KRI 考夫曼離子束中和器 伯東代理

簡介

一般使用寬束的工業(yè)用KRI離子源，都會使用中和器來達到使用激發(fā)電子中和離子的目的。常用來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柵極的離子源上。若是應用在無柵極的離子源上，中和器稱為陰極中和器。標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)上安裝一個電壓計，當作中和化的探針。

再結(jié)合
電子與具有動能的離子再結(jié)合，會變成具有動能的中性粒子。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。在電漿物理中稱為＂空間充電中和化 ＂或 ＂半中性 ＂。舉例而言，試想，一個具有 500 eV 的離子束，以 10 cm 直徑的回旋前進， 而電流密度為 1mA/cm2。假如沒有電子存在時，中心軸與離子束外緣的電位差會超過 14000 V。但是這樣的電位差對 500eV的離子而言是相當不真實的。事實上，電位差將會從 14000 V 降到 140 V，因為平均每 99 個電子將會被作為中和 100 個離子之用。以實驗來看，離子束的電位會隨著電子數(shù)的不足而增加。當離子電位相對外圍硬件有 200 V 的差異時，在離子源與硬件之間就會產(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，可以視為在真空腔體內(nèi)，在極短的時間內(nèi)放出1-2mm 長的閃電，進行中和的效果。當中和化的效果相當缺乏時，這樣的電弧放電就會持續(xù)進行，就會看到有明顯的電弧出現(xiàn)。這樣的電弧就會造成工件的損壞，甚至也會有明顯的顆粒沉積在工件上。

當離子能量小于 200 eV時，這樣的離子束會變得非常發(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，離子源將會終止反應?？偟膩碚f，當離子源在正常的情形下操作，離子束將會被空間充電中和化。即使，離子束的電位已經(jīng)足夠進行中和化的放電，在同一體積內(nèi)，相同電子數(shù)與離子數(shù)的差異將會非常小。

中和電流

當激發(fā)的電子數(shù)目與離子數(shù)相當時，就表示達到中和電流。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。而在無柵極的離子源中，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。

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

實際條件：

接地的靶材，接地的腔體壁

假如靶材與地是相導通的，則中和化的需求就會比較單純。只要將被導體表面所吸附而損失的電子數(shù)量加以補充的話，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，將會幫忙補充損失的電子，但是，通常都需要一些激發(fā)電流來避免中和化所產(chǎn)生的放電。建議，激發(fā)電流要在中和電流的 +/- 10%之內(nèi)。但是它不像是因為放電所造成的破壞，這會發(fā)生在沒有不足大于50%或是超過大于 時。

電性絕緣靶材，接地的腔體壁

靶材有可能因為是介電質(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，一般認為是接地的。真空腔體里充滿了電荷交換的電漿。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%。若是靶材上的過量電荷沒有被中和的話，過量的激發(fā)電流將會被導引到腔體壁上。

對荷敏感的靶材，接地的腔體壁

這個應用通常與前述的應用相似。除非這個靶材也是對靜電荷的傷害也是很靈敏的。以初步的建議來說，激發(fā)電流應該介于中和電流與其 5% 之間。依照 圖1 的方法來做電性絕緣靶材的電位檢查。從開始到結(jié)束，全程量測電位的變化，以作為制程的調(diào)整，避免傷害。假如傷害持續(xù)發(fā)生，靶材的電位應維持與接地 +/- 5% 的范圍內(nèi)，或者接近這個值。有時候你會發(fā)現(xiàn)，即使激發(fā)電流超過 10-20%也不會有問題發(fā)生。假如離子束中含有氧離子，使用石墨當靶材，可以延遲因為石墨的鍍膜而形成介電層。

介電質(zhì)鍍膜，介電質(zhì)鍍在腔體壁上

在介電質(zhì)鍍膜中，介電質(zhì)通常都會鍍在腔體壁上。這樣的結(jié)果，這樣的電荷交換電漿就沒辦法提供過量的電子提供適當?shù)膶щ娐窂?，且相當少量的激發(fā)電流電子出現(xiàn)時，會造成電漿的破壞。激發(fā)電流的值需要在中和電流的 +/-5%之內(nèi)。假如對顯示讀值有疑慮時，就要針對讀值做校正。假如可能的話，所有接地端，由其是與離子源靠近的地方，都可能會與電荷交換電漿做接觸。但是這樣的區(qū)域，將會因為鍍膜角度的關(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，這樣就可以降低工件的損傷，也會增加超量激發(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，但是操作條件又是正常的情形下，請檢查電流值。有時候在新機臺上會比較大的差異。熱燈絲中和器必須安置在離子源中，以提供適當?shù)碾娮咏o離子。其他類型的中和器則不會對放置位置有明顯的差異。