Електронно-променеві випарники

РЕФЕРАТ

на тему:

Електронно-променеві випарники

Лазерний, електронно-променевий, "вибуховий" випар

Принцип електронно-променевого нагрівання полягає в тому, що кінетична енергія потоку прискорених електронів при бомбардуванні ними поверхні речовини перетворюється в теплову енергію, у результаті чого вона нагрівається до температури випару.

Для утворення електронного променя необхідне джерело вільних, тобто не пов'язаних з іншими частками, електронів. Для того щоб електрон вилетів з металу назовні, його швидкість повинна бути спрямована убік поверхні металу й він повинен перебороти дію сил, що прагнуть повернути його назад у метал.

Роботу з подолання електроном поверхневих сил, що прагнуть удержати його в металі, називають роботою виходу. При кімнатній температурі кількість електронів у металі, енергія яких перевищує роботу виходу, мізерно мало. Однак їхня кількість різко зростає при росту температури за рахунок збільшення інтенсивності теплового хаотичного руху.

Випущення електронів металами, нагрітими до високої температури, називають термоелектронною емісією (Малюнок 1, а), а виконані з металу елементи, використовувані для одержання вільних електронів, - термоелектронними катодами, або просто катодами. Матеріалом катодів звичайно служить вольфрамовий дріт. Для розжарення катода, поміщеного у вакуумну камеру, через нього пропускають електричний струм.

Малюнок 1. Ефект термоемісії (а), прискорення електронів (б) і формування електронного променя (в):

1 - емиттированні електрони, 2 - термокатод, 3 - стінка вакуумної камери, 4 - ізолятори, 5 - джерело харчування термокатода, 7 - прискорений електрон, 6,8 - аноди, Р - електронний промінь

Спіральний термокатод 2 закріплюють на стінках 3 вакуумні камери через ізолятори 4. При подачі струму розжарення від джерела 5 відбувається нагрівши термокатода з випущенням електронів 1. Ці електрони мають різну енергію й напрямок їхнього руху від катода хаотично. Дня прискорення (підвищення енергії) і спрямованого руху електронів необхідно створити прискорювальне електричне поле.

Розглядаючи рух електронів в електричному полі, припускають, що вони перебувають у досить розрідженому просторі. При цьому взаємодією між молекулами газу, що залишився в об'ємі, і електронами, що рухаються, можна зневажити.

Як відомо з електротехніки, на заряджену частку - електрон, що перебуває в електричному полі, діє сила, пропорційна напруженості цього поля, у результаті чого частка прискорюється. Швидкість (км/с), що придбає електрон під дією різниці потенціалів И між двома крапками поля, дорівнює

При цьому кінетична енергія (еВ) електрона

де ті - маса електрона.

У пристрої для прискорення електронів (Малюнок 1, б) у декількох сантиметрах від катода розміщають анод 6, що створює електричне поле Е, напрямок якого показано стрілкою. Між анодом 6 і катодом 2 утвориться різниця потенціалів від 5 до 10 кВ. Електрони, емитуємі катодом 2, притягаються анодом 6 і утворять спрямований потік прискорених електронів 7.

Для формування електронного променя 9 (Малюнок 1, в) використовують анод 8 з отвором, через яке проходить значна частина електронного потоку.

Розглянемо рух електрона в магнітному полі й силу, що діє на електрон, що влітає в магнітне поле між полюсами постійного магніту перпендикулярно силовим лініям цього поля.

Електрон, що рухається, можна представити як електричний струм, що проходить через провідник. Тоді по відомому з електротехніки правилу лівої руки можна визначити напрямок сили, що діє на електрон. Якщо розташувати ліву руку так, щоб силові лінії магнітного поля впиралися в долоню, а витягнуті пальці були спрямовані убік, протилежну напрямку швидкості V електрона то відігнутий великий палець покаже напрямок сили, що діє на електрон, що летить. Ця сила буде пропорційна напруженості магнітного поля й швидкості електрона.

Малюнок 2. Електронно-променевий випарник:

1 - полюсний наконечник, 2 - електромагніт, 3 - тигель, 4 - матеріал, що, випаровується 5 - потік матеріалу, 6 - термокатод, 7 - фокусуючи система, 8 - електронний промінь, 9 - тонка плівка, 10 - подложка

Таким чином, сила FЕ, що діє на електрон, перпендикулярна напрямкам швидкості його руху й силових ліній магнітного поля. Оскільки сила FЕ діє завжди перпендикулярно швидкості руху електрона, вона змінює не швидкість його, а тільки напрямок. Під дією цієї сили траєкторія руху електрона безупинно змінюється, тобто викривляється (як це показано на малюнку 2 штриховою лінією). Отже, якщо перпендикулярно електронному променю прикласти магнітне поле, він відхилиться.

Фокусування електронного променя дозволяє одержувати більшу концентрацію потужності на порівняно малій поверхні (5 х 10 Вт/див2), а отже, випаровувати будь-які, навіть самі тугоплавкі матеріали з досить великою швидкістю.

Електронно-променевий випарник (Малюнок 2) складається із трьох основних частин: електронної гармати, що відхиляє системи й тигля.

Електронна гармата призначена для формування потоку електронів і складається з вольфрамового термокатода 6 і системи 7. Електрони, емитруємі катодом, проходять систему, прискорюються за рахунок різниці потенціалів між катодом і анодом (до 10 кВ) і формуються в електронний промінь 8. система, Що Відхиляє, призначена для створення магнітного поля, перпендикулярного напрямку швидкості руху електронів, що виходять із системи гармати, і складається з полюсних наконечників 1 і електромагніта 2. Між полюсними наконечниками розташований тигель 3 і електронна гармата. Відхиляючи електронний промінь магнітним полем, його направляють у центральну частину тигля 3. У місці падіння променя створюється локальна зона випару речовини з рідкої фази. Нагрітий електронним бомбардуванням матеріал 4 випаровується, і потік пар 5 осаджується у вигляді тонкої плівки 9 на подложке 10. Змінюючи струм у котушці електромагніта 2, можна сканувати променем уздовж тигля, що запобігає утворенню "кратера" у матеріалі.

Мідні тиглі ємністю 50 див3 і більше забезпечують тривалу безперервну роботу без добавки матеріалу, що випаровується, що, крім того, не контактує в розплавленому виді з мідними стінками тигля ("автотигельний випар"), а виходить, і виключається їхня взаємодія.

Електронно-променеві випарники можуть бути одно-и многотигельной конструкції, з розворотом променя на 5.3.30 і 180°. При куті відхилення електронного променя до 270° виключається влучення матеріалу, що випаровується, на катод і забруднення плівок матеріалом катода, що під час роботи також випаровується.

Недоліки цих випарників - складність апаратури живлення й керування, труднощі випару металів високої теплопровідності (мідь, алюміній, срібло, золото) з тигля, необхідність частої заміни і юстировки катода, а також харчування високою напругою, що вимагає дотримання відповідних правил техніки безпеки.

Катодне розпилення

Іонне розпилення, руйнування негативного електрода (катода) у газовому розряді під дією ударів позитивних іонів. У більше широкому змісті - руйнування твердої речовини при його бомбардуванні зарядженими або нейтральними частками.

К.р., з одного боку, небажане явище, що зменшує термін служби електровакуумних приладів; з ін. сторони, К.р. має практичне застосування для очищення поверхонь, виявлення структури речовини (іонне травлення), нанесення тонких плівок, для одержання спрямованих молекулярних пучків і т.д. іони, Що Бомбардують, проникаючи в глиб мішені, викликають зсув її атомів. Ці зміщені атоми, у свою чергу, можуть викликати нові зсуви й т.д. Частина атомів при цьому досягає поверхні речовини й виходить за її межі. За певних умов частки можуть залишати поверхня мішені у вигляді іонів. У монокристалах найбільш сприятливі умови для виходу часток складаються в напрямках, де щільність упакування атомів найбільша. У цих напрямках утворяться ланцюжки зіткнень (фокусони), за допомогою яких енергія й імпульс зміщених часток передаються з найменшими втратами. Істотну роль при К.р. грає процес іонів, що визначає глибину їхнього проникнення в мішень К.р. спостерігається при енергії іонів E вище деякої величини E0, називаним порогом К.р. Значення E0 для різних елементів коливаються від одиниць до декількох десятків ев. Кількісно К.р. характеризується коефіцієнтом розпилення S, рівним числу атомів, вибитих одним іоном. Поблизу порога S дуже мало (10-5 атомів/іон), а при оптимальних умовах S досягає декількох десятків. Величина S не залежить від тиску газу при малих тисках р < 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. ст), але при р > 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. див) відбувається зменшення S за рахунок збільшення числа часток, що осаджуються назад на поверхню. На величину S впливають як властивості іонів, що бомбардують, - їхня енергія Ei (Малюнок 3 а), маса Mi (Малюнок 3 б), кут падіння її на мішень (Малюнок 3 в), так і властивості речовини, що розпорошується - чистота поверхні, температура, кристалічна структура, маса атомів мішені.

Кутовий розподіл часток, що вилітають із поверхні, що, анизотропно. Воно залежить від енергії іонів, а для монокристаллов також від типу кристалічної решітки й будови грані. Осад з речовини, що розпорошується, що утвориться на екрані, має вигляд окремих плям, причому симетрія картини осаду та ж, що й симетрії грані, що, і результати, що утворилися на ній у результаті К.р. фігур травлення (Малюнок 3 г). Енергії часток коливаються від декількох часток ев до величин порядку енергії первинних іонів. Середні енергії часток, що розпорошуються, становлять звичайно десятки ев і залежать від властивостей матеріалу мішені й характеристик іонного пучка

електронний променевий випарник розпилення

Високочастотне розпилення. Реактивне розпилення

Для високочастотного й реактивного іонного розпилення використовують як звичайні діодні, так і магнетронні системи.

Високочастотне розпилення почали застосовувати, коли треба було наносити діелектричні плівки. У попередній главі передбачалося, що речовина - метал. При цьому іон, що вдаряється об мішень, робочого газу нейтралізується на ній і вертається у вакуумний об'єм робочої камери.

а)

б)

в)

г)

Малюнок 3 а-г

Якщо матеріал, що розпороли - діелектрик, то позитивні іони не нейтралізуються й за короткий проміжок часу після подачі негативного потенціалу покривають шаром мішень, створюючи на її поверхні позитивний заряд. Поле цього заряду компенсує первісне поле мішені, що перебуває під негативним потенціалом, і подальше розпилення стає неможливим, тому що іони з розряди але притягаються до мішені.

Для того щоб забезпечити розпилення діелектричної мішені, доводиться нейтралізувати позитивний заряд на її поверхні подачею високочастотного (ВЧ) змінного потенціалу. При цьому в системі розпилення, що являє собою систему (Малюнок 4, а, б) з катодом 2, оточеним екраном 1 (анодом може служити вакуумна камера), відбуваються наступні процеси.

Тому що в плазмі позитивного стовпа 4 утримуються рівні кількості іолов і електронів, при змінній поляризації мішені по час негативного напівперіоду (Малюнок 5, а) вона притягає іони 3. Прискорені іони бомбардують і розпорошують діелектричну мішень, одночасно передаючи їй свій заряд. При цьому мішень накопичує позитивний заряд і інтенсивність розпилення починає знижуватися. Під час позитивного напівперіоду (Малюнок 5, б) мішень притягає електрони 5, які нейтралізують заряд іонів, перетворюючи їх у молекули 6. У наступні негативний і позитивний напівперіоди процеси повторюються й т.д.

У промислових установках ВЧ розпилення ведеться на єдиній дозволеній частоті 13,56 Мгц, що перебуває в діапазоні радіозв'язку. Тому іноді ВЧ розпилення називають радіочастотним.

Реактивне розпилення застосовують для нанесення плівок хімічних сполук (оксидів, нітридів). Необхідну хімічну сполуку одержують, підбираючи матеріал. При цьому методі в робочу камеру в процесі розпилення вводять дозована кількість так званих реактивних (хімічно активних) газів. Причому для нанесення плівок оксидів і нітридів у робочий газ - аргон - додають відповідно кисень і азот. Основними умовами при одержанні необхідних сполук є ретельне очищення реагентів і відсутність натікання, а також в камері.

Малюнок 4. Схеми високочастотного розпилення при негативному (а) і позитивному (б) напівперіодах напруги: 7 - екран, 2 - катод, 3 - іони, 4 - плазма, 5 - електрони, б - молекули

Недолік реактивного розпилення - можливість осадження сполук на катоді, що істотно зменшує швидкість росту плівки.

При реактивному розпиленні реакції можуть протікати як на мішені, так і в зростаючій плівці, що залежить від співвідношень реактивного газу й аргону. Під час відсутності аргону реакції відбуваються на мішені. При цьому розряд протікає в'януло, тому що більшість атомів реактивного газу витрачається на утворення на поверхні мішені сполук, які перешкоджають розпиленню. Щоб реактивні процеси проходили на подложке, кількість реактивного газу не повинне перевищувати 10%; інше становить аргон.

При реактивному розпиленні кремнію кисень, що напускається в робочу камеру, взаємодіє з атомами, що конденсують на поверхні подложки, кремнію, у результаті чого утвориться плівка SiO2.

При нанесенні реактивним розпиленням діелектричних плівок нітриду кремнію Si3N4 відбувається аналогічний процес. У робочу камеру напускають ретельно осушений і очищений від кисню аргон з добавкою азоту. Іони цих газів, бомбардуючи кремнієвий катод, вибивають із нього атоми кремнію й на подложке внаслідок великої хімічної активності іонізованих атомів азоту утвориться плівка нітриду кремнію Si3N4, що відрізняється високою хімічною стійкістю.

Тому що умови реакції при нанесенні діелектричних плівок істотно залежать від сталості в робочому газі процентного вмісту реактивного газу, що напускається, необхідно строго стежити за його подачею. Напуск газів у робочу камеру звичайно роблять двома способами:

уводять обидва гази (аргон і реактивний) з магістралей або балонів, контролюючи витрату реактивного газу мікровитратоміром і підтримуючи постійний тиск;

уводять заздалегідь в підготовлену сполуку робочу суміш газів з резервуара.

ЛІТЕРАТУРА

1. Черняєв В.Н. Технологія виробництва інтегральних мікросхем і мікропроцесорів. – К., 2003

2. Технологія СБИС. В 2 кн. – К., 2006

3. Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв. Довідник – К.,.2001

4. Достанко А.П., Баранів В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи СБИС. – К., 2006

5. Таруї Я. Основи технології СБИС. – К., 2005