4. Сорбционные насосы

• Используют адсорбцию газа на активных материалах (например, углеродных адсорбентах).

• Принцип работы:

  • Молекулы газа захватываются и связываются на поверхностях сорбента.

• Диапазон давления: 10^{-3} – 10^{-7} Торр.

• Преимущества:

  • Экологичность, отсутствие движущихся частей.

• Недостатки:

  • Ограниченная емкость.

5. Геттерные насосы

• Используют химическую реакцию для связывания газов.

• Принцип работы:

  • Газ реагирует с активными металлами (титан, цирконий), образуя неактивные соединения.

• Диапазон давления: 10^{-9} – 10^{-12} Торр.

• Преимущества:

  • Высокая эффективность для откачки остаточных газов.

• Недостатки:

  • Ограниченный ресурс активного вещества.

Комбинированные вакуумные системы

Для достижения сверхвысокого вакуума часто используются комбинации насосов:

• Форвакуумный насос + турбомолекулярный насос.

• Форвакуумный насос + диффузионный насос + ионный насос.

• Криогенный насос + геттерные насосы.

Факторы выбора насоса

1. Диапазон давления: выбирается в зависимости от конечного уровня вакуума.

2. Скорость откачки: зависит от объема вакуумной камеры.

3. Химический состав газа: некоторые насосы неэффективны для определенных газов.

4. Чистота вакуума: критична в микроэлектронике и научных исследованиях.

Применение насосов высокого и сверхвысокого вакуума

1. Научные исследования:

   • Физика высоких энергий, ускорители частиц.

2. Микроэлектроника:

   • Производство полупроводников и микрочипов.

3. Металлургия:

   • Вакуумное плавление, нанесение покрытий.

4. Космическая техника:

   • Симуляция условий космоса.

5. Медицина:

   • Электронные микроскопы, лазерные системы.

Эти насосы обеспечивают оптимальные условия для работы сложных установок, требующих глубокого вакуума.

12. Термическое вакуумное нанесение.

Термическое вакуумное нанесение

Термическое вакуумное нанесение — это метод формирования тонкопленочных покрытий на поверхности подложек в условиях вакуума. Основан на испарении материала с последующей конденсацией паров на холодной подложке. Данный метод используется для получения металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоев с высокой чистотой и однородностью.

Принцип термического вакуумного нанесения

1. Испарение материала:

   • Материал для покрытия нагревается в вакуумной камере до температуры испарения.

   • Испарение достигается за счет термического воздействия (резистивного нагрева, электронной пушки, лазера и др.).

2. Движение паров:

   • Частицы испаренного материала перемещаются по прямым траекториям благодаря низкому давлению (10^{-3} – 10^{-6} Торр), минимизирующему столкновения с молекулами остаточного газа.

3. Осаждение на подложке:

   • Частицы конденсируются на охлажденной поверхности подложки, формируя тонкий пленочный слой.

Основные этапы процесса

1. Подготовка вакуумной камеры:

   • Очистка камеры и создание требуемого уровня вакуума.

2. Подготовка материала и подложки:

   • Материал-мишень очищается от загрязнений.

   • Подложка очищается и устанавливается на держатель с возможностью нагрева или вращения для равномерного покрытия.

3. Испарение материала:

   • Материал нагревается до испарения.

4. Конденсация:

   • Частицы материала осаждаются на подложке, образуя равномерное покрытие.

5. Завершение процесса:

   • Остановка испарения, постепенная вентиляция камеры и извлечение подложки с покрытием.

Методы нагрева при термическом нанесении

1. Резистивное нагревание:

   • Материал нагревается в тигле или проволочной катушке из тугоплавкого металла.

   • Простота и низкая стоимость.

   • Подходит для материалов с невысокой температурой плавления (например, алюминий, золото).

2. Электронно-лучевое испарение:

   • Электронный пучок высокой энергии нагревает материал, превращая его в пар.

   • Используется для тугоплавких материалов (например, вольфрам, тантал).

   • Преимущество: высокая скорость испарения, высокая чистота покрытия.

3. Лазерное испарение:

   • Интенсивный лазерный луч нагревает материал.

   • Преимущество: возможность локального нагрева и испарения.

4. Индукционное нагревание:

   • Используется высокочастотное электромагнитное поле.

   • Преимущество: равномерный нагрев материала.

Преимущества термического вакуумного нанесения

• Высокая чистота покрытия:

  • Минимальное количество загрязнений благодаря вакуумной среде.

• Однородность пленки:

  • Контроль толщины и структуры покрытия.

• Универсальность:

  • Подходит для нанесения металлов, диэлектриков, полупроводников.

• Экономичность:

  • Простое оборудование для резистивного испарения.

Недостатки метода

• Ограничение материалов:

  • Трудности при испарении материалов с низким давлением пара или склонностью к разложению.

• Температурное воздействие:

  • Возможность термического повреждения подложки.

• Ограничение по площади покрытия:

  • Неравномерность осаждения на крупных подложках.

Применение термического вакуумного нанесения

1. Электроника:

   • Формирование тонких пленок для транзисторов, диодов, конденсаторов.

   • Нанесение проводящих слоев (например, алюминия, меди, золота).

2. Оптика:

   • Нанесение антибликовых и отражающих покрытий.

   • Производство зеркал и линз с высокими оптическими характеристиками.

3. Микроэлектромеханические системы (MEMS):

   • Формирование структур на подложках для сенсоров, микроустройств.

4. Ювелирная промышленность:

   • Нанесение декоративных и защитных покрытий (золото, платина).

5. Космическая техника:

   • Создание зеркал и защитных покрытий для спутников и телескопов.

6. Инструментальная промышленность:

   • Покрытие режущих и штамповочных инструментов для повышения их стойкости.

Контроль качества покрытий

1. Толщина покрытия:

   • Контролируется кварцевыми микробалансами или оптическими интерферометрами.

2. Чистота:

   • Анализ проводится с использованием спектроскопии, масс-спектрометрии.

3. Адгезия:

   • Проверяется с помощью механических и термических тестов.

Термическое вакуумное нанесение остается одним из наиболее универсальных и экономически эффективных методов для создания высококачественных тонкопленочных покрытий.

13. Методы осаждения вещества из газовой фазы.

Методы осаждения вещества из газовой фазы

Осаждение вещества из газовой фазы — это процесс формирования тонких пленок или покрытий путем переноса материала в виде газовых молекул или частиц и последующей их конденсации на подложке. Эти методы широко используются в микроэлектронике, оптике, материаловедении и других областях.

Классификация методов осаждения из газовой фазы

1. Физические методы осаждения (Physical Vapor Deposition, PVD):

   • Осаждение осуществляется путем физического испарения или распыления материала.

   • Примеры: термическое испарение, магнетронное распыление, лазерная абляция.

2. Химические методы осаждения (Chemical Vapor Deposition, CVD):

   • Материал осаждается в результате химических реакций между газообразными веществами.

   • Примеры: термическое CVD, плазмохимическое осаждение (PECVD), атомно-слоевое осаждение (ALD).

Физические методы осаждения из газовой фазы (PVD)

1. Термическое испарение

• Принцип: материал испаряется путем нагрева в вакууме, а затем конденсируется на подложке.

• Преимущества:

  • Простота процесса.

  • Высокая чистота покрытия.

• Недостатки:

  • Ограничение материалов с низким давлением пара.

• Применение: производство оптических покрытий, тонкопленочных конденсаторов.

2. Магнетронное распыление

• Принцип: материал мишени распыляется ионами газа (обычно аргона), ускоренными в электрическом поле.

• Преимущества:

  • Подходит для тугоплавких материалов.

  • Высокая однородность покрытия.

• Недостатки:

  • Требуется сложное оборудование.

• Применение: создание покрытий для микроэлектроники, оптики.

3. Ионное осаждение

• Принцип: ускоренные ионы воздействуют на поверхность материала, выбивая атомы, которые затем осаждаются на подложке.

• Преимущества:

  • Контроль адгезии и плотности покрытия.

• Недостатки:

  • Высокая стоимость оборудования.

• Применение: создание сверхплотных покрытий для инструментов.

4. Лазерная абляция

• Принцип: высокоэнергетический лазер испаряет материал мишени, который затем осаждается на подложке.

• Преимущества:

  • Возможность работы с композитными материалами.

• Недостатки:

  • Ограничение по площади покрытия.

• Применение: создание специализированных пленок для научных исследований.

Химические методы осаждения из газовой фазы (CVD)

1. Термическое CVD

• Принцип: химическая реакция газов происходит при нагреве подложки, что приводит к осаждению материала.

• Преимущества:

  • Высокая скорость осаждения.

  • Подходит для сложных геометрий.

• Недостатки:

  • Высокие температуры могут повредить подложку.

• Применение: выращивание тонкопленочных транзисторов, оптических слоев.

2. Плазмохимическое осаждение (PECVD)

• Принцип: химическая реакция инициируется плазмой, что позволяет снижать температуру процесса.

• Преимущества:

  • Низкая температура осаждения.

  • Высокая чистота пленок.

• Недостатки:

  • Более сложное оборудование.

• Применение: создание антирефлекторных покрытий, изоляционных пленок.

3. Атомно-слоевое осаждение (ALD)

• Принцип: материал осаждается послойно в результате последовательного протекания самолимитирующих химических реакций.

• Преимущества:

  • Точная толщина и равномерность пленки.

  • Осаждение на сложных структурах.

• Недостатки:

  • Низкая скорость процесса.

• Применение: производство наноструктур, диэлектрических слоев.

4. Осаждение методом распада прекурсоров

• Принцип: газообразные соединения (прекурсоры) разлагаются на подложке, формируя тонкий слой материала.

• Применение: нанесение полупроводниковых и металлических пленок.

Сравнение PVD и CVD методов

Параметр	PVD	CVD
Температура процесса	От низкой до умеренной	Умеренная или высокая
Скорость осаждения	Средняя	Высокая
Толщина пленок	До нескольких микрон	До десятков микрон
Подходит для сложных геометрий	Нет	Да
Контроль состава пленки	Высокий	Ограниченный

Применение методов осаждения

1. Микроэлектроника:

   • Создание тонкопленочных транзисторов, проводящих слоев.

2. Оптические устройства:

   • Формирование антибликовых покрытий.

3. Инструментальная промышленность:

   • Упрочняющие и износостойкие покрытия.

4. Энергетика:

   • Производство солнечных батарей.

5. Научные исследования:

   • Создание наноструктур и материалов.

Методы осаждения из газовой фазы обеспечивают высокую точность и контроль над характеристиками покрытий, что делает их незаменимыми в высокотехнологичных областях.

14. Газофазная эпитаксия кремния: пиролиз, восстановление водородом.

Газофазная эпитаксия кремния — это метод выращивания моно- или поликристаллических кремниевых слоев из газовой фазы на поверхности подложки. Этот процесс широко применяется в микроэлектронике для создания структур, необходимых для полупроводниковых приборов. Основными реакциями являются пиролиз (термическое разложение) и восстановление кремнийсодержащих соединений водородом.

Принцип газофазной эпитаксии

1. Подготовка подложки:

   • Используется кремниевый монокристалл как основа.

   • Поверхность подложки тщательно очищается от оксидов и загрязнений.

2. Обеспечение газовой среды:

   • В реакционную камеру подаются прекурсоры — газовые соединения кремния (например, SiH₄ или SiCl₄) и водород.

3. Химические реакции:

   • Под действием температуры (900–1200∘C) газы разлагаются (пиролиз) или вступают в реакции восстановления, в результате которых на подложке осаждается чистый кремний.

4. Контроль роста слоя:

   • Толщина и структура слоя регулируются за счет контроля температуры, давления и состава газовой смеси.

Реакции пиролиза и восстановления