离子源工作原理

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1、提纲：Anodelayerionsource的基本结构和演化正交场放电，为什么是阳极层？阳极层加速原理，溅射的影响，离子束的发射效率与放电模式（低压/高压）的关系。在DLC中应用的难点短路？在一些电介质薄膜沉积中呢？Physicsandengineeringofcrossed-fielddischargedevices—Abolmasov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、环形和平面构型。被约束在漂移路径内的电子行程足够长，增加了对本底气体的离化几率。电子的漂移运动形成Hall电流，除此之外，电子在垂直磁力线方向的运动

2、形成阳极感受的放电电流，考虑到在强场近似下，。如果考虑电子的反常输运，。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，电子的larmor轨道大部分时间内是完整的。电子的随即运动步长与无磁场时是一致的。那么，我们可以认为B场为等效气压。宽束离子源的引出往往是通过包含加速-减速功能的多孔栅极引出的。栅极引出的离子束可以精确地控制离子能量和剂量，但并不适用于低能离子束应用。这是因为栅极之间的空间电荷效应d即是栅极间距。（更高的引出束流意味着更高的电压）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

3、推进器分为两类：SPT和TAL，前者和后者的区别在于延长的加速通道和绝缘壁的使用。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和阴极极靴之间，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，阻止了电子向阳极的直接流动——主要的电位降发生在阳极附近的磁化电子云中（阳极鞘）。该电位降将离化区的离子加速远离放电通道。由于无离子鞘，TAL的离子流不受空间电荷限制。TAL应用在工业生产中的变种ALIS，其离子能量分布范围很宽（这是因为不同离化位置的电位不同），离子束的平均能量（veeco的说法是60%）。

4、该离子源适用于需要能量大于100eV、分散束流、较宽能量分布情况的应用，同时，应用领域可以接受一定数量的溅射污染。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源的磁场是轴向发散的，导致其放电机制有很大不同。在较低的碰撞频率下（），电子与发散磁场作用，产生了离子的加速场。这种机制也就限制了其运行的上限为，且需要中和器。放电模式的分类尽管存在不同的放电构型，正交场放电的共性还是明显的，如上述提到的Hall电流。不过，目前尚未有一个关于正交场放电的完备理论。这导致设计正交场放电设备的尝试是建立在实验基础上的。本

5、文认为四种基本构型：penning放电、ALIS、圆柱磁控和平面磁控，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。因此放电是纯粹的电子等离子体。低压放电有两个区间：低磁场模式（LMF）和高磁场模式（HMF）。在LMF模式，电子密度很低，放电室中间的电位接近阳极电位，如图5(a)所示。放电电流与放电电压无关，与气压和磁场的平方成正比，如图5(b)所示。当B持续增加，轴线上电位降至阴极电位，更高的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的电子鞘中（即阳极

6、层），如图5(a)。除了penningcell，电子鞘还存在于圆柱磁控和ICM中，也是TAL和ALIS的内在特性。其中的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的量级。在HMF模式下，电流随放电电压线性增加。在较高的气压下（>10-4Torr），放电模式明显受到正空间电荷层的影响（），包括TM、HP和GD模式。在TM模式，正空间电荷层仍然很小，因此阳极层中的电位降仍很大。在特定压强下，形成阴极鞘成为放电自持的必要条件，放电进入HP模式（磁控溅射）。由于高电位差的离子鞘存在

7、，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，磁场的作用削弱，放电进入GD模式。Plasmaandionsourcesinlargeareacoating:areview—AAnders3.离子源和等离子体源的分类简而言之，我们可以认为离子源是拥有离子引出机制的等离子体源。在引出期间，离子通过引出电极之间的鞘层。鞘层内的高电位差加速离子。带栅极离子源可以精确控制引出离子的能量和剂量，但并不适用于低能过程（空间电荷限制）。对大面积处理的情况