WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 27 |

Поэтому рассматриваемый эффект особенно существен, если в электроннолучевой установке поддерживается недостаточно высокий вакуум или если сама электронная бомбардировка сопровождается интенсивным выделением газов и паров. Типичные значения эффективных сечений соударения электронов с атомами и молекулами газов и паров в диапазоне энергий 102 - 104 эВ составляют 10-17 - 10-15 см2. Это означает, что при давлении остаточных газов 1 Па на каждом метре пути электрон испытывает в среднем от одного до ста таких соударений. Таким образом, для того, чтобы не менее 99% электронов доходили до поверхности без нежелательного взаимодействия с атомами окружающей среды, необходимо поддерживать давление остаточных газов в установке на уровне 10-2 - 10-4 Па и ниже.

Отметим, что столкновения электронов с атомами газообразной окружающей среды в ряде случаев оказываются полезными. Так, ионизацию газа электронным ударом используют в некоторых типах ионных источников, при ионной фокусировке мощных электронных пучков, в газоразрядных приборах, в вакуумной технике для получения и измерения вакуума и т.п.

Для процессов с малой чувствительностью в рабочем пространстве достаточен вакуум около 10-3 Па при полном отсутствии паров масла. При работе с фотокатодами во избежании отравления вакуум в прикатодном пространстве должен быть порядка 10-5 Па при полном отсутствии паров масла и органических веществ; при применении автоэмиссионных катодов необходимо разрежение до 10-7 Па.

3.3.5. Система сканирования Нередко ставится задача произвести обработку по уже имеющимся на пластине структурам. Ее решение требует сканировать пучок относительно заготовки с точностью порядка сотой доли наименьшего размера наименьшего элемента структуры, то есть доходящей до 0,01 мкм. В этом случае перемещение электронного пучка по мишени осуществляют с помощью электронно-оптических систем. Такое сканирование проводится обычно в сравнительно небольшом интервале расстояний от 1 до 1000 мкм.

Для перемещения образца на расстояния более 0,1-1 мм применяются механические системы. Для снижения затрат на механическую часть в большинстве случаев заготовку перемещают с допусками на точность установки 1-10 мкм. Остаточную погрешность механического позиционирования измеряют либо лазерным интерферометром, либо методом самопозиционирования пучка. Предпочтение отдается самопозиционированию, поскольку оно позволяет существенно ослабить требования к длительной стабильности пучка. Кроме того, заготовку на рабочем столе при этом достаточно установить с таким допуском, который соответствует радиусу действия системы самопозиционирования.

Контрольные вопросы 1. Перечислите основные узлы типовой электронно-лучевой установки.

2. Какие эмиссионные явления используются в источниках электронов ЭЛУ 3. Какие требования предъявляются к источнику электронов в ЭЛУ 4. Какие виды термокатодов наиболее полно удовлетворяют требованиям 5. Почему в электронно-лучевых установках практически не используются эффективные термокатоды на основе системы вольфрам - барий 6. В чем специфика плазменных источников электронов 7. Какие из электронных источников обеспечивают наиболее высокие плотности тока 8. Какие требования предъявляются к электронно-оптической системе ЭЛУ 9. Как учитывается влияние объемного заряда при формировании электронных пучков 10. Какие типы линз предпочтительны при формировании мощных низкоэнергетичных электронных пучков 11. Какие типы линз предпочтительны при формировании маломощных высокоэнергетичных электронных пучков 12. Сформулируйте условия выбора рабочего давления в электронно-лучевой установке.

13. Почему в ЭЛУ нежелательно применение масляных насосов 14. Перечислите способы управления электронным лучом в ЭЛУ.

15. Какова чувствительность сканирования электронного пучка с использованием электрических полей 3.4. ТЕРМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОННЫ Е ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ Чаще всего для технологической обработки используют различные тепловые эффекты, сопровождающие электронную бомбардировку. В этом случае, как правило, необходимо нагреть облучаемый участок до очень высоких температур, что возможно только при достаточно большой удельной мощности пучка.

Таблица 3.2.

Параметры электронного пучка при электронно-лучевой обработке Виды обработки Энергия Радиус электронного пучка, мкм электронов, кэВ нетермическая 250 0,01-хим. электронно-лучевая 5000 5-плавка 40 5-испарение 40 1-сварка 175 0,05-термическая размерная 150 2- Диапазоны мощности и удельной мощности пучка, используемые в основных процессах электронно-лучевой технологии, приведены в табл. 3.2.

3.4.1. Электронно-лучевое испарение материалов (ЭЛИ) В традиционных способах испарения материалов тепловая энергия подводится к испаряемой поверхности через стенку тигля. Метод ЭЛИ позволяет проводить прямой нагрев поверхности, что дает возможность применять водо-охлаждаемые тигли и, таким образом, исключать взаимодействие испаряемого материала со стенками. В настоящее время ЭЛИ заметно потеснило другие способы термического испарения и широко применяется для решения самых разнообразных задач - от производства тонкопленочных элементов в микроэлектронике до промышленной металлизации бумаги и антикоррозионной защиты стальных лент.

Принцип ЭЛИ поясняет рис.3.5. Поверхность испаряемого материала, помещенного в водоохлаждаемый тигель, разогревается электронным пучком до такой температуры, когда она становится источником пара. В потоке этого пара помещают подложку, на которую производят напыление. Испаритель оборудован средствами контроля и измерения, необходимыми для управления параметрами пучка в ходе испарения. Предусмотрен также ряд вспомогательных устройств: подогреватель подложки, заслонка для перекрытия потока пара, загрузочное приспособление для подачи материала в тигель.



Независимо от мощности установки, в диапазоне от 3 до 250 кВт для испарения применяют пучки с удельной мощностью 104 _ 105 Вт/см2, так как при Р >105 Вт/см2 у многих материалов начинается недопустимое разбрызгивание расплава. Чтобы катод не попадал под прямой поток пара, а сама пушка не затеняла рабочее пространство над тиглем, как правило, используют электромагнитное отклонение пучка.

Рис.3.5. Схема осуществления электронно-лучевого испарения Так как водоохлаждаемый тигель практически не реагирует с испаряемым веществом, то из одного и того же тигля можно испарять различные материалы. Для получения многослойных покрытий используют несколько тиглей, которые поочерёдно подвергают воздействию электронного пучка по заданной программе. При высоких скоростях испарения и большом расходе материала необходимо непрерывно пополнять его запасы в тигле.

Для получения особо чистых плёнок при ЭЛИ возможен бестигельный вариант испарителя. В простейшем случае материал можно испарять из жидкой лунки на поверхности массивного слитка. Для сублимирующихся материалов в качестве испарителя обычно используют заготовку в виде стержня или штабика, непрерывно перемещающегося под пучком. Наконец, если не требуются высокие скорости испарения, возможно нанесение покрытия из капли расплава, висящей на торце облучаемого электронами штабика.

Ожидаемое распределение толщины напыляемой плёнки вдоль её поверхности можно оценить, если известно пространственное распределение плотности потока пара, исходящего из испарителя. Для точечного испарителя распределение плотности пара по углам вылета изотропно: Ф() = const. Такое приближение, однако, справедливо только при бестигельном испарении из расплавленной капли. Большой интерес представляет характер распределения Ф() для пара, испускаемого плоским элементом поверхности, которое, как известно, подчиняется закону Ф() = Ф0cos ( - угол, отсчитываемый от нормали к поверхности). Однако, и это приближение не всегда отражает реальную картину, так как при используемых удельных мощностях Ре поверхность расплава редко остается плоской. Обычно под действием пучка на поверхности образуется кратер, глубина которого увеличивается с ростом Ре. В результате диаграмма направленности потока пара сужается и, как показывает опыт, при < 300 может быть приближенно описана выражением Ф() = Ф0(cos)m, (3.20) где m > 1 и возрастает с ростом Ре.

Если на расстоянии Rf от источника параллельно его поверхности поместить плоскую подложку (рис.3.6), то зная Ф(), можно рассчитать толщину наносимого слоя в любой выбранной точке. Действительно, в плоскости подложки интенсивность потока пара, убывающая при удалении от испарителя обратно пропорционально квадрату расстояния, составляет Ф()cos2/Rf2. Так как этот поток падает на подложку под углом, то на расстоянии rf от нормали к испарителю толщина пленки Ф dd = do cos3 = d0 cos =, (3.21) ( )m+m+3 /( ) Ф1+ rf / Rf ( )[ ] где df и do-толщина плёнки при = arctg(rf/Rf) и при = 0 соответственно.

Согласно (3.21) относительное изменение толщины вдоль слоя тем больше, чем больше показатель степени m (а, следовательно, и удельная мощность Pe):

d / d = m + 3 tg. (3.22) ( ) rf d d Подложка Ф () Ф Рис. 3.6. Определение толщины слоя по угловому распределению плотности потока пара При заданных требованиях к однородности толщины слоя формула (3.22) определяет максимально допустимый угловой размер подложки max.

Если ввести коэффициент использования материала fm, равный той части общей массы испарённого материала, которая достигла подложки, то для точечного испарителя fm = 1 - ( )m+cosmax. (3.23) Если задать d/d = 5%, то даже при m = 1 максимальный угол, согласно (3.22), не должен превышать 6,5o. Тогда из (3.25) имеем fm = 1,3%.

Таким образом, в случае точечного испарителя трудно обеспечить удовлетворительную равномерность слоя на достаточно большой поверхности, кроме того, коэффициент использования материала мал.

Чтобы получать при термическом испарении однородные по толщине плёнки большой площади, можно использовать, например, развёртку электронного пучка по поверхности широкого тигля или непрерывно перемещать подложку относительно испарителя.

3.4.2. Нанесение покрытий из сплавов и химических соединений При одной и той же температуре скорости испарения различных веществ могут сильно отличаться. Это существенно затрудняет термическое получение покрытий сложного состава, в которых необходимо выдерживать заданное соотношение между различными компонентами.

Подобные слои можно наносить из многотигельного испарителя, в котором компоненты испаряются порознь (каждый из своего тигля), а конденсируются на подложке совместно. Для получения покрытий с неизменным составом в этом случае, однако, требуется чрезвычайно высокая точность регулировки температуры. Например, при нанесении никелевых сплавов изменение T всего на 10 градусов приводит к изменению содержания Ni в покрытии на 10%. Поэтому гораздо чаще на практике используется схема ЭЛИ с одним тиглем, содержащим все необходимые материалы. Чтобы состав плёнки при этом не менялся, необходимо производить непрерывную подпитку тигля, причем скорость поступления каждой компоненты должна быть равна скорости её расхода за счет испарения. Поэтому подпитывающий f R материал должен иметь такой же точно состав, как и тот, который нужно получить в плёнке. Обычно в тигель сначала загружают материал такого состава и в ходе испарения добавляют его с требуемой скоростью. Нанесение плёнок из сплавов с постоянной подпиткой расплава ограничено интервалом температур, в котором давление паров компонент различается не более чем на три порядка. Методом электронно-лучевого испарения можно получать покрытие из труднолетучих и тугоплавких материалов: Al2O3, SiO2, стёкол, карбидов, но при этом наблюдается повышенная диссоциация.





Для приготовления плёнок химических соединений помимо описанных способов, используется реактивное нанесение, при котором в процессе испарения и конденсации материала происходит его химическое взаимодействие с введённым в объем газообразным реагентом.

Особенно широкое применение находит электронно-лучевое нанесение плёнок в микроэлектронике, где используется большая номенклатура самых различных материалов. Плотность мощности на поверхности бомбардируемых мишеней выбирают в диапазоне от 104 до 107 Вт/см2 при скорости испарения от 10-5 до 10-2 г/(см2с).

При ЭЛИ электронный КПД определяется при переносе мощности, которые в электронно-лучевых испарителях могут быть весьма значительными ввиду сравнительно высокого давления пара. Тепловой КПД зависит от того, какая часть перешедшей в теплоту мощности тратится полезно, т.е. в случае ЭЛИ идёт на нагрев испаряемого материала и его испарение.

Для испарителей средней мощности с небольшим тиглем, который хорошо отводит теплоту, тепловой КПД не превышает обычно несколько процентов. Кроме того, в таких устройствах трудно регулировать скорость испарения, так как возможны неконтролируемые изменения теплового контакта капли раствора с тиглем и, как следствие, колебания температуры расплава при постоянной подводимой мощности. Поэтому использовать небольшие водоохлаждаемые тигли имеет смысл лишь тогда, когда затраты энергии не играют существенной роли, и требования к постоянству скорости испарения невелики.

В испарителях большой мощности проблема экономии энергии становится весьма актуальной. Поэтому в этих случаях обычно используют режимы с высокой температурой испарения поверхности (так как скорость испарения растёт с повышением температуры гораздо быстрее, чем тепловые потери). Тепловой КПД в таких устройствах может быть близок к 100%.

Полный КПД установки при этом увеличивается не столь заметно, так как с ростом скорости испарения возрастает и доля мощности, теряемой в оболочке пара. Кроме того, при его расчете необходимо учитывать и коэффициент использования материала, который обычно существенно меньше единицы.

Наиболее полно удовлетворяют высоким требованиям к скорости распыления, чистоте плёнок, эксплуатационной надёжности при длительных стационарных режимах установки с аксиальными пушками. Однако они сложны по конструкции и дороги. Наибольшее распространение получили системы с поворотом электронного потока на угол 180 - 270o. В испарителях с поворотом электронного потока силовые линии магнитного поля в области его прохождения имеют выпуклую форму. В результате происходит сжатие ленточного луча в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка.

Поперечная фокусировка трансформирует луч ленточной формы вблизи поверхности расплава в поток с сечением, близким к круговому. Плотность мощности возрастает. Её регулирование можно осуществить изменением Uуск и напряжением Uф на модулирующем электроде пушки. Мощность встраиваемых в установки излучателей не превышает 15 кВт.

В промышленных электронно-лучевых испарителях типа ИЭЛ-2, ИЭЛ-3, ИЭЛ-5 трех электродный электронный прожектор генерирует через щели ленточный пучок, который в секторном магнитном поле поворачивается на углы от 90 до 180o.

Для получения равномерных покрытий подложки размещают на поверхностях с равной плотностью пара. Перемещают подложки относительно парового потока, например, закрепляя их на плоском держателе, наклонённом к оси испарителя и оснащённом планетарным приводом. Целесообразно применять источники пара с большой площадью испарения.

Возникновение паро-плазменного состояния над испаряемым веществом открывает новую возможность технологического использования электронного потока - проведение ионного плакирования материалов.

Подавая на подложку отрицательный потенциал порядка 100 В и помещая тигель в магнитное поле, при мощности электронного луча 14 кВт и давлении паров 710-2 Па на подложке удаётся получать плотности ионного тока до 100 мА/см2. Специальные конструкции плазмотронов для ионного плакирования с электронно-лучевым разогревом материала работают при ещё больших плотностях ионных токов.

Весьма актуальной проблемой современной электроники, в особенности криоэлектроники, является получение плёночных покрытий с ничтожно малыми концентрациями загрязняющих посторонних примесей. Одним из источников их возникновения являются остаточные газы самой вакуумной системы. Хотя электронно-лучевое испарение из-за высоких скоростей процесса позволяет наносить покрытие за малые времена, целесообразно рассматривать возможности снижения парциального давления остаточных газов в технологической камере.

Одно из решений - обеспечение работы устройства по схеме "вакуум в вакууме". Метод квазизамкнутого объёма позволяет реализовать эту схему.

Для конденсации плёнок в квазизамкнутом объёме внутри промышленной технологической камеры монтируют тонкостенную съёмную дополнительную камеру. В ней выполнено отверстие малой газовой проводимости для транспортировки внутрь объема электронного пучка.

Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.