DE68913920T2 - Dampf- und Ionenquelle. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine Dampf- und Ionenquelle gemäß dem ersten Teil von Anspruch 1, und insbesondere eine Dampf- und Ionenquelle aus Metall.
• Eine solche Quelle ist aus dem Artikel "Instruments and Experimental Techniques", Band 30, Nr. 1, Teil 2, Januar- Februar 1987, S. 168-170, V. A. Saenko u. a. bekannt. In diesem Artikel wird eine Ionenquelle aus Metall mit einer heißen, hohlen Kathode beschrieben. Bei diesem Dokument ist der Dampfdruck sehr niedrig und die Kathode muß zumindest anfänglich geheizt werden. Dadurch wird auch die Lebensdauer der Quelle herabgesetzt.
• Beim bisherigen Stand der Technik entstehen die Dampf- und Ionenquellen aus Metall in klassischer Weise durch den Beschuß einer Auftreffplatte mit einem Elektronenstrahl. Dies erfordert eine komplexe und empfindliche Apparatur, die in Hochvakuum arbeitet (in der Größenordnung von 10&supmin;³ Pascal) und eine kurze Lebensdauer hat.
• Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht daher darin, eine andere Art von Dampf- und Ionenquelle mit besonders einfachem Aufbau und langer Lebensdauer vorzusehen.
• Um diese Aufgabe zu lösen, sieht diese Erfindung eine Dampf- und Ionenquelle gemäß Anspruch 1 vor.
• Um diese Ionenquelle in Gang zu setzen, wird anfänglich in dem Behälter und insbesondere in dem Hohlraum der Kathode ein Niederdruck-Trägergas vorgesehen, und die Kathode wird auf ein negatives Potential in der Größenordnung von einigen hundert Volt gegenüber der Anode (der Masse) gebracht. Dies bewirkt eine Ionisierung des Trägergases und ein Aufheizen der Kathode. Als Folge davon verflüchtigt sich das in der Kathode angeordnete, zu ionisierende Material und wird ionisiert. Die Metalldämpfe und die Ionen des Materials können sodann auf eine Auftreffplatte geschossen werden, die gegenüber dem Potential des Plasma ein negatives Potential hat. Sobald der Vorgang einmal gestartet ist, kann ein Pumpen begonnen werden, um den Anteil des Trägergases, das überflüssig wird, herabzusetzen.
• Diese sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden in der folgenden Beschreibung einer besonderen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher dargelegt.
• Wie die Figur zeigt, sieht diese Erfindung die Verwendung einer Kathode 10 mit einem inneren Hohlraum und einer Austrittsöffnung 11 vor. Diese Kathode ist in einem Behälter eingeschlossen, zum Beispiel in einem leitenden Behälter M an der Masse, der im folgenden manchmal Masse und manchmal Anode genannt wird, da er gegenüber der Kathode 10 eine Anode darstellt. Dieser Behälter ist mit Pumpmitteln 13 und mit Mitteln 14 zum Einführen eines Gases versehen, wobei es sich bei diesem Gas beispielsweise um Helium, um Argon usw. handelt.
• Es ist ein Magnet oder ein anderes Mittel zum Aufbauen eines Magnetfeldes A vorgesehen, um ein Magnetfeld im Bereich der Öffnung 11 der Kathode im rechten Winkel zu deren Ebene aufzubauen. In dem Hohlraum 10 ist ein zu ionisierendes Material vorgesehen, beispielsweise ein Metall 15 in Form von Pulver, Stäben, Spänen usw.
• Zunächst wird der Behälter M geleert und ein Trägergas in ihn eingeführt, das unter einem Druck in der Größenordnung von einigen Zehntel bis einigen Zig Pascal steht. Wenn die Kathode auf ein negatives Potential von einigen hundert Volt gebracht ist, entsteht ein elektrisches Feld, und aufgrund des vorhandenen Hohlraums krümmen sich die elektrischen Feldlinien 16 im Bereich der Öffnung zum Inneren des Hohlraums hin, wie dies in der Figur dargestellt ist. Es gibt daher Bereiche, in denen das elektrische Feld E aufgrund der Krümmung der Feldlinien senkrecht zu dem aufgebauten Magnetfeld B verläuft. Dies hat die Bildung von Plasma bei viel niedrigeren Gasdruckverhältnissen zur Folge, als es ohne derartige sich überkreuzende elektrische und magnetische Felder der Fall wäre. Denn der Grund für die Plasmabildung liegt in den Randeffekten (Krümmung des elektrischen Feldes aufgrund der vorhandenen Öffnung in den Hohlraum), kombiniert mit dem an bestimmten Stellen kreuzenden Magnetfeld. Es bildet sich daher bei Trägergas-Druckverhältnissen von mehr als einigen Zehntel Pascal eine Plasmazone etwa dergestalt, wie sie in der Figur durch eine punktierte Linie in der Nähe der Öffnung 11 umgrenzt wird. Damit dieser Vorgang stattfindet, muß die Öffnung bekanntlich ausreichende Maße aufweisen, beispielsweise einen Schlitz von mehr als 4 mm Breite, und in einer im wesentlichen ebenen und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes liegenden Fläche oder Platte ausgeführt sein.
• Diese Plasmabildung hat ein Aufheizen der Wände des Hohlraums 10 und damit des Materials 15 zur Folge, das sublimiert wird oder verdampft (je nachdem, ob es sich verflüssigt oder nicht). Es entstehen also Dämpfe dieses Materials. Diese Dämpfe entweichen durch die Öffnung 11 des Hohlraums und ein beachtlicher Anteil wird durch die Elektronen des Plasma ionisiert: Es entstehen also Ionen des Materials 15, die durch eine Platte 20 aufgefangen werden können, die der Öffnung des Hohlraums gegenüber angeordnet ist und auf ein negatives Potential gegenüber der Masse gebracht wurde. Diese Platte nimmt also die Ionen und die Dämpfe des Materials auf, während die Elektronen durch das negative Potential zur Masse hin abgestoßen werden.
• Es ist zu bemerken,daß das Potential des Plasma nicht das gleiche Potential ist wie das der Kathode 10, sondern daß, wenn das Potential dieser Kathode beispielsweise -500 Volt beträgt, das Potential des Plasma einige Zig Volt betragen kann. So wird je nach der Aufschlagenergie, die die Ionen auf die Platte 20 haben sollen, diese auf ein Potential gebrachte das etwa zwischen hundert und tausend Volt variieren kann.
• Wenn der Gasdruck des Materials in dem Hohlraum einen Druck in der Größenordnung von einem Pascal erreicht, kann die Zufuhr der Gase 14, die die anfängliche Plasmabildung verursachen, unterbrochen werden, während gleichzeitig das Pumpen durch die Pumpe 13 fortgesetzt wird. Das Entladen setzt sich fort, da unter diesen Bedingungen die Dämpfe des Materials 15 die anfängliche Rolle des Gases übernehmen. Es befindet sich also im Inneren des Hohlraums ein Plasma, das automatisch erhalten bleibt.
• Auf diese Weise wird eine durch das vorhandene Material 15 sich selbst erhaltende Dampf- und Ionenquelle erzielt, wobei diese Quelle in einem Vakuum von einem Zehntel bis Zehn Pascal arbeitet.
• Das Material 15 ist dann beispielsweise ein Metall. Wenn die Kathode sich auf einem Potential von -500 Volt und die Platte 20 sich auf einem Potential in der Größenordnung von -1200 Volt befindet, so erhält man mit Kupfer auf einer Fläche von 50 cm² 3 Ampere Cu&spplus;-Ionen, die mit 1200 Volt beschleunigt wurden. Die Niederschlaggeschwindigkeit der Kupferatome auf der Platte 20 betrug 20 Mikrometer/Min., woraus zu folgern ist, daß 25 Prozent der verdampften Kupferatome ionisiert wurden.
• Diese Möglichkeit, eine durch das Vorhandensein eines Metalls (ohne Trägergas) sich selbst erhaltende und in Vakuum arbeitende Quelle zu erhalten, besteht mit etwa 60% der Metalle (jener, deren Sättigungs-Dampfdruck größer ist als einige Pascal, und zwar bei Temperaturen von weniger als 1600-1700ºC, die normalerweise im Inneren des Kathodenhohlraums herrschen).
• Das Verfahren gemäß dieser Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf, unter denen zu nennen sind:
• - eine hohe Niederschlaggeschwindigkeit, die derjenigen gleichkommt, die bei Verdampfen in Vakuum erreicht wird,
• - ein hoher Ionisierungsgrad der Metalldämpfe (bis zu 25%, während bei den klassischen Verfahren des ionisierten Niederschlags Ionisierungsgrade in der Größenordnung von 1 bis 2% erreicht werden),
• - die Möglichkeit bei 60% der Metalle, ohne Trägergas zu funktionieren, wodurch der Verschmutzungsgrad herabgesetzt wird.
• Es ergibt sich aus der hohen Anzahl von Ionen, daß auf einer Auftreffplatte 20 eine hervorragende Haftung des Niederschlags vorgesehen werden kann.
• Durch seine besondere Einfachheit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine lange Lebensdauer haben. Des weiteren sind die Abmessungen der Vorrichtung durch keinerlei grundsätzliche Betrachtungen begrenzt, und es kann in Betracht gezogen werden, die Auftreffplatte 20 über eine große Länge zu beschießen, wenn die Öffnung 12 ein großflächiger Schlitz ist.
• Diese Erfindung kann zahlreiche Modifikationen erfahren. Das Material, aus dem die Kathode und der Massebehälter bestehen, wird so gewählt, daß es auf die Betriebstemperaturen nicht reagiert, was zum Beispiel bei Wolfram der Fall ist. Der Behälter kann verschiedene Formen annehmen und kann zum Beispiel mit einem Massegitter verbunden werden, das gegenüber der Öffnung 11 angeordnet ist, um die anfängliche Plasmabildung zu begünstigen. Es können verschiedene Gitter- oder Öffnungssysteme auf verschiedenen Potentialen vorgesehen werden, um die auf die Auftreffplatte geschossenen Ionen zu beschleunigen und/oder zu bündeln.

Claims (5)

1. Dampf- und Ionenquelle, die in einen Niederdruckbehalter eine Anode (M) und eine Kathode (K), die durch einen Äquipotentialehohlraum (10) mit einer Öffnung (11) gebildet ist, sowie Mittel zum Anlegen eines magnetischen Feldes (B) orthogonal zur Ebene der Öffnung aufweist, wobei in dem Hohlraum der Kathode ein zu ionisierendes Material (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Kathode (K) nicht geheizt ist und

- die Öffnung eine Größe aufweist, die ausreichend ist, daß sich während des Anlegens eines Anoden/Kathoden-Feldes Feldlinien ergeben, die gegen das Innere des Hohlraumes gekrümmt sind.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu ionisierende Material (15) ein Metall ist.

3. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Behälter in der Größenordnung einiger Zehntel Pascal liegt, wobei dieser Druck anfangs durch ein Trägergas und anschließend durch das zu ionisierende Material selbst sichergestellt wird.

4. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode auf einem negativen Potential von einigen hundert Volt liegt.

5. Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung ein länglicher Schlitz ist.