上海伯东 KRI 考夫曼离子束中和器

简介

一般使用宽束的工业用KRI离子源，都会使用中和器来达到使用激发电子中和离子的目的。常用来做中和器的像是热灯丝，电浆桥，或是中空阴极。图1的架构可适用于有栅极及无栅极的离子源上。若是应用在无栅极的离子源上，中和器称为阴极中和器。标的物可以是溅镀的靶材或是要被蚀刻的基材。在图1的架构上安装一个电压计，当作中和化的探针。

再结合
电子与具有动能的离子再结合，会变成具有动能的中性粒子。发生的压力在1mtorr 以下。

空间充电中和化

在离子源中，电子的密度几乎与离子的密度相当。在电浆物理中称为＂空间充电中和化 ＂或 ＂半中性 ＂。举例而言，试想，一个具有 500 eV 的离子束，以 10 cm 直径的回旋前进， 而电流密度为 1mA/cm2。假如没有电子存在时，中心轴与离子束外缘的电位差会超过 14000 V。但是这样的电位差对 500eV的离子而言是相当不真实的。事实上，电位差将会从 14000 V 降到 140 V，因为平均每 99 个电子将会被作为中和 100 个离子之用。以实验来看，离子束的电位会随着电子数的不足而增加。当离子电位相对外围硬件有 200 V 的差异时，在离子源与硬件之间就会产生小小的电弧放电。这样的放电效果可以提供足够的电子，以避免电位的增加。这样中和性的放电效应，可以视为在真空腔体内，在极短的时间内放出1-2mm 长的闪电，进行中和的效果。当中和化的效果相当缺乏时，这样的电弧放电就会持续进行，就会看到有明显的电弧出现。这样的电弧就会造成工件的损坏，甚至也会有明显的颗粒沉积在工件上。

当离子能量小于 200 eV时，这样的离子束会变得非常发散的，或者在离子束电位增加到足以产生中和化的电弧时，离子源将会终止反应。总的来说，当离子源在正常的情形下操作，离子束将会被空间充电中和化。即使，离子束的电位已经足够进行中和化的放电，在同一体积内，相同电子数与离子数的差异将会非常小。

中和电流

当激发的电子数目与离子数相当时，就表示达到中和电流。在有栅极的离子源中，中和电流是发生在中和器激发出的电流与离子束电流相当。而在无栅极的离子源中，则是发生在阴极中和器激发出的电流与发射电流相当。

阴极中和器在靶材电位上的激发电流效果，如图2所示。这是一个无栅极式end-hall离子源，当发射电流为 5安培 时，所得到的情形。靶材电位以图1的方式量测。当中和电流(-2V)时，电位接近地位(grounding)，当激发电流过多时，电位会缓慢的降低，但是激发电流不足时，电位就会快速增加。靶材的面积只有 2 cm2，距离离子源 30 cm。靶材的电位变化会大于靶材表面捕捉的离子束。与靶材的尺寸无关，中和电流会造成电性绝缘的靶材接近好的电位的效果。

实际条件：

接地的靶材，接地的腔体壁

假如靶材与地是相导通的，则中和化的需求就会比较单纯。只要将被导体表面所吸附而损失的电子数量加以补充的话，就可以了。经由离子与接地表面碰撞后所产生的二次电子，将会帮忙补充损失的电子，但是，通常都需要一些激发电流来避免中和化所产生的放电。建议，激发电流要在中和电流的 +/- 10%之内。但是它不像是因为放电所造成的破坏，这会发生在没有不足大于50%或是超过大于100%时。

电性绝缘靶材，接地的腔体壁

靶材有可能因为是介电质材质，或是表面镀了一层介电质，或是其他原因，所以变成电性的绝缘体。腔体壁或是溅镀靶的遮蔽工件，一般认为是接地的。真空腔体里充满了电荷交换的电浆。这样的电浆提供了从离子束到腔体壁的电导性。在此建议，激发电流要比中和电流多 10%。若是靶材上的过量电荷没有被中和的话，过量的激发电流将会被导引到腔体壁上。

对荷敏感的靶材，接地的腔体壁

这个应用通常与前述的应用相似。除非这个靶材也是对静电荷的伤害也是很灵敏的。以初步的建议来说，激发电流应该介于中和电流与其 5% 之间。依照 图1 的方法来做电性绝缘靶材的电位检查。从开始到结束，全程量测电位的变化，以作为制程的调整，避免伤害。假如伤害持续发生，靶材的电位应维持与接地 +/- 5% 的范围内，或者接近这个值。有时候你会发现，即使激发电流超过 10-20%也不会有问题发生。假如离子束中含有氧离子，使用石墨当靶材，可以延迟因为石墨的镀膜而形成介电层。

介电质镀膜，介电质镀在腔体壁上

在介电质镀膜中，介电质通常都会镀在腔体壁上。这样的结果，这样的电荷交换电浆就没办法提供过量的电子提供适当的导电路径，且相当少量的激发电流电子出现时，会造成电浆的破坏。激发电流的值需要在中和电流的 +/-5%之内。假如对显示读值有疑虑时，就要针对读值做校正。假如可能的话，所有接地端，由其是与离子源靠近的地方，都可能会与电荷交换电浆做接触。但是这样的区域，将会因为镀膜角度的关系被阴影遮蔽，或是成为溅镀遮蔽的一部分。假如这样区域可以维持的话，这样就可以降低工件的损伤，也会增加超量激发电子的容许度。

故障排除

假如中和性的放电和靶材的损坏是明显可见，但是操作条件又是正常的情形下，请检查电流值。有时候在新机台上会比较大的差异。热灯丝中和器必须安置在离子源中，以提供适当的电子给离子。其他类型的中和器则不会对放置位置有明显的差异。