Реферат: Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов
Из формулы и таблицы 2 следует, что по мере удаления воздуха из объема, т.е. уменьшения давления, λ увеличивается. Причем может наступить такой момент, когда взаимные столкновения молекул практически прекратятся и будут происходить лишь их столкновения со стенками сосуда (камеры).
Чтобы определить вид столкновений молекул газа, необходимо определить соотношение между средней длиной свободного пути молекул λ и характерным размером d – диаметром сосудов цилиндрической формы и длиной меньшей стороны сосудов прямоугольной формы (квадратная камера). Отношение λ/d является критерием разделения вакуума на низкий, высокий и средний.
При низком вакууме средняя длина свободного пути молекул λ значительно меньше характерного размера сосуда d, т.е. λ<<d. Молекулы при этом испытывают преимущественно постоянные столкновения друг с другом, вследствие чего их путь представляет собой ломанные линии. При столкновении со стенками сосуда молекулы газа удерживаются на них, т.е адсорбируются.
Высокий вакуум характеризуется тем, что средняя длина свободного пути молекул λ значительно больше характерного размера сосуда d, т.е. λ>>d. При высоком вакууме в сильно разряженном газе хотя и сохраняется хаотический характер движения молекул, но взаимодействие между ними из-за малого количества практически исчезает и они движутся прямолинейно в пределах предоставленного объема, сталкиваясь в основном со стенками сосуда. Ударившись о стенку сосуда и пробыв очень малое время в адсорбированном состоянии, молекулы отрываются и летят в случайных направлениях. Поэтому некоторые части стенок сосуда могут быть свободны от слоя адсорбированных молекул газа.
Средний вакуум характеризуется тем, что средняя длина свободного пути молекул λ приблизительно равна характерному размеру сосуда d, т.е. λ≈d. При чем возможны траектории движения молекул, частично присущие условиям низкого, а частично высокого вакуума.
5. Влияние вакуума на процесс нанесения пленок
Процессы, происходящие при нанесении тонких пленок, во многом определяются средней длиной свободного пути частиц осаждаемого вещества. Для анализа процессов, происходящих при нанесении тонких пленок имеет соотношение λв /dип . При этом под λв понимают длину свободного пути частиц потока наносимого вещества, вышедшего из источника, а под dип – расстояние от источника до подложки.
При нанесении пленок в среднем вакууме частицы осаждаемого вещества имеют различный характер движения. Часть из них при движении по направлению к подложке претерпевает большое количество соударений с молекулами газа, и траектория их движения имеет вид ломаной линии. При этом полностью нарушается первоначальная ориентировка движения частиц. В результате некоторые частицы после ряда столкновений попадают на подложку. Часть частиц попадает на нее без столкновений. Некоторые частицы не попадают на подложку, а конденсируются на стенках камеры, образуя равномерное пленочное покрытие. Соударение отдельных частиц может привести даже к осаждению пленки на обратной стороне подложки.
При нанесении пленок в высоком вакууме частицы осаждаемого материала летят независимо друг от друга по прямолинейным траекториям без взаимных столкновений и столкновений с молекулами газа, не изменяя своего направления, на стенках камеры и поверхности подложки.
Условия вакуума влияют на рост пленок следующим образом.
Во-первых, если вакуум не достаточно высокий, заметная часть частиц, летящих из источника потока, встречает молекулы остаточного газа и в результате столкновения с ними рассеивается, т.е. теряет первоначальное направление своего движения и не попадает на подложку. Это существенно снижает скорость нанесения пленки на подложку.
Во-вторых, остаточные газы в рабочей камере, поглощаемые растущей на подложке пленке в процессе ее роста, вступают в химические реакции с наносимым веществом, что ухудшает электрофизические параметры пленки (повышается ее сопротивление, уменьшается адгезия, возникают внутренние напряжения и др.).
Таким образом, чем ниже вакуум и чем больше в остаточной атмосфере вакуумной камеры примеси активных газов, тем сильнее их отрицательное влияние на качество наносимых пленок, а также на производительность процесса.[4]
6. Вакуумные системы
6.1 Основные сведения
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 от 105 Па (атмосферное) до 10-5 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 газа, входящим в состав воздуха.
Для создания технологического вакуума 10-5 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.
Переходя к изучению вакуумных насосов, прежде всего рассмотрим их основные параметры – предельное остаточное давления, которое обычно приводятся в паспортных данных.
Предельное остаточное давление – это наименьшее давление, которое может быть создано данным насосом при закрытом входном патрубке. 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 изменятся 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 втору входят насосы, требующие для работы предварительного разряжения, которое обычно создается дополнительным насосом, называемым насосом 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 разряжения, приблизительно равно наибольшему давлению запуска.
6.2 Средства получения вакуума
Основным элементом вакуумных систем являются насосы. Различают механические форвакуумные и двухроторные насосы, пароструйные диффузионные, а также криогенные и турбомолекулярные насосы.
Механические форвакуумные и двухроторные насосы.
Насосы этих двух типов имеют одинаковые принципы действия, основанные на перемещении газа вследствие механического движения их рабочих частей, при котором происходит периодическое изменение объема рабочей камеры.