2 8. Масс-спектрометрический гелиевый течеискатель.

М асс-спектро­метри­ческий метод контроля герметичности и поиска течей обладает наиболее высокой чувствительностью. Минимальный поток газа через течи, обнаруживаемый масс-спектрометрическими течеискателями, составляет 10^13 Пам³/с. Принцип действия масс-спектрометрического метода основан на ионизации молекул газов с последующим разделением образовавшихся ионов в электрическом и магнитном полях. Наиболее распространенными являются масс-спектро­метрические гелиевые течеискатели, в которых в качестве пробного газа используется гелий и регистрируются ионы гелия, проникающего через место течи в вакуумную систему. Схема масс-спектро­метрической камеры течеискателя представлена на рис. 3.31. Испытуемый элемент вакуумной системы присоединяют к впускному патрубку 5 течеискателя либо непосредственно, либо через присоединительный трубопровод с достаточно высокой проводимостью по гелию (не менее 10^2 м³/с). При наличии течей в вакуумной системе, обдуваемой пробным газом, атомы гелия проникают в вакуумную систему и через впускной патрубок 5 камеры течеискателя в камеру ионизации 8, где ионизируются пучком электронов, эмиттируемых термокатодом 9. Питание катода 9 и подача потенциала на стенки камеры ионизации 8 осуществляется от источника 11 через электрические вводы во фланце 10. Образующиеся ионы гелия направляются ускоряющим напряжением в камеру магнитного анализатора 6. Ускоряющее напряжение U и индукция магнитного поля B выбираются таким образом, чтобы ионы гелия, прошедшие через входную щель 7, двигаясь по траектории 4, попали в выходную щель 2 и на коллектор 1. Ионы компонентов остаточных газов, движущиеся по другим траекториям, например по траектории 3, не попадают на коллектор и разряжаются на стенках анализатора. В отличие от масс-спектрометрических анализаторов парциальных давлений, которые должны иметь высокую разрешающую способность и перестраиваться на регистрацию ионов различных массовых чисел, датчик течеискателя настраивается только на пробный газ. При этом входная 7 и выходная 2 щели имеют значительную ширину, что обеспечивает высокую чувствительность течеискателя. В отличие от других типов течеискателей масс-спектрометрические течеискатели имеют собственную вакуумную систему, предназначенную для откачки аналитической камеры и включающую насосы предварительного разрежения и высокого вакуума, схему коммутации, вакуумметры и блок управления. Вакуумная схема масс-спектрометрического течеискателя приведена на рис. 3.32.

Фланец 1 служит для подключения течеискателя к испытуемой вакуумной системе. Для дросселирования больших потоков газа, которые могут поступать в течеискатель, применяется вентиль-натекатель 2. Форвакуумный насос 8 обеспечивает работу пароструйного насоса 10 и байпасную откачку рабочей камеры 5. Работа насоса 8 контролируется тепловым манометрическим преобразователем 7. Насос 10 с подключенной через клапан 11 ловушкой 3 предназначен для создания рабочего давления ~10^210^3 Па, необходимого для работы масс-спектрометрической камеры 5. Давление в камере измеряется манометрическим преобразователем 4. Для предварительной градуировки течеискателя и контроля его чувствительности используется специальный контрольный натекатель  так называемая “гелиевая течь” 12, подключаемая к камере 5 через вентили 13 и 2. Принцип работы натекателя основан на газопроницаемости гелия через кварц. Конструкция “гелиевой течи” показана на рис. 3.33. Кварцевая мембрана 3 с переходником 2 помещены в металлический корпус 5, который через капилляр 6 заполняется гелием. После заполнения корпуса гелием капилляр запаивается. Патрубок 1 служит для подсоединения “гелиевой течи” к вакуумной системе течеискателя. Выпускаются “гелиевые течи” с различным значением потока гелия Q_г; величина Q_г указывается в паспорте контрольного натекателя. Масс-спектрометрический течеискатель может подключаться к испытуемой вакуумной системе как со стороны высокого, так и со стороны низкого давления. При более высоких давлениях чувствительность течеискателя выше из-за увеличения парциального давления гелия при одном и том же потоке гелия.

29 Галогенный течеискатель Гало­генный метод контроля герметичности и поиска течей основан на свойстве платины, разогретой до 800-900 °С, резко увеличи­вать эмиссию положительных ионов в присутствии галогенов или галогенсодержащих веществ. Это явление обусловлено об­разованием координационных комплексных соединений плати­ны с участием галогенов и кислорода и имеет место как в ва­кууме, так и при атмосферном давлении. Течеискатели, рабо­тающие на этом принципе, называются галогенными или гало­идными. В качестве пробных газов обычно используются фреоны.

Атмосферный 1-фланец,

2- коллектор ионов,

3-платиновая спираль,

4-корпус,

5-измерительный блок,

Вакуумный 6-вентилятор.

Галогенные течеискатели комплектуются двумя типами дат­чиков-преобразователей: атмосферным и вакуумным. Атмосферным датчиком галогенного течеискателя осущест­вляется контроль герметичности систем, допускающих внут­реннюю опрессовку галогенсодержащим газом. Датчик выпол­нен в виде щупа. При течеискании внешняя поверхность ваку­умной камеры, которая заполнятся пробным газом под избы­точным давлением, ощупывается атмосферным датчиком течеискателя. Воздух вместе с галогенсодержащим газом, выходящим из испытуемой камеры через обнаруженную течь, засасывается в датчик вентилятором 6. Атмосфер­ный преобразователь представляет со­бой двухэлектродную систе­му, состоящую из эмиттера ионов - платиновой спирали 3, намотанной на керамиче­ском основании, и цилиндри­ческого коллектора ионов 2. Платиновая спираль накаля­ется прямым пропусканием переменного электрического тока. Ионный ток коллектора подается на усилитель посто­янного тока 5. Выходной сиг­нал усилителя подается на измерительный прибор и на звуковой генератор, частота коле­баний которого пропорциональна силе ионного тока. Вакуумным датчиком осуществляется контроль откачивае­мых вакуумных систем. Датчик может устанавливаться в форвакуумную линию над клапаном, разделяющим форвакуумный и высоковакуумный насосы, или подсоединяться к вакуумной камере. Подсоединение к вакуумной системе осуществляется с помощью фланца 1. Так же, как и атмосферный, вакуумный датчик содержит платиновую спираль 3 и коллектор ионов 2, которые через электрические вводы в корпусе 4 под­ключены к источнику питания и регистрирующему блоку 5. При течеискании производится откачка испытуемой вакуумной системы до давления ~1(Р Па. Контролируемые поверхности обдуваются галогенсодержащим газом. При проникновении газа в вакуумную камеру через обнаруженную течь регистриру­ется появление ионного тока. Чувствительность испытаний может быть повышена при размещении датчика в высоковаку­умной части испытуемой вакуумной системы, откачиваемой до давлений ниже 5-10^-2 Па. Однако нормальная работа вакуумно­го датчика в условиях высокого вакуума возможна только при непрерывном поступлении к датчику кислорода. Поэтому в таких датчиках предусматривается специальный источник кислорода.

При попадании в датчик больших количеств галогенов он теряет свою чувствительность. Для восстановления чувстви­тельности датчика в него вводят поток чистого воздуха, а для ускорения процесса восстановления повышают температуру накала платиновой спирали.

30 Плазмохимическое травление. Наиболее широко рас­пространена технология плазмохимического травления. В про­цессах плазмохимического травления в качестве рабочих газов используются кислород, смесь кислорода и хлора, хлор- и фторсодержащие газы (ССl, CCI2F2, CF4, C4F8, C2F6, C3F8, SF6 (элегаз)) и их смеси. В плазме тлеющего разряда молекулы ра­бочего газа ионизируются и диссоциируют на атомы и возбуж­денные радикалы, обладающие высокой химической активно­стью. Например, в случае CF4 образуются возбужденные радикалы CF3*, CF2*, CF* и атомы F*. При их взаимодействии с распыляемым материалом образуются устойчивые летучие хи­мические соединения, которые легко удаляются с поверхности. Например, при травлении Si, SiО2 и S13N4 образуется летучий тетрафторид кремния SiF4.

Для ионизации молекул рабочего газа часто используется высокочастотное электрическое поле, создаваемое напряжени­ем U_вч. Плазмохимическое травление может осуществляться в высокочастотных реакторах различных типов (рис. 5.1).

В цилиндрическом плазменном реакторе (рис. 5.1, а).плазма 3 сосредоточена в зазоре между внутренней стенкой кварцевого баллона 4 и перфорированной алюминиевой трубой 2. Вдоль оси трубы располагается подставка с обрабатываемыми пла­стинами 1. Рабочее давление внутри трубы составляет 30-200 Па, На поверхности трубы сформирован защитный слой фто­рида алюминия, предотвращающий ее распыление.

а) б) в)

Рис. 5.1. Схемы реакторов плазмохимического травления:

а) - цилиндрического; б) плоского; в) объемного. 1 - обрабатываемые пластины; 2 - перфорированная алюминиевая труба; 3 - область плазмы; 4 - кварцевый баллон; 5 - заземленный электрод; 6 - высокочастотный электрод; 7 - подача рабочего газа

Ионы из области плазмы разряжаются на перфорированной трубе и не достигают обрабатываемых пластин. В реакциях травления пластин участвуют химические радикалы, поступающие к пла­стинам через отверстия в трубе. Продукты реакций непрерывно удаляются откачкой. Глубина травления составляет до 2 мкм. Перфорированная труба является также экраном, защищаю­щим обрабатываемые пластины от ионизирующих излучений. Из-за изотропности потока нейтральных радикалов имеет ме­сто значительное подтравливание под маску.

В плоском реакторе (рис. 5.1, б) пластины 1 размещаются на заземленном электроде 5 и непосредственно контактируют с плазмой. В процессе травления участвуют как радикалы, так и ионы. Рабочее давление составляет 10-130 Па. При снижении давления уменьшается эффект бокового подтравливания. Ани­зотропность процесса травления можно также регулировать, подавая на высокочастотный электрод 6 положительное на­пряжение смещения.

В ионно-реактивных объемных реакторах (рис. 5.1, в) более значительным является вклад ионов в процесс травления. Об­рабатываемые пластины 1 размещаются на высокочастотном электроде 6, погруженном в плазму 3 разряда. Заземленным электродом 5 является корпус реактора. Распыление поверхно­сти материала происходит в основном под воздействием ионов. Рабочее давление составляет 1-10 Па. Повышение анизотропии травления и уменьшение эффекта подтравливания под маску достигается подачей отрицательного напряжения смещения на высокочастотный электрод. Однако при этом сильнее проявля­ются радиационные повреждения кристалла полупроводнико­вой пластины. Для восстановления структуры кристалла требу­ется термический отжиг радиационных дефектов.

Выбор типа реактора, рабочего газа и условий травления полупроводниковых пластин обусловлен свойствами обраба­тываемого материала и стойкостью резистивных масок.

Плазмохимическим травлением в соответствующих режимах осуществляется также удаление фоторезистивных масок по окончании процесса формирования элементов микросхем.

31 Реактивное ионно-лучевое травление. В сравнении с плазмохимическим травлением, ионно-лучевое травление с ис­пользованием направленного пучка ионов характеризуется бо­лее высоким разрешением вследствие слабого подтравливания под резистивную маску. Параметры процесса ионно-лучевого травления легче поддаются контролю. Однако скорость ионно-лучевого травления и его избирательность по отношению к распыляемым элементам невысоки.

Перспективным явля­ется метод травления с использованием для ионизации молекул рабочего газа свёрхвысокочастотного микроволнового элек­тромагнитного излучения и электронного циклотронного резо­нанса. При этом за счет высокой эффективности ионизации мо­лекул электронными ударами процесс травления осуществляет­ся в условиях высокого или сверхвысокого вакуума однород­ным ионным пучком большого сечения. Это позволяет обраба­тывать пластины большого диаметра в идеально чистых ваку­умных условиях.

11

10

Схема установки реактивного ионно-лучевого травления в указанном режиме приведена на рис. В газоразрядной ка­мере 5 и в рабочей камере, куда подаются обрабатываемые пла­стины 8, с помощью сверхвысоковакуумной откачки создается остаточное давление ~5*10^-6 Па. Микроволновое излучение 3 частотой f = 2,45 ГГц вводится в газораз­рядную камеру 6 через медный волновод 4 прямоугольного сече­ния 90 х 45 мм и окно 11 из плавленого кварца. В качестве генератора сверхвысо­кочастотных электро­магнитных колебаний обычно используется магнетрон. Мощность источника микровол­нового излучения со­ставляет ~300-500 Вт. Цилиндрическая ка­мера 5 диаметром высотой 20см поме­щена в постоянное магнитное поле, соз­даваемое током в об­мотках 10 электро­магнита, и функционирует как полость сверхвысокочастотного, резонатора. Вели­чина индукции магнитного поля В подбирается таким образом, чтобы выполнялось условие электронного циклотронного ре­зонанса

f_e =Ω_e/(2π),

где Ω_e = е/т В - электронная циклотронная частота. При циклотронном резонансе проявляется избирательное взаимодействие высокочастотного электромагнитного излучения с электронами, движущимися под действием силы Лоренца в постоянном маг­нитном поле, которое сопровождается резким увеличением энер­гии электронов. Явление циклотронного резонанса имеет место при частоте электромагнитного излучения /, равной или кратной /е. В разрядную камеру напускается рабочий газ, в качестве кото­рого в зависимости от обрабатываемого материала может быть использован один из следующих газов: СI2, CF4, CCl4, C2F6, C4F8 и т.п. При напуске рабочего газа в газоразрядной камере поддержи­вается давление ~10^-3 Па и происходит эффективная ионизация его молекул. Образующиеся ионы вытягиваются из газоразрядной плазмы 12 с помощью металлических вытягивающих сеток 6, рас­положенных на расстоянии ~1 мм друг от друга. Верхняя сетка находится в электрическом контакте с разрядной камерой 5, ниж­няя - под потенциалом земли. Вытягивающее напряжение между сетками может составлять от нескольких сотен до нескольких ты­сяч вольт. В результате формируется однородный по сечению ионный пучок 7 диаметром ~15 см, который направляется на под­вергаемую травлению пластину 8. Травление может осуществ­ляться как только ионами основного рабочего газа, так и при дополнительном напуске через патрубок 9 вспомогательного газа, в качестве которого может применяться, к примеру, SiCl4 Ско­рость реактивного травления может составлять от 2-10^-3 до 50 нм/с. Газоразрядная камера и обмотки электромагнита охлажда­ются проточной водой.

Установки реактивного ионно-лучевого травления с исполь­зованием микроволнового излучения могут также включать волноводы для ответвления излучения с целью контроля энер­гии, подаваемой в зону плазмообразования, и для контроля от­раженной волны.

32 Осаждение тонкопленочных покрытий методами тер­мического испарения. В случае термического испарения поток осаждаемых атомных частиц генерируется испарением наноси­мого вещества при нагревании его до высокой температуры.

Схема осаждения тонких пленок методом термического ис­парения представлена на рис. Испаряемое вещество 5 по­мещается в испаритель 2. С помощью нагревателя 1 вещество разогревается в вакууме до температуры интенсивного распы­ления. Практика показывает, что осаждение пленки с приемле­мой скоростью происходит, если достигается условная темпе­ратура испарения, при которой давление паров вещества составляет 1,3 Па. Атомы испаряемого вещества попадают на подложки 8, температура которых может регулироваться с использованием нагрева­теля 7 или охладителя б. На поверхности подло­жек формируются тонкие пленки испаряемого ве­щества. Скорость роста пленок при этом обычно не превышает 10 нм/с. В зависимости от назначе­ния толщина пленок мо­жет составлять от 10 нм до 20 мкм. Экраны 4 за­щищают стенки вакуум­ной рабочей камеры от запыления испаряемым веществом. Заслонка 5 позволяет точно фиксировать время осаждение (от нескольких секунд до не­ скольких минут), которым определяется толщина наносимых пленок.

Для осуществления процесса достаточно рабочее давление ~10^-3-10^-5 Па. Для получения особо чистых пленок необходимо разрежение ~10^-6-10^-8 Па. При этом в рабочей камере умень­шаются парциальные давления химически активных элементов (кислорода, водяного пара, углеводородов, углекислого газа и др.), которые оказывают решающее влияние на свойства осаж­даемых тонких пленок. Для снижения парциальных давлений химически активных газов необходимо сочетание вакуумных насосов, обладающих способностью селективной откачки.

В установках термического испарения используется три ос­новных способа нагрева испаряемых веществ: резистивный, электронно-лучевой и лазерный.

Резистивный нагрев осуществляется за счет выделения теп­лоты при пропускании электрического тока через электропро­водящий материал, обладающий высоким электрическим со­противлением. Как правило, используется переменный ток не­высокого напряжения.

Испарители с электронно-лучевым нагревом используются для испарения тугоплавких материалов. Возможность фокусировки эл. луча позволяет получать большую плотность мощности, затрачиваемую на нагрев испаряемого материала.