Вопрос 1

Понятия о вакууме (низкий, высокий и сверхвысокий), требования к вакууму.

Вакуум (от лат. vacuum – пустота) – среда, содержащая газ при давлениях, существенно ниже атмосферного. Характеризуется соотношением между средней длиной свободного пробега λ молекул газа и размером d, характерным для каждого конкретного процесса или прибора. Таким размером могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т. п. Величина λ, равна отношению средней скорости молекулы vср к числу Z столкновений, испытываемых ею за единицу времени. Эту величину можно также выразить через диаметр молекулы dm и числом молекул п в единице объѐма:

(для электронов λ в 5–6 раз больше).

В зависимости от величины отношения λ/d различают низкий (λ/d<1), средний (λ/d~1), высокий (λ/d>1) вакуум. В низком вакууме преобладают столкновения молекул друг с другом, в высоком преобладают столкновения молекул со стенками камеры. В обычных ва- куумных установках и приборах (d=10 см) низкому вакууму соответствуют давления р>102 Ра (1 мм рт. ст.), среднему – от 102 до 10-1 Ра (1–10-3 мм рт. ст.), высокому – р<10-1 Ра (10-3 мм рт. ст.) (См. табл. 1). В порах или каналах диаметром ~1 мкм высокому вакууму соответствует давление, начиная с десятков и сотен мм рт. ст., а в 7 камерах для имитации космического пространства (объѐмом в десятки м3) граница между средним и высоким вакуумом порядка 10-5 мм рт. ст.

Понятие сверхвысокого вакуума связывается не с величиной отношения λ/d, а со временем τ, необходимым для образования мономолекулярного слоя газа на поверхности твѐрдого тела, которое оценивается по формуле:

где η – коэффициент захвата частицы поверхностью. Сверхвысоким вакуумом называют область давлений р< 10-8 мм. рт. ст., когда τ > нескольких минут.

Вопрос 2

Основные принципы молекулярно-лучевой эпитаксии. Требования к параметрам решетки подложки и пленки, необходимость высокого вакуума. Испарители и система управления ими.

Молекулярно-лучевая эпитаксия (молекулярно-пучковая эпитаксия) (англ. Molecular beam epitaxy) – технология осаждения эпитаксиальных пленок полупроводников посредством испарения материалов при низком давлении. Позволяет изготавливать эпитаксиальные структуры с высокой точностью по толщине и почти идеальной стехиометрией. Последнее объясняется относительно невысокой скоростью технологического процесса и возможностью буквально послойного формирования осаждаемых пленок: атом за атомом встраивается в кристаллическую решетку. Чаще всего по этой технологии получают эпитаксиальные пленки сложных полупроводников. Примеры: получение InGaAsP, InGaAs и др. для оптической и квантовой электроники. Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарногладкой поверхностью. Технология молекулярно – лучевой эпитаксии была создана в конце 1960-х годов Дж. Артуром и Альфредом Чо. Молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет получать следующие структуры с пониженной размерностью: 1. Нульмерные - квантовые точки; 2. Одномерные – квантовые нити (квантовые проволоки); 3. Двумерные – квантовые ямы, сверхрешетки, плоские волноводы.

Молекулярно-лучевая эпитаксия или молекулярно-пучковая эпитаксия — технология осаждения эпитаксиальных пленок полупроводников посредством испарения материалов при низком давлении.

Позволяет изготавливать эпитаксиальные структуры с высокой точностью по толщине и почти идеальной стехиометрией. Последнее объясняется относительно невысокой скоростью технологического процесса и возможностью буквально послойного формирования осаждаемых пленок: атом за атомом встраивается в кристаллическую решетку.

Чаще всего по этой технологии получают эпитаксиальные пленки сложных полупроводников. В установках молекулярно-лучевой (пучковой) эпитаксии имеется возможность исследовать качество плёнок «in situ» (то есть прямо в ростовой камере во время роста).

Основное преимущество метода — возможность создания уникальных наноструктур с очень высокой чистотой, однородностью и малым количеством дефектов. К недостаткам метода можно отнести высокую цену оборудования и исходных материалов, малую скорость роста, сложность поддержания высокого вакуума.

Взависимости от назначения пленок их заданные функциональные параметры могутбыть различными, однако, есть ряд общих характеристик и требований, присущих всем пленочным материалам. К таковым относятся:

Равнотолщинность адгезионная и когезионная прочность(хорошее сцепление с подложкой

И устойчивость к разрушению по границам кристаллических блоков);

Заданный химический и фазовый состав(вспомним, что это разные вещи);

Размер зерен или блоков, состояние их границ; ориентация кристаллитов.

К подложкам для получения пленок предъявляются требования, которые

Можно классифицировать как требования по механическим свойствам(чистота обработки, шероховатость; различные виды механической прочности; твердость; коэффициент термического расширения и др.), похимическим свойствам (устойчивость подложек к процессам их чистки перед нанесением пленок; индифферентность по отношению к материалу пленки входе её нанесения и эксплуатации или наоборот способность к необходимому для получения заданных свойств композиции химическому взаимодействию с пленкой, т.е. образованию твердых растворов, поверхностных фаз и пр.), по физическим свойствам (температура плавления, рекристаллизации, которые не должны как правило происходить в ходе термообработки пленок), кристаллографическим характеристикам (для получения качественных ориентированных покрытий чаще всего необходимо достаточно близкое

совпадение параметров кристаллической решетки подложки и пленки).

Испарители

Испарители классифицируют по наиболее характерным признакам. По характеру охлаждаемой среды (по назначению) различают испарители для охлаждения жидких хладоносителей и технологических продуктов; для охлаждения воздуха и газообразных технологических продуктов, т. е. когда происходит непосредственный теплообмен между охлаждаемым объектом и хладагентом; для охлаждения твердых технологических продуктов; испарители-конденсаторы.

В холодильной технике теплообменные аппараты, используемые для охлаждения жидких хладоносителей и жидких технологических продуктов, называют испарителями, а аппараты для охлаждения воздуха — батареями и воздухоохладителями.

В зависимости от условий циркуляции охлаждаемой жидкости испарители могут быть закрытого или открытого типов. Испарителями закрытого типа называют испарители с закрытой системой циркуляции охлаждаемой жидкости, прокачиваемой насосом. К ним относятся кожухотрубные и кожухозмеевиковые испарители. Испарителями открытого типа называют испарители с открытым уровнем охлаждаемой жидкости, циркуляция которой создается мешалкой. К ним относятся вертикально-трубные и панельные испарители.

По характеру заполнения хладагентом испарители разделяют на затопленные и незатопленные. К последним относятся оросительный, кожухотрубный с кипением в трубах, а также змеевиковый испарители с верхней подачей жидкости.

Испарители также разделяют на группы в зависимости от того, на какой поверхности кипит хладагент: в межтрубном пространстве (кожухотрубные затопленные и оросительные) или внутри труб и каналов (кожухотрубные с кипением в трубах, вертикально-трубные и панельные). Последнее разделение важно с точки зрения выбора модели для расчета теплоотдачи кипящей жидкости.

По характеру движения хладагента различают испарители с естественной и вынужденной циркуляцией. Отечественная промышленность выпускает аммиачные кожухотрубные испарители с горизонтальными трубами (ИТГ) с площадью теплопередающей поверхности от 67 до 800 м2, работающие на аммиаке, и фреоновые типа ИТР с площадью поверхности от 12 до 1800 м2. Тип конструкций аммиачных и фреоновых испарителей одинаков. Основное их отличие состоит в материале и характере поверхности теплообмена