常用的離子源(如kaufman離子源)都需用柵網組成的離子光學系統來從等離子體中引出并加速離子形成具有一定能量的準直或發散的離子束。因此需要四組以上的電源來實現等離子體的產生,柵網系統的偏壓和提供中和電子等。由于離子對柵網的濺射會侵蝕柵網系統并污染工藝過程,同時不利于獲得大面積的離子束。而無柵網離子源可以完全克服上述問題。

表2 傳統離子源和無柵網離子束源優缺點比較

        無柵網離子束源是1997年由AE公司首先實現商品化的新型離子源,目前包括美國的Vecco,德國的IOM公司,英國的Vacutron技術公司生產此類產品。與kaufman等傳統離子源相比,無柵網離子源沒有燈絲或空心陰極這樣的電子發射結構,未采用柵網來對離子加速至所需能量,僅用一套電源獲得的陽極偏壓來實現離子的產生、加速和等離子體中電子的返回路徑。這樣使之具有結構簡單、價格低廉、便于維護,與反應氣體兼容,并易于獲得大面積的離子束等優點。

       無柵網離子源的工作原理類似于磁控濺射(如圖5(a)示),陽極偏壓在磁力線束縛電子的區域產生高密度等離子體(high ne ionization region),離子的飛行軌跡不受磁場的影響,在偏壓VDC作用下加速向陰極飛行,在開口處形成能量為VDC離子束,而其他的離子則在陰極上產生濺射,這樣降低了束流密度,并破壞了陰極。而圖5(b)的設計很好的消除了陰極濺射,使等離子體中的大多數離子形成離子束。軟鐵制成的陰極本身就是磁極,這樣離化區域就限制在了磁極間隙W(2～4mm) 范圍內,離子產生和加速發生在陰極(由不銹鋼構成)附近,由于電場強度比較大,離子產生之后就會在下一次碰撞之前飛出放電區域,這樣離子大都是單電荷。在磁極間隙的狹縫中磁場必須足夠強,以限制電子橫向運動,控制低壓下輝光放電隨電子漂移的濃度。電子拉莫爾半徑要明顯小于磁隙寬度W,以保證電子向陽極的緩慢漂移,離子拉莫爾必須大于磁隙寬度保證離子在電場中的加速,以此獲得較小束散角的離子束。

      為了限制離化區域,放電的溝道長度λ要遠遠小于溝道寬度W,陰極邊緣設計為一定的斜度來降低對陰極濺射。一般情況下,增加氣體壓力可以增加離化幾率,進而增加束流密度。

圖5 漂移限定的無柵網離子源的工作原理