Otvety_na_ekzamenatsionnye_voprosy_OPT_2022 (1)
.pdf
Турбомолекулярный насос - один из видов вакуумных насосов,
служащий для создания и поддержки высокого вакуума. Действие турбомолекулярного насоса основано на сообщении молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости в направлении откачки вращающимся ротором. Ротор состоит из системы дисков. Вакуум,
создаваемый турбомолекулярным насосом, — от 10 −2 Па до 10−8 Па. Скорость вращения ротора — десятки тысяч оборотов в минуту. Для работы требует применения форвакуумного насоса.
Насос представляет собой круглый диск с лопастями, который вращается. Когда лопасти находятся в движении, они оказывают влияние на молекулы газа, переводимые в механическую энергию. В ходе работы газ сжимается и движется к нагнетательному отверстию, оттуда они выводятся при помощи устройства подкачки.
Всю работу турбомолекулярного насоса можно разложить на несколько этапов: через патрубок всасывания газ поступает в рабочую камеру ТМН, газ проходит через некоторое количество турбомолекулярных ступеней, что приводит его сжатию, далее подкачивающее устройство обеспечивает вывод газов.
31
Рисунок 11 – Конструкция турбомолекулярного насоса
Гетеро-ионный (ионно-геттерный) насос.
Всовременных ионно-геттерных насосах обычно совмещены геттерные
иионные методы откачки. Принцип действия ионно-геттерных насосов основан на поглощении газов периодически или непрерывно наносимой пленкой титана и улучшении откачки инертных газов и углеводородов за счет ионизации и улавливания положительных ионов отрицательно заряженными элементами насоса.
Ионно-сорбционная откачка использует два типа поглощения газа:
внедрение ионов в объем твердого тела под действием электрического поля и химического взаимодействие откачиваемых газов с тонкими пленками активных металлов. Высокоэнергетичные ионы или нейтральные частицы,
бомбардируя твердое тело, проникают в него на глубину достаточную для их растворения. Это ионная откачка. При откачке существует предельное количество поглощенного газа единицей объема тела. При максимально допустимом значении поглощения газа может объединиться в пузырьки и разорвать металл. Это явление получило название «блистер-эффект».
32
Рисунок 12 – Конструкция гетеро-ионного насоса: 1 – вольфрамовый катод; 2 –
испаритель титана; 3 – анод; 4 – корпус; 5 – фланец; 6 – патрубок для предварительной
откачки
На рисунке представлена схема ионно-геттерного насоса. Испарение титана на стенки водоохлаждаемого корпуса 4 насоса производится из твердой фазы с прямоканальных испарителей 2, представляющих молибденовый U-
образный стержень (керн), на который нанесен слой иодидного титана.
Ионизация, необходимая для откачки инертных газов и углеводородов,
осуществляется электронами, эммитируемыми термокатодом 1.
Эффективность ионизации повышена за счет увеличения длины пробега электронов. Это достигается применением «прозрачного» для электронов анода 3, на который подается положительное относительно катода напряжение
1000…2000В. Анод 3, выполненный из молибденовой проволоки используется еще и в качестве внутреннего нагревателя для обезгаживания насоса при подготовке его к работе.
Коллектором ионов является корпус насоса с нанесенной титановой пленкой, в которую и внедряются образовавшиеся ионы.
Таким образом, химически активные газы поглощаются пленкой титана,
непрерывно наносимой на внутреннюю поверхность корпуса насоса, а откачка
33
инертных газов осуществляется за счет ионизации и последующего внедрения ионов в пленку геттера.
Криогенный насос - безмасляные высоковакуумные адсорбционные устройства с высокой производительностью. Процесс откачивания среды происходит благодаря конденсации газов/паров охлажденной поверхностью.
Для захолаживания агрегатов применяется гелиевый компрессор замкнутого цикла. Устройства имеют небольшой размер и малый вес.
Чистота откачки достигается благодаря отсутствию движущихся элементов и технических жидкостей, которые загрязняют среду. Наличие автоматики позволяет насосу самостоятельно включаться.
Первая ступень (охлаждение).
Происходит охлаждение до 80 K. Происходит конденсация молекул пара и углеводородов. Выравнивается температурное поле. С помощью компрессора гелий поступает в насос. Затем перемещается через теплообменник и поступает в смеситель. Температура гелия опускается до 65 K. Происходит открытие выхлопного клапана, который способствует беспрепятственному перемещению газа. При низкой температуре гелий увеличивается в объеме и создает обратный поток компрессору с помощью теплообменника. Это способствует нагреву газа к комнатной температуре.
Вторая ступень (регенерация).
Температура охлаждения до 20 K. Происходит скопление молекул аргона, азота, кислорода. Активированный уголь обеспечивает адсорбцию газов, не переходящих в твердую фазу. На завершающем этапе откачки (третья ступень) находятся углеродные гранулы, использующиеся как адсорбент для оставшихся молекул газа. Регенерация выполняется при выключенном охлаждающем устройстве. Ступени откачки превышают комнатную температуру.
Криоголовка выполняет функцию рефрижератора, охлаждающего гелий. Компрессор фиксируется к криоголовке с помощью трубок.
Форвакуумный клапан способствует процессу регенерации. Через
34
продувочный клапан отводятся из устройства накопленные газы.
Предохранительный клапан защищает рабочий объем от проникновения захваченных молекул газовой среды.
Третья ступень (откачка).
Процесс происходит при температуре 10 K. Скорость откачки достигает
14 л/сек.
Благодаря термопарному датчику происходит измерение давление.
Микропроцессорный блок управления выполняет контроль над основными параметрами агрегата. Отображает возможность работы с внешними устройствами. На финальном этапе молекулы углерода адсорбируются.
Охлаждение выполняется за счет внешнего охлаждающего устройства.
Внутри корпуса криогенного насоса установлена криоголовка и система экранов/панелей, обеспечивающие многоступенчатую откачку.
Функционирование техники базируется на действии низких температур. Они охлаждаются с помощью криоголовки. Каждый технологичный уровень агрегата осуществляется быстро и эффективно.
35
12. Термическое вакуумное нанесение.
Готра, с. 262.
Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до температуры испарения, образования пара и конденсации его на подложке. Поток испарившихся частиц в вакууме образуется, если давление пара испаряемого материала превышает давление в рабочей камере.
Для нагрева используют электронный луч, лазер, джоулево тепло,
высокочастотное поле.
Электронно-лучевое (ЭЛ) испарение.
Установка для ЭЛ-испарения состоит из технологической камеры,
системы откачки, тигля с испаряемым материалом, электронной пушки,
заслонки для пара и подложки с приспособлениями для её крепления и нагрева. При бомбардировке поверхности испаряемого материала электронным пучком существенная доля кинетической энергии электронов превращается в тепло и поверхность нагревается до такой температуры, что становится источником пара. В потоке пара размещают подложку, на которой конденсируется часть пара, т. е. производится напыление.
Рисунок 13 – Конструкция установки: 1 – электронная пушка; 2 – электронный пучок; 3 – кожух технологической камеры; 4 – водоохлаждаемый тигель; 5 – испаряемый материал; 6 – диафрагма испарителя; 7 – поток пара; 8 – напыленный слой; 9 – подложка;
10 – подогреватель подложки
При прямом нагреве температура испаряемой поверхности самая высокая, поэтому испарение материала проводят из водоохлаждаемых тиглей,
36
обеспечивающих также испарение химически высокоактивных и тугоплавких материалов.
Скорость испарения прямопропорциональна eT. Для обеспечения достаточно высокой скорости испарение проводим из жидкой фазы. Но нужно учесть, что загрязнения, плотность которых меньше плотности расплава,
всплывают и частично покрывают поверхность расплава.
Для нанесения пленки, состоящей из нескольких материалов,
используют многоили однотигельное испарение. При многотигельном испарении каждый компонент испаряется из отдельного тигля. В случае однотигельного испарения поток пара требуемого состава создается и конденсируется при непрерывной добавке дополнительного материала в основной.
Также стоит учитывать распространение потока пара.
Электронно-лучевые испарители состоят из электронной пушки и тигля.
Часто их дополняют приспособлением для подпитки расплава в тигле исходным материалом. Существуют разные конфигурации испарителей.
Катод расположен вблизи испаряемого материала или тигля. Под действием
37
ускоряющего напряжения между катодом и тиглем пучок электронов устремляется на испаряемый материал. Управляющий электрод находится под потенциалом катода и служит для фокусировки электронного пучка.
Анод, размещенный между тиглем и управляющим электродом с катодом, формирует электронный пучок, который направляют на испаряемый материал отвесно или под углом. Фокусировку пучка осуществляют магнитными линзами при необходимости.
Тигли изготавливают из химически инертного материала. Применяют тигли с водяным охлаждением и керамическими вставками. Существуют медные водоохлаждаемые тигли. Высокая теплопроводность меди допускает большие перепады температур на границе между стенкой тигля и испаряемым материалом.
Для исключения загрязнений расплава материалом тигля используют бестигельное испарение. В простейшем случае материал испаряется из жидкой лунки на поверхности массивного слитка. Для сублимирующих материалов целесообразна форма прутка, перемещающегося под пучком.
Испарение при резистивном нагреве.
Для реализации используют нагреватели-испарители поверхностного типа с резистивным нагревом в форме спиралей, лент, лодочек, а также испарители тигельного типа с косвенным нагревом. Очень часто используют вольфрам, часто тантал и молибден, редко никель и хромель.
Для испарителей используют нерекристаллизованную вольфрамовую проволоку, т.к. рекристаллизованная проволока при температуре выше 1273 К
очень хрупкая. Испарители изготавливают при 373 К, т.к. при этой температуре проволока максимально гибкая.
При хорошем смачивании материала нагревателя испаренным металлом происходит некоторое взаимодействие между этими веществами. При испарении алюминия с тонких вольфрамовых проволочек происходит разрушение подогревателя вследствие образования хрупкого сплава.
38
При недостаточном смачивании испаряемым металлом материала подогревателя используют вспомогательную спираль из вольфрама или молибдена, которую наматывают на нагреватель.
Для испарения большого количества металла и порошкообразных материалов используют испарители в виде лодочек и тиглей. В зависимости от температуры плавления расплавляемого материала применяют разные материалы для испарителей: тантал; для низких температур – кварц; для высоких температур – тигли из алунда и окиси бериллия; для ещё больших температур – графит; для материалов с температурой плавления ниже 1873 К
используют тигли из окиси алюминия.
При высоких температурах многие металлы реагируют с углеродом,
образуя карбиды. К таким металлам относится алюминий.
Металлы, не реагирующие с графитовым тиглем, могут быть успешно испарены из него (бериллий, серебро, стронций и др.). Также многие окиси металлов восстанавливаются под действием углерода, таким образом, при использовании графитовых тиглей может одновременно происходить очистка металла.
Недостатком графитовых тиглей является их способность легко поглощать газы, что осложняет их использование в вакууме.
39
13. Методы осаждения вещества из газовой фазы.
Существует 4 метода получения вещества из газовой фазы:
-связанные с разложением вещества;
-основанные на восстановлении вещества;
-связанные с химическим синтезом;
-основанные на химических транспортных реакциях.
Для осаждения кремния и соединений А3В5 из газовой фазы исходные вещества находятся в виде соединению. Парообразный кремний легко образует капельную фазу и осаждается в виде поликремния. Аналогично происходит с веществами, входящими в состав А3В5, например, галлий образует капельную фазу.
1) Связанные с разложением вещества Т.к. эпитаксия из газовой фазы происходит при высокой температуре, то
при разложении используется пиролиз (распад соединений на составные части при высокой температуре)
Для осаждения кремния Si из газовой фазы используется газ моносилан
SiH4. Моносилан распадается при высокой температуре на кремний, который в виде атомов осаждается на поверхности подложке и переходит из газообразной фазы в твердую, минуя жидкую, а водород выделяется в виде газообразного вещества H2.
4 → тв ↓ +22 ↑
2) Связанные на восстановлении вещества Исходное вещество в виде соединения взаимодействуют с веществом
восстановителем, чаще всего восстановителем является водород H2. В ходе реакции образуются необходимое твердое вещество на поверхности подложки и соединения в газовой фазе, которые уходят в атмосферу камеры и откачиваются вакуумной системой.
Например, для получения эпитаксиального кремния Si таким способом используют исходный компонент, который обязательно содержит хлор, чаще всего это будет газ тетрахлорсилан SiCl4.
40