1.3.Конструктивные особенности установки катодного распыления

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 (подробнее устройство и принцип работы смотрите в Приложении 1) 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 (смотрите Приложение).

Рис.1.2. Схема вакуумной системы технологической

установки

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 (смотрите в Приложении 2) 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 (подробнее о нём в Приложении 4). 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.

В простейшей схеме ионного распыления - диодной системе внутри рабочего вакуумного колпака 7 (см. рис.1.2) располагаются два электрода: катод и анод, каждый из которыхвыполняет двойную роль.

Катод, бомбардируемый ионами из разряда, эмиттирует электроны, поддерживающие горение разряда. Кроме того, катод является распыляемой мишенью. Анод, необходимый для горения разряда, одновременно служит держателем подложек, на которых конденсируются в виде пленки атомы материала мишени. Обычно разряд поддерживают в инертном рабочем газе (аргоне) при давлении 100-10 Па и напряжении на разрядном промежутке 100-1000 В.

1.4. Расчёт времени откачки предварительного вакуума

Схема процесса откачки вакуумного колпака, под которым проводятся технологические процессы напыления, представлена на рис.1.4. 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.

Проводимость трубопровода 2, соединяющего вакуумный насос с откачи­ваемым объемом, определяется отношением потока к разности давлений в на­сосе p_н и под колпаком p_v: C = Q/p, (1.2)

где p = p_v - p_н.

При откачке колпака через трубопровод 2 в условиях низкого вакуума, т.е. при вязкостном потоке газа (длина свободного пробега молекул газа мала по сравнению с размерами колпака), проводимость С зависит от диаметра, дли­тельности и среднего давления в трубопроводе. При откачке в условиях высо­кого вакуума (молекулярный поток) проводимость С зависит только от диа­метра d и длины l трубопровода. Наиболее просто рассчитывается величина С для цилиндрического трубопровода в двуx случаях:  l >> d - молекулярное течение (высокий вакуум) и l << d - вязкостное течение (низкий вакуум). Проводимости трубопровода для воздуха при температуре 293 К равны соответственно:

С₁ = 12,1d³/l; C₂ = 91(p₁ + p₂)d⁴/l, (1.2a)

где p ₁, p₂ - давления на концах трубопровода; d и l выражены в см; p - в мм рт.ст.; С - в л/с. При параллельном соединении трубопроводов

С = С₁ + С₂, (1.3)

при последовательном

1/С = 1/С₁ + 1/С₂. (1.4)

Рис.1.4. Схема процесса откачки

На рис.1.4. 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, (1.5)

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, (1.6)

где s_э - эффективная скорость откачки в этом сечении; p_v - давление под колпа­ком.

Из равенств (1.5) и (1.6) можно сделать вывод, что s_э< s_н. В то же время по­ток газа Q выражается через проводимость С на основании (1.5):

Q = C(p_v - p_н). (1.7)

Приравнивая (1.5), (1.6) и (1.7), получим

s_э = s_нC/(s_н + C).  (1.8)

На рис 1.4: 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). (1.9)

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; (1.10)

откуда s_э = Q_i/p_о. (1.11)

Решение уравнения (1.11) свидетельствует о зависимости давления под колпаком от времени t: p_v = pexp(-s_эt/V) + p_о, (1.12)

где p - начальное давление под колпаком.