KRI 美國考夫曼離子源離子束里的電荷與動能交換

簡介

要藉由電荷交換和動能交換的碰撞情形來量測或是計算離子束是非常復雜的。在電荷交換的過程中，一個帶有能量的離子接近中性的粒子時，電子將會離開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繼續的往靶材或是既有的方向前進以完成既定的功能。但是這樣就不能被簡單的離子束探針所偵測。低能量的離子就會被簡單的探針所偵測。但是這一的低能量離子就不能實現既有能量離子束所能提供的功能與表現。

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，一般的工作壓力及距離并不是很重要的。但是二種常見的錯誤被用來評斷制程。種錯誤是，使用室溫路徑長度。在原子外圍的電子，他的脫離能至少為數個 eV。從公式來看，1 eV=11600 K 度，在20℃時的熱能量，相當于 0.025 eV。室溫下的碰撞只會造成在原子中的外圍電子小小的擾動而已。離子束的離子是具有相當高的能量，，一般都具有數百 eV。在離子能量中的碰撞時，外圍電子會有些微的抵抗，而其碰撞的截面將會比在室溫下還要小得多。

有些人會認為離子數的離子的能量遠高于在室溫時的能量。這是從具有能量的離子與室溫的中性粒子碰撞的實驗數據得來的。這就是第二個常見的錯誤。

有些離子-中性粒子的截面來自于以下的條件，而且他們是接近室溫的。很不幸的，這些實驗所量測到截面的1到幾度的偏差，遠小于要造成90度偏差的前進能量的損失。

基本理論

平均自由路徑的長度，λ，對一個具有能量的粒子而言，通過一個能量相對低很多的粒子時，

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

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

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

當粒子流 I，脫離了碰撞，

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

I₀ 是入射的粒子流，L 是路徑長度，λ 是碰撞過程中的平均自由路徑。

電荷交換

同樣種類的離子與原子之間的電荷交換，稱為共振電荷交換。一般共振的字眼會被省略的。但是記住，當二個粒子有不同的離子化電位時，電荷交換的截面將會大大的縮小。我們可以用理論公式來預測電荷交換的截面，這樣的公式是需要反復的嘗試以求得答案。

有人發現，當離子電位為 Φ_i 4-26 eV，離子速度為 1-10 x 10 ⁴ m/s 時，所求得的答案準確度在 +/- 3% 之內。把公式改寫成使用離子能量 E_i eV取代離子速度。

離子交換的截面σ_ce單位為 m²，

σ_ce = 6.3 x 10^-18(w/E_i)^0.14/Φ_i^1.07………………………………………………………………………( 4 )

w 是指原子的重量，Φ_i是指離子化電位，單位是 eV。

方程式 4 是用來計算 Ar (氬氣)的電荷交換的截面。方程式1 則是用來計算20℃的溫度下的動作路徑長度。

動能交換

在離子束的能量下得不到動能交換的截面。在表1顯示的是，以中性粒子的交互配對電位所計算出來的。

使用方程式1所計算出來的路徑長度代入求得如表1所示氬氣的動能交換截面。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，是任意插補的。

結論

氬氣的動能交換截面在室溫下，很接近在固態的原子尺寸，可以把它當作與原子尺寸。但是電荷交換截面在相同條件下，則只有一半的尺寸。當離子到達可觸及中性粒子的距離時，他可以得到電子的機會為 50%。

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

較長的動能交換距離可以用來當評估濺射原子之用。這樣的原子能量平均會有數個 eV之多。