NL8400344A

NL8400344A - High-frequency source of ions of difficulty fusible material - has gas plasma chamber with RF induction coil contg. sputter material inside electrodes with opening facing electrodes of ion beam system

Info

Publication number: NL8400344A
Application number: NL8400344A
Authority: NL
Original assignee: Inst Fiz Tverdogo Tela Akademi
Priority date: 1984-02-03
Filing date: 1984-02-03
Publication date: 1985-09-02

Abstract

The high frequency source of ions of difficultly fusible material (23) comprises a discharge chamber (1; 2-4) with a high-frequency excitation system (RF inductor 24). This chamber contains an ion-optic system (11) having an anode (12) with central opening aligned with a passage in a cathode (13), and a generator (14) to produce a molecular flow of the material. A connection (25) is provided for admitting plasma-producing gas. The generator (14) faces the system (11) and comprises a co-axially arranged anode (15) and cathode (17) with open ends (16,18) facing the system (11), the hollow space (19) within the cathode (17) containing the material (23). The generator (14; 15,17) and/or the material (23) is preferably axially movable (20, via 22 etc.).

Description

'iSiS

' τ Ν.0. 32304 1 —^ __*'τ Ν.0. 32304 1 - ^ __ *

Hoogfrequente bron van ionen van moeilijk smeltbare stoffen.High-frequency source of ions from substances that are difficult to melt.

AANVRAAGSTER NOEMT ALS UITVINDERS: 1. BORIS ALEXANDROVICH DYACHKOV, 2. GEORGY VASILIEVICH KAZANTSEV, 3. VLADIMIR YAKOVLEVICH PAVLOV, 4. UUDMILA SEMENOVNA VASILIEVA, 5. VALENTINA ANATOLIEVNA AGAFONOVA,THE APPLICANT HAS INVENTED AS INVENTORS: 1. BORIS ALEXANDROVICH DYACHKOV, 2. GEORGY VASILIEVICH KAZANTSEV, 3. VLADIMIR YAKOVLEVICH PAVLOV, 4. UUDMILA SEMENOVNA VASILIEVA, 5. VALENTINA ANATOLIEVNA AGAFONOVA,

De uitvinding heeft betrekking op toegepaste natuurkunde en meer in het bijzonder op hoogfrequente bronnen van ionen van moeilijk smeltbare stoffen, speciaal moeilijk smeltbare metalen, alhoewel ook enige andere materialen kunnen worden gebruikt.The invention relates to applied physics and more particularly to high-frequency sources of ions of difficult-to-melt materials, especially difficult-to-melt metals, although some other materials can also be used.

5 Tot de stand van de techniek behoort een hoogfrequente ionenbron die een ontladingskamer bevat met een systeem voor hoogfrequente excitatie door middel van bijvoorbeeld een inductor, welke kamer een elektrode bevat die is vervaardigd van het metaal dat wordt versputterd, en een ionen-optisch systeem met een anode en een kathode, waarbij de ionenbron 10 in kwestie ook een lek bevat om het plasmavormende gas in de ontladingskamer te leiden (zie bijv. Dawton R.H. in "Electromagnetically Enriched Isotopes and Mass Spectrometry”, Londen, 1936).The prior art includes a high-frequency ion source containing a discharge chamber with a system for high-frequency excitation by means of, for example, an inductor, which chamber contains an electrode made of the metal being sputtered, and an ion-optical system with an anode and a cathode, the ion source 10 in question also contains a leak to direct the plasma-forming gas into the discharge chamber (see, e.g., Dawton RH in "Electromagnetically Enriched Isotopes and Mass Spectrometry", London, 1936).

In de bovengenoemde ionenbron is de elektrode vervaardigd van het metaal dat wordt versputterd, onmiddellijk in het plasma van een ontla-15 dingsgas aangebracht en een negatieve potentiaal wordt er aan aangelegd.In the aforementioned ion source, the electrode made of the metal which is shattered is immediately placed in the plasma of a discharge gas and a negative potential is applied to it.

De ionenstroom die aan het plasma is onttrokken bombardeert de genoemde elektrode en versputterde metaalatomen komen in de ontlading en morden geïoniseerd.The ion current withdrawn from the plasma bombarded the said electrode and scattered metal atoms entered the discharge and were ionized.

Een nadeel van de hierboven genoemde ionenbron is de te geringe 20 dichtheid van de onttrokken ionenbundelstroom, aangezien het rendement van de toevoer van het metaal dat wordt versputterd in de ontlading zeer laag is tengevolge van een aanzienlijke elektronenbelasting.A drawback of the above-mentioned ion source is the too low density of the extracted ion beam current, since the efficiency of the supply of the metal being sputtered in the discharge is very low due to a considerable electron load.

Van een andere tot de stand van de techniek behorende radiofrequen-tiebron van metaalionen is bekend, dat deze een ontladingskamer bevat 25 met een hoogfrequent excitatiesysteem, bijvoorbeeld een radiofrequentie-inductiespoel, welke kamer een ionen-optisch systeem bevat met een van een opening voorziene anode en een kathode met een er doorheenlopend kanaal dat coaxiaal is met de opening in de anode, en met een generator voor het opwekken van een stroom van metaalmolekulen en een lek voor het 30 leiden van het plasmavormende gas in de ontladingskamer (zie H. OOna, 8400344 % 2 * W.S. Bickel, "Modification of a Van de Graaf Ion Source to Accelerate Metal Elements", Rev.Sci.Instrum. 47, No. 4, biz. 517 (1976)).Another prior art radio frequency source of metal ions is known to contain a discharge chamber with a high frequency excitation system, for example a radio frequency induction coil, which chamber contains an ion optical system having an apertured anode and a cathode having a through-channel coaxial with the opening in the anode, and with a generator for generating a flow of metal molecules and a leak for passing the plasma-forming gas into the discharge chamber (see H. OOna, 8400344% 2 * WS Bickel, "Modification of a Van de Graaf Ion Source to Accelerate Metal Elements", Rev.Sci.Instrum. 47, No. 4, biz. 517 (1976)).

Bij de hierboven genoemde ionenbron is de generator van een stroom van metaalmolekulen in feite een cilindrische mof vervaardigd van het 5 materiaal dat wordt versputterd en aangebracht in het kathodekanaal. Een molekulaire stroom van het metaal dat wordt versputterd wordt tot stand gebracht door versputtering van de cilindrischè mof door een gedefocus-seerde ionenbundel die onttrokken is aan het radiofrequentie-ontladings-plasma en het binnenoppervlak van de cilindrische mof bombardeert. De op 10 deze wijze gevormde molekulaire stroom van het metaal dat wordt versputterd komt in het radiofrequentie-ontladingsplasma teneinde daar te worden geïoniseerd.In the above-mentioned ion source, the generator of a flow of metal molecules is in fact a cylindrical sleeve made of the material which is sputtered and placed in the cathode channel. A molecular flow of the metal being sputtered is accomplished by splitting the cylindrical sleeve through a defocused ion beam extracted from the radio frequency discharge plasma and bombarding the inner surface of the cylindrical sleeve. The molecular current of the metal being sputtered formed in this way enters the radio frequency discharge plasma to be ionized there.

Zulk een werkwijze voor het toevoeren van het te versputteren metaal aan het radiofrequentie-ontladingsplasma bezit echter een aantal 15 nadelen, waarvan het voornaamste is dat tijdens het in bedrijf zijn van de desbetreffende bron van de gedefocusseerde ionenbundel niet alleen de cilindrische mof, maar ook de kathode van het ionenoptische systeem wordt versputterd. Hierdoor verandert op zijn beurt de doorsnede van het kathodekanaal en daardoor worden de parameters van het ionen-optische 20 systeem beïnvloedt»However, such a method of supplying the metal to be chipped to the radio frequency discharge plasma has a number of drawbacks, the main one being that during operation of the respective source of the defocused ion beam, not only the cylindrical sleeve, but also the cathode of the ion-optical system is scattered. This in turn changes the cross-section of the cathode channel and thereby affects the parameters of the ion-optical system »

Bovendien neemt de dichtheid van de bundel van de geëxtraheerde ionen af als de cilindrische mof wordt versputterd. De bundeldichtheid kan worden hersteld door een verdere defocussering van de ionenbron van het versputterende inerte gas onttrokken aan het radiofrequentie-ontladlngs-25 plasma. De waarde van de spanning tussen de elektroden van het ionen-optische systeem, nodig voor het instellen van optimale werkomstandigheden van de ionenbron, hangt derhalve af van de parameters en werkomstandigheden van de generator van de molekulaire stroom. Bovendien vermindert versputtering van het Ionen-optische systeem aanzienlijk de bedrijfsduur 30 van de ionenbron.In addition, the density of the beam of the extracted ions decreases as the cylindrical sleeve is sputtered. The beam density can be restored by further defocusing the ion source of the splitting inert gas extracted from the radio frequency discharge plasma. The value of the voltage between the electrodes of the ion-optical system, necessary to set optimal operating conditions of the ion source, therefore depends on the parameters and operating conditions of the generator of the molecular current. In addition, fragmentation of the ion optical system significantly reduces the operating time of the ion source.

Een primair en belangrijk doel van de onderhavige uitvinding is derhalve het verschaffen van een generator van een molekulaire stroom in een hoogfrequente bron van ionen van moeilijk smeltbare stoffen, zodat de parameters van het ionen-optische systeem praktisch onaangetast blij-35 ven als er een verandering optreedt van de verbruikssnelheid van de stof die tijdens het in bedrijf zijn van de ionenbron wordt versputterd en deze parameters onafhankelijk zijn van de werking van de generator.Therefore, a primary and important object of the present invention is to provide a generator of a molecular current in a high-frequency source of ions of difficult-to-melt materials, so that the parameters of the ion-optical system remain practically unaffected if there is a change occurs at the rate of consumption of the substance which is shattered during the operation of the ion source and these parameters are independent of the operation of the generator.

Het hierboven genoemde doel wordt bereikt doordat in een hoogfrequente bron van ionen van moeilijk smeltbare stoffen, met een ontla-40 dingskamer voorzien van een hoogfrequent excitatiesysteem, welke kamer 8400344 % 3 een ionen-optisch systeem bevat, met een doorboorde anode en een kathode met een er doorheenlopend kanaal dat coaxiaal is met de opening in de anode, en een generator van een moleknlaire stroom van de stof die moet worden versputterd, en met een lek voor het toevoeren van het plasmavor-5 mende gas in de ontladingskamer, volgens de uitvinding de generator van de molekulaire stroom in de genoemde kamer is opgesteld tegenover het ionen-optische systeem en wordt gevormd door de coaxiaal opgestelde anode en kathode met een open uiteinde, welke uiteinden liggen tegenover het ionen-optische systeem, terwijl de werkstof in het inwendige van de 10 kathode is aangebracht.The above-mentioned object is achieved in that in a high-frequency source of ions of difficult-to-melt materials, with a discharge chamber provided with a high-frequency excitation system, which chamber 8400344% 3 contains an ion-optical system, with a pierced anode and a cathode with a through channel coaxial with the opening in the anode, and a generator of a molecular current of the substance to be shattered, and a leak for supplying the plasma-forming gas into the discharge chamber, according to the invention the molecular current generator in said chamber is disposed opposite the ion-optical system and is formed by the coaxially arranged anode and cathode with an open end, which ends face the ion-optical system, while the drug is in the interior of the the cathode is fitted.

De voordeel biedende kenmerken van de voorgestelde hoogfrequente bron van ionen van moeilijk smeltbare stoffen zijn gelegen in het feit dat de hierboven genoemde opstelling van de generator van de molekulaire stroom en het ionen-optische systeem ten opzichte van elkaar het moge-15 lijk maakt dat de generator van de molekulaire stroom is uitgevoerd als een op zichzelf staande eenheid. Dit maakt het mogelijk voor het ionen-optische systeem de optimale parameters te verschaffen of te verkrijgen, zelfs bij een langdurig in bedrijf zijn aan de ionehbron, waarbij de parameters van de ionenbundel onttrokken van de bron stabiel zijn en men 20 verzekerd is van de mogelijkheid de optimale werkomstandigheden voor zowel het ionen-optische systeem als de generator onafhankelijk van elkaar in te stellen. Bovendien wordt de dichtheid van de ionenbundelstroom vergroot tengevolg van het feit, dat praktisch al het versputterde mate-. riaal naar het radiofrequentie-ontladingsplasma wordt geleid en op doel- 25 treffende wijze wordt geïoniseerd, en de bedrijfsduur van de ionenbron wordt verlengd tengevolge van een sterk verminderde erosie van de kathode van het ionen-optische systeem.The advantageous features of the proposed high-frequency source of ions of difficult-to-melt materials lie in the fact that the above-mentioned arrangement of the generator of the molecular flow and the ion-optical system relative to each other makes it possible for the molecular current generator is designed as a stand-alone unit. This makes it possible to provide or obtain the optimum parameters for the ion-optical system, even with long operation of the ion source, where the parameters of the ion beam extracted from the source are stable and the possibility is ensured set the optimum operating conditions for both the ion-optical system and the generator independently. In addition, the density of the ion beam current is increased due to the fact that practically all of the splattered material. radially to the radio frequency discharge plasma is efficiently ionized, and the operating time of the ion source is prolonged due to greatly reduced cathode erosion of the ion optical system.

Het spreekt vanzelf dat bij een langdurig in bedrijf zijn van de ionenbron de hoeveelheid van het te versputteren materiaal in de holle 3Q ruimte van de kathode van de molekulaire-stroomgenerator vermindert en daardoor de optimale werkomstandigheden van de generator kunnen worden verstoord. Daarom is, teneinde optimale werkeondities voor de hoogfrequente ionenbron te verschaffen, de generator van de molekulaire stroom van een moeilijk smeltbaar materiaal volgens de uitvinding verschuifbaar 35 langs de ionen-optische as, waarbij de afstand tussen het ionen-optische systeem en de generator instelbaar is. De bovengenoemde afstand hangt af van de geometrische vorm van de elektroden en van de aard van het te versputteren materiaal. Het is duidelijk dat het moeilijk smeltbare ma- . teriaal sneller zal worden verbruikt tijdens een lange werking van de 40 ionenbron. Aangezien de geometrische afmetingen van de elektroden van de 8400344 5* F» ψ 4 generator zodanig zijn gekozen dat het versputteren zo doeltreffend mogelijk plaatsvindt, is de plaats van het oppervlak waar het moeilijk smeltbare materiaal wordt versputterd nauwkeurig bepaald en moet ongewijzigd blijven. Teneinde ervan verzekerd te zijn dat aan deze vereisten 5 wordt voldaan wordt de zich in de holle ruimte van de kathode van de generator bevindende moeilijk smeltbare stof in een houder geplaatst die heen en weer kan worden bewogen. Er is een groep stoffen die onder routineomstandigheden een lage versputtercoëfficiënt bezit, zodat als deze stoffen worden versputterd er een geringe hoeveelheid versput-10 terd materiaal in het radiofrequentie-ontladingsplasma terecht komt. Het uitvoeren van de generator van een molekulaire stroom als een op zichzelf staande eenheid maakt het mogelijk dit probleem op te lossen. Het is algemeen bekend dat de versputtercoëffici'ént abrupt toeneemt met toenemende temperatuur van het moeilijk smeltbare doel dat wordt versput-15 terd. Zulk een toeneming van de versputtercoëfficiënt wordt waargenomen bij temperaturen die ongeveer 7/10 van het smeltpunt van de te versputteren stof bedragen. Door de te versputteren stof voor te verhitten kan men zodanige werkomstandigheden voor de generator van een molekulaire stroom tot stand brengen dat het toevoeren van de te versputteren stof 20 naar het radiofrequentie-ontladingsplasma plaats vindt in een hoeveelheid die voldoende is voor het vormen van een ionenbundel met een grote dichtheid. In dit verband is het geschikt dat de anode van de generator voor een molekulaire stroom is uitgevoerd als een direkte gloeiverhitter, en daarvoor wordt de anode vervaardigd van een moeilijk smeltbaar 25 metaal, zoals tantalium, en wordt aan de buitenkant omgeven door een elektrische verhitter waarmee de anode elektrisch is verbonden. Het aanbrengen van een elektrisch kontakt tussen de anode van de generator en de elektrische verhitter die deze anode omgeeft, sluit het begin van een elektrische belasting uit.It goes without saying that with long operation of the ion source the amount of the material to be shattered in the hollow space of the cathode of the molecular current generator decreases and as a result the optimum operating conditions of the generator can be disturbed. Therefore, in order to provide optimal operating conditions for the high-frequency ion source, the molecular current generator of a difficult-to-melt material of the invention is slidable along the ion-optical axis, the distance between the ion-optical system and the generator being adjustable . The above distance depends on the geometric shape of the electrodes and on the nature of the material to be shredded. It is clear that the difficult to melt. material will be consumed faster during a long operation of the 40 ion source. Since the geometrical dimensions of the electrodes of the 8400344 5 * F »ψ 4 generator have been chosen to be as efficient as possible, the location of the surface where the hard-to-melt material is splintered has been accurately determined and should remain unchanged. In order to ensure that these requirements are met, the fusible material contained in the cavity of the generator cathode is placed in a reciprocating container. There is a group of substances which have a low coefficient of shredding under routine conditions, so that when these materials are shredded a small amount of shredded material ends up in the radio frequency discharge plasma. Running the generator of a molecular current as a stand-alone unit makes it possible to solve this problem. It is well known that the scraping coefficient increases abruptly with increasing temperature of the hard-meltable target being scraped. Such an increase in the spluttering coefficient is observed at temperatures approximately 7/10 of the melting point of the substance to be splintered. By preheating the material to be shredded, one can establish such operating conditions for the generator of a molecular current that the feed of the material to be shattered to the radio frequency discharge plasma takes place in an amount sufficient to form an ion beam with a high density. In this connection, it is convenient that the anode of the molecular current generator be constructed as a direct glow heater, for which the anode is made of a difficult-to-melt metal, such as tantalum, and is surrounded on the outside by an electric heater with which the anode is electrically connected. The application of an electrical contact between the anode of the generator and the electric heater surrounding this anode precludes the start of an electrical load.

30 Voor het stabiliseren van de werking van de hoogfrequente bron van ionen van te versputteren moeilijk smeltbare stoffen, zijn de kathode en de anode van het ionen-optisch systeem elektrisch verbonden met die van de generator en bezitten dezelfde respektievelijke potentialen.To stabilize the operation of the high-frequency source of ions of sputterable fusible materials, the cathode and the anode of the ion-optical system are electrically connected to that of the generator and have the same potentials, respectively.

Er is ook een groep stoffen die hun fysische toestand kunnen veran-35 deren tengevolge van een kleine temperatuursverhoging (bijvoorbeeld een stof die smelt). Voor het werken met gesmolten (of vloeibare) stoffen is een uitstroomtuit met een diafragma aangebracht bij het uiteinde van de kathode van de generator van een molekulaire stroom, waarbij de doorsnede van de uitstroomopening van het diafragma kleiner is dan de afstand 40 tussen het uiteinde van de kathode en het diafragma. Zulk een verhouding 8400344 «ε 55 5 tussen de diameter van de uitstroomopening en de afstand tussen de kathode en het diafragma wordt gekozen met het oog op het verschaffen van een adequate elektrische veldsterkte in de genoemde tussenruimte en heeft te maken met de afstand waarover het elektrische veld in de uit-5 stroomopening van het diafragma doordringt·There is also a group of substances that can change their physical state due to a small temperature increase (for example, a substance that melts). For working with molten (or liquid) substances, an outflow spout with a diaphragm is provided at the tip of the cathode of the generator of a molecular flow, the diameter of the aperture outflow aperture being less than the distance 40 between the tip of the the cathode and diaphragm. Such a ratio between the diameter of the outflow opening and the distance between the cathode and the diaphragm is chosen 8400344 ε 55 5 in view of providing adequate electric field strength in said spacing and has to do with the distance over which the electric field penetrates into the out-5 flow aperture of the diaphragm

Het is ook praktisch de moeilijk smeltbare stoffen met behulp van _ een elektronenbundel te verhitten, waarvoor de polariteit van de elektroden van de generator van een molekulaire stroom moet worden omgekeerd. Het resultaat is de mogelijkheid de moeilijk smeltbare stoffen 10 thermisch te verdampen.It is also practical to heat the fusible materials using an electron beam, for which the polarity of the electrodes of the generator of a molecular current must be reversed. The result is the ability to thermally evaporate the hard-to-melt materials.

Het de hoogfrequente ionenbronnen met een bekende constructie is het niet mogelijk zulk een werkwijze uit te voeren, omdat de generator van een molekulaire stroom van deze bronnen zich onmiddellijk in het io-nen-optische systeem bevindt en derhalve verhitting van dit systeem de 15 bruikbaarheid van de ionenbron nadelig beïnvloedt.It is not possible to carry out such a method with the high-frequency ion sources with a known construction, because the generator of a molecular current from these sources is immediately located in the ion-optical system and, therefore, heating of this system the usefulness of adversely affects the ion source.

Hieronder zal de uitvinding worden geopenbaard in specifieke uitvoeringen ervan (waardoor echter de uitvinding niet wordt beperkt) en aan de hand van de bijgevoegde tekeningen, waarin:In the following, the invention will be disclosed in specific embodiments thereof (which, however, does not limit the invention) and with reference to the annexed drawings, in which:

Fig. 1 een schematische doorsnede is door een uitvoering van een 20 hoogfrequente bron van ionen van een werkstof, enFig. 1 is a schematic sectional view through an embodiment of a high frequency source of drug ion, and

Fig. 2 een deel van een hoogfrequente ionenbron weergeeft als een uitvoering van een andere belichaming van de generator van een molekulaire stroom.Fig. 2 depicts part of a high-frequency ion source as an embodiment of another embodiment of the molecular current generator.

In fig. 1, die schematisch een hoogfrequente bron van ionen van 25 moeilijk smeltbare stoffen volgens de uitvinding weergeeft, bezit de voorgestelde ionenbron een ontladingskamer 1 gevormd door een fles 2 vervaardigd van een di’élektrisch materiaal, bijvoorbeeld kwarts , en beide uiteinden hermetisch afgesloten door afsluitingen 3 en 4, waarbij de afsluiting 3 bestaat uit flenzen 5 en 6 van stroomgeleidend materiaal, 30 welke flenzen van elkaar zijn geïsoleerd door een isolator 7, terwijl de afsluiting 4 de vorm heeft van flenzen 8 en 9 die zijn gescheiden door een isolator 10. De fles 2 is hermetisch bevestigd in de sleuven van de flenzen 6 en 8. De ontladingskamer 1 bevat een ionen-optisch systeem 11, een constructie die op zichzelf bekend is bij de vakman en derhalve valt 35 buiten de omvang van de openbaring die in detail wordt beschreven. Het is alleen de moeite waard op te merken dat het systeem een anode 12 bevat die tegen de flens 6 aanligt en voorzien is Van een opening die ligt langs de ionen-optische as en een kathode 13 die op de flens 5 is bevestigd en een doorlopend kanaal heeft dat coaxiaal is met de hierboven ge-40 noemde opening in de anode.In Fig. 1, which schematically represents a high-frequency source of ions of hard-to-melt materials according to the invention, the proposed ion source has a discharge chamber 1 formed by a bottle 2 made of a dielectric material, for instance quartz, and both ends hermetically sealed by closings 3 and 4, the closure 3 consisting of flanges 5 and 6 of current-conducting material, which flanges are insulated from each other by an insulator 7, while the closure 4 is in the form of flanges 8 and 9 separated by an insulator 10. The bottle 2 is hermetically mounted in the slots of the flanges 6 and 8. The discharge chamber 1 contains an ion-optical system 11, a construction known per se to the person skilled in the art and therefore outside the scope of the disclosure which is described in detail. It is only worth noting that the system includes an anode 12 which abuts the flange 6 and has an aperture along the ion optical axis and a cathode 13 mounted on the flange 5 and a continuous channel which is coaxial with the opening in the anode mentioned above.

8400344 *c? ♦ 68400344 * c? ♦ 6

Tegenover het ionen-optische systeem H is een generator 14 aangebracht die een molekulaire stroom kan opwekken van moeilijk smeltbare stoffen, welke generator is opgebouwd uit een anode 15 van een moeilijk smeltbaar materiaal, bijvoorbeeld tantalium en voorzien van een opening 5 die zich bevindt op de ionen-optische as van de genoemde ionenbron, en coaxiaal hiermee opgesteld een kathode 17 met open uiteinden 18 die liggen tegenover het ionen-optische systeem, en met een holle ruimte 19. De generator 14 is in de kamer 1 van de ionenbron aangebracht en kan verschoven worden langs de ionen-optische as, waarvoor de anode 15, de ka-1-0 thode 17 en de flenzen 8 en 9 van schroefdraad 20 zijn voorzien, alhoewel andere uitvoeringen ook praktisch kunnen zijn.Opposite the ion-optical system H, a generator 14 is arranged which can generate a molecular current of hard-to-melt materials, which generator is composed of an anode 15 of a hard-to-melt material, for example tantalum and provided with an opening 5 located on the ion-optical axis of said ion source, and coaxially disposed therewith with an open-ended cathode 17 opposite the ion-optical system, and with a cavity 19. The generator 14 is arranged in the chamber 1 of the ion source and can shifted along the ion-optical axis, for which the anode 15, cathode 1, method 17 and flanges 8 and 9 are threaded 20, although other embodiments may also be practical.

In de holle ruimte 19 van de kathode 17 is een houder 22 van een moeilijk smeltbare stof 23 aangebracht, met een inrichting 21 die de houder 22 heen en weer kan bewegen, bijvoorbeeld een aandrijving met een 15 elektromotor. Een radiofrequentie'inductor 24 omgeeft de fles 2 aan de buitenkant en induceert een radiofrequentieveld in de fles, terwijl een lek 25 in het lichaam van de flens 5 is aangebracht voor het inleiden van het plasmavormende gas.In the hollow space 19 of the cathode 17, a holder 22 of a difficult-to-melt material 23 is arranged, with a device 21 which can move the holder 22 back and forth, for example a drive with an electric motor. A radio frequency inductor 24 surrounds the bottle 2 on the outside and induces a radio frequency field in the bottle, while a leak 25 is provided in the body of the flange 5 to introduce the plasma-forming gas.

De hierboven beschreven hoogfrequente ionenbron werkt als volgt.The high-frequency ion source described above works as follows.

20 De hoogfrequente ionenbron is verbonden met een (niet in de teke ning weergegeven) vacuümsysteem. De ontladingskamer 1 waarin zich het ionenoptische systeem 11 en een generator 14 bevinden met de optimale geometrische parameters en op de optimale afstand van elkaar, wordt geëvacueerd, waarna een plasmavormend gas, bijvoorbeeld Ar of Xe, via het 25 lek 25 wordt toegevoerd. Zodra de effektieve gasdruk in de ontladingskamer een waarde van 10Pa heeft bereikt wordt een radiofrequentie-spanning aangelegd aan de Inductor 24 waardoor een radiofrequentie-gas-ontlading in de kamer 1 in gang wordt gezet. Vervolgens wordt een hoge spanning aangelegd aan de anode 15 van de generator 14 en een ionenbun-30 del van het plasmavormende gas wordt aan het ontladingsplasma onttrokken en gericht op het oppervlak van een moeilijk smeltbare substantie die wordt gedragen door de houder 22 in de holle ruimte 19 van de kathode 17 in de buurt van de open uiteinden 18 daarvan. Als de moeilijk smeltbare stof door de ionenbundel wordt gebombardeerd versputtert zij en de 35 stroom van de versputterde stof wordt gecollimeerd door de opening 16 in de anode 15 en wordt gericht in het gasontladingsplasma in het gebied van het ionenoptische systeem 11, teneinde daar te worden geïoniseerd. Als een hoogspanning aan de elektroden van het ionen-optische systeem is aangelegd stelt zich een potentiaalverschil in tussen de kathode 13 en 40 de anode 12 en een bundel van ionen van het plasmavormende gas en het 8400344 * *5 '<f * 7 moeilijk smeltbare metaal wordt aan. het ontladingsplasma onttrokken en een bepaalde vorm gegeven.The high-frequency ion source is connected to a vacuum system (not shown in the drawing). The discharge chamber 1, in which the ion-optical system 11 and a generator 14 are located with the optimum geometric parameters and at the optimum distance from each other, is evacuated, after which a plasma-forming gas, for example Ar or Xe, is supplied via the leak 25. As soon as the effective gas pressure in the discharge chamber has reached a value of 10 Pa, a radio frequency voltage is applied to the Inductor 24, thereby triggering a radio frequency gas discharge in the chamber 1. Subsequently, a high voltage is applied to the anode 15 of the generator 14 and an ion beam of the plasma-forming gas is withdrawn from the discharge plasma and directed to the surface of a difficult-to-melt substance carried by the container 22 in the cavity 19 of the cathode 17 near its open ends 18. When the hard-to-melt material is bombarded by the ion beam, it shatters and the current of the shattered material is collimated through the opening 16 in the anode 15 and is directed into the gas discharge plasma in the region of the ion-optical system 11, in order to be ionized there . When a high voltage is applied to the electrodes of the ion-optical system, a potential difference between the cathode 13 and 40, the anode 12 and a beam of ions of the plasma-forming gas and the 8400344 * * 5 '<f * 7 difficult to melt metal turns on. the discharge plasma extracted and given a certain shape.

In de loop van de langdurige werking van de ionenbron wordt de moeilijk smeltbare stof verbruikt, zodat de optimale omstandigheden voor 5 het vormen van de molekulaire stroom kunnen worden aangetast. Teneinde de optimale werkomstandigheden onaangetast te laten wordt de moeilijk smeltbare stof 23 naar het open uiteinde 18 van de kathode 17 geleid met behulp van de inrichting 21 die de houder 22 kan bewegen.In the course of the long-term action of the ion source, the hardly fusible substance is consumed, so that the optimum conditions for the formation of the molecular current can be affected. In order to leave the optimum operating conditions unaffected, the hard-to-melt material 23 is guided to the open end 18 of the cathode 17 using the device 21 which can move the container 22.

Als materialen moeten worden behandeld die een lage versputtercoëf-10 ficiënt bezitten of de neiging vertonen bij verhitting in een andere fysische toestand over te gaan, is het geschikt gebruik te maken van een ionenbron met een gewijzigde generator voor de molekulaire stroom. Aangezien alle onderdelen van zulk een bron gelijk zijn aan die van de hierboven beschreven ionenbron, is slechts een deel van de hoogfrequente 15 ionenbron met een gewijzigde generator 14’ voor een molekulaire stroom weergegeven in fig. 2. De voornaamste onderdelen van deze inrichting zijn gelijk aan de hierboven beschreven onderdelen en worden aangegeven met dezelfde referentiegetallen als in fig. 1. Teneinde de ionenbron te laten werken, met inbegrip van het voorverhitten van de werkstof, is de 20 anode 15 van de generator 141 aan de buitenkant omgeven door een elektrische verhitter 26 van bijvoorbeeld tantalium die elektrisch verbonden is met de anode 15 via een verbindingsstrook 35, teneinde een direkte gloeiverhitter 27 te vormen. De elektrische verhitter 26 is bevestigd op de flens 8. De direkte gloeiverhitter 27 is ingesloten in een warmte-25 scherm dat bijvoorbeeld van tantalium is vervaardigd. Het stevige bovendeel van de kathode 17’ van de generator 14 bevat de holle ruimte 19 waarin de moeilijk smeltbare stof 23 is aangébracht. De kathode 171 dient tevens als een thermische weerstand, waarvoor het middendeel de vorm is gegeven van een dunwandige cilinder. Ter verkrijging van de op-30 timale werkomstandigheden voor de generator van de molekulaire stroom maakt de constructie van de ionenbron het mogelijk dat de kathode 17' heen en weer wordt bewogen ten opzichte van de anode 15. De hoogfrequente ionenbron met de gewijzigde generator voor de molekulaire stroom, zoals weergegeven in fig. 2, werkt op een wijze die overeenkomt met die 35 van de hierboven beschreven ionenbron, waarbij het enige verschil is gelegen in de werking van de generator die als volgt is. Als de anode 15 van de generator 14', die is uitgevoerd als een direkte gloeiverhitter 27, wordt bekrachtigd, wordt de moeilijk smeltbare stof 23 voorverhit tot een temperatuur waarbij de versputtercoëfficiënt snel toeneemt. De 40 molekulaire stroom van de versputterde stof wordt gecollimeerd door een 8400344 t 8 uitstroomopening 33 van de tuit 31 en wordt gericht op het radiofrequen-tie-ontladingsplasma teneinde daar te worden geïoniseerd.If materials are to be treated that have a low coefficient of shattering or tend to change to a different physical state when heated, it is appropriate to use an ion source with a modified molecular current generator. Since all parts of such a source are equal to those of the above-described ion source, only part of the high frequency 15 ion source with a modified molecular current generator 14 'is shown in Fig. 2. The main parts of this device are the same to the parts described above and are indicated by the same reference numbers as in Fig. 1. In order to operate the ion source, including the preheating of the drug, the anode 15 of the generator 141 is surrounded on the outside by an electric heater 26, for example, of tantalum electrically connected to the anode 15 via a connector strip 35 to form a direct glow heater 27. The electric heater 26 is mounted on the flange 8. The direct glow heater 27 is enclosed in a heat shield made, for example, of tantalum. The rigid upper part of the cathode 17 of the generator 14 contains the hollow space 19 in which the hard-to-melt material 23 is arranged. The cathode 171 also serves as a thermal resistor, the center portion of which is in the form of a thin-walled cylinder. To obtain the optimum operating conditions for the molecular current generator, the construction of the ion source allows the cathode 17 'to be reciprocated relative to the anode 15. The high frequency ion source with the modified generator for the molecular current, as shown in Fig. 2, operates in a manner similar to that of the ion source described above, the only difference being the generator operation which is as follows. When the anode 15 of the generator 14 ', which is designed as a direct glow heater 27, is energized, the hard-to-melt material 23 is preheated to a temperature at which the shatter coefficient increases rapidly. The molecular flow of the sputtered material is collimated through an 8400344-8 outlet port 33 of the spout 31 and is directed to the radio frequency discharge plasma to be ionized there.

Als de polariteit van de elektroden 15 en 17 van de generator 14 wordt omgekeerd,verkrijgt men werkomstandigheden voor de generator van 5 de molekulaire stroom, waaronder de moeilijk smeltbare stof wordt verhit door een elektronenbundel die is onttrokken aan het radiofrequentie-ont-ladingsplasma en gericht op de elektrode 17, waarvan de holle ruimte 19 de moeilijk smeltbare stof 23 bevat. De stroom van verdampte molekulen van de genoemde stof wordt gecollimeerd door de uitstroomopening 33 van 10 het diafragma 32 van de tuit 31 en wordt gericht op het radiofrequentie-plasma waar de atomen aan een ionisatie worden onderworpen. 1 8400344When the polarity of the electrodes 15 and 17 of the generator 14 is reversed, operating conditions for the generator of the molecular current are obtained, under which the difficult-to-melt substance is heated by an electron beam extracted from the radio frequency discharge plasma and directed on the electrode 17, the hollow space 19 of which contains the hardly meltable substance 23. The flow of evaporated molecules of said substance is collimated through the outflow opening 33 of the diaphragm 32 of the spout 31 and is directed to the radio frequency plasma where the atoms are ionized. 1 8400344

Claims

1. High-frequency source of ions of difficult-to-melt materials, consisting of a discharge chamber with a high-frequency excitation system, which chamber contains an ion-optical system with a hollow anode, a cathode with a continuous channel coaxial with the opening in the a- node and a generator for a molecular flow of the fusible material, and a leak for introducing the plasma-forming gas into the discharge chamber, characterized in that the generator (14) for the molecular flow is arranged opposite the ions optical system (11) in the chamber (1) and made of a coaxially arranged anode (15) and a cathode (17) with open ends (18) opposite the ion-optical system (11), while the hollow space (19) in the cathode (17) serves to accommodate the hard-to-melt material (23).

High-frequency source of ions of hard-to-melt materials according to claim 1, characterized in that the anode (15) of the generator (14 *) of a molecular current of the hard-to-melt material is made of a hard-to-melt material the outside is surrounded by an electric heater (26) to which this anode is electrically connected to obtain a direct glow heater (27).

High-frequency source of ions of hardly fusible substances according to claim 1, characterized in that the cathode (17 ') of the generator (14) is provided with a spout (31) with a diaphragm (32), which spout is provided at the end (18) of the cathode (17 *) and that the distance 25 from the end (18) of the cathode (17T), from the generator (14) to the diaphragm (32) of the spout (31 ) is larger than the diameter of the discharge opening in the diaphragm.

High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that the generator (14) is displaceable along the ion-optical axis 30 of the ion source.

High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that the distance from the ion-optical system (11) to the generator (14) of a molecular current of the hardly meltable substance is adjustable.

High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that the hardly fusible material (23) arranged in the holder (22) can be reciprocated in the cavity (19) of the cathode (17).

High-frequency ion source according to claim 1, characterized in that the anodes (12 and 15) and the cathodes (13 and 17) of the ion-optical system (11) and the generator (14) have the same respective poles. 8400344 have potentials.

High-frequency ion source according to claim 7, characterized in that the anodes (12 and 15) and the cathodes (13 and 17) of the ion-optical system (11) and of the generator (14) are electrically interconnected 5 connected.

High-frequency source according to claim 1, characterized in that the potentials of the anode (15) and the cathode (17) of the generator (14) can be reversed. 8400344