Технологический ионный ускоритель на высокие энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Укоритель «ИОН-1500».

1.1 Концепция проекта.

1.2 Структурная схема ускорителя.

1.3 Ускорительная трубка.

1.4 Ионный канал.

1.5 Приемное устройство.

1.6 Ионный источник.

1.7 Высоковольтный выпрямитель.

1.8 Вакуумная система.

Глава 2. Масс -сепаратор.

2.1 Конструкция и параметры магнита.

2.2 Система питания током масс -сепаратора.

Глава 3. Высоковольтный терминал.

3.1 Электронные блоки высоковольтного терминала.

3.2 Конструкция и компоновка блоков терминала.

3.3 Трансформатор передачи мощности.

3.4 Методика и расчетные соотношения для проектирования трансформатора передачи мощности.

Глава 4. Система управления ускорителя «ИОН-1500».

Глава 5. Наладка и испытание ускорителя «ИОН-1500».

5.1 Калибровка параметров и включение установки.

5.2 Измерение параметров ионного пучка.

5.3 Обсуждение результатов.

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 субмикронных полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции. В биполярных приборах устраняются паразитные эпитаксиальные слои и улучшаются их частотные свойства [1]. Ионная имплантация открывает большие возможности для материаловедения [2, 3] -получение износостойких материалов, создание электрооптических 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, Varían

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 1010-10й мм~2

Диапазон масс 10-100 А.Е.М.

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 высокоэнергетической ионной имплантации. В конце семидесятых годов за рубежом было создано несколько установок на энергию ионов от 400кэВ до 4000кэВ. Из более поздних разработок [4] 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 установка "ВЕЗУВИЙ-15" с ускоряющей системой на 500кэВ, с использованием многозарядных ионов.

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.

В 1987 году, в ИЯФ был принят проект создания трех ионных машин на малые, средние и большие энергии: "ШН-50", "ИОН-ЗОО" и "ШН-1500" 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 и* 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 электронной системой контроля и управления дозой [5], было опробовано на ускорителе «ИОН-ЗОО» и могло стыковаться с другими ускорителями серии.

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 для 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 по 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.

выводы обмотки, для уменьшения индуктивности рассеяния, сосредоточены в одном месте. Катушки пропитаны эпоксидным компаундом и вклеены в пазы чашек с помощью виксинта К-68, позволяющего в случае необходимости произвести их замену. Наличие эластичной прослойки из Виксинта снимает внутреннее напряжение между магнитопроводом и катушкой при прогреве трансформатора от выделяющегося тепла. Высокочастотный провод обмоток состоит из набора тонких изолированных жил, перевитых между собой. Отдельные жилы выполнены из провода ПЭВ-2 диаметром 0.41мм и скручены так, чтобы наружные и внутренние жилы чередовались между собой. Этим достигается равномерное распределение тока по сечению витка. Для создания эквипотенциальных поверхностей и защиты при пробоях, с наружной стороны катушек расположены металлизированные экраны. Экраны имеют окна, которые прозрачны для магнитного потока. Установлено, что введение экрана уменьшает добротность контура на 10%.

Поскольку отечественная промышленность не выпускает подобные магнитопроводы больших размеров, в ИЯФ была освоена технология прессования магнитопроводов из ферритовой шихты марки 400НН с последующей термической обработкой в печи. При производстве чашек возникли трудности. Во первых, для прессования чашек необходимо обеспечить усилие пресса около 1000кг/см2. Во вторых, после термообработки по специальному режиму (температура отжига до 1070 градусов в печи с карбид кремниевыми нагревателями), при остывании в сердечнике зачастую возникают трещины.

В отношении выбора марки феррита; предпочтительнее прессовать чашки из шихты марки НМ с последующим отжигом в нейтральной среде. Известно, что эти ферриты обладают меньшими удельными потерями на внутренний цикл перемагничивания по сравнению с ферритами марки НН.

Альтернативой технологии прессования чашек является их шлифование из заготовок, полученных путем склеивания из отдельных стандартных ферритовых пластин марки М700НМ. Для сравнения, были проведены расчеты относительной магнитной проницаемости Мг исходя из измеренных значений действующей магнитной проницаемости для трансформаторов одинаковой конструкции, которые были изготовлены из ферритов марки 400НН (Мг=95) и 700НМ (Мг=200). Видно, что использование феррита марки 700НМ предпочтительнее. Этот опыт был использован при изготовлении ТПМ для питания пушки и модулятора Источника электронов на 200КэВ. Выбору геометрической формы чашек и числа витков обмоток предшествовал анализ (раздел 3.4) по оптимизации параметров трансформатора для достижения максимальных значений добротности первичного и вторичного контуров, коэффициента магнитной связи между обмотками и минимизации потерь.

В Таблице 5 приведены основные параметры трансформаторов с высоковольтным зазором, адекватным ускорителям серии «ИОН», которые были получены расчетным путем на основе измерений макетных образцов.

Основываясь на результатах, приведенных в Таблице 5, следует важный вывод, что для передачи мощности в высоковольтный терминал ускорителя «ИОН-1500» не требуется принудительное охлаждение вторичной обмотки ТПМ, которая размещена под высоким потенциалом ускорителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Создан ускоритель на энергию до 1500кэВ с полным током ускоренных ионов более ЮООмкА. Ускоритель оборудован системой сепарации ионов с массой от 1 до 80 А.Е.М. Создание ионного ускорителя на высокие энергии является достаточно сложной задачей. В результате проделанной работы по проектированию, наладке и испытанию установки были найдены пути решения возникших проблем, оценены параметры ускорителя. Результаты проведенных испытаний обсуждены в разделе 5.3. Опыт проектирования, испытаний и эксплуатации ускорителя при необходимости позволит развивать это направление деятельности. Работы по совершенствованию конструкции и эксплуатационных характеристик ускорителя «ИОН-1500» могут быть продолжены по следующим направлениям:

1. Уменьшение мощности радиационного фона путем создания ускорительной трубки с низкой мощностью рентгеновского излучения за счет подавления энергии вторичных электронов в поперечном магнитном поле или защита ускорителя тонкой свинцовой оболочкой.

2. Увеличение темпа ускорения в трубке позволит ускорять большие ионные токи.

3. Поиск новых типов ионных источников и совершенствование существующего с целью увеличения ресурса работы и получения высокого процентного выхода рабочих ионных токов.

4. Совершенствование вакуумной системы путем внедрения современных, надежных и производительных турбомолекулярных или криогенных насосов.

5. Разработка малогабаритных, на современной элементной базе преобразователей повышенной частоты на 20-50кГц для систем питания ускорителя.

6. Оптимизация габаритных и весовых параметров ускорителя.

7. Внедрение узкоспециализированных распределенных управляющих станций с концепцией параллельного управления установкой и технологическими процессами в реальном масштабе времени.

Следует отметить, что созданный ионный ускоритель является результатом большого труда научных сотрудников института, инженеров, лаборантов и механиков. Автор считает своим долгом и приятной обязанностью выразить благодарность к.ф.м.н. Сухине Б.Н. за руководство и помощь, оказанную при подготовке этой диссертации. Автор признателен зав. Лабораторией 5 чл. корр. РАН Диканскому Н. С, зав. Лабораторией 12 д. т. н. Салимову Р. А, своим коллегам к.ф.м.н. Алиновскому Н. И, к.т.н. Вейсу М. Э, к.т.н. Казарезову И. В, к.т.н. Немытову П. И, Останину В. П, к.т.н. Туликову В. С, к.т.н. Чертку И. Л, Чумакову С. Н, сотрудникам лаборатории 5, а также сотрудникам других лабораторий за помощь и участие в большой коллективной работе по созданию установок серии «ИОН». Автор признателен и благодарит всех, кто дал ценные советы и замечания.

1. 3. Ю. Готра. Технология микроэлектронных устройств. Москва «Радио и связь» 1991г.

2. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц»./ Томск 1988г.

3. А. Пранявичюс, Ю. Дудонис. Модификация свойств твердых тел ионными пучками./Вильнюс. Мокслас 1980г.

4. R. Koudijs, P. Diibbelman, H. Peters. A new Single-Inded Ion Accelerator for Ion Implantation/ High Voltage Engineering Europe B.V. report 1988.

5. С. H. Чумаков. Ионный имплантер на средние энергии для технологических целей. / Дисс. На соиск. уч. степ, к.т.н. Новосибирск 1999г.

6. Н.И. Алиновский. Высокочастотный ионный источник для имплантационных установок. / Тезисы докладов II Всесоюзной конференции «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц.» Свердловск 1991г.

7. М.Э. Вейс. Исследование, разработка и создание ускорительных трубок для мощных высоковольтных ускорителей электронов./ Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. Новосибирск 1997г.

8. В. М. Кельман, С. Я. Явор. Электронная оптика./ Москва. Изд. Академии Наук СССР 1963г.

9. Дж. Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. Под ред. В. И. Данилова./ Иностранная литература 1963г.

10. W. H. Urbanus, J. G. Bannenberg, F. W. Saris. Réduction of the X-ray level of DC ion accelerators. / Nuclear instruments and methods in physics research. 1989. Volume A278, N.2 p339-348.

11. В. Г. Баркова, В. Я. Чудаев. Защита от тормозного излучения легких мишеней (0.5-ЗМэВ). / Препринт ИЯФ 87-116, Новосибирск 1987г.

12. Б. А. Баклаков, В. Ф. Веремеенко. Магнитомодуляционный измеритель тока пучка заряженных частиц./ Препринт ИЯФ 74-70, Новосибирск 1974г.

13. С. И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. / Изд. «ЭНЕРГИЯ». Ленинградское отделение 1972г.

14. Ю. И. Голубенко, М. Э. Вейс и др. Ускорители электронов серии ЭЛВ: состояние, применение, развитие. / Препринт ИЯФ 97-7 . Новосибирск 1997г.

15. П. И. Немытов. Стабилизация и контроль основных параметров мощного электронного пучка промышленных ускорителей прямого действия./ Дисс. на соиск. уч. степ, к.т.н. Новосибирск 1997г.

16. Д. В. Каретников, И. Н. Сливков и др. Линейные ускорители ионов./ Москва. Госатомиздат 1962г.

17. В. В. Симонов, Л. А. Корнилов и др. Оборудование ионной имплантации./ Москва. Радио и связь 1988г.

18. В. Ф. Веремеенко, Г. В. Карпов. Двухкаскадный прецизионный широкополосный трансформатор постоянного тока на 20 кА. /Препринт ИЯФ 87-119. Новосибирск 1987г.

19. P. Bak, M. Bieler, A. Cherniackine, A. Goncharov, I. Kazarezov, e. a. Switch tube pulser for a 150MW klystron. / Internal report. DESY M 97-03.

20. В.Г. Шамовский. Ионный источник с повышенным ресурсом работы./Препринт ИЯФ 88-21. Новосибирск 1988г.

21. Б. И. Альбертинский, М. П. Свиньин. Каскадные генераторы. /Москва. Атомиздат 1980г.

22. V. P. Ostanin, S. N. Chumakov, A. D. Goncharov, е.а. Budker INP. Advances in Power Supply and control system for Electrostatic Acceleratots./ Particle Accelerator Conference and Internachional Conference on High-Energy Accelerator. Dallas, Texas 1995.

23. Ю. Д. Валяев, И. В. Казарезов, и др. Малогабаритный высокочастотный разделительный трансформатор для питания устройств, расположенных под высоким потенциалом. /Препринт ИЯФ 89-160. Новосибирск 1989г.

24. Г. В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. Основы теории цепей./ Ленинград. Госэнергоиздат 1963г.

25. В. С. Тупиков. Автоматизация малых физических установок на основе встраиваемых многофункциональных контроллеров. / Дисс. На соиск. уч. степ, к.т.н. Новосибирск 1999г.

26. Под. Ред. А.К. Вальтера. Электростатические ускорители заряженных частиц./ Москва 1963г.