第三部分原理 瓦利安半导体设备有限公司 VIISta HCS 目录 章节章节编号 原理介绍…………………………………………………………………E82291210 控制原理………………………………………………---………………E82291220 离子注入操作原理………………………………………………………E82291230 第1页
介绍 第1页
VIISta HCS型高束流离子注入机是高自动化的生产工具。此离子注入机可以将单一离子类别掺杂剂的离子束注入到硅片中。 首先利用Varian 控制系统（VCS）产生工艺配方，在配方的基础上制定产生离子束的确切标准。工艺配方的设计目的包括：控制掺杂剂种类的选择，控制剂量、控制离子束的能量、注入角度等以及工艺步骤等等。 在阅读本章之前，请阅读第二章安全方面内容。 一、系统单元组成 VIISta HCS 可以分为三个有用的重要的单元：离子源单元、离子束线单元、工作站单元。 1、离子源单元 离子源子单元包括产生，吸出、偏转、控制，和聚焦，离子是有间接加热的阴极产生再由吸极取出（由D1电源与吸级装置构成），在取出工艺过程中，为了得到离子束更好的传输和低的离子束密度，离子束将被垂直聚焦。被取出的离子束通过一个四极的透镜，在进入90度离子束磁分析器之前离子束被聚焦，在磁分析器中，绝大多数不需要的离子将被分离出去。 离子源模块的主要结构，包括离子源围栏内部分和安全系统，支持分布各处的主要动力组件。还有离子源控制模块，源初始泵抽，涡轮分子泵抽，工艺气体柜，离子源和（套）管路。离子源围栏与安全系统要互锁，这是为了防止在正常注入操作过程中有人员接近。如果任何一扇门打开，或者任何维护、伺服面板被移动，高压电源和有害气体流就会通过互锁系统关闭。VIISts HCS 系统使用的不是高压工艺气体，就是需要安全输送系统的工艺气体。VSEA提供的标准工艺气体有三氟硼烷、砷烷和磷烷。 2、离子束线控制单元 离子束线控制子系统包括从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域，在这些区域，离子束将会被减速、聚焦、分析、测量以及被修正为平行、均匀的离子束。从90度磁偏转区域到70度磁偏转区域中，离子束先被增速，再被减速。离子源与控制离子束线的四极透镜，协同D1、D1抑制极，D2、D2抑制极动力一起，提供水平与垂直聚焦控制。90度磁偏转协同判决光圈一起实现对离子的筛选分析。预设法拉第杯测量离子束强度。最终，离子束在70度偏转磁场中，协同多组磁极和顶部和底部的磁棒，被调整为方向平行，分布均匀的离子束。 离子束离开离子源模块之后进入离子束线模块。离子束首先通过离子源四极透镜（源四极透镜，Q1）调整离子束使其竖直方向 第1页
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。
离子源的功能和原理 3、离子辅助镀膜的薄膜特性： 1、镀层与工件表面同时存在物理气相沉积及化学反应，故镀层结合力高。 2、膜层均匀致密、韧性好； 3、光谱特性稳定，温漂小 4、吸水性减少 5、折射率升高 6、粗糙度降低 7、激光阈值降低 8、膜层发雾，光散射增加 4、离子源参数、性能比较
离子源简介－考夫曼离子源 阴极钨丝加热发射热电子；电子与气体原子或分子碰撞； 气体电离在放电室形成等离子体； 多孔栅极产生加速电场； 离子被加速电场引出、加速、获得能量；中和钨丝产生电子； 磁场对电子运动进行约束，增加离化率； 中和电子对引出离子中和形成等离子体。 考夫曼离子源工作原理 （Kaufman Ion Source） 离子源简介－考夫曼离子源 优点： 栅极加速能量大 离子可聚束能量调节范围宽结构较为简单 缺点： ×离子源结构仍复杂×馈入氧、氮等反应气体阴极中毒 ×更换阴极灯丝困难×不属主流，较少采用 离子源简介－射频离子源射频离子源工作原理 射频放电将气体电离 在放电室形成等离子体 多孔栅极产生加速电场；中和钨丝产生电子； 离子被加速电场引出、加速、获得能量； 中和电子对引出离子中和形成等离子体。离子源简介－射频离子源
特点 优点： 栅极加速能量大 离子可聚束能量调节范围宽适用反应气体离子束辅助主流 缺点： ×结构复杂，稳定性差×价格昂贵×栅极需经常维护×辐照均匀区较小离子源简介－霍耳离子源 阴极钨丝发射热电子向阳极迁移电子与气体原子碰撞使其离化磁场中电子形成霍耳电流产生电场 离子被霍耳电场加速引出、加速 阴极热电子对引出离子中和形成等离子体。 霍耳离子源工作原理 （Hall Ion Source） 离子源简介－霍耳离子源特点 优点： PowerIon-C-10A 典型参数 离子束流：5 A 离子能量：20-50 eV 无栅极、结构简单、维护简单 适用反应气体离子束辅助主流产品离子束流大易于控制等离子体中性以低能大束流工作 缺点：
提纲： Anode layer ion source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？ Physics and engineering of crossed-field discharge devices—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%）。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
目前，气相质谱和液相质谱的联用已经越来越普及。作为质谱仪中的一个重要组成部分—离子源有哪些种类以及各自不同的用途呢？ 首先对于气相质谱（GS/MS）来说，主要有电子轰击电离源（EI）、化学电离源（CI）和场致电离源（FI）及场解吸电离源（FD）。EI是利用一定能量的电子与气相中的样品分子相互作用（轰击），使分子失去电子，电离成离子。当分子离子具有的剩余能量大于其某些化学键的键能时，分子离子便发生碎裂，生成碎片离子。其优点在于它是非选择性电离，只要样品能气化都能够离子化，且离子化效率高、灵敏度高；能够提供丰富飞结构信息，是化合物的指纹谱；有庞大的标准谱库供检索。其缺点在于不适用于难挥发、热不稳定的样品，而且只能检测正离子，不检测负离子。CI是指引入一定的反应气进入离子化室，反应气在具有一定能量的电子流的作用下电离或裂解，生成的离子和反应气分子进一步反应或和样品分子发生离子分子反应，通过质子交换使样品分子电离。其优点在于可以通过控制反应，根据离子亲和力和电负性选择不用的反应试剂，用于不同化合物的选择性检测。其缺点在于也不适用于难挥发和热不稳定样品，谱图重复性不如EI图谱，而且反应试剂容易形成较高的本底，影响检测限。FI和FD是一种软电离方式，由一个电极和一组聚焦透镜组成，形成高达几千伏的强电场，使气态分子的电子被拉出而电离。其优点在于几乎没有碎片离子，没有本底，图谱很干净。缺点在于仅适用于扇形磁场质谱和飞行时间质谱仪，我们常见的四级杆质谱和离子肼质谱都不能配置FI和FD源，而且高压容易产生放电效应，操作也更难一些。EI源是我们最常见的气质离子源。
对于液相质谱（LC/MS）来说，主要有大气压离子源（API）、快原子轰击源（FAB）和基质辅助激光解析电离源（MALDI）三种电离方式。API主要给出分子量信息，一定条件下可以提供有限的信息结构，它又包括电喷雾电离（ESI）和大气压化学电离（APCI）。ESI是指样品溶液从毛细管流出时，在电场及辅助气流的作用下喷成雾状的带电液滴，液滴中溶剂被蒸发，使液滴直径变小，发生“库伦爆炸”，把液滴炸碎，此过程不断重复，形成样品离子。其优点在于能够给出分子量信息，适合于离子型和极性分析物，灵敏度高，高分子量测定，适合毛细管高效液相色谱，缺点在于对液相的流速有一定的限制，在高盐浓度下对离子有抑制。APCI是指样品被迫通过一根窄的管路喷雾针，使其得到较高的线速度，并且给喷雾针高温加热及雾化气，使液流在脱离管路的时候快速蒸发成液体，然后再大气压条件下利用尖端高压放电而使分析物发生气相化学电离。其优点在于使用方便，耐用性好，灵敏度高，可以匹配高流速，适合于非极性至弱极性样品，小分子样品以及抗菌素和碱性药物等。其缺点在于有可能发生热裂解，有低质量端的化学噪声大，有限的结构信息。因此ESI和APCI是互补的。FAB离子化能力强，适用于强极性、挥发性低、热稳定性差和相对分子质量大的样品，对非极性样品灵敏度下降、低质量区以下产生较多干扰峰。MALDI的准分子离子峰很强，几乎没有碎片离子，可以直接分析蛋白质酶解后多肽混合物，对样品中杂质的耐受量较大，适用于多肽、蛋白质、糖蛋白、DNA片段、多糖及其他生物技术产品的分析。API源是我们最常用的液质离子源。 ELEMENT GD双聚焦辉光放电质谱仪
离子源与质谱仪作用机理 质谱离子源及质量分析器的种类及作 用机理 课程名称掺伪掺杂食品鉴别与检验技术 学院专业姓名学号指导老师 二〇一四年七月 质谱离子源及质量分析器的种类及作用机理 质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，可用来分析同位素成分、有机物构造及元素成分等。其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。与色谱分析技术同为现代掺伪掺杂技术的支撑，色谱是一种分离的手段，而质谱是一种鉴定手段，检验过程中通常采用质谱联用技术。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。 质谱分析作为一种新型的现代仪器分析手段，因其高灵敏性、高准确性、高选择性、分析检测范围宽以及其定性、定量方面的强大功能等特点，在食品添加剂、激素、抗生素，农兽药残留等食品分析检测领域得到了广泛的应用。下面主要介绍几种主要：质谱离子源及质量分析器的种类及作
用机理。 1 离子源类型——“接口”技术 离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的质谱仪不可缺少的部件。离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。在很多情况下进样和离子化同时进行。常用的离子源有以下几种。 1.1快原子轰击源(Fast Atomic bombardment，FAB) FAB是一种常用的离子源，由Barber研究小组于1981年研发成功并使用，适合于分析离子化能力强，极性强，分子量大、难气化、热稳定性差的样品，例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等，但对非极性样品灵敏度下降、低质量区以下产生较多干扰峰。FAB得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。但是，它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰。FAB 主要用于磁式双聚焦质谱仪。 1.2电喷雾电离源(Electrospray ionization，ESI) 样品溶液经色谱柱分离，流经色谱管，到达喷雾针，针上加有3~5kV 的电压，在强电场和雾化气的作用下，溶液迅速雾化产生高电荷液滴，并形成扇状喷雾。在加热辅助气及高温条件下，溶剂迅速蒸发，带电液滴的表面积不断缩小，表面电荷密度逐渐增大。当密度达到“Rayleigh极限”时，带电雾滴中的样品就会由于雾滴发生“库伦爆裂”而分离出来，形成样品离子。带电的碎片离子就在电场的作用下进入质谱的质量分析器进行
端部霍尔离子源工作原理 工作气体的中性原子或分子从气体分配器的孔进入阳极包围的放电区，从阴极发射的电子近似沿磁力线进入该放电区与工作气体的原子或分子发生碰撞。其中一些碰撞产生了离子，放电区的电子和离子的混合物构成了等离子体。从阳极到阴极方向中性原子或分子的密度是迅速下降的，所以大部分导致电离的碰撞发生在阳极包围的放电区内。 平行于磁场的电导远大于垂直于磁场的电导，磁力线就近似于等离子体的等势线，靠近对称轴的磁力线接近阴极电位，靠近阳极的磁力线接近阳极电位。这种径向的电位差用朗谬尔探针测量是存在的。同时发现沿磁力线也存在电势差，趋向于把离子从阳极向阴极加速。造成沿磁力线电势差的原因将在后面讨论。在放电室形成的离子起初既向阴极又向对称轴加速。因为动量的存在，向对称轴运动的离子不会停留在对称轴，而是会继续运动，通常会被对称轴另一侧的正电压反射。根据离子形成位置的不同，它可能在离开离子源之前多次穿越对称轴。 因为行进路径的多样性，使离子在离开离子源运动到阴极外面后形成宽束离子束。离子束中的正电荷将会被阴极产生的一部分电子中和。阴极产生的绝大部分电子回到阳极产生离子同时又形成了加速离子向阴极外部运动的电势差。发散型磁场和阳极-阴极之间的电势梯度使大多数离子向下游运动离开离子源。 阳极电流由原初电子和二次电子构成，二次电子电流等于总的离子产额，当阴极发射电流等于阳极电流时，从阴极发射的多余电子足够充当离子束的中和电流。 阴极发射电流I e可以认为是由回流到阳极的放电电流I d和对离子束起中和作用的中和电流I n构成I e=I d+I n(1) 由于离子受轴向和径向电场引导几乎都流入离子束，阳极电流I a主要来源于电子。这个电流由来自于阴极的放电电流和离化过程中的二次电子电流I s构成 I a=I d+I s(2) 由I e=I a 有 I n=I s。(3) 将电荷转换，离子束流I b等于二次电子电流I s，所以有 I n=I b。(4) 即在发射电流等于阳极电流条件下，可得到用于中和离子束的电子流等于离子束的束流。 由于发散型磁场的存在，主要有两种机理产生加速离子的电势差。其一是穿越磁力线减弱的等离子体电导。强场近似适用于具有几百高斯场强的端部霍尔源。平行于磁场和垂直于磁场的电导比可表示为 σ∥/σ⊥＝(ω/ν)2(5) ω是电子的回旋频率，ν是电子共振频率，在穿越强磁场时，电子碰撞频率由反常扩散的等离子体涨落决定。用波姆扩散估算此频率，可以表示为 σ∥/σ⊥＝256 (6) 因为波姆扩散只在内准确，6式的比值只能在一个数量级认为是正确的，可以表示为σ∥＞＞σ⊥(7) 从平行于磁场和垂直于磁场的电导差异，可以认为磁力线近似于等离子体的等势线。进一步讲，靠近阳极的磁力线会带有更高的正电压。用朗谬尔探针测量了径向的等离子体电势，测量显示，从对称轴到阳极边缘电势是上升的。但这个电势升高只占阳极-阴极电势差的一小部分，大部分阳极-阴极电势差出现在轴向方向上，也就是电势差的主要部分出现在平行于磁场的方向。
离子源介绍 2.1 离子源概述 离子源是通过中性原子或分子电离，然后将它们引出并形成离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、离子推进器、离子束加工设备等仪器中不可缺少的关键部件。离子源一般分为气体型离子源和固体型离子源。 2.1.1 结构与组成 一般离子源的结构如图1.1所示，基本工作原理为：热发射或场致发射的电子在放电室里面被加速，被加速的电子撞击气体分子使之离解、电离，形成等离子体，由引出系统从等离子体中引出离子束。 图2.1 离子源的一般结构 2.1.2 离解、电离及复合过程 解离是指分子在载能电子的作用下离解成原子；电离是指分子或原子在载能电子的作用下电离形成离子。我们以氢为例给出一个典型的离解和电离方程： 1H + e （离解过程） 2H 2 + e → 2 1H + e → H++ 2e （电离过程） ++ 2e（分子离子） 2H 2 + e → H2 2H+ + e → 2H++ 3e （原子离子) 第1页
复合过程是指离子捕获电子形成中性原子或分子的过程。 离解、电离及复合是一动态过程，当电离过程与复合过程达到动态平衡，放电就达到了平衡，稳定的等离子体就形成了。 2.1.3 等离子体的密度 等离子体的密度是离子源的重要参数。等离子体的密度越高，引出的离子束流就越强，离子源的性能就越好。提高等离子体密度的方法，一般是在放电室中加一轴向磁场，其主要作用为： a）使电子做螺旋运动，提高电子与原子的碰撞次数，提高电离几率。 b）使离子受到径向的约束力，减少与放电室内壁碰撞而复合的几率。 2.1.4 离子源引出系统和聚焦系统 气体放电，电子与原子、分子的碰撞，用离子轰击阴极材料以及表面电离过程都能够产生离子，然后通过引出系统形成离子束。离子源的引出系统是离子源的重要结构。聚焦系统用于调节离子束的发射度、能散度和线性度等等，离子束的各项指标都与引出系统和聚焦系统密切相关。 2.2 离子源的种类 根据使用条件和用途的不同，离子源的类型有很多。其中，使用较为广泛的有高频离子源、弧形放电离子源、潘宁离子源、双等离子体离子源、双彭源，这些离子源都是以气体放电过程为基础的，它们都是常用的正离子源。性能较好的负离子源有转荷型负离子源和溅射型负离子源两种类型，并且，在一定条件下，以气体放电为基础的各种离子源都能够提供一定的负离子束流。 2.2.1 高频离子源 高频离子源是一种电子震荡式离子源，放电室内有高频的电磁场和轴向的稳恒磁场，放电室内的电子进行高速的回旋震荡，增加了电子与原子的碰撞次数，使气体分子充分电离，形成等离子体。然后利用阳极形成的轴向电场，将正离子从吸极的孔道中引出。在某些条件下，它也可以引出负离子束，当作负离子源使用。 高频离子源的电磁场的激励方式一般采用电感耦合或电容耦合。图2.2所给出的是电感耦合式，采用电容耦合式时，放电室上下层以两个金属材料制成的电容环代替高频电感线圈。 2
提纲: Anｏｄｅｌayｅｒiｏn souｒce得基本结构与演化 正交场放电,为什么就是阳极层？ 阳极层加速原理,溅射得影响,离子束得发射效率与放电模式(低压/高压)得关系、 在DLC中应用得难点 短路？在一些电介质薄膜沉积中呢? Phｙｓｉcｓanｄengineeｒing ｏf crｏssed－fｉelｄｄiｓchargｅｄeｖiceｓ-Abolmas ｏv 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、环形与平面构型。被约束在漂移路径内得电子行程足够长,增加了对本底气体得离化几率。 电子得漂移运动形成Hall电流, 除此之外,电子在垂直磁力线方向得运动形成阳极感受得放电电流, 考虑到 在强场近似下,。如果考虑电子得反常输运,。 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,电子得larmoｒ轨道大部分时间内就是完整得、电子得随
即运动步长与无磁场时就是一致得。那么,我们可以认为B场为等效气压。 宽束离子源得引出往往就是通过包含加速-减速功能得多孔栅极引出得。栅极引出得离子束可以精确地控制离子能量与剂量,但并不适用于低能离子束应用。这就是因为栅极之间得空间电荷效应 ｄ即就是栅极间距。(更高得引出束流意味着更高得电压) 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离子推进器分为两类:SPT与TAL,前者与后者得区别在于延长得加速通道与绝缘壁得使用。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与阴极极靴之间,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,阻止了电子向阳极得直接流动—-主要得电位降发生在阳极附近得磁化电子云中(阳极鞘)、该电位降将离化区得离子加速远离放电通道。由于无离子鞘,TAL得离子流不受空间电荷限制。 TAL应用在工业生产中得变种ALIＳ,其离子能量分布范围很宽(这就是因为不同离化位置得电位不同),离子束得平均能量(veeco得说法就是６0％)。该离子源适用于需要能量大于100eV、分散束流、较宽能量分布情况得应用,同时,应用领域可以接受一定数量得溅射污染、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源得磁场就是轴向发散得,导致其放电机制有很大不同。在较低得碰撞频率下(),电子与发散磁场作用,产生了离子得加速场。这种机制也就限制了其运行得上限为,且需要中与器。 放电模式得分类 尽管存在不同得放电构型,正交场放电得共性还就是明显得,如上述提到得Halｌ电流。不过,目前尚未有一个关于正交场放电得完备理论。这导致设计正交场放电设备得尝试就是建立在实验基础上得。本文认为四种基本构型:pｅnning放电、ALIS、圆柱磁控与平面磁控,可以用
离子源（Ion Beam Sources）的分类及原理 等离子体是指被激发的气体达到一定电离度（＞10-4），气体处于导电状态，这种状态的电离气体是由大量接近于自由运动的带电离子所组成的体系，在整体上是准中性的。粒子运动与电磁场（外电场和粒子间的自洽场）是不可分割的，这种互相作用的电磁力是长程力，从而使等离子体显示出集体行为的特点，即电离气体中每一带电离子的运动都会影响到其周围带电离子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现为电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，这种气体状态为等离子体态简称等离子体。有由于它独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故又称之为物质的第四态。 离子源是离子束溅射(IBS)和离子束加工(IBF)设备的关键部件。R&R公司的宽离子束源目前主要有Kaufman离子源、微波ECR离子源和RF离子源。其工作原理是利用气体放电产生等离子体，等离子体由电子、离子和中性粒子所组成，并被引出成束，成为离子源。 R&R离子源有两个栅极（或者三个栅极），分别为屏栅和加速栅，两极之间加一电压，电压的正极接屏栅，负端接引出极，因此，在等离子体边界和引出电极之间就形成一个加速离子的电场，当离子从等离子体发射面发射出来以后，被
电场加速，通过小孔，形成离子束，再经过中和器中和后直接轰击基板或靶。中和器的目的是为了避免电荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。 Kaufman离子源 kaufman离子源是应用较早的离子源，属于栅格式离子源。首先从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速而获得相应于等离子与阴极电位差的能量，它与进入电离室的气体原子相碰撞，气体原子被碰撞电离，形成离子及二次电子，电子及离子形成放电室等离子体。该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学作用区。由于离子光学的作用，离子被拔出，并形成离子。每个小孔形成的离子束经过发散混合及中和形成带能量、中性的宽离子束。由离子所获得的能量应是阳极电压与屏极电压之和（一般而言，由于阳极电压远小于屏极电压，故近似考虑屏极电压为离子加速能量）。该离子束有能量、方向、具有一定宽度口径、又是中性的离子束，在无场空间中对光学膜进行加工，离子束参数（能量，束流密度）可以方便控制，再现，与气压无关，这就大大增加了工艺的稳定性。 微波ECR离子源
西安工业学院 薄膜技术与光学检测重点实验室 2005年3月
目录 1.概述 2.宽束冷阴极离子源原理 3.宽束冷阴极离子源主要性能 4.离子源的基本结构与供电电源 5.离子源的安装 6.离子源的使用 7.离子源的维护及常见故障排除附录：离子源电源原理图
1. 概述 宽束冷阴极离子源是离子束辅助蒸发技术的关键设备。该源具有结构简单、操作方便、污染小、寿命长等特点。已成功地应用于多种金属膜（Al，Ag，Au等），介质膜（ZnS，MgF2，TiO2，SiO2，Al2O3，Sn:In2O3等）的离子束辅助蒸发。 通常，为适应不同尺寸真空镀膜室的使用要求，需制成不同口径的离子源，以保证离子束的辐照面积以及均匀性的要求。为提高装置的使用灵活性，将两个以上结构相同的宽束冷阴极离子源体（称之为多体）安装到较大尺寸的真空镀膜室中，这样用较小口径的离子源，可以获得较大范围的离子束。同时，各个离子源还可以单独使用。 2.宽束冷阴极离子源原理 多体宽束冷阴极离子源的各个离子源，具有相同的工作原理和结构尺寸。 图2.1为离子源原理示意图。气体在阳极电压Vd的作用下发生辉光放电，等离子体中的离子将向上阴极和下阴极运动；电子将向阳极运动，同时，在轴向磁场的作用下，电子作螺旋运动，由于电子运动路径增大，电子与气体碰撞几率增加。气体电离效率增大，使等离子体维持一定的浓度。在阴极电压Va的作用下，离子由下阴极和引出极组成的引出系统引出。 1 2 3 4 1.上阴极； 2.阳极； 3.下阴极； 4.引出极 图2.1离子源原理示意图 引出离子的能量：E = e [ Va+Vd ] (电子伏特) (2.1) 引出离子的电流：I ∝Va3/2 (2.2)
质谱离子源及质量分析器的种类及作 用机理 课程名称掺伪掺杂食品鉴别与检验技术 学院食品科学与工程 专业农产品加工及贮藏工程 姓名赵小瑞 学号107331302238 指导老师周围 二〇一四年七月
质谱离子源及质量分析器的种类及作用机理质谱分析是一种测量离子荷质比（电荷-质量比）的分析方法，可用来分析同位素成分、有机物构造及元素成分等。其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。与色谱分析技术同为现代掺伪掺杂技术的支撑，色谱是一种分离的手段，而质谱是一种鉴定手段，检验过程中通常采用质谱联用技术。质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等部分组成。 质谱分析作为一种新型的现代仪器分析手段，因其高灵敏性、高准确性、高选择性、分析检测范围宽以及其定性、定量方面的强大功能等特点，在食品添加剂、激素、抗生素，农兽药残留等食品分析检测领域得到了广泛的应用。下面主要介绍几种主要：质谱离子源及质量分析器的种类及作用机理。 1 离子源类型——“接口”技术 离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的质谱仪不可缺少的部件。离子源的性能决定了离子化效率，很大程度上决定了质谱仪的灵敏度。常见的离子化方式有两种：一种是样品在离子源中以气体的形式被离子化，另一种为从固体表面或溶液中溅射出带电离子。在很多情况下进样和离子化同时进行。常用的离子源有以下几种。 1.1快原子轰击源(Fast Atomic bombardment，FAB) FAB是一种常用的离子源，由Barber研究小组于1981年研发成功并使用，适合于分析离子化能力强，极性强，分子量大、难气化、热稳定性差的样品，例如肽类、低聚糖、天然抗生素、有机金属络合物等，但对非极性样品灵敏度下降、低质量区以下产生较多干扰峰。FAB得到的质谱不仅有较强的准分子离子峰，而且有较丰富的结构信息。但是，它的分子量信息不是分子离子峰M，而往往是(M+H)+或(M+Na)+等准分子离子峰。FAB主要用于磁式双聚焦质谱仪。 1.2电喷雾电离源(Electrospray ionization，ESI)
潘宁源的原理与其应用 07物类（1） 200731020003 郝红波 潘宁离子源的主要原理是利用磁场中的电子振荡放电,提高等离子体密度,其用途广泛,多应用于回旋加速器和离子注入机上.潘宁离子源是一种研究得比较早的离子源,发展到今天,已经成为一种技术较成熟的离子源.与其它离子源(如高频离子源、双等离子体离子源等)相比较,潘宁离子源的离子引出效率不高(在40％～60％之间),原子离子的含量也不高,但由于其结构简单及寿命长等特点,潘宁离子源被广泛应用于小型加速器(如中子发生器)中. 一、潘宁离子源的工作原理 潘宁离子源,顾名思义,是应用潘宁放电原理研制的离子源.潘宁(Penning)放电,是磁场中冷阴极放电中的一种,也是在离子源中应用得较广的一种放电方式[1]. 在潘宁放电系统中,如图1所示,在圆筒形或圆环形阳极的两端安装着两个相对的阴极,在平行于阳极筒的轴线方向施加磁场,当电压超过着火电压以后,在充有低压气体的电极之间就会产生自持放电.在这个系统中,电子受到两方面的作用:第一,电子在电场作用下向阳极方向运动,然后在阳极与另一个阴极间的电场作用下减速运动,直至速度降为零,然后在电场作用下反转加速运动,以致电子不能沿着轴向端面逸出；第二,电子在受到电场作用的同时还受到轴向磁场的作用,使电子绕磁力线作螺旋运动,限制了电子在径向上的运动,使得它不能直接打到阳极上.在电场与磁场的共同作用下,电子的运动路径增长了,这也必然增加了电子的电离碰撞次数.如果单位时间内放电区内产生的离子数与因电离产生的新电子数相等,就会形成一种动态的平衡,在离子源中形成了自持放电.在某些特定的条件下,如一定的尺寸、气压、电压、电极的特性等,放电过程就可以自行建立起来,形成自持放电,甚至可以不需要外加初始热电流.[2] 自持放电的基本条件[1]: ()11 d γ--≥ (1) eα
离子源 标签：暂无标签 离子源，是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。 目录 1. 正文 2. 配图 3. 相关连接 回目录 1离子源-正文 气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，目前已研制出多种类型的离子源。使用较广泛的有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源。这些源都是以气体放电过程为基础的,常被笼统地称为弧源。高频离子源则是由气体中的高频放电来产生离子的，也有广泛的用途。新型重离子源的出现，使重离子的电荷态显著提高,其中较成熟的有电子回旋共振离子源(ECR)和电子束离子源(EBIS)。负离子源性能较好的有转荷型和溅射型两种。在一定条件下，基于气体放电过程的各种离子源，都能提供一定的负离子束流。 高频离子源利用稀薄气体中的高频放电现象使气体电离，一般用来产生低电荷态正离子，有时也从中引出负离子，作为负离子源使用。
在高频电场中，自由电子与气体中的原子(或分子)碰撞，并使之电离。带电粒子倍增的结果，形成无极放电，产生大量等离子体。高频离子源的放电管一般用派勒克斯玻璃或石英管制作。高频场可由管外螺线管线圈产生，也可由套在管外的环形电极产生。前者称为电感耦合,后者称为电容耦合。高频振荡器频率为106～108Hz，输出功率在数百瓦以上。 从高频离子源中引出离子可有两种方式。一种是在放电管顶端插入一根钨丝作为正极，在放电管尾端装一带孔负电极，并把该孔做成管形，从中引出离子流。另一种方式是把正极做成帽形，装在引出电极附近，而放电区则在它的另一侧。不管采用哪种引出方式，金属电极都要用石英或玻璃包起来，以减少离子在金属表面的复合。 在高频放电区域中加有恒定磁场时，由于共振现象可提高放电区域中的离子浓度。有时，还在引出区域加非均匀磁场来改善引出。 所示离子源是一种低流强的小型离子源。高频放电是由电感耦合的，频率为20MHz,气耗为7.5ml/h，可引出500μA正离子束。其中原子离子占80％。引出离子束的能散只有40～50eV。