Modeling of an Hall effect ion source for surface processing application
Modélisation d'une source d'ions à effet Hall pour des applications de traitement de surface
Résumé
In End-Hall Ion Source (EHIS) an ion beam is extracted from a magnetized plasma without extracting grids. The EHIS sources are mainly used in surface processing technology. In these sources, the plasma is generated by applying an external voltage between the electrodes in order to create a DC discharge. The presence of a magnetic field parallel to a conical anode reduces the electron mobility across the magnetic field lines. As a consequence, an electric field forms in the anode region of the plasma in order to insure electron transport towards the anode. Ions are generated inside the EHIS by electron impact ionization of the injected argon atoms, are extracted from the source by the electric field formed along the anode, and form an ion beam which is used in different surface processing applications. The End-Hall Ion Sources have been optimized empirically and the physics of these sources is far from being clearly understood. In order to improve our understanding of the EHIS operation, we have developed an axisymmetric self-consistent model based on a particle description of argon atoms and ions, and on a fluid model of electron transport. Electrons are supposed to be in Boltzmann equilibrium along the magnetic field lines and plasma quasi-neutrality is assumed. The electric field is therefore obtained from a current continuity equation and not from Poisson equation. The model has been able reproduce most of the features of the source and has helped clarifying a number of questions related to the physics of EHIS.
Dans les sources d'ions de type EHIS " End-Hall Ion Source " un faisceau ionique est extrait d'un plasma magnétisé sans l'utilisation d'un système de grilles d'extraction. Les sources EHIS sont essentiellement utilisées dans des procédés de traitement de surface. Dans ce type de sources, le plasma est généré par l'application d'une tension entre les électrodes afin de créer une décharge DC. La présence, dans le plasma, d'un champ magnétique parallèle à une anode conique réduit la mobilité électronique dans la direction perpendiculaire aux lignes de champ magnétique. La chute de conductivité électronique dû au champ magnétique près de l'anode entraîne l'établissement d'un champ électrique dans cette région pour assurer le transport du courant électronique vers l'anode. Les ions créés par impact électron-atome sont expulsés de la source par le champ électrique proche de l'anode et forment un faisceau ionique. Ces sources ont été optimisées de façon très empirique et leur fonctionnement est loin d'être totalement compris. Dans le but de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement des sources EHIS, nous avons développé un modèle auto-cohérent axisymétrique. Dans ce modèle les espèces lourdes (Ar et Ar+) sont décrites de façon particulaire. Le transport électronique est traité de façon fluide par résolution des trois premiers moments de l'équation de Boltzmann en supposant l'équilibre de Boltzmann le long des lignes de champ magnétique et la quasi-neutralité du plasma. Le champ électrique est déduit d'une équation de conservation du courant. Ce model a permis de clarifier plusieurs aspects du fonctionnement des " End-Hall Ion Sources ".
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