WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 12 | 13 || 15 | 16 |   ...   | 27 |

После начальной откачки основной технологической камеры до 10-3 Па включается электронный поток, который испаряет геттерирующий материал внутри дополнительной камеры. Конденсация плёнки гетера на внутренних стенках её сопровождается улучшением вакуума на 2-3 порядка по сравнению с вакуумом в основной камере. Производительность процесса увеличивается в 5 - 10 раз, так как длительность всего процесса откачки сокращается до 1,5 - 2 часов. После достижения необходимого вакуума поворачивают заслонку и напыляют плёнку на рабочую подложку. Метод позволил получить ниобиевые плёнки с малыми количествами загрязнений, пригодные для применения в криоэлектронных устройствах.

В серийных установках напыления плёнок оценку максимально допустимого остаточного давления газа можно провести по соотношениям частот столкновений атомов газа г и пара п с единицей поверхности подложки. Если предположить, что остаточный газ по свойствам близок к воздуху при температуре 293 К, то М рг г р = 55,5, (3.24) Vк п где г и п - частоты столкновений атомов газа и пара, приходящихся на единицу поверхности, 1/(м2с); Мр - массовое число частиц пара; pг-давление газов в технологической камере, Па; - плотность испаряемого материала, г/см3; Vк-скорость конденсации слоя покрытия, нм/с.

Задаваясь скоростью конденсации и давлением газа в установке при нанесении выбранного типа покрытия, оцениваем отношение частот столкновений. Если поток молекул остаточных газов в течение процесса конденсации паров в 15-20 раз меньше, чем поток паров, то такое напыление будет эквивалентно высоковакуумному.

Следовательно, необходимо использовать высокоскоростные процессы, реализуемые в импульсных режимах работы электронно-лучевых испарителей. Импульсное напыление на частотах 100-1000 Гц даже при форвакуумном давлении 10-10-1 Па по результатам эквивалентно нанесению плёнок в вакууме порядка 10-6 - 10-7 Па. Импульсный режим способствует образованию сплошной плёнки при меньшей её толщине, а также лучшему сохранению состава исходного сплава.

Типовой режим для установки с электронной пушкой мощностью 3 кВт:

ускоряющее напряжение 20 кВ; плотность мощности 105 Вт/см2; частота следования импульсов 100 Гц при их длительности 10-3 с; скорость конденсации плёнки 1-3 мкм/с, за один импульс испаряется около 10-5 -10-6 г массы.

Такие режимы могут быть осуществлены на различных электроннолучевых отечественных установках, в частности ЭЛУ-9, А.306.9, А306.13.

Максимальный ток пучка в них составляет 200 мА при регулируемом до кВ ускоряющем напряжении. Частота следования импульсов устанавливается в диапазоне от 7 до 20 Гц, их длительность регулируется от 1 до 50 мс.

Диаметр фокального пятна 0,3 – 0,5 мм. Перемещение подложек осуществляют с помощью специального электромеханического привода.

Промышленные установки типа УВН-73П-1 предназначены для групповых методов нанесения плёнок на подложки больших размеров. Для контроля и управления процессом напыления установки типа "Оратория-9" с мощностью испарителя 10-15 кВт оснащены аналоговыми вычислительными машинами.

Нанесение металлических и диэлектрических покрытий осуществляют также на установках УРМ.3.279.011, имеющих пушку мощностью 3 кВт с током луча 300 мА и ускоряющим напряжением 10 кВ. Электронный поток в них имеет поворотную траекторию.

3.4.3. Обработка несфокусированным пучком Нагрев несфокусированными потоками электронов используется, в основном, для обезгаживания материала деталей, рекристаллизации пленочных композиций перед механической обработкой в вакууме или диффузионной сваркой. Эти процессы целесообразно проводить в вакуумных устройствах больших объемов с вмонтированными в камеры ленточными или проволочными катодами. Обычно катоды устанавливаются по окружности вокруг изделия, на которое подается напряжение. При отключенном анодном напряжении возможен нагрев излучением от термокатодов и предварительное обезгаживание деталей. Нагрев электронной бомбардировкой осуществляется при ускоряющих напряжениях до 10 кэВ.

Переплав используется в технологии особо чистых материалов, а также материалов, обладающих повышенной химической активностью. Металлы в результате вакуумного переплава очищаются от легколетучих примесей, в них снижается концентрация растворенных газов, а пластичность повышается.

В отличие от высокочастотного переплава, при электронном переплаве уменьшается вероятность загрязнения примесями. В установках с несколькими пушками можно переплавлять несколько металлов одновременно, получая сплав требуемого состава. В технологических системах с катодом в виде кольца, внутри которого размещается переплавляемый слиток, можно осуществить очистку материала методом зонного переплава. Концевые участки слитка, обогащенные примесями, удаляют. В результате вакуумного зонного переплава концентрация примесей в полупроводниковых материалах может быть снижена до 10-6-10-атомных процентов. При обработке многокомпонентных сплавов на основе железа наблюдается относительное увеличение в них содержания W, Mo, V, Si вследствие их меньших скоростей испарения по сравнению с железом, тогда как концентрация Cu и Mn в переплавленном материале уменьшается.

Электронная плавка используется также для выращивания монокристаллов по методу Чохральского и Вернейля. По первому методу из расплава с определенной температурой, поддерживаемой бомбардировкой электронами, вверх с помощью предварительно ориентированной затравки вытягивают монокристаллический слиток. В бестиглевом методе Вернейля материал в виде порошка подается на поверхность расплава. Эта поверхность непрерывно разогревается электронной бомбардировкой. Монокристалл вытягивается вниз со строго контролируемой скоростью.



3.4.4. Электронно-лучевая обработка Электронно-лучевые процессы реализуются при воздействии сфокусированного электронного луча на материал. При этом материал можно располагать не только в плоскости наименьшего сечения луча. Изменение поперечного сечения луча вне плоскости фокусировки зависит от расстояния z от этой плоскости:

d2 (z) = d2 + 42 z2, (3.25) где - апертура луча.

Так, при = 10-2 уже на расстоянии 50 мм диаметр пучка увеличивается на 1 мм, это позволяет уменьшить плотность мощности на объекте обработки.

Сварка электронным пучком Особенностью электронно-лучевой сварки является возможность получения очень высоких локальных плотностей тепловой энергии при сравнительно небольшом тепловложении. Это позволяет получать сварные соединения таких материалов, которые не свариваются традиционными методами. Области применения электронно-лучевой сварки очень велики - от сварки корпусов ракет до присоединения контактов в микросхемах.

Процесс сварки можно вести при низком ускоряющем напряжении (до 30 кВ), среднем (до 80 кВ) и высоком (до 200 кВ). Электронный пучок на поверхности стыка материалов фокусируют в пятно диаметром от 0,1 мм до нескольких миллиметров, что при мощности сварочных пушек 1—100 кВт позволяет достигать плотностей мощности q = 105 - 107 Вт/см2.

Изменяя параметры процесса, можно получать различные соотношения глубины h проплавления к ширине d шва. По значению этого соотношения различают следующие режимы сварки: мягкий (h<d), с «кинжальным» проплавлением (h>>d). Глубокое проплавление достигается при относительно малом вводе тепловой мощности в материал.

Простота управления параметрами пучка во времени и пространстве позволяет реализовать как непрерывную, так и импульсную обработку;

выполнять швы сложной конфигурации. Выбор режима сварки зависит от теплофизических свойств материалов, конструкции сварного соединения и требуемой геометрии зоны проплавления.

Для формирования шва сфокусированный электронный пучок должен перемещаться вдоль линии соединения с определенной скоростью v. При непрерывном процессе сварки чаще вcего соблюдают соотношение h/d = 1.

Глубина проплавления при низких и средних ускоряющих напряжениях зависит от мощности пучка. Если пренебречь рассеянием электронов в парах материала, то сила тока луча и ускоряющее напряжение примерно одинаково влияют на глубину проплавления. При высоких ускоряющих напряжениях значительная часть мощности расходуется на ионизацию паров в области кратера проплавления.

При транспортировке пучка к свариваемым материалам электроны соударяются с молекулами остаточных газов и паров материала и рассеиваются. Значительное расширение луча наблюдается уже при давлении 1—10 Па. При числах соударений e>20 происходит уменьшение отношения h/d, а при e104, электроны рассеиваются под углом более 10° к первоначальному их направлению, и сварку осуществлять уже невозможно.

Поэтому в сварочных камерах поддерживают вакуум р<10-2 Па.

Однако при ускоряющих напряжениях более 125 кВ и расстоянии от выходного отверстия пушки до детали в несколько миллиметров можно выполнять сварку с отношением h/d = 1 - 5 даже при атмосферном давлении.

Установлено, что при силе тока пучка, выходящего в атмосферу, порядка мА плотность газа в области потока электронов снижается в 8 раз - в результате возможно подведение к поверхности материала потока электронов с достаточной для сварки плотностью.

Одной из проблем сварки является требование ограничения степени закалки и предотвращения появления закалочных трещин. Для этого необходимо снизить скорость нагрева (dT/dt), например, предварительно подогревая области, прилегающие к будущему шву, до температуры 150 – 400 °С. Подогрев можно проводить расфокусированным электронным потоком, сканируя им вдоль и поперек шва и создавая тепловые поля с необходимыми характеристиками. При этом используют пилообразную, меандровую, круговую или синусоидальную развертку.

Для полного или частичного восстановления свойств исходного материала в зоне шва в качестве заключительной операции проводят термический отжиг, технологически осуществляемый так же, как и предварительный подогрев. Выполнение сварных швов со сложными траекториями требует использования специальных поворотных столов, позволяющих перемещать детали в разных направлениях с определенными скоростями.

Особый интерес представляет проведение сварки с глубоким, так называемым «кинжальным» проплавлением, когда можно достичь отношения h/d = 40. Этот режим характеризуется большими ускоряющими напряжениями и плотностями мощности q>107-108 Вт/см2. Так как глубина проникновения электронов в материал пропорциональна Uуск, то основное выделение энергии происходит под поверхностным слоем. Перегрев в глубине материала не компенсируется отводом теплоты за счет теплопроводности. Поэтому возникает пароплазменный канал с высоким давлением пара. Давление пара определятся температурой и может достигать значений от нескольких сотен до тысяч Паскалей в зависимости от вида материала.





Канал с радиусом Rк периодически перекрывается жидкой пленкой, сквозь которую электроны пучка проходят с малыми потерями (см. рис. 3.4).

Энергия потока электронов затрачивается, в основном, на испарение материала у основания канала - в результате в нем еще более возрастает давление паров. Непосредственно после вскипания материала концентрация частиц пара возрастает до 1016-1018 см-3. Она достигает критического значения, вызывая разрыв пленки, когда часть парового потока ионизируется, и становятся возможными электронно-плазменные взаимодействия. Результатом этих взаимодействий, как и многократных упругих взаимодействий электронов, является размытие потока и рассеяние электронов на боковые стенки. При рассеянии их до 90-95 % от общего потока энергии пучка тратится на образование жидкой фазы. Жидкая фаза вытесняется вверх реактивной силой паров и снова замыкает канал в его верхней части. Вследствие периодичности процессов внутри канала наблюдается волнообразный характер его сечения по глубине. При критическом давлении пара перед разрывом пленки пучок отдает в вещество наибольшую энергию, зона теплового воздействия расширяется.

На определенном этапе рассматриваемого процесса может проявляться эффект ионной фокусировки электронного пучка, когда ионизированная паровая компонента действует как электростатическая линза.

Определить значение критического давления pкр можно из равенства сил, действующих на жидкую пленку (силы давления паров и силы поверхностного натяжения), тогда pкр = 2/R0, где R0 - радиус жидкой пленки на поверхности; - коэффициент поверхностного натяжения.

Расчеты для расплава железа показывают, что при =1,5 Н/м величины R0=1,510-4 м; pкр 20 кПа (150 мм рт.ст.). Если рассмотреть пленку над паровым каналом в состоянии динамического равновесия, то можно оценить температуру Tк внутри канала по измеряемой температуре жидкой пленки Tп:

Tђ = T•[ pђр /(2pПАР )2], (3.26) где коэффициент учитывает геометрию и изменяется в зависимости от величины h2 по закону косинуса; pПАР - давление паров материала при соответствующей температуре пленки.

Ориентировочные расчеты подтверждают, что при температуре поверхностной пленки T = 2400 oC на дне канала глубиной h = 10 мм должны периодически достигаться температуры T 4900 oC, т.е. выше температуры поверхности на 2500 oC.

В режиме «кинжального» проплавления ширина швов b уменьшается пропорционально величине Uуск. Если приближенно считать сечение канала постоянным, то изменение глубины h плавления при изменении ускоряющего напряжения можно рассчитать по формуле h2 = h1 Uуск1 / Uуск2, (3.27) откуда h1 / b1 Uуск=. (3.28) h2 / b2 UускВ некоторых технологических процессах весьма существенным может оказаться тепловое воздействие на области, примыкающие к «кинжальному» каналу. В этих граничных областях возникают высокие градиенты температуры, а тепловая волна имеет малую протяженность. С целью снижения температуры нагрева прилегающих областей целесообразно использовать импульсные режимы обработки.

При скважности импульсов G 0,1 наблюдается слабое образование жидкой фазы, и процесс проплавления может перейти в процесс образования отверстия. Изменяя скважность в пределах G = 0,25 - 1, можно регулировать количество жидкой фазы и изменять температурное поле в прилегающих к шву областях.

3.4.5. Термическая размерная электронно-лучевая обработка К термической размерной электронно-лучевой обработке относится группа способов микрообработки, при которых в результате локального нагрева, плавления или испарения материала происходит перестройка структуры или изменение формы облучаемого участка. Примерами такой обработки могут служить получение отверстий или пазов с заданным профилем, бесконтактная резка дефицитных и труднообрабатываемых материалов, фрезерование, полировка и т.д. Главная особенность размерной электронно-лучевой обработки заключается в том, что ее ход и результаты определяются не механическими свойствами материала, как при традиционных способах, а его теплофизическими свойствами. Это изменяет характер обработки, а иногда (например, для хрупких, пластичных и твердых материалов) расширяет ее технологические возможности.

Размерная обработка материалов выполняется с помощью сфокусированных потоков электронов с плотностями мощности q>106 - Вт/см2. Этот вид обработки используется для формирования планарных изображений, подгонки номиналов элементов тонкопленочных схем, обработки изделий микроэлектроники на основе ряда материалов: Si, Ge, керамики, ферритов, керметов и т.д. Мощность установок для этих целей в непрерывном режиме обычно не превышает 1 кВт, а в импульсном - 15 кВт.

Длительность импульсов выбирают в диапазоне 0,1 мкс - 1 мс, реализуя моноимпульсный или многоимпульсный режим. Результат размерной обработки зависит от теплофизических свойств материала (температуры плавления, теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности).

Профиль канала обработки и его диаметр определяют выбором параметров процесса (плотности мощности q, длительности импульса tимп, тока импульса Iи и положения фокуса относительно поверхности).

Pages:     | 1 |   ...   | 12 | 13 || 15 | 16 |   ...   | 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.