Фримановские ионные источники. Фримановские источники в лабораторных разделителях изотопов и первых имплантерах

Глава 9

Фримановские ионные источники

Д. Эйткен¹⁾

Фримановский источник был разработан в начале 60-х годов как усовершенствованный источник для электромагнитных разделителей изотопов [1]. Первостепенным требованием было создание сильноточного пучка и высокого разрешения для разделения изотопов тяжелых элементов. Большой ток, вытягиваемый из источника, не обязательно удовлетворяет этому требованию, если качество пучка после вытягивания и магнитного анализа недостаточно, чтобы обеспечить необходимую высококачественную фокусировку на выходной щели. Эти требования ведут к применению системы «ленточного» пучка, где пучок вытягивается из длинной щели. Чтобы достичь нужного оптического качества, пучок должен быть однородным по всей длине щели и, что даже более важно, плазма, из которой вытягивается пучок, должна быть свободна от высокочастотных электрических осцилляции, часто называемых «шумами». Эти осцилляции приводят к модуляции пучка, что нарушает нейтрализацию пространственного заряда и не позволяет достичь хорошей фокусировки на выходной щели.

Наиболее важная характеристика источника Фримана — возможность получения однородных, свободных от шумов ионных пучков. Первые сильноточные разделители изотопов создавались обязательно на базе ионных источников калютронного типа [2] или миниатюризированных вариантов калютронного источника с использованием независимых магнитов источника и катодной нити за пределами дуговой камеры [3] или внутри нее [4]. Чтобы достичь и большого тока и высокого разрешения в разделителе изотопов с этими источниками, приходилось много времени уделять их настройке из-за тенденции к работе в условиях шумящей дуги. Сильные скрещенные магнитное и электрическое поля в области вытягивания могут привести к электрическому пробою и в случае отдельного магнита источника к нежелательному отклонению пучка перед вхождением в анализирующий маг-

____________

1) D. Aitken. Applied Materials Implant Division, Horsham, England.

Фримановские ионные источники                                   203

нит. Взаимодействие магнитного поля нити с магнитным полем источника может привести к искажениям в коллимации дугового столба, которые могут привести к сложным, непредсказуемым выходным характеристикам и высокой степени неоднородности пучка по длине вытягивающей щели.

Вероятно, самая важная особенность источника Фримана — это длинная прямая нить, расположенная близко к вытягивающей щели и параллельная ей. Такая конфигурация позволяет эффективно контролировать положение и стабильность плазмы, удерживая ее в области, близкой к щели, из которой должен вытягиваться пучок. Магнитное поле параллельно щели, как в источниках калютронного типа, но значительно ниже по интенсивности (обычно около 150 Гс).

Фримановский источник широко использовался в сильноточных ионных имплантерах [5—7] благодаря надежности, простоте и большим выходным токам.

9.1. ПЕРВЫЙ ФРИМАНОВСКИЙ ИСТОЧНИК

Впервые об этом источнике сообщалось в 1962 г. [1] как об источнике, разработанном в основном для разделения изотопов плутония. При необходимости достижения эффективного разделения изотопов нужна высокая разрешающая способность. Главным ограничением в случае предшествующих ионных источников, в основном основанных на конструкции калютрона [2], была склонность к «шумящему» разряду, который ведет к уменьшению степени нейтрализации пространственного заряда пучка; поэтому требовалась тщательная оптимизация параметров разряда, чтобы достичь условий существования спокойной плазмы. Особенность источника — относительно слабое (0— 150 Гс) осевое магнитное поле. Сильные магнитные поля, используемые в источниках калютронного типа, как известно, способствуют возникновению «шумов», приводят к электрическому пробою в области вытягивания и создают нежелательное отклонение пучка в дисперсионной плоскости, когда пучок проходит через вытягивающие электроды.

Источник схематически показан на рис. 9.1. Нить, расположенная параллельно вытягивающей щели примерно в 3 мм от нее, находится под отрицательным потенциалом до 200 В относительно дуговой камеры. Были испытаны нити различных форм, размеров и химического состава. Был выбран танталовый стержень диаметром 4,5 мм, обработанный на станке до прямоугольного сечения 4,5 х 1 мм в требу-

204

Глава 9

Рис. 9.1. Первый фримановский ионный источник [1]. 1 — нить; 2— отражатель электронов; 3 — печь источника; 4 — нагреватель.

емой области эмиссии длиной 45 мм. Вытягивающая щель имела длину 42 мм и ширину 1—2,5 мм. Пытались использовать и вольфрам, но его механическая обработка оказалась более трудной, а графитовые нити проявили себя хорошо, но оказались слишком хрупкими для надежной работы в течение длительного времени. Испытывались и другие геометрические формы (плоская фольга, круглый стержень диаметром 2 мм и спиральные нити), но не было обнаружено каких-либо преимуществ в работе, хотя, возможно, они более дешевы, чем обработанный на станке танталовый стержень. Срок службы нити оказался неожиданно большим, хотя она расположена прямо в центре дуги. В основном это обусловлено тем, что данный источник может эффективно работать при значительно более низком напряжении дуги, чем источники калютронного типа, а скорость распыления нити очень чувствительна к энергии бомбардирующих ионов.