KRI 考夫曼離子束中和器 伯東代理

簡(jiǎn)介

一般使用寬束的工業(yè)用KRI離子源，都會(huì)使用中和器來(lái)達(dá)到使用激發(fā)電子中和離子的目的。常用來(lái)做中和器的像是熱燈絲，電漿橋，或是中空陰極。圖1的架構(gòu)可適用于有柵極及無(wú)柵極的離子源上。若是應(yīng)用在無(wú)柵極的離子源上，中和器稱(chēng)為陰極中和器。標(biāo)的物可以是濺鍍的靶材或是要被蝕刻的基材。在圖1的架構(gòu)上安裝一個(gè)電壓計(jì)，當(dāng)作中和化的探針。

再結(jié)合
電子與具有動(dòng)能的離子再結(jié)合，會(huì)變成具有動(dòng)能的中性粒子。發(fā)生的壓力在1mtorr 以下。

空間充電中和化

在離子源中，電子的密度幾乎與離子的密度相當(dāng)。在電漿物理中稱(chēng)為＂空間充電中和化 ＂或 ＂半中性 ＂。舉例而言，試想，一個(gè)具有 500 eV 的離子束，以 10 cm 直徑的回旋前進(jìn)， 而電流密度為 1mA/cm2。假如沒(méi)有電子存在時(shí)，中心軸與離子束外緣的電位差會(huì)超過(guò) 14000 V。但是這樣的電位差對(duì) 500eV的離子而言是相當(dāng)不真實(shí)的。事實(shí)上，電位差將會(huì)從 14000 V 降到 140 V，因?yàn)槠骄?99 個(gè)電子將會(huì)被作為中和 100 個(gè)離子之用。以實(shí)驗(yàn)來(lái)看，離子束的電位會(huì)隨著電子數(shù)的不足而增加。當(dāng)離子電位相對(duì)外圍硬件有 200 V 的差異時(shí)，在離子源與硬件之間就會(huì)產(chǎn)生小小的電弧放電。這樣的放電效果可以提供足夠的電子，以避免電位的增加。這樣中和性的放電效應(yīng)，可以視為在真空腔體內(nèi)，在極短的時(shí)間內(nèi)放出1-2mm 長(zhǎng)的閃電，進(jìn)行中和的效果。當(dāng)中和化的效果相當(dāng)缺乏時(shí)，這樣的電弧放電就會(huì)持續(xù)進(jìn)行，就會(huì)看到有明顯的電弧出現(xiàn)。這樣的電弧就會(huì)造成工件的損壞，甚至也會(huì)有明顯的顆粒沉積在工件上。

當(dāng)離子能量小于 200 eV時(shí)，這樣的離子束會(huì)變得非常發(fā)散的，或者在離子束電位增加到足以產(chǎn)生中和化的電弧時(shí)，離子源將會(huì)終止反應(yīng)?？偟膩?lái)說(shuō)，當(dāng)離子源在正常的情形下操作，離子束將會(huì)被空間充電中和化。即使，離子束的電位已經(jīng)足夠進(jìn)行中和化的放電，在同一體積內(nèi)，相同電子數(shù)與離子數(shù)的差異將會(huì)非常小。

中和電流

當(dāng)激發(fā)的電子數(shù)目與離子數(shù)相當(dāng)時(shí)，就表示達(dá)到中和電流。在有柵極的離子源中，中和電流是發(fā)生在中和器激發(fā)出的電流與離子束電流相當(dāng)。而在無(wú)柵極的離子源中，則是發(fā)生在陰極中和器激發(fā)出的電流與發(fā)射電流相當(dāng)。

陰極中和器在靶材電位上的激發(fā)電流效果，如圖2所示。這是一個(gè)無(wú)柵極式end-hall離子源，當(dāng)發(fā)射電流為 5A 時(shí)，所得到的情形。靶材電位以圖1的方式量測(cè)。當(dāng)中和電流(-2V)時(shí)，電位接近地位(grounding)，當(dāng)激發(fā)電流過(guò)多時(shí)，電位會(huì)緩慢的降低，但是激發(fā)電流不足時(shí)，電位就會(huì)快速增加。靶材的面積只有 2 cm2，距離離子源 30 cm。靶材的電位變化會(huì)大于靶材表面捕捉的離子束。與靶材的尺寸無(wú)關(guān)，中和電流會(huì)造成電性絕緣的靶材接近 佳電位的效果。

實(shí)際條件：

接地的靶材，接地的腔體壁

假如靶材與地是相導(dǎo)通的，則中和化的需求就會(huì)比較單純。只要將被導(dǎo)體表面所吸附而損失的電子數(shù)量加以補(bǔ)充的話(huà)，就可以了。經(jīng)由離子與接地表面碰撞后所產(chǎn)生的二次電子，將會(huì)幫忙補(bǔ)充損失的電子，但是，通常都需要一些激發(fā)電流來(lái)避免中和化所產(chǎn)生的放電。建議，激發(fā)電流要在中和電流的 +/- 10%之內(nèi)。但是它不像是因?yàn)榉烹娝斐傻钠茐?，這會(huì)發(fā)生在沒(méi)有不足大于50%或是超過(guò)大于 時(shí)。

電性絕緣靶材，接地的腔體壁

靶材有可能因?yàn)槭墙殡娰|(zhì)材質(zhì)，或是表面鍍了一層介電質(zhì)，或是其他原因，所以變成電性的絕緣體。腔體壁或是濺鍍靶的遮蔽工件，一般認(rèn)為是接地的。真空腔體里充滿(mǎn)了電荷交換的電漿。這樣的電漿提供了從離子束到腔體壁的電導(dǎo)性。在此建議，激發(fā)電流要比中和電流多 10%。若是靶材上的過(guò)量電荷沒(méi)有被中和的話(huà)，過(guò)量的激發(fā)電流將會(huì)被導(dǎo)引到腔體壁上。

對(duì)荷敏感的靶材，接地的腔體壁

這個(gè)應(yīng)用通常與前述的應(yīng)用相似。除非這個(gè)靶材也是對(duì)靜電荷的傷害也是很靈敏的。以初步的建議來(lái)說(shuō)，激發(fā)電流應(yīng)該介于中和電流與其 5% 之間。依照 圖1 的方法來(lái)做電性絕緣靶材的電位檢查。從開(kāi)始到結(jié)束，全程量測(cè)電位的變化，以作為制程的調(diào)整，避免傷害。假如傷害持續(xù)發(fā)生，靶材的電位應(yīng)維持與接地 +/- 5% 的范圍內(nèi)，或者接近這個(gè)值。有時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使激發(fā)電流超過(guò) 10-20%也不會(huì)有問(wèn)題發(fā)生。假如離子束中含有氧離子，使用石墨當(dāng)靶材，可以延遲因?yàn)槭腻兡ざ纬山殡妼印?/p>

介電質(zhì)鍍膜，介電質(zhì)鍍?cè)谇惑w壁上

在介電質(zhì)鍍膜中，介電質(zhì)通常都會(huì)鍍?cè)谇惑w壁上。這樣的結(jié)果，這樣的電荷交換電漿就沒(méi)辦法提供過(guò)量的電子提供適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電路徑，且相當(dāng)少量的激發(fā)電流電子出現(xiàn)時(shí)，會(huì)造成電漿的破壞。激發(fā)電流的值需要在中和電流的 +/-5%之內(nèi)。假如對(duì)顯示讀值有疑慮時(shí)，就要針對(duì)讀值做校正。假如可能的話(huà)，所有接地端，由其是與離子源靠近的地方，都可能會(huì)與電荷交換電漿做接觸。但是這樣的區(qū)域，將會(huì)因?yàn)殄兡そ嵌鹊年P(guān)系被陰影遮蔽，或是成為濺鍍遮蔽的一部分。假如這樣區(qū)域可以維持的話(huà)，這樣就可以降低工件的損傷，也會(huì)增加超量激發(fā)電子的容許度。

故障排除

假如中和性的放電和靶材的損壞是明顯可見(jiàn)，但是操作條件又是正常的情形下，請(qǐng)檢查電流值。有時(shí)候在新機(jī)臺(tái)上會(huì)比較大的差異。熱燈絲中和器必須安置在離子源中，以提供適當(dāng)?shù)碾娮咏o離子。其他類(lèi)型的中和器則不會(huì)對(duì)放置位置有明顯的差異。