考夫曼离子源

1、目录基本结构工作原理性能特点应用实例基本结构基本结构Kaufman 离子源是最早出现、最基本的离子源,原理结构如图1所示,阴极(Cathode)、阳极(Anode)、栅极(Grids)、放电室圆筒构成气体放电室(Discharge Chamber),栅极构成离子光学系统。放电室筒外设置磁铁,通过磁路使磁力线穿过放电室,磁力线从阳极向栅极方向发散并布满栅极,栅极极靴收集磁力线回到磁铁。基本结构示意图工作原理工作原理从阴极(普通为直热式灯丝，也可采用带有氧化物发射体作为插入件的空心阴极)发射出来的电子，经过阴极鞘层被加速获得相应于等离子体与阴极之间电位差的能量。等离子体的电位接近于阳极电位，只高几

2、伏。这类高速电子与从进气口均匀进入放电室的气体原子相碰撞形成等离子体。形成的离子少部份被离子光学系统拔出形成离子束，大部分离子则要和壁面复合。碰撞后形成的慢电子则作为等离子体电子存在。 为了构成放电通路，该类慢电子必须通过扩散到达阳极被阳极接收。部分中性气体原子也要从离子光学系统中逸出。真空室中部分气体原子则也要通过离子光学系统返流进入离子源。为了延长高速电子的自由程，阻止电子迅速飞回阳极复合，需要使用磁场来限制电子运动。原初电子区阴极材料由电子发射性能较好的难熔金属W或Ta构成,发射的原初电子密度由灯丝的温度(即阴极电流)控制。热阴极在阳极电场作用下发射电子,由于阳极前有磁力线横过,阴极发射

3、的绝大部分原初电子不能直接打到阳极,只有沿着磁力线可直达阳极的小部分原初电子和大量的低能、回旋半径较大的麦氏电子才能被阳极吸收。原初电子被限制在阴极平面、与阳极直接相交的磁力线和屏栅围成的边界内,这个区域称为原初电子区。阴极发射的原初电子可在此进行有效的电离过程,因此等离子体也基本限制在这个区域内。考夫曼离子源放电效率的提高考夫曼离子源一般采用低磁场的轴向发散场及多磁极场。在发散场中电子沿发散的轴向磁力线作螺旋运动并来回振荡。在多极磁场中沿着放电室四壁布置了软铁片制成的磁极靴，将磁钢夹在磁极之间，并使相邻的磁钢极性相反。于是，在放电室四壁构成了电子磁障，高速电子受到磁障的反射将不能到达阳极，从

4、而延长了高速电子的自由程，提高了放电效率。离子束的形成放电室中产生的离子向所有的边界扩散,并且在等离子体与栅极附件形成弓形离子鞘,经栅极离子光学系统加速引出放电室形成离子束。性能特点考夫曼离子源是应用较早的离子源。属于栅格式离子源。首先由阴极在离子源内腔产生等离子体，让后由两层或三层阳极栅格将离子从等离子腔体中抽取出来。这种离子源产生的离子方向性强，离子能量带宽集中，可广泛应用于真空镀膜中。缺点是阴极（往往是钨丝）在反应气体中很快就烧掉了，另外就是离子流量有极限，对需要大离子流量的用户可能不适和。Kaufman离子源具有较宽的工作状态,在Ar作为工作气体时,阴极灯丝具有较长寿命和较稳定的工作状态。但是灯丝的消耗会对基片带来污染,而使用氧气和反应气体时,兼容性差,灯丝寿命和稳定性会大大下降,同时产生的C、F 沉积构成的绝缘层会导致离子源不能正常工作。各类离子源的优缺点比较考