2
ОГЛАВЛЕНИЕ.
Введение.............................................................2
Глава 1. Укоритель «ИОН-1500».....................................................................8
1.1 Концепция проекта........................................................................ 8
1.2 Структурная схема ускорителя............................................................. 9
1.3 Ускорительная трубка.......................................12
1.4 Ионный канал...............................................20
1.5 Приемное устройство........................................22
1.6 Ионный источник............................................23
1.7 Высоковольтный выпрямитель.................................26
1.8 Вакуумная система .......................................................................34
Глава 2. Масс -сепаратор............................................37
2.1 Конструкция и параметры магнита............................39
2.2 Система питания током масс -сепаратора.....................47
Глава 3. Высоковольтный терминал....................................52
3.1 Электронные блоки высоковольтного терминала................54
3.2 Конструкция и компоновка блоков терминала................. 65
3.3 Трансформатор передачи мощности............................66
3.4 Методика и расчетные соотношения для проектирования
трансформатора передачи мощности...........................69
Глава 4. Система управления ускорителя «ИОН-1500»...............................................76
Глава 5. Натадка и испытание ускорителя «ИОН-1500».................................................. 80
5.1 Катибровка параметров и включение установки............... 80
5.2 Измерение параметров ионного пучка........................ 81
5.3 Обсуждение результатов.................................... 84
Заключение..........................................................................................86
Библиографический список............................................................................88
3
ВВЕДЕНИЕ.
В последние десятилетия, в связи с развитием ионной имплантации для микроэлектронных технологий и модификации поверхностных свойств материалов, приводящей к значительному изменению их качества, получил развитие новый класс прикладных линейных ускорителей ионов на энергии от нескольких кэВ до нескольких МэВ. В микроэлектронной промышленности ионная имплантация решает проблему создания субм и кронных полупроводниковых приборов с высокой степенью инте1*рации. В биполярных приборах устраняются паразитные эпитаксиальные слои и улучшаются их частотные свойства [1J. Ионная имплантация открывает большие возможности для материаловедения [2, 3] -получение износостойких материалов, создание элсктрооптичсских материалов с управляемыми показателями преломления, ядерных фильтров и т.п.
Метод ионной имплантации был запатентован в 1954 году и в семидесятых годах, благодаря новой технологии, были получены первые результаты -новые материалы для производства солнечных батарей.
Большое количество технологий с применением ионной имплантации породило целый спектр технологических установок, работающих в различных диапазонах энергии и тока с различными рабочими веществами, которые классифицируются как по выходным параметрам, так по физическим и конструктивным особенностям схем, отличающихся взаимным расположением и электрическими потенциалами относительно друг друга различных функциональных частей ионного источника- масс-сепаратора, системы ускорения, приемной камеры и т. п. В мире существует в том же или реорганизованном виде ряд крупных фирм, таких как High Voltage Ing, Varian
4
Corp, Eaton Corp, Hitachi и другие, производящих промышленное оборудование для имплантации.
С появлением высокопрецизионного технологического оборудования относительно малых габаритов, достаточно надежного и не требующего специальной радиационной защиты цехов, начался интенсивный процесс его внедрения в производство интегральных схем. За рубежом, это прежде всего модификации установки DF-4 фирмы "VARIAN". Стоимость подобных имплантеров достигает одного и более миллиона американских долларов.
Из отечественных промышленных установок, работающих в микроэлектронной промышленности, известны модификации "Везувий 1...15". Ниже приведены параметры установки средних и малых доз " Везувий-13": Диапазон энергии 10-200 кэВ
Дозы имплантации 1010-10” мм"3
Диапазон масс 10-100 А.ЕМ.
Система обработки: индивидуальная, электростатическое сканирование.
До недавнего времени основные работы по ионной имплантации были сконцентрированы в области энергий ионов до нескольких сот кэВ. Однако с развитием новых технологий, появилась необходимость в разработке установок высокоэиергетической ионной имплантации. В конце семидесятых годов за рубежом было создано несколько установок на энергию ионов от 400кэВ до 4000кэВ. Из более поздних разработок 14] известен имплантер фирмы High Voltage Engineering, Europe В. V. на энергию 2МэВ и ионы всех масс с током до 400мкА. ( Стабильность напряжения основного выпрямителя ±2кВ, максимальный градиент поля в ускорительной трубке 17кВ/см ).
В СССР была создана промышленная усгановка "ВЕЗУВИЙ-15" с ускоряющей системой на 500кэВ, с использованием многозарядных ионов.
5
В восьмидесятых годах в ИЯФ, совместно с НПО '’Север" г. Новосибирск, была создана установка "ПРИЗ-500" на энергию 500кэВ и протонный ток до ЮмкА, которая используется для получения изоляционных слоев в микроэлектронных приборах, в технологиях изготовления полупроводниковых лазеров, осуществляющая формирование резонаторов Фабри -Перо пучком протонов. Установка была успешно внедрена в промышленность. Актуальность темы создания ионных установок очевидна в силу их широкого внедрения в современных высоких технологиях.
Поэтому, стояла задача создания отечественных установок с широким диапазоном энергии и интенсивным пучком высокой производительности, радиационно-безопасных, имеющих сравнительно небольшие габариты. Установки должны были выгодно отличаться от существовавших рядом конструктивных и технологических решений, техническими характеристиками и надежностью.
В основу конструирования установок ионной имплантации положены два метода: метод прямого ускорения частиц в электростатическом поле и метод электромагнитного разделения (сепарации) заряженных частиц с последующей их имплантацией в подложку по определенному закону. Поэтому, уместно разделить задачу создания ионной установки на две части:
1- создание ионного ускорителя прямого действия с устройством сепарации ионного пучка,
2- создание приемного устройства, которое может существенно отличаться для различных технологий.
В дальнейшем, основное внимание уделено описанию первой части установки -собственно ускорителю. В этих случаях будет использоваться термин -
ускоритель.
6
В 1987 году, в ИЯФ был принят проект создания трех ионных машин на малые, средние и большие энергии: "ИОН-50", "ИОН-ЗОО" и "ИОН-1500м с параметрами (Таблица 1).
Таблица 1 Проектные параметры установки «ИОН-1500».
Диапазон энергии однозарядных ионов. кэВ 500 - 1500
Нестабильность энергии, % ± 0.1
Пульсации ускоряющего напряжения нагруженного выпр; % 0. 1
Питающая частота выпрямителя, гц 400 - 1000
Тип ионного источника, с ВЧ - разрядом
Расположение ускорительной трубки, Горизонтальное
Темп ускорения, кВ/см 10
Максимальный полный ток ускоренных ионов, мА 1.5
Радиус сепарирующего магнита. мм 1 300
Угол поворота сепарирующего магнита, град 30. 90
Макс. индукция поля в зазоре магнита - сепаратора, Тл 1.2
Диапазон сепарируемых масс на полной энергии, А.Е.М. 1 -80.
Изолирующая среда для высоковольтных узлов, Элегаз
Максимальное давление изолирующего газа в сосуде. мПа 1.0
Рабочий габарит 1/ В* Н, мм 5.495'3000- 1722
Из этой серии, ускорители "ИОН-ЗОО” [5] и " ИОН-1500" были доведены до стадии испытания. Работа над "ИОН-50” остановилась на стадии монтажа системы электропитания. Для него был разработан и испытан высоковольтный выпрямитель с повышенной нагрузочной способностью.
Следует отметить, что в основу конструирования для всех трех типов ускорителей был положен принцип модульности и максимальной унификации узлов и электронных устройств, как к необходимому условию удешевления и повышения надежности машин. Это является важным фактором в случае серийного производства установок.
Сконструированное и изготовленное приемное устройство с шаговым приводом механического сканирования для групповой обработки пластин и элекфонной системой контроля и управления дозой [5], было опробовано на ускорителе «ИОН-ЗОО» и могло стыковаться с другими ускорителями серии.
7
Практическим результатом работы является созданный ионный ускоритель «ИОН-1500», на котором получены пучки однозарядных ионов водорода, аргона, азота, фтора с полным током свыше ЮООмкА и энергией до 1 5МэВ. Основными научными результатами работы являются технические решения, реализованные в установках серии "ИОН". Предлагаются новые решения по конструкции и технологии изготовления узлов ускорителя. В частности, рассматривается способ снижения уровня мощности радиации в ускорительной трубке. Большое место в работе отведено описанию систем электропитания и контроля. В работе получил развитие опыт передачи электрической мощности до 2-х кВт на высокий потенциал, а также использование систем питания на повышенной частоте с магнитными регуляторами. Эти разработки нашли свое применение при создании «Источника электронов» с энергией 200кэВ д.тя инжекционного комплекса ВЭПП-5.
Основные результаты работы, выносимые на защиту: Разработан,
изготовлен и испытан ускоритель ионов на энергию до 1.5МэВ. Получены высокоэнергетические пучки ионных токов свыше ЮООмкА. Разработаны системы питания и управления ускорителем. Разработаны система передачи электрической мощности и универсальные блоки для питания ионного источника, размещенного под высоким потенциалом.
Основные результаты работы докладывались: На Европейской конференции ЕР АС, Берлин 1992г; На Всесоюзном совещании но ускорителям заряженных частиц, Протвино 1994г; На Интернациональной конференции по ускорителям высоких энергий РАС, Даллас, штат Техас 1995г. Всего по теме диссертации опубликовано восемь работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 27 рисунков и 6 таблиц.
- Київ+380960830922