离子源工作原理.pdf

离离⼦⼦源源⼯⼯作作原原理理

提纲：

Anodelayerionsource的基本结构和演化

正交场放电，为什么是阳极层

阳极层加速原理，溅射的影响，离⼦束的发射效率与放电模式（低压/⾼压）的关系。

在DLC中应⽤的难点

短路在⼀些电介质薄膜沉积中呢

Physicsandengineeringofcrossed-fielddischargedevices—Abolmasov

正交场放电器件可分为下图所⽰⼏个类型，图中每种构型都满⾜漂移形成闭合路径。三种主要构型为：圆柱、环形和平⾯构

型。被约束在漂移路径内的电⼦⾏程⾜够长，增加了对本底⽓体的离化⼏率。

电⼦的漂移运动形成Hall电流，

除此之外，电⼦在垂直磁⼒线⽅向的运动形成阳极感受的放电电流，

考虑到

在强场近似下，。如果考虑电⼦的反常输运，。

注意，在沿着磁⼒线⽅向上，碰撞会阻碍电⼦运动；⽽在垂直于磁⼒线⽅向上，迁移需要碰撞，其频率与电⼦运动能⼒成正

⽐。假设，电⼦的larmor轨道⼤部分时间内是完整的。电⼦的随即运动步长与⽆磁场时是⼀致的。那么，我们可以认为B场为

等效⽓压。

宽束离⼦源的引出往往是通过包含加速-减速功能的多孔栅极引出的。栅极引出的离⼦束可以精确地控制离⼦能量和剂量，但

并不适⽤于低能离⼦束应⽤。这是因为栅极之间的空间电荷效应

d即是栅极间距。（更⾼的引出束流意味着更⾼的电压）

⽆栅极离⼦源

⽆栅极离⼦源起源于空间推进器项⽬。该种Hall离⼦推进器分为两类：SPT和TAL，前者和后者的区别在于延长的加速通道和

绝缘壁的使⽤。由于TAL不需要电⼦发射器（阴极灯丝）辅助运⾏，使其更适宜⼯业应⽤。

TAL中，如图(d)，轴向电场建⽴在阳极和阴极极靴之间，形成环形加速通道。极靴之间形成径向磁场。正交场驱使电⼦沿⾓

向运动，阻⽌了电⼦向阳极的直接流动——主要的电位降发⽣在阳极附近的磁化电⼦云中（阳极鞘）。该电位降将离化区的离

⼦加速远离放电通道。由于⽆离⼦鞘，TAL的离⼦流不受空间电荷限制。

TAL应⽤在⼯业⽣产中的变种ALIS，其离⼦能量分布范围很宽（这是因为不同离化位置的电位不同），离⼦束的平均能量

（veeco的说法是60%）。该离⼦源适⽤于需要能量⼤于100eV、分散束流、较宽能量分布情况的应⽤，同时，应⽤领域可以

接受⼀定数量的溅射污染。由于没有灯丝，ALIS也可在反应⽓体下放电。

End-Hall源也属于⽆栅极离⼦源范畴，但不同于TAL。End-Hall源的磁场是轴向发散的，导致其放电机制有很⼤不同。在较低

的碰撞频率下（），电⼦与发散磁场作⽤，产⽣了离⼦的加速场。这种机制也就限制了其运⾏的上限为，且需要中和器。

放电模式的分类

尽管存在不同的放电构型，正交场放电的共性还是明显的，如上述提到的Hall电流。不过，⽬前尚未有⼀个关于正交场放电的

完备理论。这导致设计正交场放电设备的尝试是建⽴在实验基础上的。本⽂认为四种基本构型：penning放电、ALIS、圆柱磁

控和平⾯磁控，可以⽤Schuurman分类描述。

在低⽓压下（10-4Torr），电⼦约束时间远长于离⼦渡越时间。因此放电是纯粹的电⼦等离⼦体。低压放电有两个区间：低

磁场模式（LMF）和⾼磁场模式（HMF）。在LMF模式，电⼦密度很低，放电室中间的电位接近阳极电位，如图5(a)所⽰。放

电电流与放电电压⽆关，与⽓压和磁场的平⽅成正⽐，如图5(b)所⽰。当B持续增加，轴线上电位降⾄阴极电位，更⾼的B值

使放电过渡到HMF模式。此时，径向电位差等于阳极电位。放电电流达到最⼤。

HMF模式下，电位差主要集中在阳极附近的电⼦鞘中（即阳极层），如图5(a)。除了penningcell，电⼦鞘还存在于圆柱磁控

和ICM中，也是TAL和ALIS的内在特性。其中的磁化电⼦不能迅速越过磁场到达阳极。近中性等离⼦体占据轴线区域，其电位

接近阴极电位，电⼦密度远低于鞘层内。估算电⼦鞘宽度为

可见，鞘宽度处于电⼦回旋半径的量级。在HMF模式下，电流随放电电压线性增加。

在较⾼的⽓压下（10-4Torr），放电模式明显受到正空间电荷层的影响（），包括TM、HP和GD模式。在TM模式，正空间

电荷层仍然很⼩，因此阳极层中的电位降仍很⼤。在特定压强下，形成阴极鞘成为放电⾃持的必要条件，放电进⼊HP模式

（磁控溅射）。由于⾼电位差的离⼦鞘存在，溅射作⽤开始凸显。由空间限制电荷效应，鞘厚可以估算为

当⽓压⾜够⾼时，电⼦平均⾃由程与设备尺⼨相仿，磁场的作⽤削弱，放电进⼊GD模式。Plasmaandionsourcesinlarge

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