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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分類描述。

在低氣壓下(<10-4Torr),電子約束時間遠長于離子渡越時間。因此放電是純粹的電子等離子體。低壓放電有兩個區間:低磁場模式(LMF)和高磁場模式(HMF)。在LMF模式,電子密度很低,放電室中間的電位接近陽極電位,如圖5(a)所示。放電電流與放電電壓無關,與氣壓和磁場的平方成正比,如圖5(b)所示。當B持續增加,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,徑向電位差等于陽極電位。放電電流達到最大。

HMF模式下,電位差主要集中在陽極附近的電子鞘中(即陽極層),如圖5(a)。除了penning cell,電子鞘還存在于圓柱磁控和ICM中,也是TAL和ALIS的內在特性。其中的磁化電子不能迅速越過磁場到達陽極。近中性等離子體占據軸線區域,其電位接近陰極電位,電子密度遠低于鞘層內。估算電子鞘寬度為

可見,鞘寬度處于電子回旋半徑的量級。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,因此陽極層中的電位降仍很大。在特定壓強下,形成陰極鞘成為放電自持的必要條件,放電進入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,鞘厚可以估算為

當氣壓足夠高時,電子平均自由程與設備尺寸相仿,磁場的作用削弱,放電進入GD模式。


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


3.離子源和等離子體源的分類

簡而言之,我們可以認為離子源是擁有離子引出機制的等離子體源。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,否則等離子體會填充引出間隙內并造成短路。


在引出后,離子束的空間電荷吸引電子(由中和器或與氣體碰撞產生),空間電荷得到補償。只有在完全得到補償后,離子束才會保持大致平行的出射方向。如果沒有補償,離子束會膨脹,失去初始的電流密度。準中性的等離子體和完全補償的離子束的差別在于基體定向離子速度。

要想獲得低能大束流的離子束,一種方式是采用4級柵極,后兩級柵極用于減速;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動被抑制,而沿著磁力線的運動不受影響。因此,磁力線相當于電場的等勢線,而磁力線之間的電場會有差異——可以用來加速。(無柵極離子源的本質是減少陽極對電子的吸收能力,使離子流除滿足陰極需要外,仍有部分可以引出。

低于50eV時,等離子體源和離子源的差別就無關緊要了,尤其是等離子體源產生快速漂移的等離子體時。


End-Hall源和陽極層離子源

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情況下的電場完成的。在正交場作用下,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源和陽極層離子源。


End-Hall離子源因離子束在磁場的端部離開而得名。


陽極層離子源適用于束流能量大于100eV和大的發散角情況。


Physics of closed drift thrusters—V V Zhurin/H R Kaufman


4.陽極層推進器

為減少對極靴的侵蝕,大部分的離子束被限定在狹窄的寬度內。

由于無能量交換過程,電子溫度不受限制,電子流在向陽極移動過程中不斷增加溫度——這將導致陽極附近等離子體電位的劇增。大部分的離子產生和加速來源于此“陽極層”。

在正交場中離化產生的離子幾乎都是單電離態的。這是因為當原子損失一個電子后,加速電場會在其與另一個電子碰撞前,迅速將該離子排出離化區。而少量多電離態離子的存在,是因為高能電子碰撞的結果。

等離子體電子橫越磁場的運動受抑制的事實,是正交場推進器的有效運行的基礎。極靴間的磁場主要是徑向方向。


沿軸向的磁場強度徑向分量分布和軸向的電位分布見右圖。磁場呈鐘形分布,在接近極靴位置最大,往兩極方向都在減小。等離子體電位差主要分布在磁場最強的位置附近。

Hall電流沿角向流動,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。由于橫越磁場的運動受到抑制,陽極層離子源可以在保持很強電場的前提下僅導通少量的電子電流。因此,

電場主要用于給離子加速,增加其動能


如果Hall電流受到阻礙,將會產生二次電場。——這將導致平行于施加電場方向的電子漂移,增加了電子電導率。為了保證正交場推進器的有效運行,Hall電流在環形軌道內不應受到這種阻礙。磁場和等離子體密度應保證極高的均勻性。

 考慮到電子向陽極運動的困難程度,大部分電子困在漂移區。由于受到陰極供給電子和二次電子的排斥,該區域內的準中性條件是可以滿足的。


5.磁場的強度和分布

漂移區內磁場強度需滿足以下條件:

這意味著,電子完全磁化,碰撞頻率遠小于旋轉角頻率;離子幾乎不受磁場影響。

由于磁場幾乎不能影響離子運動,離子角向速度遠小于漂移速度。漂移區的軸向寬度遠小于離子回旋半徑

由于推進器的運行有賴于電子角向漂移,長度L不應該小于電子回旋半徑,因此,一般是幾個的量級。磁場的形狀可以控制離子的軌跡,其最重要的部分是陽極和軸向靠近極靴的位置之間。實驗顯示,該區域內的磁場近徑向分布——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

電子電導很小,且幾乎垂直于磁力線,因此我們可以忽略沿磁力線的電導。那么,在磁力線方向上,熱電位是恒定的。

磁力線和等勢線的重合精度在的量級(比如,電子溫度為eV,精度為V量級)。兩者之間的關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,所以等勢線和磁力線的不重合度在加大。在陽極附近(z=0),雖然磁力線很弱,但電位變化很大。



無柵極離子源有兩種基本結構

End-Hall類型,離子束在磁場端部的加速區得到加速離開

陽極層類型,離子加速通道時環形,而非End-Hall的圓形。

陽極層離子源的磁場基本是徑向的,電子在穿越徑向磁場時產生Hall電流。加速場來源于橫越磁場的電導率下降。平行和垂直于磁力線的電導率比值

粗略地估計,該比值約為256,實際上可能會更大,因此,可以認為

分析發現,如果電子從離子逃逸區向離子形成區中電子得到加速,在陽極附近出現不連續的電位躍變。

End-Hall源的運行原理與陽極層離子源類似。陰極發射的電子沿磁力線進入放電區域并環繞陽極漂移,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(陽極指向陰極方向),大量的離化事件發生在陽極附近區域。