научная статья по теме ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ БЛОК ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИОНОВ УСКОРИТЕЛЯ ИЛУ-3 Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ БЛОК ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИОНОВ УСКОРИТЕЛЯ ИЛУ-3»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 135-138

ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА

УДК 621.38

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ БЛОК ДЛЯ ПРИЕМНИКА ИОНОВ

УСКОРИТЕЛЯ ИЛУ-3

© 2014 г. Г. Г. Гумаров, В. И. Нуждин, В. Ю. Петухов, В. Ф. Валеев, И. А. Файзрахманов

Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦРАН Россия, 420029, Казань, ул. Сибирский тракт, 10/7 E-mail: gumarov@kfti.knc.ru Поступила в редакцию 12.11.2013 г.

Описана конструкция многопозиционного высокотемпературного блока для приемника ионов ускорителя ИЛУ-3 с диапазоном работы до 1000°С. Устройство позволяет последовательно проводить имплантацию до четырех образцов при стабилизированной температуре без развакуумирова-ния камеры ускорителя. Проведены расчеты температуры мишени в процессе имплантации, учитывающие контактный и радиационный теплообмен. Показано влияние условий и режимов имплантации на равновесную температуру мишени.

DOI: 10.7868/S003281621404017X

ВВЕДЕНИЕ

Управление температурой мишени в процессе облучения позволяет существенно расширить возможности метода ионной имплантации. При высокотемпературной имплантации подавляется накопление дефектов, замедляются процессы амор-физации и образования дислокационных петель, а также происходит более полная электрическая активация внедренной примеси [1]. Иногда имплантация при высокой температуре оказывается единственным способом получения необходимой фазы в заданной матрице. Например, при ионно-лучевом синтезе наночастиц 81С в алмазе лишь имплантация при температурах около 1000°С позволяет получать эпитаксиально встроенные в решетку мишени частицы карбида кремния достаточно больших размеров [2], в то время как отжиг алмаза, имплантированного ионами кремния при невысоких температурах, приводит к его заметной графитизации и ухудшению свойств структуры. В случае ионно-лучевого синтеза силицидов в кремнии для синтеза слоев высокого качества также необходима имплантация при повышенных температурах [3—5].

Для проведения ионной имплантации при повышенных температурах необходимы дополнительные высокотемпературные приемники. В частности, ускоритель \arian 350Э оборудован как штатным приемником, работающим до 600°С, так и дополнительным, обеспечивающим достижение температуры 1000°С [6]. Для ускорителя ИЛУ-3 также разработаны специальные приемники, позволяющие, например, без развакуумирования проводить двустороннее ионное легирование с последующим

отжигом радиационных дефектов [7]. В работах [8, 9] приведены экспериментальные результаты по высокотемпературной имплантации образцов 81 и УБаСиО на ускорителе ИЛУ-3. Однако в этих статьях нет описания используемых высокотемпературных приемников.

В данной работе описана конструкция высокотемпературного блока для приемника ионов ускорителя ИЛУ-3. Для анализа изменения температуры мишени в зависимости от режимов и условий имплантации проведено моделирование тепловых процессов.

КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО БЛОКА

Высокотемпературный блок состоит из блока нагревателей, переключателя термопар, переключателя питания, реле-регулятора температуры и блока питания.

Блок нагревателей состоит из четырех печей с устройствами для крепления образцов (рис. 1), установленных на общей кассете 1. Питание к блоку нагревателей подается через цилиндрический переключатель питания. При вращении блока происходит смена печи с закрепленным на ней образцом в окне, открытом для пучка ионов, и автоматическое подключение питания к соответствующей печи. Такая конструкция приемника позволяет в процессе одного цикла получения высокого вакуума провести поочередно имплантацию четырех образцов.

Печь состоит из корпуса 3 и столика 4, между которыми закреплен спай термопары 7. Корпус печи и столик выполнены из нержавеющей стали.

Рис. 1. Устройство для закрепления и нагрева образцов (штриховка нанесена на плоскости разреза). 1 — кассета; 2 — образец; 3 — корпус; 4 — столик; 5 — нагревательный элемент; 6 — керамическое основание; 7 — спай термопары; 8 — стойка; 9 — керамическая трубка; 10 — набор шайб из слюды; 11 — вольфрамовая игла; 12 — прижимной винт.

В нагревателе столика используются вольфрамовые нити накала. Мощность блока питания 100 Вт, максимальный ток 10 А.

В процессе ионной имплантации при небольших энергиях ускоренных ионов и особенно при большой дозе происходит значительное изменение свойств поверхности, вследствие чего может существенно изменяться излучательная способность мишени. Это затрудняет определение температуры мишени пирометрическими методами. Поэтому в экспериментах, связанных с высокотемпературной ионной имплантацией, обычно указывается температура столика, на котором закреплена мишень. Для измерения температуры в нашем случае использованы хромель-алюмеле-вые термопары, спаи которых закреплены на каждом из четырех держателей образцов, а свободные концы подсоединены к переключателю, расположенному на фланце приемника. Переключение термопар осуществляется вручную с внешней стороны фланца приемника.

Стабилизация температуры держателя образца осуществляется с помощью реле-регулятора, поддерживающего температуру в пределах Тз ± 0.015Тз, где Тз — заданная температура.

Необходимым условием стабильной работы регулятора температуры является отсутствие электрических шумов в цепи термопары. Наибо-

лее сильные помехи могут быть связаны с импульсами тока, возникающими в цепи питания нити накала. Поэтому обе цепи экранированы и тщательно изолированы друг от друга: корпус 3 печи закреплен на керамическом основании 6 и ток питания не проходит по корпусу печи. Керамическое основание выполняет также и теплоизолирующие функции, препятствуя вследствие малой теплопроводности оттоку тепла к кассете 1.

Для обеспечения воспроизводимости результатов высокотемпературной ионной имплантации необходимо добиться, в первую очередь, повторяемости заданного температурного режима в каждом эксперименте. Одним из параметров, заметно влияющих на температуру образца, является качество теплового контакта с держателем. Тепловое сопротивление контакта определяется, во-первых, силой прижима образца к держателю, а во-вторых, шероховатостью поверхностей держателя и обратной стороны образца. Для обеспечения надежности и снижения сопротивления тепловых контактов применяется специальное прижимное устройство, состоящее из стальной стойки 8 и вольфрамовой иглы 11 с прижимным винтом 12 (см. рис. 1). Раздельная установка корпуса печи и стойки снижает нагрев последней в процессе высокотемпературной имплантации, и, следовательно, сила прижима образца к столику меньше изменяется.

Для уменьшения потерь тепла вследствие теплового излучения при высоких температурах образца и снижения мощности блока питания для нагрева столика устройство снабжено тепловой рубашкой, собранной из трех слоев металлической фольги. Применение такой теплоизоляции позволяет обеспечивать и поддерживать температуру на высокотемпературном приемнике до 1000° С при подводимой мощности ~100 Вт.

При проведении имплантации с повышенными плотностями потока ионов время облучения сокращается до нескольких десятков минут. При этом для обеспечения хорошей воспроизводимости результатов экспериментов необходимо, чтобы время достижения заданной температуры было меньше длительности имплантации. Поэтому важной характеристикой высокотемпературного блока является скорость установления заданной температуры. При подводимой мощности 100 Вт время установления температуры 400°С составляет ~15 мин. Для сравнения, скорость набора температуры в высокотемпературном приемнике ускорителя Уайап 350Э составляет 100°С/е, однако при этом используется 15 ламп общей потребляемой мощностью 15 кВт [10], что зачастую может оказаться неприемлемым для проводимого эксперимента.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ БЛОК

137

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ МИШЕНИ ПРИ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ

Температура мишени в процессе имплантации может заметно повышаться вследствие поглощения энергии ускоренных ионов. Интенсивность такого нагрева зависит от энергии ионов, плотности ионного тока, качества теплового контакта мишени со столиком и др. В частности, при больших плотностях ионного тока фактическая температура мишени может даже превысить температуру столика, поддерживаемую регулятором. Воспользовавшись простой моделью, можно оценить влияние вышеупомянутых факторов на фактическую температуру мишени.

В качестве исходной была взята известная модель нагрева мишени при ионной имплантации [11], учитывающая нагрев под действием пучка ионов, радиационный и контактный теплообмен. Дифференциальное уравнение для скорости изменения температуры мишени имеет вид

М = [Р - аТ - Ге)\/(рА\Ср),

стАе ¿б е

(2)

йТ /Л = [Р -а Ж - Т4) -- а Ж4 - Т4) - Н (Т - Тн )]/(рА/Ср),

(1)

где а,,

стАб ,6 е

", а,к

стАе, е к

бе +6, (1 -6 е) е к + е, (1 -е к)

Здесь Т, Те, Тк — температура пластины, окружающей среды и столика соответственно; ее, — интегральная излучательная способность пластины, окружающей среды и столика соответственно; I и А — соответственно толщина и общая облучаемая площадь пластины; р и Ср — плотность и удельная теплоемкость пластины; а — постоянная Стефана—Больцмана.

Первое слагаемое (Р) в квадратных скобках в уравнении (1) — это тепловая мощность, поглощаемая пластиной при термализации ионов. Второе слагаемое — это мощность теплообмена между лицевой стороной пластины и элементами конструкции ускорителя. Третье слагаемое описывает теплообмен излучением между обратной стороной пластины и держателем пластины, а четвертое соответствует тепловому потоку, возникающему благодаря механическому контакту между пластиной и держателем. Параметр Н, Вт/градус, обратно пропорционален тепловому сопротивлению контакта.

В уравнении (1) известны следующие параметры: р, Ср, Р, I, А — и, следовательно, имеется четыре неизвестных: ее, Те и Н. Для определения параметров ее и Те были записаны кривые нагрева медного столика (без образца) при воздействии пучка ионов и остывания столика в отсутствие воздействия. Дифференциальное уравнение, описывающее изменение температуры в этом случае, можно записать как

где а к =■ (л

е е + е к

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»