常用的離子源(如kaufman離子源)都需用柵網(wǎng)組成的離子光學系統(tǒng)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(fā)散的離子束。因此需要四組以上的電源來實現(xiàn)等離子體的產(chǎn)生,柵網(wǎng)系統(tǒng)的偏壓和提供中和電子等。由于離子對柵網(wǎng)的濺射會侵蝕柵網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)離子源可以完全克服上述問題。

表2 傳統(tǒng)離子源和無柵網(wǎng)離子束源優(yōu)缺點比較

        無柵網(wǎng)離子束源是1997年由AE公司首先實現(xiàn)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(chǎn)此類產(chǎn)品。與kaufman等傳統(tǒng)離子源相比,無柵網(wǎng)離子源沒有燈絲或空心陰極這樣的電子發(fā)射結構,未采用柵網(wǎng)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(xiàn)離子的產(chǎn)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(yōu)點。

       無柵網(wǎng)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(qū)域產(chǎn)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(chǎn)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(shù)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(qū)域就限制在了磁極間隙W(2～4mm) 范圍內,離子產(chǎn)生和加速發(fā)生在陰極(由不銹鋼構成)附近,由于電場強度比較大,離子產(chǎn)生之后就會在下一次碰撞之前飛出放電區(qū)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(qū)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(wǎng)離子源的工作原理