离子源溅射原理
离子源基本结构及工作原理 PPT
离子源
传输效率
抗污染
离子源设计 面临的问题
离子化效率
离子源
Agilent离子源
Agilent离子源:ESI
ESI 电离模式(正离子)
ESI参数设定
电喷雾理论
电喷雾过程过程实质上是电泳过程。也就是说通过高压电 场能够分离溶液中的正离子与负离子,例如在正离子模式下, 电喷雾电离针相对真空取样小孔保持特别高的正电位,负离 子被吸引到另一端,在半月形的液体表面聚集着大量的正电 荷离子,液体表面的正电荷离子之间相互排斥,并从针尖处的 液体表面扩展出去。当静电场力与液体表面张力保持平衡时, 液体表面锥体的半顶角为49、3°,在G、Taylor的研究工作中 称之为“Taylor锥体”。随着小液滴的减小,电场强度逐渐加 强,过剩的正电荷克服表面张力形成小液滴,最终从Taylor锥体 的尖端溅射出来。
四级杆质量过滤器如何工作
马修稳定图
马修稳定图中的三角区包括了所有允许离子遵循一个稳定的轨道飞行到 达检测器的估计的DC 和RF 的组合。在DC 和RF 外的三角区的组合会 导致在四级杆区域离子不稳定。
检测器—高能量倍增检测器(HED)
离子从四级杆质量过滤器中通过后,由透镜引导进入高能量打拿极(HED), HED 产生与它接收到的离子的数量成正比的电流信号,匹配的电子倍增器电极使电 子积累和加速进入放大器的喇叭口,信号被传递到电极进行放大和处理。
优点 ➢不易产生碎片离子 ➢源参数调整简单 ➢喷雾器及针位置不关键 ➢LC 流速可达 2、 0ml/min
什么是CID？
CID对质谱图的影响
正离子和负离子
➢ 大气压电离技术能生成正离子和负离子。 关于指定 的分析,主要的离子类型取决于分析物的化学结构和 溶液的 pH 值(尤其关于ESI源)。
离子溅射原理
离子溅射原理离子溅射是一种重要的表面改性技术，它在材料表面改性、薄膜制备、微纳加工等领域有着广泛的应用。
离子溅射技术是利用高能离子轰击固体表面，使固体表面原子或分子发生溅射，并在表面形成薄膜或进行表面改性的一种技术。
离子溅射原理是离子在固体表面的相互作用过程，主要包括离子轰击、溅射、扩散和沉积等过程。
首先，在离子溅射过程中，高能离子轰击固体表面，使得固体表面原子或分子发生溅射。
当离子撞击固体表面时，会与固体表面原子或分子发生碰撞，部分固体表面原子或分子会被击出固体表面，形成溅射。
这些溅射出的原子或分子会在固体表面扩散，并最终沉积在固体表面上，形成薄膜或进行表面改性。
其次，离子溅射过程中，溅射出的原子或分子会在固体表面扩散。
这些溅射出的原子或分子会在固体表面上扩散，使得固体表面上的原子排列发生改变，从而形成薄膜或进行表面改性。
溅射出的原子或分子在固体表面的扩散过程受到固体表面的结构、温度、离子能量等因素的影响，不同的因素会对溅射出的原子或分子在固体表面的扩散过程产生不同的影响。
最后，离子溅射过程中，溅射出的原子或分子会在固体表面沉积。
经过扩散后，溅射出的原子或分子会在固体表面上沉积，形成薄膜或进行表面改性。
固体表面的沉积过程受到固体表面的结构、温度、离子能量等因素的影响，不同的因素会对溅射出的原子或分子在固体表面的沉积过程产生不同的影响。
总之，离子溅射原理是离子在固体表面的相互作用过程，主要包括离子轰击、溅射、扩散和沉积等过程。
离子溅射技术在材料表面改性、薄膜制备、微纳加工等领域有着广泛的应用，对于提高材料的性能和开发新型材料具有重要意义。
希望通过对离子溅射原理的深入研究，能够进一步推动离子溅射技术的发展，为材料科学和工程技术的发展做出更大的贡献。
磁控溅射膜方法
磁控溅射膜方法磁控溅射膜方法是一种常用的薄膜制备技术，它利用高能离子轰击靶材表面，使靶材表面的原子或分子离开靶材并沉积在基底上，形成薄膜。
这种方法具有膜质量高、膜厚均匀、成膜速度快等优点，因此在微电子、光电子、材料科学等领域得到了广泛应用。
磁控溅射膜方法的基本原理是利用磁场将离子束聚焦在靶材表面，使离子轰击靶材表面并将其原子或分子溅射出来，然后沉积在基底上形成薄膜。
磁控溅射膜方法的主要设备包括离子源、磁控溅射室、基底旋转台等部分。
离子源是产生离子束的关键部件，它通常由靶材和离子源装置组成。
磁控溅射室是离子束与靶材相互作用的场所，它通常由真空室、磁场系统、离子束控制系统等部分组成。
基底旋转台是控制基底旋转的部件，它可以使基底均匀地沉积薄膜。
磁控溅射膜方法的优点在于膜质量高、膜厚均匀、成膜速度快等方面。
首先，磁控溅射膜方法可以制备高质量的薄膜，因为离子束轰击靶材表面时，可以使靶材表面的原子或分子离开靶材并沉积在基底上，形成薄膜。
其次，磁控溅射膜方法可以制备均匀的薄膜，因为离子束可以被磁场聚焦在靶材表面，使得离子束的能量和密度均匀分布在靶材表面上。
最后，磁控溅射膜方法可以快速制备薄膜，因为离子束的能量和密度可以被调节，从而控制薄膜的成膜速度。
磁控溅射膜方法在微电子、光电子、材料科学等领域得到了广泛应用。
在微电子领域，磁控溅射膜方法可以制备金属、合金、氧化物等材料的薄膜，用于制备电极、导线、电容器等器件。
在光电子领域，磁控溅射膜方法可以制备透明导电膜、反射膜、滤波器等光学器件。
在材料科学领域，磁控溅射膜方法可以制备多层膜、纳米薄膜等材料，用于研究材料的结构、性质和应用。
总之，磁控溅射膜方法是一种常用的薄膜制备技术，具有膜质量高、膜厚均匀、成膜速度快等优点，因此在微电子、光电子、材料科学等领域得到了广泛应用。
随着科学技术的不断发展，磁控溅射膜方法将会在更多的领域得到应用，并不断发挥其重要作用。
离子溅射原理
离子溅射原理离子溅射是一种重要的表面改性技术，它在材料科学、半导体工业、纳米技术等领域具有广泛的应用。
离子溅射原理是指当高能离子轰击靶材表面时，离子与靶材原子发生碰撞并产生离子和原子的散射现象。
这种现象不仅可以改变材料的表面形貌和结构，还可以调控材料的性能和功能。
离子溅射的原理主要包括离子轰击、原子散射和表面改性三个方面。
首先，当高能离子撞击靶材表面时，离子的能量会转化为靶材原子的动能，导致靶材原子的位移和激发。
这种过程称为离子轰击。
其次，被激发的靶材原子会与离子发生碰撞，产生散射现象。
这种散射可以改变材料的晶格结构、原子排列以及化学成分。
最后，离子溅射还可以在材料表面形成薄膜、纳米颗粒或者微结构，从而实现对材料表面性能的调控和改良。
离子溅射技术有着许多优点。
首先，它可以在不加热的情况下改变材料表面的性质，避免了传统热处理方法对材料的热损伤。
其次，离子溅射可以实现对材料表面的精细加工，包括表面的抛光、清洁、光滑化等，从而提高材料的表面质量。
此外，离子溅射还可以在材料表面形成一层保护膜，提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
因此，离子溅射技术被广泛应用于半导体器件制造、光学薄膜涂层、表面涂覆、纳米材料制备等领域。
离子溅射技术的发展离不开离子源、靶材和离子轰击条件的优化。
离子源的选择直接影响到溅射的离子种类、能量和流强，从而影响到溅射的效果。
靶材的性质和结构决定了溅射后材料的表面形貌和性能。
而离子轰击条件则包括离子能量、角度、流强等参数，这些参数的选择对于溅射的效果至关重要。
总的来说，离子溅射原理是一种重要的表面改性技术，它通过离子轰击和原子散射实现对材料表面性能的调控和改良。
离子溅射技术具有许多优点，并且在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步，离子溅射技术将会得到更加广泛的应用和发展。
磁控溅射镀膜机原理
磁控溅射镀膜机原理磁控溅射技术是一种用于镀膜的先进技术。
磁控溅射镀膜机是利用电子束的动能将固体材料从靶层中剥离并沉积在基板上的一种镀膜设备。
本文将为您介绍磁控溅射镀膜机的原理及其应用。
一、磁控溅射镀膜机的原理磁控溅射镀膜机又称磁控离子镀膜机，是一种利用外部电场和磁场激发离子束并蒸发靶材料形成镀层的设备。
这种技术源于20世纪60年代初期的物理研究。
它的基本原理是利用电子束加速器向金属靶材料表面注入精细定位的、高能单元电子束，从而促使靶材料发生电子冲击下物质的剥离，形成离子束，进而被磁场聚拢并加速击打在待镀基材料表面，从而沉积成膜。
这种技术对材料的选择范围较广，可使用的原材料包括各种无机材料和合金，如氧化物、硅、合金、氟化物等。
而磁控溅射技术也因此被广泛应用于各种领域，如电子、计算机、晶体管、固态照明、太阳能电池、生物医学、汽车、航空航天、建筑室内装修等领域。
二、磁控溅射镀膜机的类型及分类根据靶材料种类和制备过程条件的不同，磁控溅射镀膜机可以分为多种类型。
下面我们介绍一下主要的几种类型。
1、平板离子源平板离子源是最基本的离子源类型，通常由一个平板放电电极和一个屏蔽靶组成。
它的靶材料为物质的块状，可将注入的能量转换成游离原子形成高能离子束，使其透过向靶和基板之间发射的离子束，再到达基板表面。
由于靶和基板之间的角度限制，使该装置产生较低的折射率，从而制造较低的细节图案。
因此，平板离子源多用于制造器件外壳全面涂层。
2、圆柱形偏心离子源圆柱形偏心离子源由两极电源和一个圆柱形靶台制成。
表面不平整的靶材料块在高速离子束的作用下被剥离，形成离子束并沉积在基板上。
该离子源的形状和设计使得离子束方向发散，从而可以与表面平面的材料相交，产生均匀的涂层。
此外，偏心离子源具有抗污染能力强、精度高和效率高等特点，适用于工业和商业应用。
3、环柱形偏心离子源环柱形偏心离子源由一个圆筒形壳体、一个中央靶、四组电极和一个基板组成。
中央靶材料在离子束的作用下形成薄膜，并沉积在基板上。
溅射的基本原理之溅射机理
溅射的基本原理——溅射机理
到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因 是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直
接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保 护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。
1969 年， Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对 Thompson汤普森的理论工作进行了推广，建立了原子线性级 联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。
溅射现象：
当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大 于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就 是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原
子团。
溅射的基本原理——溅射机理
入射离子（ E0 ）
二次电子
溅射原子
原子
溅射的基本原理——溅射机理
离子与靶相互作用
按参与碰撞粒子的种类划分： 入射离子（或载能原子）静止靶原子的碰
离子注入： 如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临 界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列 的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能 量损失到某一定的值（ 约为 20eV 左右 ) 时，将停止在固体 中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。
atoms
Ion
E
溅射的基本原理——溅射机理
撞
反冲原子静止靶原子的碰撞
按能量损失的方式划分： 弹性碰撞 非弹性碰撞
溅射的基本原理——溅射机理
双体弹性模型： 通常在两种坐标系中研究碰撞二体问题：
1）实验坐标系（实验测量）
2）质心坐标系（理论研究）
实验坐标系 入射粒子（粒子、反冲原子）：(M1, v0 ) 靶原子（静止）：(M 2 ,0)
溅射的基本原理之溅射特性
溅射的基本原理——溅射特性
（5） 靶材温度
靶材存在与升华 能相关的某一温度。 低于此温度时，溅射 率几乎不变；高于此 温度时，溅射率急剧 增加。
除此之外，还与 靶的结构和靶材的结 晶取向、表面形貌、 溅射压强等因素有关。
降低工作气压和 提高溅射率。
溅射的基本原理——溅射特性
3、溅射原子的能量和速度
实际逸出原子分布并 不遵从余弦定律。
溅射的基本原理——溅射特性
▪ 实际分布
在垂直于靶面方向明显少于余弦分布时应有的逸出原 子数。
溅射的基本原理——溅射特性
▪ 与晶体结构方向的关系 逸出原子与原子排列密度有关。主要逸出方向为[110]，
其次为[100]、[111]
c
[111]
a
[100]
b
[110]
溅射原子的能量与靶材、入射离子种类和能 量、溅射原子的方向等有关。
溅射原子的能量（5-10eV）比热蒸发原子能 量ห้องสมุดไป่ตู้0.1eV）大1-2个数量级。
几组实验数据曲线。
溅射的基本原理——溅射特性
麦克斯威尔分布 平均能量10～40eV； 拖着长尾巴； 入射离子能量高于1000eV时， 逸出原子平均能量不再增加
通过离子与固体相互作用的物理过程，可以得到如下 表达式：
（1）离子能量小于1keV，在垂直入射时，溅射率为
S
3
4 2
aTm V0
式中，Tm 为最大传递能量，V0 靶材元素的势垒高度，a 是 与靶材原子质量 m1 和入射离子质量 m2 之比 m2 m1 相关的 常数。
溅射的基本原理——溅射特性
ET E 500eV (ET为溅射阈值） 500eV E 1000eV 1000eV E 5000eV 离子注入效应
溅射离子泵工作原理
溅射离子泵工作原理
溅射离子泵是一种常用的高真空泵，它的工作原理如下：
1. 溅射离子泵内部有一个相对真空的容器，容器内放置有一种或多种高蒸发性的物质，如钨丝、钛等。
2. 接通电源后，通过电阻丝加热，在高温下，这些物质会迅速蒸发成气体。
3. 蒸发的气体会在真空容器内迅速扩散并碰撞到容器内壁上的冷凝器上，冷凝器上温度较低，因此气体分子在冷凝器表面凝结成固体颗粒。
4. 这些凝结在冷凝器上的颗粒物质会形成一层均匀的薄膜状物质，称为“溅射源”。
5. 在泵的作用下，气体分子不断被抽出，真空度逐渐提高，使得冷凝器表面凝结的颗粒物质也被减少。
6. 同时，溅射源表面膜层不断地释放出热电子，这些热电子会被静电场加速，形成高速电子束。
7. 高速电子束沿着溅射源表面的垂直方向打到气体分子上，使得气体分子捕获电子并电离成电子和离子。
8. 这些离子会在静电场的作用下被加速运动，并打向溅射源表面。
9. 当离子击打溅射源表面时，会因为冲击而使得溅射源的物质再次释放出被固定在表面的薄膜层。
10. 这些释放的薄膜层又会再次遭到电离并沉积到容器内的表面上，从而不断地扩大和增厚沉积层。
通过以上的循环过程，溅射离子泵能够不断抽出气体分子并在真空容器内沉积一层厚重的金属膜，从而实现高真空的环境。
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离子源（Ion Beam Sources）的分类及原理
等离子体是指被激发的气体达到一定电离度（＞10-4），气体处于导电状态，这种状态的电离气体是由大量接近于自由运动的带电离子所组成的体系，在整体上是准中性的。
粒子运动与电磁场（外电场和粒子间的自洽场）是不可分割的，这种互相作用的电磁力是长程力，从而使等离子体显示出集体行为的特点，即电离气体中每一带电离子的运动都会影响到其周围带电离子，同时也受到其他带电粒子的约束。
由于电离气体整体行为表现为电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，这种气体状态为等离子体态简称等离子体。
有由于它独特行为与固态、液态、气态都截然不同，故又称之为物质的第四态。
离子源是离子束溅射(IBS)和离子束加工(IBF)设备的关键部件。
R&R公司的宽离子束源目前主要有Kaufman离子源、微波ECR离子源和RF离子源。
其工作原理是利用气体放电产生等离子体，等离子体由电子、离子和中性粒子所组成，并被引出成束，成为离子源。
R&R离子源有两个栅极（或者三个栅极），分别为屏栅和加速栅，两极之间加一电压，电压的正极接屏栅，负端接引出极，因此，在等离子体边界和引出电极之间就形成一个加速离子的电场，当离子从等离子体发射面发射出来以后，被
电场加速，通过小孔，形成离子束，再经过中和器中和后直接轰击基板或靶。
中和器的目的是为了避免电荷在基板上聚集而产生对后续离子的排斥作用。
Kaufman离子源
kaufman离子源是应用较早的离子源，属于栅格式离子源。
首先从热阴极发射出来的电子经过阴极鞘层被加速而获得相应于等离子与阴极电位差的能量，它与进入电离室的气体原子相碰撞，气体原子被碰撞电离，形成离子及二次电子，电子及离子形成放电室等离子体。
该放电等离子体在发散磁场作用下引向栅网离子光学作用区。
由于离子光学的作用，离子被拔出，并形成离子。
每个小孔形成的离子束经过发散混合及中和形成带能量、中性的宽离子束。
由离子所获得的能量应是阳极电压与屏极电压之和（一般而言，由于阳极电压远小于屏极电压，故近似考虑屏极电压为离子加速能量）。
该离子束有能量、方向、具有一定宽度口径、又是中性的离子束，在无场空间中对光学膜进行加工，离子束参数（能量，束流密度）可以方便控制，再现，与气压无关，这就大大增加了工艺的稳定性。
微波ECR离子源
微波电子回旋共振（ECR）离子源是一种无阴极源，具有电离度高、束流强度大、气压低、性能稳定等特点，是一种高密度低气压等离子体源，能够在较低的气压下产生大面积均匀的高密度等离子体。
微波ECR等离子源装置是由微波源与传输波导、放电室、工作室、真空系统与配气系统组成。
微波源采用频率为2.45GHz、功率可从0-400w连续调节，产生的微波经耦合波导、环行器、定向耦合器、阻抗匹配器及直波导输入放电室。
放电室是行程高密度等离子体的区域，放电室为不锈钢圆腔，一端与微波输入波导相接，称为微波窗口，为了保持真空，微波窗口用绝缘陶瓷板密封，另一端与工作室相连；在放电室外侧，利用同轴线圈或永磁体组合成形磁镜场、发散场，提供电子回旋共振场并约束等离子体运动、扩散。
在放电室中，电子在垂直磁场的平面上受洛伦兹力的作用而做回旋运动。
当磁场强度在875Guass处，电子回旋频率和沿磁场传播的右旋圆极化微波频率都等于2.45GHz时，电子在微波电场中将被不断同步、无碰撞加速因而获得的能量将大于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解和离子激活，从而实现等离子体放电和获得活性反应离子，行程高密度的ECR低温等离子体。
射频（RF）离子源
射频离子源中，气体通过一个专门设计的气体均压绝缘器进入石英放电室，13.56MH z的射频功率通过LC构成的人工传输线，感应进入放电室，产生了旋
涡的周向电场。
该电场可用来离化工作气体。
采用三栅离子光学系统，离子光学系统中存在许多小孔，屏栅作为放电室中的阳极可以吸收放电电子，构成放电回路。
屏极上又存在多个小孔，屏极小孔处由于有电场，在放电等离子体边界就会形成等离子体双鞘层。
离子通过该弯月面鞘层发射电子，经过离子光学系统的聚焦加速形成离子束。
该离子束也必须通过中和器进行强迫中和，中和器除了中和作用外，也能可靠提供低压离子源的点火起弧。
具体请参考
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