RF-CCP(電容耦合)離子源

       如圖2所示,電容耦合方式是由接地的放電室(由復(fù)合系數(shù)很小的材料如石英做成)和引入的驅(qū)動電極作為耦合元件。驅(qū)動電極上鍍有濺射產(chǎn)額較低的陶瓷材料以減少離子的對陰極材料的濺射。當(dāng)與電源接通后,在放電室和驅(qū)動電極之間產(chǎn)生高頻電場,自由電子在此作用下做上下往復(fù)運(yùn)動,并激發(fā)放電。由于電子的自由程遠(yuǎn)大于放電室的尺寸,因此主要靠它們從管壁上打出的二次電子而獲得倍增,后者成為這種放電的維持者,而由氣體電離所產(chǎn)生的二次電子將起次要作用。

圖2 射頻電容耦合離子源

       電容耦合產(chǎn)生的幾百伏的鞘層電壓,會導(dǎo)致放電室內(nèi)部元件的快速濺射,同時(shí)影響離子軌跡,使離子束均勻性和準(zhǔn)直性變差。

RF-ICP(感應(yīng)耦合)離子源

       射頻ICP源的發(fā)射天線繞在電絕緣的石英放電室外邊,當(dāng)通過匹配網(wǎng)絡(luò)將射頻功率加到線圈上時(shí),線圈中就有射頻電流通過,于是產(chǎn)生射頻磁通,并且在放電室內(nèi)部沿著軸向感應(yīng)出射頻電場,其中的電子被電場加速,從而產(chǎn)生等離子體,同時(shí)線圈的能量被耦合到等離子體中。等離子體產(chǎn)生區(qū)的等離子體能量為

Ep=nekTeV(2)

       其中,ne=ni為電子密度,考慮到引出面上的等離子體是由等離子區(qū)中心擴(kuò)散過來的,這里的擴(kuò)散速度要比引出速度低得多,即平均等離子體密度要比引出面上高得多;Te為等離子體電子溫度;V為等離子體體積。

圖3 射頻感應(yīng)耦合離子源原理(a)和結(jié)構(gòu)剖面圖(b)

       圖3是Vecco公司典型射頻ICP離子源的原理和剖面圖,石英放電室外面是水冷的螺旋射頻線圈,低能電子沿著平行放電室壁方向做螺旋線運(yùn)動,被感應(yīng)耦合電場加速,這樣減小了電子損耗,增加了電離幾率。為了保證等離子體的均勻性,氣體被石英擴(kuò)散器沿周向引入放電室,由于離子束流密度直接與等離子體密度和電子溫度均方根成正比,根據(jù)螺旋射頻線圈和射頻趨膚效應(yīng)(skin effect),溫度較高的電子分布在放電室壁外周,補(bǔ)償了因放電室壁處等離子密度的減小,有利于提高離子束的均勻性和準(zhǔn)直性。