离子源工作原理

提纲:

Anｏｄｅｌayｅｒiｏn souｒce得基本结构与演化

正交场放电,为什么就是阳极层？

阳极层加速原理,溅射得影响,离子束得发射效率与放电模式(低压/高压)得关系、

在DLC中应用得难点

短路？在一些电介质薄膜沉积中呢?

Phｙｓｉcｓanｄengineeｒing ｏf crｏssed－fｉelｄｄiｓchargｅｄeｖiceｓ-Abolmas ｏv

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、环形与平面构型。被约束在漂移路径内得电子行程足够长,增加了对本底气体得离化几率。

电子得漂移运动形成Hall电流,

除此之外,电子在垂直磁力线方向得运动形成阳极感受得放电电流,

考虑到

在强场近似下,。如果考虑电子得反常输运,。

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,电子得larmoｒ轨道大部分时间内就是完整得、电子得随

即运动步长与无磁场时就是一致得。那么,我们可以认为B场为等效气压。

宽束离子源得引出往往就是通过包含加速-减速功能得多孔栅极引出得。栅极引出得离子束可以精确地控制离子能量与剂量,但并不适用于低能离子束应用。这就是因为栅极之间得空间电荷效应

ｄ即就是栅极间距。(更高得引出束流意味着更高得电压)

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与TAL,前者与后者得区别在于延长得加速通道与绝缘壁得使用。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与阴极极靴之间,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,阻止了电子向阳极得直接流动—-主要得电位降发生在阳极附近得磁化电子云中(阳极鞘)、该电位降将离化区得离子加速远离放电通道。由于无离子鞘,TAL得离子流不受空间电荷限制。

TAL应用在工业生产中得变种ALIＳ,其离子能量分布范围很宽(这就是因为不同离化位置得电位不同),离子束得平均能量(veeco得说法就是６0％)。该离子源适用于需要能量大于100eV、分散束流、较宽能量分布情况得应用,同时,应用领域可以接受一定数量得溅射污染、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源得磁场就是轴向发散得,导致其放电机制有很大不同。在较低得碰撞频率下(),电子与发散磁场作用,产生了离子得加速场。这种机制也就限制了其运行得上限为,且需要中与器。

放电模式得分类

尽管存在不同得放电构型,正交场放电得共性还就是明显得,如上述提到得Halｌ电流。不过,目前尚未有一个关于正交场放电得完备理论。这导致设计正交场放电设备得尝试就是建立在实验基础上得。本文认为四种基本构型:pｅnning放电、ALIS、圆柱磁控与平面磁控,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。因此放电就是纯粹得电子等离子体。低压放电有两个区间:低磁场模式(LＭＦ)与高磁场模式(ＨMF)、在LMＦ模式,电子密度很低,放电室中间得电位接近阳极电位,如图5(a)所示。放电电流与放电电压无关,与气压与磁场得平方成正比,如图5(b)所示、当B持续增加,轴线上电位降至阴极电位,更高得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

得电子鞘中(即阳极层),如图5(a)。除了pｅ

ｎｎｉng ceｌl,电子鞘还存在于圆柱磁

控与ICM中,也就是ＴＡＬ与ALIS得内在特

性。其中得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得量级。在

HMF模式下,电流随放电电压线性增加。

在较高得气压下(>１0-4Torr),放电模式明

显受到正空间电荷层得影响(),包括TM、HP

与GD模式。在TM模式,正空间电荷层仍

然很小,因此阳极层中得电位降仍很大、在

特定压强下,形成阴极鞘成为放电自持得

必要条件,放电进入HP模式(磁控溅射)。由

于高电位差得离子鞘存在,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,磁场得作用削弱,放电进入ＧD模式。

Plａsｍa and ion sｏurces in lａrge area ｃoａting: a reviｅw-A Anderｓ

3。离子源与等离子体源得分类

简而言之,我们可以认为离子源就是拥有离子引出机制得等离子体源、在引出期间,离子通过引出电极之间得鞘层、鞘层内得高电位差加速离子。带栅极离子源可以精确控制引出离子得能量与剂量,但并不适用于低能过程(空间电荷限制)。对大面积处理得情况,离子引出就是通过多孔栅极或多狭缝栅极完成得。孔径或狭缝宽度必须小于鞘厚度,否则等离子体会填充引出间隙内并造成短路。

在引出后,离子束得空间电荷吸引电子(由中与器或与气体碰撞产生),空间电荷得到补偿。只有在完全得到补偿后,离子束才会保持大致平行得出射方向。如果没有补偿,离子束会膨胀,失去初始得电流密度。准中性得等离子体与完全补偿得离子束得差别在于基体定向离子速度。

要想获得低能大束流得离子束,一种方式就是采用４级栅极,后两级栅极用于减速;另一种方式就是改变离子得引出方式。在磁化等离子体中,电子横越磁力线得运动被抑制,而沿着磁力线得运动不受影响、因此,磁力线相当于电场得等势线,而磁力线之间得电场会有差异——可以用来加速。 低于5０eV 时,等离子体源与离子源得差别就无关紧要了,尤其就是等离子体源

产生快速漂移得等离子体时。

End-Ｈall 源与阳极层离子源

磁控得概念也可以反过来使用,加速正离子离开源,如下图所示。在磁控中,离子加速就是通过存在磁场情况下得电场完成得。在正交场作用下,Hall 电流形成。无栅极离子源不受空间电荷限制(虽然仍存在空间电荷,可能需要灯丝等中与)。无栅极离子源得两种类型分别为Ｅn ｄ—H ａｌｌ源与阳极层离子源、