CH650104A5 - Mit bombardierung durch elektronen arbeitende ionenquelle. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mit Bombardierung durch Elektronen arbeitende Ionenquelle gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ionenquellen werden verwendet in Partikeln-Beschleunigern und in kommerziellen Ionenimplantationseinrichtungen. Solche Ionenquellen, auch Ionenkanonen genannt, sind schon in mannigfachen Ausbildungen vorgeschlagen worden. Es sei z.B. auf das Schriftwerk von R.G. Wilson et al. «Ion beams with Applications to Ion Implantation (1973)», Seite 45 ff. hingewiesen. Zu den gebräuchlichsten Ionenkanonen gehören diejenige nach Penning mit einer Kaltkathode, diejenige nach Chevat mit einem Heissfilament, diejenige nach Bernas und diejenige nach Freeman mit einem Heissfilament. Diese Ionenquellen sind charakterisiert durch ihre Ionen-stromproduktion, durch ihren Ionisationswirkungsgrad und ihre Helligkeit. Diese Charakteristiken variieren von Quelle zu Quelle und werden in der Praxis angepasst an die Erfordernisse der jeweiligen Anwendung.

Für eine im Handel erhältliche Ionenimplantationseinrichtung ist es erwünscht, eine Ionenkanone zu verwenden, die zuverlässig ist, einen verhältnismässig geringen Stromverbrauch hat und auch eine lange Standdauer hat. Bei langer Standdauer reduziert sich die Ausfallzeit der Ionenimplantationseinrichtung, während welcher die Ionenquellen ausgetauscht werden müssen, und es reduzieren sich auch die

Kosten für die Beschaffung der neuen Ionenquellen. Eine der für Ionenimplantation gebräuchlichsten Ionenquellen ist jene des Freeman-Typs mit erhitzter Kathode und filamentartiger Elektrode. Eine einzige filamentartige Elektrode ist dabei in der Ionisationskammer im allgemeinen parallel zur Austrittsöffnung angeordnet, durch welche die in der Ionisationskammer erzeugten Ionen austreten. Das Kathodenfilament ist negativ vorgespannt und auf Emissionstemperatur erhitzt zur Lieferung eines adequaten Stromes von Elektronen, die für die Stossionisation von Gasen gebraucht werden, die in die Ionisationskammer eingeführt werden. Die Manteloberfläche des Kathodenfilamentes bildet die wirksame Fläche für die Emission von energetischen Elektronen. Die Elektronen-Stoss-Ionisation des Gases erzeugt ein Plasma, dessen Dichte abhängt von dem in der Ionisationskammer herrschenden Druck, von der Elektonenemission und vom Kathodenpotential. Positiv.geladene Ionen werden dann aus dem Plasma extrahiert mit Hilfe eines Hochpotentialfeldes durch eine Austrittsöffnung hindurch, die sich in einer Wand der Ionisationskammer befindet, wodurch sich ein Ionenstrahlenbündel ergibt, das für Ionenplantation verwendbar ist.

Der Stromverbrauch eines Filamentes bei gegebener Temperatur hängt ab von dem spezifischen Widerstand des Filamentes, somit von dessen Elementen-Leitfähigkeit und von dessen Querschnitt. Wenn also zwei Filamente vorgesehen werden, deren Gesamtquerschnittsgrösse gleich gross ist wie jene eines einzigen Filamentes, so ergibt sich keine Zunahme des Stromverbrauches, wohl aber eine Zunahme der Oberfläche, die für Emission zur Verfügung steht. Es wird diesbezüglich z.B. auf die US-PS 1 722 468, S. 2, Z. 25-41 hingewiesen. Mehrere Filamente, und zwar meistens deren zwei, sind schon in Glühlampen vorgesehen worden zur Erzielung einer grösseren Helligkeit, ohne Vergrösserung des Filamentdurch-messers oder des Stromverbrauches (vgl. US-PS 976 247, betitelt «Incandescent Lamp»), zur Ermöglichung des Anschlusses von Glühlampen mit geringem elektrischem Widerstand an Stromnetze mit der üblichen hohen Spannung (vgl. US-PS 1 104 807, betitelt «Incandescent Lamp»), und auch für eine Glühbirne, in welcher die beiden Filamente in Serie geschaltet und zurückgefaltet sind, damit sich eine kompakte Anordnung ergibt (US-PS 3 555 342, betitelt «Single-Ended Incandescent Projection Lamp Having Dual Series-Connected Filaments and an Integral Gripping Cap»). In diesen Glühbirnen werden die Filamente innerhalb eines Vakuums oder eines inerten Gases erhitzt zwecks Erzeugung einer Lichtstrahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums; es besteht kein Bedarf zur Aufrechterhaltung einer Ionisierreaktion in einer geschlossenen Kammer, weil ja die Strahlungsemission als solche erwünscht ist, dagegen keine Einschliessung zur Erzeugung eines Sekundäreffektes. Bei Ionenkanonen mit Beschiessung durch Elektronen aus zwei Filamenten hat man bisher danach getrachtet, eine grössere Leistung des Elektronenbündels zu erzeugen, um Redundanz zu erhalten und um Filamentverfall zu vermeiden, der auf rückströmende Ionen zurückzuführen ist; es wird diesbezüglich auf die US-PS Nr. 3 701 915, betitelt «Electron Beam Gun» und auf die US-PS Nr. 3 172 007 betitelt «Folded Filament Beam Generator», hingewiesen. Auch hier besteht kein Bedarf für eine Einschliessung der Elektronen in der Kammer; vielmehr wandern die Elektronen vom Filament in das Elektronenbündel mit einer minimalen Verweilzeit im Bereich, in dem das Filament untergebracht ist. Die Geometrie des Filamentes und des Bereiches, in dem dasselbe untergebracht ist, sind so gewählt, dass die Erzeugung und gewünschte Extraktion der Elektronen zustande kommen.

In einer linearen Ionenquelle der Freeman-Bauart mit Heissfilament wurde in einer typischen vorbekannten Ausführung das Filament innerhalb der Kammer angeordnet und

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in Bezug auf den Extraktionsschlitz zentriert. Die meisten durch das Filament erzeugten Elektronen verbleiben in der Kammer und haben eine statistische Chance des Zusammen-stossens mit einem Molekül der gasförmigen Quellenspezies zur Erzeugung eines ionisierten Atoms. Die so erhaltenen ionisierten Atome werden dann elektrostatisch extrahiert durch einen Extraktionsschlitz hindurch, der in der Wandung der Ionisationskammer vorhanden ist. Diese Ione werden mit oder ohne Analyse oder Abtastung auf ein Target gerichtet, das z.B. aus einem Halbleiterwafer bestehen kann.

Ein Zweck der Erfindung besteht in der Schaffung einer Ionenquelle mit Oberflächenionisation durch ein heisses Filament mit erhöhter Standdauer. Bezweckt wird auch die Verminderung der Betriebstemperatur des Filamentes in einer solchen Quelle. Bei einer Ionenquelle, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist, wird diese Aufgabe gelöst durch eine Ausbildung, wie sie im kennzeichnenden Teil des Anspruches umschrieben ist. In Bezug auf weitere Besonderheiten einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird auf die abhängigen Ansprüche hingewiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische, mehr oder weniger schematische Ansicht einer zum Stand der Technik gehörenden Ionenquelle der Freeman-Bauart,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes,

Fig. 3 einen teilweisen Aufriss und teilweisen Schnitt der Ionisationskammer des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt der Ionisationskammer der vorbekannten Ausführung in der Freeman-Bauart, mit Darstellung der durch das Filament erzeugten Magnetfeldlinien, und

Fig. 5 einen der Fig. 4 ähnlichen Querschnitt der Ionisationskammer des Ausführungsbeispieles der Erfindungsgegenstandes, mit ähnlicher Darstellung der durch die beiden Filamente erzeugten Magnetfeldlinien innerhalb der Ionisationskammer.

Mit Beschuss durch Elektronen arbeitende Ionenquellen haben eine weite praktische Anwendung gefunden, weil sie fähig sind, mannigfaltige Ionenströme zu erzeugen und auch verschiedenste Ionenarten, wobei die Ionenströme entweder gebündelt sein können oder nicht.

Bei solchen Ionenquellen ist eine draht- oder stabförmige Elektrode innerhalb der Ionisationskammer angeordnet und durch Stromdurchfluss erhitzt. Es ergibt sich dabei eine thermionische Elektronenemission aus der Elektrodenoberfläche. Ein ionisierbarer Stoff wird in Dampfform in die Kammer eingeführt und die Elektronen stossen dann mit Atomen oder Molekülen dieses Stoffes zusammen zur Bildung von Ionen. Die Elektrode dient als Kathode und die Wandung der Ionisationskammer als Anode, wobei die Zusammenstösse im Zwischenraum stattfinden. Diese Ionen werden extrahiert durch eine Öffnung hindurch mit Hilfe eines hohen elektrostatischen Feldgradienten und sie werden danach auf ein Target oder Substrat gerichtet. Typen von Stossionisationsquel-len sind in Ausführungen realisiert, die der einen oder anderen von zwei Kategorien zugehören, nämlich Quellen mit und solche ohne Fokussierung. Quellen der Kaufman-Bauart sind solche ohne Fokussierung und werden beispielsweise in Ionentriebwerken für die Raumfahrt, in Einrichtungen zur Zerkleinerung von Material durch Ionenbeschuss und in Einrichtungen zum Ätzen mit Reaktivionen verwendet. Alle diese Ionenquellen haben verhältnismässig grossflächige Extrak-tionsöffnungen, die oft kreisförmig sind, wobei typischerweise ein einziges Filament und mehrere Magnetfeldpole innerhalb einer Ionisationskammer angeordnet sind. Es wird diesbezüglich z.B. auf das Schriftwerk von G.C. Isaacson,

betitelt «Multipole Gas Trusters» hingewiesen, das eine Doktorthese an der Universität von Colorado (1977) ist. Diese Ionenquellen können anstatt dessen zwei halbkreisförmige Filamente aufweisen, die innerhalb der zylindrischen Emissionskammer angeordnet sind; es wird diesbezüglich auf das Modell 15-1500-150 einer von der Firma Ion Tech, Inc. in Ft. Collins, Colorado, hergestellten Ionenquelle hingewiesen. Andererseits sind Ionenquellen der Freeman-Bauart (die auch als Calutronquellen bekannt sind) mit heissem Filament solche mit fokussiertem Ionenstahl, die beispielsweise verwendet werden in der Ionenimplantation von Halbleiterwa-fern, dies mit Bündelanalyse und -fokussierung zwecks Erzielung einer hohen Gleichmässigkeit. Eine typische Ausführung dieser Art mit fokussiertem Bündel hat einen länglichen Extraktionsschlitz zur Erzielung eines streifenartigen Ionenbündels. In jedem Fall ist die Elektrode innerhalb der Ionisationskammer angeordnet und hat sie eine bestimmte Grösse, Formbeschaffenheit und Extraktionsöffnung.

Der Abbau von Elektrodenmaterial in mit Stossionisation arbeitenden Ionenkanonen beruht in erster Linie auf der Emission von Baustoff der Elektrode aus deren Oberfläche. Die elementaren oder molekularen Bestandteile des Elektrodenbaustoffes werden aus dieser Oberfläche gejagt («aus der Oberfläche herauskocht») bei erhöhten Betriebstemperaturen ; vergleiche diesbezüglich z.B. den Aufsatz von R.E.

Honig et al., betitelt «Vapor Pressure Date for the Solid and Liquid Elements», erschienen in der RCA Review, Vol. 30, S. 285 (1969). Dieser Materialverlust führt schliesslich zu einer Verminderung des Durchmessers der Elektroden in einem solchen Mass, dass der Elektrodenstab oder -draht bricht. Diese Materialabgaben finden am schnellsten im Vakuum statt, sind aber immer noch bedeutend in einem Plasma oder in einer wässerigen Umgebung. Der Abbau steht in einer Exponentialfunktion der zweiten Ordnung zur Temperatur statt. Somit ist die Verlustrate bedeutend erhöht für différentielle Temperaturzunahmen, hingegen bedeutend vermindert für différentielle Temperaturverminderungen. Somit wird bei reduzierten Betriebstemperaturen die Materialverlustrate, die auf Oberflächenemission zurückzuführen ist, vermindert sein und die Standdauer der Elektrode verlängert.

Um die Betriebscharakteristiken (Standdauer, Ionisationswirksamkeit, Helligkeit, Wiederholbarkeit und Konsistenz) von mit Stossionisation arbeitenden Ionenquellen optimal zu gestalten, sind neue Ausbildungen für die Ionisationskammer und die Elektroden zur Anwendung gelangt und die bevorzugte Anordnung der Elektroden innerhalb der Ionisationskammer ist empirisch bestimmt worden. Diesbezügliche Bemühungen gehen dahin, eine magnetische Einschliessung innerhalb gewisser Regionen der Ionisationskammer herbeizuführen ; mit anderen Worten, man hat danach getrachtet, die Verweilzeit von gewissen Ionenarten in diesen Regionen zu vergrössern. Insbesondere müssen Elektronen davon abgehalten werden, die Anode zu erreichen, bevor sie den grössten Teil ihrer kinetischen Energie in unelastischen, Ionen produzierenden Zusammenstössen abgegeben haben. Auch müssen neutrale Atome innerhalb der Ionisationskammer eingeschlossen werden, bis sie ionisiert sind, d.h. es sollte ihnen nicht erlaubt sein, leicht beim Extraktionsschlitz einzutreffen, wo sie entweichen könnten, ohne zum Aufbau des Ionen-strahlenbündels beizutragen. Ausserdem sollte es den Ionen nicht erlaubt sein, die Wandung der Ionisationskammer zu erreichen, ansonst sie erneut ionisiert werden müssten. Diesbezügliche Erläuterungen findet man im Schriftwerk von D. Böhm, betitelt «Qualitative Description of the Arc Plasma in a Magnetic Field», The Characteristics of electrical discharges in Magnetic Fields, A. Guthrie and R.K. Wakerling, eds., McGraw-Hill (1949). Ausserdem hat sich gezeigt, dass das Einfangen von Photonen Ionisationsraten beeinträchtigt.

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Diesbezüglich sei z.B. verwiesen auf den Aufsatz von W. Knauer, betitelt «Mechanism and Efficiency of the Ion Generation Process in Electron Bombardment Ion Sources», Symposium on Ion Sources and Formation of Ion Beams, Brook-haven National Laboratory Report 50310, S. 69 (1971). Solche magnetische Einschliessmittel beschränken die Partikelbewegung, ohne dass sie eine physikalische Berührung erfordern und können erhalten werden durch Wahl von besonderen Auslegungen der Ionisationskammer und der Elektrode. Somit können physikalische (bauliche) Veränderungen, welche Magnetfelder ergeben, die für die Einschliessung besser optimiert sind, zu einer Ionenquelle führen, die einen verbesserten Ionisationswert-Wirkungsgrad haben.

Die herkömmliche Ionenquelle des Freeman-Typs ist in der schematischen Figur 1 dargestellt. Es wird diesbezüglich auch auf L. Valyi, Atom und Ion Sources, Seiten 211 ff. hingewiesen. Wie schon vorher erwähnt wurde, wird dieser Typ von Ionenquellen gebraucht in analysierten Systemen, in denen Gleichmässigkeit gewünscht ist. Die Einstab-Elektrode 12 ist innerhalb des Ionenquellengehäuses 11 axial zentriert in bezug auf den Extraktionsschlitz 13. Die Magnetpolstücke 10 erzeugen ein nichtfliessendes Magnetfeld in der Grössen-ordnung von 5-15 mT in der Richtung der Achse der Elektrode 12, wobei die Grösse abhängt von den Stoffarten, die ionisiert werden. Dieses nichtfliessende Feld wirkt zusammen mit demjenigen Feld, das durch den die Elektrode durchflies-senden Strom erzeugtr wird (einige cT in der Nähe der Elektrodenoberfläche, nach aussen abnehmend, falls der durch-fliessende Strom die Grössenordnung von hundert Ampere hat). Die Kombination dieser beiden Felder beeinflusst die Wanderung der Elektroden nach deren Emission aus der Elektrode 12. Es ergibt sich eine spiralige oder turbulente Bewegungsbahn, welche danach trachtet, energetische Elektronen in der Zentralregion zu halten, in der sie an ionisierenden Zusammenstössen teilhaben können. Das überlagerte, nichtfliessende Feld ist für den Betrieb nicht unerlässlich, steigert aber die Ionisierungswirkung. Eine Quelle von ionisierbarem Material, die hier als Feststoffkörper 16 dargestellt ist, welcher von einem Verdampfungserhitzer 17 umgeben ist, ist neben der Stabelektrode 12 angeordnet. Es wird so ein ionisierbares Gas in die Region der Stabelektrode angegeben. Durch Elektronenaufprall werden Gaspartikel ionisiert und verfügbar gemacht für deren Extraktion durch den Schlitz 13 hindurch mit Hilfe der Beschleunigungselektrode 14. Der extrahierte Ionenstrahl 15 hat streifenform.

Die hier vorgeschlagene Zweifilamentgestalt der Elektrode ist in der Fig. 2 veranschaulicht, allerdings unter Weglassung der äusseren-Magnete, die in typischer Weise ähnlich verwendet werden wie in der bekannten Ausführung nach Fig. 1. In der bevorzugten Ausführung sind zwei parallele Stabelemente 24 als Elektrode vorgesehen und einander gegenüberliegend innerhalb der Ionisationskammer 21 angeordnet, rittlings auf den Längsrändern des Extraktionsschlitzes 19, der auch in Fig. 3 gezeigt ist. Diese Längsränder liegen vor als Schnittkanten der Innenoberfläche mit nach aussen divergierenden Flächen 18, welche ein Ausfächern des Ionenstrahles nach dessen Extraktion ermöglichen. In einer Ausführungsform hat der Extraktionsschlitz eine Weite von etwa 2,5 mm, haben die beiden Elektrodenfilamente einen Durchmesser von etwa 1,5 mm und einen Achsabstand von etwa 3 mm. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit gleicher Schlitzweite und gleichen Durchmesser der Elektrodenelemente beträgt der Achsabstand dieser Elemente etwa 6 mm. Im ersten Ausführungsbeispiel befindet sich ein Winkelbereich, durch den die Elektronen direkt nach aussen und, was wichtiger ist, zum Substrat hindurchtreten können; im zweiten Ausführungsbeispiel gibt es keinen solchen Winkelbereich. In beiden Fällen sind die Elektronen verfügbar für

Zusammenstösse mit neutralen Atomen innerhalb der Ionisationskammer. Die Stabelemente 24 der Elektrode sind mit Klemmsitz in einem Halter 23 festgehalten, wenn Schrauben 25 angezogen sind und sie treten durch Isolatoren 22 hindurch in die Ionisationskammer 20 ein. Die Elektrodenstäbe befinden sich in einem Abstand von der mit dem Austrittsschlitz versehenen Wandung, der etwa Vs bis lA der Tiefe der Ionisationskammer beträgt, dies, damit die Verweilzeit der geforderten Sorten in einer Region zunächst beim Extraktionsschlitz maximal hoch ausfällt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die beiden Elektrodenstäbe den gleichen Durchmesser, damit sich ein ausbalanciertes und symmetrisches Magnetfeld ergibt. Die Elektrodenstäbe sind typischerweise aus Wolfram hergestellt. Da Ionenquellen mit Zweistabelektroden verwendet werden können als Ersatz für solche mit Einstabelektroden, kann die Stromzufuhr (proportional zum Gesamtquerschnitt der beiden Elektrodenstäbe) mindestens gleich hoch sein. Somit wird eine Stromzufuhr, die für eine Einfilamentelektrode genügt, für den Durchfluss von 150 Ampere, bei einer Elektrode mit zwei parallel geschlossenen Elementen des gleich grossen Gesamtquerschnittes nur einen Durchfluss von 75 Ampere durch jedes dieser Filamente hervorrufen. Für gleiche Stromzufuhr ergibt sich also ein Durchmesser der Einstabelektrode der das Produkt aus j/2 mal den Durchmesser jeder der beiden Stäbe der Zweistabelektrode ist. Die Grösse der Mantelfläche ist somit um den Faktor ]ß vergrössert für zwei Elektroden, die den gleichen Durchmesser und die gleiche Länge haben. Die Zunahme der Mantelfläche ergibt eine entsprechende Zunahme der Elektrodenemission bei gleichem Stromverbrauch oder eine gleich grosse Elektronenemission bei entsprechend vermindertem Stromverbrauch, da ja das Emissionsvermögen direkt proportional ist sowohl zur Temperatur wie auch zur Grösse der Emissionsfläche.

In einer Ionenquelle des Freeman-Typs mit nur aus einem Stab bestehender Elektrode kann ein Anteil der emittierten Elektronen direkt durch den Extraktionsschlitz hindurchtreten infolge Sichtliniendurchlass. Die Elektrode dient auch dazu, Ionen, die in der Reaktionskammer erzeugt worden sind, daran zu hindern, durch den Extraktionsschlitz wieder in die Ionisationskammer einzutreten. Jede solche Kollision eines Ions mit der Elektrode reduziert die Ionenpopulation; die Wahrscheinlichkeit des Eintretens einer solchen Kollision wird vermindert mit der Rittlingsanordnung der beiden Elektrodenfilamente, wie sie hier vorgeschlagen wird. Das magnetische Feld B, das durch den Stromfluss i erzeugt wird, ist in der Schnittdarstellung nach Fig. 4 gezeigt. Die überlagerten fixierten Feldstärkenlinien (in das Papier hinein) sind nicht gezeigt. Man sieht aus dieser Darstellung, dass diese Feldlinien notwendigerweise den Zwischenraum zwischen dem Filament und dem Schlitz einnehmen. Somit müssen die Feldlinien in diesem Zwischenraum komprimiert werden, es sei denn, es würde die Ionisationskammer selbst als Teil eines grösseren Magnetkreises hinzugezogen, so dass die Feldlinien durch die Ionisationskammerwand hindurchtreten würden, was auf eine Ausbildung hinauslaufen würde, die es schwierig machen würde, Kollisionen von Partikeln mit der Kammerwand zu verhindern. Somit müssen innerhalb der Kammer produzierte Ionen diese zusammengedrängten Linien von magnetischer Feldstärke durchlaufen und können sie zu neutralisierenden Kollisionen mit der Ionisationskammerwand gesteuert werden in der Nähe des Extraktionsschlitzes, wodurch die Ionisationswirksamkeit herabgesetzt wird. Das magnetische Feld, das einer Ausgestaltung mit einer Doppelstabelektrode zugehört, ist in Fig. 5 dargestellt.

Hier umgeben die Exponentialmagnetfeldlinien B jeden Elektodenstab in der gleichen Weise, weil die beiden Elektrodenstäbe im gleichen Sinne vom Strom i durchflössen sind.

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Das Magnetfeld in der Region, die zwischen den beiden Elek-trodenfilamenten bzw. «-Stäben» gelegen ist, ist schwach infolge Aufhebung und somit sind neutralisierende Kollisionen auf ein Minimum herabgesetzt in dieser Region, durch welche hindurch Ionen extrahiert werden. Dies steht in Kon- 5 trast zu den starken Magnetfeldern, in der Austrittsöffnungsregion der herkömmlichen Ionenquelle nach Fig. 4 vorhanden sind. Diesem magnetischen Feld ist das feststehende Feld überlagert, das in Fig. 1 dargestellt ist und das man sich orthogonal zur Zeichnungsebene bzw. längs der Elektroden- io achse verlaufend vorstellen muss. Diese beiden Feldkomponenten ergeben durch ihre Überlagerung eine komplexe, spiralenartige oder turbulente Laufbahn für Elektronen, so dass diese mit grösster Wahrscheinlichkeit an Ionisierungszusam-menstössen teilhaben. 15

Das Zerstäuben von Metallatomen, die Bestandteile der Elektrode bilden, stellt in einer mit Elektronenbombardierung arbeitenden Ionenkanone einen Zerfallsmechanismus dar. Dieses Zerstäuben wird hervorgerufen, sowohl durch Bombardierung mit energetischen Atomsorten, die innerhalb 20 der Ionisationskammer produziert werden, als auch durch Bombardierung mit energetischen Spezies, die von aussen her in die Ionisationskammer zurückfliessen. Die inneren energetischen Spezies setzen sich zusammen aus Ionen von solchen Typ, die anderweitig extrahiert werden und aus neutralen 25 Spezien, die neutralisiert worden sind nach Ionisation und Beschleunigung innerhalb der Kammer. Diese innerhalb der Kammer erzeugten energetischen Spezien werden keine sehr hohe kinetische Energie haben, weil das Potential, durch welches sie beschleunigt worden sind, aus dem Vorspannungspo- 30 tential der Elektrode besteht (hunderte von Volt); es hat sich aber gezeigt, dass auch dann die Standdauer der Elektrode optimal ausfällt bei Vorliegen des niedrigsten Vorspannpotentials, das noch genügt für das Aufrechterhalten einer ade-quaten Elektronenemission. Ausserhalb der lonisationskam- 35 mer erzeugte energetische Spezien umfassen Elektronen,

negativ geladene Ionen und sogar Neutrale, welche durch die Extraktionsfelder wieder in die Ionisationskammer hinein beschleunigt worden sind, wobei diese Felder in der Grössen-ordnung von zehntausenden von Volt liegen; diese von aus- 10

sen kommenden energetischen Spezien können eine sehr hohe kinetische Energie haben und eine recht bedeutsame Zerstäubung von Elektrodenmaterial hervorrufen. Die so zustande kommende Zerstäubung ist vom Phänomen des Strangulierens («necking») begleitet, durch das die Elektrode dünner wird in ihrem Mittelteil, in welchem sie den rückströmenden Ionen ausgesetzt ist. Dies Zerstäuben durch rückströmende Spezien hängt ab von der Dichte der rückströmenden Ionen und vom elektrischen Feld, durch welches diese Ionen beschleunigt werden. Sowohl das Zerstäuben durch rückströmende Ionen wie auch das Zerstäuben durch Ionen, die im Austretem begriffen sind, wird reduziert durch die Rittlingsanordnung der beiden Elektrodenfilamente nach vorliegender Erfindung. Zudem wird es von der Betriebstemperatur der Elektrode abhängen, wie leicht Oberflächenatome durch auf-stossende energetische Spezien weggetragen werden können: je höher diese Temperatur, umso stärker wird auch dieses Abtragen sein. Diese kombinierten Effekte stehen in einer linearen (oder niedrigordrigen) Funktion zur Temperatur. Somit wirkt die hier vorgeschlagene Ausbildung der Elektrode als Mehrfachfilament, genauer gesagt Zweifachfila-ment, die mit tieferen Betriebstemperatur arbeiten kann, wodurch dieser (Abtragungs-)Effekt vermindert wird in einer linearen (oder niedrigordrigen) Funktion der Temperatur sowohl für innerhalb als auch ausserhalb der Ionisationskammer erzeugte energetische Spezien. In denjenigen bevorzugten Ausführungsformen, in welchen die Elektrodenfilamente bzw. -stäbe nicht in Sichtlinienanordnung inbezug auf das Substrat angeordnet sind, ist die Elektrodenzerstäubung durch rückkehrende Spezien eliminiert und die Zerstäubung im Ganzen reduziert. Diese Verbesserung hat jedoch nur sekundäre Bedeutung gegenüber der Verbesserung, die im geringeren Materialverlust durch «Wegkochen» besteht, dies im Gegensatz zu Elektronenkanonen, in denen diese Verbesserung von primärer Bedeutung ist, vgl. diesbezüglich die US-PS 3 701 915, Spalte 5, Zeilen 14 bis 24. Der Unterschied rührt davon her, dass temperaturabhängige Materialverdampfung und Materialabtragung einen noch grösseren Zerfall herbeiführen als rückströmende Ionen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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1. Mit Bombardierung durch Elektronen arbeitende Ionenquelle des Freeman-Heissfilament-Typs, mit einer in einer Ionisationskammer angeordneten Elektrode, einer Stromquelle zum Liefern von elektrischem Strom durch die Elektrode, damit diese erhitzt wird, um eine thermische Elektronenemission zu erzeugen, einem äusseren Magneten zum Überlagern eines Magnetfeldes an das Innere der Ionisationskammer, Mitteln zum Liefern von ionisierbarem Material an die Ionisationskammer und einer in einer Wand der Ionisationskammer ausgebildeten Ionenaustrittsöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode aus zwei parallel zueinander angeordneten Elementen (24) zusammengesetzt ist, die im Stromkreis parallel geschaltet sind, damit bei einer gegebenen Grösse der Gesamtquerschnittsfläche der Elektrode und einer gegebenen Eingangsleistung eine grössere Elektronenemission als bei nur aus einem Element bestehender Elektrode möglich ist.

2. Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äussere Magnet so angeordnet ist, dass er ein Magnetfeld produziert, das auf die Achsen der beiden parallelen Elektrodenelemente ausgerichtet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Ionenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektrodenelemente innerhalb der Ionisationskammer längs den Längsrändern der schlitzförmigen Austrittsöffnung angeordnet sind, so dass keine Sichtverbindung besteht zwischen den Elektrodenelementen und den aussenliegenden Target für den Durchtritt von Elektronen, die von den Elektrodenelementen emittiert werden.

4. Ionenquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektrodenelemente aus Wolfram bestehen und gleichen Durchmesser haben.

5. Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zueinander parallelen Elektrodenelemente in einem Abstand von derjenigen Wandung der Ionisationskammer gelegen sind, in der die Austrittsöffnung ausgebildet ist, welcher ein Ys bis ein Vi der Tiefe der Ionisationskammer beträgt.