Dom » Sistem grijanja » Nastavni rad: Vakuumsko taloženje. Vakumske instalacije - primjena i vrste vakuumskih instalacija

Nastavni rad: Vakuumsko taloženje. Vakumske instalacije - primjena i vrste vakuumskih instalacija

TEORIJSKI PODACI

Brzi razvoj proizvodnje mikroelektronskih uređaja (MED) u posljednjoj deceniji doveo je do stvaranja radne opreme koja bi imala najmanji mogući uticaj na proces formiranja tankih filmova i omogućila kontrolu njihovih parametara. Kao rezultat toga, trenutno postoji veliki izbor vakuumskih jedinica, komponenti, kao i materijala i metoda montaže koji omogućavaju rješavanje složenih tehnoloških problema u proizvodnji MEP-a.

Proces dobijanja tankih filmova odvija se u vakuumskom okruženju poklopca uređaja za vakuum. Dva principa se mogu koristiti za smanjenje pritiska u uređaju za zatvaranje. U prvom, plin se fizički uklanja iz vakuumske komore i izbacuje van. Primjer ovakvog načina djelovanja su mehaničke i parne mlazne, parne uljne pumpe. Druga metoda pumpanja temelji se na kondenzaciji ili zarobljavanju molekula plina na nekom dijelu površine vakuumske komore bez uklanjanja plina prema van. Na ovom principu su dizajnirane kriogene, getter i getter - jonske pumpe.

Kvantitativna mjera kapaciteta prijenosa ili apsorpcije plina pumpom je njegov kapacitet (Q). Performanse zavise od pritiska u evakuiranom uređaju i definiraju se kao količina plina koja protiče kroz usisnu cijev radne pumpe u jedinici vremena pri t = 20 0 C:

Q = fp · P,

gdje je Fp – brzina pumpanja, l/s; P je pritisak dizanih gasova, mm Hg. Art.

Drugi parametar koji karakteriše rad pumpe je brzina pumpanja Fp, koja je definisana kao omjer performansi pumpe i parcijalnog pritiska datog gasa u blizini ulaza pumpe:

Fp = Q/P

Većina vakuum pumpe ima skoro konstantnu brzinu pumpanja u rasponu od nekoliko redova pritiska gasa. Iznad i ispod ovog područja naglo opada, pa pumpanje ovakvom vakuum pumpom postaje neefikasno.

Prilikom odabira pumpe za vakuumsku instalaciju, treba imati na umu da same pumpe, kada određenim uslovima su izvori zaostalih gasova u vakuumskoj komori. različite vrste pumpe se uvelike razlikuju jedna od druge kako po količini tako i po prirodi emitiranih plinova. Posebno su štetni tragovi isparenja organskih jedinjenja zbog radnih fluida koji se koriste u pumpama.

Glavni parametri pumpe također uključuju krajnji tlak Pg - to je minimalni tlak koji se može dobiti pomoću vakuum pumpe ako sama pumpa ne ispušta plinove.

Za rotacijske pumpe, Pg ovisi o "lošem volumenu" pumpe (tj. onog dijela komore za kompresiju iz kojeg se plin koji dolazi iz pumpanog objekta ne može istisnuti) i tlaku pare tvari, kao što je ulje, koristi se za zaptivanje. Za parne mlazne pumpe, Pg zavisi od brzine molekula pare u mlaznici, brzine molekula gasa u pumpanoj zapremini i molekulske težine gasa.

Dozvoljeni spoljni (ulazni) pritisak je maksimalni dozvoljeni pritisak gasa na izlazu pumpe, odnosno pritisak pri kojem je brzina pumpanja i dalje jednaka maksimalnoj vrednosti. Za predvodne pumpe koje kompresuju gas na atmosferski pritisak, dozvoljeni izlazni pritisak je jednak atmosferskom pritisku, za visokovakumske pumpe, dozvoljeni izlazni pritisak je jednak prednjem pritisku.

Proces pumpanja uređaja sa kapom zapremine V i početnim pritiskom Po koji izvodi bilo koja pumpa sa brzinom pumpanja Fp i graničnim pritiskom Pg može se opisati korišćenjem diferencijalna jednadžba izvedeno iz Boyle-Mariotteovog zakona. Pad pritiska tokom vremena opisuje se sledećom jednadžbom:

DP/dt = Fp/V(P - Pg) (1)

Rješenje ove diferencijalne jednadžbe će dati karakteristiku promjene u vremenu t tlaka P u evakuiranoj posudi.

U slučaju “idealne” pumpe, Fp = Fp max = const, karakteristika pumpe P je prava linija. Brzina pumpanja Fp svih tehničkih pumpi, za razliku od “idealnih” pumpi, zavisi od pritiska , te se stoga vremenske karakteristike promjena tlaka obično ne dobijaju proračunom, odnosno integracijom jednačine 1, već se određuju iz eksperimenta.

UREĐAJ ZA UGRADNJU VAKUMSKE PRSKALICE

Vakum jedinica je dizajnirana za stvaranje i održavanje vakuuma u radnoj zapremini (čep uređaj). Instalacija se sastoji od vakumske jedinice i kontrolne police. Konstruktivno, vakuumski blok (slika 1.1) je tijelo 1, na koje je ugrađen poklopac 2. Vakumski sistem, sistem za hlađenje, gasni sistem i hidraulički podizač haube. U poklopcu uređaja radni pritisak gasova je podešen od 1·10 -3 do 5·10 -4 mm Hg. Art. a materijali raspršene mete se nanose na podlogu pomoću uređaja za raspršivanje.

Vakum sistem instalacije (sl. 1.2) sastoji se od mehaničke pumpe NVR-5D i vakumske jedinice VA-2-3R-N, ventilske kutije, elektromagnetnog curenja, cjevovoda i senzora za mjerenje pritiska.

Sl.1.1. Izgled instalacije: 1 - kućište; 2 - kapa; 3 - sistem

vakuum; 4 - sistem hlađenja; 5 – mehanizam za mešanje;

6 - uređaj za prskanje; 7 - ventilska kutija; 8 - vakuum mjerač

Cjevovodi vakuumskog sistema povezuju ga sa mehaničkom pumpom, poklopcem i izlaznom cijevi parno-uljne pumpe. Ventil - ventil za curenje je dizajniran za smanjenje pritiska radne zapremine.

Pumpnim sredstvima vakuumskog sistema instalacije upravlja upravljačka jedinica vakuumskog sistema.

Da biste pokrenuli mehaničku pumpu, morate uključiti odgovarajući prekidač na kontrolnoj tabli. U tom slučaju se aktivira magnetni starter koji sa jednim normalno otvorenim kontaktom postaje samozaključujući, a sa tri druga kontakta uključuje elektromotor za pogon elektromehaničke pumpe u vakuumskoj jedinici.

Sl.1.2. Sistem vakuumske instalacije: 1 - mehanička pumpa NVR-5D;

2 - donja ručka kutije ventila; 3 - elektromagnetno curenje;

4 - gornja ručka kutije ventila; 5 - ventilska kutija;

6 - termoelement; 7 - manometrijski senzor; 8 - ventil-curenje;

9 - zatvarač; 10 - vakumska jedinica tipa VA-2-3RM; 11 - cjevovodi

Da biste uključili mehaničku pumpu, morate uključiti odgovarajući prekidač na kontrolnoj ploči. U tom slučaju se aktivira magnetni starter koji

jedan normalno otvoreni kontakt postaje samozaključujući, a druga tri kontakta uključuju elektromotor za pogon elektromehaničke pumpe u vakuumskoj jedinici

Uključivanje grijača parne uljne pumpe EN-1 moguće je tek nakon uključivanja mehaničke pumpe, budući da se magnetni starter napaja preko normalno otvorenog kontakta magnetnog startera, dok na kontrolnoj tabli svijetli signalna lampica.

Uz pomoć ventilske kutije 2, omogućeno je sve uključenje vakuumskog sistema potrebno za rad jedinice. Kontrolna kutija ventila je postavljena na prednji stub jedinice (Sl.1.1). Kada se gornja ručka izvuče, mehanička pumpa ispumpava radni volumen uređaja za zatvaranje, kada se izvuče donja ručka, ispumpava se šupljina parno-uljne pumpe.

Elektromagnetski ventil se nalazi na ventilskoj kutiji 5 i dizajniran je da pušta atmosferski vazduh u cevovod mehaničke pumpe.

Uključivanje elektromagnetnog ventila vrši se prekidačem "curenja" koji se nalazi u kontrolnoj jedinici vakuumskog sistema. Ventil radi samo ako je mehanička pumpa isključena. Sa produženom donjom ručkom kutije ventila, puni se isti ventil za curenje atmosferski vazduh u šupljinu parne pumpe. Konstruktivno, ventil za curenje je solenoid, čiji je krajnji dio izrađen u obliku zaptivnog ventila. Ulaz ima porozni stakleni filter koji zadržava čestice prašine iz zraka.

Kontrolu vakuuma vrši vakuum mjerač VIT-2 od senzora koji su na njega povezani prekidačem „Izbor senzora“.

Kada je prekidač “Odabir senzora” postavljen na “1”, mjerač vakuuma mjeri niski vakuum u prednjoj liniji. Kada se postavi na poziciju “2”, visoki vakuum u uređaju s poklopcem se mjeri pomoću jonizacionog senzora pritiska, kada se prebaci u položaj “0”, oba senzora se isključuju.

Mehanička vakuum pumpa. Rotaciona pumpa sa uljnom zaptivkom je dizajnirana za pumpanje vazduha, hemijski neaktivnih gasova i mešavina para i gasa koje ne utiču na konstrukcijske materijale i radni fluid. Takve pumpe mogu normalno ispumpati pare koje se kondenziraju i mješavine para i plina prihvatljive koncentracije.

Proces pumpanja gasova u rotacionim lopatnim pumpama zasniva se na mehaničkom usisu gasa usled periodičnog povećanja radne komore.

Princip rada takve pumpe je ilustrovan na slici 1.3 i odvija se na sljedeći način.

Sl.1.3. Rotaciona pumpa: 1 - cilindar; 2 - rotor; 3 - oštrice;

4 - opruga; 5 - ventil; A i B - šupljine

U cilindru 1 u smjeru strelicom se okreće ekscentrično postavljen rotor 2. U prorez rotora postavljene su lopatice 3 koje su oprugom 4 pritisnute na unutrašnju površinu cilindra. Kada se rotor rotira, lopatice klize duž unutrašnje površine cilindra, šupljina koju čine cilindar, rotor i lopatice podijeljena je na šupljinu A i šupljinu B.

Kada se rotor rotira, zapremina šupljine A se povremeno povećava i gas iz evakuisanog sistema ulazi u nju; volumen šupljine B povremeno se smanjuje i dolazi do kompresije u njoj. Komprimirani plin se izbacuje kroz ventil 5. Zaptivanje između usisnih komora A i kompresijskih komora B vrši se uljnim filmom. Ovako radi jednostepena pumpa. U dvostepenoj verziji, izlaz prvog stepena je povezan sa ulazom drugog stepena, a gas se ispušta u atmosferu kroz ventil.

Sve rotacione pumpe imaju sličan dizajn, ali se razlikuju po veličini, što određuje brzinu pumpanja pumpi. Dizajn jednostepene rotacione pumpe prikazan je na slici 1.4.

Prilikom spajanja pumpe na vakuumski sistem, cjevovod treba da ima kratku dužinu i veliki prečnik, ne manje od prečnika ulaza pumpe. Nepoštivanje ovih uslova dovodi do smanjenja brzine pumpanja pumpe.

Mehanička krilna pumpa VN-05-2 koja se koristi u instalaciji ima sljedeće glavne karakteristike performansi:

Brzina pumpanja 0,5 l/s

Preostali pritisak 5·10 -3 mm Hg. Art.

Parna uljna pumpa visokog vakuuma. Parno-uljna pumpa visokog vakuuma H-05 je dizajnirana za pumpanje zraka, neagresivnih plinova, para

i mešavine pare i gasa.

Pumpa smije raditi samo u kombinaciji sa pomoćnom pumpom za predispuštanje. Položaj parne uljne pumpe u sistemu visokog vakuuma prikazan je na slici 1.5.

Trostepene uljno-parne pumpe koje se široko koriste sastoje se od sljedećih glavnih komponenti: kućišta, parnog voda, električnog grijača, deflektora ulja i hidrauličkog releja. Dizajn pumpe je prikazan na slici 1.5.

Kućište pumpe 1 je čelični cilindar sa zavarenim dnom, ulaznom prirubnicom 2, izlaznom cijevi sa prirubnicom 3. Za ugradnju dijelova ejektora, na izlaznoj cijevi nalazi se uronjena prirubnica 4.

Sl.1.5. Opšti izgled pumpe: 1 - električni grijač; 2 - parovod; 3 - tijelo; 4 - deflektor ulja; 5 - mlaznica; 6 - podsolnik;

7 - mlaznica; 8 - podsolnik; 9 - mlaznica za izbacivanje

Glavni konstruktivni dio pumpe je parni cjevovod u kojem ulje cirkuliše na način da uljne pare iz kotla koji se nalazi u donjem dijelu kućišta kroz parne kanale ulaze u gornju, donju i ejektorsku mlaznicu, izlazeći tamo gdje su kondenzirati na hladnim zidovima kućišta pumpe i izlazne cijevi. Tekući u kotao, ulje prvo ulazi u dio kotla povezan sa posljednjom (izlaznom) mlaznicom, a tek na kraju, prolazeći kroz labirint, ulazi u dio koji je povezan s najvažnijim unutrašnjim parovodom koji dovodi paru u visoko- vakumska mlaznica. Kao rezultat toga, visokovakumska mlaznica najbliža objektu koji se pumpa radi samo sa uljem koje ima najniži pritisak pare zasićenja, dok mlaznica najbliža predvakum pumpi radi sa najlakšim frakcijama.

Parni vod pumpe je trostepeni. Prva dva stepena su kišobranskog tipa, treća faza je izbacivača. Uljne pare iz kotla kroz parne cjevovode ulaze u mlaznice tri stupnja pumpe i, izlazeći iz njih, formiraju mlaznice. Evakuirani plin difundira u mlazove pare i njima se prenosi u područje prethodnog pražnjenja. Para, kada dođe do ohlađenog zida pumpe, kondenzuje se i teče nazad u kotao.

Pumpa se pokreće sljedećim redoslijedom:

a) uključite foreline pumpu i, otvaranjem ventila, ispumpajte sistem

sa parno-uljnom pumpom do pritiska od 5·10 -2 - 1·10 -2 mm Hg. Art.;

b) pustiti vodu da ohladi kućište pumpe;

c) uključiti električni grijač parno-uljne pumpe.

Da biste zaustavili pumpu, uključite električni grijač pumpe i dovedite vodu za hlađenje dna. Nakon što se pumpa ohladi, zatvorite ventil, isključite prednju pumpu i zaustavite dovod vode.

Glavne karakteristike parne pumpe za ulje:

Maksimalni rezidualni pritisak nije veći od 5·10 -7 mm Hg. Art.

Brzina pumpanja Fp 500 l/s

Maksimalni izlazni pritisak nije manji od 0,25 mm Hg. Art.

Propuštanje atmosferskog vazduha nije veće od 0,02 l×mm Hg. st./s

Kvalitet ulja VM-1 GOST 7904-56

preliminarno pražnjenje VN-2MG ili NVR-5D

POSTUPAK RADA

1. Uključite jedinicu, za koju je “mrežna” mašina prebačena u položaj “Uključeno”.

2. Uključite mehaničku pumpu pomeranjem dugmeta prekidača u položaj „Uključeno“.

3. Ispumpajte zapreminu parno-uljne pumpe, otvorite donji ventil kutije ventila.

4. Uključite grijač parne uljne pumpe prekidačem „Uključeno“.

5. Nakon 35-40 minuta nakon uključivanja grijača uljno-parne pumpe, uključite dovod dušika.

6. Nakon zagrevanja parno-uljne pumpe, zatvorite donji ventil i prethodno ispumpajte zapreminu ispod poklopca otvaranjem gornjeg ventila ventilske kutije.

7. Zabilježite i nacrtajte karakteristiku P(t) tokom ispumpavanja na mehaničkoj pumpi, za to, u roku od jednog sata, snimite očitavanja termoelementnog vakuum mjerača svakih 10 minuta. Donesite podatke u tabelu i nacrtajte krivu P(t).

8. Uklonite i nacrtajte karakteristiku P(t) za difuzijsku pumpu. Eksperiment se izvodi na isti način kao u paragrafu 7.

9. Procijenite mogućnosti obje pumpe kada se postigne nivo predvakuma: mehanička 40 minuta, visoki vakuum 1 sat.

10. Dajte zaključak o preliminarnom vakuumu koji se može postići predloženim pumpnim sistemom.

11. Podatke dobijene tokom eksperimenta prikazati u obliku tabela i grafikona.

TEST PITANJA

1. Kako se klasifikuje vakuum. Objasniti princip rada jedinice za vakuumsko taloženje, svrhu čvorova.

2. Objasnite ispravan redosled uključivanje i isključivanje vakuum pumpi u vakuum sistemu. Objasnite šta ograničava krajnji vakuum koji se može postići na takvoj instalaciji.

3. Objasnite rad parne uljne pumpe.

4. Objasnite rad mehaničke pumpe.

5. Objasniti princip mjerenja vakuuma i rad termoionskih i jonizacionih senzora.

6. Objasniti svrhu i rad ventila - curenje.

7. Objasniti princip rada i raspored azotnih i elektromagnetnih zamki.

8. Komentirajte dobijene vakuumske karakteristike instalacije.

Vakumsko premazivanje baziran na stvaranju usmjerenog toka čestica (atoma, molekula, klastera) nanesenog materijala na površini proizvoda i njihovoj kondenzaciji.
Proces uključuje nekoliko faza: prijelaz raspršene tvari ili materijala iz kondenzirane faze u plinovitu fazu, prijenos molekula plinske faze na površinu proizvoda, njihova kondenzacija na površini, formiranje i rast jezgri i formiranje filma.
Vakumsko premazivanje- prijenos čestica raspršene tvari iz izvora (mjesta njenog prijelaza u gasnu fazu) na površinu dijela vrši se po pravolinijskim putanjama pri vakuumu od 10 -2 Pa i niže (vakuumsko isparavanje) i difuzijom i konvektivnim prijenosom u plazmi pri pritiscima od 1 Pa (katodno raspršivanje) i 10 -1 -10 -2 Pa (magnetronsko i jonsko-plazma raspršivanje). Sudbina svake od čestica raspršene tvari pri udaru o površinu dijela ovisi o njegovoj energiji, površinskoj temperaturi i kemijskom afinitetu materijala filma i dijela. Atomi ili molekuli koji su dospjeli na površinu mogu se ili reflektirati od nje, ili se adsorbirati i ostaviti nakon nekog vremena (desorpcija), ili se adsorbirati i formirati kondenzat na površini (kondenzacija). Pri visokim energijama čestica, visokoj površinskoj temperaturi i niskom kemijskom afinitetu, čestica se odbija od površine.
Temperatura površine dijela, iznad koje se sve čestice odbijaju od njega, a film se ne formira, naziva se kritična temperatura vakuumskog taloženja; njegova vrijednost ovisi o prirodi filmskih materijala i površine dijela, te o stanju površine. Kod vrlo niskih tokova isparavajućih čestica, čak i ako su te čestice adsorbirane na površini, ali se rijetko javljaju kod drugih sličnih čestica, one se desorbiraju i ne mogu formirati jezgra; film ne raste. Kritična gustina protoka isparenih čestica za datu temperaturu površine je najniža gustina pri kojoj se čestice kondenzuju i formiraju film.
Struktura nanesenih filmova zavisi od svojstava materijala, stanja i temperature površine i brzine taloženja. Filmovi mogu biti amorfni (staklasti, npr. oksidi, Si), polikristalni (metali, legure, Si) ili monokristalni (npr. poluvodički filmovi dobijeni epitaksijom molekularnog zraka). Da bi se struktura poboljšala i smanjila unutrašnja mehanička naprezanja filmova, povećala stabilnost njihovih svojstava i poboljšala adhezija na površini proizvoda odmah nakon taloženja bez prekida vakuuma, filmovi se žare na temperaturama nešto višim od temperature površine tijekom taloženja. . Često se vakuumskim taloženjem stvaraju višeslojne filmske strukture od različitih materijala.
Vakuumsko prskanje koristi se u planarnoj tehnologiji poluvodičkih mikro krugova, u proizvodnji hibridnih kola tankog filma, proizvoda piezotehnike, akustoelektronike i dr. (nanošenje provodnih, dielektričnih, zaštitnih slojeva, maski itd.), u optici (nanošenje antirefleksnih, reflektivnih , i drugi premazi), ograničeno - pri metalizaciji površina plastičnih i staklenih proizvoda, zatamnjivanju auto stakala. Metali (Al, Au, Cu, Cr, Ni, V, Ti, itd.), legure (na primjer, NiCr, CrNiSi), hemijska jedinjenja(silicidi, oksidi, boridi, karbidi, itd.).

Rice. P2.1.

Za vakuumsko taloženje koristi se procesna oprema periodičnog, polukontinuiranog i kontinuiranog djelovanja. Instalacije periodičnog djelovanja izvode jedan ciklus taloženja filma sa zadatim brojem napunjenih proizvoda. Kontinuirane instalacije se koriste u serijskoj i masovnoj proizvodnji. Oni su dva tipa: višekomorni i jednokomorni sa više položaja. Prvi se sastoje od sekvencijalno raspoređenih modula za taloženje, u svakom od kojih se taloženje filmova određenih materijala ili njihovih termičku obradu i kontrolu. Moduli su međusobno povezani komorama za zaključavanje i transportnim transporterom. Višepozicijske jednokomorne instalacije sadrže nekoliko stubova za raspršivanje (lociranih u jednoj vakuum komori) povezanih transportnim uređajem transportnog ili rotacionog tipa. Glavne komponente i sistemi instalacija za vakuumsko taloženje su nezavisni uređaji koji obavljaju navedene funkcije:
stvaranje vakuuma;
isparavanje ili prskanje filmskog materijala;
Transport i taloženje premaza;
Kontrola načina vakuumskog taloženja i svojstava filma;
napajanje.

Postrojenja za vakuumiranje

DV-502B serija vakuumske otporne jedinice za raspršivanje (slika A2.2.) (ova jedinica je desktop)

Rice. P2.2.

Instalacija VATT1600-4DK (Sl. P2.4.) je dizajniran za nanošenje kombinovanog premaza, koji se može sastojati od metalnog sloja, sloja ovog metalnog jedinjenja (oksida, nitrida, karbida) i sloja SiOx.

Rice. P2.3.

Upotrebom raznih jedinjenja titana moguće je dobiti razne nijanse zlatna, plava, zelena, crna i neke druge boje (sl. A2.4.). Premazi se mogu nanositi na limove od nehrđajućeg čelika sa bilo kojom završnom obradom: ogledalo, brušeno, dekorativno teksturirano ili jednolično mat. Dimenzije vakumske jedinice omogućavaju prskanje listova veličine 1500x3000 mm. Listovi nakon prskanja mogu se prekriti samoljepljivim zaštitnim filmom. Trošak prskanja - od 700 rubalja / m2.

Rice. P2.4. Upotreba vakuumskog taloženja.

Nehrđajući čelik:

Podloga od nerđajućeg čelika se koristi za vakuumsko taloženje sa titanijum nitridom.
elegancija i gracioznost u dekoraciji;
Otpornost na koroziju, otpornost na vremenske uvjete;
Usklađenost sa najstrožim higijenskim zahtjevima;
lakoća njege i trajnost;
otpornost na toplinu i sigurnost od požara;
· odlična kombinacija sa drugim završnim materijalima (staklo, plastika, drvo, kamen).

specifikacije:

Materijal podloge - nerđajući čelik, 08X18H10 (AISI 304);
Debljina podloge 0,5 mm - 1,5 mm;
Prevlaka od titanijum nitrida, debljine 0,2-6 mikrona;
Boja premaza - razne nijanse zlata;
Rasipanje svjetlosti - od ogledala do mat;
· Mehanička svojstva - omogućava ponovljeno savijanje i hladno štancanje;
· Otpornost na vremenske uslove - ne manje od 50 godina.

Metoda prijema materijala

Premaz na nehrđajućem čeliku TIN, TiO2 i TiON dobiven ionsko-plazma raspršivanjem u vakuumskoj komori.
Limovi od nehrđajućeg čelika, poslije predtretman, koji obezbeđuje visoku reflektivnost premaza, stavljaju se u zatvorenu vakuumsku komoru. Tokom procesa prskanja u komori se stvara duboki vakuum koji osigurava željenu boju i trajnost premaza.
Tokom ionsko-plazma raspršivanja, joni plazme visoke energije izbacuju atome titana sa površine titanijumske ploče, koji, zauzvrat, prolazeći kroz visoko razrijeđeni oblak dušika ili kisika, oksidiraju i prodiru u materijal supstrata.
Ovaj proces osigurava dobru prionjivost i dekorativna svojstva premaza.
Tehnologije vakuumskog taloženja su izuzetno energetski intenzivne i postaju niša proizvoda u mnogim zemljama. Mnoge kompanije zamjenjuju vakuumsko taloženje produktivnijim i jeftinijim taloženjem atmosferske plazme.
Kvalitete i svojstva materijala:
Visoka otpornost na vremenske uslove i koroziju dekorativni premaz potvrđeno sertifikatom o usaglašenosti GOST br.SH02.1.3,0040 od 18.09.96. i 50 godina je u urbanoj atmosferi;
Bilo koja boja se može postići, ali je tehnološki proces debagovan za tri glavne boje: imitacija boje zlata - TiN premaz, plava - TiO2 premaz, imitacija boje svježeg bakra - TiON premaz;
Reflektirajuća sposobnost obloge - 60-70%;

Područja upotrebe:

Krovljenje kupola crkava i krovova zgrada;
Vanjsko oglašavanje (ploče, trodimenzionalna i ravna slova od nehrđajućeg čelika);
Dekorativno uređenje zgrada i interijera;
Obnova spomenika kulture;
·Izrada fragmenata suvenira i pribora.
Vakuumsko taloženje se koristi za proizvode od obojenih metala i drugih metala, koriste se različita taloženja, uključujući zlato, srebro (Sl. A2.5.).

Rice. P2.5. Upotreba vakuumskog taloženja.

Materijali za premazivanje:
TiN- titanijum nitrid (zlatno-bronza, povećana otpornost na habanje);
TiOx1Cx2Nx3- titanijum karbonid
Gr- hrom (bijeli);
TiOx- titan oksid (plavi, višebojni, sedef);
Nigr- nihrom (svetlo siva);
ZrN- cirkonijum nitrid (svetlo zlatni);
takođe aluminijum, bakar itd., na zahtev kupca.
Boja, tvrdoća i drugi parametri premaza mogu se razlikovati ovisno o tome širok raspon materijala i nijansi.
Važne karakteristike mikrokola su brzina, električni kontakti, format matrice itd. Za povećanje jednog od najvažnijih parametara - brzine - potrebno je povećati vodljivost električnih kontakata. Najlakši način za to je vakuumsko taloženje elemenata kroz labave maske. Zlato ima vrlo dobru provodljivost, što omogućava povećanje brzine prolaska informacija.

PRAM memorijski čip kompanije Intel (Sl. A2.6.)

Materijal: zlato (srebro).

Rice. P2.6. Intel PRAM čip

Klizni ležajevi centrifugalnih pumpi (slika A2.6.)

Najvažnija karakteristika ležaja je njegov vijek trajanja. Kako bi ga povećali, klizni ležajevi su razvili posebnu tehnologiju detonacionog prskanja uz primjenu nanoprašaka. U procesu detonacionog raspršivanja dobijeni su nanostrukturni premazi sa sadržajem monokarbida od 62%. Ispitivanja ovakvih premaza na trenje i habanje u vodi su pokazala da imaju smanjeni koeficijent trenja, veliko opterećenje u odnosu na konvencionalni keramički premaz u prahu.
Tehnologije: vakuumsko taloženje
Industrija: elektronika i elektrotehnika
Materijal: brzo stvrdnuti BZMP magnetni prah Nd-Fe-B sistema.

Rice. P2.6. Klizni ležaj

Sprej velike brzine

Visokobrzinsko prskanje plamenom smatra se najmodernijom tehnologijom prskanja. Karbidni premazi se nanose brzim prskanjem, u svim aspektima superiorniji od pocinkovanih premaza, čiji je proces stvaranja prepoznat izuzetno kancerogena.
Početkom 1980-ih pojavile su se instalacije za raspršivanje velike brzine, jednostavnijeg dizajna i zasnovane na klasičnoj LRE shemi, sa brzinom protoka gasa većom od 2000 m/s. Gustina premaza dostiže 99%. Kao materijal za nanošenje koriste se prahovi karbida, metalnih karbida, legura na bazi Ni, Cu i dr. Laval mlaznica. Na sl. P2.7. prikazana je šema prskalice VSN sistema.

Rice. P2.6. Dijagram raspršivača praha velike brzine:
1 - dovod praha (aksijalni); 2 - dovod kiseonika; 3 - dovod goriva;
4 - dovod praha (radijalno); 5 - prtljažnik.

Mari State Technical University

Katedra za projektovanje i proizvodnju radio opreme

Vakumsko premazivanje

OBJAŠNJENJE

na nastavni rad iz discipline

Osnove fizike čvrstog stanja i mikroelektronike

Izradio: student EVS-31 grupe

Kolesnikov

Savjetovao: vanredni profesor

Igumnov V.N.

Joškar-Ola 2003

Uvod

1. Termalno vakumsko prskanje

1.1 Otporno raspršivanje

1.2 Indukcijsko prskanje

1.3 Raspršivanje elektronskim snopom

1.4 Lasersko taloženje

1.5 Lukno prskanje

2. Raspršivanje jonskim bombardovanjem

2.1 Katodno raspršivanje

2.2 Magnetronsko raspršivanje

2.3 Visokofrekventno prskanje.

2.4 Plazma jonsko raspršivanje u nesamoodrživom gasnom pražnjenju

3. Tehnologija tankih filmova na orijentacijskim podlogama

3.1 Mehanizmi epitaksijalnog rasta tankih filmova

3.2 Epitaksija molekularnim snopom

Zaključak

Književnost

UVOD

Tanki filmovi deponovani u vakuumu se široko koriste u proizvodnji diskretnih poluvodičkih uređaja i integrisanih kola (IC).

Dobivanje visokokvalitetnih i po električnim parametrima reproduktivnih tankoslojnih slojeva jedan je od najvažnijih tehnoloških procesa za formiranje struktura kako diskretnih dioda i tranzistora, tako i aktivnih i pasivnih elemenata IC.

Dakle, pouzdanost i kvalitet mikroelektronskih proizvoda, tehnički nivo i ekonomski pokazatelji njihove proizvodnje u velikoj mjeri zavise od savršenstva tehnoloških procesa za taloženje tankih filmova.

Tehnologija tankog filma zasniva se na složenim fizičkim i hemijskim procesima i upotrebi različitih metala i dielektrika. Dakle, tankoslojni otpornici, kondenzatorske elektrode i interkonekcije nastaju taloženjem metalnih filmova, međuslojne izolacije i zaštitni premazi- dielektrik.

Važna faza je kontrola parametara tankih filmova (brzina njihovog taloženja, debljina i ujednačenost, površinska otpornost), koja se vrši pomoću posebnih uređaja, kako tokom pojedinačnih tehnoloških operacija, tako i na kraju cijelog procesa.

Metode jonsko-plazma i magnetronskog raspršivanja imaju široku primjenu u modernoj mikroelektronici. Visoke brzine taloženja i energija atoma koji upadaju na podlogu tokom taloženja omogućavaju korištenje ovih metoda za dobivanje filmova različitog sastava i strukture, a posebno za niskotemperaturnu epitaksiju.

Trenutno postoji značajan interes za istraživanja u ovoj oblasti.

Svrha ovog kursa je da se sagledaju glavne metode taloženja i prskanja u vakuumu, fizičkih i hemijskih procesa, kao i opis i rad instalacija koje se koriste u ovim metodama.

Proces nanošenja tankih filmova u vakuumu sastoji se u stvaranju (generaciji) toka čestica usmjerenih prema tretiranoj podlozi, te njihovom naknadnom koncentriranju uz formiranje tankih slojeva filma na površini koja se oblaže.

Za promjenu svojstava površine čvrsto telo koriste različite načine ionske obrade. Proces interakcije snopa jona sa površinom svodi se na tok međusobno povezanih fizičkih procesa: kondenzacije, raspršivanja i upada. Prevalencija jednog ili drugog fizičkog efekta određena je uglavnom energijom E 1 bombardirajućih jona. Kada je E 1 =10-100 eV, kondenzacija prevladava nad raspršivanjem, pa dolazi do taloženja prevlake. Kako se energija jona povećava na 104 eV, proces raspršivanja počinje da dominira uz istovremeno uvođenje jona u metal. Daljnji porast energije bombardirajućih jona (E 1 >10 4 eV) dovodi do smanjenja koeficijenta raspršivanja i uspostavljanja načina ionske implantacije (jonsko doping).

Tehnološki proces nanošenja tankoslojnih premaza u vakuumu uključuje 3 glavne faze:

Stvaranje struje čestica deponovane supstance;

Prijenos čestica u razrijeđenom prostoru od izvora do podloge;

Taloženje čestica po dolasku na podlogu.

Postoje 2 metode nanošenja vakuumskih premaza, koje se razlikuju po mehanizmu stvaranja protoka deponovanih čestica: termičko raspršivanje i raspršivanje materijala jonskim bombardovanjem. Isparene i raspršene čestice se prenose na supstrat kroz vakuumski medij (ili atmosferu reaktivnih plinova i tako ulaze u plazma-kemijske reakcije). Da bi se povećao stepen jonizacije toka deponovane supstance, u vakuumsku komoru se mogu uvesti posebni izvori naelektrisanih čestica (na primer, vruća katoda) ili elektromagnetnog zračenja. Dodatno ubrzanje kretanja jona na tretiranu površinu može se postići primjenom negativnog napona na nju.

Opšti zahtjevi za svaku od ovih metoda su ponovljivost svojstava i parametara dobivenih filmova i osiguranje pouzdane adhezije (adhezije) filmova na podloge i druge filmove.

Za razumijevanje fizičkih pojava koje nastaju prilikom taloženja tankih filmova u vakuumu, potrebno je znati da se proces rasta filma na podlozi sastoji od dvije faze: početne i završne. Hajde da razmotrimo kako deponovane čestice međusobno deluju u vakuumskom prostoru i na podlozi.

Čestice materije koje su napustile površinu izvora kreću se kroz vakuumski (razređeni) prostor velikim brzinama (reda stotina, pa čak i hiljada metara u sekundi) do podloge i dospevaju na njenu površinu, dajući joj deo svoje energije na sudara. Udio prenesene energije je manji, što je temperatura podloge viša.

Zadržavajući određeni višak energije, čestica supstance je u stanju da se kreće (migrira) po površini supstrata. Prilikom migracije preko površine, čestica postepeno gubi višak energije, težeći termalnoj ravnoteži sa podlogom, a može doći do sljedećeg. Ako čestica gubi višak energije na putu, ona se fiksira na podlogu (kondenzira). Susrevši drugu česticu koja migrira (ili grupu čestica) na putu, ući će u snažnu vezu (metalnu) s njom, stvarajući adsorbirani dublet. Uz dovoljno veliku povezanost, takve čestice potpuno gube sposobnost migriranja i fiksiraju se na podlogu, postajući centar kristalizacije.

Oko pojedinačnih centara kristalizacije rastu kristaliti koji se potom spajaju i formiraju neprekidni film. Do rasta kristalita dolazi i zbog migriranja čestica preko površine i kao rezultat direktnog taloženja čestica na površini kristalita. Također je moguće formiranje dubleta u vakuumskom prostoru prilikom sudara dvije čestice koje se na kraju adsorbiraju na podlogu.

Završava se formiranje kontinuiranog filma Prva faza proces. Budući da od ovog trenutka kvaliteta površine podloge prestaje da utiče na svojstva nanesenog filma, početna faza je od odlučujućeg značaja u njihovom formiranju. U završnoj fazi, film raste do potrebne debljine.

U drugim konstantnim uslovima, povećanje temperature podloge povećava energiju, tj. mobilnost adsorbiranih molekula, što povećava vjerojatnost susreta s migrirajućim molekulima i dovodi do stvaranja filma sa krupnozrnatom strukturom. Osim toga, s povećanjem gustoće upadnog snopa povećava se vjerojatnost stvaranja dubleta, pa čak i poliatomskih grupa. Istovremeno, povećanje broja kristalizacijskih centara doprinosi stvaranju filma s fino kristalnom strukturom.

Razrijeđeno stanje gasa, tj. Stanje u kojem je pritisak gasa u određenoj zatvorenoj hermetičkoj zapremini niži od atmosferskog naziva se vakuum.

Vakuumska tehnologija uzima važno mjesto u proizvodnji IC filmskih struktura. Da bi se stvorio vakuum u radnoj komori, plinovi se moraju ispumpati iz nje. Idealan vakuum se ne može postići, a u evakuisanim radnim komorama tehnoloških instalacija uvek postoji određena količina zaostalih gasova, što određuje pritisak u evakuisanoj komori (dubinu, odnosno stepen vakuuma).

Suština ovog procesa taloženja tankih filmova sastoji se u zagrijavanju tvari u vakuumu do temperature na kojoj kinetička energija atoma i molekula tvari, koja raste zagrijavanjem, postaje dovoljna da se odvoje od površine i rašire. u okolnom prostoru. To se događa na temperaturi na kojoj tlak vlastitih para tvari premašuje za nekoliko redova veličine pritisak zaostalih plinova. U ovom slučaju, atomski tok se širi pravolinijski i, prilikom sudara s površinom, na njoj se kondenziraju ispareni atomi i molekuli.

Proces isparavanja se provodi prema uobičajenoj shemi: čvrsta faza - tečna faza - plinovito stanje. Neke supstance (magnezijum, kadmijum, cink, itd.) prelaze u gasovito stanje, zaobilazeći tečnu fazu. Ovaj proces se naziva sublimacija.

Glavni elementi postrojenja za vakuumsko taloženje, čiji je pojednostavljeni dijagram prikazan na slici 1, su: 1 - vakuumska kapa od nerđajućeg čelika; 2 - amortizer; 3 - cjevovod za grijanje vode ili hlađenje kape; 4 - curenje igle za dovod atmosferskog vazduha u komoru; 5 - grijač podloge; 6 - držač supstrata sa podlogom na koju se može postaviti šablon; 7 - zaptivna brtva od vakuumske gume; 8 - isparivač sa supstancom smještenom u njemu i grijač (otporni ili elektronski snop).

Vakuumsko taloženje - princip rada i tehnologija vakuumskog taloženja plazme. Najčešći metodi vakuumskog taloženja. Ionsko vakuumsko taloženje i princip njegovog rada. Proces vakuumskog taloženja aluminijuma i njegova efikasnost. Glavne karakteristike vakuumskog taloženja metala i njegova razlika od taloženja metala vakuum-ion-plazma. Gdje mogu nadoknaditi postrojenje za vakuumsko taloženje po niskoj cijeni

Vakuumsko taloženje je proces koji većina savremena preduzeća. Ova metoda se često koristi u onim industrijama koje se bave proizvodnjom raznih proizvoda, nekako povezanih s daljnjim radom.

To može biti i konvencionalna oprema i dentalni proizvodi kojima je također potreban proces vakuumskog taloženja. Koliko god to čudno zvučalo, medicinska industrija je jedno od onih područja gdje se najčešće koristi proces vakuumskog taloženja. Može se koristiti u ovoj industriji, kako u ulozi poboljšanja svojstava opreme za rad, tako i u ulozi premaza različitih materijala ili proizvoda.

Jedinica za vakuumsko taloženje je jedna od najvažnijih komponenti ovog procesa. Malo ljudi će se raspravljati s činjenicom da je jedinica za vakuumsko taloženje ta koja omogućava da se ovaj proces izvede i to prilično brzo. Princip rada takvih instalacija je što jednostavniji. U početku se unutar takvih sistema stvara stanje primarne razrijeđenosti, što omogućava pretvaranje kristalnog praha u posebnu smjesu, koja se zatim može nanositi na različite premaze. Nadalje, unutar instalacije, nivo pritiska značajno raste, što dovodi do aktivnog stvaranja vakuuma unutar sistema. Nadalje, vakuum proizvodi proces ubrizgavanja spreja, koji se odmah taloži na željeni materijal koji će biti podložan takvoj obradi.

Još jedno veoma važno pitanje je pouzdanost ovog procesa. Sudeći po dizajnu i principu rada takvih instalacija, nije teško razumjeti šta je urađeno, maksimalno su osmišljeni. Ali ne može se isključiti mogućnost kvara takve opreme. Ali ni ova situacija neće biti tako teška, jer slična oprema, prilično se održava i prilično je lako popraviti.

Metode vakuumskog taloženja

S obzirom na to da moderno tržište uključuje ogroman broj različitih industrija, odlučeno je da se napravi nekoliko metoda vakuumskog taloženja odjednom. Svi su jedinstveni i rade po potpuno drugačijem algoritmu.

Sada ćemo razmotriti najčešće metode vakuumskog taloženja:

Vakuumsko jonsko-plazma raspršivanje
Vakuumsko plazma prskanje
Vakuumsko jonsko raspršivanje

Ovo su tri najčešće korištene vrste prskanja u ovom trenutku. Većina preduzeća aktivno koristi ovu tehnologiju, izvlačeći maksimalnu korist od nje. A to već sugerira da, ako želite, zaista možete dobiti maksimalnu korist od ove metode.

Vakuumsko plazma prskanje

Jedna od najčešćih metoda vakuumskog taloženja je taloženje vakuumom plazmom. Tehnologija ovog procesa je što jednostavnija i sastoji se u radu unutrašnje plazme. Ovaj element služi kao svojevrsni razvodnik, što omogućava da se proces prskanja učini što kvalitetnijim.

Osim toga, ova metoda se može pohvaliti i preciznošću premazivanja proizvoda. A sve zato što je unutar instalacije ovog tipa unaprijed kreiran i instaliran kod prema kojem takvi sistemi obično rade.

Ionsko vakuumsko taloženje

Ova vrsta vakuumskog taloženja, koliko god je to moguće, podsjeća na prethodni. Najočiglednija razlika ove tehnologije. Možete nazvati preliminarni proces jonizacije, koji vam omogućava da značajno ubrzate tok posla.

Prisustvo radnih jona unutar jedinice za vakuumsko taloženje ne samo da poboljšava kvalitet procesa rada, već ga čini pouzdanijim i, što je još važnije, bržim.

Vakuumsko premazivanje aluminijuma

Ako govorimo o tome koji materijal je najčešće podložan procesu vakuumskog taloženja, onda je to sigurno aluminij. Razlog za to je bio opseg ovog metala, koji se aktivno koristi u gotovo svim industrijama.

Ali kod mnogih od njih ova metoda je potrebna da bude izdržljivija i pouzdanija. U tu svrhu stvorena su postrojenja za vakuumsko taloženje aluminijuma. Ovaj proces je što je moguće lakši, jer materijal vrlo dobro funkcionira sa smjesom koja se na njega nanosi prilikom vakuumskog taloženja.

Vakuumsko taloženje metala

Ako govorimo o procesu vakuumskog taloženja metala, onda je to još više lak proces. Tehnologija prskanja metala je što jednostavnija, zbog čega su sva preduzeća navikla da je koriste. Za visokokvalitetno nanošenje sloja spreja na metal, potrebno je samo da ga dovedete do željene temperature. Ovo je jedini uslov koji treba poštovati tokom vakuumskog taloženja.

Mnogi vjeruju da je to glavna prednost procesa vakuumskog taloženja metala.

Vakuumsko jonsko-plazma raspršivanje

Najsloženiji u smislu dizajna, a ujedno i efikasan je proces vakuumskog jonsko-plazma taloženja. Ova tehnologija uključuje ogroman broj kontroverznih i vrlo važnih tačaka, bez kojih je očigledno nemoguće postići visok nivo efikasnosti.

Ovom metodom moguće je bez problema proizvesti vakuumsko taloženje titana ili vakumsko taloženje stakla. A to već ukazuje da je svestranost ove metode na najvišem mogućem nivou.

Jedinica za vakuumsko prskanje UVN

Ali bez obzira na to koju vrstu vakuumskog taloženja odaberete, bez upotrebe UVN jedinica za vakuumsko taloženje, malo je vjerovatno da ćete u tome postići bilo kakav uspjeh. U ovoj fazi, cijena takvih instalacija je na bolno visokom nivou.

Ali ako govorimo o njihovoj efikasnosti, onda u to nema sumnje. Nakon što ste sebi kupili sličnu jedinicu, možete biti potpuno sigurni da će s vremenom moći vratiti sav novac uložen u nju.

Mari State Technical University

Katedra za projektovanje i proizvodnju radio opreme

Vakumsko premazivanje

OBJAŠNJENJE

na nastavni rad iz discipline

Osnove fizike čvrstog stanja i mikroelektronike

Izradio: student EVS-31 grupe

Kolesnikov

Savjetovao: vanredni profesor

Igumnov V.N.

Joškar-Ola 2003

Uvod

1. Termalno vakumsko prskanje

1.1 Otporno raspršivanje

1.2 Indukcijsko prskanje

1.4 Lasersko taloženje

1.5 Lukno prskanje

2. Raspršivanje jonskim bombardovanjem

2.1 Katodno raspršivanje

2.2 Magnetronsko raspršivanje

2.3 Visokofrekventno prskanje.

3. Tehnologija tankih filmova na orijentacijskim podlogama

Zaključak

Književnost

UVOD

Tanki filmovi deponovani u vakuumu se široko koriste u proizvodnji diskretnih poluvodičkih uređaja i integrisanih kola (IC).

Tehnologija tankog filma zasniva se na složenim fizičkim i hemijskim procesima i upotrebi različitih metala i dielektrika. Dakle, tankoslojni otpornici, kondenzatorske elektrode i međusobne veze izrađuju se taloženjem metalnih filmova, a međuslojne izolacije i zaštitne prevlake izrađuju se dielektrikom.

Trenutno postoji značajan interes za istraživanja u ovoj oblasti.

Svrha ovog kursa je da se sagledaju glavne metode taloženja i prskanja u vakuumu, fizičkih i hemijskih procesa, kao i opis i rad instalacija koje se koriste u ovim metodama.

Za modifikaciju svojstava čvrste površine koriste se različiti načini ionskog tretmana. Proces interakcije snopa jona sa površinom svodi se na tok međusobno povezanih fizičkih procesa: kondenzacije, raspršivanja i upada. Prevalencija jednog ili drugog fizičkog efekta određena je uglavnom energijom E 1 bombardirajućih jona. Kada je E 1 =10-100 eV, kondenzacija prevladava nad raspršivanjem, pa dolazi do taloženja prevlake. Kako se energija jona povećava na 104 eV, proces raspršivanja počinje da dominira uz istovremeno uvođenje jona u metal. Daljnji porast energije bombardirajućih jona (E 1 >10 4 eV) dovodi do smanjenja koeficijenta raspršivanja i uspostavljanja načina ionske implantacije (jonsko doping).

Tehnološki proces nanošenja tankoslojnih premaza u vakuumu uključuje 3 glavne faze:

Stvaranje struje čestica deponovane supstance;

Prijenos čestica u razrijeđenom prostoru od izvora do podloge;

Taloženje čestica po dolasku na podlogu.

Opšti zahtjevi za svaku od ovih metoda su ponovljivost svojstava i parametara dobivenih filmova i osiguranje pouzdane adhezije (adhezije) filmova na podloge i druge filmove.

Formiranje kontinuiranog filma završava početnu fazu procesa. Budući da od ovog trenutka kvaliteta površine podloge prestaje da utiče na svojstva nanesenog filma, početna faza je od odlučujućeg značaja u njihovom formiranju. U završnoj fazi, film raste do potrebne debljine.

Razrijeđeno stanje gasa, tj. Stanje u kojem je pritisak gasa u određenoj zatvorenoj hermetičkoj zapremini niži od atmosferskog naziva se vakuum.

Vakuumska tehnologija zauzima važno mjesto u proizvodnji IC filmskih struktura. Da bi se stvorio vakuum u radnoj komori, plinovi se moraju ispumpati iz nje. Idealan vakuum se ne može postići, a u evakuisanim radnim komorama tehnoloških instalacija uvek postoji određena količina zaostalih gasova, što određuje pritisak u evakuisanoj komori (dubinu, odnosno stepen vakuuma).

Proces izvođenja operacije vakuumskog taloženja uključuje implementaciju sljedeći koraci. U gornjem položaju poklopca obrađene podloge se uklanjaju iz držača supstrata i postavljaju nove. Poklopac se spušta i uključuje sistem vakuum pumpi (prvo za preliminarni vakuum, zatim za visoki vakuum). Kako bi se ubrzala desorpcija zraka sa unutrašnjih površina i smanjilo vrijeme pumpanja, topla voda se dovodi u cjevovod. tekuća voda. Po dostizanju pritiska unutar komore od reda od 10 -4 Pa (upravljanje manometrom), uključuju se grijači isparivača i podloge. Po dostizanju radnih temperatura (kontrola uz pomoć termoparova), klapna se odvodi u stranu i pare supstance dospevaju do podloge, gde se kondenzuju i film raste. Automatski sistem kontrole rasta filma fiksira ili debljinu filma (za dielektrik filmskih kondenzatora), ili površinski otpor (za otpornike), ili vrijeme taloženja (provodnici i kontakti, zaštitni premazi). Signal koji se u ovom slučaju generira o kraju taloženja nakon pojačanja djeluje na solenoid prigušivača, blokirajući njime protok pare. Zatim se isključuju grijači isparivača i podloge, isključuje se pumpni sistem, a hladna tekuća voda se dovodi u cjevovod. Nakon što se poklopci ohlade, atmosferski vazduh se nesmetano pušta kroz ventil za curenje. Izjednačavanje pritisaka unutar i izvan aspiratora omogućava njegovo podizanje i početak sljedećeg ciklusa obrade.

Proces termičkog vakuumskog taloženja karakteriše temperatura na isparivaču t° Uc, pritisak vazduha u radnoj komori P 0 , temperatura zagrevanja podloge t° n. 1-2 minuta. Istovremeno, pretjerano visok intenzitet dovodi do stvaranja sitnozrnate nestabilne strukture u filmu, o čemu će biti riječi u nastavku.

Brzina isparavanja je prikladno okarakterisana pritiskom pare (pritisak pare u stanju zasićenja) P S . Pritisak pare za datu supstancu zavisi samo od temperature.

gdje su A i B koeficijenti koji karakteriziraju vrstu materijala;

T - apsolutna temperatura supstance, K.

Optimalnim intenzitetom isparavanja smatra se intenzitet pri kojem je pritisak pare ~1,3 Pa. Temperatura isparavanja koja odgovara ovoj elastičnosti naziva se uslovnom i može se izračunati iz (1.1). Dakle, za aluminijum je 1150°C, za hrom - 1205°C, za bakar - 1273°C, za zlato - 1465°C, itd.

Nizak vazdušni pritisak R 0 u radnoj komori je neophodan za:

Osiguravanje slobodne difuzije atoma tvari isparivača u volumen radne komore;

Pravolinijsko kretanje atoma materije bez sudara sa molekulima zaostalog vazduha i beskorisne disperzije materijala u zapremini komore;

Isključenje hemijske interakcije raspršene supstance sa molekulima vazduha.

Gore navedeni uslovi su obezbeđeni pri zaostalom pritisku R 0 10 -4 Pa. Takav vakuum je relativno lako postići uz pomoć serijski povezanih predvakumskih mehaničkih i visokovakumskih difuzijskih pumpi.

Temperatura podloge tokom procesa taloženja ima značajan uticaj na strukturu filma, a samim tim i na stabilnost njegovih elektrofizičkih svojstava tokom rada.

Atomi materije ulaze u supstrat sa energijom kT (k=8,63×10 -5 eV/K - Boltzmannova konstanta; K - apsolutna temperatura) i brzinama reda 1000 m/s. U ovom slučaju, dio energije se prenosi na površinske atome supstrata, a zaostala energija im omogućava da neko vrijeme migriraju u površinskom potencijalnom polju. Udio preostale energije je veći, što je viša temperatura podloge. U procesu migracije, atom može ili napustiti supstrat (na potencijalnom brežuljku polja) ili djelomično ugasiti energiju interakcijom s drugim atomom koji migrira. Samo poliatomska grupa, koja postaje jedan od centara kristalizacije, može potpuno izgubiti sposobnost migriranja i fiksiranja na zagrijanoj podlozi (kondenzirati). Pri maloj gustini atomskog fluksa, tj. temperature na isparivaču, broj kristalizacijskih centara po jedinici površine je mali, a dok se oko njih formira neprekidan film, veliki kristali imaju vremena da narastu.

Smanjenje temperature podloge i povećanje gustoće fluksa dovodi do ranijeg formiranja centara kristalizacije, povećanja njihovog broja po jedinici površine i formiranja finozrnate strukture. Tokom rada elektronske opreme, kada je podvrgnuta periodičnim ciklusima zagrijavanja i sporog hlađenja, finozrnasta struktura se postepeno prekristalizira u krupnozrnu. U ovom slučaju, elektrofizička svojstva se nepovratno mijenjaju i dolazi do "starenja" filma. U otpornim filmovima, na primjer, s vremenom se opaža smanjenje otpornosti.

Dakle, da bi se formirali tanki filmovi koji su stabilni tokom rada, potrebno je zagrijati podlogu, a ne forsirati proces taloženja povećanjem temperature na isparivaču.

U proizvodnji tankoslojnih struktura, kao iu slučaju poluvodičkih struktura, koriste se grupne podloge. Grupne podloge su pravougaonog oblika dimenzija 60x48 mm ili 120x96 mm, izrađene od izolacionog materijala (sital, polikor, staklo) i predviđene su za istovremenu proizvodnju do nekoliko desetina identičnih modula. Stoga bi svojstva nanesenog filma trebala biti ista na cijeloj površini grupne podloge.

U prvoj aproksimaciji, tok atoma od isparivača do supstrata je divergentni snop, pa stoga gustina fluksa u ravnini supstrata nije jednolika: maksimalna je u centru supstrata i opada od centra prema periferiji. To znači da kada se film nanese na fiksnu podlogu, deblji film se formira u središnjem dijelu podloge nego na rubovima supstrata. Na primjer, otpornici formirani u centralnim modulima će imati niže otpore od sličnih otpornika u perifernim modulima.

S obzirom na navedeno, proizvodna postrojenja za termičko vakuumsko taloženje opremljena su rotirajućim uređajima (diskovi, bubnjevi) koji nose više podloga (6, 8 ili 12). Podloge uzastopno i više puta prolaze preko stacionarnog isparivača (slika 2), postepeno dobijajući potrebnu debljinu filma. Kao rezultat toga, središnji "brdo" koji se mogao formirati na nepokretnoj podlozi je erodiran u greben koji se pruža u smjeru kretanja podloge. Za izjednačavanje debljine filma u poprečnom smjeru koristi se korektivna dijafragma koja se postavlja između isparivača i podloge u njegovoj neposrednoj blizini. Profil dijafragme se izračunava na osnovu proučavanja filmskih reljefa dobijenih taloženjem na stacionarnu i pokretnu podlogu. Kao rezultat razlike u vremenu ozračivanja centralne i periferne zone podloge, ujednačenost debljine filma na cijelom području grupne podloge se povećava i kreće se u granicama ±2% (za podloge 60x48 mm).

Glavne prednosti ove metode generiranja su:

Mogućnost nanošenja filmova od metala (uključujući i vatrostalne), legura, poluvodičkih spojeva i dielektričnih filmova;

Lakoća implementacije;

Visoka brzina isparavanja supstanci i mogućnost regulacije u širokom rasponu promjenom snage koja se dovodi do isparivača;

Sterilnost procesa, koji omogućava da se, u prisustvu visokog (i, po potrebi, ultravisokog) vakuuma, dobiju premazi praktično bez kontaminacije.

Svi isparivači se međusobno razlikuju po načinu zagrijavanja isparene tvari. Na osnovu toga, metode grijanja se dijele na: otporne, indukcijske, elektronski snop, laserski i električni luk.

1.1 Otporno raspršivanje

Ovo je prva metoda tankoslojnog premazivanja u vakuumu, koja je donedavno bila najšire korištena. Njegove karakteristike su tehnička jednostavnost, lakoća upravljanja i regulacije režima rada isparivača i mogućnost dobijanja premaza različitog hemijskog sastava.

U otpornim isparivačima, toplinska energija za zagrijavanje isparene tvari nastaje zbog oslobađanja Joule topline prolaskom električne struje kroz grijač.

Na materijale koji se koriste za proizvodnju otpornih grijača isparivača postavljaju se sljedeći zahtjevi.

1. Pritisak pare materijala grijača na temperaturi isparavanja deponirane tvari mora biti zanemarljivo mali.

2. Materijal grijača mora biti dobro navlažen rastopljenom tvari koja isparava, jer je to neophodno kako bi se osigurao dobar termički kontakt između njih.

3. Između materijala grijača i isparene tvari ne bi trebalo doći do kemijskih reakcija i ne bi se smjele stvarati isparljive legure ovih supstanci, inače će naneseni filmovi biti kontaminirani i grijači će biti uništeni.

Za nanošenje premaza otpornom metodom koriste se različiti dizajni i metode isparavanja metala i legura. Najviše se upotrebljavaju žičani, trakasti, lončasti i auto-lonci diskretnog djelovanja.

Žičani isparivači, čija glavna prednost leži u jednostavnosti uređaja i visoka efikasnost, izrađuju se od žice od vatrostalnih metala (W, Mo, Ta) i proizvode se u raznim oblicima (u obliku petlje, cilindrične spirale, konusne spirale, V-oblika, itd.). Koriste se za isparavanje tvari koje vlaže materijal grijača. U ovom slučaju, rastaljena tvar se drži silama površinske napetosti u obliku kapi na žičanom grijaču. Korištena žica (obično promjera od 0,5 do 1,5 mm) mora imati isti poprečni presjek cijelom dužinom, inače će zbog lokalnog pregrijavanja biti poremećena ujednačenost nastalog sloja, a osim toga, žica će brzo izgorjeti. Uz dobro vlaženje materijala grijača isparenim metalom, uvijek se odvija više ili manje aktivna interakcija između njih, što u konačnici dovodi do uništenja isparivača i smanjenja čistoće nanesenog premaza. Uz pomoć žičanih isparivača može doći do 4 P u čvrstom kutu.

Trakasti isparivači su izrađeni od tankih limova vatrostalnih metala i imaju posebna udubljenja (u obliku žljebova, čamaca, čaša ili kutija) u koja se stavlja ispareni materijal. Koriste se za isparavanje praškastih materijala i neorganskih jedinjenja. Ovi isparivači, kao i žičani isparivači, su jednostavnog dizajna, ali u odnosu na ove potonje troše više energije zbog značajnih gubitaka u toplotno zračenje. Trakasti isparivači imaju veliki smjer isparavanja, a njihova praktično najveća moguća površina isparavanja ograničena je čvrstim kutom od 2 P.

Isparivači lončića mogu se koristiti za isparavanje materijala koji ne reagiraju s materijalom lončića i ne stvaraju legure s njim. Izrađuju se od vatrostalnih metala (W, Mo, Ta) od metalnih oksida (Al 2 O 3 , BeO, ZrO 2 , ThO 2 itd.) i grafita. Vatrostalni stakleni i kvarcni lončići se također mogu koristiti za odlaganje materijala s niskom temperaturom isparavanja.

Aluminijum oksidni lončići se koriste za metale čija je temperatura isparavanja ispod 1600°C (Cu, Mn, Fe, Sn); lonci od berilijum oksida mogu se koristiti do temperature od 1750 o C, torijum oksida - do 2200 o C. Prilikom isparavanja materijala na temperaturama reda 2500 o C koriste se grafitne lončiće. Međutim, mnogi materijali reagiraju s ugljikom na visokim temperaturama i formiraju karbide i stoga se ne mogu ispariti iz takvih lonaca (na primjer, Al, Si, Ti). Be, Ag, Sr se efikasno isparavaju iz grafitnih isparivača. Mnogi oksidi se aktivno reduciraju ugljikom, što omogućava pročišćavanje metala pomoću grafitnih lonaca.

Glavna prednost isparivača u loncima je ta što se mogu koristiti za isparavanje velike količine tvari. U poređenju sa isparivačima od žice i trake, oni su inercijski, jer niska toplotna provodljivost materijala ne dozvoljava brzo zagrevanje isparenog materijala. Osim toga, oksidni lončići ne dozvoljavaju brzo zagrijavanje zbog opasnosti od njihovog uništenja toplinskim udarom. Nedostaci isparivača u loncima također treba uključiti činjenicu da se uz njihovu pomoć može dobiti samo uski snop isparene tvari.

Diskontinuirani površinski isparivači koriste se za isparavanje legura i tvari složenog sastava (na primjer, keramičko-metalne mješavine), koje se sastoje od komponenti s oštro različitim brzinama isparavanja. Koriste metodu eksplozivnog isparavanja. Temperatura površine isparivača, na koju padaju sitne čestice, odabrana je tako da sve čestice složene tvari koje padaju trenutno ispare. Dovod finih čestica na vruću površinu vrši se brzinom različitom od brzine isparavanja čestica ove tvari, što osigurava proizvodnju filmova potrebnog sastava.

Takozvani isparivači sa auto-loncem, u kojima kap ili kupka rastopljenog metala dolazi u kontakt sa istim metalom u čvrstom stanju, će postati široko rasprostranjeni. Ova metoda omogućava dobijanje visokofrekventnih premaza.

Za dobijanje prevlaka koje karakteriše visoka ujednačenost strukture i hemijskog sastava isparavanjem praškastih materijala, potrebno je prvo izvršiti procese separacije i prosijavanja praha na frakcije, temeljito mehaničko mešanje pri upotrebi prahova različitog hemijskog sastava, otplinjavanje. praha i uklanjanje oslobođenih gasova iz zapremine vakuum komore.

Metoda otpornog isparavanja ima nedostatke koji značajno smanjuju obim njegove upotrebe. Glavni nedostaci metode su odsustvo primjetne jonizacije para isparenog materijala, poteškoće u kontroli glavnih parametara protoka i velika inercija isparivača.

1.2 Indukcijsko prskanje

Indukcijsko isparavanje se koristi za uklanjanje neželjenih efekata povezanih s interakcijom između isparivača i isparivača i za dobivanje prevlaka visoke čistoće.

Princip rada golica sa indukcijskim grijanjem prikazan je na sl.3. Tokom taljenja, masa metala (1) pod uticajem sila elektromagnetnog polja koje stvara zavojnica (2) raste tako da se kontaktna površina metala zagreja na visoku temperaturu sa loncem (3) je minimalan. Kao rezultat toga, hemijske reakcije između isparenog metala i lončića su oslabljene.

Nedostaci metode indukcijskog grijanja uključuju nemogućnost direktnog isparavanja dielektrika i potrebu za korištenjem posebnih

Induktori za isparavanje raznih metala, kao i niska efikasnost instalacije.

1.3 Raspršivanje elektronskim snopom

U industrijskim uvjetima široko se koriste isparivači elektronskih zraka, koji omogućuju dobivanje tankih filmova metala, legura i dielektrika. Dobro fokusiranje elektronskog snopa u ovim isparivačima omogućava postizanje visoke koncentracije snage (do 5·10 8 W/cm 2 ) i visoke temperature, što omogućava isparavanje čak i najvatrostalnijih materijala velikom brzinom. . Brzo kretanje zagrijane zone kao rezultat skretanja toka elektrona, mogućnost regulacije i kontrole snage grijanja i brzine taloženja stvaraju preduslove za automatska kontrola proces. Metoda omogućava postizanje visoke čistoće i ujednačenosti nanesenog filma, budući da se ostvaruje isparavanje materijala u tanjiri.

Princip rada isparivača elektronskog zraka je sljedeći. U elektronskom topu, slobodni elektroni se emituju sa površine katode i formiraju u snop pod dejstvom ubrzanja i fokusiranja elektrostatičkih i magnetnih polja. Kroz izlaz pištolja, snop se vodi u radnu komoru. Za provođenje snopa elektrona do lončića sa isparenim materijalom i obezbjeđivanje parametara snopa potrebnih za ovaj tehnološki proces, koriste se uglavnom magnetna fokusirajuća sočiva i sistemi za magnetno odbijanje. Nesmetan prolaz elektronskog snopa do objekta moguć je samo u visokom vakuumu. U komori isparivača je podešen radni pritisak od oko 10 -4 Pa. Ispareni materijal se zagrijava uslijed bombardiranja njegove površine snopom elektrona do temperature pri kojoj se isparavanje odvija potrebnom brzinom. U rezultirajućem strujanju pare postavlja se podloga na kojoj dolazi do kondenzacije. Isparivač je dopunjen mjernim i kontrolnim sredstvima, koja su posebno važna za kontrolu snopa elektrona tokom procesa taloženja.

Glavni parametri koji se mogu postići u isparivačima sa elektronskim snopom: 10 4 -10 5 W/cm 2 ; specifična brzina isparavanja - 2·10 -3 -2·10 -2 g/(cm 2 s); efikasnost procesa isparavanja (za bakar) - 3·10 -6 g/J; energija generisanih čestica - 0,1-0,3 eV; brzina taloženja čestica na podlogu je 10-60 nm/s.

U najjednostavnijem slučaju, snop elektrona usmjerava se na materijal koji treba korigirati okomito ili pod kosim uglom u odnosu na površinu. U ovom slučaju se koriste dugofokusni generatori elektronskog snopa koji osiguravaju fokusiranje snopa i dobivaju potrebnu specifičnu snagu na površini isparenog materijala. Značajni nedostaci ovakvog rasporeda su mogućnost stvaranja filmova na detaljima elektronsko-optičkog sistema, što dovodi do promjene parametara elektronskog snopa, te ograničenje korisne površine za postavljanje podloge zbog zasjenjenje dijela procesne komore pištoljem. Ovi nedostaci se mogu izbjeći postavljanjem pištolja horizontalno i skretanjem snopa elektrona na materijal koji se isparava korištenjem različitih sistema koji omogućavaju rotaciju lansera pod uglom do 270°.

Nedostaci metode isparavanja elektronskim snopom uključuju:

Potreba za visokim naponom ubrzanja (oko 10 kV);

Niska energetska efikasnost instalacija zbog potrošnje energije za formiranje sekundarnih elektrona (do 25% energije primarnog snopa), zagrevanje lončića, rendgensko i ultraljubičasto zračenje;

Oslobađanje gasa u radnoj zapremini usled sekundarnog elektronskog bombardovanja podloge, tehnološke opreme i zidova komore;

Generisanje radijacionih defekata u taloženim tankim filmovima tokom njihovog bombardovanja sekundarnim elektronima;

Nema primjetne jonizacije toka deponovane materije;

Slabo prianjanje tankih filmova na podlogu zbog niske energije taloženih čestica.

1.4 Lasersko taloženje

U laserskim isparivačima, supstanca koja isparava smeštena u vakuumu se zagreva korišćenjem fokusiranog zračenja iz optičkog kvantnog generatora (OQG) koji se nalazi izvan vakuumske komore. Nanošenje filma laserom je moguće zahvaljujući sljedeća svojstva snop: precizno fokusiranje zračenja i doziranje njegove energije, velika gustina fluksa energije (10 8 - 10 10 J/cm 2).

Glavne prednosti metode pulsnog laserskog taloženja (PLS) su:

Ekstremno čisti uslovi vakuumskog isparavanja (izvor energije za isparavanje supstance je izvan vakuumskog volumena, isparavanje se vrši iz „vlastite lončiće“);

Mogućnost dobijanja filmova od najvatrostalnijih materijala i održavanja stehiometrijskog sastava višekomponentnih jedinjenja (velika gustina fluksa energije laserskog zračenja i njegovo kratko trajanje omogućavaju postizanje visokih temperatura - do desetina hiljada stepeni, pri čemu sve komponente isparavaju u istoj mjeri);

Visoka trenutna stopa taloženja (103–105 nm/s) i implementirani mehanizam rasta filma bez sjemena, koji osiguravaju kontinuitet slojeva pri debljini blizu monomolekularnoj. Ovo omogućava korištenje ILN-a za dobijanje ultratankih filmova i superrešetka;

Upotreba samo niskoenergetskog dijela plazme, koji doprinosi proizvodnji filmova bez defekata, po svojim parametrima bliski filmovima dobivenim epitaksijom molekularnog zraka. Impulsni laser je vrlo uspješan tip isparivača za MBE, stoga se lasersko taloženje može organski uklopiti u opremu MBE metode;

Stabilnost slojeva deponovanih u 1 impulsu debljine 0,1 - 10,0Å/pulsu omogućava programiranje taloženja filmova strogo kontrolisane debljine;

Visoke performanse i proizvodnost.

Trenutno se za ILN koriste snažni CO 2 laseri (λ=10,6 µm) ili čvrsti rubin (λ=0,6943 µm) i neodimijumski (λ= 1,06 µm) laseri. Za isparavanje dielektrika preporučuje se korištenje CO 2 lasera, jer dielektrici bolje apsorbiraju dugovalno zračenje. Najbolji rezultati Za dobivanje tankih i ultratankih filmova, posebno filmova spojeva, dobiveni su neodimijskim laserima.

Kako bi se osigurala bolja ponovljivost svojstava filma i za kontrolu, upravljanje i automatizaciju tehnološkog procesa, koristi se frekvencijska ILN metoda koja se sastoji u sukcesivnom taloženju filma u vakuumu. u malim porcijama(manje od monosloja po 1 impulsu), slijede jedni druge određenom frekvencijom. Za metale i legure optimalni mod je bio f = 50 Hz, τ = 10 ns, snaga oslobođena na površini mete bila je q = 5 10 8 - 5 10 9 W/cm 2, a za poluprovodnike i dielektrike 10 kHz, 200 ns i 10 7 - 10 8 W/cm 2 respektivno.

Da bi se poboljšala uniformnost i reproducibilnost filmskih uzoraka i struktura, koristi se ili skeniranje laserskog snopa duž stacionarne mete ili kretanje u vakuumskoj komori instalacije.

Najvažniji fizičko-tehnološki parametar laserske metode za dobijanje filmova, koji određuje temperaturu i trajanje isparavanja, sastav i stanje isparene supstance, a preko njih, brzinu i mehanizam kondenzacije, strukturu i svojstva materijala. naneseni sloj, je način rada lasera. Na primjer, SI način rada (drugi puls) omogućava isparavanje bez disocijacije čak i složenih organska jedinjenja, MI (milisekundni puls) daje poroznu fazu sa raznolikim skupom molekularnih fragmenata-kompleksa, u NI modu (nanosekundni puls) dostižu se veoma visoke temperature - do desetina hiljada stepeni, što dovodi do potpune disocijacije pare i njegova jaka jonizacija. Impulsni OCG se po pravilu koriste u MI (q=10 6 - 10 7 W/cm 2) i NI (q≥10 9 W/cm 2) režimima. Elektronski mikroskopski je utvrđeno da su filmovi dobijeni u MI modu (q=5 10 5 W/cm 2) ujednačeni po debljini, dok su NI-kondenzati (q=10 8 – 10 9 W/cm 2) bez obzira na materijal filma, supstrat i debljina filma pokazali su "hrapavost" karakteristične veličine od ~50 nm.

Jedan od važne karakteristike laserskog isparavanja je njegova efikasnost – odnos mase m i isparene po impulsu i energije laserskog impulsa Ei:β = mi /Ei.

Kao rezultat NI, interakcija pare sa zračenjem i pare sa metom postaje značajna. U prvom trenutku para zaklanja ciljnu površinu, intenzivno apsorbujući lasersko zračenje. Tada počinje reemisija apsorbirane energije. Sekundarna radijacija, interakcija sa metom, dovodi do njenog isparavanja. Zbog promjene mehanizma isparavanja u NI modu, većina energije laserskog impulsa troši se na zagrijavanje pare, a znatno manje na njeno formiranje, pa je efikasnost β, uz ostale jednake stvari, znatno niža (za red magnitude) nego u MI modu. Karakteristične vrednosti za efikasnost isparavanja su sledeće vrednosti: β MI =0,1 mg/J, β NI =0,01 mg/J. Na efikasnost isparavanja može snažno uticati smanjenje toplotne provodljivosti i povećanje apsorpcije, što se ostvaruje kada se koriste mete praha.

Kada se supstanca isparava nanosekundnim laserskim impulsima, dolazi do eheliranog karaktera ekspanzije (i, posljedično, kondenzacije na podlozi): brzi elektroni se kreću naprijed, zatim ioni maksimalnog naboja (s energijama do 1000 eV i više), na kraju jonske komponente, joni minimalnog naboja, i konačno, najsporiji dio snopa je neutralni dio (s energijom ~ I EV). Ehelirana priroda širenja snopa plazme dovodi do vremenski nehomogenog procesa. Proces kondenzacije počinje "jonskim šokom" - bombardiranjem površine supstrata visokoenergetskim jonima velike gustine (može doseći stotine A/cm). Nakon brzih jona, sporiji dio gomile udara u supstrat: joni niskog naboja i neutralni atomi. Posljedice "jonskog šoka" mogu biti: čišćenje površine podloge, njeno zagrijavanje, nagrizanje sa otvaranjem postojećih nedostataka i stvaranje novih, te ciljna erozija. To, pak, ima veliki utjecaj na svojstva kondenzata, na primjer, na povećano prianjanje filmova dobivenih uz pomoć lasera.

Treba napomenuti da, uprkos pulsnoj prirodi isparavanja, zbog disperzije stopa ekspanzije komponenti plazma snopa, brzina kondenzacije može biti gotovo konstantna ako je stopa ponavljanja impulsa dovoljno visoka, tako da je f> 1 / τc (τc je vrijeme kondenzacije).

Isparavanje tvari impulsnim laserom događa se u suštinski neravnotežnim uvjetima, pod intenzivnim mehaničkim efektima uzrokovanim toplinskim naprezanjima, udarnim valovima, pritiskom plina itd. Kao rezultat razaranja mete, istovremeno sa parom ili plazmom nastaju čvrste i tečne mikročestice, koje imaju brzinu širenja blisku brzini parnog ugruška, a uzrokuju pojavu mikrodefekta u kondenzovanom filmu, tj. - koji se zove efekat prskanja. Za smanjenje efekta prskanja mogu se koristiti različite metode: korištenje mete praha s naknadnim otplinjavanjem, sporo (od impulsa do impulsa) ili brzo (tokom jednog impulsa) skeniranje.

Zanimljiv strukturni aspekt problema laserske kondenzacije je mogućnost dobijanja kontinuiranih ultratankih kondenzata, što je povezano sa velikom brzinom dovoda pare u supstrat i implementiranim mehanizmom rasta bez semena. Sam koncept "jezgra" povezan je sa stabilnim grupiranjem atoma, za razliku od mobilnih adsorbiranih atoma. Kod ILN-a nema značajnijeg pomicanja adatoma tokom taloženja monosloja (10 -5 - 10 -7 s): adatom nema vremena da se pomakne na značajnu udaljenost prije novog atoma, drugog, trećeg, itd. ., pojavljuje se pored. Rast filma postaje bez sjemena: atomi se pričvršćuju na kondenzirani sloj ne iz površinskog dvodimenzionalnog plina, već direktno iz parne faze. Budući da je ILN kao metoda za dobijanje tankih, a posebno ultratankih filmova i superrešetka bez defekata, razvijena samo u poslednjih godina, do sada je implementiran samo u istraživačkim ustanovama.

1.5 Lukno prskanje

U metodi vakuumskog luka taloženja tankih filmova metala i njihovih spojeva, stvaranje protoka tvari, koja čini osnovu premaza, provodi se zbog erozije elektroda električnim lukom. U osnovi je moguće koristiti razne forme stacionarni vakuumski luk (luk sa hladnom potrošnom katodom; luk sa raspoređenim pražnjenjem na vrućoj potrošnoj katodi; luk sa nepotrošnom šupljom katodom koja gori u parama anodnog materijala), čije postojanje je posljedica fundamentalno drugačiji tok samokonzistentnih procesa stvaranja supstance i emisije elektrona sa katode. Međutim, samo je prvi oblik vakuumskog luka našao široku primjenu.

Električni luk sa hladnom potrošnom katodom se realizuje u opsegu pritiska od stotine atmosfera do proizvoljno niskog i predstavlja niskonaponsko (U = 10-30V) visokostrujno (I = 10 1 - 10 4 A) pražnjenje koje gori u pare katodnog materijala. U ovom slučaju, stvaranje katodnog materijala vrši se katodnim mrljama vakuumskog luka. U katodnim mrljama također se javljaju lokalni procesi intenzivne elektronske emisije. Broj katodnih tačaka je proporcionalan struji luka, gustina struje u tački je veoma velika i iznosi 10 5 - 10 7 A/cm 2 , koncentracija snage u katodnoj tački je 10 7 - 10 8 W/cm 2 .

Isparavanje katodnog materijala iz oblasti katodne tačke (karakterističnih dimenzija 10 -4 - 10 -2 cm) vrši se pod dejstvom niskonaponskog jonskog snopa. U ovom slučaju, dio produkata isparavanja se vraća u obliku jonske struje na katodu (podržava procese stvaranja i emisije elektrona), a ostatak njihove frakcije ulazi u zapreminu sistema, formirajući plazmu, koja predstavlja efikasan proizvod proizvodnje. Generacijski proizvodi, čiji je fazni sastav određen uglavnom tipom katodnog materijala, sadrži mikrokapljice (veličine čestica od nekoliko mikrona i niže), parne i jonizirane faze (joni različite multiplicitnosti). Na vatrostalnim metalima učešće faze pada je manje od 1% ukupne potrošnje, na topljivim metalima - desetine procenata. Ova metoda je posebno efikasan u stvaranju plazme od vatrostalnih metala.

Prilikom rada elektrolučnog metalnog isparivača u koaksijalnom dizajnu, katodne mrlje imaju tendenciju da idu na bočnu površinu katode (u područje gdje je udaljenost do anode minimalna). Ovo isključuje mogućnost taloženja filma na podloge koje se nalaze iznad (ispod) krajnje površine katode. Za držanje katodnih mrlja na krajnjoj površini katode koriste se 2 vrste struktura.

1. Isparivači sa elektrostatičkim zadržavanjem katodnih mrlja. U strukturama ovog tipa, bočna površina katode, koja nije podložna isparavanju, pokrivena je ekranom izoliranim od elektroda isparivača. Katodna tačka, koja pada na bočnu površinu katode (ispod ekrana), prestaje da postoji, jer je tok plazme, koji služi kao provodnik struje između katodne tačke i anode, prekinut. Za normalan rad isparivača sa elektrostatičkim ekranom, struja luka mora se povećati tako da na površini katode istovremeno postoje najmanje dvije katodne mrlje. U ovom slučaju, kada se jedno mjesto ugasi, gorenje luka podržavaju druge. U mnogim slučajevima, povećanje struje luka je nepoželjno, jer to dovodi do povećanja sadržaja kapljične faze katodnog materijala u nanesenim premazima, što smanjuje njihovu kvalitetu. Stoga su konstrukcije drugog tipa našle najširu primjenu.

2. Isparivači sa magnetskom retencijom katodnih mrlja.

Zadržavanje katodnih mrlja na površini isparavanja katode vrši se pomoću magnetnog polja. Kada katodna tačka teži da ode do bočne površine katode, radijalna komponenta sile koja nastaje interakcijom struje sa onom koja je usmjerena pod uglom prema njoj magnetsko polje, zadržava katodne mrlje na površini isparavanja. Ozbiljan problem na koji se susreće u lučnom isparavanju hladne katode je erozija kapljica sa katodnog mjesta, što uzrokuje pojavu mikrodefekta u kondenziranom filmu i može dovesti do smanjenja performansi premaza. Formiranje kapljične faze povezano je s katodnim procesima vakuumskog luka i ovisi kako o termofizičkim karakteristikama materijala katode (specifična toplota, toplotna difuzivnost, temperatura topljenja, specifična toplota topljenja, tačka ključanja, pritisak zasićene pare), njeno stanje radna površina(prisustvo mikrohrapavosti, pukotina) i unutrašnje zapremine (prisustvo gasnih inkluzija), kao i na tehnološke parametre nanošenja premaza) struja luka, struja prednapona, parcijalni pritisci gasa u instalacijskoj komori).

Prema sadašnjim zamislima, emisija kapljica tekućine od katodnog mjesta vakuumskog luka nastaje kada se na površini katode formiraju erozioni krateri, a posljedica je djelovanja pritiska plazme na površinu tekućeg metala. Ovaj mehanizam formiranja faze kapljica ne dozvoljava objašnjenje eksperimentalno utvrđene ovisnosti sadržaja mikrokapljica u prevlaci od sadržaja plinskih inkluzija u katodi (posebno činjenica potpunog odsustva mikrokapljica u prevlaci pri korištenju katode sa sadržajem gasa manjim od 10 -6%). Takođe treba napomenuti da tokom procesa topljenja-ispiranja tečnog filma sa bočne površine erozionog kratera, širenje kapi treba da se dešava uglavnom pod malim uglom u odnosu na površinu katode. U međuvremenu, u premazima se u pravilu fiksiraju kapljice koje se raspršuju u smjeru normale na površinu katode. Njihovo nastajanje povezano je, prema autorima, s procesima volumetrijske vaporizacije (mjehurasto ključanje) u katodnoj tački.

Na osnovu ovaj mehanizam, mogu se razlikovati sljedeći fizički značajni parametri formiranja mikrokapljica: koncentracija plinskih inkluzija u katodi N 0 (određuje broj centara isparavanja koji izazivaju ključanje mjehurića), koncentracija snage u katodnoj tački q (određuje debljinu sloja taline, vijek trajanja mjehurića u talini i polumjer mjehura, koji odgovara trajanju njegovog postojanja), brzinu katodnog mjesta (ograničava vremenski okvir procesa).

Glavni parametri koji karakterišu instalacije za nanošenje premaza metodom vakuumskog električnog luka

Specifična brzina isparavanja - 2 10 -4 -5 10 -3 g / (cm 2 s);

Efikasnost procesa isparavanja je 2·10 -6 -10 -5 g/J;

Stepen jonizacije - 10-90%;

Energija generisanih čestica – 10 – 100 eV;

Brzina taloženja ~5 nm/s.

Glavne prednosti taloženja tankog filma vakuumskim električnim isparavanjem uključuju sljedeće:

Sposobnost precizne kontrole brzine nanošenja premaza promjenom struje luka;

Mogućnost kontrole sastava premaza pomoću nekoliko katoda izrađenih od različitih materijala ili kompozitnih (višekomponentnih) katoda;

Visoka energija mlaza plazme, što doprinosi postizanju visoke adhezije premaza;

Visok stepen jonizacije, koji doprinosi efikasnoj aglomeraciji jezgara i stvaranju kontinuiranih filmova minimalne moguće debljine;

Mogućnost dobijanja tankih filmova metalnih jedinjenja uvođenjem reakcionog gasa u komoru;

Proizvodnost procesa taloženja, omogućavajući korištenje kompjutera za kontrolu procesa.

epitaksija raspršivanjem elektronskim snopom

Termičko vakuumsko taloženje ima niz nedostataka i ograničenja, od kojih su glavna sljedeća:

Taloženje filmova od vatrostalnih materijala (W, Mo, SiO 2 , Al 2 O 3 itd.) zahtijeva visoke temperature na isparivaču, pri čemu je kontaminacija toka materijalom isparivača neizbježna;

Kada se legure talože, razlika u brzini isparavanja pojedinih komponenti dovodi do promjene sastava filma u odnosu na početni sastav materijala smještenog u isparivač;

Inercija procesa, koja zahtijeva uvođenje prigušivača s elektromagnetnim pogonom u radnu komoru;

Neujednačena debljina filma, prisiljava upotrebu uređaja za pomicanje supstrata i korektivnih dijafragmi.

Prva tri nedostatka su zbog potrebe za visokotemperaturnim zagrijavanjem tvari, a posljednji zbog visokog vakuuma u radnoj komori.

Princip rada uređaja za ionsko raspršivanje temelji se na fizičkim pojavama kao što su ionizacija čestica plina, svjetleće pražnjenje u vakuumu i raspršivanje tvari bombardiranjem ubrzanim ionima.

Ionizacija je proces pretvaranja čestica neutralnog plina (atoma i molekula) u pozitivno nabijene ione. Suština ovog procesa je sljedeća. Gas između dvije elektrode uvijek sadrži nekoliko slobodnih elektrona. Ako se između anode elektrode i katode stvori električno polje, ovo polje će ubrzati slobodne elektrone. Kada naiđe na neutralnu česticu gasa, ubrzani primarni elektron izbacuje sekundarni elektron iz nje, pretvarajući česticu neutralnog gasa u pozitivno nabijeni ion. Tako se kao rezultat sudara pojavljuje novi par nabijenih čestica: izbijeni sekundarni elektron i pozitivno nabijeni ion.

Reflektirani primarni elektron i sekundarni elektron, zauzvrat, mogu biti ubrzani električnim poljem i, u interakciji s neutralnim česticama plina, formiraju svaki par nabijenih čestica. Tako se razvija lavinski proces pojave dvije vrste nabijenih čestica u plinovitom mediju, a plin, koji je u normalnim uvjetima električni izolator, postaje provodnik.

Moderne ideje o procesu interakcije koji vodi do raspršivanja sugeriraju da kao rezultat prodiranja jona u materijal nastaje kaskada binarnih elastičnih sudara pomaknutih atoma, u kojima se energija i zamah razmjenjuju između atoma. Prosječno vrijeme za razvoj kaskade sudara je oko 2·10 -13 s. krajnji rezultat Kaskada sudara može biti prijenos na površinski atom (u sloju ~1 nm debljine) dovoljne energije i potrebnog momenta željenog smjera (u smjeru sučelja čvrstog i vakuuma) da se savladaju sile njegovog vezivanja na površine, što dovodi do prskanja.

Proces raspršivanja jonskim bombardovanjem je "hladni" proces, jer atomski tok materije na supstrat nastaje bombardovanjem površine čvrstog uzorka (mete) jonima inertnog gasa i pobuđivanjem površine atoma na energiju koja premašuje energiju veze sa susednim atomima. Protok jona koji je za to neophodan stvara se u električnom plinskom pražnjenju, pri čemu tlak plina u radnoj komori mora biti unutar 0,1 × 10 Pa, tj. nekoliko redova veličine više nego u termalnoj vakuum komori za taloženje.

Posljednja okolnost dovodi do raspršivanja toka atoma od mete i povećanja ujednačenosti debljine nanesenog filma do ±1%, a bez upotrebe dodatnih uređaja.

Metoda jonskog raspršivanja zasniva se na bombardovanju mete napravljene od deponovanog materijala brzim česticama. Čestice koje su izbačene iz mete kao rezultat bombardovanja formiraju tok deponovanog materijala, koji se taloži u obliku tankog filma na podloge koje se nalaze na određenoj udaljenosti od mete.

Važan faktor koji određuje operativne karakteristike i dizajn instalacija za jonsko raspršivanje je metoda generisanja jona koji bombarduju metu. Shodno tome, postrojenja za jonsko raspršivanje opremljena su jednostavnim dvoelektrodnim ili magnetronskim sistemom.

2.1 Katodno raspršivanje

Načini katodnog raspršivanja.

Slika 6a prikazuje strujno-naponsku karakteristiku pražnjenja. Kada se primijeni konstantni napon od nekoliko kilovolti, dolazi do sloma međuelektrodnog razmaka, brzog povećanja struje i pada napona u pražnjenju (područje paljenja pražnjenja I). Sa povećanjem struje pražnjenja zbog smanjenja otpora Rn, povećava se površina katode-mete pokrivena pražnjenjem, gustina struje pražnjenja i napon pražnjenja ostaju konstantni i niski, a brzina raspršivanja je niska. (normalno područje sjajnog pražnjenja II). U području III, cijelo ciljno područje je pokriveno pražnjenjem, a povećanje struje pražnjenja dovodi do povećanja gustine struje pražnjenja, napona pražnjenja i brzine raspršivanja. Područje W, nazvano područje abnormalnog sjajnog pražnjenja, koristi se kao radna površina u procesima katodnog raspršivanja. Da bi se spriječio prijelaz u područje lučnog pražnjenja (regija IV), meta se intenzivno hladi vodom i napajanje je ograničeno u snazi.

Na sl. 6b, istaknuto je radno područje III CVC-a. Strmina karakteristike u ovom području zavisi od pritiska radnog gasa, u našem slučaju argona. Radna tačka koja karakteriše režime obrade - pritisak gasa P, struja J p i napon pražnjenja U p, leži na karakteristici opterećenja izvora napajanja

(2.1)

gdje je U p - napon napajanja.

S druge strane, ciljna brzina raspršivanja W g/cm 2 ×s

(2.2)

gdje je C koeficijent koji karakterizira vrstu raspršenog materijala i vrstu radnog plina;

U nk - normalni pad napona katode (područje II CVC);

j p - gustina struje pražnjenja;

d TP je širina tamnog katodnog prostora.

Iz (2.2) slijedi da maksimalna brzina prskanje se postiže pri maksimalnoj snazi oslobođenoj u pražnjenju. Prema karakteristici opterećenja (2.1)

(2.3)

U ovom slučaju se nedvosmisleno određuje optimalna vrijednost tlaka radnog plina. Izborom vrijednosti U n i R n treba, kako je rečeno, spriječiti prijelaz u područje lučnog pražnjenja, u kojem se velike čestice izbacuju iz mete i nastaje taloženje tankog filma ujednačene debljine. nemoguće.

2.2 Magnetronsko raspršivanje

Ograničenja i nedostaci procesa katodnog raspršivanja uključuju:

Mogućnost raspršivanja samo provodljivih materijala sposobnih da emituju elektrone u pražnjenje, koji ioniziraju molekule argona i održavaju izbijanje izgaranjem;

Niska brzina rasta filma (jedinice nm/s) zbog značajne disperzije atoma raspršenog materijala u zapremini radne komore.

Različite metode zasnovane na usijanom pražnjenju je magnetronsko raspršivanje. Magnetronski sistemi za raspršivanje jona pripadaju diodnim sistemima za raspršivanje u kojima se atomi raspršenog materijala uklanjaju sa površine mete kada se ona bombarduje ionima radnog gasa (obično argona) koji nastaju u anomalnoj plazmi usijanog pražnjenja. Da bi se povećala brzina raspršivanja, potrebno je povećati intenzitet jonskog bombardovanja mete, odnosno gustinu jonske struje na površini mete. U tu svrhu koristi se magnetsko polje B čije su linije sile paralelne sa prskanom površinom i okomite na linije sile električnog polja E.

Katoda (meta) je postavljena u ukršteno električno (između katode i anode) i magnetsko polje koje stvara magnetni sistem. Prisustvo magnetnog polja u blizini raspršene površine mete omogućava lokalizaciju plazme anomalnog sjajnog pražnjenja direktno na meti. Lukovi linija polja B zatvoreni su između polova magnetskog sistema. Ciljna površina, smještena između tačaka ulaza i izlaza linija polja B i intenzivno raspršena, ima oblik zatvorene staze, čija je geometrija određena oblikom polova magnetskog sistema. Kada se primijeni konstantni napon između cilja (negativni potencijal) i anode (pozitivni ili nulti potencijal), nastaje nehomogeno električno polje i pobuđuje se abnormalno sjajno pražnjenje. Elektroni emitovani sa katode pod dejstvom jonskog bombardovanja zarobljeni su magnetnim poljem i nađu se, takoreći, u zamci koju stvara, s jedne strane, magnetsko polje koje vraća elektrone na katodu, a sa s druge strane, tako što ciljna površina odbija elektrone. Kao rezultat toga, elektroni izvode složeno cikloidno kretanje blizu površine katode. Prilikom ovog kretanja elektroni prolaze kroz brojne sudare sa atomima argona, dajući visok stepen ionizacije, što dovodi do povećanja intenziteta jonskog bombardovanja mete i, shodno tome, značajnog povećanja brzine raspršivanja.

Glavni parametri sistema magnetronskog jonskog raspršivanja:

Specifična brzina prskanja - (4-40) 10 -5 g/(cm 2 s);

Efikasnost procesa proizvodnje (za bakar) - 3·10 -6 g/J;

Energija generisanih čestica - 10-20 eV;

Energija deponovanih čestica je 0,2-10,0 eV;

Brzina taloženja 10-60 nm/s;

Radni pritisak - (5-50) 10 -2 Pa.

Glavne prednosti magnetronskih sistema za raspršivanje uključuju:

Velike brzine prskanja pri niskim radnim naponima (≈500 V) i niskim pritiscima radnog gasa;

Niska oštećenja zračenja i bez pregrijavanja podloge;

Mali stepen kontaminacije filmova sa inkluzijama stranih gasova;

Mogućnost dobijanja filmova ujednačene debljine na velika površina podloge.

2.3 Visokofrekventni sprej

Visokofrekventno raspršivanje počelo se koristiti kada je bilo potrebno primijeniti dielektrične. Metali i poluprovodnički materijali se obično raspršuju na metu konstantnim naponom. Ako je ciljni materijal dielektrik, tada pri konstantnom naponu na ciljnoj elektrodi, raspršivanje brzo prestaje, budući da površina dielektrika tijekom ionskog bombardiranja stječe pozitivan potencijal, nakon čega reflektira gotovo sve pozitivne ione. Za izvođenje procesa dielektričnog raspršivanja potrebno je periodično neutralizirati pozitivni naboj na njemu. U tu svrhu, RF napon frekvencije 1-20 MHz primjenjuje se na metalnu ploču koja se nalazi neposredno iza raspršene dielektrične mete (frekvencija od 13,56 MHz, koja je dozvoljena za industrijsku upotrebu, najčešće se koristi za RF raspršivanje ).

S negativnim naponskim poluvalom na dielektričnoj meti (katodi), dolazi do običnog raspršivanja katode. U tom periodu površina mete se puni pozitivnim ionima, zbog čega prestaje ionsko bombardiranje mete. Na polutalasu pozitivnog napona, meta je bombardirana elektronima, koji neutraliziraju pozitivni naboj na površini mete, omogućavajući raspršivanje u sljedećem ciklusu.

Glavni parametri koji se mogu postići u materijalima za raspršivanje HF:

Specifična brzina raspršivanja - 2·10 -7 - 2·10 -6 g/(cm 2 s);

Efikasnost procesa prskanja (za bakar) - 6·10 -7 g/J;

Energija generisanih čestica – 10-200 eV;

Brzina taloženja - 0,3-3,0 nm/s;

Energija deponovanih čestica je 0,2-20 eV;

Radni pritisak u instalacijskoj komori je 0,5-2,0 Pa.

2.4 Plazma jonsko raspršivanje u nesamoodrživom gasnom pražnjenju

U sistemima za raspršivanje ovog tipa, sagorevanje gasnog pražnjenja je podržano dodatnim izvorom (magnetno polje, RF polje, termalna katoda). Na slici 7 prikazan je troelektrodni sistem raspršivanja u kojem se termalna katoda koristi kao dodatni izvor elektrona.

Vruća katoda (1) emituje elektrone prema anodi (3). Ovaj tok jonizuje preostali gas, održavajući pražnjenje da gori. Na raspršenu metu (2) se primjenjuje visoki negativni potencijal, uslijed čega se pozitivni joni plazme (4) povlače na metu i bombardiraju njenu površinu, uzrokujući raspršivanje materijala mete. Nosači (5) se nalaze nasuprot mete i na njih se nanosi raspršeni materijal.

Upotreba nesamoodrživog gasnog pražnjenja omogućava nanošenje premaza pri niskom radnom pritisku u instalacijskoj komori (5 10 -2 Pa), čime se obezbeđuje i smanjenje koncentracije gasova zarobljenih u filmu, kao i kao povećanje prosječne energije deponiranih čestica zbog smanjenja broja sudara raspršenih čestica s molekulima plina na putu do supstrata.

Brzina raspršivanja u razmatranom sistemu sa 3 elektrode je kontrolisana toplotnom katodnom emisionom strujom, pritiskom u komori za podešavanje i ciljnim naponom i može da varira u širokom opsegu (1-1000 A/min).

Dakle, prednosti sistema triodnog raspršivanja u poređenju sa standardnim sistemima za raspršivanje dioda uključuju: veće stope taloženja; smanjenje poroznosti i povećanje čistoće nanesenih filmova; povećanje adhezije filmova na podloge.

Klasična metoda dobivanja čistih površina za mnoge materijale je isparavanje i kondenzacija u ultravisokom vakuumu. Tanki filmovi metala ili elementarnih poluprovodnika dobijeni vakuumskim isparavanjem obično su polikristalni ili amorfni, tj. u njima je nemoguća određena kristalografska orijentacija površine.

Tehnologija višeslojnih konstrukcija treba da obezbijedi visok kvalitet rasta materijala slojevitih struktura i savršenstvo međusklopa između ovih materijala. Samo u ovom slučaju mogu se ostvariti potencijalne mogućnosti inherentne poluvodičkim superrešetkama i višeslojnim magnetnim strukturama.

Za dobivanje tankih visokokvalitetnih filmova i višeslojnih struktura najčešće se koriste mehanizmi epitaksijalnog rasta filmskog materijala na odgovarajućoj monokristalnoj podlozi. Najrasprostranjenija metoda je epitaksija molekularnim snopom (MBE), koja omogućava formiranje savršenih monokristalnih slojeva različitih materijala u uvjetima ultravisokog vakuuma. Ova metoda se uspješno koristi za uzgoj tankih filmova poluvodiča, metala, dielektrika, magnetnih materijala, visokotemperaturnih supravodiča i mnogih drugih tvari. Do danas je prilično velika količina i teorijskih istraživanja i praktičan rad u ovoj oblasti, pa je MBE tehnologija najčešća metoda za dobijanje poluprovodničkih superrešetka i višeslojnih magnetnih struktura.

Poslednjih godina tehnologija rasta iz gasne faze korišćenjem organometalnih jedinjenja (RGF MOS) postaje sve raširenija za uzgoj poluprovodničkih superrešetka. Ova metoda također koristi proces epitaksijalnog rasta materijala na zagrijanoj podlozi tokom termičke razgradnje organometalnih jedinjenja. Mehanizmi rasta u RHF MOS metodi nisu proučavani tako duboko kao u MBE, međutim, većina poluvodičkih spojeva A III B V , A II B IV i A IV B VI se uspješno uzgaja ovom metodom.

Od metoda epitaksijalnog rasta, epitaksija tečne faze, u kojoj se monokristalni slojevi dobijaju iz prezasićenih rastvora u kontaktu sa supstratom, takođe se može koristiti za dobijanje poluprovodničkih superrešetka. Sa smanjenjem temperature višak iznosa poluvodič se taloži iz rastvora na podlogu, što je povezano sa smanjenjem rastvorljivosti poluprovodničkog materijala. Najbolji rezultati se postižu epitaksijom tečne faze za poluvodička jedinjenja tipa A III B V i njihove čvrste rastvore. Višeslojne poluprovodničke strukture dobijaju se u višekomornim reaktorima za epitaksiju tečne faze uzastopnim stvaranjem kontakta sa različitim topljenjima.

Tanki magnetni filmovi i višeslojne magnetne strukture mogu se dobiti različitim metodama raspršivanja, uključujući visokofrekventno i magnetronsko raspršivanje. Ove metode omogućavaju dobivanje slojeva gotovo bilo kojeg sastava. Neki istraživači vjeruju u to najbolje prilike za tehnologiju višeslojnih magnetnih struktura date su različite metode elektrolitskog taloženja.

3.1 Mehanizmi epitaksijalnog rasta tankih filmova

Pitanja vezana za mehanizme rasta postaju izuzetno važna pri stvaranju heterostruktura i višeslojnih struktura, koje zahtijevaju najviši stepen homogenosti sastava na debljini manjoj od 100 Å.

Najvažniji pojedinačni atomski procesi koji prate epitaksijalni rast su:

Adsorpcija sastavnih atoma ili molekula na površini supstrata;

Površinska migracija atoma i disocijacija adsorbiranih molekula;

Vezanje atoma za kristalnu rešetku supstrata ili epitaksijalne slojeve koji su ranije izrasli;

Termička desorpcija atoma ili molekula koji nisu ugrađeni u kristalnu rešetku.

Kondenzacija na podlozi novog materijala iz gasne faze određena je brzinom sudara atoma ili molekula sa supstratom (broj čestica koje pristižu u jedinici vremena po jedinici površine)

(3.1)

gdje je p pritisak pare, M je molekulska težina čestica, k je Boltzmannova konstanta, a T je temperatura izvora.

Čestica kondenzovana iz gasne faze može odmah napustiti površinu supstrata ili difundirati preko površine. Proces površinske difuzije može dovesti do adsorpcije čestice na površini supstrata ili rastućeg filma, ili do procesa površinske agregacije, praćenog formiranjem nove kristalne faze kondenzovanog materijala na površini materijala. jezgra. Adsorpcija pojedinačnih atoma se u pravilu događa na koracima rasta ili drugim defektima. Atomski proces interdifuzije, u kojem atomi filma i supstrata razmjenjuju mjesta, igra važnu ulogu u procesu epitaksijalnog rasta. Kao rezultat ovog procesa, granica između supstrata i rastućeg filma postaje glatkija.

Površinski procesi koji prate epitaksijalni rast tokom MBE mogu se opisati kvantitativno. Svaki od pojedinačnih atomskih procesa o kojima smo gore govorili karakterizira vlastita energija aktivacije i može se predstaviti u prvoj aproksimaciji eksponencijalnim zakonom. Stopa desorpcije, na primjer

(3.2)

gdje je E d energija aktivacije procesa desorpcije, T s je temperatura supstrata.

Na fenomenološkom nivou, postoje tri glavna tipa rasta tankih epitaksijalnih filmova:

1. Rast po sloju. Ovim mehanizmom rasta svaki sljedeći sloj filma počinje se formirati tek nakon što je rast prethodnog sloja potpuno završen. Ovaj mehanizam rasta naziva se i Frank-van der Merve (FM) rast. Rast sloja po sloj nastaje kada je interakcija između supstrata i sloja atoma mnogo veća nego između najbližih atoma u sloju. Šematski prikaz rasta filma sloj po sloj za različitu pokrivenost  (u frakcijama monoslojeva ML) prikazan je na slici 3. 8, a.

2. Rast ostrva ili Vollmer-Weberov rast (rast ostrva, Vollmer Weber, VW). Ovaj mehanizam je sušta suprotnost rastu sloj po sloj. Uslov za njegovu implementaciju je prevlast interakcije između najbližih atoma nad interakcijom ovih atoma sa supstratom. Sa otočnim mehanizmom rasta, supstanca se od samog početka taloži na površini u obliku višeslojnih konglomerata atoma (vidi sliku 8b).

3. Intermedijar između ova dva mehanizma je rast Stransky-Krastanov (SK, sloj-plus-otočić raste), u kojem prvi sloj u potpunosti pokriva površinu supstrata, a na njemu rastu trodimenzionalna filmska ostrva. Mnogi faktori mogu dovesti do ovog mehanizma, posebno, prilično velika razlika između parametara kristalne rešetke filma i supstrata (vidi sliku 8c).

Uslov koji ograničava implementaciju jednog ili drugog mehanizma rasta može se dobiti analizom odnosa između koeficijenata površinskog napona između podloge i vakuuma  S , između filma i vakuuma  F i između podloge i filma  S / F (sl. 9).

Koeficijent površinske napetosti površine jednak je slobodnoj energiji jedinične površine. U skladu s tim, ovi koeficijenti određuju sile površinskog napona koje djeluju po jedinici dužine elementa međupovršine. Prema ovoj definiciji, sila dF koja djeluje na infinitezimalni element dl međuprostora između dva medija jednaka je

Iz uslova ravnoteže za bilo koji element dužine kontaktne linije podloge, trodimenzionalnog filmskog ostrva i vakuuma (slika 9.) dobijamo

gdje je  - kontaktni ugao, tj. ugao koji formira tangenta na površinu ostrva filma i površinu supstrata.

Ako je kontaktni ugao nula, onda se ostrvo "širi" tanki sloj preko površine supstrata, što odgovara mehanizmu rasta sloj po sloj. Ovaj uslov dovodi do sljedećeg odnosa između koeficijenata površinskog napona:

, rast po sloju (3.4)

Ako je , ostvaruje se mehanizam rasta ostrva, čiji je uslov

rast otočića (3,5)

Za potpunije izvođenje uslova pod kojima se ostvaruje jedan ili drugi mehanizam rasta, potrebno je uzeti u obzir uticaj na stanje ravnoteže između formiranog filma i supstrata gasne faze u području rasta filma.

Često se u literaturi razmatra još jedan mehanizam rasta – statistička precipitacija. Ovim mehanizmom rasta filma atomi deponovane supstance se nalaze na površini prema Poissonovoj raspodeli kao da su slučajno bačeni i jednostavno bi se zalepili na mesto udara.

3.2 Epitaksija molekularnim snopom

Molecular beam epitaksy (MBE) je u suštini razvoj do savršenstva tehnologije vakuumskog taloženja tankih filmova. Njegova razlika od klasična tehnologija vakuumsko taloženje je povezano sa višim nivoom kontrole procesa. U MBE metodi, tanki monokristalni slojevi se formiraju na zagrijanoj monokristalnoj podlozi zbog reakcija između molekularnih ili atomskih zraka i površine supstrata. Visoka temperatura supstrata pospješuje migraciju atoma preko površine, zbog čega atomi zauzimaju strogo određene pozicije. Ovo određuje usmjereni rast kristala formiranog filma na monokristalnoj podlozi. Uspjeh procesa epitaksije ovisi o odnosu između parametara rešetke filma i supstrata, pravilno odabranih omjera između intenziteta upadnih zraka i temperature podloge. Kada monokristalni film raste na podlozi koja se razlikuje od materijala filma i ne ulazi u kemijsku interakciju s njim, ovaj proces se naziva heteroepitaksija. Kada se supstrat i film ne razlikuju po hemijskom sastavu ili se malo razlikuju jedan od drugog, proces se naziva homoepitaksija ili autoepitaksija. Usmjereni rast slojeva filma, koji ulazi u kemijsku interakciju sa supstratom, naziva se kemoepitaksija. Interfejs između filma i supstrata ima istu kristalnu strukturu kao i supstrat, ali se po sastavu razlikuje od materijala filma i materijala supstrata.

U poređenju sa drugim tehnologijama koje se koriste za uzgoj tankih filmova i višeslojnih struktura, MBE karakteriše prvenstveno niska stopa rasta i relativno niska temperatura rasta. Prednosti ove metode uključuju mogućnost naglog prekida i naknadnog obnavljanja dovoda molekularnih zraka različitih materijala na površinu supstrata, što je najvažnije za formiranje višeslojnih struktura sa oštrim granicama između slojeva. Mogućnost analize strukture, sastava i morfologije rastućih slojeva tokom njihovog formiranja pomoću reflektovane visokoenergetske difrakcije elektrona (HEED) i Auger elektronske spektroskopije (AES) takođe doprinosi dobijanju savršenih epitaksijalnih struktura.

Ispod na sl.10. prikazan je pojednostavljeni dijagram rastne komore MBE.

Isparavanje materijala nanesenih u ultravisokom vakuumu na podlogu pričvršćenu na manipulator sa uređajem za grijanje vrši se pomoću efuzijskih ćelija (efuzija je polagano otjecanje plinova kroz male rupice). Šema efuzijske ćelije prikazana je na slici 11. Efuzijska ćelija je cilindrično staklo napravljeno od pirolitičkog bor nitrida ili grafita visoke čistoće. Na vrhu lončića nalaze se zavojnica za grijanje od tantalne žice i toplinski štit, obično napravljen od tantalne folije.

Efuzijske ćelije mogu raditi u temperaturnom opsegu do 1400 0 C i izdržati kratkotrajno zagrijavanje do 1600 0 C. Za isparavanje vatrostalnih materijala koji se koriste u tehnologiji tankih magnetnih filmova i višeslojnih struktura, materijal koji isparava se zagrijava elektronskim bombardiranjem. Temperaturu isparene supstance kontroliše volfram-renijum termoelement pritisnut na lončić. Isparivač je montiran na zasebnu prirubnicu, na kojoj se nalaze električne utičnice za napajanje grijača i termoelementa. U pravilu se u jednoj komori za rast nalazi nekoliko isparivača, od kojih svaki sadrži glavne komponente filmova i dopantnih materijala.

Komore za rast savremenih MBE tehnoloških kompleksa su po pravilu opremljene kvadrupolnim masenim spektrometrom za analizu rezidualne atmosfere u komori i kontrolu elementarnog sastava tokom čitavog tehnološkog procesa. Za kontrolu strukture i morfologije formiranih epitaksijalnih struktura, u komori za rast se nalazi i difraktometar reflektovanih brzih elektrona. Difraktometar se sastoji od elektronskog topa koji generiše dobro fokusirani elektronski snop sa energijama od 10-40 keV. Elektronski snop pada na podlogu pod vrlo malim uglom u odnosu na njenu ravninu, a rasejani elektronski talasi daju difrakcionu sliku na luminiscentnom ekranu. Često u komorama za rast ili u višekomornim MBE kompleksima, komora za pripremu i analizu supstrata i epitaksijalnih struktura sadrži elektronski pištolj sa energetskim analizatorom sekundarnih elektrona i jonski pištolj za čišćenje supstrata ionskim jetkanjem i sloj-po-slojnom analizom sastav epitaksijalnih struktura.

Područje rastne komore najvažnije za tehnološki proces nalazi se između efuzijskih ćelija i supstrata (Sl. 10). Ovo područje se može podijeliti u tri zone koje su na slici označene brojevima I, II i III. Zona I je zona stvaranja molekularnih snopova; u ovoj zoni se molekularni snopovi koje formira svaka od efuzijskih ćelija ne ukrštaju i ne utiču jedni na druge. U drugoj zoni (zona II - zona miješanja isparenih elemenata) seku se molekularni snopovi i dolazi do miješanja različitih komponenti. Zona III, zona kristalizacije, nalazi se u neposrednoj blizini površine supstrata. U ovoj zoni dolazi do epitaksijalnog rasta tokom epitaksije molekularnim snopom.

U industriji, istraživačke laboratorije, automatizirani multimodulni kompleksi za epitaksiju molekularnim snopom sada se široko koriste. Modul je dio instalacije koji se odlikuje funkcionalnim i dizajnerskim karakteristikama. Moduli se dijele na tehnološke i pomoćne. Svaki tehnološki modul je dizajniran za obavljanje specifičnog tehnološkog procesa (čišćenje podloga i analiza njihovog površinskog stanja, epitaksija poluprovodničkih filmova, taloženje metala i dielektrika itd.). Pomoćni moduli su, na primjer, modul za utovar i istovar podloge, modul za preliminarnu evakuaciju i degazaciju vakuumskih komora, itd. U zavisnosti od tehnoloških zadataka, kompleks za MBE može biti opremljen sa različitim brojem specijalizovanih modula koji su međusobno povezani. Gateway uređaji i sistem za premeštanje supstrata i uzoraka iz jednog modula u drugi bez prekidanja vakuuma.

Trendovi razvoja razvoja u pravcu stvaranja instalacija za MBE povezani su sa sve većom upotrebom ugrađene analitičke opreme i automatizacijom tehnološkog procesa, što omogućava poboljšanje reproducibilnosti svojstava uzgojenih epitaksijalnih struktura i stvaraju složene višeslojne strukture. Analitičku opremu kompleksa predstavljaju u PAP modulu ugrađeni Auger spektrometar i jonski pištolj za čišćenje supstrata i Auger profilisanje. Svaki od EPS i EPM blokova sadrži maseni spektrometar za praćenje zaostalih gasova i molekularnih zraka i difraktometar reflektovanih brzih elektrona za praćenje strukture i morfologije epitaksijalnih slojeva tokom rasta. Pored vakuumsko-mehaničkog sistema, kompleks uključuje automatizovani sistem kontrola procesa, koja vam omogućava da samostalno i istovremeno upravljate tehnološkim procesima, kako pod kontrolom operatera, tako iu automatskom režimu.

Tanke folije se široko koriste u inženjerstvu kao premazi otporni na habanje, koroziju, protiv trenja, zaštitno-dekorativni i drugi premazi. Našli su široku primenu u optici (polarizujući filteri, razdelnici snopa, antirefleksni premazi, itd.) i u elektronskoj industriji u proizvodnji uređaja i integrisanih kola (omski kontakti, strujne staze, proizvodnja kondenzatora, uređaja na magnetnim filmovi, poluprovodnički epitaksijalni filmovi).

Književnost

1. Epifanov G. I., Moma Yu. A. Fizički principi dizajna i tehnologije REA i EVA: Tutorial za univerzitete. - M.: Sovjetski radio, 1979. - 352 str.

2. Vakuumsko taloženje filmova u kvazi zatvorenom volumenu. M., "Sovjetski radio", 1975, 160 str. / Yu. Z. Bubnov, M. S. Lurie, F. G. Staros, G. A. Filaretov.

3. Tehnologija poluvodičkih uređaja i mikroelektronskih proizvoda. U 10 knjiga: Proc. Dodatak za stručne škole. Book. 6. Taloženje filmova u vakuumu / Minaichev V. E. - M.: Vyssh. škola, 1989. - 110 str.: ilustr.

4. Efimov I. E. i dr. Mikroelektronika. Fizičko-tehnološke osnove, pouzdanost. Proc. Dodatak za univerzitete. M: „Više. škola”, 1977. – 416 str. od ill.

5. G. D. Karpenko i V. L. Rubinshtein, Moderne metode za stvaranje deponovane supstance u primeni tankoslojnih prevlaka u vakuumu. Minsk: BelNIINTI, 1990. - 36 str.

6. Kostrzhitsky A. I., Lebedinski. Višekomponentni vakuumski premazi. -M: "Inženjering", 1987 - 207 str.

7. Butovsky KG, Lyasnikov VN Raspršeni premazi, tehnologija i oprema. – Saratov: „Državni sud u Saratovu. tech. Univerzitet”, 1999. – 117 str.

8. Kudinov V. V., Bobrov G. V. Nanošenje premaza prskanjem. Teorija, tehnologija i oprema. - M.: "Metalurgija", 1992. - 431 str.

9. O. S. Trushin, V. F. Bochkarev, V. V. Naumov. Simulacija procesa epitaksijalnog rasta filmova u uslovima ionsko-plazma taloženja.//Microelectronics, 2000, tom 29, №4, str. 296-309

Podijeli: