无栅网离子源的工作原理

2008-12-31 王旭迪合肥工业大学机械与汽车工程学院

常用的离子源(如kaufman离子源)都需用栅网组成的离子光学系统来从等离子体中引出并加速离子形成具有一定能量的准直或发散的离子束。因此需要四组以上的电源来实现等离子体的产生,栅网系统的偏压和提供中和电子等。由于离子对栅网的溅射会侵蚀栅网系统并污染工艺过程,同时不利于获得大面积的离子束。而无栅网离子源可以完全克服上述问题。

表2 传统离子源和无栅网离子束源优缺点比较

无栅网离子束源是1997年由AE公司首先实现商品化的新型离子源,目前包括美国的Vecco,德国的IOM公司,英国的Vacutron技术公司生产此类产品。与kaufman等传统离子源相比,无栅网离子源没有灯丝或空心阴极这样的电子发射结构,未采用栅网来对离子加速至所需能量,仅用一套电源获得的阳极偏压来实现离子的产生、加速和等离子体中电子的返回路径。这样使之具有结构简单、价格低廉、便于维护,与反应气体兼容,并易于获得大面积的离子束等优点。

无栅网离子源的工作原理类似于磁控溅射(如图5(a)示),阳极偏压在磁力线束缚电子的区域产生高密度等离子体(high ne ionization region),离子的飞行轨迹不受磁场的影响,在偏压VDC作用下加速向阴极飞行,在开口处形成能量为VDC离子束,而其他的离子则在阴极上产生溅射,这样降低了束流密度,并破坏了阴极。而图5(b)的设计很好的消除了阴极溅射,使等离子体中的大多数离子形成离子束。软铁制成的阴极本身就是磁极,这样离化区域就限制在了磁极间隙W(2～4mm) 范围内,离子产生和加速发生在阴极(由不锈钢构成)附近,由于电场强度比较大,离子产生之后就会在下一次碰撞之前飞出放电区域,这样离子大都是单电荷。在磁极间隙的狭缝中磁场必须足够强,以限制电子横向运动,控制低压下辉光放电随电子漂移的浓度。电子拉莫尔半径要明显小于磁隙宽度W,以保证电子向阳极的缓慢漂移,离子拉莫尔必须大于磁隙宽度保证离子在电场中的加速,以此获得较小束散角的离子束。

为了限制离化区域,放电的沟道长度λ要远远小于沟道宽度W,阴极边缘设计为一定的斜度来降低对阴极溅射。一般情况下,增加气体压力可以增加离化几率,进而增加束流密度。