37

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра конструирования и технологии электронных

вычислительных средств

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Физико-химические основы технологии электронных средств»

на тему: расчет параметров процесса ионно-плазменной обработки материалов

Студент Романов Андрей Викторович 26 декабря 2008 г.

(группа, фамилия, подпись, дата)

Специальность 220500 «Конструирование и технология ЭВС»

Курсовая работа защищена_____________ Оценка_______________

КУРСК 2008

Исходные данные для расчётов: Вариант №18.

Исходные данные для расчета времени откачки предварительного вакуума.

P, Па	Рv, Па	P0, Па	Qi, м3Па/с	Sн, л/с	Vраб.об.,м3, 10-3
105	4	0,4	410-4	8	100

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

r, мм	Р, мм рт.ст.		Элемент	Z2	Es,эВ	Ρ,г/см3
70	310-3	2	Mo	42	6,9	10,22

Исходные данные для расчета температурного режима катода-мишени.

Элемент		600 К, Вт/(мК)	Vводы, м/с
Mo	0,4	134	0.4

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ 3

ВВЕДЕНИЕ 4

1. Техника катодного распыления 5

1.1. Техника получения вакуума 5

1.2. Техника измерения низких давлений 8

1.3. Конструктивные особенности установки катодного распыления 9

1.4. Расчёт времени откачки предварительного вакуума 9

1.5. Последовательность процесса катодного распыления 10

2. Теория электрического газового разряда 11

2.1. Типичные разряды в постоянном электрическом поле 11

2.2. Условия существования разряда в газах 12

2.3. Вольтамперная характеристика разряда между электродами 13

3.1. Физические модели катодного распыления 16

3.2. Коэффициент распыления и факторы, влияющие на его величину 16

3.3. Расчет коэффициента распыления 17

3.4. Перенос распыленного материала от мишени к поверхности конден­сации 19

3.5. Расчет скорости осаждения 19

3.6. Расчет распределения пленки по толщине 20

3.7. Методы контроля скорости осаждения и толщины тонких пленок 21

3.8. Влияние параметров осаждения на свойства пленок 23

4. Тепловые процессы при катодном распылении 24

4.1. Расчет температурного режима катода-мишени 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 27

Приложение 1 28

Приложение 2 29

Приложение 3 30

Приложение 4 31

Приложение 5 32

Приложение 6 33

Приложение 7 34

Приложение 8 35

Приложение 9 36

Приложение 10 37

Приложение 11 38

Приложение 15 42

Приложение 16 43

Приложение 17 44

Приложение 18 45

Введение

Курсовая работа является составной частью процесса изучения курса " Физико-химические основы технологии электронных средств ". Её 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 параметров 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.

1. Техника катодного распыления

1.1. Техника получения вакуума

Получение низких давлений, насосы. Вращательные масляные насосы. Для получения вакуума, достигающего одной миллионной атмосферного давления, по-прежнему применяются вращательные масляные насосы. Их конструкции разнообразны, а быстрота откачки составляет от 0,3 до 300 л/с. На рис. 1.1.1 (Приложение 1) схематически изображен (в разрезе) такой насос одной из широко распространенных конструкций. Цилиндрический роторRэксцентрично вращается в цилиндрическом же корпусе с входным и выходным патрубками (в последнем установлен обратный клапанN). В пазах ротораRсидят две пластинкиVиV’, которые прижимаются пружинами к внутренним стенкам корпуса. Вся система погружена в масло, которое служит смазкой и обеспечивает уплотнение зазоров между внутренними стенками корпуса и деталями ротора. Газ из откачиваемого объема, захваченный в полостиA(после того, как верхняя пластинка прошла входное отверстие), при дальнейшем повороте ротора сжимается, пока под его давлением не откроется обратный клапан, и выпускается наружу через масло внешней камеры. Такой процесс повторяется два раза за один оборот ротора.

Насос описанного типа неэффективен при откачке воздуха, содержащего конденсирующиеся пары (обычно это пары воды), так как высокая степень сжатия, необходимая для выхлопа в атмосферу, может приводить к их конденсации в камере насоса. Вместе с маслом конденсат затем снова попадает на вход насоса. Это исключается в «газобалластных» насосах. В таких насосах в сжимаемый объем Aчерез однопутевой клапан вводится контролируемое количество воздуха или другого неконденсирующегося газа. Балластный газ «разбавляет» конденсирующиеся пары, и поэтому при максимальной степени сжатия давление паров не достигает давления насыщения, при котором происходит конденсация. Количество паров, которое может быть откачано, зависит от количества дозы добавляемого балластного газа, но последняя не может быть очень велика, так как с ее увеличением ухудшается предельный вакуум насоса.

Вращательные масляные насосы применяются отдельно, когда не требуется очень низких давлений, а также в сочетании с двухроторными насосами Рутса и диффузионными высоковакуумными насосами, которые не могут работать при атмосферном давлении на выходе.

Двухроторные насосы. Для некоторых процессов в промышленности требуется очень большая быстрота откачки, хотя бы и не при очень низких давлениях. Этим требованиям удовлетворяют двухроторные объемные насосы типа воздуходувки Рутса. Схема такого насоса представлена на рис. 1.1.2 (Приложение 2). Два длинных ротора с поперечным сечением, напоминающим восьмерку, вращаются в противоположных направлениях, не соприкасаясь ни друг с другом, ни со стенками корпуса, так что насос может работать без смазки. Необходимости в масляном уплотнении тоже нет, поскольку очень малы зазоры между точно подогнанными деталями конструкции. Ротор вращается с частотой до 50 об/с, и высокая быстрота откачки поддерживается до давлений порядка одной миллионной атмосферного. Хотя такие насосы способны работать с прямым выхлопом в атмосферу, на их выходе обычно устанавливают вспомогательный вращательный масляный насос, который не только понижает их предельное давление, но и повышает КПД, снижая потребляемую мощность, что позволяет обходиться менее сложной системой охлаждения. Вспомогательный насос, пропускающий ту же массу газа, но при более высоких давлениях, может быть сравнительно небольшим.

Диффузионные насосы. В большинстве высоковакуумных откачных систем применяются диффузионные насосы, действующие по тому же принципу, что и старый конденсационный насос Ленгмюра. Упрощенная схема диффузионного насоса представлена на рис. 1.1.3 (Приложение 3). Это вертикальная цилиндрическая труба, открытым верхним концомAсоединенная с откачиваемым объемом. На нижнем конце электроплитка нагревает в кипятильникеBрабочую жидкость, которая при этом испаряется. Пары рабочей жидкости проходят по трубкеVвверх, где через кольцевое сопло выходят в виде кольцевой струи под углом к стенкам корпуса. На стенках, охлаждаемых снаружи змеевиком с холодной водой, они конденсируются, и образовавшаяся жидкость стекает по стенке обратно в кипятильник. Молекулы газа из откачиваемого объема, случайно, из-за хаотичности своего движения влетающие во входное отверстиеAнасоса, попадают в струю пара и увлекаются ею вниз, где они удаляются вспомогательным механическим насосом, присоединенным к выходному патрубку диффузионного. Вероятность же случайного прохождения молекул газа через струю пара снизу вверх весьма мала.

Если давление под струей пара выше некоторого предельно допустимого значения, то струя размывается и ее откачивающее действие ослабевает. Поэтому от вспомогательного насоса требуется, чтобы он не только отводил все откачиваемое количество газа, но и поддерживал достаточно низким указанное давление. Для снижения требований к предельному вакууму вспомогательного насоса диффузионные насосы делают многоступенными. Несколько кольцевых сопел располагают на разной высоте и рассчитывают их так, чтобы предельно допустимое давление после самого нижнего сопла было достаточно высоким без уменьшения количества газа, проходящего через струю первого сопла. Схема четырехступенного насоса такого типа представлена на рис. 1.1.4 (Приложение 4). Конструкции подобных насосов весьма разнообразны в деталях; выпускаются насосы самых разных типоразмеров с быстротой откачки от нескольких литров в секунду до 20 000 л/с.

Турбомолекулярные насосы. Современный вариант молекулярного насоса Геде (1913) не вносит ни масляных, ни ртутных загрязнений. Это, в сущности, турбина с 30 роторными секциями и таким же числом статорных. Частота вращения ротора – порядка 20 000 об/с, зазоры между ротором и статором меньше 0,1 мм. Турбомолекулярный насос не может работать с выхлопом в атмосферу и нуждается во вспомогательном насосе предварительного разрежения.

В лабораториях и на особо чистых производствах получили широкое распространение насосы трех других типов. Все они, в отличие от предыдущих, не сжимают газ и вытесняют его наружу, а улавливают и удерживают молекулы газа. Два из них – титановый геттерный и сорбционно-ионный – требуют для своей работы предварительного разрежения порядка 10^–5атмосферного давления.

Титановые геттерные насосы. На начальном этапе производства электронных ламп после их откачки для дополнительного понижения давления в уже запаянном баллоне применялись «геттеры» – пленки химически активных веществ, например бария, которые химически связывают молекулы воздуха, вступающие с ними в контакт. Один из трех упомянутых методов откачки основан на непрерывном обновлении геттера. Геттерным материалом служит титан. В насосе одного типа он напыляется испарением титановой проволоки, подводимой к месту контакта с раскаленной поверхностью. Инертные газы, такие, как аргон и гелий, плохо поглощаются свежеобразованной титановой пленкой, если их атомы предварительно не ионизованы. Для ионизации предусматривают электроды. Такие насосы имеют то преимущество, что они не нуждаются в отражательных и охлаждаемых ловушках; требуется лишь вращательный насос предварительного разрежения.

Ионные насосы. Ионный насос представляет собой камеру, присоединяемую непосредственно к откачиваемому объему. Электроны, испускаемые катодом прямого накала или возникающие в статическом разряде, ионизуют молекулы газа в столкновениях с ними. Ионы переносятся электрическим полем к коллектору и связываются на его поверхности. Существуют два механизма связывания: одни ионы адсорбируются на поверхности коллектора, а другие вступают в химическую реакцию с материалом коллектора, образуя устойчивые соединения. Для химически активных газов эффективны оба механизма, а для инертных – только первый. Коллекторные поверхности большинства ионных насосов покрыты титаном. Под действием ионов, бомбардирующих коллектор, его поверхность распыляется, так что непрерывно открываются свежие слои титана, способные связывать ионы химически активных газов.

Быстрота откачки ионных насосов составляет от 1000 до 10 000 л/с. Поскольку в таких насосах нет рабочей жидкости, они вносят гораздо меньше загрязнений, чем самые лучшие диффузионные. К недостаткам же их можно отнести то, что химически активные газы они откачивают гораздо быстрее инертных и отдают обратно небольшую часть откачанного газа.

Криосорбционные насосы. Насосы такого типа представляют собой, в сущности, ловушки с цеолитами – пористыми сорбентами, поглощающими молекулы газа за счет физической адсорбции при охлаждении; они требуют для своей работы жидкого азота. Однако криосорбционные насосы позволяют откачивать систему от атмосферного давления примерно до одной миллионной его. Такой насос достаточно прогреть, чтобы удалить весь откачанный им газ, и он снова будет готов к работе.

Струйные насосы. Принцип действия. Когда жидкость (или газ) протекает по трубе, имеющей сужение, давление в сужении оказывается ниже, чем в остальных частях трубы (если при этом скорость потока в сужении не достигает скорости звука). Впервые это было установлено итальянским физиком Дж.Вентури (1746–1822), по имени которого была названа трубка, основанная на данном явлении. Если откачиваемый объем присоединить к трубе в месте ее сужения, то газ из него будет переходить в область пониженного давления и уноситься струей жидкости.

Пароструйные эжекторы. Простой лабораторный «водяной» насос откачивает воздух с помощью воды, протекающей по трубке с сужением. В промышленности же получили широкое распространение эжекторы, рабочей средой которых служит водяной пар. Такие пароструйные эжекторы применяются в самых разнообразных процессах, требующих пониженных температур и давлений. Промышленность выпускает пароструйные эжекторы различных типоразмеров с разным числом ступеней, позволяющие откачивать в промышленных масштабах жидкости и газы из технологических аппаратов, поддерживая в них пониженное давление. Основные преимущества таких насосов – простота конструкции, практически исключающая необходимость в ремонте и обслуживании, высокая производительность, хорошие вакуумные характеристики, малое потребление энергии и низкая стоимость. Диапазон рабочего вакуума – от атмосферного давления до 10^–4атмосферного и ниже. Схема пароструйного эжектора простой промышленной конструкции представлена на рис. 1.1.5 (Приложение 5).

Новые методы. Криогенный насос. В криогенном вакуумном насосе используются крайне низкие температуры. Действие насоса основано на том, что интенсивность хаотического движения молекул уменьшается при понижении температуры. Такой насос представляет собой камеру с металлическим сосудом, закрепленным в нижней ее части. Через сосуд циркулирует жидкий гелий, температура которого равна 4,2 К (–268,96° C). Металлические радиационные экраны закрывают сосуд от теплового излучения, но пропускают молекулы газа. Молекула газа, попадающая на поверхность сосуда с гелием, теряет свою кинетическую энергию и остается на этой поверхности. Криогенный насос может работать в любом положении и устанавливается без соединительных трубопроводов, снижающих быстроту откачки. Такой насос незаменим при откачке больших камер, в которых имитируются космические условия. Криогенные насосы могут создавать давления ниже 10^–11мм рт. ст. Давление порядка 10^–13мм рт. ст. можно получить, просто частично погрузив небольшую стеклянную вакуумную систему в жидкий гелий.