I.
1.2 Назначение предохранителей в эксперименте ATLAS 12.
1.3 Параметры, конструкция и материалы современных высоковольтных предохранителей. 16.
1.4 Малогабаритные тонкопленочные резисторы-предохранители21.
1.5 Свойства материалов, используемых в предохранителях 24.
1.6 Выводы к первой главе 31.
ГЛАВА 2 КОНСТРУКТИВНО-ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ 34.
2.1 Введение 34.
2.2 Конструктивные особенности высоковольтных тонкопленочных резисторов-предохранителей 34.
2.3 Выбор материала токоведущей дороржки предохранителя 39.
2.4 Выбор размеров высоковольтного резистора-предохранителя43.
2.5 Разработка топологии резистора-предохранителя 45.
2.6 Выводы ко второй главе 49.
ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯХ 50.
3.1 Введение 50.
3.2 Энергетические характеристики теплового воздействия на предохранитель 50.
3.3 Модели для анализа тепловых процессов в высоковольтных резисторах-предохранителях, 55.
3.4 Анализ тепловых моделей 63.
3.5 Расчет температуры резистора-предохранителя 68.
3.6 Выводы к третьей главе 77.
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕЖИГАНИЯ ТОКОВЕДУЩИХ ДОРОЖЕК В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ.
ПРЕДОХРАНИТЕЛЯХ 79.
4.1 Введение 79.
4.2 Математическая модель процесса окисления титана 79.
4.3 Алгоритм расчета процесса пережигания токоведущей дорожки тонкопленочного высоковольтного предохранителя 82.
4.4 Расчет процесса пережигания токоведущей дорожки тонкопленочного высоковольтного предохранителя 86.
4.5 Выводы к четвертой главе 93.
ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.
ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ 95.
5.1 Введение 95.
5.2 Технологический цикл 95.
5.3 Операции с подложками 99.
5.4 Подгонка сопротивлений резисторов 114.
5.5 Сборка резисторов-предохранителей 120.
5.6 Выводы к пятой главе 129.
ГЛАВА 6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ РЕЗИСТОРОВ-ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ 131.
6.1.
Введение
131 з.
6.2. Химический состав резистивной дорожки., 131.
6.3. Электрические сигналы для испытания предохранителей. 134.
6.4. Оценка материала подложки и металлизированной дорожки. 135.
6.5. Стандартный высоковольтный тест 138.
6.6. Пережигание предохранителей. 139 6.8 Радиационная стойкость пережженных предохранителей 148 6.9. Исследование применимости 149 резисторов-предохранителей в других областях техники 149 6. 10 Выводы к шестой главе 150.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
152.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
155.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 164.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 166.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 167.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 168.
Актуальность темы
.
В экспериментальной физике высоких энергий нашли широкое применение пропорциональные тонкостенные пластмассовые газовые цилиндрические детекторы, называемые в литературе «straw» [1−5]. Напряжение питания такого детектора более 1,5 кВ.
На крупнейшем в мире коллайдере протонов в ЦЕРНе проводится эксперимент ATLAS. В этом эксперименте используется трековый детектор переходного излучения (ТДПИ), содержащий 450 000 «straw». Этот дегеюор находится в условиях высокой радиации и недоступен для ремонта и обслуживания в течение всего срока проведения экспериментаоколо 6 лет. В то же время особенность конструкции «straw» делает весьма вероятной аварийную ситуацию, а организация ТДПИ такова, что это приводит к выходу из строя всего детектора ТДПИ. Эти проблемы в экспериментальной физике возникли впервые при проведении эксперимента ATLAS.
Наиболее целесообразным методом устранения этих аварийных ситуаций является отключение аварийного элемента «straw» от высоковольтного источника питания. В результате данный элемент детектора не сможет регистрировать частицы, однако весь детекторный блок в целом сохраняет работоспособность.
Таким образом, актуальной задачей является создание простого, дешевого и эффективного высоковольтного предохранителя, который бы управляемым способом мог отключать напряжение в аварийных элементах. Это позволяет обезопасить дорогие детекторные блоки и сравнительно дешево повысить их живучесть в условиях долговременного физического эксперимента. К началу диссертационной работы предохранителей, способных выполнять указанные функции, в мире не существовало.
Работа соискателем выполнена на кафедре микрои наноэлектроники НИЯУ МИФИ в рамках программ:
— «Государственная поддержка региональной научно-технической политики высшей школы и развитие ее научного потенциала», подпрограмма «Международное научно-техническое сотрудничество высшей школы России» Минобразования РФ — госбюджетная НИР I.
Микроэлектронные средства электрической защиты высоковольтных детекторов в фундаментальных исследованиях по физике высоких энергий в международных проектах в лабораториях CERN и DEZY", гос. Per. № 01.2001.7 720, 2001;2002 гг.;
Фундаментальные исследования и высшая школа (BRHE)" Минобразования РФ и Американского фонда гражданских исследований (Научно-образовательный центр CRDF REC-011 «Фундаментальные исследования свойств материи в экстремальных состояниях" — а также по проектам: ИНТАС № 99−1079 (поддержка CERN) и МНТЦ № 1900р (поддержка CERN).
Целью диссертационной работы является обеспечение надежной работы трековых детекторов переходного излучения в эксперименте ATLAS путем использования высоковольтных предохранителей за счет разработки теоретических основ конструирования и технологии их изготовления. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Обосновать и разработать конструкцию предохранителя.
2. Исследовать и обосновать выбор материалов, пригодных для изготовления предохранителей.
3. Провести анализ тепловых процессов в предохранителе при всех возможных режимах его работы.
4. Провести анализ процессов пережигания предохранителя.
5. Разработать технологию изготовления предохранителя.
6. Изготовить разработанные предохранители.
7. Исследовать работоспособность полученных предохранителей.
Объектом реализации указанных исследований являются тонкопленочные резистивные структуры нанометровой толщины на диэлектрических подложках. Структуры получены методом магнетронного распыления в среде аргона мишени из титана и фотолитографии.
Исследование химического состава резистивных слоев проводилось методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Исследования проводились на электронном спектрометре XSAM-800 (фирма Kratos).
Исследование тепловых процессов проводилось методом математического моделирования с использованием известных аналитических решений уравнения теплопроводности и Программы.
MATCAD.
Исследование процессов пережигания проводилось методом математического моделирования и экспериментов с использованием i i специально разработанного высоковольтного блока питания и осциллографа TDS 3052С фирмы Tektronix.
Достоверность результатов в проведенных экспериментах подтверждается воспроизводимой технологией изготовления тонкопленочных высоковольтных предохранителей с заданными свойствами, корректностью применения методов измерения параметров предохранителей, внутренней непротиворечивостью результатов измерений, опытом успешного применения тонкопленочных 7 высоковольтных предохранителей, полученных в результате настоящей работы, в аппаратуре ТДПИ в эксперименте АТЛАС в ЦЕРНе, а также в других устройствах.
Научная новизна диссертации заключается в создании теоретических основ проектирования и изготовления тонкопленочных высоковольтных предохранителей с заданными свойствами. При этом получены следующие научные результаты:'.
1. Разработана конструкция нанометрового высоковольтного предохранителя для защиты детекторных систем в физике высоких энергий. Токоведущая дорожка наносится на подложку без промежуточных теплоизолирующих слоев.
2. Предложено использовать новый способ разрушения токоведущей дорожки — сквозное окисление вместо традиционного плавления. Поэтому внутренний объем корпуса предохранителя обязательно должен содержать кислород.
3. Проведен анализ взаимосвязи свойств металлов и технических требований к предохранителю, показавший, что материал токоведущей дорожки должен обладать высокой скоростью окисления, высоким удельным сопротивлением и высокой температурой плавления — таким материалом является титан.
4. Разработана методика и проведен расчет тепловых характеристик и процесса пережигания предохранителей, позволивший определить размеры токоведущей дорожки и теплофизические параметры подложки, по которым определен материал подложки — ниобат лития.
5. Определены критические параметры основных технологических режимов. Нанесение токоведущего слоя должно осуществляться без ионной очистки методом магнетронного распыления на подложки, имеющие температуру около 200 °C. Отжиг для подгонки и стабилизации параметров осуществляется при температуре в диапазоне от 350 °C до 380 °C.
6. Введены новые обязательные этапы технологического цикланеоднократные выдержки в течение нескольких дней с последующей проверкой дрейфа сопротивлений резисторов, а также испытание серией высоковольтных импульсов напряжения со скважностью 5−10 и общей энергией не менее 0,1 энергии пережигания.
Практическая значимость работы определяется следующими результатами:
1. Разработана технология изготовления высоковольтных тонкопленочных предохранителей. Изготовлено более 60 ООО предохранителей.
2. Разработанные предохранители служат надежной защитой трековых детекторов переходного излучения, обеспечивая время отключения около 4 мс в режиме короткого замыкания дефектного элемента и не более 180 мс при протекании через элементарный детектор повышенных токов. При этом ток утечки сгоревшего предохранителя не превышает 5 нА при напряжении около 2 кВ.
Получен патент РФ на изобретение «Высоковольтный резисторпредохранитель».
Внедрение результатов работы.
1. Разработанные предохранители используются для защиты высоковольтных цепей в слаботочных физических установках, таких как дозиметр альфа — излучения и спектрометр ионной подвижности, разработанных в ООО «МИФИ-МИКРО» и на кафедре физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ.
2. В Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН, Швейцария) для защиты ТДПИ в эксперименте АТЛАС поставлена партия из 60 000 высоковольтных предохранителей.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Конструкция нанометрового высоковольтного предохранители представляет из себя узкую металлическую дорожку толщиной в десятки нм, нанесенную непосредственно на поверхность диэлектрической подложки без промежуточных слоев.
2. Новый способ разрушения токоведущей дорожки — сквозное окисление вместо традиционного плавления. Поэтому токоведущая дорожка должна находиться в среде, содержащей кислород.
3. Анализ взаимосвязи свойств металлов и технических требований к предохранителю, показавший, что лучшим материалом токоведущей дорожки является титан.
4. Методика и результаты расчета тепловых характеристик и процесса пережигания предохранителей, позволившие определить размеры токоведущей дорожки и теплофизические параметры подложки, по которым определен материал подложки — ниобат лития Диапазон материалов, пригодных для изготовления таких предохранителей, весьма ограничен. Оптимальным материалом токоведущей дорожки является титан, подложки — ниобат лития.
5. Проведение критических операций технологического цикла изготовления предохранителей в указанных режимах: магнетронное напыление токоведущего слоя на подложки при температуре 200 °C без ионной очистки и последующий отжиг кристаллов предохранителей в воздушной среде в диапазоне температур 350−380 °С., позволяет получить максимальный выход годных.
6. Обязательными этапами в технологическом цикле изготовления являются неоднократные выдержки в течение нескольких дней с последующей проверкой дрейфа их сопротивления, а также испытание серией высоковольтных импульсов напряжения со скважностью 5−10 и общей энергией не менее 0,1 энергии пережигания.
Личный вклад автора. Общая постановка и обоснование задач исследований, обсуждение полученных результатов, были выполнены автором совместно с научным руководителем.
Личный вклад автора заключается в разработке методик и проведении расчетов тепловых процессов и процессов пережигания в тонкопленочных предохранителях, обосновании технологических режимов и выборе конструкции и материалов для изготовления предохранителей, а также в проведении практических работ по их созданию и исследованию.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись, на 5, 6, 7, 8 и 10 научных сессиях НИЯУ МИФИ (г. Москва, 2003; 2006; 2008), на международной конференции КЛУПЧЕ (октябрь 2005, г. Москва, Звенигород) и на 13й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика-2006» (апрель 2006 г. г. Москва, МИЭТ).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получен патен т РФ на изобретение.
В совместных работах автору принадлежит проведение расчетов, разработка технологического маршрута и режимов процессов напыления и отжига, выполнение экспериментальных работ по изготовлению тонкопленочных высоковольтных предохранителей.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и 4-х приложений. Общий объем диссертации составляет 168 страниц, включая 65 рисунков, 10 таблиц и 107 библиографических ссылок.
6. 10 Выводы к шестой главе.
В главе рассмотрены экспериментальные исследования разработанных резисторов-предохранителей на различных этапах изготовления.
1. Исследование резисторов-предохранителей, изготовленных на пяти различных подложках, подтвердило правильность выводов, сделанных на основании расчетов, — ниобат лития единственный материал, из которого могут быть сделаны подложки резисторов-предохранителей для ТДПИ.
2. Исследование процесса пережигания предохранителей в вакууме подтвердило правильность предположения о том, что разрушение резистивпой дорожки предохранителя происходит за счет окисления, а не плавления титана.
3. Изучение осциллограммы и кадров видеосъемки процессов пережигания показало, что механизм пережигания является более.
150 сложным, чем окисление титановой дорожки. Окисление сопровождается дуговым разрядом, приводящим к испарению поверхностного слоя подложки под частью титановой дорожки.
4. Тепловые и климатические испытания показали высокую надежность и стабильность характеристик изготовленных предохранителей.
5. Испытание радиационной стойкости показало отсутствие деградации токов утечки в условиях облучения дозой, аналогичной эксперименту «ATLAS» в течение 6 лет.
6. Исследована возможность применения разработанных резисторов-предохранителей для защиты высоковольтных цепей в спектрометре ионной подвижности и детекторе альфа-радиоактивности. Предохранитель обеспечивает безопасную работу оператора с высоковольтными блоками, что особенно важно при ремонте и настройке.
В диссертационной работе проведена разработка теоретических основ конструирования и технологии изготовления высоковольтных резисторов-предохранителей, обеспечивающих надежную работу трековых детекторов переходного излучения.
Основные научные и практические результаты диссертации заключаются в следующем:
1. Предложена новая конструкция и новый принцип срабатывания высоковольтного резистора-предохранителя. Предохранитель представляет тонкопленочный резистор в виде узкой дорожки из высокоомного тугоплавкого металла, нанесенного на поверхность диэлектрической подложки. Пережигание предохранителя осуществляется за счет окисления резистивной дорожки. Поэтому конструкция корпуса должна обеспечивать наличие кислорода во внутреннем объеме, соприкасающемся с тонкопленочным резистором.
2. Проведено исследование свойств диэлектрических и токопроводящих материалов. Показано, что лучшим материалом токоведущей дорожки является титан. Расчетами показано, что толщина пленки титана должна составлять десятки нанометров.
3. Обоснован выбор аналитической модели для анализа тепловых процессов в резисторе-предохранителе при всех возможных режимах его работы. Показано, что температура резистора-предохранителя определяется энергией тока, протекающего через резистор и теплофизическими характеристиками материала подложки, и не зависит от материала резистивной дорожки. Получены зависимости температуры резистивной дорожки от теплофизических характеристик подложки и ширины резистивной дорожки. Температура в рабочем режиме в 10 раз ниже, чем в режиме пережигания, что обеспечивает его надежную долговечную работу. Рассчитана оптимальная ширина резистивной дорожки, составляющая 15 мкм. Рассчитана температура резистивной дорожки в местах с уменьшенной шириной, вызванной, например, дефектами •фотолитографии. Расчет показывает, что дефекты в ширине дорожки не оказывают существенного влияния на ее работу.
Рассчитана температура резистивной дорожки в форме меандра с близким расположением участков повышенной ширины. Температура таких участков растет быстрее, чем отдельных более узких участков. Поэтому топология токоведущей дорожки резистора-предохранителя не допускает формы типа меандра с близким расположением фрагментов дорожки.
4. Составлены математическая модель процесса пережигания резистора-предохранителя и программа ее расчета на языке Delphi и проведен ее анализ. Получены номограммы, показывающие время пережигания в зависимости от теплопроводности и температуропроводности материала подложки и позволяющие для заданного времени определить диапазон допустимых сочетаний теплофизических параметров подложки. По сочетанию теплофизических характеристик существующих диэлектрических материалов только ниобат лития может служить подложкой для тошсопленочных высоковольтных предохранителей.
5. Разработана технология изготовления высоковольтных резисторовпредохранителей. Изготовление кристаллов с тонкопленочными резисторами осуществляется по микроэлектронной технологии.
Напыление пленок титана и алюминия ведется в едином вакуумном цикле методом магнетронного распыления без ионной очистки при температуре подложек 200 °C. Рисунок контактных площадок и резистивных дорожек получается с помощью фотолитографии. Подгонка номиналов и.
153 стабилизация параметров резисторов осуществляются путем отжига в воздушной среде в диапазоне температур 350 — 380 °C после разделения подложек на кристаллы с учетом специфических пьезои пироэлектрических свойств материала подложки. В процессе изготовления обязательно многократное проведение операций выдержки и тестирования.
6. Проведены экспериментальные исследования электрических и эксплуатационных характеристик полученных резисторов-предохранителей. Эксперименты подтвердили правильность технических решений и соответствие параметров всем заданным техническим требованиям.
7. Изготовлена и поставлена в ЦЕРН для проведения эксперимента «ATLAS» на крупнейшем в мире коллайдере протонов большая партия (60 ООО штук) резисторов-предохранителей двух номиналов (50 кОм и 90 кОм). Небольшие партии предохранителей поставлены ряду организаций для защиты высоковольтных блоков в аппаратуре физического У эксперимента. Имеются Акты о внедрении из трех организаций.
8. Получен патент РФ на изобретение на разработанный резистор-предохранитель.
