Фримановские ионные источники. Фримановские источники в лабораторных разделителях изотопов и первых имплантерах, страница 4

Рис. 9.4. Фримановский источник Series III Lintott/Applied Materials. 1 — нагревательный патрон; 2 — танталовый экран (отражатель электронов); 3 — нить; 4 — две капсулы; 5 — теплопроводящий зажим.

Рис. 9.5. Фримановский источник фирмы Nova.

Фримановские ионные источники

211

Рис. 9.6. Фримановский источник PI 9000.

высоту пучка в анализирующем магните). На рис. 9.6 показан источник, использованный в установке имплантации Precision Implant 9000 фирмы Applied Materials. Он имеет большую вытягивающую щель (90 X 5 мм) и может давать токи ионов фосфора и мышьяка более 30 мА.

9.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКА

Источник с вольфрамовой нитью диаметром 2 мм хорошо работает в диапазоне напряжений дуги от 40 до 70 В и токов дуги 0,1—3 А. При столь умеренных напряжениях срок службы нити при максимальном выходе может быть значительным, обычно 50—100 ч. Для материалов, атомы которых относительно трудно поддаются ионизации (например, бора), может потребоваться поддерживать напряжение дуги в интервале от 80 до 100 В, что в сочетании с некоторой химической эрозией, вызываемой галоидным рабочим материалом (в случае

212                                             Глава 9

бора), приводит к значительному сокращению срока службы нити (обычно до 20—30 ч) при максимальном выходе и токе дуги 3—5 А.

Источник с вытягивающей щелью с размерами 40 х 2 мм и вытягивающим напряжением 40 кВ обычно может создавать пучок ионов В⁺ с током 1—2 мА при использовании трифторида бора и пучки ионов Р ⁺ и As ⁺ с током 3—7 мА при использовании одноэлементных рабочих материалов. При благоприятных обстоятельствах достижимы значительно большие токи.

Для точного определения характеристик этого источника требуется оценка влияния длинной нити с относительно большим диаметром на параметры дуги.

9.3.1. Управление током дуги

Традиционный способ управления током дуги — изменение температуры нити, которая в свою очередь определяет эмиссию электронов с нити. Температура нити зависит главным образом от тока через нее, хотя мощность, рассеиваемая в дуге, и ионная бомбардировка, также дают значительный вклад. Большая нить в этом источнике имеет значительную тепловую инерцию, которая может привести к плохому управлению, особенно при больших токах дуги (выше 2 А). Успешно работающая система управления должна справляться с нестабильностями, которые возникают в результате замедленного температурного отклика такой большой нити. Пример способа решения этой проблемы приведен ниже.

9.3.2. Неоднородность дугового разряда по длине нити

Фримановский источник асимметричен. Потенциалы двух концов нити различны, и их разность является напряжением на нити. Электрический ток вдоль нити создает магнитное поле, которое взаимодействует с полем, приложенным извне, создавая результирующее спиральное поле. Хотя такое поле увеличивает эффективность ионизации, оно заставляет первичные электроны, покидающие поверхность нити, двигаться по сложным и асимметричным траекториям. Хинкель [10] рассчитал траектории электронов для разных режимов работы. На рис. 9.7. показана траектория первичного электрона, вычисленная Хинкелем для напряжения дуги 60 В и тока нити 130 А. Расчеты выполнялись для свободных электронов, и столкновения не учитывались. Результаты зависят от предположений относительно вида за-