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離子源原理

Anode layer ion source的基本結構和演化

正交場放電,為什么是陽極層?

陽極層加速原理,濺射的影響,離子束的發射效率與放電模式(低壓/高壓)的關系。

在DLC中應用的難點

短路?在一些電介質薄膜沉積中呢?

Physics and engineering of crossed-field discharge devices—Abolmasov

正交場放電器件可分為下圖所示幾個類型,圖中每種構型都滿足漂移形成閉合路徑。三種主要構型為:圓柱、環形和平面構型。被約束在漂移路徑內的電子行程足夠長,增加了對本底氣體的離化幾率。


電子的漂移運動形成Hall電流,

除此之外,電子在垂直磁力線方向的運動形成陽極感受的放電電流,

考慮到

在強場近似下,。如果考慮電子的反常輸運,。

注意,在沿著磁力線方向上,碰撞會阻礙電子運動;而在垂直于磁力線方向上,遷移需要碰撞,其頻率與電子運動能力成正比。假設,電子的larmor軌道大部分時間內是完整的。電子的隨即運動步長與無磁場時是一致的。那么,我們可以認為B場為等效氣壓。


寬束離子源的引出往往是通過包含加速-減速功能的多孔柵極引出的。柵極引出的離子束可以精確地控制離子能量和劑量,但并不適用于低能離子束應用。這是因為柵極之間的空間電荷效應。

d即是柵極間距。(更高的引出束流意味著更高的電壓

1.無柵極離子源

無柵極離子源起源于空間推進器項目。該種Hall離子推進器分為兩類:SPT和TAL,前者和后者的區別在于延長的加速通道和絕緣壁的使用。由于TAL不需要電子發射器(陰極燈絲)輔助運行,使其更適宜工業應用。

TAL中,如圖2(d),軸向電場建立在陽極和陰極極靴之間,形成環形加速通道。極靴之間形成徑向磁場。正交場驅使電子沿角向運動,阻止了電子向陽極的直接流動——主要的電位降發生在陽極附近的磁化電子云中(陽極鞘)。該電位降將離化區的離子加速遠離放電通道。由于無離子鞘,TAL的離子流不受空間電荷限制

TAL應用在工業生產中的變種ALIS,其離子能量分布范圍很寬(這是因為不同離化位置的電位不同),離子束的平均能量(veeco的說法是60%)。該離子源適用于需要能量大于100eV、分散束流、較寬能量分布情況的應用,同時,應用領域可以接受一定數量的濺射污染。由于沒有燈絲,ALIS也可在反應氣體下放電。

End-Hall源也屬于無柵極離子源范疇,但不同于TAL。End-Hall源的磁場是軸向發散的,導致其放電機制有很大不同。在較低的碰撞頻率下(),電子與發散磁場作用,產生了離子的加速場。這種機制也就限制了其運行的上限為,且需要中和器。


2.放電模式的分類

盡管存在不同的放電構型,正交場放電的共性還是明顯的,如上述提到的Hall電流。不過,目前尚未有一個關于正交場放電的完備理論。這導致設計正交場放電設備的嘗試是建立在實驗基礎上的。本文認為四種基本構型:penning放電、ALIS、圓柱磁控和平面磁控,可以用Schuurman分類描