氩离子源的模拟

1、氩离子源的模拟3.1 SIMION软件简介SIMION软件是由爱达荷国家工程与环境实验室(INEEL)经过15年的开 发研究，基于PC机的静电透镜分析和设计的程序。该程序完全支持Windows视 频，打印机，剪切板和图元文件。该程序基于C语言，可利用离子光学工作台模 拟复杂的问题，该工作台可以支持200个二维或三维静电/磁势能阵列，陈列可 拥有50,000,000个点SIMION的三维32位的GUI位用户提供了高级的互动式 操作环境。全部的势阵列均为3D可视化，用户可以进行剪切处理从而检测离子 轨道和势能表面。SIMION是一款静电透镜分析模拟软件，当电极的结构和电压确定时，给定 粒子的初始条

2、件，并且加入射频场、磁场、碰撞等影响时，SIMION便可以计算 电场分布，并计算带电粒子在场中的运动轨迹。SIMION是利用有限差分法计算， 在精度为1 mm3时，SIMION最大可以模拟8 km3的体积。二十多年来，SIMION 广泛用于2D/3D静态低频射频场中，从简单的离子飞行、静电、磁透镜、粒子枪， 到高度复杂的仪器，如飞行时间质谱、离子阱质谱、四极杆质谱、ICR池及其它 质谱，离子源及检测器部件。3.2氩离子源的结构本实验的离子源是氩离子源，有电子枪、氩电离室、聚焦透镜、控制电源构 成，主要用于样品表面的清洁处理、表面刻蚀及深度分析，是表面分析和纳米科 技的重要组成部分之一。3.2.

3、1基本原理氩离子的产生主要有两种方式：一种是一定能量的电子碰撞氩原子使其离子 化；另一种是向真空中的两个电极板之间导入射频(13.56 MHz)，使两个极板之 间的氩原子成为等离子体9。本实验的氩离子源，选用第一种方式获得氩离子。 电子使气体分子离子化的过程为M + e 一 M+ + 2e(1)其中M是被离子化的中性气体分子，e是电子，M+是离子。通过加热电阻丝而放 出热电子，在电阻丝附近设置相对高电压的阳极栅网。热电子放出和加速的示意 图如图1(a)所示，大多数电子被束缚在阳极栅网中。本文介绍的电阻丝选用直 径0.1 mm的钨丝，阳极栅网和电阻丝之间的电压差为180 V。从垂直于热电子 加速

4、运动的方向导入惰性气体氩气，被加速的电子引起中性氩原子周围电场的剧 烈变化，促使其按式(1)的过程失去一个电子而被离子化。这种方式的离子化效 率取决于导入气体的种类、热电子的密度和能量。电子的德布罗意波长和能量的 关系为入(A) = 150.4 / E(eV) . (2)如果电子的能量很低，则电子和气体分子之间没有能量传递，因此也就不会发生 电离。当电子的能量达到180 eV时，德布罗意波长为0.91 A，这和氩原子的半 径一致，导致电子和氩原子之间发生能量转移，最终以大约千分之一的离子化率 促使中性的氩原子离子化。如果热电子的能量过高，德布罗意波长相比氩原子的 半径过小，则氩原子对热电子来讲

5、处于“透明”状态，离子化效率降低。被加速的电子被束缚在阳极栅网之内，氩离子也大量形成于同一空间。在氩 离子发生空间的某一个方向上，设置一个离子引导孔。离子引导孔上覆盖栅网， 该引导孔相对于氩离子处于负电压，电压值在数百至数千伏特之间可调。氩离子 被加速后飞向离子引导孔，部分被引导孔的栅网捕捉，大部分穿过引导孔喷射出 去。离子引导孔不仅可以加速氩离子，也可以约束离子束流的指向。由于离子加 速电极(即离子引导孔)的尺寸有限和加工精度等原因，会造成离子加速电场均匀 性的不足，从而造成离子的能量会有一定的分布。同时喷射出去的离子束指向性 差别较大，需要聚焦透镜来进行进一步的约束10。图3.1 (a)热

6、电子放出和加速的示意图；(b)静电聚焦透镜示意图离子束的聚焦采用静电聚焦透镜的方式，其基本原理如图1(b)所示。静电 聚焦透镜是由3个互相绝缘的圆筒电极(不锈钢材质)构成，中间的电极处于正电 压，两侧的电极接地而处于零电位，中间电极的电压通过可变电阻来调节。从限 束板小孔A点进入透镜的氩离子，在到达中间电极之前被减速，穿过中间电极之 后被加速到最初的能量，最后射出聚焦透镜。从A出发的离子在B点受到向外 的力，在C点受到向内的力，因此，在B点离子束发散，在C点离子束聚焦。虽然B点和C点的力大小相同，但是靠近C点后氩离子的轴向速度减小，聚焦 的效果大于发散的效果。氩离子穿过中间电极后，在D点聚焦，

7、在E点发散。 从整体效果上看，离子束被聚焦。3.3用SIMION模拟静电聚焦透镜3.3.1各电极的建立本离子源的聚焦透镜使用的是单透镜，其尺寸如下：限束板外径为60mm， 中心小孔的直径为2mm，限束板与第一个透镜的距离为30mm。三个镜筒的内径和 长度均为60mm，第一个镜筒与第二个镜筒的距离为9.5mm，第二个镜筒与第三个 镜筒的距离为8mm。因为SIMION中最小精度值为1mm，数据中有9.5mm，所以 作图时将所有电极的尺度扩大 2倍，这并不影响我们模拟。我们建立一个 600mm*62mm的关于X轴旋转对称的系统，画出限束板和各个电极，如图2.2所/示O图3.2聚焦透镜的结构图3.3.

8、2离子的飞行模拟在SIMION离子设置界面输入离子的初始条件，我们先研究一组初始动能为 100eV、初始发射位置为（0, -2,0）至（0, 2,0）、发射角度在-30至30 之间均匀分布的一群Ar+离子。然后不断改变中间透镜筒的电压进行离子飞行模 拟，目的是寻找聚焦电压的大致范围。我们发现，在透镜电压为83V左右时，透 镜对离子束的聚焦效果大于发散效果，如图2.3所示。图3.3氩离子的聚焦模拟在图3.3中，红色的弧线表示电场的梯度，离子束的会聚点在图的右边，可 以明显的看到离子束被聚焦了，因为离子束通过透镜后的夹角小于通过透镜前的 夹角。我们可以用普通的光学透镜来类比静电透镜：如果将图中静电

9、透镜看作一 个凸透镜，将离子束看作光束，我们可以说像距大于物距，显然光线在通过透镜 后更加会聚了。对于实验来讲，我们希望从透镜射出的离子束具有比较小的夹角，即离子束 的准直度比较高。以图3.3为例，由于透镜位于实验装置的前端，透镜与照射样 品之间的距离很长，图3.3的离子束到达实验样品时将形成很大的束斑，束流密 度小而且不利于定点照射。所以，图3.3的聚焦效果并不好，我们需要调整透镜 电压的大小，使射出的离子束有更好的准直度。3.3.3离子束的会聚点与透镜电压的关系提高离子束的准直度实际上就是让离子束的会聚点向右移动，即让“像距” 更大，这可以通过改变透镜的电压来实现。下面我们改变透镜的电压值

10、，来测量 离子束会聚点的坐标。表1透镜电压与离子束会聚点坐标的关系透镜电压（V）89.589.088.588.087.587.086.586.0会聚点坐标580.4592.1604.2616.6631.7645.1661.2677.985.585.084.584.083.583.082.582.081.581.0695.7715.4736.2757.7781.8807.6837.1868.9902.7940.6利用Origin9. 0软件作图，并使用指数函数拟合。拟合图像见下页:4000 -3600 -3200 -2800 -2400 利用Origin9. 0软件作图，并使用指数函数拟合。拟合

11、图像见下页:4000 -3600 -3200 -2800 -2400 -2000 -1600 -1200 -800 -400 -80.580.079.579.078.578.077.577.076.576.0982.510301083114412011279136914781602175675.575.074.574.073.519472188250929633643ModelExpD e ModelExpD e g2Equationy =ReducedChi-Sqr103.1456SAdj. R-Squareo.gggaiyoMt-iA2t2k1+ A2*exp(-Krt2)十 yOValu

12、eStandard Errord-d-0.3304-22-1.612811.29094E272.6470 7 E291.S35950.050&9 75934E76.459 9 ES6.706940.133190.74B530.02830.14910.00963图3.4会聚点与透镜电压关系的拟合结果该曲线的拟合度为0.99981,属于指数型曲线。下图为透镜电压为74V时离子束的聚焦情况。当电压继续减小时，离子束将会出现发散，如下图所示。当电压继续减小时，离子束将会出现发散，如下图所示。我们得出的曲线解析式理论上电压可以为0，当V=0时，没有电场的约束， 离子束必然是发散的，所以，我们拟合出的曲线

13、只在70V以上的范围才有意义。 经过计算，透镜电压的值为73V时，离子束的会聚点距限束板2.3米；电压为 72V时，会聚点距限束板3.8米之外。这样长距离足以使离子束会聚点落在待测 样品上，这时，经过透镜聚焦的离子束基本上已经是准直的离子束，所以我们不 必考虑电压小于72V的情况。经过上述的分析，我们得出了离子束的发散度与透镜电压的关系，在实验中， 我们可以根据这个模型调节出与实验要求相匹配的离子束。3.3.4离子的初始动能与透镜电压的关系上节中氩离子的初始动能为100eV，我们保持离子束聚焦点的坐标不变，改 变离子的初始动能，研究透镜电压的变化。第一组：Ar离子初始动能为100eV，离子束会

14、聚点坐标为800。如图（a）透镜电压为83.12V第二组：Ar离子初始动能为180eV，离子束会聚点坐标为800。如图（b）第三组：Ar离子初始动能为320eV，离子束会聚点坐标为800。如图（c） 透镜电压为265.98V第三组：Ar离子初始动能为1000eV，离子束会聚点坐标为800。如图（d） 透镜电压为831.2V用origin将这四组数据拟合，发现透镜电压的值与离子的初始动能呈现严 格的线性关系，对于不同初始动能的氩离子，只需要将透镜电压乘以相应的倍数， 就能得到与上一节中相同的聚焦效果。我们可以在透镜的模拟结构中加入一个离子引导孔，离子引导孔位于限束板 的左边，引导孔不仅能够约束离子束流的指向，还能够加速氩离子。如图3.5所示，左边的第一个阳极板中心是离子引导孔，阳极板处于正电位， 电压在数百伏至数千伏之间可调，阳极板的左边是电离室。假设电离室中的氩离 子产生时初速度为零，大部分的离子被引导孔吸引并喷射出去，假设阳极板的电 势为U，则氩离子到达限束板时的能量就是。上进入后面的聚焦透镜。如图3.5, 5000个氩离子在电离室中产生的位置是随机的，它们的初始动能 为0，阳极板电压为100V，进入透镜的离子动能为100e