Ion Current Density Calculation of the Inductive Radio Frequency Ion Source

(1)

ч

. .

*

_,

. .

,

_{. .}

, . .

а

А

а ы, .

ав в ая

, 58, 40030

,

ы,

а а

( 30.03.2012; – 17.09.2012; online 30.10.2012)

( ) ,

27,12 . , ,

-

. ,

30 35 100

-- 7 40 / 2,

43 / 2_.

15 85 / 2 100

- .

юч : , , , .

PACS numbers: 41.75.Ak, 52.50.Qt, 52.80.Pi

______________

*

_{vozny@ipflab.sumy.ua}

1. -

.

,

-.

(ion milling)

,

-,

.

,

-,

.

[1, 2].

,

-,

.

(

)

,

:

,

.

,

.

-

,

-,

[3-

5].

--

[6

-11]

.

-,

,

27,12

:

(

-),

--

.

-H

+

_He

+

.

--

Ar

-.

-

,

-

,

.

2. Ч

,

-,

-

[12].

n

e

-T

e

.

,

n

e

,

n

s

.

-

.

(2)

.

[12]:

P

abs =

n

s

u

b

AE

t,

(1)

P

abs

–

,

n

s

–

-

-,

u

b = (

kT

e/

M

)

1/2

–

-

,

k

–

-,

T

e

–

,

M

–

,

A

–

,

E

t

–

,

.

n

s

,

-A

eff

,

∫n

s

dA

=

n

e

A

eff

,

n

e

–

-.

-R

L

A

eff

:

A

eff =

2 R

(

Lh

R +

Rh

L)

,

h

L =

n

sL/

n

e

h

R =

n

sR/

n

e

–

,

-n

sL

(

n

sR)

.

,



i

,

h

L

h

R

[12]:

h

L = 0,86

(3 +

L

/2



i) - 1/2

_,

_h

_{R = 0,8(4 +}

_R

_/



_i) - 1/2

.

-

i = 1/

n

g

σ

i,



i

–

-,

n

g

–

.

--

:

.



i

= 10

-18 2

-T

i ~0,05

.

p

(

)

n

g

= 3,

3·10

19

p

,

– 3

,

-

i

=

1 /

33p

, [12].

(1)

,

-n

e

[12]:

n

e =

P

abs/

u

b

A

eff

E

t.

(2)

E

t

,

[12]:

E

t =

E

ew +

E

iw +

E

c

,

E

ew =

2kT

e

–

-,

;

E

iw

–

,

E

c

–

-,

--

.

E

iw

,

V

s

.

,

u

b

,

kT

e/

2 .

,

E

iw =

eV

s +

kT

e/

2 ,

e

–

.

V

s

-,

V

s = (

kT

e/2

e

)

ln

(

M

m

e

),

m

e

–

.

V

s = 4,7(

kT

e/

e

)

,

-,

,

E

iw

≈

5,2

kT

e

.

-,

E

t

,

E

t

≈

E

c + 7,2

kT

e [12].

E

c

,

-

,

[12]:

E

c =

E

iz +

∑[

E

ex,i(

K

ex,i/

K

iz) + (

K

el/

K

iz)(2

m

e/

M

)(3

kT

e/2)] (3)

E

iz=15,76

–

;

E

ex,i

–

i

–

;

K

iz

–

;

K

ex,i

–

i

–

;

K

el

–

.

(3)

-,

.

-.

(2

m

e/

M

)(3

kT

e/2)

–

,

.

-K

iz

, K

ex,i

K

el

[12]

ε

c,

-.

T

e

.

-.

R

L

[12]:

K

iz/

u

b = 1/

n

g

d

eff,

(4)

d

eff = 0,5

RL

/(

Lh

R +

Rh

L),

–

.

K

iz,

(4)

T

e

n

g

d

eff

,

-T

e

p

.

,

--

E

c

E

t

,

.

(2),

.

,

n

e

-T

e

-j

s

.

-n

s

--

u

b:

j

s =

en

s

u

b =

en

e

h

L(

kT

e/

M

)

1/2

.

(5)

3. .

1. -D

L

,

(3)

3 ).

Mo

3 ,

d

= 0,6

.

Рис. 1 –Схема ин уктивно о ВЧ-источника: 1–плазменный объем; 2–экстрактор; 3– иафра ма; 4–фокусирующий электро ; 5–разря ная камера; 6–спиральная ВЧ-антенна

-

27,12

,

«ACOM

-1000»(500

)

,

-.

,

-,

.

--

P

,

.

«Leybold

-

350»,

4

·

10

- 6

.

«

-

2».

4.

4.1 ч

(2)

-

(5)

-n

e

,

T

e

j

s

--

D

=

2 R

L

.

4 -

:

1)

D

= 30

,

L

= 70

, 2)

D

= 30

,

L

= 35

,

3)

D

= 15

,

L

= 70

, 4)

D

= 15

,

L

= 35

.

1 –

50 .

T

e

-p

.

2 4-

-D

L

.

,

1 50

T

e

8,5

2,2

.

L

= 70

L

= 35

-T

e

.

-D

.

D

= 30

L

= 35

p

= 6 - 10

T

e

= 3,5 - 4

.

(2)

n

e

-P

abs

.

,

-P

abs = 100

.

n

e

j

s

Рис. 2 –Зависимость электронной температуры Teот ав-ления ар она p ля 4-х вариантов размера разря ной ка-мерыD, L, Pabs=100 Вт

-

,

.

--

P

abs

P

abs

=

η

P

,

P

–

,

η

–

.

-η

ы л е

е

[10].

p

7 η

е

0,83

-

P

.

Рис. 3 – Плотность плазмы ne в зависимости от авления

ар она p ля 4-х вариантов размераразря ной камерыD, L. Pabs=100 Вт

.

3 -n

e

p

4 -

-D, L

.

,

-.

A

,

.

D

= 30

L

= 35

-n

e = 8,8



10

11 – 3

_n

_e

_{= 5,5}



₁₀

12 – 3

1

50 .

p

= 7

-n

e

= 2,5



10

11 – 3

.

15 n

e = 4,9



10

12 – 3

_.

j

s

,

(5)

--

P

abs.

.

4 j

s

p

4 -

-D, L

.

1 5

0

(4)

.

,

j

s

,

–

n

e

–

,

–

u

b

h

L

–

.

4 ,

-.

,

-.

D

= 30

L

= 70

j

i

= 20

/

2

p

= 3

–

5 .

L

= 35

j

i

= 40

/

2

.

D

= 15

L

= 70

.

L

= 35

-j

i = 85

/

2

_.

Рис. 4 – Плотность ионно о тока насыщения js в зависи-мости от авления ар она p ля 4-х вариантов размера разря ной камерыD, L. Pabs= 100 Вт

4.2 ,

,

-V

ext.

(

.

5).

[13, 14].

(

j

s)

j

c

,

-.

j

c

-

[13]:

j

c = (4ε0/9)(2

q

/

M

)

1/2

₍

_V

ext3/2

/

s

2

)

(6)

ε

0

–

,

q

-

,

V

ext

–

;

s

–

.

,

n

e

V

ext.

(

V

ext

)

(

.

5 )

,

;

s

-;

.

(

V

ext

)

(

.

5 ),

-;

.

,

(

.

5 ).

Рис. 5–Форма ионно о пучка, извлекаемо о из плазмен-но о ВЧ-источника. 1- плазма, 2- изолятор, 3- экстрактор,

4- пучок

.

6 ,

--

.

j

i

-I

i

:

j

i

= 4I

i

d

2

,

d

= 0,6

–

.

I

i

.

Рис. 6 – Плотность ионно о тока ji в зависимости от вы-тя ивающе о напряжения Vext. D  30 мм, L = 35 мм,

p = 7 мТорр, P = 120 Вт

j

i

V

ext

.

6 .

,

j

i

-V

ext

(

(6

))

V

ext

= 1,6

–

2,4

(

(5)).

= 120

= 7

43 /

2

,

40 /

2

_.

5. Ч

-

-.

-

,

-

,

.

,

--

-.

,

(5)

--

~ 150

.

,

D

= 30

L

= 35

40 /

2

_P

_abs

_{= 100}

.

43 /

2

,

-.

,

D

= 15

85 /

2

100 -,

~

120 /

2

_P

_{abs = 150}

.

,

--

.

,

-

-:

D

= 15-20

L

= 30-35

.

Ion Current Density Calculation of the Inductive Radio Frequency Ion Source

V.I. Voznyi, V.E. Storizhko, V.I. Miroshnichenko, D.P. Shulha

Institute of Applied Physics NAS of Ukraine, 58, Petropavlivska Str., 40030 Sumy, Ukraine

A radio-frequency (RF) inductive ion source at 27.12 MHz is investigated. With a global model of the argon discharge, plasma density, electron temperature and ion current density of the ion source is calcu-lated in relation to absorbed RF power and gas pressure as a discharge chamber size changes. It is found that ion beam current density grows as the discharge chamber size decreases. Calculations show that in the RF source with a discharge chamber 30 mm in diameter and 35 mm long the ion current density is 40 mA/cm2_{at 100 W of absorbed RF power and 7 mTorr of pressure, and agrees well with experimentally} measured value of 43 mA/cm2_{. With decreasing discharge chamber diameter to 15 mm ion current density} can reach 85 mA/cm2_{at absorbed RF power of 100 W.}

Keywords: RF ion source, Ion beam, Plasma, Current density.

х

і

ч

і і

.І.

, . .

, .І.

, . .

а

А

а

, в .

ав в а

, 58, 40030

,

а а

( ) e , є 27,12 .

, ,

--

-. , є

-. ,

30 35 100 7

є 40 / 2, є

43 / 2_.П і іа а 15 и і я а

85 А/ 2 100В ВЧ- і.

юч і : , І , , .

1. C.D. Coath, J.V.P. Long, Rev. Sci. Instrum. 66, 1018 (1995). 2. R. Clampitt, D.K. Jefferies, Nucl. Instrum. Meth. 149, 739

(1978).

3. N.S. Smith, P.P. Tesch, N.P. Martin, D.E. Kinion, Appl. Surf. Sci. 255, 1606 (2008).

4. X. Jiang, Q. Ji, A. Chang, K.N. Leung, Rev. Sci. Instrum. 74, 2288 (2003).

5. Y.J. Kim, D.H. Park, H.S. Jeong, Y.S. Hwang, Rev. Sci. Instrum. 77, 03B507 (2006).

6. V.I. Miroshnichenko, S.N. Mordik, V.V. Olshansky, K.N. Stepanov, V.E. Storizhko, B. Sulkio-Cleff, V.I. Voznyy, Nucl. Instrum. Meth. B 201, 630 (2003). 7. V.I. Voznyy, V.I. Miroshnichenko, S.N. Mordyk,

A.G. Nagornyy, D.A. Nagornyy, V.E. Storizhko, D.P. Shulha, Probl. At. Sci. Tech. Ser.: Plasma Physics10 No1, 209 (2005).

8. V. Miroshnichenko, S. Mordyk, D. Shulha, V. Storizhko, V. Voznyy, Nucl. Instrum. Meth. B 260, 39 (2007). 9. S. Mordyk, V. Miroshnichenko, D. Shulha, V. Storizhko,

Rev. Sci. Instrum. 79, 02B707 (2008).

10.V. Voznyi, J. Nano-Electron. Phys. 2 No2, 75 (2010).

11. . . , . . , . . ,

. . , . . , . . ,

. . , а а а вац .6 No5, 38 (2010). 12.M.A. Lieberman and A.J. Lichtenberg, Principles of Plasma

Discharges and Materials Processing. (New York: Wiley:

1994).

13.B.H. Wolf, Handbook of Ion Sources. (Boca Raton: CRC Press: 1995).