柵網(wǎng)式離子能量分析儀中柵網(wǎng)特性的模擬研究
等離子體中離子能量的分布是離子束加工技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)之一。本文基于柵網(wǎng)式離子能量測試原理，采用離子光學(xué)模擬軟件Simion7. 0 對柵網(wǎng)式離子能量分析儀的網(wǎng)格大小和網(wǎng)格間距進(jìn)行了理論分析，這兩個幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)影響著離子能量的測試。理論分析結(jié)果表明，在離子能量為800 eV 左右時，網(wǎng)格尺寸的大小會影響離子能量的測量精度，網(wǎng)格間距的大小對離子能量的測量結(jié)果幾乎不產(chǎn)生影響。本文的研究結(jié)果對柵網(wǎng)式離子能量測試裝置的設(shè)計及網(wǎng)格參數(shù)的優(yōu)化具有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。
隨著等離子體技術(shù)在薄膜沉積、材料表面改性、離子束加工等領(lǐng)域的不斷應(yīng)用和發(fā)展，準(zhǔn)確控制等離子體中離子能量的大小和分布是獲得高質(zhì)量薄膜和光學(xué)元件研究的一項重要工藝技術(shù)指標(biāo)。在薄膜沉積技術(shù)中，通過采用離子束輔助沉積技術(shù)可以提高所沉積薄膜的許多性質(zhì)，如提高膜層的致密性、提高膜層與基底之間的附著力，改善膜層表面粗糙度等。此外，離子束輔助沉積技術(shù)還可以進(jìn)一步改善薄膜內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)，降低薄膜的吸收和散射損耗，提高薄膜的抗激光損傷閾值。但是，在離子束輔助沉積光學(xué)薄膜過程中，離子能量的大小以及離子能量的分布都會對光學(xué)薄膜的特性產(chǎn)生一定的影響。因此，要獲得高質(zhì)量的薄膜就需要對離子束的能量進(jìn)行較準(zhǔn)確的測量和控制。
目前，國內(nèi)外對離子能量測量裝置的研究越來越深入。2007 年日本京都技術(shù)學(xué)院的K. Morita等研制了一種帶有熒光屏的柵網(wǎng)式等離子體能量測試儀器，并對等離子體中離子的能量進(jìn)行了測量和分析，該離子能量測量儀可以較好的分析離子能量和離子數(shù)的空間分布情況。中國，吳先球、陳俊芳等研制了一套等離子體離子能量自動分析器，可以快速獲得等離子體離子能量的分布規(guī)律。課題組前期采用五柵網(wǎng)離子能量測試儀對多種離子源的能量進(jìn)行了測試分析。然而，對于柵網(wǎng)式離子能量分析儀中網(wǎng)格大小和柵網(wǎng)間距等柵網(wǎng)特性的確定方面幾乎沒有文獻(xiàn)報道。
本文首先介紹了柵網(wǎng)式離子能量測試的原理，然后采用離子光學(xué)模擬軟件Simion7. 0 對四柵網(wǎng)離子能量分析儀中，網(wǎng)格尺寸的大小以及各個柵網(wǎng)之間的間距對離子能量的測量結(jié)果進(jìn)行了理論分析。這對于研究柵網(wǎng)式離子能量測試裝置的結(jié)果具有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。
1、實驗原理分析
1. 1、四柵網(wǎng)離子能量測試原理
柵網(wǎng)式離子能量測試儀中四柵網(wǎng)測試的原理圖如圖1 所示。測量時應(yīng)使等離子體中離子的運動方向與柵網(wǎng)式能量分析儀軸線一致，柵網(wǎng)1 接地用來減少進(jìn)入能量分析儀中的等離子體的密度，以增加德拜長度。德拜長度的表達(dá)式為
式中，Te為電子溫度，ε0為自由空間介電常數(shù)，n 為電子密度，e 為基本電荷，K 為玻爾茲曼常數(shù)。柵網(wǎng)2 上加負(fù)電壓用來排斥進(jìn)入柵網(wǎng)式離子能量分析儀中的電子。柵網(wǎng)3 上加一可變的正電壓V 用以阻滯能量小于該電壓的離子通過柵網(wǎng)，以達(dá)到靜電柵網(wǎng)選擇性阻滯的作用。柵網(wǎng)4 上加一較低的負(fù)電壓以消除離子在通過柵網(wǎng)時與柵網(wǎng)之間的碰撞所產(chǎn)生的二次電子達(dá)到收集器對測量的影響。離子源產(chǎn)生的等離子體進(jìn)入柵網(wǎng)式離子能量分析儀后，通過調(diào)節(jié)柵網(wǎng)3 上所加正偏壓V 的大小，就可以控制通過的離子能量和數(shù)目，最后，使離子能量大于柵網(wǎng)3 所加電壓數(shù)的離子通過柵網(wǎng)4 到達(dá)離子收集極。通過收集極上所收集的離子流的大小以及柵網(wǎng)3 上的電壓就可以換算出離子能量的分布及大小。
圖1 四柵網(wǎng)離子能量分析儀測試原理圖
結(jié)論
基于Simion7. 0 模擬軟件，本文根據(jù)柵網(wǎng)式離子能量測試原理分析了改變測試裝置中網(wǎng)格大小和網(wǎng)格間距對離子能量測量結(jié)果的影響。通過本文的分析可知，在離子能量分布給定范圍的情況下，如果只改變柵網(wǎng)測試裝置中網(wǎng)格大小的尺寸，將會對測量的離子能量結(jié)果準(zhǔn)確度有一定的影響; 如果固定網(wǎng)格大小，只改變網(wǎng)格間距對離子能量的測量沒有影響。本文的研究為柵網(wǎng)式離子能量測試裝置網(wǎng)格大小的設(shè)定提供理論依據(jù)，此模擬方法能夠指導(dǎo)柵網(wǎng)式測試裝置參數(shù)的優(yōu)化，以提高測試裝置的精確度。
