Особенности получения тонкопленочного металлического конденсата из паровой фазы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра общей и экспериментальной физики

 

ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОНДЕНСАТА ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ.

Курсовая работа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила студентка

3 курса 593 группы

___________  Капустина Е.В.

          (подпись)

Научный  руководитель,

к.ф.-м.н., ст. преп.

________________ Макаров С.В.

           (подпись)

Курсовая работа защищена

«____» __________ 2012 г.

Оценка _______________

 

Заведующий кафедрой ОЭФ,

д.ф.-м.н., проф.

______________ Плотников В.А.

         (подпись)

Барнаул 2012 

Оглавление

 

  
Введение.

Тонкие пленки - это двумерные объекты. Их состав, структура и свойства могут отличаться от таковых для объемной фазы, из которой образовалась тонкая плёнка.

Круг применения тонкопленочной технологии необычайно широк. Это медицина, электроника, легкая промышленность, машиностроение (коррозионно- и износостойкие покрытия деталей машин). На основе тонкопленочной технологии, например, изготавливаются активные компоненты различных устройств вычислительной техники и техники связи. С расширением сферы применения тонкопленочной технологии появляется необходимость в осмыслении и улучшении методов получения и измерения тонких пленок. И наоборот, достижения тонкопленочной технологии приводят к разработке и производству все более сложных приборов на основе полупроводниковых, магнитных, оптических и сверхпроводниковых материалов. В настоящее время тонкопленочные элементы занимают до 80 % площади полупроводниковых кристаллов, что обусловлено постоянным функциональным усложнением ИМС. Получение высококачественных и воспроизводимых по электрофизическим параметрам тонкопленочных слоев является одним из важнейших технологических процессов формирования структур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов ИМС. Тонкие пленки наносятся также при заключительных технологических операциях изготовления полупроводниковых приборов и ИМС, т. е. после выполнения множества других операций. При этом брак особенно экономически ощутим и, естественно, должен быть сведен до минимума. Таким образом, от совершенства технологических процессов нанесения тонких пленок в значительной степени зависят надежность и качество изделий микроэлектроники, технический уровень и экономические показатели их производства. Тонкопленочная технология базируется на сложных физико-химических процессах и применении различных металлов и диэлектриков. Так, тонкопленочные резисторы, электроды конденсаторов и межсоединения выполняют осаждением металлических пленок, а межслойную изоляцию и защитные покрытия — диэлектрических.

Важным этапом является контроль параметров тонких пленок (скорости их нанесения, толщины и ее равномерности, поверхностного сопротивления), который проводится с помощью специальных приборов, как при выполнении отдельных технологических операций, так и по завершении всего процесса.

Наносят тонкие пленки в вакууме методами термического испарения и ионного распыления. При первом методе используют испарители с резистивным или электронно-лучевым нагревом, а при втором — системы диодного или магнетронного распыления.

Для реализации этих методов разработаны специальные вакуумные установки периодического полунепрерывного и непрерывного действия, на которых можно наносить несколько различных по составу и свойствам слоев из разных источников в данном технологическом цикле. При этом исключается воздействие атмосферного воздуха на каждый нанесенный слой, повышается производительность за счет уменьшения циклов откачки рабочих камер, а также нагрева и охлаждения подложек, появляется возможность полной автоматизации установок на основе микропроцессорных систем управления.

Благодаря новейшим достижениям в области вакуумной техники и техники получения пленок проблема воспроизводимости и производства сравнимых по качеству тонкопленочных образцов в различных лабораториях не является уже столь серьезной. Методы исследования тонких пленок возникли сравнительно недавно, но позволили сильно продвинуться в понимании свойств тонких пленок. В самом деле, теперь тонкопленочные образцы используют для исследования взаимодействий между различными компонентами, специфических для тонких пленок, и при этом получают иногда результаты, невозможные в массивных образцах.

 

1. Оборудование для нанесения тонких пленок.

Для вакуумного осаждения тонких пленок с контролируемыми параметрами необходимо такое рабочее оборудование, которое как можно меньше влияло бы на процесс формирования пленки. С целью получения глубокого вакуума для минимизации взаимодействия остаточных газов и наращиваемых пленок было предпринято множество исследований и разработок. В результате к настоящему времени имеется обширный набор вакуумных установок и деталей, а также материалов и методов монтажа.

 Основным элементом вакуумных  систем являются насосы, которые  предназначены для создания требуемого  вакуума в камерах установок, а также для поддержания рабочего давления при проведении технологического процесса. В установках для изготовления тонкопленочных структур ИМС применяются механические форвакуумные и двухроторные насосы, пароструйные диффузионные, а также криогенные и турбомолекулярные насосы.

При производстве ИМС в технологии нанесения тонких пленок требуется создавать давления в пределах от 105 Па (атмосферное) до 10ˉ5 Па и ниже.

Ни один из указанных насосов не может самостоятельно обеспечить откачку от атмосферного давления до высокого вакуума по следующим причинам. Во-первых, при столь широком диапазоне давлений существенно отличаются условия откачки и, во-вторых, каждый насос обладает избирательностью по отношению к газам, входящим в состав воздуха.

Для создания технологического вакуума 10 ˉ5 Па включают каскадно несколько насосов различных типов. Кроме того, для каждого интервала давлений и для разных газов существуют свои методы откачки, не оптимальные для других условий.

 

Основные параметры вакуумных насосов— предельное остаточное давление, быстрота действия, наибольшие давления запуска и выпускное давление, которые обычно приводятся в паспортных данных.

 Предельное остаточное давление — это наименьшее давление, которое может быть создано данным насосом при закрытом входном патрубке1. При этом подразумевается, что отсутствует натекание в насос извне, со стороны его входного патрубка. Этот параметр обусловливает невозможность построения насоса, который сам не был даже очень слабым поставщиком газов в вакуумную систему.

Быстрота действия — это объем газа, откачиваемый в единицу времени при данном давлении на входе в насос (в сечении входного патрубка). Наиболее распространенными единицами измерения быстроты действия являются м3/ч и л/с.

По постоянству быстроты действия при изменении давления можно судить о качестве насоса, которое тем выше, чем меньше изменяется быстрота действия при уменьшении давления во входном патрубке.

Наибольшее давление запуска - это наибольшее давление во входном патрубке, при котором насос начинает нормально работать, т. е. откачивать подсоединенную вакуумную камеру.

Вакуумные насосы можно по этому параметру разделить на две группы. К первой относятся насосы, наибольшее давление запуска которых равно атмосферному (механические форвакуумные). Во вторую входят насосы, требующие для работы предварительного разрежения, которое обычно создается дополнительным насосом, называемым насосом предварительного разрежения, или предварительного вакуума (механическим форвакуумным). Насос предварительного вакуума присоединяют впускным патрубком к выпускному патрубку насоса, нуждающегося в предварительном разрежении.

Наибольшее выпускное давление — это наибольшее давление в выходном патрубке, при котором насос еще может выполнять откачку (т. е. при превышении которого откачка прекращается). Для механических форвакуумных насосов оно превышает атмосферное, а для насосов, требующих предварительного разрежения, приблизительно равно наибольшему давлению запуска.

 

1.1. Вакуумные установки. Основные сведения.

Вакуумные установки для нанесения тонких пленок разнообразны по конструкции, однако имеют ряд общих элементов (рис.1).

 

Рис.1 Конструктивно-технологическая схема установок для нанесения тонких пленок.

 

Промышленностью выпускаются вакуумные установки разных моделей, отличающиеся устройством внутрикамерной оснастки, степенью автоматизации и оснащенностью аппаратурой для измерения параметров технологического процесса.

Одним из важнейших параметров вакуумных установок является производительность Q, которая при их бесперебойной работе определяется количеством изделий (подложек), обрабатываемых в единицу времени (шт/ч.),

(1)   где      

 

 - время технологического воздействия на подложку (рабочее);

   -вспомогательное время (холостое).

 

Рабочее время складывается из времени предварительного нагрева подложки, времени нанесения пленки и времени охлаждения подложки перед разгерметизацией камеры

(2)

 

Холостое время  складывается из времени напуска воздуха в рабочую камеру и ее открытия, времени загрузки подложек  и времени откачки рабочей камеры:

(3)

 

Рабочее время определяется особенностями технологического процесса и не может быть уменьшено. Поэтому для повышения производительности установок сокращают, а в некоторых случаях и совмещают составляющие, входящие в холостое время.

В зависимости от вида производства, а также требований производительности различают три типа установок:

периодического действия, используемые в мелкосерийном производстве, а также для отработки технологических процессов;

полунепрерывного действия, используемые в серийном производстве с относительно частой сменой технологического процесса;

непрерывного действия, используемые в крупносерийном и массовом производстве.

 

1.1.1. Форвакуумные насосы.

 

 

Рис. 2 Пластично-роторный механический насос.

 

Насосы этого типа имеет принцип действия, основанный на перемещении газа вследствие механического движения  рабочих частей, при котором происходит периодическое изменение объема рабочей камеры.

Механические форвакуумные и двухроторные насосы работают в области среднего вакуума, т. е. при давлении от 10 2 до 10 ˉ2 Па.

 

Механические форвакуумные насосы применяют в вакуумных установках для создания вакуума около 10ˉ1 Па при быстроте действия порядка единиц и десятков литров в секунду. Наибольшее распространение получили пластинчато-роторные механические насосы с масляным уплотнением (рис. 2, а), основными конструктивными элементами которых являются корпус б, камера 2 и ротор 7. Рабочая камера расположена в заполненном вакуумным маслом корпусе б. В роторе имеется сквозная щелевая прорезь, куда вставляются две пластаны 4, между которыми расположена пружина 3.Впускной патрубок 8 проходит через крышку корпуса б, масляную ванну 5 и стенку камеры 2 в ее откачное пространство, где вращается ротор 1 в направлении, показанном стрелкой. Ось вращения ротора совпадает с его геометрической осью, но смещена вверху по отношению к оси рабочей камеры так, чтобы он при вращении постоянно соприкасался в верхней часто с внутренней стенкой рабочей камеры. При вращении ротора пластины 4, разжимаемые пружиной 3 и центробежной силой вращения, скользят по внутренней цилиндрической поверхности рабочей камеры вдоль прорезей то сближаясь, то удаляясь друг от друга. На выходном патрубке рабочей камеры 2 расположен представляющий собой подпружиненную пластину выхлопной клапан, предназначенный для пропускания газа, выбрасываемого из насоса, и не допускающий его обратного проникновения. При работе насоса масло должно находиться на определенном уровне над клапаном. Уровень масла контролируют визуально через специальное окошко.

Слой масла над клапаном предохраняет его от непосредственного соприкосновения с атмосферным воздухом, а также служит для охлаждения рабочей камеры, так как особенностью пластинчато-роторных насосов является наличие большого количества трущихся поверхностей, что обусловливает нагрев рабочих частей. Кроме того, часть масла, поступающая в рабочее пространство, служит для смазывания трущихся частей и уплотнения зазоров в роторном механизме насоса.

Принцип действия насоса поясняется (рис. 2), б, где для простоты показаны только его рабочая камера с ротором и впускной и выпускной патрубки. Направления движения откачиваемого газа и вращения ротора указаны стрелками. Римскими цифрами указаны три характерных положения ротора, последовательно занимаемые им в течение одного полуоборота.

Если принять положение I за начальное, то в этом положении пластина А, продвинувшись вниз, создает расширение рабочего объема со стороны впускного патрубка 8, в результате чего происходит всасывание газа из откачиваемого объема (собственно откачка). Область между движущейся вниз пластиной и впускным патрубком насоса называют объемом всасывания.

Поступление газа в рабочий объем прекращается при подходе к впускному патрубку пластины Б (положение II). При этом объем, находящийся перед пластиной А, отсекается от откачиваемого. Затем газ, захваченный в отсеченный объем, перегоняется к выпускному патрубку, сжимается пластиной А и выбрасывается в атмосферу (положение III) через выхлопной клапан 7.

Положение III совпадает с начальным положением I, с той разницей, что пластины меняются местами. Дальше работа насоса продолжается в описанном порядке. В рабочей камере между пластинами всегда имеются три объема: разрежения, перегоняемый и сжатия.

Таким образом, каждая пластина выполняет двойную роль: с одной стороны, как бы тянет за собой газ, поступающий из впускного отверстия, а с другой — сжимает поступивший газ для выбрасывания его за пределы насоса через выпускной патрубок. При непрерывном вращении ротора всасывание и выбрасывание газа поочередно производятся обеими пластинами, в результате чего и происходит откачка вакуумного объема, к которому насос присоединяется впускным патрубком.

Так работает одноступенчатый насос, создающий вакуум порядка 10 Па. Для получения остаточного давления по воздуху до 10ˉ1 Па применяют двухступенчатый насос, состоящий из двух последовательно соединенных ступеней, размещенных в одном корпусе. Первая ступень обеспечивает форвакуум для второй ступени, которую часто называют высоковакуумной. Эти ступени можно уподобить двум отдельным насосам, причем выпускной патрубок одного из них (ближайшего к откачиваемому объему) присоединяется к впускному патрубку другого.