離子源工作原理

1、提綱：Anode layer ion source的基本結(jié)構(gòu)和演化正交場(chǎng)放電，為什么是陽(yáng)極層？陽(yáng)極層加速原理，濺射的影響，離子束的發(fā)射效率與放電模式（低壓/高壓）的關(guān)系。在DLC中應(yīng)用的難點(diǎn)短路？在一些電介質(zhì)薄膜沉積中呢？Physics and engineering of crossed-field discharge devicesAbolmasov正交場(chǎng)放電器件可分為下圖所示幾個(gè)類型，圖中每種構(gòu)型都滿足漂移形成閉合路徑。三種主要構(gòu)型為：圓柱、環(huán)形和平面構(gòu)型。被約束在漂移路徑內(nèi)的電子行程足夠長(zhǎng)，增加了對(duì)本底氣體的離化幾率。電子的漂移運(yùn)動(dòng)形成Hall電流，除此之外，電子在垂直磁力線方向的運(yùn)動(dòng)

2、形成陽(yáng)極感受的放電電流，考慮到在強(qiáng)場(chǎng)近似下，。如果考慮電子的反常輸運(yùn)，。注意，在沿著磁力線方向上，碰撞會(huì)阻礙電子運(yùn)動(dòng)；而在垂直于磁力線方向上，遷移需要碰撞，其頻率與電子運(yùn)動(dòng)能力成正比。假設(shè)，電子的larmor軌道大部分時(shí)間內(nèi)是完整的。電子的隨即運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)與無磁場(chǎng)時(shí)是一致的。那么，我們可以認(rèn)為B場(chǎng)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(yīng)用。這是因?yàn)闁艠O之間的空間電荷效應(yīng)d即是柵極間距。（更高的引出束流意味著更高的電壓）無柵極離子源無柵極離子源起源于空間推進(jìn)器項(xiàng)目。該種Hall離子推進(jìn)器分為兩類：

3、SPT和TAL，前者和后者的區(qū)別在于延長(zhǎng)的加速通道和絕緣壁的使用。由于TAL不需要電子發(fā)射器（陰極燈絲）輔助運(yùn)行，使其更適宜工業(yè)應(yīng)用。TAL中，如圖2(d)，軸向電場(chǎng)建立在陽(yáng)極和陰極極靴之間，形成環(huán)形加速通道。極靴之間形成徑向磁場(chǎng)。正交場(chǎng)驅(qū)使電子沿角向運(yùn)動(dòng)，阻止了電子向陽(yáng)極的直接流動(dòng)主要的電位降發(fā)生在陽(yáng)極附近的磁化電子云中（陽(yáng)極鞘）。該電位降將離化區(qū)的離子加速遠(yuǎn)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(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的變種ALIS，其離子能量分布范圍很寬（這是因?yàn)椴煌x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

4、、分散束流、較寬能量分布情況的應(yīng)用，同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域可以接受一定數(shù)量的濺射污染。由于沒有燈絲，ALIS也可在反應(yīng)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(chǎng)是軸向發(fā)散的，導(dǎo)致其放電機(jī)制有很大不同。在較低的碰撞頻率下（），電子與發(fā)散磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生了離子的加速場(chǎng)。這種機(jī)制也就限制了其運(yùn)行的上限為，且需要中和器。放電模式的分類盡管存在不同的放電構(gòu)型，正交場(chǎng)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(gè)關(guān)于正交場(chǎng)放電的完備理論。這導(dǎo)致設(shè)計(jì)正交場(chǎng)放電設(shè)備的嘗試是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的。本文認(rèn)為四種基本構(gòu)型：penning放電、ALIS、圓

5、柱磁控和平面磁控，可以用Schuurman分類描述。在低氣壓下（<10-4Torr），電子約束時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于離子渡越時(shí)間。因此放電是純粹的電子等離子體。低壓放電有兩個(gè)區(qū)間：低磁場(chǎng)模式（LMF）和高磁場(chǎng)模式（HMF）。在LMF模式，電子密度很低，放電室中間的電位接近陽(yáng)極電位，如圖5(a)所示。放電電流與放電電壓無關(guān)，與氣壓和磁場(chǎng)的平方成正比，如圖5(b)所示。當(dāng)B持續(xù)增加，軸線上電位降至陰極電位，更高的B值使放電過渡到HMF模式。此時(shí)，徑向電位差等于陽(yáng)極電位。放電電流達(dá)到最大。HMF模式下，電位差主要集中在陽(yáng)極附近的電子鞘中（即陽(yáng)極層），如圖5(a)。除了penning cell，電子鞘還存在

6、于圓柱磁控和ICM中，也是TAL和ALIS的內(nèi)在特性。其中的磁化電子不能迅速越過磁場(chǎng)到達(dá)陽(yáng)極。近中性等離子體占據(jù)軸線區(qū)域，其電位接近陰極電位，電子密度遠(yuǎn)低于鞘層內(nèi)。估算電子鞘寬度為可見，鞘寬度處于電子回旋半徑的量級(jí)。在HMF模式下，電流隨放電電壓線性增加。在較高的氣壓下（>10-4Torr），放電模式明顯受到正空間電荷層的影響（），包括TM、HP和GD模式。在TM模式，正空間電荷層仍然很小，因此陽(yáng)極層中的電位降仍很大。在特定壓強(qiáng)下，形成陰極鞘成為放電自持的必要條件，放電進(jìn)入HP模式（磁控濺射）。由于高電位差的離子鞘存在，濺射作用開始凸顯。由空間限制電荷效應(yīng)，鞘厚可以估算為當(dāng)氣壓足夠高時(shí)，

7、電子平均自由程與設(shè)備尺寸相仿，磁場(chǎng)的作用削弱，放電進(jìn)入GD模式。Plasma and ion sources in large area coating: a reviewA Anders3.離子源和等離子體源的分類簡(jiǎn)而言之，我們可以認(rèn)為離子源是擁有離子引出機(jī)制的等離子體源。在引出期間，離子通過引出電極之間的鞘層。鞘層內(nèi)的高電位差加速離子。帶柵極離子源可以精確控制引出離子的能量和劑量，但并不適用于低能過程（空間電荷限制）。對(duì)大面積處理的情況，離子引出是通過多孔柵極或多狹縫柵極完成的。孔徑或狹縫寬度必須小于鞘厚度，否則等離子體會(huì)填充引出間隙內(nèi)并造成短路。在引出后，離子束的空間電荷吸引電子（由中和

8、器或與氣體碰撞產(chǎn)生），空間電荷得到補(bǔ)償。只有在完全得到補(bǔ)償后，離子束才會(huì)保持大致平行的出射方向。如果沒有補(bǔ)償，離子束會(huì)膨脹，失去初始的電流密度。準(zhǔn)中性的等離子體和完全補(bǔ)償?shù)碾x子束的差別在于基體定向離子速度。無柵極離子源的本質(zhì)是減少陽(yáng)極對(duì)電子的吸收能力，使離子流除滿足陰極需要外，仍有部分可以引出。要想獲得低能大束流的離子束，一種方式是采用4級(jí)柵極，后兩級(jí)柵極用于減速；另一種方式是改變離子的引出方式。在磁化等離子體中，電子橫越磁力線的運(yùn)動(dòng)被抑制，而沿著磁力線的運(yùn)動(dòng)不受影響。因此，磁力線相當(dāng)于電場(chǎng)的等勢(shì)線，而磁力線之間的電場(chǎng)會(huì)有差異可以用來加速。低于50eV時(shí)，等離子體源和離子源的差別就無關(guān)緊要了，

9、尤其是等離子體源產(chǎn)生快速漂移的等離子體時(shí)。End-Hall源和陽(yáng)極層離子源磁控的概念也可以反過來使用，加速正離子離開源，如下圖所示。在磁控中，離子加速是通過存在磁場(chǎng)情況下的電場(chǎng)完成的。在正交場(chǎng)作用下，Hall電流形成。無柵極離子源不受空間電荷限制（雖然仍存在空間電荷，可能需要燈絲等中和）。無柵極離子源的兩種類型分別為End-Hall源和陽(yáng)極層離子源。End-Hall離子源因離子束在磁場(chǎng)的端部離開而得名。陽(yáng)極層離子源適用于束流能量大于100eV和大的發(fā)散角情況。 Physics of closed drift thrustersV V Zhurin/H R Kaufman陽(yáng)極層推進(jìn)器為減少對(duì)極靴

10、的侵蝕，大部分的離子束被限定在狹窄的寬度內(nèi)。由于無能量交換過程，電子溫度不受限制，電子流在向陽(yáng)極移動(dòng)過程中不斷增加溫度這將導(dǎo)致陽(yáng)極附近等離子體電位的劇增。大部分的離子產(chǎn)生和加速來源于此“陽(yáng)極層”。在正交場(chǎng)中離化產(chǎn)生的離子幾乎都是單電離態(tài)的。這是因?yàn)楫?dāng)原子損失一個(gè)電子后，加速電場(chǎng)會(huì)在其與另一個(gè)電子碰撞前，迅速將該離子排出離化區(qū)。而少量多電離態(tài)離子的存在，是因?yàn)楦吣茈娮优鲎驳慕Y(jié)果。等離子體電子橫越磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)受抑制的事實(shí)，是正交場(chǎng)推進(jìn)器的有效運(yùn)行的基礎(chǔ)。極靴間的磁場(chǎng)主要是徑向方向。沿軸向的磁場(chǎng)強(qiáng)度徑向分量分布和軸向的電位分布見右圖。磁場(chǎng)呈鐘形分布，在接近極靴位置最大，往兩極方向都在減小。等離子體電位

11、差主要分布在磁場(chǎng)最強(qiáng)的位置附近。Hall電流沿角向流動(dòng)，軸向的電子電流來源于電子與其它粒子（電子、離子、原子）和表面的碰撞，以及等離子體電位漲落。由于橫越磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)受到抑制，陽(yáng)極層離子源可以在保持很強(qiáng)電場(chǎng)的前提下僅導(dǎo)通少量的電子電流。因此，電場(chǎng)主要用于給離子加速，增加其動(dòng)能。如果Hall電流受到阻礙，將會(huì)產(chǎn)生二次電場(chǎng)。這將導(dǎo)致平行于施加電場(chǎng)方向的電子漂移，增加了電子電導(dǎo)率。為了保證正交場(chǎng)推進(jìn)器的有效運(yùn)行，Hall電流在環(huán)形軌道內(nèi)不應(yīng)受到這種阻礙。磁場(chǎng)和等離子體密度應(yīng)保證極高的均勻性?？紤]到電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)的困難程度，大部分電子困在漂移區(qū)。由于受到陰極供給電子和二次電子的排斥，該區(qū)域內(nèi)的準(zhǔn)中性條件

12、是可以滿足的。？磁場(chǎng)的強(qiáng)度和分布漂移區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度需滿足以下條件：，這意味著，電子完全磁化，碰撞頻率遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)角頻率；離子幾乎不受磁場(chǎng)影響。由于磁場(chǎng)幾乎不能影響離子運(yùn)動(dòng)，離子角向速度遠(yuǎn)小于漂移速度。漂移區(qū)的軸向?qū)挾冗h(yuǎn)小于離子回旋半徑由于推進(jìn)器的運(yùn)行有賴于電子角向漂移，長(zhǎng)度L不應(yīng)該小于電子回旋半徑，因此，一般是幾個(gè)的量級(jí)。磁場(chǎng)的形狀可以控制離子的軌跡，其最重要的部分是陽(yáng)極和軸向靠近極靴的位置之間。實(shí)驗(yàn)顯示，該區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)近徑向分布這有助于在軸向方向上加速離子。Hall電流密度由于準(zhǔn)中性條件，2.熱電位在放電等離子體中，熱電位定義為電子電導(dǎo)很小，且?guī)缀醮怪庇诖帕€，因此我們可以忽略沿磁力線的電導(dǎo)。那

13、么，在磁力線方向上，熱電位是恒定的。磁力線和等勢(shì)線的重合精度在的量級(jí)（比如，電子溫度為eV，精度為V量級(jí)）。兩者之間的關(guān)系是控制離子軌跡和等離子體流的有利工具。需要注意，閉合漂移路徑中的電子溫度可以很高，所以等勢(shì)線和磁力線的不重合度在加大。在陽(yáng)極附近（z=0），雖然磁力線很弱，但電位變化很大。Handbook of plasma processing technology-chapter 7無柵極離子源有兩種基本結(jié)構(gòu)，End-Hall類型，離子束在磁場(chǎng)端部的加速區(qū)得到加速離開陽(yáng)極層類型，離子加速通道時(shí)環(huán)形，而非End-Hall的圓形。陽(yáng)極層離子源的磁場(chǎng)基本是徑向的，電子在穿越徑向磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生Ha

14、ll電流。加速場(chǎng)來源于橫越磁場(chǎng)的電導(dǎo)率下降。平行和垂直于磁力線的電導(dǎo)率比值粗略地估計(jì)，該比值約為256，實(shí)際上可能會(huì)更大，因此，可以認(rèn)為分析發(fā)現(xiàn)，如果電子從離子逃逸區(qū)向離子形成區(qū)中電子得到加速，在陽(yáng)極附近出現(xiàn)不連續(xù)的電位躍變。End-Hall源的運(yùn)行原理與陽(yáng)極層離子源類似。陰極發(fā)射的電子沿磁力線進(jìn)入放電區(qū)域并環(huán)繞陽(yáng)極漂移，離化工作氣體原子或分子。由于氣體密度沿下游方向迅速下降（陽(yáng)極指向陰極方向），大量的離化事件發(fā)生在陽(yáng)極附近區(qū)域。依照上述分析，上圖中的磁力線應(yīng)該可以近似代表等離子體中等勢(shì)線分布。但對(duì)等離子體電位的徑向測(cè)量發(fā)現(xiàn)，從對(duì)稱軸想陽(yáng)極位置，電位的增加只有施加電壓的幾分之一。主要的電位差存

15、在于軸向上!當(dāng)非均勻磁場(chǎng)的梯度方向和磁場(chǎng)方向相同時(shí)，電子在該場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到平行于磁場(chǎng)的力。假設(shè)等離子體密度是均勻的，電位差可表示為當(dāng)某個(gè)位置上，其等離子體電位也會(huì)提高。US6086962Mahoney 使用柵極加速離子源通入乙炔氣體直接沉積DLC，可制作高鍵含量的膜層，具有超過10GPa的硬度和約10A/s的沉積速率。沉積成功的必要條件為：l 乙炔氣體離化程度要高l 離子種類中C/H比例高l 平均離子束能量為100eV（每個(gè)沉積C原子）不過，柵極加速離子源受限于空間電荷限制，束流密度和沉積速率都很低；另外，柵極也會(huì)被鍍上，需要經(jīng)常維護(hù)。無柵極Hall電流離子源制作DLC應(yīng)滿足：l 在相對(duì)較高的

16、功率和電流下運(yùn)行，對(duì)陽(yáng)極放電區(qū)域形成的非導(dǎo)電膜層不敏感l(wèi) 引出束流穩(wěn)定、連續(xù)、對(duì)稱l 無打火等有害的暫態(tài)時(shí)間l 容易起輝和周期性的啟停l 很容易擴(kuò)展尺寸至大面積基材現(xiàn)有的Hall電流離子源不能實(shí)現(xiàn)高速（大于10A/s）沉積大于10GPa硬度的DLC不能再高功率下運(yùn)行對(duì)陽(yáng)極區(qū)域形成的絕緣層敏感離子束性質(zhì)不穩(wěn)、不連續(xù)、不對(duì)稱打火、短路等事件很難激發(fā)，不利于應(yīng)用于周期性的啟停過程難以擴(kuò)展尺寸，實(shí)現(xiàn)大面積鍍膜Hydrogenated DLC deposition by using an anode layer type linear ion sourceJ K Kim本文使用DC和非對(duì)稱雙極脈沖電源帶動(dòng)離子源，用以離解C2H2。DC模式下，陽(yáng)極層是始終存在的；在脈沖模式下，由于陽(yáng)極層重新建立所需時(shí)間（3040），陽(yáng)極層的存在會(huì)被打斷。在DLC沉積過程中，離子能量是控制sp2和sp3鍵比例的主要參數(shù)。因此，陽(yáng)極層的行為對(duì)控制膜層性質(zhì)非常關(guān)鍵。在陽(yáng)極層離子源中，陽(yáng)極層的形成與放電電壓變化相關(guān)。本文采用的DC和脈沖放電的電壓均設(shè)定為1000V。DC放電情況。電壓1kV，電流0.08A。從電流波形可見微弧的存在這是因?yàn)椴粚?dǎo)