一、强束流离子源的分类

强束流离子源是离子注入机中最重要的部件，它决定了离子注入机所能提供的注入元素，也决定了离子注入机的用途。如表1所示，适用于离子注入设备所用的强束流离子源有很多种。在强束流离子源中，除潘宁（PIG）源外都可使用气体和固体作为工作介质。其中束流强度可达到毫安数量级的只有金属蒸气真空弧放电（MEVVA）离子源。MEVVA 离子源特别适用于金属离子注入的研究和开发，可以引出二三十种金属离子，而其余离子源仅能获得少数几种金属离子束。

▲ 表1 强束流离子源种类与特点

根据离子产生的方法，离子源可分为以下三个类型：

（1）电子碰撞型（空间电离型）离子源。这种离子源利用电子与气体或蒸气的原子碰撞产生等离子体，然后再从等离子体中引出离子束。因此，也称等离子体离子源。放电的形式有电孤放电和高频放电等。目前，多数离子源都属于这种类型。

（2）表面电离型离子源。表面电离型离子源的结构简单，单色性好，避免了空间电离型需要向真空系统输入气体，并配备差分抽气才能保证分析室具有良好真空度的困难。如果采用碱金属盐，由于电离电位低，可使表面分析具有较高的灵敏度。因此，表面电离型离子源被广泛地应用于 SIMS、ISS 等离子谱仪，也应用于离子注入、离子与表面相互作用的各种基础研究中。

1）工作原理。如果电离电位较低的元素的气体原子或分子与灼热且具有较大功函数的金属表面相碰撞，其中的一部分原子会失去一个电子而成为离子，并飞离金属表面，这种现象称表面电离，可用下式表示：M = M+ + e ，表面电离产生的离子流可由下式求得

式中，φ 为发射体的功函数；Vi 为发射离子的第一电离电位；K 为波尔兹曼常数；A 为比例常数。根据这一原理，即可制成表面电离源。

2）发射体材料。发射基体应是具有高逸出功的高熔点金属，如钨和钽。碱金属的电离电位最低，因此在耐熔金属上涂复适当的碱金属盐类可构成最简单而实用的表面电离离子源。钾是除铯之外具有最低电离电位的碱金属，而铯由于蒸气压太高而难以应用。表面电离型离子源的缺点是离子源密度较低、寿命较短。

（3）热离子发射源。它是利用从高温固体表面发射热离子的原理而制作的离子源。当加热具有分子式 Al2O3·nSiO2·M2O (M= Li、Na、K、Pb、Gs)的碱铝硅酸盐时，就会产生很强的碱金属离子束。

三类强束流离子源中，电子碰撞型离子源的应用最为广泛。它主要有考夫曼离子源、双等离子体离子源、潘宁离子源、高频离子源等，其中双等离子体离子源、潘宁离子源、高频离子源等常用于离子注入机中。

二、强束流离子源的主要设计参数

A 离子源产生的离子种类

根据工作的要求，确定所需要的离子源。对于半导体材料的注入，主要是用磷、砷、硼等离子。而对于金属的表面处理，则往往需要用 N2、Ar 及其它金属离子。随着离子注入技术的迅速发展，能选用的注入离子种类也越来越多。因此，也要求离子源能产生出多种元素的离子束。

B 离子束的电流强度

离子束电流的大小，直接影响着注入速度的快慢。为保证生产效率，用于生产的离子注入机，其离子源引出的离子束流强度，一般应在几百微安到毫安级。

C 引出束流的品质

从离子源引出的离子束，需要经过质量分析器、加速、聚焦等很长的路径，才能到达靶室。如果引出的束流品质不好，将会给以后的质量分析器和加速聚焦等带来困难，束流在传输过程中也会产生较大的损失，注入试样表面的离子分布也更不均匀。因此，保证引出良好的束流品质是十分必要的。束流品质包括以下两个方面的内容：

（1）束流的发散度。一般用从离子源中引出的离子束在最小截面处所具有的直径和束内离子最大散角来表示。散角系指离子前进方向与束流轴线之间的夹角，即

式中，图片Pr max 是离子的最大径向动量；图片Pz 是离子轴向动量。引出束流的直径越小，说明该束流越易于聚焦和传输。

（2）束流的能量分散度。从离子源引出的每一个离子能量并不完全一样。在离子束内，各离子之间存在的最大能量差 ΔE 称为离子束的能量分散度。它的大小一般由离子源的游离方式以及离子源的波动等因素来决定。束流的能量分散度会给束流的聚焦和质量分选造成困难。因此，希望离子源的 ΔE 值越小越好。

D 离子源的寿命

离子源在工作一段时间之后，它的某一部件会损坏，或出现故障而不能正常工作。这时，必须对离子源更换部件或进行维修。离子源正常工作时间的累积，称为离子源的寿命。离子源的寿命一般在几十小时到几百小时之间，寿命越长越好。

E 离子源的效率

离子源效率包括：离子源气体利用率（即离子源引出的束流强度与它所消耗的气体量之比）；功率利用率（即离子源的束流强度与它所消耗的功率之比）；引出束中有用离子的含量（即引出束流中包含所需元素的束流强度与总束流之比）等。

任何一个离子源并非必须完全具备上述的各项要求。在选择离子源时，应该根据离子源的工作目的，针对需要的主要指标来进行选型和设计。离子源的结构复杂程度、稳定性、可靠性和维修的经济性等也是需要考虑的因素。

三、双等离子体离子源

双等离子体离子源具有发散度低、引出来束流强度大、电离效率高等优点。双等离子体离子源的结构如图5所示，由热阴极、中间极和阳极以及产生辅助磁场的线圈等组成。其引出系统由阳极等离子体膨胀杯和引出电极构成。图6是双等离子体离子源的供电示意图。

▲ 图5 双等离子体离子源结构示意图：1-进气口；2-中间电极；3-磁铁线圈；4-热阴极；5-导磁环；6-阳极板；7-引出电极；8-膨胀杯

▲ 图6 双等离子体离子源供电示意图

双等离子体离子源为热阴极直流放电。将所需种类的气体原子或固体气化后的原子通入放电室，使放电室内的气体压力保持在1 Pa左右。电子从炽热灯丝（阴极）发射出来，在放电起弧电源电场的加速作用下，获得足够的能量后与气体原子碰撞，引起气体原子的激发与电离而起孤放电。双等离子体离子源的几个放电区见图7。图8是放电区的电势分布。从阴极发射出来的电子，首先是经过阴极降位区。阳极和中间极之间的电压大部分降在这一区域。电子通过阴极电压降位区加速后，开始在靠近阴极的区域与原子碰撞形成等离子体。经加速的电子分布很分散，能量也比较低，因而这区域的等离子体密度较低。由于等离子体内的电场强度随放电室的半径减小而增加，使得电子在中间电极孔内又获得能量，在孔内产生高密度的等离子体，经中间电极孔向中间电极内扩散后，在中间电极孔的入口处形成一个“等离子体泡”。等离子体泡内活跃的电子向密度较低的等离子区扩散，使等离子区的分界处形成一个双电荷层，即靠“等离子体泡”的一侧是正电荷层，另一侧是负电荷层。我们把它叫做“第一电荷双层”（见图7）。电荷双层对来自阴极的电子起到加速和聚焦的作用，强化了这一区域的电离，实现了对等离子体的第一次压缩。被“第一电荷双层”聚成一束的电子流，通过中间电极孔进入阳极区域。该区域在中间电极和磁感应线圈的作用下形成非均匀磁场，通过强磁场的压缩，阳极孔形成的等离子体密度比“等离子体泡”更强，即又形成了一个电荷双层。我们把它叫做第二电荷双层区。这一区域对等离子体的压缩叫做第二次压缩。阳极和中间极间的电压，主要降落在这一电荷双层上（见图8），对电子起到再次加速的作用。由于存在两次压缩，所以双等离子体离子源的电离效率很高。

▲ 图7 双等离子体离子源的放电模型

▲ 图8 双等离子体离子源的电势分布

四、 潘宁离子源

潘宁离子源具有工作稳定可靠、电源结构简单、束流调节方便等优点，广泛应用在离子注入机上。

4.1 工作原理和结构

潘宁离子源的工作原理如图9所示。它是靠离子轰击阴极表面产生的次级电子来维持放电。其阴极材料采用钼、钽、石墨、硼化镧（LaB6）等，而阳极筒采用石墨制成。轴向磁场由铝镍钴磁钢产生，其强度是固定的，可达0.08 T。

当阴极和阳极之间的放电电压 Ua 超过起辉电压时，在充有低气压的放电室里就产生辉光放电，形成等离子体。在工作真空度为1～2 Pa时，起辉电压约为400 V。在放电电流50 mA时，放电电压不超过800 V。引出系统的发射孔径为2～2.7 mm，引出电极（即吸极）与离子发射孔之间的距离为1.5～3 mm，引出电压 Ue 为10～20 kV。具体结构如图10所示。

▲ 图9 冷阴极潘宁源工作原理示意图

▲ 图10 潘宁离子源结构图：1-磁场线圈；2-阳极；3-阴极（钨丝和软钢磁极）；4-对阴极（软钢）；5-引出电极

4.2 工作特性

采用冷阴极和永磁钢的冷阴极潘宁离子源的可调参数有放电电压 Ua、工作气压 P 和引出电压 Ue。放电电压 Ua 与工作气压 P 决定了放电状态，引出电压 Ue 决定了离子束的引出。下面分别介绍它们对源工作特性的影响。

A 放电电压 Ua 与工作气压 P 的影响

参数 Ua 与 P 决定了放电电流 Ia 的大小。 Ia 增大表明放电功率增大，也等于提高等离子体的密度。在一定的工作气压下， Ia 随 Ua 的变化曲线如图11所示，即 Ia 随 Ua 增大而迅速提高。对于一定的 Ia 数值，在较低的 P 值下，需要较高的 Ua 值。

潘宁源的最佳工作气压在1～2 Pa。当气压低于10-1Pa时，放电电压将很高，放电变得不稳定；而工作气压过高，则电离效率会变低。

▲ 图11 放电特性曲线

▲ 图12 引出束流与放电电流的关系

B 引出电压 Ue 的影响

在固定的引出电压 Ue 下，离子束流 Ii 随放电电流 Ia 的变化曲线如图12所示。而在固定的放电电流 Ia 下，吸极电流 Ie 和引出的离子流 Ii 随 Ue 的变化曲线如图13所示。可以看到，当 Ue 增加到某一值时，Ie 出现峰值。Ie 峰值所对应的引出电压称为临界电压 Uer。从 Uer 随Ia的变化曲线（图14）可以看到，Uer 随着 Ia 的增加而提高。显然，在临界电压附近，吸极电流很大，引出系统难于正常工作。因此，对于一定的引出电压 Ue ，应当调节 Ia 值，使 Ue 小于 Uer 值。离子源引出的总束流强度可达 2 mA。

▲ 图13 Ie 、Ii 与 Ue 的关系

▲ 图14 临界引出电压与放电电流关系

4.3 离子源的寿命

潘宁离子源的工作寿命较长，每次可连续工作（稳定）十几小时。使用几个月后，只需要更换易损元件。如图14所示，如果 Uer 与 Ia 的关系调节不好，将影响离子源的寿命。这是因为阴极溅射使得发射孔扩大，阴极表面出现凹坑，从而影响放电和引出。此外，工作过程阳极绝缘子的玷污，易造成阴极和阳极间短路，是影响寿命得另一原因。

五、 高频放电离子源

高频放电离子源具有工作寿命长、功率小（100～500 W）的特点。如图15所示，放电室外有一高频线圈，放电室顶端是阳极，放电室下部有 Φ＝1 mm的小孔作为引出电极。工作原理如下：

（1）将所需引出的气体原子或金属蒸气通入石英放电室，并保持室内气体压力约 1.0 Pa；

（2）通过高频线圈，在放电室内保持 10～100 MHz 的高频场，使得放电室内的气体电离；

（3）当放电室内放电而出现等离子体后，在阳极上施加正电压（3 kV），使等离子体内的正离子从引出电极小孔中引出，形成离子束。

▲ 图15 高频离子源结构图：1-阳极探针；2-放电室；3-感应线圈 ；4-大屏蔽罩；5-小屏蔽罩；6-引出电极；7-引出电极底座；8-进气管路；9-光栏

六、金属蒸气真空弧放电离子源（MEVVA 离子源）

金属蒸气真空弧放电（MEVVA）离子源是1985年由美国人布朗设计和研制的，为金属离子注入的材料表面改性提供了良好的技术支撑和潜在的应用前景。MEVVA 离子源引出的金属离子纯度高、效率高，引出束中多电荷的比例大，金属离子种类多样（可以引出20～30种金属离子），束流强度最大为50 A/脉冲，平均束流强度可达几十毫安。

MEVVA 离子源属于冷阴极弧放电离子源，其原理和结构如图16所示。把所需注入的金属制成放电阳极，装入放电室内，通入 10 Pa的氩气。在多孔的阴极上施加负电压，通过一个触发电极起弧，放电电流可达几十安培。起弧后在阳极上形成高温斑点，并在阳极上运动，维持持续放电。放电过程中，阳极金属原子蒸发到放电室中，引起电离室气体电离。电离后的金属原子最后从阴极孔引出。

▲ 图16  MEVVA 脉冲金属源：（左）原理图；（右）结构图

七、液态金属离子源（LMIS 离子源）

液态金属离子源（LMIS 离子源）是一种高亮度、小束斑的离子源。其离子束经聚焦后，可形成纳米量级的小束斑离子束，被应用于离子注入、离子束曝光、离子束刻蚀等领域。LMIS 离子源有针形（见图17（a））、同轴形和毛细管形等三种类型。

LMIS 离子源对液态金属的要求包括：（1）与容器和钨针不发生任何反应；（2）能与钨针充分均匀地浸润；（3）具有低熔点低蒸气压，以便在真空中及不太高的温度下既保持液态又不蒸发。能满足以上条件的金属只有 Ga、In、Au、Sn 等少数几种，其中 Ga 是最常用的一种，其熔融温度仅29.8 ℃。

通常用来对各种半导体进行离子注入掺杂的元素因为熔点高或蒸气压高而无法制成单体 LMIS。此时，共熔合金（Eutectic Alloy）提供了另外一种途径。这是因为由两种或多种金属组成的合金，其熔点会大大低于组成这种合金的单体金属的熔点，从而可大大降低合金中金属处于液态时的蒸气压。例如，金和硅的熔点分别为1063 ℃和1404 ℃，它们在此温度时的蒸气压分别为 133×10-3  Pa和 133×10-1  Pa。当以适当组分组成合金时，其熔点降为370 ℃。在此温度下，金和硅的蒸气压分别仅为 133×10-19  Pa和 133×10-22  Pa，满足 LMIS 的要求。在对所引出的离子进行质量分析后，即可获得所需的离子。

▲ 图17 LMIS 离子源结构和发射机理：（a）液态金属容器与钨针结构示意图；（b）LMIS离子源发射机理

LMIS 离子源的发射机理如图17（b）所示。其中，E1 是主高压，即离子束的加速电压；E2 是针尖与引出极之间的电压，用以调节针尖表面上液态金属的形状，并将离子引出；E3 是加热器电源。针尖的曲率半径为 r0 = 1~ 5 μm。改变 E2 可以调节针尖与引出极之间的电场，使液态金属在针尖处形成一个圆锥，此圆锥顶的曲率半径仅有 10 nm的数量级，这就是 LMIS 能产生小束斑离子束的关键。当 E2 增大到使电场超过液态金属的场蒸发值（Ga 的场蒸发值为15.2 V/nm）时，液态金属在圆锥顶处产生场蒸发与场电离，发射金属离子与电子。其中电子被引出极排斥，而金属离子则被引出极拉出，形成离子束。若改变 E2 的极性，则可排斥离子而拉出电子，使离子源变成电子束源。

LMIS 离子源的主要技术特点：

（1）亮度高，其典型值为 106 ~ 107 A/（cm2·sr）；

（2）能散度大，这将引起离子光学系统的色散，使分辨率下降。因此，LMIS 离子源必须聚焦后方可使用；

（3）离子束斑尺寸通常为 5 ~ 500 nm。