Расчет температурного режима катода-мишени

 

Основной элемент распылительного устройства - мишень, которая непо­средственно является катодом или крепится на поверхности катода. Учитывая существенную тепловую нагрузку на мишень в процессе ее распыления, в конструкции ионно-плазменных устройств предусматривается прямое или кос­венное охлаждение мишени. Основным недостатком косвенных методов охла­ждения является ограничение мощности, вводимой в мишень. Таким образом, тепло, выделяемое при бомбардировке ионами, может отводиться за счет излучения, процесса теплопроводности и теплоотдачи при контакте охлаждающей жидко­сти с поверхностью мишени. Процессы передачи тепла будем считать устано­вившимися (стационарными).

Для оценки теплового режима катода-мишени будем считать, что вся мощность, прикладываемая к мишени, расходуется на нагрев мишени. В установившемся режиме можно записать:

w = w_тепл + w_изл, (4.1)

где w_тепл – плотность мощности передаваемая нижнему основанию мишени; w_изл – плотность мощности, излучаемая верхним основанием мишени.

Плотность мощности, прикладываемая к мишени, определяется из выражения:

w = J·U, (4.2)

где J – плотность тока разряда, U – напряжение, прикладываемое к электродам.

В соответствии с законом Фурье для стацио­нарной теплопроводности можно записать:

w_тепл = lDT/H, (4.3)

где DT - разность температур между поверхностями мишени; H - толщина мишени; l - коэффициент теплопроводности материала мишени.

При контакте охлаждающей жидкости с поверхностью мишени происходит передача тепла от основания мишени жидкости. Для этого случая можно записать

Q_жидк = aAtDТ, (4.4)

где Q_жидк - передаваемое количество теплоты; a - коэффициент теплоотдачи (для текущей воды a = 350+2100 Вт/(м^2×K), v - скорость течения воды); А - пло­щадь основания мишени; DT - разность температур мишени и подводимой воды (можно считать, что температура подводимой воды 20 ^оС, а охлаждаемого основания мишени - 100 ^оС); t - продолжительность процесса распыления. Формулу (4.4) запишем в преобразованном виде:

w_жидк = aDT. (4.5)

Для того, чтобы мишень не перегревалась необходимо выполнение условия w_жидк³ w_тепл.

При тепловом излучении тепловая энергия от верхнего основания мишени передается окружающей среде. В этом случае, исходя из закона Стефана-Больцмана, можно записать

w_изл = se(T_в⁴-T_с⁴), (4.5)

где s = 5,67×10^-8Вт/(м^2×К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана; e - излучательная способность материала мишени; Т_с - температура окружающей среды (Т_с = 300 К).

С учетом формул (4.2), (4.3) и (4.5) следует, что максимально допустимая толщина мишени равна

. (4.6)

СОСТАВ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

В курсовой работе должны быть рассмотрены следующие обязательные материалы:

Титульный лист

Задание на курсовую работу

Исходные данные для расчетов

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНИКА КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

1.1. Техника получения вакуума

1.2. Техника измерения низких давлений

1.3. Схема вакуумной системы технологической установки

1.4. Конструктивные особенности установки катодного распыления

1.5. Расчет времени откачки предварительного вакуума

2. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

2.1. Типичные разряды в постоянном электрическом поле

2.2. Условия существования разряда в газах

2.3. Расчет потенциала зажигания

2.4. Вольт-амперная характеристика разряда между электродами

2.5. Расчет вольт-амперной характеристики аномального разряда при катодном распы­лении

3. ТЕОРИЯ КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

3.1. Физические модели катодного распыления

3.2. Коэффициент распыления и факторы, влияющие на его величину

3.3. Технологические особенности процесса катодного распыления

3.4. Расчет коэффициента распыления

4. ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА И КОНДЕНСАЦИИ РАСПЫЛЕННОГО МАТЕРИАЛА

4.1. Перенос распыленного материала от мишени к поверхности конден­сации

4.2. Расчет скорости осаждения

4.3. Расчет распределения пленки по толщине

4.4. Методы контроля скорости осаждения и толщины тонких пленок

4.5. Влияние параметров конденсации на свойства пленок

5. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ КАТОДНОМ РАСПЫЛЕНИИ

5.1. Способы переноса тепловой энергии

5.2. Расчет температурного режима катода-мишени

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

Варианты заданий на курсовую работу

 

1. Варианты заданий для выполнения курсовой работы приведены в Приложении. Номер варианта задания соответствует номеру студента в списке группы.

2. Варианты задания для расчета времени откачки предварительного вакуума приведены в Приложении 1.

3. Варианты заданий для расчета ВАХ разряда, потенциала зажигания, коэффициента распыления, скорости осаждения при катодном распылении приведены в Приложении 2. При выполнении данного пункта учесть следующие замечания:

3.1. Построить ВАХ разряда при 1000 В £ U £ 5000 В.

3.2. Считать, что разряд происходит в атмосфере аргона и расстояние D от катода до анода равно диаметру катода-мишени.

3.3. Коэффициент распыления, скорость распыления и скорость осаждения вычисляются для выбранной рабочей точки ВАХ.

4. Варианты заданий для выполнения расчета теплового режима распыляемого катода-мишени приведены в Приложении 3. При выполнении данного пункта учесть следующие замечания:

4.1. Считать, что температура рабочей поверхности мишени 600 К.

4.2. Считать, что вся мощность разряда прикладывается к мишени.

4.3. Тепло от мишени отводится за счет излучения и подводимой воды.

4.4. Тепловой режим катода-мишени определяется для выбранной рабочей точки ВАХ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. - М.: Радио и связь, 1986. - 232 с.

2. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 328 с.

3. Юдин В.В. Коэффициент распыления изотропных мишеней// Электрон­ная техника. Сер. 2. 1984. Вып. 6(172). С. 3 - 16.

4. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. - М.: Высшая школа, 1988. - 255 с.

5. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел. - М.: Мир, 1989. - 349 с.

6. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. - М.: Высшая школа, 1982.

7. Черняев В.Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА. - М.: Выс­шая школа, 1987.

8. Технология тонких пленок:Справочник/ Под ред. Л.Майселла и Р.Гленга. В 2 т. - М.: Сов.радио, 1977.

9. Пичугин И.Г., Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых приборов. - М.: Высшая школа, 1984.- 288 с.

10. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физиче­ские и технологические основы, надежность. - М.: Высшая школа, 1986.- 464 с.

11. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. - М.: Мир, 1985.- 496 с.

12. Чен Ф. Введение в физику плазмы. - М.: Мир, 1987. - 398 с.

13. Иванов-Есипович Н.К. Технология микросхем. - М.: Высшая школа, 1972. - 256 с.

14. Телеснин Р.В Молекулярная физика. - М.: Высшая школа, 1973. - 360 с.

15. Физические величины: Справочник/ А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энерго­атомиздат, 1991.- 1232 с.

16. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. - М.: Мир, 1982.- 520 с.

17. Основы вакуумной техники. - М.: Энергия, 1975. - 416 с.

 

Приложение 1

 

Исходные данные для расчета времени откачки

предварительного вакуума

Таблица 1.1

1 группа

 

N вар	P, Па	Рv, Па	Р0, Па	SQi, м3×Па/с	Sн, л/с	Vраб.об., м3, 10-3
	105		0,1	2×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5 ×10-4
	- // -	- // -	- // -	6 ×10-4
	- // -		0,2	2 ×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5×10-4
	- // -	- // -	- // -	6×10-4
	- // -		0,3	2×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5×10-4
	- // -	- // -	- // -	6×10-4
	- // -		0,4	2×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5×10-4
	- // -	- // -	- // -	6×10-4
	- // -		0,5	2×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5×10-4
	- // -	- // -	- // -	6×10-4

 

Таблица 1.2

 

2 группа

 

N вар	P, Па	Рv, Па	Р0, Па	SQi, м3×Па/с	Sн, л/с	Vраб.об., м3, 10-3
	- // -		0,6	2×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5×10-4
	- // -	- // -	- // -	6×10-4
	- // -		0,7	2×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5×10-4
	- // -	- // -	- // -	6×10-4
	- // -		0,8	2×10-4
	- // -	- // -	- // -	3×10-4
	- // -	- // -	- // -	4×10-4
	- // -	- // -	- // -	5×10-4
	- // -	- // -	- // -	6×10-4
	- // -		0,3	4×105
	- // -	- // -	- // -	5 ×10-5
	- // -	- // -	- // -	6 ×10-5
	- // -	- // -	- // -	2 ×10-5
	- // -	- // -	- // -	3×10-5
	- // -		0,4	4×10-5
	- // -	- // -	- // -	5×10-5
	- // -	- // -	- // -	6×10-5
	- // -	- // -	- // -	2×10-5
	- // -	- // -	- // -	3×10-5

 

 

Приложение 2

 

Исходные данные для расчета ВАХ разряда, коэффициента распыления, скорости осаждения катодном распылении

 

Таблица 2.1

1 группа

 

N вар	r, мм	Р, мм рт.ст.	c	Элемент	Z2	Es, эВ	r, г/cм3
		1×10-3		Be		3,48	1,85
		2×10-3		Mg		1,59	1,74
		3×10-3		Al		3,25	2,67
		4×10-3		Si		3,91	2,33
		5×10-3		Ti		4,34	4,50
		1×10-3	1,25	V		3,70	5,96
		2×10-3	1,25	Cr		3,48	7,18
		3×10-3	1,25	Mn		3,15	7,44
		4×10-3	1,25	Fe		4,15	7,87
		5×10-3	1,25	Co		4,38	8,90
		1×10-3	1,5	Ni		4,41	8,91
		2×10-3	1,5	Cu		3,56	8,96
		3×10-3	1,5	Zn		1,19	7,13
		4×10-3	1,5	Ge		3,77	5,32
		5×10-3	1,5	Se		2,67	4,79
		1×10-3		Zr		5,43	6,45
		2×10-3		Nb		7,50	8,57
		3×10-3		Mo		6,90	10,22
		4×10-3		Pd		4,80	12,02
		5×10-3		Ag		2,70	10,50
		1×10-3	1,25	Cd		1,17	8,65
		2×10-3	1,25	In		2,33	7,31
		3×10-3	1,25	Sn		3,00	5,85
		4×10-3	1,25	Sb		1,75	6,69
		5×10-3	1,25	C		7,41	2,30

 

 

Таблица 2.1

 

2 группа

 

N вар	r, мм	Р, мм рт.ст.	c	Элемент	Z2	Es, эВ	r, г/cм3
		1×10-2	1,5	Bi		2,06	9,78
		2×10-2	1,5	Pb		2,04	11,34
		3×10-2	1,5	Au		3,92	19,32
		4×10-2	1,5	Ir		7,1	22,42
		5×10-2	1,5	Pt		5,56	21,45
		1×10-2		Os		7,5	22,57
		2×10-2		Re		8,2	21,02
		3×10-2		Ta		8,7	16,65
		4×10-2		Fe		4,15	7,87
		5×10-2		Co		4,38	8,90
		1×10-2		Ni		4,41	8,91
		2×10-2		Cu		3,56	8,96
		3×10-2		Zn		1,19	7,13
		4×10-2		Ge		3,77	5,32
		5×10-2		Se		2,67	4,79
		2×10-3		Zr		5,43	6,45
		3×10-3		Nb		7,50	8,57
		4×10-3		Mo		6,90	10,22
		5×10-3		Pd		4,80	12,02
		1×10-3		Ag		2,70	10,50
		2×10-3	1,25	Cd		1,17	8,65
		3×10-3	1,25	In		2,33	7,31
		4×10-3	1,25	Sn		3,00	5,85
		5×10-3	1,25	Sb		1,75	6,69
		1×10-3	1,25	W		8,76	19,35

 

 

Приложение 3

Исходные данные для расчета температурного режима катода-мишени

 

Таблица 3.1

Группа 1

 

N вар	Элемент	e	l600 К, Вт/(м×К)	Vводы, м/с
	Be	0,1		0,2
	Mg	0,1		0,3
	Al	0,1		0,4
	Si	0,1		0,5
	Ti	0,1		0.6
	V	0,2		0.2
	Cr	0,2		0.3
	Mn	0,2		0.4
	Fe	0,2		0.5
	Co	0,2		0.6
	Ni	0,3		0,2
	Cu	0,3		0.3
	Zn	0,3		0.4
	Ge	0,3		0.5
	Se	0,3	5,4	0.6
	Zr	0,4		0.2
	Nb	0,4		0.3
	Mo	0,4		0.4
	Pd	0,4		0.5
	Ag	0,4		0.6
	Cd	0,5		0,01
	In	0,5		0,02
	Sn	0,5		0,03
	Sb	0,5		0,04
	C	0,5	4,1	0,05

 

Таблица 3.2

 

Группа 2

 

N вар	Элемент	e	l600 К, Вт/(м×К)	Vводы, м/с
	Bi	0,1		0,02
	Pb	0,1		0,03
	Au	0,1		0,04
	Ir	0,1		0,05
	Pt	0,1		0.06
	Os	0,2		0.02
	Re	0,2		0.03
	Ta	0,2		0.04
	Fe	0,2		0.05
	Co	0,2		0.06
	Ni	0,3		0,02
	Cu	0,3		0.03
	Zn	0,3		0.04
	Ge	0,3		0.05
	Se	0,3	5,4	0.06
	Zr	0,1		0.06
	Nb	0,1		0.02
	Mo	0,1		0.03
	Pd	0,1		0.04
	Ag	0,2		0.05
	Cd	0,2		0.06
	In	0,2		0,02
	Sn	0,2		0.03
	Sb	0,2		0.04
	W	0,3		0.05

 

Приложение 4

 

Приложение 5