微纳加工

高频离子源
特点：RF离子源最大优点是结构简单、无灯丝，因 而寿命长和等离子体中杂质元素少。它适用包括氧 的所有气体，在加速器和半导体工业中广泛应用。 它利用栅网引出结构可制成大面积（如10cm）大 束流（如300mA）适用于离子推进器和中性束注入 器。此外，已经发展新型RF会切场离子源，可引出 H- 离子束（~40mA）和金属Cu+离子。
潘宁离子源
潘宁离子源，又称 PIG离子源，它的基本组 成是处在轴向磁场中的一 个管形空心阳极及一对阴 极。两阴极同轴放置在阳 极两端，其中一个为主要 电子源称为阴极，另一个 与它构成轴向静电电子阱 称为反阴极。阴极发射的 电子受磁场约束并在静电 阱中振荡，发生碰撞电离 形成高密度等离子体。
潘宁离子源
微纳加工中的离子源
目录
1 2 3 等离子体 离子束加工 离子源
等离子体
概念：等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥 夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子 化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体 ，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。
特点：等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设 计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物 理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、 地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。
霍尔离子源
霍尔离子源工作原理图
阴极发射电子，既 充当阴极，轰击原子， 离化原子形成放电等离 子体；又充当中和电子 ，强迫中和经电场及磁 场加速的离子束。该离 子源有两种加速离子的 机理。一方面,离子在 电场作用下向轴中心加 速,另一方面，在电场 与磁场相互垂直的阳极 端部，放电等离子体会 形成霍尔电流，霍尔电 流是周向环流，霍尔电 流与径向磁场作用，会 形成磁场的霍尔加速。
表面电离离子源
表面电离离子源是 一种利用表面电离现象 ，从高温金属表面蒸发 、电离所吸收的原子或 分子使其成为离子的装 置。它分为产生正离子 和负离子两种离子源。 正离子离子源适合电离 具有低电离电位（ 5eV）的元素，负离 子离子源适合电离具有 高电子亲和势 (1.8eV) 的元素。
表面电离离子源
特点：它可以从阳极侧边开孔或反阴极中心开孔在 吸极电场作用下引出离子，分别称为径向或轴向引 出离子源。阴极引出离子密度高，阳极引出高电荷 态离子比例高。PIG源多才多艺，广泛用于各类重离 子加速器和离子束设备。它的主要缺点是束流品质 欠佳和高功率下寿命短。
高频离子源
高频离子源（RF） ，是利用低压气体中高 频放电现象的等离子体 离子源。它的基本结构 包含放电管（石英或派 勒克司玻璃管）、高频 功率耦合回路、进气管 和离子引出系统。许多 源都有10-3－10-2 T的磁 场（纵向场、横向场或 多极会切场）以提高等 离子体密度并改善其分 布。
离子源
离子源是离子束设备中的关键部件之一，它是产生离 子束的装置，它的技术指标往往决定了整个离子束设备的 性能和工艺水平。因此，在离子束设备的设计制造中，研 制高性能的离子源是十分重要的，具有高性能的离子源才 能保证具有高性能的离子束设备，进而获得各种高质量的 加工工艺。 离子源结构：放电室、放电物质与功率的导入元件 、维持放电稳定和离子寿命的约束电场或磁场结构、离 子引出、抽气系统等五大部分。
离子束加工
原理：在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速 聚焦，使之撞击到工件表面，靠微观的机械撞击能量加 工器件。主要包括撞击效应、溅射效应和注入效应。 离子束加工具有精度高，污染小，加工质量高，成本高 ，效率低等优点，但也存在成本高以及效率低等缺点。 离子束加工系统主要由 离子源、真空系统、控制系统 和电源等部分组成。 离子束的主要参数：束流强度、有用离子百分比、能 散度、束流的聚焦性能、离子源的效率和工作寿命等 。
液态金属离子源的典型结构ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ意图
液态金属离子源
特点：液态金属离子源的结构简单，在常温、10的-5 次方Pa气压下就可以工作，能提供Ga、Si、Be、Pd、 As、Sb、In等多种离子，因而得到广泛应用。它还具 有如下特性：1）存在临界发射的阈值电压；2）空间 发射角较大，一般在30°左右；3）角电流密度分布较 均匀；4）离子能量分散较大；5）低束流时，单电荷 离子几乎占100%，但随着束流增加，多电荷离子、离 子团以及带电液滴的比重增加。
特点：表面电离离子源的优点是引出离子的发射面 稳定和元素选择性好，且适合通常比较困难处理的 碱金属和卤素元素。其缺点是适用离子种类有限和 热耗散太大。
液态金属离子源
典型的液态金属 离子源主要是由发射 极、液态金属贮存池 以及离子引出电极组 成，其中发射极表面 形成有连续的金属膜 。在充满液态金属的 毛细管端口加上一定 电场后，管口出的金 属在电场作用下会发 生形变，形成一个锥 形，并从锥形的顶端 发射出金属离子束。
离子源
离子源分类： 有极放电:主要包括考夫曼、潘宁、佛里曼、双压缩、双 潘宁、射频容性耦合离子源；
无极放电:主要包括微波ECR、射频感性耦合离子源
其它离子源：等离子体离子源。
考夫曼离子源
图6-9为考夫曼型离子源示意 图，考夫曼离子源是应用较早的 离子源。考夫曼型离子源的 结构 主要由真空放电室、引出系统和 中和器组成。放电室中有直热式 阴极、同轴的阳极筒、屏栅极筒 组成。首先由阴极在离子源内腔 产生等离子体，让后由两层或三 层阳极栅格将离子从等离子腔体 中抽取出来。在使用多级会切场 的离子源中，由于在放大室内的 很大范围内，磁场强度很弱，对 离子的作用可忽略不计，所以等 离子体中的离子密度均匀性很好 ，离子束直径可达30cm以上。
微波窗不 真空密封 ，经济安 全
线圈地电位，位置可调，可 优化场形 三电极引 出系统， 简单
不同材料内 衬，增加质 子比
标准型离子源结构示意图
真空隔离 高压，方 便调整。
微波ECR等离子源装置由微波源与传输波导、放电室 、工作室、真空系统与配气系统组成。电子在微波电场中 将被不断同步、无碰撞加速因而获得的能量将大于气体粒 子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能，那么将产 生碰撞电离、分子离解和离子激活，从而实现等离子体放 电和获得活性反应离子，行成高密度的ECR低温等离子体
霍尔离子源
特点：霍尔离子源是一种热阴极离子源，产生的离 子在运动方向，能量范围和离子流密度等方面都有 很好的可控性。主要优点是能够产生低能大束流， 能流密度较大，发射角也较大，适合较大面积的生 产使用，成本低，适合于大规模生产使用。此外还 具有结构简单、操作方便和机械性能可靠等优点。
微波ECR离子源
考夫曼离子源工作原理图 1长丝 2进气口3屏幕4屏蔽电网 5壳体6后座阳极7永久磁铁8主 阳极9加速网10中性长丝
考夫曼离子源
优点：高能低束流，能流密度较低，出射角度较 小，适合于镀制较小面积的光学器件。
缺点：成本较高，该离子源阴极（往往是钨丝） 在反应气体中很快就烧掉了，寿命短，而且离子流 量有限，对需要大离子流量的用户可能不适合。
微波ECR离子源
特点：微波电子回旋共振（ECR）离子源是一种无 阴极源，具有工作寿命长、电离度高、束流强度大 、耐腐蚀、能在低真空下工作、性能稳定等特点， 是一种高密度低气压等离子体源，能够在较低的气 压下产生大面积均匀的高密度等离子体。
电子束离子源
电子束离子源（EBIS ）装置，其工作原理是基 于静电约束，用高密度载 能电子束产生高电荷态离 子。它由电子枪产生一束 细长的具有确定能量的高 密度强流电子束，被一强 的螺旋管磁场聚焦，沿束 形成负空间电荷静电离子 阱，以捕获正离子并使离 子逐级电离，直至达到受 电子能量限制的最高电荷 态，然后改变轴上电位分 布而引出离子。