Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle zur Erzeugung von Ionenstrahlen hoher IntensitätHollow cathode sputter ion source for generating high intensity ion beams
Die Erfindung betrifft eine Ionenquelle zur Erzeugung von lonenstrahlen hoher Intensität und mittlerer Ladung bei Strahlspannungen um 25 kV. Die Ionenerzeugung erfolgt durch Sputtering des jeweiligen Materials, vorzugsweise Metalle, mit Hilfe des Plasmas einer Penning-Entladung (Penning or Philips Ionization Va- cuum Gauge, PIG) .The invention relates to an ion source for generating ion beams of high intensity and medium charge at beam voltages around 25 kV. The ions are generated by sputtering the respective material, preferably metals, using the plasma of a Penning discharge (Penning or Philips Ionization Vacuum Gauge, PIG).
Zum Betrieb der Penning-Entladung werden Edelgase verwendet; für höhere Ladungszustände ist Neon günstig aber auch schwerere Edelgase finden Anwendung.Noble gases are used to operate the Penning discharge; neon is cheap for higher charge states, but heavier noble gases are also used.
In Penning-Ionenquellen werden mehrfach geladene Ionen erzeugt; sie dienen u.a. als interne Ionenquellen für Zyklotrone und als leistungsfähige Ionenquellen für lineare Schwerionen-Beschleuniger, z.B. UNILAC, GSI-Darmstadt1' .Multiply charged ions are generated in Penning ion sources; they serve inter alia as internal ion sources for cyclotrons and as powerful ion sources for linear heavy ion accelerators, for example UNILAC, GSI-Darmstadt 1 '.
Bekannt sind Ionenquellen, welche die Verdampfung der Materialien 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 Energieverteilung, 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 Massenspektroskopie, Kernphysik, Implantationstechnik und Oberflächenphysik. Häufig waren große technische Schwierigkeiten, wie sie mit der Beherrschung hoher Temperaturen verbunden sind zu bewältigen.Ion sources are known which use the evaporation of the materials to generate free particles (see 1) , p 331 ff). This produces ion beams with little energy scatter from the beam particles. One example is the surface ion source for cesium ion beams with thermal energy distribution, because the positively charged Cs ions are vaporized here because of the low binding of the light electron and the interaction with the tungsten carrier material. Evaporative ion sources have been manufactured for a large number of applications since the advent of ion accelerator technology. This was driven by special alignments in the objective, such as mass spectroscopy, nuclear physics, implantation technology and surface physics. There were often major technical difficulties, such as those associated with mastering high temperatures.
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 Entladung 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.The Penning discharge takes place on an axis parallel to the field lines of a magnetic field between two solid cathodes, for example made of W, Ta or Mo, within a hollow anode, whereby normally one of the cathodes is heated indirectly to the emission temperature by electron bombardment to facilitate ignition of the discharge and to increase the discharge current density. The space between these two cathodes is filled by the positive column of the plasma and enclosed by the hollow anode. The ion beam is extracted from the hollow anode through a slit-shaped window.
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 Kathodenfälle der Entladung. Für die Penning-Quelle sind konstruktive Maßnahmen getroffen, um zu verhindern, dass das gesputterte Kathodenmaterial in das extrahierbare Aodenplasma gelangt.In a high-performance Penning discharge 2) , up to 30 kW in the pulse, ions of the cathode material are also generated. This is a sometimes undesirable but unavoidable side effect in the secondary electron generation, which is essential for the discharge, by ion bombardment of the cathodes, via the two cathode cases of the discharge. Constructive measures have been taken for the Penning source to prevent the sputtered cathode material from entering the extractable aode plasma.
Grundsätzlich ist es mit Penning-Ionenquellen möglich auch niedrig geladene Ionen zu erzeugen, jedoch tendiert die Penning-Entladung typisch zur Bildung höherer Ladungszustände besonders dann, wenn zur Erzeugung hoher Strahlströme auch hohe Entladungsleistungen erforderlich werden.Basically, it is possible to generate low-charge ions with Penning ion sources, but Penning discharge typically tends to form higher charge states, especially when high discharge powers are required to generate high beam currents.
Ionenquellen, bei denen der Sputtereffekt zur Erzeugung freier Teilchen benutzt wird, haben den Vorteil, dass die Erzeugung freier Teilchen praktisch bei Zimmertemperatur unter weitgehender 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, negativer Ionen fast aller Elemente und einer Vielzahl chemischer Molekülfragmente, z.B. Anionen, für die Anwendung an Tandem-Van- DeGraaff-Beschleunigern.Ion sources in which the sputtering effect is used to generate free particles have the advantage that the generation of free particles takes place practically at room temperature, largely bypassing metal chemistry at high temperatures. The relatively large energy spread of the particles in the extracted beam is disadvantageous. An example of a typical sputtering source is the Müller-Hortig 3 'ion source. It is used to generate beams of simply charged, negative ions of almost all elements and a large number of chemical molecular fragments, eg anions, for use on tandem Van DeGraaff accelerators.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, intensive Ionenstrahlen 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-Ionenquellen41 zu erreichen.The object of the invention is to generate intense ion beams from solid-state elements, in particular from metals and at the same time to achieve a better economy in terms of material consumption than that of the sputtering Penning ion sources or duopotatron ion sources 41 .
Die Aufgabe wird durch eine Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 (Half-PIG-Geometrie) oder Anspruchs 2 (Full-PIG-Geometrie) gelöst.The object is achieved by a hollow cathode sputter ion source with the features of claim 1 (half-PIG geometry) or claim 2 (full-PIG geometry).
Der weiterführenden Erläuterung der Ansprüche wird zur Hinführung auf die Vorteile der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle die Beschreibung des Ionenerzeugungsprozesses vorangestellt. Am Beispiel der noch zu erläuternden Half-PIG Geometrie werden die physikalischen Zusammenhänge des Entstehungsvorgangs der Ionen dargestellt :The further explanation of the claims is preceded by the description of the ion generation process in order to point out the advantages of the hollow cathode sputtering ion source. Using the example of the Half-PIG geometry, which is yet to be explained, the physical relationships of the ion formation process are shown:
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 Antikathode ein, und es bildet sich eine Grenzschicht zwischen Kanalwand und Plasma aus. Über dieser Grenzschicht liegt die Potentialdifferenz des Kathodenfalls, welche ungefähr der Entladungsspannung 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 Wandmaterials frei. Diese gelangen ungehindert in das Plasma und werden dort durch schnelle Elektronen ionisiert. Die schnellen Elektronen 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.A Penning plasma is initially formed in the noble gas atmosphere in the Half-PIG ion source. The plasma, guided by the magnetic field, penetrates into the axially extending channel in the anti-cathode, and an interface is formed between the channel wall and the plasma. The potential difference of the cathode case, which corresponds approximately to the discharge voltage, lies above this boundary layer. With the energy obtained in the cathode case, positive ions of the plasma hit the wall of the channel and are sputtered, among other things. neutral atoms of the wall material free. These get into the plasma unhindered and are ionized there by fast electrons. The fast electrons are generated both by the hot cathode of the Penning discharge and by ion bombardment of the channel wall and are accelerated into the plasma in the cathode cases.
Durch den axial stark verlängerten Kanal in der Antikathode ist die Grenzschicht entsprechend groß, etwa die Fläche der Innenwand des Kanals, so dass durch einen Durchbruch in der Kanalwand ausreichend Ionen des Plasmas in den Extraktionsbereich eines außerhalb der Entladungsgeometrie installierten, starken elektrischen Feldes gelangen, um einen Ionenstrahl zu bilden. Diese
Ionen müssen ebenfalls den Kathodenfall passieren und werden dabei aus dem Plasma heraus in Strahlrichtung beschleunigt.Due to the axially greatly elongated channel in the anti-cathode, the boundary layer is correspondingly large, for example the area of the inner wall of the channel, so that through a breakthrough in the channel wall sufficient ions of the plasma reach the extraction area of a strong electrical field installed outside the discharge geometry to form an ion beam. This Ions also have to pass the cathode case and are accelerated out of the plasma in the beam direction.
Wie allen Plasma-Ionenquellen gemeinsam, sind höchste Ionenströme von leichteren Elementen sowie von den Elementen mit hoher Sputterrate und niedrigem Ionisationspotential zu erwarten.As is common to all plasma ion sources, the highest ion currents can be expected from lighter elements and from elements with a high sputtering rate and low ionization potential.
Das Material, aus der die Sputter-Hohlkathode besteht, bzw. deren Innenwand für den Zweck damit hinreichend beschichtet ist, muß ein festes Material sein und unter Ionenbombardement hinreichend 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 hinsichtlich des Ionenquellenbetriebs und der Ionenausbeute. Blei in elementarer Form ist problematisch, es hat eine hohe Sputterrate, ist aber als Kathodenmaterial offenbar ungeeignet. Unterschiedliche Kristallformationen des gleichen Elements, z. B. Si- Einkristall, können sehr unterschiedliche Sputtereigenschaften haben, die dann die Ionenausbeute begünstigen bzw. herabsetzen.The material from which the sputtered hollow cathode is made, or the inner wall of which is sufficiently coated for the purpose, must be a solid material and be able to emit sufficient secondary electrons under ion bombardment. Most solid elements are metals. However, carbon is also a solid material but not a metal. Related elements, such as Ni, Cr, Fe, Ti, Mo, etc., show a relatively uniform behavior with regard to ion source operation and ion yield. Elemental lead is problematic, it has a high sputtering rate, but is obviously unsuitable as a cathode material. Different crystal formations of the same element, e.g. B. Si single crystal, can have very different sputtering properties, which then favor or reduce the ion yield.
Bei der Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle werden für die Erzeugung 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.In the hollow cathode sputtering ion source, a Penning plasma (claim 1) or two Penning plasmas (claim 2) are used for the generation of free particles and for their ionization. Penning plasmas are particularly well suited for this because of their high particle density (> 10 13 / cm 3 ) and because of the increased ionization probability due to the electron pendulum effect which is characteristic of Penning plasmas. The ion beam is formed by radial extraction from a cathode, by means of an electric field of 100 kV / cm perpendicular to the magnetic axis or the ion source axis.
Wenn die kalte Kathode, die Antikathode der Penning-Entla- dung/en, als solche mit einem zylinderförmigem Hohlraum ausgebildet 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 Arbeitsnamen Half-PIG (halbe Penning oder Philips Ionization Va- cuum Gauge, PIG) (Anspruch 1) .If the cold cathode, the anti-cathode of the Penning discharge / s, is designed as such with a cylindrical cavity, ions can be caused by a slot-shaped, preferably axially parallel opening in the wall, the emission gap extracted from the plasma inside. The arrangement of a hot cathode, a short anode and an anti-cathode with a cylindrical cavity has the internal working name Half-PIG (half Penning or Philips Ionization Vacuum Gauge, PIG) (claim 1).
Anspruch 2 kennzeichnet grundsätzlich die Anordnung zweier Kathoden mit jeweils zugeordneten Anoden. Mindestens eine der beiden 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 Spiegelsymmetrie, wie in Anspruch 3 hervorgehoben, bezüglich der Mittenebene 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 vertikaler Richtung aus Symmetriegründen gleichförmiger. Es ist für den Betrieb nicht erforderlich, die Kathode der „gespiegelten" Penning-Entladung extern zu beheizen.Claim 2 basically characterizes the arrangement of two cathodes, each with associated anodes. At least one of the two cathodes is heated. Between the two anodes is the sputtering hollow cathode with a cylindrical cavity, which is a common anti-cathode with regard to the two Penning discharges. The longitudinal axis of the cavity passes through the two cathodes and is parallel to the axis of the magnetic field. For the basic arrangement according to claim 2 and the mirror symmetry contained therein, as emphasized in claim 3, with respect to the center plane, the internal work name Full-PIG (whole Penning or Philips Ionization Vacuum Gauge, PIG) is used. In the FULL-PIG version, two Penning discharges work on a common anti-cathode, the sputtering hollow cathode. In the full PIG version, the density distribution along the plasma axis and thus also the intensity distribution in the ion beam in the vertical direction are more uniform for reasons of symmetry. It is not necessary for the operation to heat the cathode of the “mirrored” Penning discharge externally.
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.Depending on the environment, Half-PIG is a real alternative, because 1/3 less magnetic gap is required. Half-PIG delivers high ion currents of the same order of magnitude as Full-PIG from the sputtered materials. In both versions, the ion beam is extracted from the sputtering hollow cathode radially through the opening parallel to the axis.
Im Penning-Entladungskreis sind die beiden Kathoden normalerweise galvanisch verbunden (Figur 3), so auch im normalen Betriebsfall 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 zusätzlichen Parameter auf die Strahlverteilung in Richtung Spaltlängsachse Einfluß nehmen zu können. Die Bedeutsamkeit dieses Parameters 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. kalten Kathode/n und den/der Anode/n der Penning-Entladung/en werden/wird von einem separaten unabhängig triggerbaren Netzgerät versorgt (Anspruch 5) .In the Penning discharge circuit, the two cathodes are normally galvanically connected (FIG. 3), as is the case in the normal operating case of the Half-IG or Full-PIG ion source. In claim 4 it is described that the circuit, formed from hollow sputter cathode - anti-cathode in both versions - and anode is supplied by its own, independently triggerable and adjustable power supply unit, with the advantage that these additional parameters influence the beam distribution in the direction of the longitudinal slot axis can. However, the importance of this parameter depends very much on the demands placed on the ion beam and only comes into play in the complex operation of a system. The circuit (s) formed from the hot or cold cathode (s) and the anode (s) of the Penning discharge (s) are / are supplied by a separate, independently triggerable power supply unit (claim 5).
Für den Fall der Full-PIG-Geometrie, Ansprüche 2 und 3, wird es beispielsweise möglich, durch geeignete Pulsverzögerung undIn the case of the full PIG geometry, claims 2 and 3, for example, it becomes possible by suitable pulse delay and
Puls-Triggerung der separaten Stromquellen zwischen den Betriebsmodi :Pulse triggering of the separate power sources between the operating modes:
a) Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle und b) Penning-Ionenquellea) Hollow cathode sputter ion source and b) Penning ion source
in beliebiger Abfolge hin und her zu schalten.switch back and forth in any order.
In den Ansprüchen 6 und 7 wird jeweils eine gebräuchliche Querschnittsform der Hohlkathode aufgeführt, nämlich ein runder und ein polygonaler Querschnitt.In claims 6 and 7, a common cross-sectional shape of the hollow cathode is listed, namely a round and a polygonal cross-section.
Anspruch 8 beschreibt einen möglichen Aufbau der Sputter-Hohlkathode. 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 Wärmeübergang befestigt ist. Die Innenwand des z. B. rohrförmigen Hohlraums besteht entweder aus dem gewünschten Element, wovon die Strahlionen gewonnen werden sollen, oder ist damit beschichtet. Letztere Art der Elektroden-Herstellung kommt dann in Frage, wenn Ionenstrahlen von sehr teuren oder seltenen Elementen 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.Claim 8 describes a possible structure of the sputtering hollow cathode. This is usually a heat-conducting, coolant-flowing carrier made of, for example, copper, on which the actual electrode, the sputtering hollow cathode, is fastened with good heat transfer. The inner wall of the z. B. tubular cavity either consists of the desired element from which the radiation ions are to be obtained, or is coated with it. The latter type of electrode production can be used if ion beams are to be generated from very expensive or rare elements, such as enriched or pure ones Isotopes. It is checked on a case-by-case basis whether the application to the inner wall of the hollow sputter cathode should be by galvanic means or by wire explosion or by vapor deposition or by clamping a thin-walled tube made of, for example, rolled sheet metal.
Je nach Größe, Geometrie und Forderungen zu der Stärke des Magnetfelds der Anlage wird das Magnetfeld über einen Permanentmagneten (Anspruch 9) , einen Elektromagneten (Anspruch 10 oder über eine supraleitenden Magneten (Anspruch 11) erzeugt.Depending on the size, geometry and requirements for the strength of the magnetic field of the system, the magnetic field is generated via a permanent magnet (claim 9), an electromagnet (claim 10 or via a superconducting magnet (claim 11).
Das Material der Kanalwand muß neben guten Sputtereigenschaften auch gute Eigenschaften hinsichtlich der Sekundärelektronenemission aufweisen, zusätzlich muß es ausreichend thermisch belastbar sein.In addition to good sputtering properties, the material of the channel wall must also have good properties with regard to secondary electron emission;
Die Hohlkathoden-Sputter-Ionenquelle, zeichnet sich aus durch: i. die zur Hohlraumachse radiale Extraktion des Ionenstrahls aus der Sputter-Hohlkathode durch den achsparallelen Durchbruch hindurch, ii. die hohen Ionenstrahl-Intensitäten, siehe Tabelle der Ergebnisse unten, im Einzelimpuls bis zu Repetitionsraten um 100/sec, iii. die hohe Effizienz des Materialverbrauchs, ca. 2% gegenüber der Penning-Ionenquelle von nur ca. 0,02% iv. den im Vergleich zu klassischen Penning-Ionenquelle geringen Oszillationsanteil im Ionenstrahl-Signal, auch Hash oder Rauschen genannt.The hollow cathode sputter ion source is characterized by: i. the radial extraction of the ion beam from the hollow sputter cathode to the cavity axis through the axially parallel opening, ii. the high ion beam intensities, see table of results below, in the single pulse up to repetition rates around 100 / sec, iii. the high efficiency of material consumption, approx. 2% compared to the Penning ion source of only approx. 0.02% iv. the low oscillation component in the ion beam signal, also called hash or noise, in comparison to classic Penning ion sources.
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.The fact that the ions pass the cathode case and are accelerated in the forward direction benefits the brilliance of the ion beam. Comparative measurements of the emittance of the same ion beams from the conventional Penning source and the new ion source at UNILAC, GSI-Darmstadt, confirm this.
Die Sputter-Hohlkathoden Geometrie ist besonders für die Ökonomie 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 einen beträchtlichen ökonomischen Vorteil dar gegenüber der herkömmlichen Sputter-Penningquelle, in welcher die meisten Teilchen, welche nicht als Ionen extrahiert werden, für weitere Ionenerzeugung verloren sind. Lediglich die neutralen Teilchen, welche den Innenzylinder der Sputter-Hohlkathode an den Zylinderenden und durch den Emissionsspalt verlassen, sind verloren. Ein weiterer kleiner Verlustbeitrag kommt von Ionen des gesputterten Materials, welche über den Kathodenfall in die Kathode/n implantiert werden.The sputtering hollow cathode geometry is particularly important for the economy and long-term constancy of ion source operation. part. The sputtered neutral particles get into the plasma and are ionized there by fast electrons. Now, also accelerated in the cathode case, they can either leave the electrode through the emission window or by "self-sputtering", or by "sticking" on the channel wall the Io - support the production process. Non-ionized neutral particles also hit the inner wall of the electrode and are therefore still present in the production process. This represents a significant economic advantage over the conventional sputtering Penning source in which most of the particles that are not extracted as ions are lost for further ion generation. Only the neutral particles that leave the inner cylinder of the sputtering hollow cathode at the cylinder ends and through the emission gap are lost. Another small loss contribution comes from ions of the sputtered material, which are implanted into the cathode (s) via the cathode case.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen mit denThe invention is based on the drawings with the
Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:Figures 1 to 4 explained in more detail. Show it:
Figur 1 die Half-PIG-Konfiguration,FIG. 1 shows the half-PIG configuration,
Figur 2 die Full-PIG-Konfiguration,FIG. 2 shows the full PIG configuration,
Figur 3 das Prinzipschaltbild der Half-PIG-Konfiguration,FIG. 3 shows the basic circuit diagram of the half-PIG configuration,
Figur 4 das Prinzipschaltbild der Full-PIG-Konfiguration.Figure 4 shows the schematic diagram of the full PIG configuration.
Für die Realisation der Mechanik des Prototyps der neuen Ionenquelle 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.The modular, mechanical concept of the GSI Penning ion source was used to implement the mechanics of the prototype of the new ion source. This concept is an unpublished GSI internal standard of the development status from December 1989.
Zu Figur 1 und Figur 3 (Half-PIG) :For Figure 1 and Figure 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.The upper cathode of the ion source is heated indirectly. The intensely cooled short anode follows on the axis downwards. The electrode of the sputtering hollow cathode, the anti-cathode, is used on an insulated bushing with good heat transfer. The following anode is basically in the half-PIG version is not necessary but is advantageous for the uniform gas balance of the discharge.
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 Grenzen 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.The hot cathode anode circuit is formed via the power supply NG1. The hollow cathode is galvanically connected to the hot cathode. The reference potential is the anode (plus). The potential is for optimal operation, i.e. good ion beam quality and - yield adjustable. The duty cycle can be set within wide limits. Typical for high-current linear accelerators as injectors for synchrotrons are repetition rates from 1 / s to 10 / s with a pulse length of 0.5 ms to 2 ms.
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.The following results were obtained for the case of the homogeneous magnetic field with the setting: 50 / s and 1 ms, for the case of the inhomogeneous magnetic field with the setting: 10 / s and 1 ms.
In Figur 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-Hohlkathode nutzt. Für praktische Anwendung kann die Länge der Sputter-Hohlkathode den technischen Gegebenheiten angepasst werden. Der aus dem achsparallelen Schlitz oder Durchbruch in der Wand der Sputter-Hohlkathode extrahierte bandförmige Ionenstrahl positiv geladener Ionen, hat im wesentlichen die Breite der durch den Durchbruch sichtbaren Länge, hier 45mm, der Plasmasäule. Die Elektrodenkörper der Hohlkathode hat hier eine Länge von 60 mm, die Anodenlänge beträgt hier 18 mm, um die Kontur einer von vielen möglichen, maschinenspezifischen Geometrien aufzuzeigen.FIG. 1 shows the half-PIG geometry in which the asymmetrical ion source structure Half-PIG uses only a part of the volume of the hollow cylinder of the sputtering hollow cathode during operation. For practical use, the length of the hollow sputter cathode can be adapted to the technical circumstances. The band-shaped ion beam of positively charged ions extracted from the axially parallel slot or breakthrough in the wall of the sputtering hollow cathode has essentially the width of the length of the plasma column which is visible through the breakthrough, here 45 mm. The electrode body of the hollow cathode has a length of 60 mm, the anode length here is 18 mm to show the contour of one of many possible machine-specific geometries.
Figur 1 zeigt den Fall des Betriebs der Ionenquelle im inhomogenen 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 Magnetfeldach.se liegt parallel zur Längsachse des Hohlzylin- ders der Sputter-Hohlkathode. Die Magnetfeldform ähnelt einer magnetischen Flasche mit dem Verhältnis der Kraftflußdichte:FIG. 1 shows the case of the operation of the ion source in the inhomogeneous magnetic field of the ion source magnet of the compact PIG ion source 5 '. In the case of operation of the ion source in a homogeneous magnetic field, the expansion of the magnetic field does not play a role in the discharge, but it is significant in terms of ion optics for the ion beam transport. The Magnetfeldach.se is parallel to the longitudinal axis of the hollow cylinder of the sputtering hollow cathode. The magnetic field shape is similar to a magnetic bottle with the ratio of the force flux density:
Flaschenhals : Flaschenbauch = 2 : 1,Bottle neck: bottle belly = 2: 1,
wobei die Kathoden (Full-PIG-Version s.u.) in den Flaschenhälsen angeordnet sind und die Sputter-Hohlkathode im Bereich des Flaschenbauchs installiert ist. Für die u.s. Meßwerte war die Magnetfeldachse mit der Längsachse des Hohlzylinders zusammengelegt. Beide Achsen können nach Bedarf zur Strahloptimierung zueinander parallel verschoben werden, was aber mit einigem technischen Aufwand verbunden ist.the cathodes (full PIG version see below) are arranged in the bottle necks and the sputtering hollow cathode is installed in the area of the bottle belly. For the u.s. Measured values, the magnetic field axis was merged with the longitudinal axis of the hollow cylinder. Both axes can be shifted parallel to each other as needed to optimize the beam, but this involves some technical effort.
Zu Fig. 2:2:
Die Geometrie in Figur 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.The geometry in FIG. 2 can be imagined by mirroring the half-PIG geometry on a plane running perpendicular to the axis of the sputtering hollow cathode. The result is the symmetrical ion source structure Full-PIG, consisting of two Penning discharge geometries, which, arranged on a common axis, use a common anti-cathode.
Die beiden Penning-Plasmen zusammen, im Volumen von der jeweiligen 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 Kathoden, den beiden Anoden und in der Sputter-Hohlkathode.The two Penning plasmas together, starting in volume from the respective hot cathode / cold cathode, reaching as far as the center of the cylindrical cavity of the sputtering hollow cathode as an anti-cathode, since this is a mirror image of the center plane, fill the entire cylindrical space between the cathodes, the two anodes and in the sputtering hollow cathode.
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.The band-shaped ion beam of positive ions extracted radially from the hollow sputter cathode has a width which corresponds to the length of the axial opening in the hollow sputter cathode and is also symmetrical to the center position of the magnetic field and the discharge geometry in accordance with the electrode position and electrode geometry. Both configurations, half-PIG and full-PIG, have in common the radial extraction of a beam of positively charged ions in the form of a band-shaped beam. With the same gap or breakthrough geometry in the sputtering hollow cathode, they differ in the width of the ion beam and also in the intensity.
Unterschiedliche Magnetfeldstärken und -formen bedingen unterschiedliche Betriebsarten der Hohlkathoden-Sputter Ionenquelle. Höchste Ionenstrahlströme für niedrige Ladungszustände werden bislang im inhomogenen Magnetfeld erzielt.Different magnetic field strengths and shapes cause different operating modes of the hollow cathode sputter ion source. The highest ion beam currents for low charge states have so far been achieved in the inhomogeneous magnetic field.
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 Materialverbrauchs zeigen Effizienzwerte um 2% im Gegensatz zu Penning- Ionenquellen von ca. 0,02%.
With solid tubular electrodes made of, for example, aluminum or molybdenum as hollow sputtering cathodes, up to 100 hours of blasting operation are carried out in one continuous operation with a high level of current consistency. Initial estimates of material consumption show efficiency values of around 2% compared to Penning ion sources of around 0.02%.
Tabelle der Ergebnisse mit der Full-PIG Version in unterschiedlichen MagnetfeldernTable of results with the full PIG version in different magnetic fields
FULL-PIG : Ergebnisse , homogenes Magnetfeld (OLDPIG)FULL-PIG: Results, homogeneous magnetic field (OLDPIG)
ION Ladung Masse Are U Are I Magnetfeld lonenstrom Extraction Periode Pulslange ARC PowerION charge mass Are U Are I magnetic field ion current extraction period pulse length ARC power
Amu Volt Amp Tesla mA kV ms ms WattsAmu Volt Amp Tesla mA kV ms ms Watts
AI 1 27 1200 4 0,6 16 15 20 1,3 312AI 1 27 1200 4 0.6 16 15 20 1.3 312
Ti 1 48 500 6 0,77 6 13,5 20 1 150Ti 1 48 500 6 0.77 6 13.5 20 1 150
Ti 2 48 2400 6 0,53 8 12,95 40 2 720Ti 2 48 2400 6 0.53 8 12.95 40 2 720
Ni 1 58 1100 7,5 0,75 5 10,7 20 OJ 289Ni 1 58 1100 7.5 0.75 5 10.7 20 OJ 289
Cu 1 63 1500 16 0,86 12 12,8 100 1 ,5 360Cu 1 63 1500 16 0.86 12 12.8 100 1, 5 360
FULL-PIG : Ergebnisse, inhomogenes Magnetfeld (CPIG)FULL-PIG: results, inhomogeneous magnetic field (CPIG)
ION Ladung Masse Are U Arc l Magnetfeld lonenstrom Extraction Periode Pulslänge ARC Power amu Volt Amp Tesla mA kV ms ms Watts cwION charge mass Are U Arc l magnetic field ion current extraction period pulse length ARC Power amu Volt Amp Tesla mA kV ms ms Watts cw
AI 1 27 550 5,5 0,15 14 12,4 200 1 15AI 1 27 550 5.5 0.15 14 12.4 200 1 15
AI 1 27 750 16 0,15 45 23,23 100 1 120AI 1 27 750 16 0.15 45 23.23 100 1 120
Al- 2 27 800 15,5 0,15 3,5 22,74 100 1 124Al- 2 27 800 15.5 0.15 3.5 22.74 100 1 124
Ti 1 48 1000 22 0,15 24 24,88 100 0,8 176Ti 1 48 1000 22 0.15 24 24.88 100 0.8 176
Ti 2 48 600 23,5 0,15 15 24,24 100 1 141Ti 2 48 600 23.5 0.15 15 24.24 100 1 141
Ti 3 48 600 23 0,15 2,2 24,88 100 0,8 110Ti 3 48 600 23 0.15 2.2 24.88 100 0.8 110
Ni 1 58 900 12 0,15 11 19,4 100 1,5 162Ni 1 58 900 12 0.15 11 19.4 100 1.5 162
Cu 1 63 1000 3,5 0,14 16 17,4 100 1 35Cu 1 63 1000 3.5 0.14 16 17.4 100 1 35
Cu 2 63 750 3,3 0,14 1,3 16,3 200 2 25Cu 2 63 750 3.3 0.14 1.3 16.3 200 2 25
Mo 1 98 900 8 0,15 1,6 10,3 100 1 72Mo 1 98 900 8 0.15 1.6 10.3 100 1 72
Mo 2 98 500 15 0,15 10 21 ,8 100 0,75 56Mo 2 98 500 15 0.15 10 21, 8 100 0.75 56
Mo 3 98 500 15 0,15 2 21,8 100 0,75 56Mo 3 98 500 15 0.15 2 21.8 100 0.75 56
Mo 4 98 400 6,5 0,15 0,122 19,67 100 2 52Mo 4 98 400 6.5 0.15 0.122 19.67 100 2 52
Pb 1 208 200 4,4 0,14 1 5,9 40 1 22Pb 1 208 200 4.4 0.14 1 5.9 40 1 22
Pb 2 208 200 4,4 0,15 2 10,7 200 1 4Pb 2 208 200 4.4 0.15 2 10.7 200 1 4
Legende:Legend:
ARC U : EntladungsspannungARC U: discharge voltage
ARC I : EntladungsstromARC I: discharge current
Magnetfeld: Kraftflussdichte des Magnetfeldes der Ionenquelle lonenstrom: Pulsamplitude des Ionenstrahlstroms nach AnalyseMagnetic field: force flux density of the magnetic field of the ion source ion current: pulse amplitude of the ion beam current after analysis
Extraction: Potential der Ionenquelle gegen ErdpotentialExtraction: potential of the ion source against earth potential
Periode: Periode der EntladungspulsfolgePeriod: Period of the discharge pulse train
Pulslänge: zeitliche Dauer des EntladungspulsesPulse length: duration of the discharge pulse
ARC Power: mittlere Entladungsleistung
Literatur :ARC Power: medium discharge power Literature:
1) "Handbook of Ion Sources" by Bernhard Wolf,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) .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 Energiya2 PM. Morozow et. al. , Atomnaya Energiya
3, 272, (1957)3, 272, (1957)
3) M. Müller und G. Hortig , IEEE Trans. Nucl. Sei NS-16, 38, 19693) M. Müller and G. Hortig, IEEE Trans. Nucl. Be NS-16, 38, 1969
4) H. Winter, GSI - Bericht PB1-74, Darmstadt 19744) H. Winter, GSI report PB1-74, Darmstadt 1974
5) M. Müller, IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-30 (1983) 1499
5) M. Müller, IEEE Trans. Nucl. Be. NS-30 (1983) 1499