RF-CCP(电容耦合) 和RF-ICP(感应耦合)离子源的结构原理

RF-CCP(电容耦合)离子源

       如图2所示,电容耦合方式是由接地的放电室(由复合系数很小的材料如石英做成)和引入的驱动电极作为耦合元件。驱动电极上镀有溅射产额较低的陶瓷材料以减少离子的对阴极材料的溅射。当与电源接通后,在放电室和驱动电极之间产生高频电场,自由电子在此作用下做上下往复运动,并激发放电。由于电子的自由程远大于放电室的尺寸,因此主要靠它们从管壁上打出的二次电子而获得倍增,后者成为这种放电的维持者,而由气体电离所产生的二次电子将起次要作用。

图2 射频电容耦合离子源

       电容耦合产生的几百伏的鞘层电压,会导致放电室内部元件的快速溅射,同时影响离子轨迹,使离子束均匀性和准直性变差。

RF-ICP(感应耦合)离子源

       射频ICP源的发射天线绕在电绝缘的石英放电室外边,当通过匹配网络将射频功率加到线圈上时,线圈中就有射频电流通过,于是产生射频磁通,并且在放电室内部沿着轴向感应出射频电场,其中的电子被电场加速,从而产生等离子体,同时线圈的能量被耦合到等离子体中。等离子体产生区的等离子体能量为

Ep=nekTeV(2)

       其中,ne=ni为电子密度,考虑到引出面上的等离子体是由等离子区中心扩散过来的,这里的扩散速度要比引出速度低得多,即平均等离子体密度要比引出面上高得多;Te为等离子体电子温度;V为等离子体体积。

图3 射频感应耦合离子源原理(a)和结构剖面图(b)

       图3是Vecco公司典型射频ICP离子源的原理和剖面图,石英放电室外面是水冷的螺旋射频线圈,低能电子沿着平行放电室壁方向做螺旋线运动,被感应耦合电场加速,这样减小了电子损耗,增加了电离几率。为了保证等离子体的均匀性,气体被石英扩散器沿周向引入放电室,由于离子束流密度直接与等离子体密度和电子温度均方根成正比,根据螺旋射频线圈和射频趋肤效应(skin effect),温度较高的电子分布在放电室壁外周,补偿了因放电室壁处等离子密度的减小,有利于提高离子束的均匀性和准直性。