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离子源原理

Anode layer ion source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?

Physics and engineering of crossed-field discharge devices—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

1.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2(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。


2.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penning cell,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。


Plasma and ion sources in large area coating: a review—A Anders


3.离子源和等离子体源的分类

简而言之,我们可以认为离子源是拥有离子引出机制的等离子体源。在引出期间,离子通过引出电极之间的鞘层。鞘层内的高电位差加速离子。带栅极离子源可以精确控制引出离子的能量和剂量,但并不适用于低能过程(空间电荷限制)。对大面积处理的情况,离子引出是通过多孔栅极或多狭缝栅极完成的。孔径或狭缝宽度必须小于鞘厚度,否则等离子体会填充引出间隙内并造成短路。


在引出后,离子束的空间电荷吸引电子(由中和器或与气体碰撞产生),空间电荷得到补偿。只有在完全得到补偿后,离子束才会保持大致平行的出射方向。如果没有补偿,离子束会膨胀,失去初始的电流密度。准中性的等离子体和完全补偿的离子束的差别在于基体定向离子速度。

要想获得低能大束流的离子束,一种方式是采用4级栅极,后两级栅极用于减速;另一种方式是改变离子的引出方式。在磁化等离子体中,电子横越磁力线的运动被抑制,而沿着磁力线的运动不受影响。因此,磁力线相当于电场的等势线,而磁力线之间的电场会有差异——可以用来加速。(无栅极离子源的本质是减少阳极对电子的吸收能力,使离子流除满足阴极需要外,仍有部分可以引出。

低于50eV时,等离子体源和离子源的差别就无关紧要了,尤其是等离子体源产生快速漂移的等离子体时。


End-Hall源和阳极层离子源

磁控的概念也可以反过来使用,加速正离子离开源,如下图所示。在磁控中,离子加速是通过存在磁场情况下的电场完成的。在正交场作用下,Hall电流形成。无栅极离子源不受空间电荷限制(虽然仍存在空间电荷,可能需要灯丝等中和)。无栅极离子源的两种类型分别为End-Hall源和阳极层离子源。


End-Hall离子源因离子束在磁场的端部离开而得名。


阳极层离子源适用于束流能量大于100eV和大的发散角情况。


Physics of closed drift thrusters—V V Zhurin/H R Kaufman


4.阳极层推进器

为减少对极靴的侵蚀,大部分的离子束被限定在狭窄的宽度内。

由于无能量交换过程,电子温度不受限制,电子流在向阳极移动过程中不断增加温度——这将导致阳极附近等离子体电位的剧增。大部分的离子产生和加速来源于此“阳极层”。

在正交场中离化产生的离子几乎都是单电离态的。这是因为当原子损失一个电子后,加速电场会在其与另一个电子碰撞前,迅速将该离子排出离化区。而少量多电离态离子的存在,是因为高能电子碰撞的结果。

等离子体电子横越磁场的运动受抑制的事实,是正交场推进器的有效运行的基础。极靴间的磁场主要是径向方向。


沿轴向的磁场强度径向分量分布和轴向的电位分布见右图。磁场呈钟形分布,在接近极靴位置最大,往两极方向都在减小。等离子体电位差主要分布在磁场最强的位置附近。

Hall电流沿角向流动,轴向的电子电流来源于电子与其它粒子(电子、离子、原子)和表面的碰撞,以及等离子体电位涨落。由于横越磁场的运动受到抑制,阳极层离子源可以在保持很强电场的前提下仅导通少量的电子电流。因此,

电场主要用于给离子加速,增加其动能


如果Hall电流受到阻碍,将会产生二次电场。——这将导致平行于施加电场方向的电子漂移,增加了电子电导率。为了保证正交场推进器的有效运行,Hall电流在环形轨道内不应受到这种阻碍。磁场和等离子体密度应保证极高的均匀性。

 考虑到电子向阳极运动的困难程度,大部分电子困在漂移区。由于受到阴极供给电子和二次电子的排斥,该区域内的准中性条件是可以满足的。


5.磁场的强度和分布

漂移区内磁场强度需满足以下条件:

这意味着,电子完全磁化,碰撞频率远小于旋转角频率;离子几乎不受磁场影响。

由于磁场几乎不能影响离子运动,离子角向速度远小于漂移速度。漂移区的轴向宽度远小于离子回旋半径

由于推进器的运行有赖于电子角向漂移,长度L不应该小于电子回旋半径,因此,一般是几个的量级。磁场的形状可以控制离子的轨迹,其最重要的部分是阳极和轴向靠近极靴的位置之间。实验显示,该区域内的磁场近径向分布——这有助于在轴向方向上加速离子。

Hall电流密度

由于准中性条件,

2.热电位

在放电等离子体中,热电位定义为

电子电导很小,且几乎垂直于磁力线,因此我们可以忽略沿磁力线的电导。那么,在磁力线方向上,热电位是恒定的。

磁力线和等势线的重合精度在的量级(比如,电子温度为eV,精度为V量级)。两者之间的关系是控制离子轨迹和等离子体流的有利工具。需要注意,闭合漂移路径中的电子温度可以很高,所以等势线和磁力线的不重合度在加大。在阳极附近(z=0),虽然磁力线很弱,但电位变化很大。