Увеличение производительности установки ионного легирования за счёт повышения надёжности, выражающееся в увеличении интервала между ремонтами и снижении времени простоя при ремонте.
Ионная имплантация является одной из ключевых технологий изменения свойств материалов, применяемых в микроэлектронике и машиностроении. Суть метода заключается во внедрении ионов заданного элемента в поверхностный слой изделия с точно контролируемыми параметрами — энергией, дозой и глубиной проникновения. За счёт этого формируются стабильные и воспроизводимые электрические, механические и физико-химические характеристики поверхности, которые невозможно получить традиционными методами термического легирования.
Высокая точность и управляемость сделали этот метод базовым при производстве интегральных схем, а ионная имплантация полупроводников стала стандартом для создания силовых приборов, микропроцессоров и датчиков. В машиностроении технология применяется для упрочнения поверхностей деталей, повышения их износостойкости и увеличения ресурса.
Метод ионной имплантации реализуется на сложных технологических комплексах – ионных имплантерах. Это сложные технологические комплексы, работающие в условиях высокого вакуума и включающие в себя источник ионов, систему формирования и ускорения ионного пучка, вакуумные камеры обработки и систему управления. Качество вакуума в таких установках напрямую определяет стабильность процесса и итоговое качество изделий.
Текущее состояние оборудования и проблема дефицита
На сегодняшний день в России отсутствует серийное производство установок ионной имплантации. Большинство предприятий эксплуатируют либо установки советского периода — такие как «Лада-30» и «Днепр», либо импортные комплексы, поставленные ранее. В условиях санкционных ограничений доступ к новому зарубежному оборудованию и сервисному обслуживанию существенно затруднён, а ресурс советских установок во многих случаях уже выработан или близок к предельному.
При этом сама технология остаётся востребованной: производственные линии работают, требования к качеству изделий растут, а замена оборудования «с нуля» требует значительных сроков и инвестиций. В результате предприятия сталкиваются с объективной необходимостью продления срока службы имеющихся установок и повышения их технологического уровня.
В этой ситуации модернизация действующих установок ионной имплантации становится не временной мерой, а практическим и экономически обоснованным решением, позволяющим сохранить производственные мощности и обеспечить их соответствие современным требованиям.
Подход к модернизации: от задачи к результату
Компания «АкадемВак» имеет практический опыт модернизации советских установок ионной имплантации. Во всех реализованных проектах, включая установки типов «Лада-30» и «Днепр», была выполнена глубокая модернизация ключевых технологических систем, в первую очередь вакуумной и газовой систем.
Исходное состояние установок было типичным для оборудования этого поколения: масляные пластинчато-роторные насосы в форвакуумной части и диффузионные насосы в высоковакуумной. Такая схема работоспособна, но имеет ряд системных ограничений. Основные из них — наличие масляных паров в вакуумном объёме, загрязнение вакуумных камер и изделий, высокая зависимость от обслуживания и расходных материалов, а также сложности с ремонтом устаревших насосов.
Аналогичные ограничения выявлялись и в газовой системе ионного источника. Как правило, установка оснащалась одноканальной системой подачи рабочего газа без линий продувки инертным газом. Это существенно усложняло переход на другой тип газа и снижало оперативность перенастройки установки. Дополнительными недостатками являлись нестандартные соединения газоподачи и ручное регулирование расхода рабочего газа, не обеспечивавшее стабильной повторяемости параметров процесса.
С учётом производственных требований, предусматривающих легирование пластин различными примесями (в том числе B, P и As) и быструю перенастройку оборудования от партии к партии, модернизация во всех проектах изначально рассматривалась не как восстановление работоспособности, а как целенаправленное качественное обновление вакуумной и газовой систем установки.
Цели модернизации
Повышение качества изделий за счёт снижения количества вредных примесей, выражающееся в улучшении значений предельного и рабочего вакуума, а также исключении из вакуумной системы следов рабочих жидкостей (масла), используемых в масляных средствах откачки.
Повышение стабильности работы участка ионного легирования путем замены устаревшего оборудования на современное, повышения уровня взаимозаменяемости узлов и агрегатов между имеющимися установками.
Расширение функционала установки в части работы с различными газами, а именно возможность быстрой смены типа газа для перехода на процесс легирования примесями B, P, As.
Таким образом, модернизация рассматривается как комплексная инженерная задача. Она включает не только замену вакуумных насосов, но и переход на стандартизированные фланцевые соединения, обновление системы управления, замену газового шкафа, а также модернизацию вспомогательных систем, обеспечивающих работу установки в целом.
Ход работ
1. Демонтаж основных узлов и системы управления масляной откачкой
Работы начинаются с демонтажа устаревшего оборудования. Полностью удаляются масляные форвакуумные насосы, диффузионные насосы, элементы старой системы управления и монтажные конструкции, не соответствующие новой конфигурации. Демонтаж проводится с сохранением вакуумных камер и их геометрии, что позволяет избежать капитальной переделки установки.
2. Очистка и обслуживание поверхностей вакуумных камер
На втором этапе проводится комплекс работ по очистке обращенных в вакуум поверхностей, а также внешних поверхностей вакуумных камер и прочих элементов вакуумной системы. За годы эксплуатации на внутренних стенках камер и элементов вакуумного тракта накапливаются масляные и прочие загрязнения, увеличивающие газовыделение. Поэтому проводятся работы по очистке, электрохимической полировке и вакуумному отжигу элементов системы.
3. Изготовление по разработанным чертежам нестандартных компонентов
Следующим этапом становится адаптация установки к современному вакуумному оборудованию. Советские установки используют нестандартные фланцы, несовместимые с современными насосами и арматурой. Для решения этой задачи разрабатываются и изготавливаются переходные адаптеры, обеспечивающие переход на международные стандарты ISO-KF, ISO-K и CF без необратимых изменений конструкции установки. Такой подход сохраняет возможность дальнейших модернизаций и упрощает обслуживание.
4. Замена системы откачки
После подготовительных работ выполняется установка новой системы откачки.
- В форвакуумной линии масляные пластинчато-роторные насосы заменяются на сухие винтовые. Это обеспечивает стабильную форвакуумную откачку без наличия масла в рабочем объеме камеры.
- В высоковакуумной части приемной камеры выполняется замена диффузионных насосов на криогенные. Данное решение позволяет существенно повысить скорость откачки по парам воды. В камере ионного источника вместо диффузионных насосов устанавливаются турбомолекулярные насосы, обеспечивающие стабильный и чистый вакуум в зоне формирования ионов.
В совокупности такая конфигурация позволяет добиться более быстрого выхода на рабочий вакуум, повысить его стабильность и полностью исключить масляное загрязнение.
Схема замены насосов
| Место откачки | Старая масляная система откачки | Новая сухая система откачки |
| Форвакуумная откачка приемной камеры и ионного тракта | Пластинчато-роторный насос 2НВР-60Д | Винтовой безмасляный вакуумный насос с насосом Рутса BAOSI GSD160/1300B |
| Форвакуумная откачка камеры ионного источника | Пластинчато-роторный насос 2НВР-60Д | Винтовой безмасляный вакуумный насос BAOSI GSD160B |
| Высоковакуумная откачка приемной камеры | Диффузионный насос НВДМ-400 | Криогенный насос CTI KDCP-16SHIN-IC-I |
| Высоковакуумная откачка приемной камеры | Диффузионный насос НВДМ-200 | Криогенный насос CTI KDCP-8SHIN-IC-I |
| Высоковакуумная откачка камеры ионного источника | 2 диффузионных насоса НВДМ-200 | 2 турбомолекулярных насоса KYKY CXF-200/1401 |
5. Интеграция систем управления и вспомогательных систем
Параллельно с монтажом насосов интегрируются вспомогательные системы — газоснабжение, водяное охлаждение, пневматическая линия.
Управление газовым шкафом реализуется с использованием ПК для обеспечения полного функционала (просмотр реального расхода газа, выставление уставки, продувка каждой линии, сигнализация включения блокировок, а также управление с разных уровней доступа — оператор и инженер-технолог).
По требованию заказчика управление вакуумной системой может быть реализовано на аппаратном уровне (отдельно от газа) с возможностью работы как в ручном, так и в полуавтоматическом режимах.
При этом система управления откачкой выполняется в виде четырех вставных плат с вмонтированными в них элементами электронного управления, контроллерами вакуумметров и насосов.
Поскольку установка состоит из трех участков, отделенных друг от друга шиберными затворами, функции плат разделяют:
- Первая отвечает за откачку в приемной камере.
- Вторая — за откачку в ионном тракте.
- Третья плата управляет откачкой в камере ионного источника.
- Четвертая плата предназначена для управления вспомогательными системами.
Вставные корпуса управляющих плат изготавливаются по размерам стойки управления и встраиваемого оборудования. Контрольные приборы и элементы управления располагаются на лицевой панели. Все элементы лицевой панели имеют расшифровку и цветовые обозначения для удобного и интуитивно понятного управления.
Мнемосхема перерабатывается с учетом внесенных изменений. На лицевой панели блока безмасляной откачки изображается обновленная мнемосхема вакуумной линии с расположенными на ней технологическими источниками. На схеме предусмотрена индикация положения вакуумной арматуры, сигнализация включения блокировок, индикация поданного питания и необходимых параметров устройств.
Установка нового газового шкафа на 4 технологические линии
Интерфейс системы управления газовым шкафом
Пример платы управления
Платы управления внутри стойки управления
Новая мнемосхема вакуумной линии
6. Испытания и пусконаладочные работы
После завершения монтажа вся вакуумная система проверяется гелиевым течеискателем. Выявленные утечки устраняются, после чего установка выходит на заданные значения предельного и рабочего вакуума. Заключительным этапом становятся приёмо-сдаточные испытания и вывод установки в штатный режим эксплуатации.
Результаты модернизации и выгоды для производства
В результате модернизации заказчики получают не просто восстановленную установку, а технологически обновлённый комплекс с улучшенными характеристиками. Достигаются следующие результаты:
- повышение надёжности и стабильности работы;
- снижение времени простоев;
- улучшение вакуумных параметров;
- исключение масляных загрязнений;
- создание задела для дальнейшей автоматизации и развития.
Опыт показывает, что модернизация установок ионной имплантации при грамотном инженерном подходе позволяет эффективно решить проблему дефицита оборудования и обеспечить устойчивую работу производств. Такой подход особенно актуален в текущих условиях, когда сохранение и развитие существующих технологических мощностей становится стратегической задачей для предприятий.
Комплексная модернизация ионных имплантеров
Расскажите о вашей установке и производственных задачах. Подберем современную систему откачки, спроектируем переходные узлы и предложим оптимальный план модернизации.