KRI 美國(guó)考夫曼離子源離子束里的電荷與動(dòng)能交換

簡(jiǎn)介

要藉由電荷交換和動(dòng)能交換的碰撞情形來(lái)量測(cè)或是計(jì)算離子束是非常復(fù)雜的。在電荷交換的過(guò)程中，一個(gè)帶有能量的離子接近中性的粒子時(shí)，電子將會(huì)離開(kāi)中性粒子而到離子處去，造成低能量的離子和具有能量的中性粒子。帶有能量的中性粒子將會(huì)繼續(xù)的往靶材或是既有的方向前進(jìn)以完成既定的功能。但是這樣就不能被簡(jiǎn)單的離子束探針?biāo)鶄蓽y(cè)。低能量的離子就會(huì)被簡(jiǎn)單的探針?biāo)鶄蓽y(cè)。但是這一的低能量離子就不能實(shí)現(xiàn)既有能量離子束所能提供的功能與表現(xiàn)。

帶有能量的離子束的能量有損失或是由于電荷交換形成帶有能量的中性粒子時(shí)，一般的工作壓力及距離并不是很重要的。但是二種常見(jiàn)的錯(cuò)誤被用來(lái)評(píng)斷制程。一種錯(cuò)誤是，使用室溫路徑長(zhǎng)度。在原子外圍的電子，他的脫離能至少為數(shù)個(gè) eV。從公式來(lái)看，1 eV=11600 K 度，在20℃時(shí)的熱能量，相當(dāng)于 0.025 eV。室溫下的碰撞只會(huì)造成在原子中的外圍電子小小的擾動(dòng)而已。離子束的離子是具有相當(dāng)高的能量，，一般都具有數(shù)百 eV。在離子能量中的碰撞時(shí)，外圍電子會(huì)有些微的抵抗，而其碰撞的截面將會(huì)比在室溫下還要小得多。

有些人會(huì)認(rèn)為離子數(shù)的離子的能量遠(yuǎn)高于在室溫時(shí)的能量。這是從具有能量的離子與室溫的中性粒子碰撞的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得來(lái)的。這就是第二個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤。

有些離子-中性粒子的截面來(lái)自于以下的條件，而且他們是接近室溫的。很不幸的，這些實(shí)驗(yàn)所量測(cè)到截面的1到幾度的偏差，遠(yuǎn)小于要造成90度偏差的前進(jìn)能量的損失。

基本理論

平均自由路徑的長(zhǎng)度，λ，對(duì)一個(gè)具有能量的粒子而言，通過(guò)一個(gè)能量相對(duì)低很多的粒子時(shí)，

λ = 1/(n0σ)…………………………………………………………………………………………………….( 1 )

當(dāng) n0 是指靜態(tài)的粒子的密度，σ是指制程的截面。假如入射粒子和靜態(tài)粒子是在同一個(gè)熱能量分布，則入射粒子就好像是去撞擊靜態(tài)粒子，例如，

λ = 1/(2 1/2 n0σ)…………………………………………………………………………………………….( 2 )

當(dāng)粒子流 I，脫離了碰撞，

I = I0 exp (-L/λ)……………………………………………………………………………………………..( 3 )

I0 是入射的粒子流，L 是路徑長(zhǎng)度，λ 是碰撞過(guò)程中的平均自由路徑。

電荷交換

同樣種類(lèi)的離子與原子之間的電荷交換，稱(chēng)為共振電荷交換。一般共振的字眼會(huì)被省略的。但是記住，當(dāng)二個(gè)粒子有不同的離子化電位時(shí)，電荷交換的截面將會(huì)大大的縮小。我們可以用理論公式來(lái)預(yù)測(cè)電荷交換的截面，這樣的公式是需要反復(fù)的嘗試以求得答案。

有人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)離子電位為 Φi 4-26 eV，離子速度為 1-10 x 10 4 m/s 時(shí)，所求得的答案準(zhǔn)確度在 +/- 3% 之內(nèi)。把公式改寫(xiě)成使用離子能量 Ei eV取代離子速度。

離子交換的截面σce單位為 m2，

σce = 6.3 x 10-18(w/Ei)0.14/Φi1.07………………………………………………………………………( 4 )

w 是指原子的重量，Φi是指離子化電位，單位是 eV。

方程式 4 是用來(lái)計(jì)算 Ar (氬氣)的電荷交換的截面。方程式1 則是用來(lái)計(jì)算20℃的溫度下的動(dòng)作路徑長(zhǎng)度。

動(dòng)能交換

在離子束的能量下得不到動(dòng)能交換的截面。在表1顯示的是，以中性粒子的交互配對(duì)電位所計(jì)算出來(lái)的。

使用方程式1所計(jì)算出來(lái)的路徑長(zhǎng)度代入求得如表1所示氬氣的動(dòng)能交換截面。也得到像圖 1 能量大于 1 eV的圖形。在室溫下的路徑長(zhǎng)度，方程式 2 顯示能量為 0.025 eV。在 0.025 到 1 eV之間的虛線處，是任意插補(bǔ)的。

結(jié)論

氬氣的動(dòng)能交換截面在室溫下，很接近在固態(tài)的原子尺寸，可以把它當(dāng)作與原子尺寸。但是電荷交換截面在相同條件下，則只有一半的尺寸。當(dāng)離子到達(dá)可觸及中性粒子的距離時(shí)，他可以得到電子的機(jī)會(huì)為 50%。

在離子束的能量里，對(duì)氬氣或是其他元素分子而言，動(dòng)能交換的路徑長(zhǎng)度可能幾倍于電荷交換路徑長(zhǎng)度。離子束在明顯的動(dòng)能損失之前，絕大部分是電荷交換的。

較長(zhǎng)的動(dòng)能交換距離可以用來(lái)當(dāng)評(píng)估濺射原子之用。這樣的原子能量平均會(huì)有數(shù)個(gè) eV之多。