DE68919671T2 - Universelle Kaltkathoden-Ionenerzeugungs- und -beschleunigungsvorrichtung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Kaltkathoden-Ionenerzeugungs- und Ionenbeschleunigungsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Eine solche Vorrichtung ist im IBM Technical Disclosure Bulletin Band 19, Nr. 11, April 1977, New York, US, Seiten 4451-4452; N. Penebre: "Cold-cathode-sputtering ion source" gezeigt.
• Aus dem "Journal of Vacuum Science and Technology": Teil A, Band 6, Nr. 1, 1988, New York, US, Seiten 9-12; S.N. Mei et al: ist "eine Ionisierungsquelle zum Ausscheiden teilweise ionisierte Strahlen mit hohem Wirkungsgrad" bekannt, die Einrichtungen enthält, um ein einzelnes Plasma zu erzeugen und es gemäß dem zuvor angeführten Stand der Technik zu beschleunigen.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kaltkathoden-Ionenstrahlquelle zu schaffen, um aus einem ionisierbaren Material, gleich, ob es sich in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand befindet, Ionenstrahlen zu erzeugen.
• Diese Aufgabe wird gemäß des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt, in Anspruch 5 ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung von langsamen Ionen (100 bis 1000 ev) und in Anspruch 6 ein weiteres für die Erzeugung von schnellen Ionen (1 bis über 200 kev).
• Die beiliegenden Zeichnungen zeigen:
• - in den Figuren 1, 2a, 2b, 2c, 2d die fragliche Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführung;
• - in den Figuren 3a, 3b, 3c, 3d, 3e die fragliche Vorrichtung bezogen auf die zweite Ausführung.
• Die genaue Beschreibung der verschiedenen Vorrichtungen erfolgt nachstehend, wobei als Referenz für die Polaritäten und Spannungen, die im gesamten Text genannt werden, der gemeinsame Pol der Energieversorgungsquellen der verschiedenen Spannungen genommen wird, und nicht das Erdpotential.
• In Figur 1 wird eine Mittelspannungs-Kaltkathode 1 (von -200 bis -1500 V) nachstehend als "Magnetronkathode" bezeichnet, welche die Ionisierung des Gases unterstützt und in der Lage ist, die Versorgungsspannung zu reduzieren, wobei zusätzlich zum elektrischen Feld ein Magnetfeld verwendet wird. Ein solches Feld wird durch einen Magneten (oder Elektromagneten) 4 erzeugt.
• Die Elemente, die in den verschiedenen Figuren als 1, 2, 3, 4, 5 bezeichnet werden, bilden die Magnetronkathode, die als ein Behälter ausgebildet sein kann, der kreisförmig, quadratisch, elliptisch, rechtwinklig ist oder eine andere Form hat, ohne das Hauptmerkmal der Erfindung zu verändern.
• Diese Kathode zeigt ein Merkmal, welches sie von den bisher bekannten unterscheidet und die Tatsache beinhaltet, daß das Target 2 in einem nicht-magnetischen Metallbehälter enthalten ist, ohne daß es auf irgendeine Weise befestigt werden muß. Wenn das Target ein Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt ist, verbleibt es beim Schmelzen somit im Behälter 1 und wird über eine Rohrleitung 5 (Figur 1) gekühlt, in der Kühlflüssigkeit fließt. Wenn dann das Metall einen hohen Schmelzpunkt hat, ist es möglich, darunter einen Materialstreifen mit einem niedrigen Schmelzpunkt anzuordnen, welcher eine gute Wärmeleitfähigkeit gewährleistet. Natürlich sollte das spezifische Gewicht des Materials, das den Streifen bildet, größer sein als das des Materials, aus dem das Target besteht.
• Permagnentmagnete werden mit 4 (Figur 1) und die jeweiligen Polschuhe mit 3 bezeichnet. Diese Gruppe kann offensichtlich durch einen Elektromagneten ersetzt werden. Die erste Niederspannungs- Anode (0 bis +100 V) ist durch die Abdeckung 7 verkörpert, die zweite Anode durch die Scheibe 13, die mit der gleichen Spannung wie die erste versorgt werden kann, bzw. mit einer leicht unterschiedlichen Spannung. Rippen 13' und 7' der ersten Anode schützen die Wände 1' und 1" des Behälters 1 gegen die Entladung und verhindern dessen Erosion durch die Ionen.
• Bei der Zerstäubungserscheinung ist es bekannt, daß die Energie zum Zerstäuben des Materials, aus dem die Kathodenplatte 2, Target, besteht, in Atome mit sehr guter Annäherung der Sublimierungsenergie des Materials entspricht. Im wesentlichen ist die Magnetronkathode in der Lage, die Substanzen zu vergasen, die sich noch nicht in diesem Zustand befinden, oder Gas der letzteren Substanzen zu erzeugen, das zur Ionisierung und zur nachfolgenden Beschleunigung durch die Anlage bestimmt ist.
• Die elektrische Entladung wird zwischen den Elektroden bei einem Druck erzeugt, der niedriger ist als der atmosphärische Druck, wobei sich die Magnetronkathode in einer geschlossenen Umgebung befindet, die von jeglichem Gas befreit und mit einem Zusatzgas für die Entladung versorgt wird, welches durch das Loch 10 eingeleitet wird.
• Die Kammer ist geeignet ausgebildet, so daß es möglich ist, das Gas, welches zum Zerstäuben verwendet und durch die Öffnung 10 eingeleitet wird, nach dem Starten der Quelle auf ein Minimum zu reduzieren und sogar vollständig zu entfernen, so daß als einziges Gas jenes Gas verwendet wird, das durch die Targetatome erzeugt wird.
• In dem Fall, daß es gewünscht ist, Substanzen zu verwenden, die sich bereits im gasförmigen Zustand befinden oder einfach in einem Vakuum zerstäubt werden können, ohne daß zusätzliche Energie zugeführt werden muß, kann das Target auf minimale Abmessungen reduziert und aus Graphit hergestellt werden, das einen extrem verminderten Zerstäubungseffekt vorbringt.
• Das dritte Element der Ionenquelle enthält elektrostatische Linsen 13", 12' (Figur 1) zum Ausscheiden und Beschleunigen der Ionen, welche Löcher oder Einschnitte aufweisen, durch die der Ionenstrahl ausgebildet wird. Diese elektrostatischen Linsen können wahlweise durch magnetische Linsen ersetzt werden.
• Die Ionisierungskammer ist durch die zweite Kathode oder den Ionisator 6 (Figur 1) und durch eine Niederspannungs-Anode 13 gebildet. Eine zweite elektrische Entladung findet zwischen der Kathode und der Anode statt, die durch die Elektronen und Ionen der ersten Entladung verstärkt wird, und diese zweite Entladung erzeugt eine große Anzahl von Ionen, indem die Atome verwendet werden, die vom Target der Magnetronkathode abgesondert werden. Durch geeignete Ausbildung der Ionisierungskammer ist es möglich, ein Plasma zu erhalten, das reich an Ionen ist.
• Das dritte Element, d.h. die Einheit der Ausscheidungslinsen, enthält ein Mittelteil 13" der Niederspannungs-Anode 13 und ein Oberteil 12' der Hochspannungs-Kathode 12, wodurch zwei Einschnitte gebildet werden, durch die der Ionenstrahl gebildet wird. Die dargestellte Form der Linsen ist nicht begrenzend, ebenso wie die Anzahl der Elemente, aus denen sie bestehen, nicht begrenzend ist, es können mehr als zwei vorhanden sein, um spezielle Charakteristiken des Strahls zu erhalten. Das Ausscheiden des Strahls in Richtung auf den Boden ist ebenfalls keine begrenzende Bedingung, er kann ebenso zur Seite oder nach oben gerichtet ausgeschieden werden. Es kann mehr als ein Einschnitt der Linsen vorgesehen sein, die zueinander parallel verlaufen, oder er kann aus perforierten Gittern bestehen. Die verschiedenen Elektroden dieses Systems werden mit unterschiedlichen Spannungen versorgt, um entsprechend der Energie, die den Ionen zugeführt wird, und der Art dieser Ionen eingestellt zu sein.
• Normalerweise sollte das Target 2 eine Spannung zwischen -200 und -1500 V haben, die Anoden 7 und 13 zwischen 0 und +100 V, der Ionisator 6 zwischen -500 und -3000 V und die Beschleunigungslinse 12 zwischen -10 kV und -500 kV. Wenn die Targets 2 aus isolierendem Material bestehen, sollte die jeweilige Stromversorgung eher ein Wechselstrom als ein Gleichstrom sein, und zwar mit Frequenzen, die normalerweise zwischen 1 und 50 MHz liegen.
• Der Betrag der angezeigten Spannungen kann variieren, um für die Vorrichtung aus Figur 1 den maximalen Wirkungsgrad erreichen zu können, der in den meisten verschiedenen Anwendungen erforderlich ist, die Energie und Dosierungen benötigen, die von den zu erreichen gewünschten Resultaten abhängig sind.
• Es werden nun zwei weitere Beispiele praktischer Anwendung der Erfindung mit Elektroden oder perforierten Gittern gezeigt das erste (Figur 2a) zur Verwendung von langsamen Ionen und das zweite (Figur 3a) zur Verwendung von schnellen Ionen; von diesen beiden Anwendungen können durch geeignete Veränderungen der beiden dargestellten Systeme andere Systeme, die zwischenliegende Energie verwenden, abgeleitet werden, ohne die Gültigkeit des Patents zu verändern.
BEISPIEL I:
• Bei der Verwendung von Ionenquellen ist eines der bekanntesten Verfahren das sogenannte IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Bei diesem Verfahren wird eine Niederenergie-Ionenquelle (100 bis 1000 eV) verwendet, um gegenüber dem PVD-Beschichtungsverfahren (Physical Vapor Deposition), das mit Vorrichtungen, wie thermischen Verdampfern, Elektronenkanonen, Zerstäubungskathoden und anderen arbeitet, eine Verbesserung zu erreichen. Die verwendete Energie steht mit den verwendeten Ionen und dem Material in Beziehung, aus dem das Substrat besteht, das hinter dem Beschichtungsmaterial geschichtet ist.
• Die hier beschriebene Lösung ermöglicht es, das Verfahren mit einer einzigen Vorrichtung durchzuführen und ist nicht auf das IBAD-PVD-Verfahren beschränkt, sondern kann ebenso sinnvoll für andere Verfahrensarten verwendet werden, wie zum Beispiel für Ionenstrahlätzen oder chemisches Bedampfen.
• Es gibt Quellen dieser Art, die in den amerikanischen Patenten US-A-4,652,795; US-A-4,710,283; US-A-4,716,340; US-A-4,774,437 beschrieben sind, die ähnliche Vorrichtungen beschreiben, von denen es aber keine ermöglicht, ein beliebiges Material zu verwenden, fest, flüssig, gasförmig oder festes Material in Pulverform oder das bei niedriger Temperatur schmilzt. Ein typisches Beispiel des letztgenannten ist Zinn, das in Zerstäubungsanlagen verwendet wird; in diesem Fall müssen die Kathoden bei reduzierter Energie betrieben werden, um das Zinntarget nicht zu schmelzen, wohingegen die Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung bei maximaler Energie betrieben werden kann.
• Weiterhin besteht ein merklicher Unterschied zwischen der in den angeführten Patenten beschriebenen Vorrichtung und der der vorliegenden Erfindung, da in der letzteren die Atome, die im Zerstäuber erzeugt werden, durch die zweite Kathode ionisiert werden, während dies bei den angeführten Patenten nicht geschieht. Diese Ionisierung ermöglicht es, durch geeignete Einstellung der Abmessungen der verschiedene Elemente der Vorrichtung, das Gas, welches zum Starten der Zerstäubungsentladung verwendet wird, auf ein Minimum zu reduzieren und sogar vollständig zu entfernen, sobald sie begonnen hat, eine Tatsache, die mit anderer Einschätzung sogar im bereits zitierten Patent US-A-4,774,437 vorausgesehen wurde. Die zweite Kathode, die in diesem Patent nicht vorgesehen ist, schafft ein System größerer Elastizität und deshalb einen besseren Ionisierungswirkungsgrad, wie bereits in der vorhergehenden Erfindung beschrieben wurde und auch nachstehend dargestellt wird.
• Die Vorrichtung gemäß des ersten Beispiels, bei der die Ionen nach oben gerichtet ausgeschieden werden, ist in Figur 2a gezeigt.
• Das System zum Vergasen der Materialien, das durch die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5 und 7 dargestellt ist, kann im Bereich der sogenannten abnormalen Entladung eine Mittelspannungs-Entladung (von -200 bis -1000 V), deren Wert mit der Materialart des Targets und dem für die Entladung verwendeten Gas in Beziehung steht, oder im Bereich der Bogenentladung eine Niederspannungs- Entladung (-15 bis -25 V) verwenden, ohne die Gültigkeit der Vorrichtung zu verändern.
• Wenn in beiden Fällen Materialien eingesetzt werden, die bei hohen Temperaturen schmelzen, kann das Target 2 ebenso mit den Polschuhen 3 fest verbunden sein, beispielsweise durch Schrauben, die in deren Rand versenkt sind, und die Vorrichtung kann somit in jeder Position installiert sein, ohne die Gültigkeit der Erfindung zu verändern.
• In der in Figur 2a dargestellten Vorrichtung stellt 6 die zweite Kathode dar, die in einem perforierten Gitter 6' endet, 13 stellt die zweite Anode dar, die in einem perforierten Gitter 13' endet, wobei die Löcher einen Durchmesser haben, der vom ersten verschieden ist, aber koaxial sind, und 12' stellt das Beschleunigungsgitter dar, wobei die Löcher einen Durchmesser haben, der vom zweiten verschieden ist, aber koaxial sind.
• Die Löcher der Gitter können durch Einschnitte ersetzt werden. Das System der drei perforierten Gitter bildet ein Linsensystem, alle parallel, für welches das Berechnungsverfahren zur Bestimmung des Durchmessers der Löcher und des Abstandes zwischen den Gittern bekannt ist. Diese Gitter können aus Graphit, Silikon oder einem feuerfesten Metall bestehen, und die daran angelegten Spannungen können für das erste und das letzte von -100 bis -3000 V und für das zwischenliegende von 0 bis +150 V variieren, und zwar bezüglich des gemeinsamen Pols der Energieversorgungen, und nicht des Erdpotentials.
• Der genaue Wert dieser Spannungen hängt von der Dichte und der Art der Ionen ab, ebenso wie von der Energie, die den Ionen auf der Basis der durchzuführenden Verfahrenart zugeführt wird.
• Der Abstand zwischen der zweiten Kathode 6' und dem Target 2 steht mit der Intensität des Magnetfeldes in Beziehung, von dem ebenfalls die Begrenzung des Primärplasmas abhängt, oder durch die Kathodenzerstäubung geschaffen wird. Wenn diese Begrenzung richtig ist, kann der Abstanz zwischen der zweiten Kathode und dem Target zwischen 10 und 20 mm betragen. Dieser Abstand und die Anzahl der Löcher, auf Basis ihrer Durchmesser, stehen mit dem Verhältnis zwischen den Ionen des für die Zerstäubung des Targets verwendeten Primärgases und den Ionen des Target selbst in Beziehung. Dieses Verhältnis steht ebenso mit der verwendeten Gasart, der Art des Targets und dem Betriebsdruck in Beziehung.
• In einigen Fällen ist es bevorzugt, einer kleine Anzahl oder gar keine Gasionen zu haben; aber in anderen Fällen ist es gewünscht, daß die Gasionen mit den Atomen des Targetmaterials reagieren, und in diesen Fällen ist es deshalb erforderlich, eine ausreichende Menge Gas zu haben.
• Im Durchschnitt kann ein Verhältnis zwischen der Summe der Fläche der Löcher und der Gesamtfläche von 0,5 verwendet werden.
• Der Tests zufolge, die mit einer ähnlichen Vorrichtung im Labor durchgeführt wurden, wurde festgestellt, daß das Verhältnis zwischen Ionen und Atomen des vom Target zerstäubten Materials 4/1 für Energien von 900 eV und 2/1 für Energien von 100 eV beträgt. Ein weiterer Vorteil der zweiten Kathode besteht im Bewirken einer zweiten Entladung, deshalb mit ausgedehnten Begrenzungen, die von der ersten unabhängig ist, und im Ionisieren der Atome, die vom Target zerstäubt werden, unter den besten Wirkungsgradbedingungen. Weiterhin ist bekannt, daß die sich maximale Konzentration von Ionen im dunklen Bereich der Kathode befindet und die Ionen deshalb genau in dieser Zone ausgeschieden werden, wodurch der maximale Wirkungsgrad der Vorrichtung gewährleistet wird.
• Das zum Erzeugen der Zerstäubungsentladung des Targets verwendete Gas kann durch zwei Öffnungen 10 und 10' eingeleitet werden, die in der Rückseite der Anode ausgebildet sind.
• Zum besseren Verständnis der Zeichnung wurden die äußere Abdekkung, das System der Isolatoren zum Befestigen der verschiedenen Elektroden und zum Einhalten des genauen Abstandes zwischen ihnen und auch die Einlaß- und Auslaßröhren zur Kühlung des Targets weggelassen.
• Figur 2a stellt nur einen Ausschnitt der Vorrichtung dar, die jede Form haben kann: kreisförmig Figur 2b, quadratisch Figur 2c, rechtwinklig Figur 2d, usw., ohne die Gültigkeit der Erfindung zu verändern. Insbesondere kann beim rechtwinkligen Ausführungsbeispiel die längere Seite in Metern bemessen sein; folglich ist die vorliegende Erfindung, ohne ihre Gültigkeit zu verlieren, sowohl für die Verwendung in kleinen Laboranlagen als auch in "in-line" Industrieanlagen für Fließfertigung geeignet.
BEISPIEL II:
• Die in Figur 3a beschriebene Vorrichtung unterscheidet sich von der vorhergehenden dadurch, daß sie nur Ionen erzeugt und beschleunigt.
• Diese Art Vorrichtung wird hauptsächlich bei zwei Arten von Verfahren verwendet: Ionenimplantation und Ionenmischung.
• Im Beispiel der Anwendung, die nun beschrieben wird, sind alle Elemente zum Vergasen des Materials in Figur 3a durch Elemente dargestellt, die durch die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5 und 7 bezeichnet sind, die denen gleichen, die bereits in Beispiel I (Figur 2a) beschrieben wurden, weshalb auf Beispiel I Figur 2a Bezug genommen wird, wobei alle bereits beschriebenen Informationen weiterhin für Beispiel II Gültigkeit haben.
• Das neue Teil enthält eine zweite Kathode 6 (Ionisator) und Linsen (13", 6"', 12') zum Ausscheiden des Ionenstrahls.
• Diese Ausscheidung kann, im Gegensatz zum vorstehenden Beispiel, nach unten gerichtet, nach oben gerichtet (Figur 3b) oder auch zur Seite gerichtet erfolgen, entweder (Figur 3c) zu einer Seite oder zu beiden Seiten; offensichtlich kann sie gleichzeitig von verschiedenen Teilen erfolgen, ohne daß hierdurch die Gültigkeit der Erfindung verändert wird.
• Die Ionisierungskammer besteht in diesem Fall aus einem Kasten, normalerweise aus Graphit oder feuerfesten Metallen, der Wände 6, 6' und 6" aufweist und eine Reihe von Löchern oder Einschnitten in der Wand 6" beim Target enthält, die dazu bestimmt sind, daß die Atome, die vom Target ausgeschieden werden, in die Ionisierungskammer eindringen. Im unteren Mittelbereich des Ionisators ist ebenfalls ein Einschnitt 6"' vorgesehen, der den Ausscheidungseinschnitt für den Ionenstrahl bildet und durch eine Reihe von Löchern ersetzt werden kann.
• Figur 3a stellt die Lösung mit Aussscheidung des Strahls in Richtung auf den Boden dar, aber auf genau analoge Weise kann der Strahl ebenfalls nach oben oder zur Seite ausgeschieden werden, indem der Ausscheidungseinschnitt an der bestgeeigneten Stelle entweder für den Ionisator oder für die zweite Anode 13' und den Beschleuniger 12' angeordnet wird.
• Am Boden der Wand 6"" des Kastens des Ionisators sind ein einzelner (Figur 3d und 3e) oder mehrere Einschnitte vorgesehen, um einen Teil der zweiten Anode 13"' freizulassen, wodurch es möglich ist, im geeigneten Moment die zweite Entladung auszulösen, die zur Ionisierung der Atome des Targets bestimmt ist, die, wie bereits erwähnt, von ihm abgelöst sind und durch die Löcher des Gitters 6" in den Ionisator geschleudert werden.
• Die zweite Kathode 12' wird mit Spannungen zwischen -500 und -3000 V und die zweite Anode mit Spannungen zwischen 0 und +50 V gespeist, immer in Bezug auf den gemeinsamen Pol der Energieversorgungen, und nicht auf das Erdpotential.
• Der kastenförmige Aufbau des Ionisators bietet zwei Vorteile: der erste besteht darin, einen großen Ionisierungsbereich der Atome zu haben, und der zweite besteht darin, nicht ionisierte Atome, die sich abgesetzt haben, nachverdampfen zu können; indem für das Target Materialien verwendet werden, die bei hohen Temperaturen verdampfen, ist es möglich, diesen Kasten aus dem gleichen Material herzustellen, wodurch eine größere Reinheit der Ionen gewährleistet wird, ohne daß die Verwendung eines Magnet-Analysators für die Ionen erforderlich ist. Diese Quelle ist dazu vorgesehen, ohne einen Analysator verwendet zu werden, der eine große Belastung und eine Energieverschwendung für industrielle Anwendungen darstellt.
• Offensichtlich kann der Analysator gleichwohl in allen Fällen verwendet werden, in denen er absolut notwendig ist; darüber hinaus ist der Analysator kein Bestandteil der vorliegenden Vorrichtung, die Gegenstand der Erfindung ist, und deshalb ist diese Art der ergänzenden Verwendung nicht beschrieben.
• Die Atome des Targets können sich ebenfalls auf der Anode ablagern, jedoch in einem vernachlässigbaren Umfang, da es an der Stelle, an der sie angeordnet ist, freiliegend, nicht erforderlich ist, in der Basis des Ionisators Löcher vorzusehen, und weiterhin kann die Spannung der zweiten Anode so reguliert werden, daß die Elektronen, die durch sie gesammelt werden, ihre Oberflächentemperatur auf solch einen Wert bringen, der es nicht ermöglicht, daß auftreffende Atome kondensieren. Weiterhin ist es nicht schwierig, eine Maskierung vorzusehen, die sie von den eintreffenden Atomen trennt. Der besondere Aufbau der Kastenkathode kann ebenso durch Wänden ausgeführt sein, die nicht im rechten Winkel zueinander stehen, wie in der Figur, aber jede Konfiguration haben können, die dazu bestimmt ist, eine größere Ionendichte zu fördern, ohne dabei die Gültigkeit der Erfindung zu verändern.
• Wie bereits in Beispiel I erwähnt, ermöglicht es die Ausscheidung der Ionen durch die Ionisierungskathode 12', diese Ausscheidung dort durchzuführen, wo die Ionenkonzentration größer ist, nämlich im dunklen Bereich der Kathode.
• Ein weiterer Vorteil, der durch dieses Ausscheidungssystem erreicht wird, entsteht durch die Tatsache, daß die von der negativen Wand der Kathode 6' angezogenen positiven Ionen (negative Ionen benötigen eine andere Vorrichtung) einer Vorbeschleunigung unterworfen sind, die die Funktion des Systems zum Ausscheiden des Elektronenstrahls verbessert.
• Das Ausscheidungssystem weist drei Einschnitte 6"', 13", 12" (oder Löcher) auf, die, jeweils am Ionisator, an der zweiten Anode und am Beschleuniger angeordnet sind, wobei die Einschnitte als ein System elektrischer Linsen verstanden werden können, das gemäß vorhandener Unterlagen und Tabellen oder auch durch geeignete programmierbare Computer berechnet werden kann.
• Die Beschleunigungslinse 12' kann mit einigem Abstand von den beiden anderen 6"', 13" angeordnet sein, um das Evakuieren von möglichen Restgasen in dieser Zone durch eine geeignete Hilfspumpe zu ermöglichen, um so den minimal möglichen Druck, d.h. die kleinstmögliche Anzahl von nicht-ionisierten Partikeln, in dieser Beschleunigungszone zu erreichen, mit dem Vorteil der korrekten Funktion dieser Vorrichtung. In einigen Fällen kann mehr als ein Einschnitt vorgesehen sein, alle parallel, und außerdem können die Beschleunigungslinsen aus einer Anzahl von Einschnitten mit ansteigender negativer Spannung bestehen, ohne hierdurch die Gültigkeit der Erfindung zu verändern.
• Die Spannung der Beschleunigungslinsen 12' hängt von der Art des Verfahrens ab, für das die Vorrichtung verwendet wird, und variiert normalerweise zwischen -20 und -200 kV. Alle Energieversorgungen der Ionenquelle haben eine variable Spannung, die reguliert werden kann, um das Verfahren zu optimieren.
• Die mit der beschriebenen Ionenquelle maximal erreichbare Energie für die Ionen mit einfacher Ladung übersteigt 200 keV. Gleichwohl ist es durch Verwendung des bekannten Nachbeschleunigungssystems möglich, diese Energie zu verdoppeln. Das Nachbeschleunigungssystem ist nicht Teil der vorliegenden Vorrichtung und wird deshalb nicht beschrieben.
• Indem der Ionisator mit einem ausreichend reduzierten Volumen bezüglich seiner Oberfläche gebildet ist und mit einer ausreichenden Spannung versorgt wird, ist es möglich, mehrfach geladene Ionen zu erhalten.
• Wenn doppelt geladene Ionen verfügbar sind, um die oben erwähnten Energien zu erhalten, reichen gleich oder halb so große Beschleunigungsspannungen mit merklichen Einsparungen an Kosten für die Stromversorgung aus; oder mit der gleichen Spannung können doppelte Energien bezüglich einfach geladener Ionen erreicht werden, was bedeutet, daß es mit dem Nachbeschleunigungssystem möglich ist, Energien von 1 MeV für Ionen irgendeines Elements zu erreichen.
• Die in Figur 3 im Querschnitt dargestellte Vorrichtung kann jede Form haben, wie kreisförmig, quadratisch, rechtwinklig, usw., wie in den Figuren 3d und 3e dargestellt.
• Im Ausführungsbeispiel mit kreisförmiger oder quadratischer Gestalt ist es möglich, Ionenstrahlen mit kreisförmigem Querschnitt und sogar mit sehr kleinem Querschnitt zu erhalten, während es bei rechtwinkliger Form möglich ist, Strahlen mit einem sogar sehr breiten, bis zu ungefähr einem Meter, rechtwinkligen Querschnitt zu erzeugen, die für große Industrieproduktionen sowohl für Einzelkammeranlagen als auch für "in-line"- Anlagen für Fließfertigung verwendet werden können.

Claims (6)

1. Kaltkathoden-Ionenstrahlquelle zum Erzeugen eines Ionenstrahls aus einem ionisierbaren Material, das elektrisch leitend, halbleitend oder isolierend ist, mit:

(i) einer Kaltkathoden-Zerstäubungsanlage mit einer ersten Kaltkathode (1) und einer ersten Anode (7) zum Erzeugen einer ersten elektrischen Entladung, um Atome oder Moleküle aus einem Quellenmaterial (2) zu zerstäuben, wobei die erste Kaltkathode (1) mit dem Quellenmaterial (2) beladen werden kann;

(ii) einer Ionisierungsanlage zum Ionisieren der Atome oder Moleküle, die sich bereits bei der Betriebstemperatur im gasförmigen Zustand befinden oder aus dem Quellenmaterial (2) zerstäubt werden;

(iii) einer Beschleunigungsanlage (12, 13) zum Ausbilden des Ionenstrahls, indem die Ionen, die in der Ionisierungsanlage erzeugt werden, beschleunigt und extrahiert werden;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Kaltkathode (1) die Form eines Behälters (1, 1', 1") hat, so daß das Quellenmaterial (2) in dem Behälter angeordnet werden kann, ohne daß es auf irgendeine Weise befestigt werden muß, auch wenn es in pulverförmiger oder flüssiger Form vorliegt, und daß die Ionisierungsanlage eine zweite Kaltkathode (6) und eine zweite Anode (13) zum Erzeugen einer zweiten elektrischen Entladung aufweist, um einen hohen Ionisierungswirkungsgrad zu erreichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ionisierungsanlage mindestens eine Gitterelektrode (6, 6', 6") aufweist, die vor dem ionisierbaren Material (2) angeordnet ist, während die Beschleunigungsanlage Beschleunigungselektroden (12, 12", 13") aufweist, die die Beschleunigungseinrichtung ausmachen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kaltkathoden-Zerstäubungsanlage eine Kathode (1) in der Art eines sogenannten Magnetrons mit negativer Mittelspannung (-200 ÷ -1500 V) enthält und Magnete (4) oder Elektromagnete mit Polschuhen (3), ein Kühlsystem (5), einen Metallbehälter (1), der dazu bestimmt sind, das Target (2), das entweder flüssig, fest oder pulverförmig ist, aufzunehmen, und eine erste positive Niederspannungs- (0 +100 V) Anode (7', 7") aufweist, wobei die elektrische Entladung zwischen den Elektroden bei einem Druck erzeugt wird, der geringer ist als der atmosphärische Druck, und wobei sich die Magnetronkathode in einer geschlossenen Umgebung befindet, die von jeglichem Gas befreit ist, und ein Zusatzgas für die Entladung zugeführt wird, das durch Löcher (10, 10') eingeleitet wird, um die erste elektrische Entladung zu erzeugen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, wobei die Magnetronkathode (1) oder eine Vergasungsanlage, die von der Magnetronzerstäubungskathode verschieden ist, mit einem Hochfrequenz-Wechselstrom, anstelle von Gleichstrom, gespeist wird, wobei insbesondere Targets verwendet werden, die aus Materialien bestehen, die keinen guten elektrischen Leiter darstellen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, wobei für die Erzeugung von langsamen (100 ÷ 1000 eV) Ionen eine zweite negative Mittelspannungs- (-500 ÷ -3000 V) Gitterkathode (6, 6'), eine zweite Niederspannungs- (0 ÷ +200 V) Gitteranode (13, 13') und eine dritte Mittelspannungs (-100 ÷ -1000 V) Beschleunigungsgitterkathode (12, 12') vorgesehen ist, um die Ionen aus der Einheit der drei Gitter (6', 13', 12') auszuscheiden; wobei die zweite Gitteranode (13') zwischen der zweiten Gitterkathode (6') und der dritten Gitterkathode (12') angeordnet ist, und wobei die Löcher oder Öffnungen der Gitter unterschiedliche Durchmesser oder Abmessungen haben und koaxial verlaufen.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, wobei für die Erzeugung von schnellen (von 10 bis über 200 keV) Ionen vom Target (2) beginnend nacheinander vorgesehen sind: eine erste Niederspannungs- (0 ÷ +100 V) Gitteranode (7', 7"), eine zweite Niederspannungs- (0 ÷ +200 V) Gitteranode (13""), eine zweite negative Mittelspannungs- (-500 ÷ -3000 V) Beschleunigungsgitterkathode (6, 6") und eine dritte Beschleunigungskathode (12, 12"), die mit ihrer mittleren Öffnung (12") die Beschleunigungslinsen vervollständigt, wobei der Ionenstrahl in Richtung auf den Boden der Vorrichtung gelenkt ist; wobei die zweite Gitteranode (13) eine erste äußere Abdeckung bildet, die eine zweite innere Abdeckung (6) aufweist, die von der ersten isoliert ist und die zweite Beschleunigungsgitterkathode (6) enthält.