahlen hochgeladener Ionen mit guter Ausbeute aus Elektronen-Zyklotron-Reso­ nanz-Ionenquellen zu extrahieren (im folgenden: Elektro­ nen-Zyklotron-Resonanz = EZR). Die Konstruktionsmerkmale bekannter EZR-Ionenquellen sind aus Patentdokumenten (EP 138 642, 130 607, 142 414, 145 584, 238 397, 252 845 sowie französischen Offenlegungsschriften 24 75 798, 25 12 623, 25 92 518) und anderen wissenschaftlichen-techni­ schen Veröffentlichungen bekannt. Nach diesen Veröffent­ lichungen wird ein Plasma durch zwei oder mehrere kreisförmige, nicht notwendigerweise identische Magnet­ spulen, die in einem gewissen axialen Abstand vonein­ ander stehen, eingeschlossen. Auf der Symmetrieachse des eingeschlossenen Plasmas entsteht jeweils am Ort der Spulen ein Maximum und zwischen den Spulen ein Minimum der Magnetfeldstärke. Diese Magnetfeldstruktur, die auch als magnetisches Spiegelfeld bekannt ist, läßt sich mit herkömmlichen oder mit supraleitenden Spulen mit gleichsinniger oder entgegengesetzter Stromrichtung realisieren.

Es ist auch bekannt, diese axiale Magnetfeldstruktur mit Permanent-Magneten ohne Verwendung von Spulen zu realisieren. Der radiale Plasmaeinschluß wird durch magnetische Multipolfelder, bei denen sich Nord- und Südpole als Funktion des Winkels um die Ionenquellen­ achse abwechseln (meist Hexapole), bewirkt, die mit Permanent-Magneten aufgebaut sind. Es können aber auch supraleitende Spulen oder eisenbestückte normalleitende Spulen für die Realisierung dieser Multipole verwendet werden.

Eine zylindrische Plasmakammer aus Metall ist in eine solche Magnetfeldstruktur auf deren Symmetrieachse eingesetzt; die Plasmakammer dient im Wesentlichen als Vakuumkammer. In der Plasmakammer wird ein Unterdruck von 10^-1 bis 10^-4 Pa des zu ionisierenden Gases oder Gasgemisches aufrecht erhalten. Der Gaseinlaß erfolgt über eine Gaseinlaßleitung, direkt in die Plasmakammer oder in die Pumpleitungen zwischen den Vakuumpumpen und der Plasmakammer, wobei sehr häufig nicht nur das zu ionisierende Gas, sondern auch ein sogenanntes Unterstüt­ zungsgas eingelassen wird.

Mikrowellenenergie wird mit Hochfrequenz-Hohlleitern oder mit Koaxialleitungen, eventuell in Kombination mit Antennen, radial oder axial in die Plasmakammer eingekop­ pelt, wobei ein mikrowellen-durchlässiges, aber vakuum­ dichtes Fenster den Vakuumabschluß der Plasmakammer gewährleistet. Es sei darauf verwiesen, daß die Begriffe Unterdruck und Vakuum teilweise synonym verwendet werden.

An Stelle von Mikrowellenenergie können auch andere Energieträger, wie an sich bekannt, das Plasma erzeugen bzw. heizen.

Bei der Plasmaelektrode handelt es sich um eine durch­ bohrte Elektrode, durch welche die Ionen mittels des elektrischen Ziehfeldes axial extrahiert werden. Diese Plasmaelektrode ist im Bereich eines der beiden axialen Magnetfeldmaxima, im folgenden als vorderes Maximum bezeichnet, angeordnet. Das Ziehfeld wird durch Spannungsdifferenz zwischen der Plasmaelektrode und einer weiteren, durchbohrten Elektrode, der sogenannten Extraktionselektrode, aufgebaut. Die Plasmaelektrode und das gesamte Plasma liegen auf einem positiveren Potential als die Extraktionselektrode.

Wie bekannt, besitzen demnach EZR-Ionenquellen für die Erzeugung hochgeladener Ionen für den axialen Einschluß eines elektronisch heißen Plasmas hoher Energiedichte (Mikrowellenenergie pro Volumeneinheit) und mittlerer Ladung q < 1 (q ist Mittelwert der positiven neutralen Teilchen), d. h. eines Plasmas mit mittleren Elektronen­ energien von einigen 100 eV bis zu einigen keV und mittleren Ionenenergien von < 5 eV, ein magnetisches Spiegelfeld. Dabei wird gefordert, daß beide Spiegel­ feld-Maxima nicht gleich, aber möglichst groß gegenüber der EZR-Resonanzfeldstärke sein müssen, während gleich­ zeitig das Minimum deutlich kleiner als die EZR-Resonanz­ feldstärke sein muß, damit das Plasma im Bereich des Minimums zwischen den Maxima axial eingeschlossen wird und axial auf beiden Seiten eine EZR-Resonanzzone besitzt.

Verwendet wurden für diesen radialen magnetischen Einschluß dieses Plasmas möglichst starke magnetische Multipole, bei denen sich am Umfang der Plasmakammer Nord- und Südpole als Funktion des Winkels um die Achse in regelmäßigen Abständen abwechseln, während sich die axiale Länge der Magnetpole etwa von Maximum zu Maximum des axialen Spiegelfeldes erstreckte.

Dieses magnetische Einschlußfeld für ein elektronisch heißes Plasma erzeugt im Idealfall eine räumlich geschlossene Fläche der magnetischen EZR-Resonanzfeld­ stärke innerhalb der Plasmakammer. Von dieser geschlos­ senen Fläche ausgehend bis zu den Plasmakammerwänden steigt der Betrag der magnetischen Feldstärke weiter an. Dadurch sind Ionenquellen für die Produktion hochgelade­ ner Ionenstrahlen aus einem "heißen" Plasma mit q < 1 gegenüber sogenannten Plasmaquellen für die Erzeugung "kalter" Plasmen mit mittlerer Ladung q < 1 ausgezeich­ net, die weithin industriell angewendet werden.

Der Nachteil dieser magnetischen Konzeption von EZR-Ionenquellen für die Erzeugung hochgeladener Ionen ist das teilweise gegenseitige Auslöschen der Magnetfeld­ komponenten des axialen Spiegelfeldes durch jeden zweiten Pol des Multipols jeweils im axialen Endbereich des Multipols. Dadurch entstehen lokal kleinere Absolut- Werte der Gesamtmagnetfeldstärke, die Schwachstellen des magnetischen Einschlusses des elektronisch "heißen" Plasmas darstellen. Bei Erhöhung der Mikrowellenenergie­ zufuhr in das Plasma führt dies dazu, daß sich das Plasma längs dieser Schwachstellen bis zur Plasmakammer­ wand ausdehnt und damit durch Neutralisation an der Wand der Anteil hochgeladener Ionen zurückgeht. Damit wird die Energiedichte im Plasma und damit auch die Ausbeute hochgeladener Ionen begrenzt.

Außerdem werden durch die bekannten Multipolgeometrien zylindrische oder polygonale Plasmakammern aufgezwungen und Magnetfeldkomponenten senkrecht zu r-z-Ebenen mit wechselnden Vorzeichen erzeugt. Hierbei ist r die Radial- und z die Axialrichtung. Hierdurch werden bis in unmittelbare Nähe der Achse z der Ionenquelle die für eine optimale Ionenextraktion wünschenswerte magnetische Rotationssymmetrie um die Ionenquellenachse verletzt, was unter anderem zur schlechten Emittanz und Brillanz heutiger EZR-Ionenquellen für die Erzeugung hochgeladener Ionen führt und großflächige Extraktion verhindert. Eine Übertragung auf andere Plasmakammergeo­ metrien speziell für großflächige Extraktion hochgelade­ ner Ionen ist deshalb praktisch nicht möglich gewesen.

Es ist ebenfalls bekannt, daß eine Vielzahl magnetischer Multipolkonfigurationen mit Permanentmagneten für die Vermeidung von Plasma-Wand-Wechselwirkungen bei Plasma­ reaktoren oder bei Plasmaquellen für die Oberflächen­ bearbeitung mit Plasmen geringer Energiedichte und damit geringen Ionisationsgrades mit mittlerer Ladung q < 1 verwendet werden [R. Limpaecher und K. R. MacKenzie, Review of Scientific Instruments, Band 44, Seiten 726 bis 731, 1973].

Es handelt sich dabei aber um sogenannte kalte Plasmen, bei denen einfach geladene Ionen und Elektronen für die Oberflächenbearbeitung aktiv sind. Es wird deshalb sogar besonders darauf geachtet, daß in diesen Plasmen möglichst nur geringste Anteile an hochgeladenen Ionen vorhanden sind, denn höher geladene Ionen würden bei den angelegten Beschleunigungsspannungen höhere Energie besitzen und damit die Oberflächen stärker schädigen.

Magnetische Multipolkonfigurationen werden bei derarti­ gen Anwendungen also nicht für eine möglichst guten Plasmaeinschluß mit größtmöglichen Magnetfeldabsolut­ werten eingesetzt, sondern lediglich für das großflächi­ ge Vermeiden von Plasmawand-Wechselwirkungen eines Plasmas geringer Energiedichte. Die räumliche Anordnung der Permanentmagneten an der Plasmakammeraußenwand muß nicht sehr dicht sein. Ein starkes axiales Spiegelfeld ist nicht notwendig und für die meisten Anwendungen auch nicht wünschenswert.

Weiterhin vermeiden die Anwender bekannter EZR-Ionen­ quellen für die Erzeugung hochgeladener Ionenstrahlen explizit Plasmakammern mit Mikrowellen-Hohlraumresonator­ eigenschaften. Sie verwenden stattdessen sogenannte Multimoden-Plasmakammern in Form von Zylindern, deren Volumen deutlich größer ist als die für die niedrigsten H₁₁₁- oder E₀₁₁-Mikrowelleneigenschwingungen notwendige Mikrowellenresonator-Volumina. In einer Multimoden-Plas­ makammer liegen aber die Mikrowellenresonanzen so dicht beieinander, daß sie vom Plasma je nach Plasmadichte untereinander gekoppelt werden, was dann sehr nachteilig zu Instabilitäten und chaotischem Verhalten der Ionen­ quellen führen kann. Die elektrische Mikrowellen-Feld­ amplitude, die für die Einkopplung der Mikrowellen­ leistung in das Plasma entscheidende Bedeutung hat, kann in solchen Fällen wegen zeitlich schnell variierender Resonanzüberhöhung zeitlich sehr stark fluktuieren.

Trotz aller Anstrengungen gelang es aber bisher nicht, die angestrebten Elektronendichten mittlerer Energie (einige 100 eV bzw. einige keV) im Plasma allein durch Mikrowellenleistungszufuhr zu erhalten. Es wurden deshalb erfolgreiche Versuche zum axialen Einschuß von hochenergetischen Elektronen durchgeführt, die Steigerungen der Ionenausbeute um einen Faktor 2 bis 3 ergaben [Instruments, 62(3), Seiten 775 bis 778, 1991]. Diese geringe Steigerung liegt daran, daß Elektronen, die durch die magnetischen Wände für den Einschluß des Plasmas in das Plasma eindringen sollen, gewöhnlich nur einmal durch das Plasma laufen und dann durch die gegenüberliegende magnetische Wand wieder aus dem Plasmabereich austreten oder beim Aufprall auf Plasma­ kammerwände nur sehr niederenergetische Sekundär­ elektronen erzeugen.

Höchstens ausnahmsweise kommt es zweimal zum Durchlaufen des Plasmas, wenn die Elektronen von der hinteren Seite der Ionenquelle eingelassen werden, da die Elektronen dann am Extraktionspotential zwischen Plasma- und Extraktionselektrode reflektiert werden. Die Erzeugung der Elektronen innerhalb des magnetischen Einschlusses ist mit Erfolg demonstriert worden [V. D. Dougbar-Jabon, K. S. Golovanivsky, B. A. Kondratov und V. D. Kushna­ renko, Rev. Sci. Instrum. 63 (4), Seiten 2864 bis 2868, 1992]. Diese Erzeugung besitzt aber den großen Nachteil, daß die Elektronenerzeugung dem Plasma direkt ausgesetzt ist und deshalb nur kurze Standzeiten besitzen.

Es stellt sich damit die Aufgabe,

• a) den Magneteinschluß des Plasmas senkrecht zur Ionenquellachse nicht beispielsweise durch ein Multipolfeld herkömmliche EZR-Ionenquellen für die Erzeugung hochgeladener Ionen, sondern durch eine rein oder sehr gut angenähert rotationssymmetrische Magnetfeldanordnung zu gewährleisten, die Schwach­ stellen des magnetischen Plasmaeinschlusses vermeidet, für bestmögliche Emittanz und Brillanz der Ionenquelle sowie großflächige Extraktion sorgt, wobei unter analoger Beachtung dieser für zylindri­ sche Plasmakammern zu fordernden Bedingungen auch andere Plasmakammerformen, z. B. Quader, in Betracht gezogen werden können, bei denen dann z. B. über große Extraktionsbereiche nur magnetische x- und z-Komponenten auftreten (dabei ist x die Höhe, y die Breite eines Quaders mit y < x und z die Ionenquellenachse),
• b) hohe Dichten von Elektronen mittlerer Energie im Plasmabereich innerhalb der magnetischen Wände mit großen Standzeiten erzeugen, so daß sie im magne­ tischen Einschlußfeld des Plasmas gefangen bleiben.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Magnet­ anordnung für den Einschluß des Plasmas gelöst, die die Kennzeichen des Anspruches 1 besitzt.

Vorzugsweise erfolgt der Magneteinschluß des Plasmas senkrecht zur Ionenquellenachse z durch eine gerade Zahl von senkrecht zu den parallel zur Achse liegenden Plasmakammerwänden hochmagnetisierten, dicht gepackten, zylindrischen oder polygonalen Permanentmagnetkränzen oder durch eine ungerade Anzahl von zylindrischen oder polygonalen, stromdurchflossenen Kranzspulen auf dem Umfang der äußeren Plasmakammerwand mit abwechselnder Polarität, bzw. abwechselndem stromumlaufsinn längs der Ionenquellenachse z.

Der axiale Magneteinschluß erfolgt durch einen verstärk­ ten (vermehrfachten) Permanentmagnetkranz oder je eine verstärkte stromdurchflossene Kranzspule gleicher Form, aber mit geringeren Innenabständen von der Ionenquellen­ achse auf der Extraktionsseite und auf der axial gegen­ überliegenden Seite der Ionenquelle. Diese Magnetelemen­ te sind nahe, aber mit variablem Abstand von den senk­ recht zur Ionenquellenachse stehenden stirnseitigen Plasmakammerwänden angebracht. Sie besitzen entgegenge­ setzte Polarität bzw. gleichen Stromumlaufsinn, der je­ weils der Polarität bzw. dem Stromumlaufsinn entgegenge­ setzt ist, den der benachbarte Kranz für den magneti­ schen Einschluß senkrecht zur Ionenquellenachse besitzt. Dadurch verstärkt sich in der Nähe von den senkrecht zur Ionenquellachse stehenden Plasmakammerwänden das von den Kränzen für den axialen Magneteinschluß und das von den Kränzen für den Magneteinschluß senkrecht zur Ionenquel­ le erzeugte magnetische Feld.

Weitere Vorteile sind,

• - daß an allen Plasmakammerwänden durchgehend hohe Magnetfeldbeträge herrschen, d. h. ein Mehrfaches der EZR-Resonanzfeldstärke;
• - daß gezielt an den Extraktionsöffnungen der Plasma­ elektrode im Vergleich zu den anderen Plasmakammer­ wänden das schwächste Magnetfeld erzeugt werden kann, damit bei Mikrowellenleistungszufuhr das Plasma zu diesen Plasmaelektrodenöffnungen für optimale Ionen­ extraktion getrieben wird, oder das neutrale, an hochgeladenen Ionen reiche Plasma mit und sogar ohne Extraktionstrennung durch die Plasmaelektroden­ öffnungen aus der Magnetstruktur herausgetrieben wird, so daß es außerhalb des magnetischen Spiegel­ feldes extern genutzt werden kann,
• - daß bei zylindrischen oder polygonalen Plasmakammern nur r- und z-Magnetfeldkomponenten oder bei quaderför­ migen Plasmakammern nur x-z-Magnetfeldkomponenten im zentralen Ionenquellenextraktionsbereich auftreten, und
• - daß dadurch bestmögliche Emittanz und Brillanz der Ionenquellen auch für großflächige Extraktion gewähr­ leistet ist.

Die Plasmakammer ist vorzugsweise als zylindrischer quaderförmiger oder andersförmiger Mikrowellen-Hohlraum­ resonator für die niedrigen Mikrowellen-Eigenschwingun­ gen (z. B. H₁₁₁, H₁₁₂, E₀₁₁, E₀₁₂ usw. für zylindrische Plasmakammern und H₁₀₁, H₁₀₂, H₁₁₁, H₁₁₂, E₁₁₁, E₁₁₂ usw. für quaderförmige Plasmakammern) ausgeführt, in die die Mikrowelle mit Hohlleitern, Koaxialleitern oder über Antennen eingekoppelt wird.

Vorzugsweise befindet sich im Inneren der Plasmakammern ein auf negativem Potential U befindliches Flächenele­ ment, auf das Elektronenstrahlen durch die Feldmaxima des magnetischen Einschlußfeldes schießbar sind, so daß dort Sekundärelektronen erzeugbar sind. Elektronen­ strahlen mit Energien E von 1 keV von bis zu mehr als [e·Extraktionsspannung] werden durch die magnetischen Spiegelwände hindurch von außen in den magnetischen In­ nenraum der Ionenquelle auf das dort befindliche auf ne­ gativem Potential befindliche Flächenelement geschossen, so daß dort Sekundärelektronen erzeugt werden, die vom wählbaren negativen Potential U auf Energien von eU in das Plasma beschleunigt werden und im Magneteinschluß des Plasmas gefangen bleiben.

Durch diese Maßnahmen werden die Voraussetzungen geschaf­ fen, intensive und homogene Strahlen hochgeladener Ionen mit guter Brillanz zu erzeugen, die nach Abbremsen für den technischen Einsatz zur Oberflächenbearbeitung gerin­ ger Substratschädigung mit langsamen, hochgeladenen Ionen benötigt werden.

Durch geeignete Wahl der Permanentmagnetkränze, bzw. der stromdurchflossenen Spulen an der bzw. den Extraktions­ öffnungen der Plasmaelektrode wird hier im Vergleich zu den anderen Plasmakammerwänden das schwächste Magnetfeld erzeugt. Bei Mikrowellenleistungserhöhung wird das Plasma zu diesen Plasmaelektrodenöffnungen für optimale Ionenextraktion getrieben. Ein neutrales, an hochgeladenen Ionen reiches Plasma wird sogar ohne jede Extraktionsspannung durch die Plasmaelektrodenöffnung aus der Magnetstruktur herausgetrieben, so daß es außerhalb des magnetischen Spiegelfeldes extern genutzt werden kann.

Eine weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von Beispielen und Zeichnungen. Die Figuren der Zeichnung zeigen in Einzelnen:

Fig. 1a, b (letztere im Schnitt) eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung mit Ionenquellenvorrichtung;

Fig. 2a, 2b eine zweite Ausführungsform;

Fig. 3a, 3b eine dritte Ausführungsform;

Fig. 4a, 4b eine vierte Ausführungsform.

Ausführungsbeispiel 1 (vgl. Fig. 1a und 1b)

In den Fig. 1a und 1b ist schematisch eine erste Ausführungsform einer Ionenquellenvorrichtung für die Erzeugung und Extraktion von Strahlen hochgeladener Ionen dargestellt. In einer Plasmakammer 1, die als zylindrischer, metallischer H₁₁₁-Mikrowellenhohlraumreso­ nator ausgeführt ist, ist magnetisch ein Plasma 2 hoher Mikrowellenenergiedichte und damit hoher mittlerer Ladung (q < 1) eingeschlossen. Die Innenwände dieser Plasmakammer 1 können durch Beschichtung 1′ mit mikrowellentransparentem Material geschützt werden. In der Plasmakammer 1 kann auch eine zweite, mikrowellentransparente Kammer eingesetzt sein (nicht dargestellt), die die Funktion der Vakuumkammer und des Plasmabehälters übernimmt, während die metallische Kammer nur die Aufgabe des Mikrowellenresonators übernimmt. Die Mikrowellen werden über einen Flachhohlleiter 5 radial eingespeist.

Der magnetische Einschluß des elektronisch heißen Plasmas in der Plasmazone 2 wird senkrecht zur Ionenquel­ lenachse z durch eine rein oder sehr gut genähert rotationssymmetrische Magnetanordnung 3 gewährleistet, die aus einer geraden Anzahl von radial höchstmagne­ tisierten dicht gepackten, zylindrischen oder polygonalen Permanentmagnetkränzen 3.1 . . . 3.4 auf dem Umfang der äußeren Plasmakammerwand mit abwechselnder Polarität längs der Ionenquellenachse z besteht, wobei hier z. B. die Permanentmagnetkränze aus Permanent­ magnetquadern oder Permanetmagnettrapezoiden so zusammengesetzt sind, daß dazwischen einerseits die Mikrowelle durch einen Flachhohlleiter 5 radial in die Plasmakammer eingekoppelt und andererseits Kühlvorrich­ tungen 6 auf der Plasmakammeraußenwand 4 angebracht werden können. Die erzeugten Ionen werden entlang der Ionenquellenachse mit Plasmaelektrode 10 und Extraktionselektrode 11 mittels elektrischer Ziehfeld­ anordnung extrahiert.

Der axiale Magneteinschluß wird hier durch je zwei verstärkte Permanentmagnetkränze 7, 8 gleicher Polarität auf der Extraktionsseite 17 (Vorderseite) und mit umgekehrter Polarität 8 auf der gegenüberliegenden Seite der Plasmakammer (Hinterseite 18). Diese Permanent­ magnetkränze 7, 8 sind nahe, aber mit variablem Abstand von den senkrecht zur Ionenquellenachse z stehenden Plasmakammer-Stirnwänden 19, 20 angebracht. Sie haben auf der Extraktionsseite und auf der Hinterseite verschiedene Magnetvolumina und verschiedene Innenabstände von der Ionenquellenachse z, die kleiner als die der Magnetanordnung 3 sind, so daß ein starkes, asymmetrisches und axiales Spiegelfeld entsteht, das auf der Hinterseite 18 der Ionenquelle stärker ist als auf der Extraktionsseite.

Die Polarität der Permanentmagnetkränze 7 und 8 ist jeweils der Polarität des nächst benachbarten Permanentmagnetkranzes 3.1 und 3.4 der Magnetanordnung 3 entgegengesetzt, so daß sich in der Nähe von Plasmakammer-Stirnwänden 19, 20 das von den Kränzen für den axialen Magneteinschluß und das von den Kränzen für den Magneteinschluß senkrecht zur Ionenquellenachse z erzeugte magnetische Feld nicht kompensiert, sondern verstärkt.

An allen Plasmakammerwänden herrschen durchgehend hohe Magnetfeldbeträge, d. h. ein Mehrfaches der EZR-Resonanzfeldstärke. Die Permanentmagnetkränze 7 und 8 sind aus Permanentmagnetquadern zusammengesetzt. Alternativ können sie aber auch radial magnetisierte Vollringe sein oder auch aus anders geformten Permanentmagneten zusammengesetzt sein.

Durch geeignete Wahl der Permanentmagnetkränze 3.1 . . . 3,4 bzw. 7, 8 kann gezielt an der Extraktions­ öffnung 9 der Plasmaelektrode 10 im Vergleich zu den anderen Plasmakammerwänden das schwächste Magnetfeld erzeugt werdend damit bei Mikrowellenleistungserhöhung das Plasma zu dieser Plasmaelektrodenöffnung 9 getrieben wird. Hierdurch wird eine optimale Ionenextraktion im Ziehfeld zwischen der Plasmaelektrode 10 (positives Potential) und der Extraktionselektrode 11 (negatives Potential) durch die Extraktionsöffnungen der beiden Elektroden hindurch erzielt. Ein Ionenstrahl hoher Brillanz ist die Folge.

In Fig. 1 ist außerdem die Erzeugung eines Elektronen­ strahls 13 mit Energien E von 1 keV bis zu etwas weniger als [e·Extraktionsspannung] in einer rotations­ symmetrisch um die Ionenquellenachse z angeordneten Elektronenkanone 14 gezeigt. Durch das magnetische Einschlußfeldmaximum gelangt der Elektronenstrahl an der Hinterseite hindurch in den magnetischen Innenraum der Plasmakammer 1. Er bläht sich in Gebieten des schwäche­ ren Axialmagnetfeldes auf und wird dann im Einschluß­ feldmaximum an der Extraktionsseite in das Plasma­ elektrodenloch konzentriert. Dort wird der Elektronen­ strahl am Extraktionsfeld reflektiert und läuft zur hinteren Plasmakammerwand zurück, wo er auf ein elektrisch isoliertes, auf negativem, wählbarem Potential U befindliches Flächenelement 15 trifft, so daß dort Sekundärelektronen erzeugt werden. Diese werden vom negativem Potential U auf Energien eU in das Plasma beschleunigt und bleiben im Magneteinschluß des Plasmas gefangen.

Ausführungsbeispiel 2 (vgl. Fig. 2a und 2b)

In den Fig. 2a und 2b ist in einer Plasmakammer 21, die hier als zylindrischer E₀₁₁-Mikrowellenhohlraum­ resonator ausgeführt ist, ein elektronisch "heißes" Plasma hoher Mikrowellenenergiedichte in einer Plasma­ zone 22 magnetisch eingeschlossen. Der magnetische Einschluß des Plasmas wird wie im Ausführungsbeispiel 1 erzeugt. Statt der beschriebenen Magnetstruktur werden aber hier radial magnetisierte Permanentringe 23.1 . . . 23.4 verwendet, für die ansonsten das gleiche gilt wie für die Magnetstruktur im Ausführungsbei­ spiel 1. Bei dieser reinen rotationssymmetrischen Magnet­ anordnung muß die Mikrowelle mit einer Koaxialleitung 25 in die Plasmakammer 21 eingekoppelt werden. Die Kühlung der Plasmakammer 21 muß deshalb hier entweder in die Plasmakammerwand integriert oder in Form von dünnen, thermisch gut leitenden Kühlscheiben 26 zwischen und neben den Magnetkränzen 23.1 . . . 23.4 mit thermischem Kontakt mit der Plasmakammerwand 4 angebracht werden.

Durch geeignete Wahl der Permanentmagnetkränze 23.1 . . . 23.4 kann gezielt an den Extraktionsöffnungen 29 der Plasmaelektrode 30 im Vergleich zu den anderen Plasmakammerwänden das schwächste Magnetfeld erzeugt werden, damit bei Mikrowellenleistungserhöhung das Plasma zu den Plasmaelektrodenöffnungen 29 getrieben wird.

Sowohl die Plasmaelektrode 30 als auch die Extraktions­ elektrode 31 sind hier als wabenartige, sechskantige Vielfachöffnungen ausgeführt, die auch siebartig mit vielen runden oder andersförmigen Öffnungen ausgeführt sein können, um die Extraktionsfläche bei gleichzeitig wohldefinierten Extraktionspotentialverhältnissen drastisch zu erhöhen. Sowohl die großflächig durch­ lässige Fläche der Plasmaelektrode als auch die korrespondierende, ähnlich großflächig durchlässige Fläche der Extraktionselektrode sind so gewölbt, daß optimale Ionenextraktion im Ziehfeld zwischen der Plasmaelektrode 30 (positives Potential) und der Extraktionselektrode 31 (negatives Potential) und damit ein Ionenstrahl hoher Brillanz 32 erzielt wird.

In Fig. 2 ist außerdem die Erzeugung eines Elektronen­ strahls 33 mit Energien E von 1 keV bis zu mehr als [e·Extraktionsspannung] in einer durchbohrten, rotations­ symmetrisch um die Ionenquellenachse z angeordneten Elektronenkanone 34 gezeigt. Durch das magnetische Einschlußfeldmaximum an der Extraktionsseite gelangt der Elektronenstrahl in den magnetischen Innenraum der Plasmakammer. Er bläht sich in Gebieten schwächeren Axialmagnetfeldes auf und wird dann im Einschlußfeld­ maximum an der Hinterseite auf ein Flächenelement 35 vor dem Mittelleiter 36 der Mikrowellenkoaxialleitung konzentriert, das sich elektrisch isoliert auf negativem, wählbarem Potential u befindet, so daß dort Sekundärelektronen erzeugt werden, die vom negativen Potential U auf Energien von eU in das Plasma beschleunigt werden und im Magneteinschluß des Plasmas gefangen bleiben.

Ausführungsbeispiel 3 (vgl. Fig. 3a und 3b)

In den Fig. 3a und 3b ist in einer Plasmakammer 41, die hier als H₁₁₁-Quaderhohlraumresonator ausgeführt ist, ein elektronisch "heißes" Plasma magnetisch eingeschlossen. Der magnetische Einschluß des elektronisch "heißen" Plasmas in der Plasmazone 42 wird senkrecht zu den parallel zur Ionenquellenachse z liegenden Plasmakammerwänden von einer geraden Anzahl von senkrecht zu diesen Plasmakammerwänden magne­ tisierten, an den Plasmakammeraußenwänden eng anliegen­ den und dicht gepackten Permanentmagnetkränzen 44 mit Symmetrieachse identisch der Ionenquellenachse z bewirkt, deren Polarität sich in Richtung der Ionenquel­ lenachse abwechselt.

Für den magnetischen Einschluß parallel zur Ionenquellen­ achse z wird je ein Verstärkter (vermehrfachter) Permanentmagnetkranz 47 und 48 mit geringeren Innen­ abständen von der Ionenquellenachse z auf der Extraktionsseite 47 und auf der Hinterseite 48 der Ionenquelle verwendet. Diese Permanentmagnetkränze sind nahe, aber mit variablem Abstand von den senkrecht zur Ionenquellenachse z stehenden Plasmakammeraußenwänden angebracht. Sie besitzen relativ zueinander entgegen­ gesetzte Polarität, welche jeweils der Polarität entgegengesetzt ist, den der unmittelbar benachbarte Kranz 44.1 und 44.4 für den magnetischen Einschluß senkrecht zur Ionenquellenachse z besitzt. Die Mikrowellenleistung wird durch einen rechteckigen Flachhohlleiter 45 in den Hohlraumresonator eingekoppelt.

Die Plasmaelektrodenöffnung 49 profitiert von der rechteckigen Form der Plasmaelektrode 50 und ist hier z. B. als großflächiger Schlitz (vgl. Fig. 3b) vorge­ sehen. In ähnlicher Weise ist die Extraktionselektrode 51 mit rechteckigem Querschnitt und ihre Ionendurch­ trittsöffnung 51′ als Schlitz ausgeführt.

Alle weiteren in den Anwendungsbeispielen 1 und 2 erwähnten Besonderheiten lassen sich analog auf das Ausführungsbeispiel 3 übertragen.

Ausführungsbeispiel 4 (vgl. Fig. 4a und 4b)

In Fig. 4a ist in einer Plasmakammer 61, die hier als E₀₁₂-Zylinderhohlraumresonator ausgeführt ist, ein elektronisch "heißes" Plasma hoher Mikrowellen­ energiedichte mit mittlerer Ladung q < 1 magnetisch eingeschlossen. Der radiale magnetische Einschluß des Plasmas wird von einer ungeraden Anzahl von stromdurchflossenen Kranzspulen 64 (normalleitend, supraleitend oder normalleitend mit Eisen verstärkt) an den zylindrischen Plasmakammeraußenwänden bewirkt. Der Stromumlaufsinn der Kranzspulen wechselt sich längs der Ionenquellenachse z ab.

Der axiale magnetische Einschluß des Plasmas parallel zur Ionenquellenachse z wird durch je eine verstärkte stromdurchflossene Kranzspule 67, 68 mit geringeren Innenabständen von der Ionenquellenachse z als die Kranzspulen 64 auf der Extraktionsseite (67) und auf der Hinterseite der Ionenquelle (68) bewirkt. Die Kranz­ spulen 67, 68 sind nahe, aber mit variablem Abstand von den senkrecht zur Ionenquellenachse z stehenden Plasma­ kammeraußenwänden 20 angebracht. Sie haben relativ zueinander gleichen Stromumlaufsinn, der dem Stromumlauf­ sinn entgegengesetzt ist, den die unmittelbar benachbarte Kranzspule 64.1 und 64.9 für den magnetischen Einschluß senkrecht zur Ionenquellenachse z besitzt.

In der rechten Hälfte des rechten Querschnitts der Ionenquelle der Fig. 4a ist als Beispiel eine Weich­ eisenverstärkung 77 der magnetischen Feldkonfiguration für den Plasmaeinschluß gezeigt. Weicheisenfreie Feld­ konfigurationen für den Plasmaeinschluß allein mit stromdurchflossenen Kranzspulen 64, 67, 68 sind insbe­ sondere für supraleitende Spulen geeignet.

Alle weiteren in den Anwendungsbeispielen 1 bis 3 erwähnten Besonderheiten lassen sich analog auf das Ausführungsbeispiel 4 übertragen; umgekehrt können die Besonderheiten des Ausführungsbeispiel 4 auch auf die Ausführungsbeispiele 1 und 2 und 3 übertragen werden. Es lassen sich auch Kombinationen aus Permanent­ magnetkränzen und stromdurchflossenen Kranzspulen zusammensetzen, die einen sehr flexiblen Betrieb einer Ionenquelle für hochgeladene Ionen zulassen, da Strom­ änderungen in Kranzspulen dazu benutzt werden können, während des Betriebs magnetische Einschlußparameter des Plasmas an gewünschte Ionenextraktionsbedingungen anzupassen.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlen hochgeladener Ionen mit guter Brillanz, mit einer Ionenquellen­ vorrichtung, die eine von Magneten umgebene Plasma­ kammer (1) umfaßt, in der der für die Plasmaerzeu­ gung erforderliche Unterdruck erzeugbar ist und die ein magnetisch eingeschlossenes Plasma enthält, das mit Hilfe zugeführter Energie erzeugt und geheizt wird, wobei im Plasma hochgeladene Ionen erzeugbar und aus diesem extrahierbar sind, sowie mit einer elektrischen Ziehfeldanordnung, bestehend aus einer Plasmaelektrode (10) und einer Extraktions­ elektrode (11), durch die hindurch erzeugte Ionen aus dem Plasma entlang einer Ionenquellenachse z ex­ trahierbar sind, gekennzeichnet durch eine Magnetanordnung für den Einschluß des Plasmas derart, daß,

• (1) für den magnetischen Einschluß des Plasmas sen­ krecht zur Ionenquellenachse z die Plasmakammer (1) im Bereich des entstehenden Plasmas eng umfaßt umgeben ist von in einer geraden Anzahl (2, 4, . . . ) vorliegenden Permanentmagnetkränzen (3.1, . . . 3.4), deren Polarität sich längs der Ionenquellenachse z abwechselt, oder von einer ungeraden Anzahl (3, 5, . . . ) von stromdurch­ flossenen Magnetspulen (64.1, . . . 64.9), deren Stromumlaufsinn sich längs der Ionenquellenach­ se z abwechselt,
• (2) für den magnetischen Einschluß des Plasmas pa­ rallel zur Ionenquellenachse z die Plasmakammer (1) in den Bereichen ihrer Stirnseiten (19, 20) die Ionenquellenachse z umgeben ist von wenig­ stens je einem Permanentmagnetkranz oder von je einer stromdurchflossenen Magnetspule, von denen je eines der genannten Magnetelemente auf der Extraktionsseite (17) und auf der extraktionsabgewandten Seite der Plasmakammer liegt und einen geringeren Abstand von der Ionenquellenachse z hat als die erstgenannten Magnetelemente,
• (3) und daß die an den Stirnseiten (19, 20) der Plas­ makammer (1; 21; 41; 61) angebrachten Magnetelemen­ te zueinander entgegengesetzte Polarität bzw. gleichen Stromumlaufsinn aufweisen, wobei diese Polarität bzw. dieser Stromumlaufsinn wiederum jeweils der bzw. dem entgegengesetzt ist, die der unmittelbar benachbarte Permanentmagnet­ kranz (3.1; 3.4) bzw. die unmittelbar benachbar­ te Magnetspule (64.1; 64.9) aufweist, so daß in der Nähe der Stirnwände (19, 20) das von den Magnetelementen erzeugte magnetische Feld ver­ stärkt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (64) normalleitend oder supra­ leitend ausgerüstet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnetspulen (64) mit Eisen ver­ stärkt sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels ver­ stellbarer Magnetelemente der Abstand von dem im Be­ reich der Plasmakammer-Stirnseiten (19, 20) angeordne­ ten Magnetelementen bis zur Mitte der Plasmakammer variabel ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Extrak­ tionsöffnungen (9; 29 oder 49) der Plasmaelektrode (10; 30; oder 50) im Vergleich zu den anderen Berei­ chen der Wände der Plasmakammer (1; 21; 41 oder 61) das schwächste Magnetfeld erzeugt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeschlos­ sene Plasma mit Hilfe von eingekoppelten Mikrowellen unter Ausnutzung der Elektronen-Zyklotron-Resonanz (EZR) erzeugbar und beheizbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammer (1; 21; 41 oder 61) eine auf die Mikrowellenfrequenz abgestimmter, metallischer Mikrowellen-Hohlraumresonator ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Plasmakammer (1) auf der Innen­ seite mit Quarz oder anderem Material ausgekleidet ist, das für die Mikrowellen transparent ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum der metallischen Plasmakammer (1) eine mikrowellentransparente Kammer eingesetzt ist, die die Funktion der Vakuumkammer und des Plasmabehälters übernimmt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit einer Mikrowellen­ leitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß in die Plasmakammer und/oder daß Vakuumpumpen der Plasmakammer wenigstens teilweise durch die Mikrowel­ lenzuleitung erfolgt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Plasmakammer eine zylindrische oder prismatische Form, letztere mit polygonaler oder rechteckiger Grundfläche hat.

12. Vorrichtung nach einem der folgenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Plasmakammer ein auf negativem Potential U befindli­ ches Flächenelement (15; 35) angeordnet ist, auf das Elektronenstrahlen (13; 33) durch die Feldmaxima des magnetischen Einschlußfeldes schießbar sind, so daß dort Sekundärelektronen erzeugbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Permantmagnetkränze aus massivem permanenten Magnetmaterial mit Magneti­ sierung senkrecht zur Innenoberfläche der Kränze be­ stehen.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnetkrän­ ze (3.1, . . . , 3.4; 23.1, . . . , 23.4; 44.1, . . . , 44.4) aus Ein­ zelpermanentmagneten gleicher oder verschiedener Formen zusammengesetzt sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß durch geeignete Wahl der Permanentmagnetkränze bzw. der stromdurchflossenen Magnetspulen die axiale Magnetfeldkomponente auf der Ionenquellenachse z mehr als zweimal die EZR-Resonanzfeldstärke innerhalb der Plasmakammer durchläuft.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Plasma­ elektroden (10; 30; 50) wie auch die Extraktionselek­ trodenöffnungen (9; 29; 49) für den Durchtritt der extrahierten Ionen als Einzelöffnung oder als Vielfa­ chöffnungen ausgeführt sind, wobei bei letzterer elektrisch leitende Gitter-, Netz- oder Wabenstruk­ turen wählbare Krümmung dafür sorgen, daß die Extrak­ tionspotentialverteilungen für höchste Ionenbrillanz optimierbar ist.