| python000 |
2007-02-02 16:20 |
解答關(guān)于霍爾離子源的幾個(gè)問題
我這里有一篇關(guān)于霍爾源的文章，拿出來大家分享吧！ 6km
u'v w
,6M- xSDs
關(guān)于霍爾離子源的幾個(gè)問題 ^7 "%eWT`
尤大偉 任荊學(xué) 黃小剛 武建軍 'oT} jI
(中國科學(xué)院空間中心 北京8701信箱 100080 ) _23sIUN c3
Several concerning about Hall Ion Source for assisted deposition. *<Ddn&_
You dawei Ren jingxue Huang xiaogang Wu jianjun >`{i[60r
(Soace Science and Application Research Center Academy Cinica P.O.Box8701 Beijing 100080 P.R.China ) gE
,j\M*
Abstract: the object of our efforts is to improve design of Hall Ion Source in order to obtain broad energy range, large ion beam current, low gas cost, low contaminations and automatic control performances. COHJJONR
摘要：本文目的在于改進(jìn)霍爾源的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)寬能、大束流、低氣耗、低污染、能自動(dòng)化控制的新一代霍爾源。 ]UgA z
關(guān)鍵詞：光學(xué)鍍膜，離子束輔助鍍膜，等離子體加速。 `|/|ej]$P
一、 前言 h[Iu_#HM a
我們設(shè)計(jì)制造了6cm霍爾等離子源。該源的主要性能如下： N!h>fE`
源尺寸Ф14cm×14cm；真空室直徑700-1000mm；照射距離30-50 cm；離子束平均能量40-120ev；離子束流可到1000ma；工作壓力＜4×10-2Pa ；磁場：永久磁鐵；氣體流量5-15 Sccm。經(jīng)過改進(jìn)，我們擴(kuò)大了平均能量范圍40-150ev，離子束流可達(dá)到1200ma，也降低了氣耗。 Ro<!n>H
我們采用了與眾不同的磁場設(shè)計(jì){1}，流行的磁場是從中心引出向端部發(fā)散，而本磁場是沿著陽極邊緣引出向端部發(fā)散。這種磁場有利于提高氣體效率及放電效率。離子流與放電電流比可達(dá)到1/3�？稍谳^低氣壓（1×10-2-2×10-2Pa）及較小氣流量Ar5-10Sccm下運(yùn)行。 \s+MH a&
我們盡知，該離子源是通過磁場加速及電場加速的二種過程，磁場加速只發(fā)生在端部，在陽極前一個(gè)電子回旋半徑范圍內(nèi)進(jìn)行，而在錐形陽極前獲得電場加速。因此，離子束的能散度較大。通常離子束平均能量為0.6Va，其中Va 為所施加的陽極電壓。離子束能量的均方根能散為0.3 Va 。對于流行的Mark-2產(chǎn)品而言，所能采用的陽極電壓是70-170V，相應(yīng)離子束能量是40-100ev。該能量對于光學(xué)鍍膜某些產(chǎn)品稍嫌不足。但使用更高陽極電壓將引起放電不穩(wěn)定，是不可取的。使放電不穩(wěn)定的主要因素是因?yàn)樵陔x子產(chǎn)生區(qū)內(nèi)沒有足夠的電子可供進(jìn)氣原子的電離，產(chǎn)生放電等離子體。該電子是下游放射的電子經(jīng)磁場的非正常擴(kuò)散的回流進(jìn)入上游放電區(qū)的電子。為了擴(kuò)大離子束能量范圍，必須對影響電子回流的諸因素進(jìn)行討論。 p +T&9
由于設(shè)備的限制，一般國產(chǎn)設(shè)備的有效抽速都是有限的。為了獲得更大的離子流，需要降低氣耗。為此需改變放電結(jié)構(gòu)，選擇合理的特征長度，在擴(kuò)大的離子流及降低氣耗之間進(jìn)行折中的選擇。 1 )YFEU&]
在生產(chǎn)中為了提高成品率及重復(fù)性，越來越需要生產(chǎn)過程自動(dòng)控制。機(jī)械化應(yīng)與信息化完美的結(jié)合才能滿足生產(chǎn)的需要。本文將在霍爾源的自動(dòng)化程序的編制思想上提供基本的原則。 ;! 9_5Ar%
二、 霍爾源離子的能量 ! 4oIx`
在磁場存在的情況下，有二種加速離子的機(jī)理，由于在磁場的平行方向及垂直方向的電導(dǎo)率相差有數(shù)十倍，造成了電位分布類似于磁力線的分布。離子在該電位分布造成的電場作用下向軸中心加速。該電位差只占陽極電位一小部分。第二個(gè)加速機(jī)理是由于霍爾電流的加速作用。這個(gè)加速占去陽極電位的大部分，起著主要加速作用。由于在霍爾加速器的軸向存在較大的磁場梯度，在該磁場梯度作用下，電子回旋半徑在不同磁場強(qiáng)度位置下也不同，電子所受的磁力在時(shí)間平均下就逆向磁場梯度方向。電子離子即沿著下游方向加速。文獻(xiàn)(3)給出由于磁力造成的電位關(guān)系 。式中ΔV為磁場力造成的電位差，KTe 為電子溫度 (ev)， B及B 0為不同位置的磁場強(qiáng)度。在本設(shè)計(jì)中B為霍爾源上游氣體分配器附近軸向磁場，B 0 為出口處軸向磁場， 在5-10左右。如電子溫度為10-20 ev時(shí)ΔV=25-70V，用能量減速器實(shí)測離子平均能量約為放電電位的60%左右。則軸向加速作用的電位差也占了離子能量的60-70%。 z=K5~nU
KbUX(9+B
我們根據(jù)能量阻滯器實(shí)測的霍爾源平均離子能量與陽極電壓的關(guān)系見圖1。 ##s !-.T
可見一般而言，加速離子的能量為陽極電壓的50-60%。妨礙陽極高電壓使用的主要因素是放電區(qū)所需要電子回流。由分析霍爾加速器通過變化磁場的非正常電子擴(kuò)散過程，在加速過程中所產(chǎn)生的電子回流為： 3FXMM&w
式中 為電子流密度， 為離子流密度，K1為常數(shù)， 為放電電壓， 為橫向磁場隨距離的積分。在電場、磁場變化的情況下，用這個(gè)積分磁場作為相關(guān)參數(shù)來考慮帶電粒子的偏轉(zhuǎn)是個(gè)半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中證明有效。在陽極前建立磁場是為了偏轉(zhuǎn)高速電子，可以讓高速電子電離中性原子，不讓高速電子未經(jīng)充分碰撞中性原子之前就在陽極上損失掉。這樣可以降低放電損失及中性損失。如果與高速電子的損失相關(guān)聯(lián)的磁場參數(shù)為 則一般取 為3-10（該值取決于回流的電子溫度，由于電子溫度的增加，取該值較為合理）。 9~; Ju^b
本設(shè)計(jì)取上游軸向磁場為（1-1.5）×102T。源出口面的中心磁場應(yīng)為 l ?R_ wu,Q
（4-5）×10-3 T來保證有足夠的該積分磁場值。為了取得高陽極電壓Va值，又不能過多損失離子流，則必須要求有更多的電子回流。但某些情況下希望得到高能量的離子束而只能犧牲某些離子流。為此減小氣流量，降低真空室的工作氣壓，可以提高陽極電壓。氣流量的減小可以減少電離電子的需求，降低電子回流的需要。氣壓的降低可以減少電子通過擴(kuò)散回流的阻力。兩者都有利于電子回流，使放電趨于穩(wěn)定。關(guān)于陽極電壓隨進(jìn)氣流量的變化見圖2�？梢姙榱双@得高陽極電壓工作應(yīng)適當(dāng)降低工作氣流。如果真空抽速過低，真空室內(nèi)漏氣過于嚴(yán)重也不利于電子回流擴(kuò)散，因此也不能獲得高能的霍爾離子束。 B ph F+'CM
=TP>Y"
關(guān)于陽極電壓下限一般取70V，更低的陽極電壓則不足以提供電離氣體所需的放電損失70ev，一般可以通過增大氣流來實(shí)現(xiàn)低壓運(yùn)行。 P9>C!0 -x
三、擴(kuò)大離子流及降低氣耗 )/U1; O
為了追求大面積最佳的輔助鍍膜效果，一般希望具有更大的帶能中性離子流。一般而言，總離子流隨所采用的陽極電流而增加，但總離子流與陽極電流的比值 就主要取決于所采用的磁場B及放電結(jié)構(gòu)。 隨磁場增加起初可以線性增加，但到達(dá)某個(gè)臨界磁場后就飽和了。此外磁場也不能過大，否則影響電子回流，使放電不穩(wěn)定，所以必須取一個(gè)適合值。 Dq?2mXOqD
改變放電結(jié)構(gòu)可以得到較大的離子流，離子流與陽極電流的比值主要受到放電損失的限制。理論及實(shí)踐上都表明產(chǎn)生每個(gè)離子消耗的功率即放電損失的最佳值為70-100 ev。我們在放電區(qū)采用邊緣磁場及發(fā)散磁場，目的都是為了提高放電效率，降低放電損失及中性損失。放電區(qū)只是在霍爾加速區(qū)前具有二個(gè)電子回旋半徑大小的深度。該區(qū)內(nèi)只是邊緣有磁場，限制電子被陽極接受。電子充分振蕩可以提高電離效率。在Mark-2裝置中 一般取0.2，我們可以達(dá)到0.2以上。這樣也大大提高了靶上的束流密度，經(jīng)用大法拉第筒實(shí)測的總離子流見圖3示。 >|'6J!Op
Dw #&x/G
氣耗與中性損失相關(guān)， {2}其中 為中性損失即未經(jīng)電離的中性氣體量。 為常數(shù)，B為放電區(qū)的磁場。可見適當(dāng)采用低磁場能減少氣耗。但過分降B會(huì)降低所能獲得離子流并不可取。由于真空抽速的限制，希望進(jìn)一步降低氣耗，在該情況下只能減小放電室特征長度，即減小放電體積。我們在陽極錐外加上個(gè)陽極套，明顯可以降低氣耗，但并不顯著影響放電室的性能，該套可以方便卸下以供陽極清洗。 :9`1bZ ?a
四、降低污染 N |~&Q!A&
如果采用鎢絲作為中和及陰極燈絲Kaufman{1}提出污染量為：在用Ar時(shí)＜4×10-4（W陰極）及＜13×10-4（碳分配器）用O2時(shí)＜13×10-4（W陰極）及＜3×10-4（不銹鋼分配器）及＜2×10-4（不銹鋼陽極）�？梢妵�(yán)重的污染來自直熱的鎢燈絲。我們采用0.4mm直徑的純鎢燈絲其壽命可到7-9小時(shí)（O2），為了減小對敏感器件的污染，我們采用了等離子體橋空心陰極中和器，該中和器需增加電源，但大大降低了污染及提高了使用壽命。 }2 r08,m
五、自動(dòng)化考慮 %om7h$D =`
參考：{1} H.R.Kaufman,R.S.Robinson,etc.J.Vac.Sci.Technol A5(4)Jul/Aug 1987 PP2081-2084 B_&PK7vA
{2} H.R.Kaufman AIAA J. V23 N1 1985,1 PP78-87 s
| |