2774.Вакуумные технологии

работая в широком диапазоне давлений: 10–4–100 Па и обладая высоким значением максимального выпускного давления – 500 Па. Эти рабочие характеристики, вместе с высокой термоокислительной стойкостью разработанных для него синтетических кремнийорганических жидкостей ПФМС-2 и ВКЖ-94, сделали его наиболее приемлемым для оснащения автоматов откачки электровакуумных приборов (электро- и радиоламп). Насос НВО-40, спроектированный с воздушным охлаждением корпуса предназначался для оснащения мобильных линий откачки электровакуумных приборов. Им также оснащались гелиевые течеискатели марки ПТИ производства Ленинградского завода «Измеритель».

Первые исследования в области управляемых термоядерных реакций, а также дальнейшее расширение работ в области конструирования ускорительной техники потребовало создания высокопроизводительных безмасляных (парортутных) насосов и сверхвысоковакуумных агрегатов на их основе. Были разработаны насосы Н-5СР, Н-6ТР с быстротой действия 500 и 6000 л/с соответственно, агрегаты РВА-05-1, BA-2-1, РВА-6-1, РВА-05-2, с предельным остаточным давлением до 10–4 Па, прогреваемые агрегаты: РВА-0,5-4 и РВА-1-3 с предельным остаточным давлением до 10–8 Па. На агрегате РВА-0,5-4 в результате специальных экпериментов и разработанных технологических мероприятий удалось получить предельное остаточное давление 10–11 Па, наиболее низкое из когда-либо достигнутых для диффузионных пароструйных насосов. Также разработаны очередные сверхвысоковакуумные прогреваемые паромасляные агрегаты ВА-0,5-5 и ВА-8-9М на базе насосов Н-5С и Н-8Т с предельным остаточным давлением 5·10–7 Па.

К 1960 г. существовал целый комплекс различного вакуумного откачного оборудования, обеспечивающего получение давлений в диапазоне от 105 до 10–11 Па. Тем не менее производство специализированного оборудования было рассредоточено на ряде неспециализированных заводов: имени Владимира Ильича, «Ливгидромаше», «Компрессоре», Мелитопольском компрес-

21

сорном и некоторых других, что затрудняло обеспечение технического прогресса и дальнейшее развитие вакуумной техники и технологий. В связи с создавшейся ситуацией по инициативе сотрудников НИВИ в 1959 г. постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР создается специализированный завод для производства вакуумного оборудования – Казанский механический завод (Казмехзавод) со специальным конструкторским бюро (СКБ) при заводе, которое в 1961 г. было реорганизовано в Центральное конструкторское бюро вакуумной техники (ЦКБ ВТ, далее ОАО ВАКМА, ныне НПО «Вакууммаш»).

Таким образом, начало 60-х гг. прошлого века ознаменовалось созданием целого комплекса специализированных вакуум- но-технических производственных организаций – НИВИ, ЦКБ ВТ и Казмехзавода. В это же время организуется специализированный цех для производства высокопроизводительных механических насосов на Сумском насосном заводе (нынче – АО Сумский завод «Насосэнергомаш», выпускающий механические вакуумные насосы марок НВЗ и АВЗ). В результате проведенных мероприятий уже к 1962 г. производство вакуумного откачного оборудования в стране достигло объема более 33 500 единиц. Таким образом, к началу 60-х гг. в СССР была организована мощная научно-производственная база вакуумной техники, создавшая все условия для дальнейшего быстрого развития вакуумных технологий, вакуумного аппарато- и приборостроения в различных отраслях техники и промышленности. Уже к середине 60-х гг. вакуум использовался в той или иной степени практически во всех отраслях промышленности СССР.

Для развития вакуумной техники первая половина 60-х гг. также характеризовалась качественными сдвигами − появлением принципиально новых видов откачного оборудования, не использующего всвоей работе рабочих жидкостей (вакуумных масел).

Для обеспечения получения чистого «безмасляного» вакуума в установках для термоядерных исследований, а дальше – и для откачки особо надежных изделий электронной техники

22

был создан ряд новых электрофизических и физико-химических средств откачки. Разработана группа сорбционно-ионных насосов серии СИН с быстротой откачки 2000, 5000 и 20000 л/с, работающих на принципе необратимого поглощения (хемосорбции) газов титаном, распыляемым из жидкого состояния электронной бомбардировкой, при постоянной ионизации газа встроенным ионизатором. На базе насоса СИН-20 сконструирован уникальный по своим характеристикам вакуумный титановый охлаждаемый агрегат АВТО-20М, в котором распыляемый титан конденсируется на поверхностях, охлаждаемых жидким азотом. Агрегат позволяет получать быстроту откачки по водороду 30 000 л/с и предельное остаточное давление 10–10 Па.

Высокая интенсивность испарения титана жидкофазными испарителями при малой мощности позволила создать автономные электронно-лучевые испарители со скоростью испарения титана до 1,5 г/мин для откачки термоядерных установок. Применение этих испарителей в термоядерной установке «Огра» позволило успешно решить проблему создания скоростей откачки установки до 1 млн л/с.

Некоторые технические особенности насосов типа СИН (наличие высокотемпературного катода и высокого напряжения), а также механизмов непрерывной подачи титановой проволоки

виспарителях существенно ограничивали возможности широкого применения этих насосов.

Работы сотрудников НИВИ в области получения особо чистого йодидного титана позволили создать в начале 60-х гг. прямонакальные испарители на основе йодидного титана, нанесенного на молибденовый стержень, не имеющие в то время аналогов за рубежом. Несмотря на пониженные скорости испарения

всравнении с жидкофазными испарителями, твердофазные прямонакальные испарители значительно более просты в эксплуатации, не содержат движущихся механизмов и не требуют для работы высоковольтного питания. На базе биметаллических испарителей был разработана серия сорбционно-ионных или, как их

23

теперь называют, геттерно-ионных насосов серии ГИН с быстротой откачки от 5 до 50000 л/с и предельным остаточным давлением до 10–7 Па. Основным недостатком геттерно-ионных насосов на сегодняшний день является малый срок непрерывной работы и наличие деталей с высокой температурой.

Магниторазрядные насосы, работающие по принципу распыления титана в высоковольтном разряде Пеннинга, свободны от этих недостатков. В период с 1960 по 1964 г. была разработана серия диодных магниторазрядных насосов типа НЭМ с быстротой откачки от 30 до 6500 л/с: НЭМ-30-2, НЭМ-100-2,

НЭМ-300-1, НЭМ-1T-1, НЭМ-2-5Т-1, НЭМ-7Т-1. Насосы позво-

ляют получать предельное остаточное давление до 10–8 Па при начальном давлении 1 Па. Насосы марок ГИН и НЭМ находят все возрастающее применение в электронной промышленности, ускорительной технике, физических лабораториях. Их производство было организовано на заводе в г. Калининграде (в настоящее время – ПО «Кварц»).

Направление работ по «безмасляным» средствам откачки в этот период завершается разработкой серии цеолитовых сорбционных насосов и агрегатов на их основе, предназначенных для предварительной (форвакуумной) откачки от 105 до 10–0–10–2 Па систем с геттерно-ионными магниторазрядными насосами (насо-

сы ЦВН-0,1-2, ЦВН-1-2, агрегаты ЦВА-0,1-1, ЦВА-0,1-2, ЦВА-1-1,

ЦВ-1-2). На базе цеолитовых и магниторазрядных насосов создается ряд безмасляных откачных агрегатов серии «Эра»: Эра-30-2, Эра-100-2, Эра-300-2 с быстротой откачки от 25 до 250 л/с

ипредельным остаточным давлением до 10–8 Па.

Вначале 60-х гг. ХФТИ совместно с Центральным конструкторским бюро «Электрофизприбор» (ЦКБ-ЭФП) был разработан первый в СССР сверхвысоковакуумный турбомолекуляр-

ный насос ТВН-200 с предельным остаточным давлением до 10–7 Па и быстротой откачки 250 л/с и агрегат ТВА-200 на его основе. В дальнейшем были разработаны турбомолекулярные насосы ТВН-500, ТВН-2000 и ТВН-5000 и агрегаты на их основе.

24

Начавшиеся еще в конце 50-х гг. прошлого века работы по внедрению в промышленность технологии вакуумной дегазации жидкой стали потребовали создания насосов с быстротой откачки в десятки и сотни тысяч литров в секунду при давлении 65−130 Па. Эта задача была решена созданием многоступенчатых высокопроизводительных струйных пароэжекторных насосов с быстротой действия до 150 000 л/с. В это время были созданы уникальные пароэжекторные насосы с быстротой действия 10 000 и 20 000 л/с при давлении около 1 Па.

В период с 1963 по 1965 г. в НИВИ были выполнены оригинальные исследования и разработаны действующие модели «холодных» диффузионных насосов, рабочие струи которых создавались высокоскоростным потоком углекислого газа, а механизм действия основывался на откачке удаляемого воздуха при конденсации углекислого газа на стенке, охлаждаемой жидким азотом. Таким образом, подводя итоги работ второго периода, можно отметить, что уже к концу 1965 г. вакуумная техника СССР

располагала в той или иной мере всеми известными за рубежом видами вакуумного откачного оборудования.

Становление и развитие микроэлектронной промышленности в значительной степени определило дальнейшее направление работ в области вакуумной техники и технологий.

Вакуумные технологии стали определяющими в технологической цепи изготовления больших интегральных схем (БИС). Получение сверхчистых металлов и полупроводников, выращивание протяженных ленточных монокристаллов, ионно-плазмен- ное и плазмохимическое травление рабочих материалов, получение тонких пленок полупроводниковых материалов и металлов, молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), ионная имплантация, электронная и ионная литография, радиационная обработка и некоторые другие техпроцессы – вот далеко не полный перечень применяемых вакуумных технологий в производства БИС. В вакууме осуществляют 160 из примерно 200 операций в современном технологическом процессе изготовления сверхбольших интегральных схем (СБИС).

25

Исследования, разработка и внедрение технологических процессов и оборудования ионной имплантации были широко развернуты в конце 60-х гг. Создание и освоение, серийное производство первой универсальной установки ионной имплантации «Везувий-1» проведено в 1968−1969 гг.

Далее направление ионной имплантации становится одним из основных тематических направлений. С начала 70-х гг. были проведены систематические исследования и разработка оборудования ионной имплантации для производства различных изделий микроэлектронной техники, в результате которых был создан модельный ряд автоматизированных установок «Везувий» различного назначения (от «Везувий-1» до «Везувий-16»).

Оборудование для радиационно-стимулированной и протонной обработки полупроводниковых структур было создано

в1970-е гг., а в начале 80-х гг. разработана установка «Викинг» для электронного отжига.

Широкий комплекс исследовательских и прикладных работ, связанных с созданием ионно-плазменных методов осаждения и травления тонких пленок выполнялся с начала 70-х гг. Результатом этих работ было создание ряда оригинальных, холодных ионных источников с практически неограниченным сроком службы типа «Холодок» и «Радикал», не имеющих аналогов

вмире. На базе этих источников создан целый ряд установок для ионно-лучевого и реактивного ионно-лучевого травления и осаждения тонких пленок.

Наряду с ионно-лучевыми источниками был разработан ряд ионных источников магнетронного типа МАГ: МАГ-5, МАГ-15, МАГ-50 и некоторые другие, а также оборудование на их основе.

Разработанные оборудование и технологические процессы для ионной и ионно-химической обработки позволили полностью исключить жидкостные процессы в производстве полупроводников и интегральных схем и впервые промышленно реализовать полностью сухой цикл изготовления изделий микроэлектронной техники с субмикронными размерами элементов, а также

26

создать и освоить производство принципиально новых классов приборов твердотельной электроники: приборов дифракционной оптики, поверхностных акустических волн (ПАВ) СВЧ-диапа- зона, импульсных и малошумящих кремниевых и арсенидгаллиевых транзисторов и др. Эта революция в технологии микроэлектроники открыла возможность создания полностью автоматизированных, экологически чистых технологических линий производства полупроводников и интегральных схем.

В последнее десятилетие ионно-лучевая обработка находит все более широкое применение в промышленности для очистки и активации поверхности в технологиях осаждения пленок, прецизионной полировке поверхности, осаждении пленок непосредственно из пучков ионов в технологических процессах нанесения тонкопленочных проводящих и диэлектрических покрытий, алмазоподобныхуглеродных пленок (DLС), пленочных композиций и др.

Дальнейшее развитие пленочных технологий привело к разработке вакуумно-дуговых методов нанесения металлических покрытий как на металлические, так и на диэлектрические изделия. Вакуумно-дуговая металлизация отличается от других пленочных технологий возможностью наносить любые металлы и сплавы при сохранении их химического состава, высокой производительностью, широким диапазоном варьирования толщин наносимых пленок; высокой адгезией пленки с подложкой, низкой энергоемкостью, возможностью нанесения покрытий на изделия практически любых размеров и формы. На основе плаз- менно-дуговых источников было создано оборудование для нанесения покрытий плазменно-дуговыми методами. Созданные технологии и оборудование позволили кардинально решить важнейшую проблему замены экологически вредных мокрых процессов электрохимической гальваники в различных производствах на замкнутые экологически чистые процессы. Были разработаны и внедрены в производство экологически чистые процессы плазменно-дугового нанесения покрытий в производстве миниатюрных бесколпачковых и прецизионных резисторов, пьезоке-

27

рамических элементов без традиционного применения серебра для гидроакустических систем, выводных рамок интегральных схем (ИС) с нанесением алюминия вместо золота и других изделий.

Развитие микроэлектронной промышленности, решение задач по созданию СБИС с субмикронными размерами элементов потребовало создания принципиально нового электронно-лито- графического оборудования.

В конце 70-х гг. проведены исследования и разработка нового литографического оборудования. Первой отечественной промышленной установкой этого класса явилась установка электронной проекционной литографии «Вертикаль». Позднее, уже в 80-х гг., развертываются работы по исследованию и разработке оборудования для ионной и рентгеновской литографии, позволяющие перейти к формированию структур СБИС с размерами элементов 1 мкм и менее. В то же время были выполнены разработки компактного источника синхротронного рентгеновского излучения (СРИ) с диаметром накопительного кольца 2,2 м

и21 каналом вывода излучения.

В1985 г. на базе новейших достижений вакуумной техники, разработанного оборудования и вакуумно-технологических процессов для нанесения ионной имплантации, электронной литографии и травления слоев была создана первая в стране интегрированная автоматическая линия, предназначенная для изготовления сверхбольших интегральных схем запоминающих устройств на цилиндрических магнитных доменах (СБИС ЗУ на ЦМД). Это был очередной революционный скачок в развитии технологий

итехники микроэлектроники. В мировой практике установкикластеры аналогичного назначения появились только через много лет после этого.

Овладение современной технологией и наличие комплекса необходимого вакуумно-технологического оборудования для изготовления СБИС позволили решить в середине 80-х гг. важнейшую проблему создания СБИС ЗУ на ЦМД емкостью 1 и 4 Мбит. Таким образом, был реализован законченный цикл создания

28

СБИС от идеи до готового комплекса, включая разработку технологии, приборов и оборудования.

Дальнейшая разработка нового оборудования, основанного на ионных методах обработки, позволила выдвинуть следующую важную задачу создания интегрированной ионной технологии и многоцелевых установок ионной обработки, реализующей все этапы изготовления СБИС в едином вакуумном цикле. Технологический процесс ионной обработки получил название имплантографии.

Развитие электронной промышленности, в особенности микроэлектроники, постоянно выдвигало задачи дальнейшего развития и совершенствования элементной базы вакуумной техники. В процессе решения этих задач были разработаны новые средства откачки:

•механические форвакуумные насосы с масляным уплотнением, предназначенные для откачки агрессивных газов с установками для очистки масла в насосах;

•агрегаты на базе двухроторных и форвакуумных насосов

вхимостойком исполнении;

•укороченные серии диффузионных насосов и диффузионные насосы с воздушным охлаждением;

•турбомолекулярные насосы на шарикоподшипниковых опорах с циркуляцией смазывающего масла, с консистентной смазкой подшипников и с магнитными опорами ротора;

•заливные криогенные насосы и насосы с газовыми микрокриогенераторами;

•геттерно-ионные испарительные и магниторазрядные насосы, комбинированные магниторазрядные насосы, в том числе уникальные магниторазрядные и геттерно-ионные микронасосы, предназначенные для встраивания в электронно-вакуумные приборы (ЭВП).

Была разработана целая гамма минеральных и синтетических рабочих жидкостей для вакуумных насосов: химически стойких для диффузионных и механических насосов, сверхвысоковакуумных с низким давлением паров при нормальных усло-

29

виях для диффузионных насосов, а также специальных жидкостей для турбомолекулярных насосов.

Техника замера абсолютного давления и течеискательная техника также получила значительное развитие. Были разработаны и серийно выпускались емкостные мембранные вакуумметры ВД-1 и ВД-2, измерения которых не зависят от рода газа; тепловые, ионизационные и магниторазрядные вакуумметры и преобразователи давления, в том числе: блокировочный терморезисторный вакуумметр 13 ВТВ-003; образцовый тепловой вакуумметр ВТСО-1 с малой погрешностью измерения ±10 %; блокировочные ионизационные вакуумметры ВИЦБ-2/7-002 и ВИЦБ-11 с отсчетом давления в цифровом виде; сверхвысоковакуумный ионизационный вакуумметр ВИЦ 9/0-001 также с цифровым отсчетом давления, образцовый ионизационный вакуумметр ВИО-1 с погрешностью измерения менее 10 %; блокировочные магниторазрядные вакуумметры ВМБ-12, ВМБ-14, ВМБЦ-12, ВМБ-11 с цифровым отсчетом давления, предназначенные для работы в автоматизированных системах; уникальные самоочищающиеся преобразователи давления ПММ-28 и ПММ-38, не имеющие аналогов за рубежом, комбинированный вакуум- метр-течеискатель ВТИ-1 и др.

В течеискательной технике также произошли значительные изменения. На Ленинградском заводе «Измеритель» были разработаны и освоены в производстве малогабаритные гелиевые масс-спектрометрические течеискатели ТИ1-14 и ТИ1-15, усовершенствованные галогенные (стационарный и переносный) течеискатели БГТИ-7 и ТИ-2-8, высокочувствительный течеискательный стенд СВТ-2, принципиально новые электроннозахватные течеискатели 13ТЭ-9-001 и ТИЭ-2, использующие в качестве пробного вещества элегаз. Также в течение всего периода разрабатывалась различная запорная, коммутирующая и регулирующая вакуумная арматура с ручным, электро- и пневмоприводами как для непрогреваемых, так и для прогреваемых вакуумных систем.

30