Фримановские ионные источники. Фримановские источники в лабораторных разделителях изотопов и первых имплантерах, страница 5

Фримановские ионные источники

213

Плоскость х -у

Плоскость

x — z

Рис.    9.7.    Траектория    электронов [10]. B_z = 6,0·10^-3 В·с/м².

висимости потенциала в разряде от расстояния до катода, но общие выводы остаются неизменными.

Наиболее значительный вывод из этой работы — то, что электроны, которые испущены горячей нитью и не сталкиваются с атомами газа, не достигают стенки дуговой камеры в ее центральной части, откуда вытягивается пучок. Электроны движутся по псевдоциклоидной спирали вокруг нити по направлению к положительно заряженному концу. Поэтому электроны, испущенные отрицательным концом нити, дают* вклад в ионизацию на положительном конце. Следовательно, разряд должен быть более интенсивным на этом конце, и в результате эрозия нити на этом конце особенно велика. Более низкое напряжение дуги на положительном конце ведет к уменьшению этого эффекта. Направление внешнего магнитного поля не оказывает влияния на этот процесс, но перемена полярности питания нити изменяет направление миграции электронов на противоположное — к другому концу. Эрозия нити более равномерна в случае увеличения тока дуги или уменьшения внешнего магнитного поля до уровня, позволяющего электронам покинуть нить. Первое увеличивает скорость эрозии и по-

214

Глава 9

этому уменьшает срок службы нити; последнее уменьшает достижимый ток пучка. Поэтому эти способы не представляют ценности, когда требуется максимальный выход. Еще один способ состоит в уменьшении диаметра нити, чтобы уменьшить ток через нее, необходимый для термоэлектронной эмиссии, и, следовательно, уменьшить магнитное поле нити. Этот способ оказывается эффективным: характеристики источника с нитью диаметром 1 мм, как правило, лучше, чем у источника с обычной 2-мм нитью, но срок службы нити уменьшается. Наилучшее решение состоит в периодической перемене направления тока нити, что позволяет уменьшить эрозию на двух концах нити. Другие способы решения этой проблемы изложены в следующем разделе.

9.4. ВАРИАНТЫ ФРИМАНОВСКОГО ИСТОЧНИКА

Со времени появления фримановского источника было сделано лишь относительно небольшое количество модификаций первоначальной конструкции для оптимизации ее использования в современных коммерческих ионных имплантерах.

В предыдущем разделе отмечалось, что электронам трудно удалиться от нити в радиальном направлении, но нет никаких препятствий в продвижении вдоль нити к положительно заряженному концу. Это обстоятельство не только вызывает неоднородности в плазме, но также ограничивает эффективность удержания плазмы из-за существования легкого пути утечки первичных электронов. Для улучшения ситуации было предложено несколько методов.

9.4.1. Магнитная бутылка

Уильяме [11] показал, что характеристики фримановского источника, особенно при получении ионов бора из трифторида бора в качестве рабочего газа, могут быть значительно улучшены путем установки на каждом конце нити железных полюсов, которые создают магнитную бутылку вдоль нити. Это приспособление предотвращает легкую утечку электронов на концах дуговой камеры благодаря увеличению магнитной индукции и, следовательно, приводит к росту электронной температуры плазмы.

Фримановские ионные источники

215