静电聚焦空心阴极离子枪研究

发布时间：2020-03-30 14:55

【摘要】：近年来,随着半导体工业和微细加工行业快速发展,聚焦离子束因其优异的性能得到行业的广泛认可。离子束穿过固体时有很强的直进性,也因此在微细加工性能上优于电子束与激光束。目前离子源主要包括气体电离等离子体离子源、液态金属离子源等。空心阴极离子枪是以低压惰性气体放电产生的等离子体作为离子源,从等离子体边界将离子提取出来并聚焦形成离子束,具有束流大、寿命长、结构简单、易于控制等优点。本文对空心阴极离子枪进行了研究,主要工作如下:(1)用OPERA-3D软件模拟了空心阴极离子枪的性能,该离子枪包含空心阴极、栅极、聚焦极和收集极。其中聚焦极采用单电位透镜结构,包括三个电极(聚焦极1、聚焦极2和聚焦极3)。通过改变各聚焦极的电位、孔径和位置,能够有效的调控空心阴极离子枪的束斑尺寸。模拟结果表明:当栅极孔径1.6mm,电压-300V;聚焦极1和3的孔径16mm,电压-10000V,聚焦极2孔径28 mm,电压-800V;阳极电压-10000V,离子枪的理论束流为123.19μA,收集极束斑半径为0.27mm,满足设计要求。(2)根据模拟结果,制备所需空心阴极,并对空心阴极发射性能进行测试,得出放电氙气流量与触发极和阳极电压的关系,随着氙气流量增加,触发极电压慢慢的减小,由于触发极主要是参与空心阴极点火过程,点火过程中气体电离,产生越来越多的等离子体,恒流情况下,触发极电压就减小,点火成功后,逐渐形成一个稳定的放电环境,触发极电压变化不大。在氙气流量为0.6sccm-0.7sccm时阳极电压最大。由于氙气流量比较小时,粒子碰撞概率比较低,引出恒定电流的电压就比较大。随着氙气流量的增大,粒子的碰撞概率增大,碰撞后电子密度变大,引出恒定电流时,电压就比较小。氙气流量继续增大后,粒子的碰撞概率更大了,但是热电子能量不断减小,导致阳极电压减小的速度放缓。测试结果表明,该空心阴极能够实现稳定放电,满足实验所需。(3)利用OPERA-3D软件的仿真结果和制备的空心阴极,设计空心阴极离子枪各电极,并对离子枪进行装配和性能测试。在收集极电压为-1000V时,测得离子束电流与栅极电压、氙气流量之间的关系。当氙气流量为0.9sccm时,获得最大离子束流为122μA,对硅片刻蚀2小时后,刻蚀束斑大小约为1mm。
【图文】：

离子枪示意图

放电区示意图
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O462.5

【参考文献】

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本文编号：2607694