Kaufman低能宽束离子源的结构原理

       Kaufman 离子源是最早出现、最基本的离子源,原理结构如图1所示,阴极(Cathode)、阳极(Anode)、栅极(Grids)、放电室圆筒构成气体放电室(Discharge Chamber),栅极构成离子光学系统。放电室筒外设置磁铁,通过磁路使磁力线穿过放电室,磁力线从阳极向栅极方向发散并布满栅极,栅极极靴收集磁力线回到磁铁。

图1 Kaufman 离子源工作原理

       阴极材料由电子发射性能较好的难熔金属W或Ta构成,发射的原初电子密度由灯丝的温度(即阴极电流)控制。热阴极在阳极电场作用下发射电子,由于阳极前有磁力线横过,阴极发射的绝大部分原初电子不能直接打到阳极,只有沿着磁力线可直达阳极的小部分原初电子和大量的低能、回旋半径较大的麦氏电子才能被阳极吸收。原初电子被限制在阴极平面、与阳极直接相交的磁力线和屏栅围成的边界内,这个区域称为原初电子区。阴极发射的原初电子可在此进行有效的电离过程,因此等离子体也基本限制在这个区域内。

      放电室中产生的离子向所有的边界扩散,并且在等离子体与栅极附件形成弓形离子鞘,经栅极离子光学系统加速引出放电室形成离子束。

       Kaufman离子源具有较宽的工作状态,在Ar作为工作气体时,阴极灯丝具有较长寿命和较稳定的工作状态。但是灯丝的消耗会对基片带来污染,而使用氧气和反应气体时,兼容性差,灯丝寿命和稳定性会大大下降,同时产生的C、F 沉积构成的绝缘层会导致离子源不能正常工作。