Фримановские ионные источники. Фримановские источники в лабораторных разделителях изотопов и первых имплантерах, страница 2

Фримановские ионные источники                                   205

Эксплуатационные характеристики источника не проявили резкой зависимости от расположения нити, и он может удовлетворительно работать с нитью, расположенной на расстоянии примерно 3—10 мм от вытягивающей щели. Первоначальная конструкция допускала установку отражателей электронов на концах эмиттерной части нити, что дало в результате 60%-ное увеличение эффективности источника. Из практических соображений они не получили широкого применения, но могут оказаться полезными при лучшей совместимости с другими элементами конструкции.

Вспомогательный магнит источника, находящийся за пределами вакуумной системы, обеспечивал магнитное поле с индукцией 0— 150 Гс, вектор которой параллелен оси нити. В отличие от источников калютронного типа как геометрия нити, так и взаимодействие магнитного поля нити и приложенного извне поля улучшают характеристики источника. Нить позволяет получать интенсивную дугу в наиболее выгодном положении, прямо за вытягивающей щелью, которая фиксирована в пространстве нитью. Магнитное поле не определяет пространственное положение плазменного столба; это обстоятельство является главной причиной того, что интенсивность приложенного извне поля может быть столь низкой по сравнению с калютронными источниками. Единственная функция внешнего поля — обеспечение взаимодействия с полем нити, чтобы создавать спиральную геометрию траекторий первичных электронов в плазме, что приводит к эффективной ионизации при низком давлении в дуговой камере.

9.2. ФРИМАНОВСКИЕ ИСТОЧНИКИ

В ЛАБОРАТОРНЫХ РАЗДЕЛИТЕЛЯХ ИЗОТОПОВ И

ПЕРВЫХ ИМПЛАНТЕРАХ

9.2.1. Первоначальная конструкция харуэллского разделителя изотопов

Вариант фримановского источника [8], сконструированного для использования в харуэллском лабораторном разделителе изотопов, стал основой большинства источников, используемых в коммерческих сильноточных ионных имплантерах (рис. 9.2). Первоначальный вариант имел танталовую дуговую камеру с тепловым экраном, которая вместе с испарителем из нитрида бора или нитрида кремния позволяла работать с твердыми рабочими материалами до температуры 1100 °С. Такой режим был идеальным для универсального лабора-

206

Глава 9

Рис. 9.2. Фримановский ионный источник [8]. 1-изолятор; 2- термопара; 3 - нагреватель печи; 4 - экран; 5 - тепловые экраны; 6 - нить; 7 – вытягивающая щель;  8 - ионный пучок; 9 - дуговая камера;  10 – линия подачи газа; 11 - тепловые экраны.

торного разделителя изотопов, где требуется широкий диапазон ионов. Для более ограниченных требований полупроводниковой ионной имплантации, где бор, фосфор, мышьяк и сурьма представляют фактически все требуемые материалы, в стандартной конструкции источника применима простая, надежная и более экономичная графитовая дуговая камера. Температура дуговой камеры в этом случае для типовых параметров дуги (скажем, 70 В, 2 А) должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить конденсацию сурьмы (700—800 °С). Другие рабочие материалы являются либо более летучими веществами (например, фосфор и мышьяк), либо газами (например, галогениды и гидриды бора, фосфора, мышьяка и сурьмы). Графитовая дуговая камера имеет значительное преимущество перед танталовой камерой, для которой серьезной проблемой является охрупчивание или коррозия тантала. Главный недостаток графита — пористость, которая приводит к значительным эффектам памяти и ограничивает скорость, с которой можно заменять материалы и получать максимальный выход. Несмотря на это, в коммерческих ионных имплантерах широко используются графитовые дуговые камеры.

Фримановские ионные источники

207