栅网式离子能量分析仪中栅网特性的模拟研究
等离子体中离子能量的分布是离子束加工技术的关键参数之一。本文基于栅网式离子能量测试原理，采用离子光学模拟软件Simion7. 0 对栅网式离子能量分析仪的网格大小和网格间距进行了理论分析，这两个几何结构参数影响着离子能量的测试。理论分析结果表明，在离子能量为800 eV 左右时，网格尺寸的大小会影响离子能量的测量精度，网格间距的大小对离子能量的测量结果几乎不产生影响。本文的研究结果对栅网式离子能量测试装置的设计及网格参数的优化具有重要的理论和实践指导意义。
随着等离子体技术在薄膜沉积、材料表面改性、离子束加工等领域的不断应用和发展，准确控制等离子体中离子能量的大小和分布是获得高质量薄膜和光学元件研究的一项重要工艺技术指标。在薄膜沉积技术中，通过采用离子束辅助沉积技术可以提高所沉积薄膜的许多性质，如提高膜层的致密性、提高膜层与基底之间的附着力，改善膜层表面粗糙度等。此外，离子束辅助沉积技术还可以进一步改善薄膜内部微观组织结构，降低薄膜的吸收和散射损耗，提高薄膜的抗激光损伤阈值。但是，在离子束辅助沉积光学薄膜过程中，离子能量的大小以及离子能量的分布都会对光学薄膜的特性产生一定的影响。因此，要获得高质量的薄膜就需要对离子束的能量进行较准确的测量和控制。
目前，国内外对离子能量测量装置的研究越来越深入。2007 年日本京都技术学院的K. Morita等研制了一种带有荧光屏的栅网式等离子体能量测试仪器，并对等离子体中离子的能量进行了测量和分析，该离子能量测量仪可以较好的分析离子能量和离子数的空间分布情况。中国，吴先球、陈俊芳等研制了一套等离子体离子能量自动分析器，可以快速获得等离子体离子能量的分布规律。课题组前期采用五栅网离子能量测试仪对多种离子源的能量进行了测试分析。然而，对于栅网式离子能量分析仪中网格大小和栅网间距等栅网特性的确定方面几乎没有文献报道。
本文首先介绍了栅网式离子能量测试的原理，然后采用离子光学模拟软件Simion7. 0 对四栅网离子能量分析仪中，网格尺寸的大小以及各个栅网之间的间距对离子能量的测量结果进行了理论分析。这对于研究栅网式离子能量测试装置的结果具有重要的理论和实践指导意义。
1、实验原理分析
1. 1、四栅网离子能量测试原理
栅网式离子能量测试仪中四栅网测试的原理图如图1 所示。测量时应使等离子体中离子的运动方向与栅网式能量分析仪轴线一致，栅网1 接地用来减少进入能量分析仪中的等离子体的密度，以增加德拜长度。德拜长度的表达式为
式中，Te为电子温度，ε0为自由空间介电常数，n 为电子密度，e 为基本电荷，K 为玻尔兹曼常数。栅网2 上加负电压用来排斥进入栅网式离子能量分析仪中的电子。栅网3 上加一可变的正电压V 用以阻滞能量小于该电压的离子通过栅网，以达到静电栅网选择性阻滞的作用。栅网4 上加一较低的负电压以消除离子在通过栅网时与栅网之间的碰撞所产生的二次电子达到收集器对测量的影响。离子源产生的等离子体进入栅网式离子能量分析仪后，通过调节栅网3 上所加正偏压V 的大小，就可以控制通过的离子能量和数目，最后，使离子能量大于栅网3 所加电压数的离子通过栅网4 到达离子收集极。通过收集极上所收集的离子流的大小以及栅网3 上的电压就可以换算出离子能量的分布及大小。
图1 四栅网离子能量分析仪测试原理图
结论
基于Simion7. 0 模拟软件，本文根据栅网式离子能量测试原理分析了改变测试装置中网格大小和网格间距对离子能量测量结果的影响。通过本文的分析可知，在离子能量分布给定范围的情况下，如果只改变栅网测试装置中网格大小的尺寸，将会对测量的离子能量结果准确度有一定的影响; 如果固定网格大小，只改变网格间距对离子能量的测量没有影响。本文的研究为栅网式离子能量测试装置网格大小的设定提供理论依据，此模拟方法能够指导栅网式测试装置参数的优化，以提高测试装置的精确度。
