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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。