Устрій вакуумних систем, принцип дії ротаційного і паромасляного насосів. Засоби виміру залишкового вакууму.

Вступ

Тонкі плівки, що наносять у вакуумі, широко застосовуються у виробництві дискретних напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем (ІМС), а також при виготовленні фотошаблонів - основного технологічного інструмента мікроелектроніки. У наш час тонкоплівкові елементи займають до 80% площі напівпровідникових кристалів, що обумовлено постійним функціональним ускладненням ІМС.

Одержання високоякісних з відновлюваними електрофізичними параметрами тонкоплівкових шарів є одним з найважливіших технологічних процесів формування структур як дискретних діодів і транзисторів, так і активних та пасивних елементів ІМС. Тонкі плівки наносяться також під час заключних технологічних операцій виготовлення напівпровідникових приладів та ІМС, тобто після виконання безлічі інших операцій. Брак на цьому етапі є особливо економічно відчутним і, природно, повинен бути зведений до мінімуму.

Таким чином, від досконалості технологічних процесів нанесення тонких плівок у значній мірі залежать надійність і якість виробів мікроелектроніки, технічний рівень і економічні показники їхнього виробництва.

Тонкоплівкова технологія базується на складних фізико-хімічних процесах і застосуванні різних металів та діелектриків. Так, тонкоплівкові резистори, електроди конденсаторів і міжз’єднання виготовляють осадженням металевих плівок, а міжшарову ізоляцію й захисні покриття - діелектричних.

Важливим етапом є контроль параметрів тонких плівок (швидкості їхнього нанесення, товщини і її рівномірності, поверхневого опору), що здійснюється за допомогою спеціальних приладів як під час виконання окремих технологічних операцій, так і по завершенні всього процесу.

Наносять тонкі плівки у вакуумі методами термічного випару й іонного розпилення. Згідно першого методу використовують випарники з резистивним або електронно-променевим нагріванням, а другого - системи діодного або магнетронного розпилення.

Для реалізації цих методів розроблені спеціальні вакуумні установки періодичної напівбезперервної й безперервної дії, за допомогою яких у єдиному технологічному циклі можна наносити декілька різних за складом та властивостями шарів з різних джерел. При цьому виключається вплив атмосферного повітря на кожний нанесений шар, підвищується продуктивність за рахунок зменшення циклів відкачки робочих камер, а також нагрівання й охолодження підкладок, з'являється можливість повної автоматизації устаткування на основі мікропроцесорних систем керування.

Ефективність роботи сучасного вакуумного устаткування для нанесення тонких плівок, оснащеного відкачувальними системами, в які входять насоси різних принципів дії, спеціальні арматури і прилади для вимірювання вакууму, багато в чому залежить від правильності його експлуатації, знання персоналом основ вакуумної техніки.

Процес нанесення тонких плівок у вакуумі полягає у створенні (генерації) потоку часток, спрямованого убік
оброблюваної підкладки, і наступної їхньої конденсації
з утворенням тонкоплівкових шарів на поверхні, що покривається. Умовимося для стислості називати частками окремі атоми або молекули речовини або газу й розходження між ними підкреслювати тільки в необхідних випадках.
Таким чином, при нанесенні тонких плівок одночасно протікають три основних процеси: генерація спрямованого потоку часток речовини, що осаджується; проліт часток у розрідженому (вакуумному) просторі від їхнього джерела до оброблюваної поверхні; осадження (конденсація) часток на поверхні з утворенням тонкоплівочних шарів.

Відповідно до цього вакуумні установки для нанесення тонких плівок, незважаючи на різноманіття їхнього призначення й конструктивного оформлення, складаються з декількох основних елементів. А саме, 1 - джерела генерації потоку часток матеріалу, що осаджується; 2 - вакуумної системи, що забезпечує необхідні умови для проведення технологічного процесу; 3 – транспортно-позиціонуючих пристроїв, що забезпечують уведення підкладок у зону нанесення плівок і орієнтування поверхонь, що оброблюють щодо потоку часток матеріалу, що наноситься.

Процес нанесення тонких плівок у вакуумі складається з наступних основних операцій:

- установки й закріпленні підлягаючих обробці підкладок на підкладко-держателі при піднятому ковпаку;

- закритті (герметизації) робочої камери й відкачки її до необхідного вакууму;

- включенні джерела, що створює атомарний (молекулярний) потік речовини, що осаджується;

- нанесенні плівки певної товщини при постійно працюючому джерелі потоку часток і вакуумній системі;

- вимиканні джерела потоку часток, охолодженні підкладок і напуску повітря в робочу камеру до атмосферного тиску;

- підйомі ковпака й зніманні оброблених підкладок з підкладко-держателя.

У деяких випадках виконують додаткові операції (наприклад, попереднє нагрівання підкладок). Ефективність процесу характеризується його продуктивністю, чистотою й рівномірністю товщини плівки, що наноситься.

 

Дані лабораторні роботи присвячені питанням знайомства з сучасними вакуумними технологіями и пристроями для виробництва тонких плівок різного складу та призначення.

Зміст основних розділів та послідовність розміщення лабораторних робіт у посібнику підпорядковані відповідним завданням і темам, що треба проробити. По-перше, це вивчення існуючих вакуумних систем та приладів для створення та вимірювання вакуумного тиску. По-друге, це вивчення методик таких поширених способів отримання тонких плівок, як електронно-променеве, вакуум-термічне та іонно-плазмове, а також їх режимів та необхідних умов для процесів напилення.

 

 

Лабораторна робота № 1

Устрій вакуумних систем, принцип дії ротаційного і паромасляного насосів. Засоби виміру залишкового вакууму.

Поняття про вакуум і тиск

Фізика та техніка мають поняття ״вакуум״, яке визначається як стан газу, коли його тиск нижче атмосферного. Вакуум кількісно виміряється абсолютним тиском газу. У найкращому вакуумі, що вдалося одержати в умовах земної атмосфери, в 1м³ ще втримуються десятки й сотні молекул газу. Властивості газів при низьких тисках вивчаються фізикою вакууму, що є розділом молекулярно-кінетичної теорії газів. Основні постулати, які використовуються у фізиці вакууму, можна сформулювати в наступному вигляді:

1) газ складається з окремих молекул;

2) існує постійний розподіл молекул газу по швидкостям,,тобто однією й тією ж швидкістю володіє завжди однакове число молекул;

3) при руху молекул газу немає ніяких переважних напрямків, тобто простір газових молекул ізотропний;

4) температура газу є міра середньої кінетичної енергії його молекул;

5) при взаємодії з поверхнею твердого тіла молекула газу адсорбується.

У галузях техніки, де використовуються абсолютні тиски, що лише незначно відрізняється від атмосферного, користуються кількісним визначенням вакууму як різниці атмосферного й абсолютного тисків в об’єкті, який відкачують. При абсолютних тисках, які відрізняються від атмосферного більше ніж на два порядки, ця різниця практично залишається постійною й не може бути кількісною характеристикою стану розрідженого газу.

При взаємодії молекул газу з поверхнею твердого тіла в умовах адсорбційної рівноваги кількість молекул, що падають і кількість молекул, що вилітають, повинні бути рівні. З умови рівноваги температур газу й твердого тіла походить рівняння нормальних складових швидкостей молекул, що падають і молекул, що вилітають, що доводиться на одну молекулу з масою m, дорівнює 2mυ_n, де υ_n = υcosθ – нормальна складова швидкості υ; θ – кут між нормаллю до поверхні й вектором швидкості.

Згідно другого закону Ньютона, тиск газу

(1.1)

де N₁ – число молекул в одиниці об’єму V, що досягають в одиницю часу одиницю поверхні твердого тіла.

Величина N₁ прямо пропорційна молекулярної концентрації n і тілесному куту dω, під яким видно площадку на поверхні твердого тіла dA із центру виділеного об’єму dV (Рис.1.1):

(1.2)

Мірою тілесного куту dω є площа, яку він вирізує на сфері одиночного радіуса: (1.3)

Де r – відстань між поверхнею й виділеним об’ємом dV. Для об’єму dV у полярній системі координат запишемо:

(1.4)

 

Підставляємо (1.2), (1.3), (1.4) у (1.1) і рахуючи швидкість молекул газу

υ = dr/dt = const, одержимо

 

Рис.1.1 Розрахункова схема для визначення тиску

 

Існують три типи електричних розрядів у газах: розряди, що жевріють, дугові і тихі.

Форма сталого після запалювання розряду залежить від багатьох факторів, а саме: від величини тиску газу, довжини шляху розряду, геометрії електродів, величини прикладеної напруги й щільності розрядного струму.

Істотним фактором, що визначає протікання розряду, є розігрівання електродів, що обумовлює щільністю розрядного струму. При малій щільності струму й інших рівних умовах розряд не виходить за межі тліючого. При великій щільності струму дуже важко запобігти переходу розряду в дуговий.

Із цього погляду дуже велике значення має гранична потужність джерела струму, що живить розряд. Відмітною ознакою тліючого розряду є розподіл потенціалу в газі, який характеризується катодним падінням, тобто зміною потенціалу порядку декількох сот вольт протягом від катоду до області розряду, названою областю негативного тліючого світіння. Це розподіл потенціалу обумовлений типовим для тліючого розряду розташуванням просторових зарядів. Описаний розподіл потенціалу для тліючого розряду супроводжується також характерним зовнішнім виглядом розряду, що як би розпадається на кілька різних частин.

Більша частина прикладеної напруги падає на темний катодний простір, а в позитивному стовпі, що має більшу провідність, спадання напруги невелике.

Темний катодний простір становить величезний інтерес при розгляді катодного розпилення металів і питань очищення деталей за допомогою іонного бомбардування, тому що у цій області позитивно заряджені іони й електрони досягають своїх найвищих швидкостей.

Для ілюстрації значення темного катодного простору з погляду підтримки розгляду описуються класичні досвіди, що підтверджують такий висновок.

Якщо в просторі у якому відбувається тліючий розряд, поступово пересувати анод у напрямку до катоду, то катодні частини розряду залишаються незмінними, а довжина позитивного стовпа зменшується, поки цей стовп не зникне. Потім коротшає довжина темного Фарадеєва простору й, нарешті, світіння, що жевріє, причому положення різкої границі цього світіння з боку катоду залишається незмінним. Коли відстань від цієї границі до аноду зменшується до незначної величини, розряд, що жевріє, припиняється.

Якщо пересувати катод стосовно нерухомого аноду, то всі катодні частини розряду пересуваються разом з катодом, залишаючись незмінними у своїх розмірах і взаємному розташуванні; позитивний стовп, а слідом за ним Фарадеєвій темний простір і потім тліюче світіння поступово зменшуються й зникають. Коли границя тліючого світіння й темного катодного простору доходить до аноду, розряд припиняється.

Можна зробити висновок, що для підтримки розряду важливі процеси іонізації в темному катодному просторі, а позитивний стовп виконує тільки функцію шляху провідності між анодом й областю негативного світіння.