Broad-Beam Industrial Ion Sources 工业用宽光束离子源Staff of Kaufman & Robinson, Inc. H.R. Kaufman 考夫曼博士Technical Note KRI-01
介绍
一束宽的离子束通常直径几厘米或更大。

光束直径也比德拜长度大得多，德拜长度是电场能穿透等离子体的典型距离。

如果一束宽光束要保持在接近地电位，它就必须被中和(参见Tech. Note KRI-02)。

为了中和，在离子束的每一体积中必须有大约相等数量的电子和带正电的离子。

对于绝缘的目标，电子和closed-drift离子到达的数量必须相等。

目标可以是溅射靶材，也可以是衬底。

宽离子束中的离子能不超过2000ev。

(单电荷离子通过2000伏特的电势差“跌落”获得2000 eV的能
量。

)为了使损伤最小化，能量通常为1000 eV或更少。

这里不考虑高能注入型的应用。

只考虑防止加工表面损伤从而下降离子能量。

宽束离子束有两大类:栅格型和无栅格型。

栅格离子源
栅格离子源的示意图如图1所示，其中描述了直流放电。

离子是由圆形或长方形放电室中的放电产生的。

可以使用几种类型的电子发射阴极。

如图1所示热灯丝类型。

离子也可以通过射频放电产生，而射频放电不需要电子发射阴极。

通过束流电源，放电室保持在正电位。

离子通过屏极上的小孔和加速器栅格被加速，这些栅格一起被称为离子光学。

可以使用不同的网格结构。

最常见的是双栅极光学。

直流放电时，屏栅极接近阴极电位。

通过RF放电，屏栅极与束流电源的正端形成回路。

正离子从正极放电室通过离子光学加速到达近地电位的目标。

加速器栅格相对周围的真空室是负电位，以防止电子从中和器通过离子光学倒退。

假设一个单电荷离子，在使用这类离子源时，离子获得的能量(单位为eV电子伏特)等于束流阳极电压，单位为V。

图一：有栅极离子源原理图
栅极离子源的工作压力在0.5毫托或以下。

离子束的输出取决于离子光学设计。

束流随着栅格间距的增大和孔径的增加而增大。

根据栅格的形状和栅格中孔径的相对位置，离子束可以聚焦到一个小区域，平行，或者聚焦到一个大区域。

对于给定的离子光学，离子束电流Ib取决于栅格之间的总电位差.
低电压下离子束电流急剧减小。

通过增加负加速电压，可以在低电压下获得较大的离子束电流。

但是一个大的负电压可以导致离子束散射，以至于到达目标的离子流实际上是减少了。

三栅极光学可以在负电压较大的情况下减小光束散射，但效果有限，而且还会有其他的缺点。

无论使用何种离子光学器件，栅格离子源在低离子能量下都无法达到无栅格端霍尔离子源的离子电流容量。

提供对离子轨迹控制的离子光学系统也是栅格离子源中最昂贵的部分，需要最多的维护。

图2 霍尔离子源原理图
无栅离子源
无栅离子源有很多种类型[图2,3]，但在工业中常见的只有霍尔离子源和阳极层。

无栅源中的离子是由放电电源产生的，随着电位差的加速阴极中和器的电子穿过磁场线(未显示)到达阳极。

霍尔离子源
霍尔离子源如图2所示。

它有一个圆形或长方形的放电室。

离子的加速度发生在准中性等离子体中，电子和离子的密度近似相等。

因此，对离子束电流Ib没有限制，按比例(1)表示，离子束约等于放电电流的20-30%，平均离子能量约等于放电电压的60-70%。

一个霍尔离子源在大约1毫托或更小的压力下工作。

与栅格离子源相比，它可靠、坚固。

它可以在离子能量不超过200ev的情况下产生大的离子束流密度。

它很难产生更高的离子能量，而且离子束的轮廓被限制在一个发散的形状。

阳极层离子源
阳极层离子源如图3所示。

它也被称为封闭漂移离子源，是指电子在封闭的环形或异形放电室内移动。

阳极层离子源是一种闭合离子源，大部分加速发生在阳极薄膜表面附近。

这种离子源也有很多种工作模式，比如工业应用在真空环境下，
图3 阳极层离子源
如图3所示阳极层离子源没有阴极中和灯丝。

这个放电电压大约在800-20000V，这个离子能量高于霍尔离子源，这种离子源可以工作在几托甚至更低。

这种离子源必须提高电压从周围环境获得中和电子，这势必会将绝缘材料暴露在高压中，因此要考虑会伤害到目标基底。

阳极的涂层和翘边都会影响到离子源的性能，然而不管怎样，只要恰当的应用这种离子源，他将会是一种简单易用的离子源。

参考文献
1. H.R. Kaufman, “Technology of Ion Beam Sources Used in Sputtering,” J. of Vacuum Science and Technology, Vol. 15, pp. 272-276, Mar./Apr. 1978.
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3. V.V. Zhurin, H.R. Kaufman, and R.S. Robinson, “Physics of Closed Drift Thrusters,” (Review article) Plasma Sources Sci. Technol., Vol. 8, pp. R1-R20, 1999.
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5. J.E. Keem, “High Current Density Anode Layer Ion Sources,” pp. 388-393, Proceedings SVC 44th Annual Technical Conference (2001).。