Установки для проведения ионно-лучевой обработки

 

Получение и формирование ионных пучков, обработка материалов при ионной имплантации происходят в специально разработанных ионно-лучевых установках, к которым в зависимости от назначения, предъявляются разные требования. В установках для исследовательских целей на первом плане стоит возможность получения пучков различных ионов, точный контроль максимально возможного числа параметров, чистота экспериментальных условий. От промышленных установок требуются высокая надежность в работе, простота обслуживания, высокая степень автоматизации, высокая производительность и низкая себестоимость обработки.

Существенно разные требования предъявляются к установкам для имплантации материалов электронной промышленности и конструкционных материалов. В первом случае возникают более жесткие требования к воспроизводимости результатов имплантации, однородности пучка, допустимым температурам ионной обработки.

При обработке конструкционных материалов необходимо быстрое достижение концентрации легирующей примеси в единицы и десятки процентов. Легирование деталей сложной формы ужесточает требования к конструкции камеры для обработки образцов.

В ряде случаев требуется использование ионов тугоплавких металлов, получение которых представляет технически более сложную задачу, чем ионизация газов. Вместе с тем требования к чистоте, стабильности и однородности ионного пучка при имплантации машиностроительных материалов не столь высоки. Следствием широкого диапазона требований явилась тенденция к разработке все более узкоспециализированного оборудования для ионной имплантации.

К основным элементам установки ионной имплантации относятся: масс-сепаратор, системы ускорения, формирования и сканирования пучка, камера обработки, система откачки и ионный источник.

Macc-сепаратор позволяет очистить пучок от атомов примеси и выделить ионы необходимого заряда и энергии. Как правило, при имплантации машиностроительных материалов требования к уровню сепарации не слишком высоки.

Вместе с тем важной характеристикой является коэффициент переноса пучка ионов высокой интенсивности, определяющий отношение числа частиц на выходе и входе сепаратора. Одна из основных причин, уменьшающих коэффициент переноса, - наличие пространственного заряда пучка ионов - требует принятия специальных мер для его компенсации. Применяются различные способы механической и электрической сепарации ионов, но наибольшее распространение получили секторные электромагниты, разворачивающие пучок на угол 60 -90°.

Системы ускорения, формирования и сканирования пучка.Ускорение пучка осуществляется системой электронных линз. Возможность потери части ионов, связанная с существованием значительного объемного электрического заряда при формировании пучков высокой интенсивности, создает дополнительные проблемы при конструировании ускоряющих систем, Чаще всего применяют двух- и трехэлектродные линзы для создания одно- и двухзазорного ускорения. В сильноточных установках ионной имплантации используют магнитные квадрупольные линзы, спо­собные компенсировать расширение пучка под действием пространственного заряда. Для обработки больших площадей необходимо расфокусировать пучок, либо обеспечить его сканирование. Расфокусировка приводит к неравномерной плотности ионного тока в поперечном сечении, поэтому на практике чаще используют сканирование пучка. Разработаны различные системы сканирования: электростатическое, электромагнитное, механическое сканирование, а также комбинированные системы. Механическое сканирование, при котором равномерность облучения обеспечивается перемещением обрабатываемой детали, а пучок ионов неподвижен, широко используют в сильноточных установках.

Системы откачки.В сильноточных ионных ускорителях оптимальным считается вакуум порядка – Па. В каждом конкретном случае эта величина определяется как компромисс между производительностью, стоимостью и надежностью системы откачки, условиями работы ионного источника, длиной пробега ионов, предельно допустимой концентрацией молекул газа в ускоряющем межэлектродном пространстве. Наиболее распространенные и дешевые вакуумные системы основаны на использовании паромасляных насосов. Основной недостаток этих систем - возможность загрязнения обрабатываемой поверхности парами углеводородных соединений, компоненты которых могут проникать в матрицу обрабатываемого материала. Для предотвращения отрицательного влияния углеводородных загрязнений используются азотные ловушки или безмаслянные средства откачки (турбомолекулярные, геттерные и т. п. насосы).

Камеры обработки образцов.Основное требование к камере обработки образцов - обеспечение высокой производительности процесса. Разработка шлюзовых камер различных типов позволила приблизиться к решению проблемы. Дополнительные трудности связаны с обеспечением равномерности имплантации при обработке деталей сложной формы. Один из путей решения - вращение обрабатываемой детали в различных плоскостях. При этом могут быть существенно снижены требования к системе сканирования, а механическое сканирование исключено вообще. В ряде стран ведется разработка специализированного оборудования для ионной имплантации машиностроительных деталей и инструмента. В настоящее время разработаны установки, позволяющие обрабатывать изделия массой до 1000 кг с линейными размерами свыше 2 м.

В зависимости от класса задач, для решения которых разработана установка, ее компоновка и устройство могут различаться. На рис. 3.1 показаны основные типы установок [4]. Рассмотрим подробней конструктивные особенности и функциональные возможности отдельных узлов оборудования применяемого для ионно-лучевой обработки материалов.

 

а)	б)
в)	г)
д)

 

Рис 3.1 –– Основные типы установок для ионно-лучевой обработки:

а –– установка малых и средних доз; б –– установка с разделением по массам после ускорения; в –– сильноточная установка; г –– высокоэнергетическая установка; д –– установка больших доз с источником, находящимся под высоким потенциалом. 1 –– ионный источник; 2 –– система вытягивания и формирования пучка; 3 –– масс-сепаратор: 4 –– высоковольтный модуль; 5 –– регулируемая диафрагма; б –– система ускорения; 7 –– фокусирующая линза; 8 –– система сканирования пучка; 9 –– камера обработки образцов