Оценка времени откачки рабочего объема

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

 

Кафедра вычислительной техники

 

УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе ____________ О.Г. Локтионова «___» ___________ 2014 г.

 

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

 

Методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Технология производства электронных средств»

для студентов направления подготовки бакалавров 211000.62

«Конструирование и технология электронно-вычислительных средств»

 

 

Курск 2014

 

 

УДК 621.37

 

Составитель: В.В.Умрихин

 

Рецензент

Кандидат физико-математических наук, доцент А. В. Кочура

 

Моделирование технологического процесса ионно-плазменной обработки материалов: методические указания к курсовой работе по дисциплине «Технология производства электронных средств» / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: В.В.Умрихин. Курск, 2014. 33 с.: ил. 2, табл. 1, прилож. 5. Библиогр.: с. 25.

 

Содержатся методические рекомендации по выполнению курсовой работы. Указывается порядок выполнения курсовой работы.

Предназначены для студентов направления подготовки бакалавров 211000.62 «Конструирование и технология электронно-вычислительных средств».

 

 

Текст печатается в авторской редакции

 

 

Подписано в печать. Формат 60 84 1/16.

Усл. печ. л. Уч.-изд. л.. Тираж экз. Заказ. Бесплатно.

Юго-Западный государственный университет.

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

ВВЕДЕНИЕ

 

Курсовая работа является составной частью процесса изучения курса «Технология производства электронных средств». Ее целью является закрепление и углубление знаний, полученных при изучении курса лекций, самостоятельной работе с литературой и выполнении лабораторных работ.

Основная задача курсовой работы состоит в том, чтобы освоить методы рас­чета технологическихпараметров ионно-плазменной обработки материалов в двухэлектродных системах катодного распыления.

Распыление материалов и образование слоев путем напыления при низких давлениях стало важным физическим и технологическим процессом при из­готовлении изделий микроэлектроники и технологии производства электрон­ных средств (ЭС).

 

ТЕХНИКА КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

 

Техника получения вакуума

 

Для получения технологического вакуума 10^{-7 мм рт. ст. применяют различ­ные типы вакуумных насосов. В зависимости от начального давления их разде­ляют на две группы: форвакуумные и высоковакуумные. К первой группе от­носят насосы, начинающие откачку при атмосферном давлении и обеспечи­вающие получение предварительного вакуума (форвакуума) в 10-2} - 10^-3 мм рт. ст., и высоковакуумные насосы, работающие в диапазоне от форвакуума и выше.

В технологических установках объединяют насосы первой и второй групп в вакуумном агрегате, в состав которого входят вакуумная ка­мера, коммутирующие вентили, предохранительные ловушки, цепи автоматики, цепи измерения вакуума, скорости осаждения и т.д.

Основной характеристикой вакуумного насоса является быстрота откачки, т.е. количество газа, проходящего через впускное отверстие насоса в единицу времени (л/с).

Простейшие по принципу работы являются форвакуумные адсорбционные насосы, основанные на способности предварительно обезгаженных поверхнос­тей поглощать газы за счет физической адсорбции.

В качестве адсорбента применяют цеолит. Цеолитом называют губчатое мелкопористое вещество с размером пор в несколько ангстрем. Для охлажде­ния адсорбента на насос надевают сосуд Дьюара с жидким азотом, а для реге­нерации - нагреватель. Главными недостатками адсорбционных насосов явля­ются большой расход жидкого азота, плохая откачка водорода, имеющего наименьший размер молекулы, и инертных газов.

Механические форвакуумные насосы с масляным уплотнением работают за счет периодического изменения объема рабочей камеры насоса. Качество ра­боты механических форвакуумных насосов зависит от пригонки трущихся де­талей. Уменьшение обратного натекания газа достигается за счет масляного уплотнения трущихся поверхностей. Пленка масла создает непроницаемость для газа в подвижных сочленениях.

Применяемое в качестве уплотнителя масло должно иметь низкое давление паров, не окисляться на воздухе, обладать вязкостью для создания прочной уп­лотнительной пленки.

Турбомолекулярные высоковакуумные насосы основаны на принципе сооб­щения оставшимся в высоком вакууме молекулам газа направленного движе­ния за счет быстро движущейся поверхности. Перепад давлений пропорциона­лен скорости, площади поверхности и молекулярному весу газа.

Конструкция откачиваемого узла турбомолекулярного насоса подобна кон­денсатору переменной емкости. Зазор между роторными и статорными плас­тинами составляет около 1 мм, пластины имеют отверстия со скошенными краями, в результате чего создается радиальное движение молекул от оси на­соса. Перепад давлений, следовательно, направлен от оси к боковым стенкам. В некоторых конструкциях турбомолекулярных насосов вращение ротора может достигать до 100000 об/мин.

Турбомолекулярные насосы откачивают до 10^-9 мм рт. ст., но обладают се­лективностью: для более тяжелых газов компрессия (отношение давления на выходе к давлению на входе) больше, чем для легких. Поэтому при предель­ном вакууме в камере остается только водород.

Пароструйные (диффузионные) высоковакуумные насосы работают на принципе сообщения остаточным молекулам газа дополнительной скорости и основаны на захвате молекул откачиваемого газа струей пара рабочей жид­ко­сти, которая увлекает их из откачиваемого объема. Рабочая жидкость наг­рева­ется в кипятильнике, образующийся пар поступает к соплам и выходит из них с большой скоростью.

Струя пара пересекает рабочую камеру насоса. Противоположная стенка ка­меры охлаждена, пар конденсируется на ней, освобождая молекулы откачи­ваемого газа, а конденсат стекает обратно в кипятильник. К выходному пат­рубку насоса присоединяется форвакуумный насос.

В качестве рабочей жидкости применяют нефтяные масла специальной пе­регонки, кремнийорганические жидкости и ртуть.

Масляные пароструйные насосы дешевы в эксплуатации, позволяют полу­чить вакуум до 10^-8 мм рт. ст. Однако возможно попадание молекул масла в откачиваемые вакуумные камеры. Молекулы масла, проникшие в технологи­ческий объем, оседают на подложках. Для улавливания молекул масла при­меняют различные типы ловушек.

Геттерно-ионные насосы имеют преимущество в том, что загрязнение уг­леводородом вакуумных камер сведено к минимуму, поскольку в них отсутст­вует интенсивный источник ионов. Геттерно-ионные насосы используют яв­ление поглощения газов осаждаемой пленкой. Поглощение протекает как в результате хемосорбции, так и «замуровывания» инертных атомов. Газ погло­щается свежеосажденным на внутреннюю полость насоса слоем титана, ти­тано-молибденового сплава или хрома при сублимационном, электронно-луче­вом или ионном распылении. В последнем случае насосы называют электро­разрядными. Процесс откачки геттерно-ионных насосов включает ионизацию остаточных молекул газа электронами, эмиттируемыми катодом. Эффектив­ность ионизации зависит от вероятности встречи электрона с молекулой газа. Вероятность повышается с удлинением пути электронов. Для этого применяют ассиметрию электрического поля или внешнее магнитное поле. Предвари­тельно обезгаженный насос может дать вакуум до 10^-9 мм рт. ст.

 

Техника измерения вакуума

 

Приборы для измерения полных малых давлений в вакуумной технике назы­ваются манометрами. В литературе и практике употребляется также термин вакуумметры. Большинство манометров состоит из двух элементов: датчика - преобразователя сигнала и измерительного блока.

По принципу действия манометры можно свести в следующие классы:

1. Жидкостные манометры, в которых измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости (U-образные мано­метры и их модификации).

2. Компрессионные манометры, действие которых основано на законе изотермического сжатия идеального газа (манометры Мак-Леода).

3. Деформационные манометры, использующие в качестве чувствитель­ного элемента сильфон, мембрану и т.п. Величина деформации чувствитель­ного элемента служит мерой давления.

4. Тепловые манометры, использующие зависимость теплопроводности газа от давления. Они подразделяются на термопарные и манометры сопротив­ления.

5. Ионизационные манометры, в которых давление определяется по значе­нию ионного тока. Большая группа приборов этого класса подразделяется в свою очередь на:

а) электроразрядные, принцип действия которых основан на зависимости параметров электрического разряда в разреженном газе от давления;

б) электронные ионизационные, ионизация газа в которых осуществляется потоком электронов, ускоряемых электрическим полем.

Всю группу манометров можно также разделить на приборы прямого и кос­венного действия.

Манометрами прямого действия являются приборы, кото­рые непосредст­венно измеряют давление газа. Манометрические свойства этих манометров можно заранее рассчитать или получить с помощью градуировки по динамометрическим приборам. Отсчет давления манометра прямого действия прин­ципиально не зависит от состава газа и его температуры. Эти приборы пере­крывают диа­пазон 10 - 10^-3 Па, причем их относительная погрешность тем меньше, чем выше давление. К манометрам прямого действия отно­сятся жид­костные, компрессионные и деформационные. Манометры косвенного дей­ствия измеряют не само давление, а некоторую его функцию и, как правило, состоят из датчика (мано­метрического преобразователя) и радиотехнического измеритель­ного блока. Отсчет давления (выходной сигнал) у манометров кос­венного действия зависит от рода газа и его температуры.

Шкалы манометров косвенного действия откалиброваны в единицах давле­ния или электрических единицах. В последнем слу­чае к приборам прилага­ется переводная градуировочная кри­вая или приводится его чувствительность. Градуировочные кри­вые составляются при градуировке приборов косвенного действия по манометрам прямого действия и, строго говоря, верны только для условий, воспроизводящих условия градуировки.

Измерение давлений ниже 1,33×10^-3 Па (10^{-5 мм рт. ст.) практи­чески воз­можно только приборами косвенного действия, поскольку усилия при таких давлениях ничтожно малы (при 1.33}×10^-3 Па ~ 1,3×10^-8 кгс/см²). Таким обра­зом, давление как на­грузка теряет свой смысл. Более показателен при таких давлениях другой параметр - молекулярная концентрация, т.е. плотность час­тиц газа в единице объема, которую, кстати, и измеряют мано­метры косвенного действия.

При измерении давлений манометрами косвенного действия точность отсчета невелика из-за влияния большого числа трудно учитываемых факторов (изменение состава газа и его температуры, сорбционно-десорбционных процессов в датчике и т.п.). Погреш­ность измерения давления обычно колеблется в пределах от 10 до 60 % измеряемой величины.

 

Оценка времени откачки рабочего объема

 

Схема процесса откачки вакуумного колпака, под которым проводятся тех­нологические процессы напыления, представлена на рис.1.1. Работа вакуум­ного насоса характеризуется скоростью откачки s_н (л/с), т.е. объемом газа при данном давлении, удаляе­мым насосом за единицу времени. Скорость откачки многих насо­сов в широкой области давлений приблизительно постоянна.

Поток газа, откачиваемый в единицу времени:

Q_v = p_vs_н, (1.1)

где p_v - давление в месте измерения потока газа, мм рт. ст. ×л/с; s_н = dV/dt - скорость откачки в насосе.

 

Рис.1.1. Схема процесса откачки

 

На рис. 1.1 считаем, что откачиваемый поток газа Q в любом сечении трубо­провода 2 постоянен. В то же время давление под кол­паком p_v больше давления в насосе p_н, иначе не было бы откачи­ваемого потока Q.

В сечении насоса 1 поток газа

Q_н = s_нp_н, (1.2)

где s_н, p_н - соответственно скорость откачки и давление в насосе.

В сечении трубопровода 2 у колпака поток газа

Q_v = s_эp_v, (1.3)

где s_э - эффективная скорость откачки в этом сечении; p_v - давление под колпа­ком. Из равенств (1.2) и (1.3) можно сделать вывод, что s_э< s_н.

На рис 1.1: Q_д - поток газа, десорбирующийся с поверхности колпака; Q_п - поток газа, проникающий под колпак извне; Q_н - по­ток газа, поступающий из насоса в откачиваемую систему.

Основным уравнением, описывающим процесс откачки, явля­ется

Vdp = dt(s_эp - Q_д - Q_н - Q_и). (1.4)

Количество газа, удаленного из объема в течение времени dt, равно ко­личеству газа, проходящего через насос, за вычетом коли­чества газа, посту­пающего из трех источников. Знак минус озна­чает, что dp отрицательно - это соответствует уменьшению давле­ния. После окончания начального периода от­качки Q_д, Q_п и Q_и ос­таются единственными источниками газа в объеме V. В конце ус­тановится равновесие, после чего давление не будет уменьшаться. Ког­да достигнуто предельное давление p_о, то dp/dt = 0 и

p_оs_э = Q_д + Q_п + Q_и; (1.5)

откуда

s_э = SQ_i p_vj. (1.6)

Решение уравнения (1.6) свидетельствует о зависимости давле­ния под колпаком от времени t:

p_v = p×exp(-s_эt/V) + p_о, (1.7)

где p - начальное давление под колпаком. Откуда время откачки оп­ределяется из выражения:

. (1.8)

 

1.4. Схема вакуумной системы технологической уста­новки

 

Типичная схема вакуумной системы представлена на рис.1.2. Для от­качки объема колпака 7 от атмосферного давления до пре­дельного вакуума с помощью форвакуумного насоса ФВН через открытые вентили 3 и 4 создают давление под колпаком до 10^-1 - 10^-2 мм рт. ст, контролируя давление с по­мощью термопарного ма­нометра 2. После этого вентиль 3 закрывают, откры­вают вен­тиль 5 и высоковакуумный затвор 1 и откачивают всю вакуумную систему до давления 10^-1 - 10^{-2 мм рт. ст. Затем включают подогре­ватель высо­ковакуумного диффузионного насоса ВВН и произво­дят откачку колпака через затвор 1 до предельного вакуума (10-6} - 5×10^{-7 мм рт. ст.), контролируя давление с помощью ионизацион­ного манометра 6. При этом ФВН должен постоянно отсасывать в атмосферу из ВВН остаточный газ. Поскольку в форбаллоне ФБ поддерживается форвакуум 10-1} - 10^{-2 мм рт. ст., возможно крат­ковременное отключение ФВН от ВВН. В этом случае выход ВВН будет нагружен только на ФБ. По окончании цикла напыления на­пуск осушенного воздуха в ФВН и кол­пак производится через вен­тили 3 и 4. Управление вентилями и их блокировка осуществля­ется с помощью блока переключения вакуума БПВ.}

 

Рис.1.2. Схема вакуумной системы технологической установки

 

При выборе материалов для вакуумных систем необходимо учитывать ско­рость десорбции и газопроницаемость. Из металлов наиболее подходящим ма­териалом является нержавеющая сталь. Этот материал обладает низкой скоро­стью десорбции, т.е. низкой скоростью газоотделения с единичной поверхно­сти. Материал ус­тойчив против коррозии, что позволяет использовать химиче­ски агрессивные жидкости для очистки подколпачных устройств, хо­рошо по­лируется, вследствие чего в неровностях шероховатой по­верхности не накапли­ваются гигроскопичные вещества и активные сорбенты. В то же время малоуг­леродистая сталь плохо удовлетво­ряет требованиям вакуумной техники, по­скольку окисный слой на ее поверхности обладает высокой сорбционной емко­стью. Примене­ние латуни в вакуумной технике не рекомендуется из-за за­мет­ного испарения цинка при температуре свыше 300 ^оС.