RF-CCP(電容耦合)離子源

       如圖2所示,電容耦合方式是由接地的放電室(由復合系數很小的材料如石英做成)和引入的驅動電極作為耦合元件。驅動電極上鍍有濺射產額較低的陶瓷材料以減少離子的對陰極材料的濺射。當與電源接通后,在放電室和驅動電極之間產生高頻電場,自由電子在此作用下做上下往復運動,并激發放電。由于電子的自由程遠大于放電室的尺寸,因此主要靠它們從管壁上打出的二次電子而獲得倍增,后者成為這種放電的維持者,而由氣體電離所產生的二次電子將起次要作用。

圖2 射頻電容耦合離子源

       電容耦合產生的幾百伏的鞘層電壓,會導致放電室內部元件的快速濺射,同時影響離子軌跡,使離子束均勻性和準直性變差。

RF-ICP(感應耦合)離子源

       射頻ICP源的發射天線繞在電絕緣的石英放電室外邊,當通過匹配網絡將射頻功率加到線圈上時,線圈中就有射頻電流通過,于是產生射頻磁通,并且在放電室內部沿著軸向感應出射頻電場,其中的電子被電場加速,從而產生等離子體,同時線圈的能量被耦合到等離子體中。等離子體產生區的等離子體能量為

Ep=nekTeV(2)

       其中,ne=ni為電子密度,考慮到引出面上的等離子體是由等離子區中心擴散過來的,這里的擴散速度要比引出速度低得多,即平均等離子體密度要比引出面上高得多;Te為等離子體電子溫度;V為等離子體體積。

圖3 射頻感應耦合離子源原理(a)和結構剖面圖(b)

       圖3是Vecco公司典型射頻ICP離子源的原理和剖面圖,石英放電室外面是水冷的螺旋射頻線圈,低能電子沿著平行放電室壁方向做螺旋線運動,被感應耦合電場加速,這樣減小了電子損耗,增加了電離幾率。為了保證等離子體的均勻性,氣體被石英擴散器沿周向引入放電室,由于離子束流密度直接與等離子體密度和電子溫度均方根成正比,根據螺旋射頻線圈和射頻趨膚效應(skin effect),溫度較高的電子分布在放電室壁外周,補償了因放電室壁處等離子密度的減小,有利于提高離子束的均勻性和準直性。