DE3440858A1

DE3440858A1 - Fluessigmetall-ionenquelle

Info

Publication number: DE3440858A1
Application number: DE19843440858
Authority: DE
Inventors: Tohru Sayama Saitama Ishitani; Hifumi Hachioji Tokio/Tokyo Tamura; Kaoru Kokubunji Tokio/Tokyo Umemura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1984-11-08
Publication date: 1985-05-23
Also published as: GB2151071A; JPS60105148A; US4680507A; GB8428392D0; GB2151071B

Description

Beschreibung

- 3.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau einer Flüssigmetall-Ionenquelle, die mit einer Tankvorrichtung für festes oder pulverförmiges Quellenmaterial ausgestattet ist. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Flüssigmetall-Ionenquelle, die für einen lang andauernden, kontinuierlichen Betrieb einer Ionen-Mikrostrahlimplantation geeignet ist.

Die Figuren 1 und 2 zeigen den typischen Grundaufbau von Flüssigmetall-Ionenquellen nach dem Stand der Technik.

Die beiden Beispiele eines solchen Aufbaus unterscheiden sich in der Ausgestaltung zum Halten eines Quellenmaterials und in der Heizmethode, und sie sind die gegenwärtig generell angewendeten Ionenquellen.

Als erstes zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung eines Systems, in dem das Quellenmaterial 2 in direktem Kontakt mit einem in einer Heizstellung befindlichen Heizer 4 gehalten wird und einem Leitungsstrom einer Widerstandsheizung unterworfen wird. Eine Öffnung 10 ist zentral in dem Heizer 4 vorgesehen, der durch zwei Durchführungsanschlüsse 8 gehalten wird, die an dem isolierenden Träger 6 befestigt sind. Die Spitze eines nadeiförmig gestalteten Emitters 12 befindet sich im Zentrum der Öffnung 10 und steht daraus vor. Das Quellenmaterial 2 ist um die Öffnung 10 angeordnet, so daß es sich in Kontakt mit dem Heizer 4 wie auch der Spitze des nadeiförmigen Emitters 12 befindet. Das Quellenmaterial 2 wird durch Widerstandsheizung aufgrund des von der Heizspannungsversorgung 14 zugeführten Stromes geschmolzen, und das geschmolzene Quellenmaterial benetzt die Spitze des nadelförmigen Emitters 12. In diesem Zustand wird eine hohe positive Spannung an den nadeiförmigen Emitter 12 mit einer Beschleunigungsspannungsversorgung 16 angelegt, und eine bezüglich des nadeiförmigen Emitters 12 hohe negative Spannung wird an die Seite der Extraktionselektrode 20 mit einer Extraktionsspannungsversorgung 18 angelegt.

Damit wird das in dem aufgeschmolzenen Zustand die Spitze des nadeiförmigen Emitters 12 benetzende Quellenmaterial 2 durch Feldionisation ionisiert und als Ionenstrahl extrahiert.
In dem Aufbau nach der Figur 2 ist andererseits das Quellenmaterial 2 in einem Behälter 24 wie z.B. einem Schiffchen untergebracht, und die Spitze des nadeiförmigen Emitters 12 steht aus einer Öffnung 26 vor, die im Boden des Behälters 24 vorgesehen ist. Die Heizung des Quellenmaterials 2 wird durch Elektronenstrahlbeschuß aus einem Heizer 4 ausgeführt, um das Quellenmaterial 2 in der Nähe der Öffnung 26 zu heizen und aufzuschmelzen. Steuerelektroden 28a und 28b dienen dazu, den Fluß des aufgeschmolzenen Quellenmaterials 2 auf die Oberfläche der Spitze des nadeiförmigen Emitters unter Zuhilfenahme einer Steuerspannungsversorgung 30 zu steuern. Übrigens ist das Prinzip des Abziehens eines Ionenstrahles 22 das gleiche wie im Fall des Aufbaubeispieles nach Figur 1. Wenn wie in diesem Beispiel als Behälter ein Schiffchen 24 verwendet wird, so kann das beheizte Quellenmaterial 2 an einer Verdampfung und einem Zerstäuben gehindert werden. Eine solche Ionenquelle ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Gebrauchsmusterschrift Nr. 56-123453 (1981) beschrieben.

Diese Ionenquellen nach dem Stand der Technik zeigen die folgenden Schwierigkeiten:

(1) Die gesamte Menge des in der Ionenquelle enthaltenen Quellenmaterials muß immer im geschmolzenen Zustand gehalten werden. In Fällen, in denen das Quellenmaterial fest oder pulverförmig ist oder es ein Material von hohem Schmelzpunkt ist, ist daher der Leistungsverbrauch zum Heizen des Quellenmateriales hoch.

(2) In dem Fall, bei dem der Heizerstrom konstant ist, steigt die Temperatur des Quellenmateriales mit seiner Abnahme an und die Ionenemissionseigenschaften ändern

sich, beispielsweise, tritt ein Anwachsen des Gesamtionenstromes auf.

(3) Wenn das Quellenmaterial eine Legierung ist, die aus Metallen von stark unterschiedlichen Dampfdrücken besteht, ändert sich das Verhältnis der Legierungszusammensetzung aufgrund selektiver Verdampfung infolge Heizens über eine lange Zeit hinweg.

(4) Die Menge des zu fahrenden Quellenmaterials ist durch die Größe des Reservoirs oder Schiffchens oder durch die elektrische Heizkapazität begrenzt und bildet daher einen Faktor zum Festlegen der Lebensdauer der Ionenquelle.

(5) Wenn gemäß des Verbrauches an Ionenquellenmaterial mit einer längeren Ionenemission nicht mehr gerechnet werden kann, ist es notwendig, das Vakuum in der Ionenquelle einmal zu unterbrechen und das Quellenmaterial von außen wieder aufzufüllen. Die Ionenemission- wird zeitweilig unterbrochen,'das Quellenmaterial wird nachgefüllt und die Ionenemission wird erneut gestartet.

Unmittelbar nach dem erneuten Starten der Emission vergeht eine lange Zeitspanne bis die Ionen wieder stabil emittiert werden, urid die Kennlinien der emittierten Ionenströme gegen die Extraktionsspannungen unterscheiden sich von jenen, die vor dem Unterbrechen der Ionenemission vorlagen. Eine gewisse Zeitspanne wird ebenfalls für den Wiederauffüllvorgang benötigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Ionenquelle anzugeben, die über eine lange Zeitspanne mit einem stabilen Ionenemissionsstrom betrieben "werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einer im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Ionenquelle gelöst, die erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Anspruches angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Flüssigmetall-Ionenquelle ein Reservoir aufweist, in dem das zu ionisierende Quellenmaterial in einem geschmolzenen Zustand gehalten wird; sie weist einen Emitter auf, der von seiner Spitze Ionen des von dem Reservoir zugeführten, geschmolzenen Quellenmaterials emittiert; weiter ist eine Extraktionselektrode (Absaugelektrode) vorhanden, durch die ein hohes elektrisches Feld auf die Spitze des Emitters ausgeübt wird, wodurch Ionen von der Spitze des Emitters extrahiert werden; ferner ist eine Tankvorrichtung für das Quellenmaterial und eine Übertragungsvorrichtung zum Übertragen des Quellenmaterials von der Tankvorrichtung zu dem Reservoir vorgesehen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Vergrösserung der Kapazität der Tankvorrichtung für das zu ionisierende Quellenmaterial, das ein festes Eulver oder eine Flüssigkeit ist, das Quellenmaterial in großer Menge gespeichert werden, und aufgrund eines kontinuierlichen Nachfüllens kann eine stabile Ionenemission über eine lange Zeit kontinuierlich ausgeführt werden. Da weiterhin die Tankvorrichtung unabhängig von dem Heizungsteil und dem Reservoir ist, muß die Gesamtmenge des in der Ionenquelle befindlichen Quellenmaterials nicht immer im geschmolzenen Zustand gehalten werden, und der Leistungsverbrauch kann nahezu gleich jenem des Standes der Technik sein. Da weiterhin das Nachfüllen des Quellenmaterials innerhalb einer Vakuumkammer ausgeführt werden kann, wird eine Änderung der Ionenemissionseigenschaften vor und nach dem Wiederauffüllen, die durch eine Unterbrechung der Ionenemission für das Wiederauffüllen des Quellenmaterials außerhalb des Vakuums verursacht würde, vermieden. Ein weiterer Effekt liegt darin, daß dann, wenn eine Legierung aus Metallen mit stark unterschiedlichen Dampfdrücken das Quellenmaterial ist, eine auf das langzeitige Heizen

des Quellenmaterials zurückzuführende selektive Verdampfung durch das kontinuierliche Auffüllen mit Quellenmaterial aus der Tankvorrichtung vermieden werden kann. Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Flüssigmetall-Ionenquelle mit Leitungsstromheizung nach dem Stand der Technik; Figur 2 zeigt einen senkrechten Schnxtt durch eine im Stand der Technik bekannte Flüssigmetall-

Ionenquelle mit Elektronenstrahlheizung und einem Schmelztiegel-Behälter;

Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Flüssigmetall-Ionenguelle mit Leitungsstromheizung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegen

den Erfindung;

Figuren zeigen Querschnitte durch weitere Ausführungs-4 und 6 beispiele;

Figuren zeigen in Diagrammen die Beziehungen zwischen 5a + 5b der Zufuhrmenge von Quellenmaterial und

dessen Temperatur;

Figuren zeigen weitere Ausführungsbeispiele der vor-7 und 8 liegenden Erfindung und insbesondere Querschnitte durch Flüssigmetall-Ionenquellen mit Elektronen-Strahlheizung.

Unter Bezugnahme auf die Figur 3 wird nun ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dieser Figur ist der Grundaufbau einer Flüssigmetall-Ionenquelle dargestellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung eine Tankvorrichtung für das Quellenmaterial und eine Vorrichtung zum Transportieren des Quellenmaterials zu einem Reservoir oder einem Heizteil aufweist.

Diese Flüssigmetall-Ionenquelle ist von dem Leitungsstromheizungstyp, bei dem ein Reservoir 24 für das Quellen-

material 2 ebenfalls als Heizteil 4 dient, und bei dem eine Widerstandsheizung mittels eines Leitungsstromes durch den aus Kohlenstoff bestehenden Heizteil 4 erfolgt, um das feste oder pulverförmige Quellenmaterial 2 mit der entstehenden Wärme aufzuschmelzen. Die Spitze eines nadeiförmigen Emitters 12, der einen vertikal beweglichen Mechanismus besitzt, wird in das aufgeschmolzene Quellenmaterial eingetaucht und ausreichend benetzt, und der Fluß des flüssigen Quellenmaterials 2 aus einer in dem Boden des Reservoirs 24 vorgesehenen Öffnung 10 wird durch die Vertikalbewegung der Nadelspitze gesteuert. Dabei wird eine hohe negative Spannung an die Extraktionselektrode 20 angelegt. Dadurch wird das an dem Vorderende des nadeiförmigen Emitters 12 anhaftende Quellenmaterial 2 aufgrund von Feldionisation ionisiert und ein Ionenstrahl 22 wird extrahiert. Alle Bestandteile dieser Flüssigmetall-Ionenquelle mit Ausnahme der Spannungsversorgungen 14, 16 und 30 sowie des Endteiles der Drehwelle 34a befinden sich in einem Vakuumbehälter 36.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde NiB (eine Nickel-Bor-Legierung) als Quellenmaterial 2 verwendet. Weiterhin war die Gestalt des Heizers 4 so gewählt, daß der Rücksprung 24 zentral in dem Heizer 4 vorgesehen ist, um das Quellenmaterial 2 von der Zufuhrleitung 34b abzuhalten und um damit eine Ausbreitung über den Heizer 4 zu verhindern, wobei dieser Rücksprung ebenfalls als Reservoir für das Quellenmaterial 2 dient. Die Aufnahmekapazität, mit der NiB in dem Rücksprung 24 aufgenommen werden kann, betrug etwa 5mm , und die Zeitdauer (Lebensdauer), nach der eine stabile Ionenemission nicht mehr zu erwarten ist, betrug etwa 100 Stunden. Die Lebensdauer ist natürlich kein fester numerischer Wert, weil sie von der Stärke der Ionenemission (des gesamten Ionenstroms), der Größe der Verdampfung des Quellenmaterials aufgrund der Heizung usw. abhängt.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Tankvorrichtung 32 für das Quellenmaterial hat eine größere Kapazität als das Reservoir 24 des Heizers 4. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel war die Tankvorrichtung 32 mit etwa 1cm an gekörntem oder pulverförmigen NiB beschickt, das mit einem Korndurchmesser von höchstens 0,5 mm o.a. pulverisiert war.

Im Hinblick auf die Zufuhrgeschwindigkeit und die Zufuhrzeit des Quellenmaterials 2 zu dem Reservoir 24 oder die schraubenförmige Drehwelle 34a gemäß der zuvor gemessenen Beziehung zwischen der Drehgröße der schraubenförmigen Drehwelle 34a und der Zufuhrgeschwindigkeit des Quellenmaterials gedreht, so daß das Quellenmaterial dem Reservoir 24 mit etwa 2 mm in Intervallen von etwa 50 Stunden zugeführt wurde.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele haben bezüglich der Verwendung der Tankvorrichtung 32 für das Quellenmaterial und der Vorrichtung zum Bewegen des Quellenmaterials 2 von der Tankvorrichtung 32 zu dem Reservoir 24 oder dem Heizteil 4 die gleiche Grundidee, jedoch ist die Mechanik der Bewegungsvorrichtung für das Quellenmaterial 2 verbessert.

Bei den in den Figuren 4 bis 8 jeweils dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Spannungsversorgungen, die Vakuumkammer und die Leitungsverbindungen weggelassen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist ein Kolben 40 innerhalb eines Zufuhrganges 38 angeordnet, und die von der Tankvorrichtung 32 dem Heizer 4 zugeführte Menge an Quellenmaterial 2 kann durch die Bewegung des Kolbens eingestellt werden. Dieser Kolben 40 kann von der Außenseite der Vakuumkammer mit einem geradlinigen Einführungsmechanismus oder einer Schiebedurchführung fein justiert werden. Dipper Aufbau ist. für die Steuerung der Zufuhrmenge des Quellenmaterials, das aus Pulver oder

3S aus Körnchen von gleichmäßigem Durchmesser besteht, effektiv. Es wird nun erläutert, weshalb die Feineinstellung

der Zufuhrmenge des Quellenmaterials wichtig ist. In einem Fall, bei dem das Quellenmaterial 2 dem Reservoir 24 erneut zugeführt wird, ist das Quellenmaterial 2 auf dem Heizer 4 in flüssigem Zustand. Wenn in diesem Fall das Quellenmaterial 2 in großer Menge plötzlich zugeführt wird, erniedrigt sich entsprechend der Figur 5a plötzlich die Temperatur des Quellenmaterials auf dem Heizer 4. Temperaturerniedrigung ändert die Eigenschaften der Ionenemission wie z.B. den Betrag des Ionenemissionsstromes oder stoppt im Extremfall die Ionenemission. Es ist daher für eine lange Zeit schwierig, eine stabile Ionenemission fortzuführen. Wenn dagegen das Quellenmaterial in kleinen Beträgen in kurzen Zeitintervallen zu Zeiten t-, t„, t^ und t, entsprechend der Figur 5b zugeführt wird, so sind die Temperatursenkungen jeweils klein und die Kenngrößen der Ionenemission zeigen keine starken Schwankungen. Es ist daher wichtig, das Quellenmaterial fortlaufend in kleinen Beträgen zuzuführen. Daher ist ein Mechanismus effektiv, bei dem der Drehwinkel der Drehwelle und die Zufuhrgeschwindigkeit wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 oder dem des nachfolgend beschriebenen Beispiels der Figur 6 in gewisser Beziehung stehen. Das Ausführungsbeispiel der Figur 4, bei dem die Größe der Öffnung und die Öffnungszeit eines Zufuhrkanales mit der Zufuhrgeschwindigkeit korreliert sind, ist für Material wie z.B. Gallium zweckmäßig, das in der Nähe der Raumtemperatur flüssig ist.

Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist innerhalb der Tankvorrichtung 32 eine schraubenförmige Drehwelle 42 angeordnet, und die Zufuhrmenge des Quellenmaterials 2 von der Tankvorrichtung 32 über einen Zufuhrkanal 44 zu dem Heizer 4 kann durch Drehung der schraubenförmigen Drehwelle reguliert werden. Dieser Aufbau ist 5 zweckmäßig zum Steuern der Zufuhrmenge des Quellenmaterials

besonders bei solchen Fällen, in denen das Quellenmaterial ungleichförmige Teilchendurchmesser wie z.B. in pulverisiertem Material besitzt.

Die Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Tankvorrichtung 32 und die Zufuhrvorrichtung für das Quellenmaterial 2 bei einer Flüssigmetä'll-Ionenquelle mit Elektronenstrahlheizung eingesetzt sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 kann das Quellenmaterial auf einem Band 48 von der Tankvorrichtung 3 2 über eine Zufuhrleitung 50 zu dem Reservoir 24 mit den Drehkräften von zwei Drehwellen 46a und 46b bewegt werden, und die Zufuhrmenge des Quellenmaterials 2 kann durch die Größe der Drehungen der Drehwellen 46a und 46b reguliert werden. Bei diesem Aufbau ist insbesondere eine Feineinstellung der Zufuhrmenge des Quellenmaterials 2 möglich, weil die Drehwellen 48a und 48b ebenfalls von der Außenseite der Vakuumkammer her gedreht werden können.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 8 ist ein Ventil 54 zwischen der Tankvorrichtung 32 für das Quellenmaterial und dem Zufuhrkanal 52 angeordnet, und.es wird über einen Faltenbalg oder eine Feder 56 geöffnet und geschlossen, wodurch die Zufuhrmenge des Quellenmaterials 2 eingestellt werden kann.

Voranstehend wurde die Grundidee der vorliegenden Erfindung beschrieben. Weitere Ausführungsbeispiele und Verbesserungen der Erfindung sind möglich. Es ist weiter möglich, zwei oder mehr der Ausführungsbeispiele der Figuren 4 bis 8 zu kombinieren. Die Erfindung ist ebenfalls auf Flüssigmetall-Ionenquellen anwendbar, bei denen das Heizsystem von den zuvor beschriebenen Systemen abweicht.

Wenngleich die Emitter der voranstehenden Ausführungs* beispiele nadeiförmige Emitter waren, können gleiche Wirkungen auch mit einem Emitter des Kapillartyps erreicht werden, bei dem ein flüssiges Metall in einer Kapillar-

röhre gespeichert wird, oder auch bei einem Emitter des Kapillar-Nadel-Typs, bei dem eine nadeiförmige Spitze in eine Kapillarrohre hineingeht, so daß zwischen ihnen Flüssigmetall gespeichert wird.

Claims

STKEHL SCHLJBKL-HOPF "SCHULZ 3440 8 58

WIDENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22

HITACHI, LTD.
DEA-26 890

8. November 19 84

Flüssigmeta11-Ionenquelle

PATENTANSPRÜCHE^

Flüssigmetall-Ionenquelle,
gekennzeichnet durch

ein Reservoir (24), das zu ionisierendes Quellenmaterial (2) in flüssigem Zustand enthält,

einen Emitter (12), dor von seiner Spitze Ionem des von dem Reservoir (24) zugeführten aufgeschmolzenen Quellenmaterials emittiert,

eine Extraktionselektrode (20), von der ein hohes elektrisches Feld auf die Spitze des Emitters (12) ausgeübt wird, so daß Ionen von der Spitze des Emitters abgesaugt werden, eine Tankvorrichtung (32) für das Quellenmaterial, und durch

eine Transportvorrichtung (34a, 34b; 42, 44) zum Transportieren des Quellenmaterials (2) von der Tankvorrichtung (32) zu dom Rt'UüivoJj: (24).

Λ-
2. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportvorrichtung eine schraubenförmige Drehwelle (34a, 42) aufweist.
3. Flüssigmetall-Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsvorrichtung einen Zufuhrkanal (34b, 38, 44) aufweist, der die Tankvorrichtung (32) mit dem Reservoir (24) verbindet, und daß eine Ventilvorrichtung (40) in dem Zufuhrkanal (38) angeordnet ist.
4. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportvorrichtung (34a, 34b) eine Anzahl von Drehwellen (46a, 46b) sowie ein Band (48) aufweist, das äie Drehwellen (46a, 46b) miteinander verbindet.
5. Flüssigmetall-Ionenquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumkammer (36) vorgesehen ist, in der das Reservoir (24), der Emitter (12), die Extraktionselektrode (20), die Tankvorrichtung (32) und die Transportvorrichtung (34a, 34b, 42, 44) im Vakuum gehalten werden.