Bezeichnung der Erfindung : lonenbeschleuniger-Anordnung Die Erfindung betrifft eine lonenbeschleuniger-Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. lonenbeschleuniger-Anordnungen sind beispielsweise im Einsatz zur Oberflä- chenbehandlung, insbesondere in der Halbleitertechnologie, oder als Antrieb für Raumflugkörper. Ionen werden typischerweise aus einem neutralen Arbeits- gas für Antriebszwecke, insbesondere einem Edelgas erzeugt und beschleu- nigt. Zur Erzeugung und Beschleunigung von lonen haben sich insbesondere zwei Bauprinzipien durchgesetzt.

Bei den Gitterbeschleunigern werden aus einem Plasma die positiv geladenen lonen mittels einer Gitteranordnung, bei welcher ein erstes, an die Plasma- kammer angrenzendes Gitter auf ein Anodenpotential und ein in Strahlaustritts- richtung versetztes zweites Gitter auf einem negativeren Kathodenpotential lie- gen. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US 3613370 bekannt.

Durch Raumladungseffekte ist die lonenstromdichte einer solchen Beschleuni- geranordnung auf niedrige Werte begrenzt.

Eine andere Bauform sieht eine Plasmakammer vor, welche zum einen von einem elektrischen Feld zur Beschleunigung positiv geladener lonen in Rich- tung einer Strahlaustrittsöffnung und zum anderen von einem Magnetfeld zur Führung von Elektronen, welche zur lonisation eines neutralen Arbeitsgases dienen, durchsetzt ist. Seit längerer Zeit gebräuchlich sind insbesondere Be- schleunigeranordnungen mit einer ringförmigen Plasmakammer, in welcher das Magnetfeld vorwiegend radial verläuft und Elektronen unter dem Einfluss der- elektrischen und magnetischen Felder sich auf geschlossenen Driftbahnen be-

lektrischen und magnetischen Felder sich auf geschlossenen Driftbahnen be- wegen. Eine derartige Beschleunigeranordnung ist beispielsweise aus der US 5 847 493 bekannt.

Bei einem neuen Typ einer lonenbeschleuniger-Anordnung mit elektrischen und magnetischen Feldern in einer Plasmakammer zeigt das Magnetfeld eine besondere Struktur mit überwiegend zur Längsrichtung parallelem Feldverlauf in Längsabschnitten zweiter Art und überwiegend zur Längsrichtung senkrech- tem, insbesondere radialem Verlauf in Längsabschnitten erster Art, welche ins- besondere einen auch als cusp bezeichneten Verlauf des Magnetfelds zeigen.

Die Anordnung ist vorzugsweise mehrstufig aufgebaut mit alternierend aufein- anderfolgenden Längsabschnitten erster und zweiter Art. Derartige lonenbe- schleuniger-Anordnungen sind beispielsweise bekannt aus DE 100 14 033 A1 oder DE 198 28 704 A1. Bei einer aus der DE 101 30 464 A1 bekannten Plas- mabeschleuniger-Anordnung sind an der Innenwand radial nach innen vorste- hende Elektroden vorgesehen.

In JP 61 066 868 A ist ein RF-lonengenerator mit an den Seitenwänden einer Plasmakammer angeordneter Anregungsspule gezeigt. Eine Permanentma- gnetanordnung erzeugt ein Magnetfeld mit um die Spulenwindungen ge- krümmten Feldlinien, um Plasma von den Spulenwindungen fern zu halten. Die US 6 060 836 A beschreibt einen Plasmagenerator mit einem achsial in eine Plasma-Kammer ragenden Hohlleiter, welchem HF-Leistung eines Magnetrons eingespeist ist und dessen in Innenleiter an einem in die Kammer ragenden Ende eine Permanentmagnetanordnung trägt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad ei- ner lonenbeschleuniger-Anordnung weiter zu verbessern.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung geht aus von der an sich aus der DE 100 14 033 A1 bekannten Magnetfeldstruktur, welche in der lonisations- (oder Plasma-) Kammer in Längs- richtung der Anordnung in einem Abschnitt zweiter Art eine überwiegend zur Längsrichtung parallele Feldrichtung und in einem Abschnitt erster Art eine demgegenüber stärkere, insbesondere überwiegende Feldkomponente senk- recht zur Längsrichtung aufweist. Das Magnetfeld geht kontinuierlich und mo- noton von einem Abschnitt erster Art in einen diesem benachbarten Abschnitt zweiter Art über und umgekehrt, wobei die benachbarten Abschnitte erster und zweiter Art in Längsrichtung beabstandet sein oder unmittelbar aneinander an- schließen können. Die Längsrichtung einer lonenbeschleuniger-Anordnung fällt im wesentlichen mit der mittleren Bewegungsrichtung der beschleunigten lo- nen bzw. einer Symmetrieachse der lonisationskammer zusammen.

Durch die Verringerung des Abstands zwischen einander senkrecht zur Längs- richtung gegenüberstehender Wandflächen der die lonisationskammer begren- zenden Wände in dem Längsabschnitt zweiter Art wird das dem Arbeitsgas in diesem Abschnitt zur Verfügung stehende Volumen gegenüber einer Ausfüh- rung mit gleichbleibendem Wandabstand reduziert und zugleich das Arbeitsgas in der Mitte zwischen den gegenüberstehenden Wandflächen konzentriert.

Es zeigt sich überraschenderweise, dass hierdurch der Gesamtwirkungsgrad der Anordnung, in welchen insbesondere der lonisationswirkungsgrad und der elektrische Wirkungsgrad eingehen, deutlich ansteigt.

Vorzugsweise ist der Abstand gegenüberstehender Wandflächen in dem Ab- schnitt zweiter Art nicht nur zueinander sondern auch bezüglich einer insbe-

sondere zur Längsrichtung parallelen Mittellinie oder Mittelfläche verringert ge- genüber dem Wandabstand in einem benachbarten Längsabschnitt erster Art.

Der minimale Wandabstand in einem Abschnitt zweiter Art ist vorteilhafterweise um wenigstens 15 %, vorzugsweise um wenigstens 20 %, insbesondere um wenigstens 25 % geringer als der maximale Wandabstand in einem benach- barten Abschnitt erster Art. Vorteilhafterweise ist wenigstens eine, vorzugswei- se beide der sich gegenüberstehenden Wandflächen in einem Abschnitt zwei- ter Art zur lonisationskammer hin versetzt, insbesondere in Form einer Wöl- bung mit einer in Längsrichtung kontinuierlich verlaufenden, vorzugsweise mo- noton gekrümmten Wandfläche.

Die einander gegenüberstehenden Wandflächen können isolierend aus dielek- trischem Material bestehen oder metallisch oder teilweise metallisch sein, ins- besondere in der Art, dass in dem Abschnitt bzw. Abschnitten zweiter Art eine metallische Wandfläche vorliegt, welche eine Zwischenelektrode auf festem oder gleitendem Potential bildet und in Längsrichtung durch isolierende Wandabschnitte begrenzt ist, und die Wandflächen in den Abschnitten erster Art elektrisch isolierend sind.

Vorteilhafterweise ist die lonenbeschleuniger-Anordnung im Längsverlauf der Plasma-Kammer mehrstufig aufgebaut in der Art, dass mehrere Abschnitte er- ster Art alternierend mit Abschnitten zweiter Art aufeinanderfolgen, wobei vor- zugsweise die Längskomponenten in durch einen Abschnitt erster Art getrenn- ten Abschnitten zweiter Art abwechselnd entgegengesetzt sind, die Längskom- ponente des Magnetfelds somit bei Durchlaufen eines Abschnitts erster Art umkehrt. Eine derartige mehrstufige Magnetfeldstruktur ist aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Die erfindungswesentliche Verringerung des Wandabstands kann dann in nur einem, mehreren oder allen Abschnitten

zweiter Art gegeben sein. Bei Vorliegen der Verringerung des Wandabstands in mehreren oder allen Abschnitten zweiter Art gegenüber benachbarten Ab- schnitten erster Art kann dabei auch das quantitative Ausmaß der relativen Ver- ringerung von Abschnitt zu Abschnitt variieren. Vorzugsweise liegt eine Verrin- gerung des Wandabstands wenigstens in dem in Längsrichtung der Anode nächsten Abschnitt zweiter Art vor und/oder ist bei quantitativer Variation über mehrere Abschnitte die Verringerung in diesem Abschnitt am stärksten.

Die Anode ist vorzugsweise am in Längsrichtung der lonen-Austrittsöffnung entgegengesetzten Ende der lonisationskammer angeordnet. Die Kathode ist vorteilhafterweise als Primärelektronenquelle ausgebildet, aus welcher Primä- relektronen durch die lonen-Austrittsöffnung in die Plasmakammer geleitet werden und/oder welche Elektronen zur Neutralisierung eines aus der lonisati- onskammer austretenden lonen-oder Plasmastrahls dienen, und vorzugsweise außerhalb der lonisationskammer und gegen die Austrittsöffnung seitlich ver- setzt angeordnet.

Die erfindungsgemäße lonenbeschleuniger-Anordnung kann sowohl zur Abga- be eines positiv geladenen lonenstrahls als auch, insbesondere in der bevor- zugten Anwendung im Antrieb eines Raumfahrzeugs zur Abgabe eines neutra- len Plasmastrahls dienen. In anderer Anwendung können die beschleunigten lonen insbesondere zur Behandlung von Festkörperoberflächen und oberflä- chennahen Schichten eingesetzt sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt : Fig. 1 einen Magnetfeldverlauf in einer lonisationskammer,

Fig. 2 eine mehrstufige Anordnung.

Bei der in Fig. 1 skizzierten Anordnung ist der für die vorliegende Erfindung vorausgesetzte Magnetfeldverlauf in einer lonisationskammer IK schematisch skizziert. Die lonisationskammer sei als ringförmig rotationssymmetrisch um eine Mittel-Längsachse SA, welche in Längsrichtung LR der Anordnung liegt, angenommen. Eine bezüglich der lonisationskammer radial innen liegende Magnetanordnung MGi und eine radial außen liegende Magnetanordnung MGe erzeugen in der lonisationskammer IK ein Magnetfeld, welches wenig- stens einen Längsabschnitt MA1 N erster Art und wenigstens einen diesem in Längsrichtung benachbarten Längsabschnitt MA2N zweier Art aufweist. Vor- zugsweise weist das Magnetfeld in der lonisationskammer in Längsrichtung alternierend aufeinanderfolgend mehrere Längsabschnitte erster und zweiter Art auf wie in dem in Fig. 2 skizzierten Beispiel und wie in Fig. 1 durch einen weiteren Längsabschnitt MA2N+1 angedeutet.

Im Längsabschnitt zweiter Art MA2N zeigt das Magnetfeld eine überwiegend zur Längsachse SA parallele Feldrichtung, wogegen im Längsabschnitt MA1N er- ster Art das Magnetfeld eine demgegenüber größere radiale, d. h. senkrecht zur Längsachse gerichtete Komponente besitzt. Der Längsabschnitt MA1 N er- ster Art ist im Beispiel so gewählt, dass die radiale Feldkomponente deutlich überwiegt. Längsabschnitte erster und zweiter Art können unmittelbar aneinan- der anschließend definiert sein, sind im skizzierten Beispiel zur klaren Abgren- zung mit überwiegender Längskomponente im Abschnitt MA2N und überwie- gender Radialkomponente im Längsabschnitt MA1 N aber durch einen nicht nä- her bezeichneten Übergangsabschnitt beabstandet. Im Längsabschnitt MA2N zweiter Art nimmt der Betrag des magnetischen Flusses von den seitlichen Kammerwänden zur Mitte hin ab, ebenso wie im Längsabschnitt erster Art der

magnetische Fluss an den Kammerwänden größer ist als in der Mitte zwischen gegenüberliegenden Wandflächen. Die soweit beschriebene Magnetfeldstruktur ist an sich, z. B. aus DE 10014033 A1 bekannt, ebenso Magnetanordnungen zur Erzeugung einer solchen Magnetfeldstruktur. Die Feldverteilung des Ma- gnetfeldes in Fig. 1 ist lediglich schematisch und nicht quantitativ zu verstehen.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist nun, dass im Bereich des Längs- abschnitts MA2N zweiter Art der radiale Abstand der einander senkrecht zur Längsachse SA gegenüberstehenden Wandflächen WF2iN, WF2eN geringer ist als der radiale Wandabstand von Wandflächen WF1 iN, WF1 eN im Längsab- schnitt MAIN erster Art. Die lichte radiale Weite der lonisationskammer ist da- mit im Längsabschnitt MA2N zweiter Art gegenüber dem Längsabschnitt MA1 N erster Art reduziert. Vorzugsweise sind im Abschnitt MA2N beide gegenüber- stehenden Wandflächen WF2iN, WF2eN gegenüber den in Längsrichtung be- nachbarten Wandflächen WF1iN, WF1eN radial zur Mitte der lonisationskammer hin verschoben. Gegenüber einer Kammergeometrie mit in Abschnitten erster und zweiter Art gleichem radialem Wandabstand wird dadurch im Abschnitt MA2N eine Konzentration des Arbeitsgases, insbesondere auch der nicht ioni- sierten Atome im radialen inneren Bereich erzwungen, wo aufgrund geringeren magnetischen Flusses eine höhere Elektronendichte und damit höhere lonisa- tionswahrscheinlichkeit vorliegt.

Der Verlauf der Wandflächen in Längsrichtung kann in beiden Abschnitten je- weils parallel zur Längsachse SA sein mit einer Stufe oder Rampe als Über- gang. Bevorzugt ist aber zumindest im Längsabschnitt MA2N zweiter Art ein nicht zur Längsachse SA paralleler Verlauf, welcher dem Feldlinienverlauf des Magnetfelds in diesen Längsabschnitt besser angenähert ist als ein zu SA pa- ralleler Wandverlauf. Insbesondere kann die Wandfläche WF2iN und/oder WF2eN zur radialen Mitte der lonisationskammer hin gewölbt sein mit einem

minimalen Wandabstand D2L, welcher in Längsrichtung zum benachbarten Abschnitt MA1 N erster Art hin zunimmt. Der Verlauf der Wandfläche WF2iN und/oder WF2eN kann insbesondere kontinuierlich monoton gekrümmt oder einer solchen Form, z. B. mit mehreren geraden Teilverläufen angenähert sein.

In entsprechender Weise können die Wandflächen WF1 iN und/oder WF1 eN einen in Längsrichtung geraden oder gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei bei diesen Flächen der vereinfachten Herstellung halber typischerweise ein zur Längsachse paralleler gerader Verlauf im Regelfall günstig ist.

Der radiale Wandabstand im Längsabschnitt MA2N zweiter Art bzw. bei nicht zu SA parallelem Wandverlauf der dortige minimale radiale Wandabstand D2L ist vorzugsweise um wenigstens 15 %, vorzugsweise um wenigstens 20 %, insbe- sondere um wenigstens 25 % geringer als der Wandabstand im benachbarten Längsabschnitt erster Art bzw. bei nicht zu SA parallelem Verlauf der dortige maximale Wandabstand D1 M, d. h. D2L < 0,85 D1 M bzw. 0,80 D1 M bzw. 0,75 D1M.

Die Wandflächen der Kammerwand können aus elektrisch isolierendem Mate- rial oder aus elektrisch leitendem Material oder auch teilweise aus elektrisch leitendem Material, insbesondere nicht magnetisierbarem Metall bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wandflächen WF2iN, WF2eN me- tallisch und die Wandflächen WF1N, WF1eN isolierend. Die metallischen Wandflächen können dann vorteilhafterweise als Teile der Elektrodenanord- nung Zwischenelektroden auf elektrischen Zwischenpotentialen zwischen den Potentialen einer Anode und einer Kathode bilden, wobei die Zwischenpoten- tiale vorgebbar sein können oder bei isolierten, nicht kontaktierten Zwischene- lektroden sich im Betrieb gleitend einstellen. Bei metallischen Wandflächen WF2iN, WF2eN kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass metallische

Elektroden auf eine im wesentlichen zylindrische isolierende Kammerhülle auf oder eingesetzt und fixiert sind und durch ihre der Kammerhülle abgewandten, der lonisationskammer und der gegenüberliegenden Wandfläche zugewandten Flächen die Wandflächen WF2iN bzw. WF2eN bilden.

In Fig. 2 ist eine in Längsrichtung mehrstufige Anordnung skizziert, bei welcher in an sich, z. B. aus DE 100 14 033 A1 bekannter Weise in Längsrichtung meh- rere Längsabschnitte erster und zweiter Art alternierend aufeinanderfolgen, wobei zwei zu einem dazwischenliegenden Abschnitt erster Art (MA1 N in Fig. 1) benachbarte Abschnitte zweiter Art (MA2N, MA2N+1 in Fig. 1) entgegengesetzte Längskomponenten des Magnetfelds zeigen. Während in Fig. 1 eine ringförmi- ge Kammergeometrie um eine zentrale Mittel-Längsachse SA und eine innere und eine äußere Magnetanordnung Mgi, Mge vorgesehen sind, ist in der Skiz- ze nach Fig. 2 eine bevorzugte Kammergeometrie mit einfach zusammenhän- gender Querschnittsfläche der die Mittellängsachse SAZ enthaltenden lonisati- onskammer IKZ, welche insbesondere im wesentlichen drehsymmetrisch um die zur Längsrichtung parallele Mittellängsachse SAZ sein kann, zugrunde ge- legt. Die Magnetanordnung besteht in diesem Fall in wiederum an sich be- kannter Weise lediglich aus einer die Kammerhülle umgebenden äußeren Ma- gnetanordnung MG. Beide einander gegenüberstehenden Wandflächen gehö- ren dann zu derselben um die Mittellängsachse SAZ geschlossenen und die lonisationskammer seitlich umgebenden Kammerwand. Die lonisationskammer zeigt eine Strahlaustrittsöffnung, aus welcher ein im Regelfall leicht divergie- render lonen-oder Plasmastrahl PB mit mittlerer lonenbewegung in Längs- richtung LR austritt. Außerhalb der lonisationskammer bei der Austrittsöffnung AU und seitlich gegen diese versetzt ist als Teil der Elektrodenanordnung eine Kathode KA, welche auf Kathodenpotential liegt und Elektronen emittiert, an- geordnet. Ein Teil IE dieser Elektronen wird durch das elektrische Feld der Elektrodenanordnung in die lonisationskammer geleitet und dient dort in be-

kannter Weise zur lonisation des Arbeitsgases und dabei insbesondere auch der Erzeugung von Sekundärelektronen. Ein anderer Teil NE der von der Ka- thode emittierten Elektronen kann zur Neutralisierung eines positiv geladenen Teilchenstroms PB dienen.

In anderer vorteilhafter Ausführungsform ist keine externe Elektronenquelle zur Erzeugung von Primärelektronen für die Gasionisation und/oder für die Neutra- lisation eines Plasmastrahls mit überschüssiger positiver Ladung vorgesehen.

Die Kathode kann dann insbeosndere durch einen die Austrittsöffnung der loni- sationskammer umgebenden, auf Kathodenpotential liegendem Gehäuseteil gegeben sein.

Eine Anode AO als Teil der Elektrodenanordnung ist an dem der Austrittsöff- nung AU in Längsrichtung LR entgegengesetzten Ende der lonisationskammer angeordnet und liegt auf Anodenpotential. Ein neutrales Arbeitsgas, für An- triebszwecke vorzugsweise ein schweres Edelgas wie Xenon (Xe) ist in die lo- nisationskammer einleitbar, wofür in der Skizze eine anodenseitige zentrale Zuleitung eingetragen ist. Eine typische Verteilung eines aus Elektronen und positiven Gasionen bestehenden Plasmas ist in gekreuzter Schraffur in der lo- nisationskammer eingezeichnet.

Die Magnetanordnung bildet in der lonisationskammer IKZ ein Magnetfeld aus, welches in Längsrichtung alternierend aufeinanderfolgend Längsabschnitte MA11, MA12 erster Art und Längsabschnitte MA21, MA22, MA23 zweiter Art aufweist. Es sei angenommen, dass, wie skizziert, der in diesem Fall dem Durchmesser der lonisationskammer gleiche Abstand gegenüberliegender Wandflächen in allen Längsabschnitten erster Art sowie in gegebenenfalls vor- liegenden Übergangsabschnitten konstant gleich DZ sei.

In dem skizzierten Beispiel, welches der Anschaulichkeit halber mehrere Ge- staltungsvarianten für die Längsabschnitte MA21, MA22, MA23 zweiter Art ver- eint zeigt, ist die lonisationskammer im Längsabschnitt MA21 durch eine die zentrale Längsachse ringförmig umgebende Einwölbung mit einer Wandfläche WF21 auf einen minimalen Durchmesser D21 L eingeengt. Die Wandfläche WF21 sei als elektrisch isolierend angenommen. Im Längsabschnitt MA22 ist der Durchmesser der lonisationskammer bis auf einen Wert D22L reduziert, wobei durch größere Bemessung von D22L gegenüber D21 L einer eventuell auftretenden Aufweitung des Plasmas in der zweiten gegenüber der ersten Stufe Rechnung getragen werden kann und den elektrischen Wirkungsgrad beeinträchtigende Wandverluste gering gehalten werden können. Die Wandflä- che WF22 oder die gesamte Durchmesserverengung in diesem Abstand sei metallisch und bilde eine erste Zwischenelektrode A1 auf einem festen Zwi- schenpotential. Im Abschnitt MA23 schließlich ist eine Elektrode A2 geringer radialer Dicke vorgesehen, welche den Durchmesser D23L in diesem Abschnitt nicht oder nicht nennenswert gegenüber DZ reduziert, und welche unkontaktiert im Betrieb gleitend ein Zwischenpotential einnimmt. Die Elektrodenanordnung kann auch in der Unterteilung in Längsrichtung von der Unterteilung des Ma- gnetfelds in Längsabschnitte erster und zweiter Art abweichen.

Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbil- dungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebe- nen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar. Insbesondere können die Wand- flächen in den Abschnitten zweiter Art auf verschiedene andere Weisen ge- formt und dabei isolierend, elektrisch leitend oder auch in sich nur teilflächen- weise elektrisch leitend sein. Die Abmessungen der einzelnen Längsabschnitte und/oder der Zwischenelektroden können von Stufe zu Stufe variieren. Merk- male bekannter lonenbeschleuniger-Anordnungen können mit den erfindungs- wesentlichen Merkmalen kombiniert werden. Der Querschnitt der lonisations- kammer kann auch von der drehsymmetrischen Form abweichen und eine langgestreckte Form annehmen.