РЕФЕРАТ
на тему:
Електронно-променеві випарники
Лазерний,електронно-променевий, «вибуховий» випар
Принципелектронно-променевого нагрівання полягає в тому, що кінетична енергія потокуприскорених електронів при бомбардуванні ними поверхні речовини перетворюєтьсяв теплову енергію, у результаті чого вона нагрівається до температури випару.
Для утворення електронногопроменя необхідне джерело вільних, тобто не пов'язаних з іншими частками,електронів. Для того щоб електрон вилетів з металу назовні, його швидкістьповинна бути спрямована убік поверхні металу й він повинен перебороти дію сил,що прагнуть повернути його назад у метал.
Роботу з подолання електрономповерхневих сил, що прагнуть удержати його в металі, називають роботою виходу.При кімнатній температурі кількість електронів у металі, енергія яких перевищуєроботу виходу, мізерно мало. Однак їхня кількість різко зростає при ростутемператури за рахунок збільшення інтенсивності теплового хаотичного руху.
Випущення електронівметалами, нагрітими до високої температури, називають термоелектронною емісією(Малюнок 1, а), а виконані з металу елементи, використовувані для одержаннявільних електронів, — термоелектронними катодами, або просто катодами. Матеріаломкатодів звичайно служить вольфрамовий дріт. Для розжарення катода, поміщеного увакуумну 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 — джерелохарчування термокатода, 7 — прискорений електрон, 6,8 — аноди, Р — електроннийпромінь
Спіральний термокатод 2закріплюють на стінках 3 вакуумні камери через ізолятори 4. При подачі струмурозжарення від джерела 5 відбувається нагрівши термокатода з випущеннямелектронів 1. Ці електрони мають різну енергію й напрямок їхнього руху відкатода хаотично. Дня прискорення (підвищення енергії) і спрямованого рухуелектронів необхідно створити прискорювальне електричне поле.
Розглядаючи рух електронів велектричному полі, припускають, що вони перебувають у досить розрідженомупросторі. При цьому взаємодією між молекулами газу, що залишився в об'ємі, іелектронами, 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 двомакрапками поля, дорівнює
/>
При цьому кінетична енергія(еВ) електрона
/>
де ті — маса електрона.
У пристрої для прискоренняелектронів (Малюнок 1, б) у декількох сантиметрах від катода розміщають анод 6,що створює електричне поле Е, напрямок якого показано стрілкою. Між анодом 6 ікатодом 2 утвориться різниця потенціалів від 5 до 10 кВ. Електрони, емитуємікатодом 2, притягаються анодом 6 і утворять спрямований потік прискоренихелектронів 7.
Для формування електронногопроменя 9 (Малюнок 1, в) використовують анод 8 з отвором, через яке проходитьзначна частина електронного потоку.
Розглянемо рух електрона вмагнітному полі й силу, що діє на електрон, що влітає в магнітне поле міжполюсами постійного магніту перпендикулярно силовим лініям цього поля.
Електрон, що рухається, можнапредставити як електричний струм, що проходить через провідник. Тоді повідомому з електротехніки правилу лівої руки можна визначити напрямок сили, щодіє на електрон. Якщо розташувати ліву руку так, щоб силові лінії магнітногополя впиралися в долоню, а витягнуті пальці були спрямовані убік, протилежнунапрямку швидкості V електрона то відігнутий великий палець покаже напрямоксили, що діє на електрон, що летить. Ця сила буде пропорційна напруженостімагнітного 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 — тонкаплівка, 10 — подложка
Таким чином, сила FЕ, що дієна електрон, перпендикулярна напрямкам швидкості його руху й силових лініймагнітного поля. Оскільки сила FЕ діє завжди перпендикулярно швидкості рухуелектрона, вона змінює не швидкість його, а тільки напрямок. Під дією цієї силитраєкторія руху електрона безупинно змінюється, тобто викривляється (як цепоказано на малюнку 2 штриховою лінією). Отже, якщо перпендикулярноелектронному променю прикласти магнітне поле, він відхилиться.
Фокусування електронногопроменя дозволяє одержувати більшу концентрацію потужності на порівняно малійповерхні (5 х 10 Вт/див2), а отже, випаровувати будь-які, навіть самітугоплавкі матеріали з досить великою швидкістю.
Електронно-променевийвипарник (Малюнок 2) складається із трьох основних частин: електронної гармати,що відхиляє системи й тигля.
Електронна гармата призначенадля формування потоку електронів і складається з вольфрамового термокатода 6 ісистеми 7. Електрони, емитруємі катодом, проходять систему, прискорюються зарахунок різниці потенціалів між катодом і анодом (до 10 кВ) і формуються велектронний промінь 8. система, Що Відхиляє, призначена для створеннямагнітного поля, перпендикулярного напрямку швидкості руху електронів, щовиходять із системи гармати, і складається з полюсних наконечників 1 іелектромагніта 2. Між полюсними наконечниками розташований тигель 3 іелектронна гармата. Відхиляючи електронний промінь магнітним полем, йогонаправляють у центральну частину тигля 3. У місці падіння променя створюєтьсялокальна зона випару речовини з рідкої фази. Нагрітий електроннимбомбардуванням матеріал 4 випаровується, і потік пар 5 осаджується у виглядітонкої 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 ібільше забезпечують тривалу безперервну роботу без добавки матеріалу, щовипаровується, що, крім того, не контактує в розплавленому виді з міднимистінками тигля («автотигельний випар»), а виходить, і виключаєтьсяїхня взаємодія.
Електронно-променевівипарники можуть бути одно-и многотигельной конструкції, з розворотом променяна 5.3.30 і 180°. При куті відхилення електронного променя до 270° виключаєтьсявлучення матеріалу, що випаровується, на катод і забруднення плівок матеріаломкатода, що під час роботи також випаровується.
Недоліки цих випарників — складність апаратури живлення й керування, труднощі випару металів високоїтеплопровідності (мідь, алюміній, срібло, золото) з тигля, необхідність частоїзаміни і юстировки катода, а також харчування високою напругою, що вимагаєдотримання відповідних правил техніки безпеки.
Катодне розпилення
Іонне розпилення, руйнуваннянегативного електрода (катода) у газовому розряді під дією ударів позитивнихіонів. У більше широкому змісті — руйнування твердої речовини при йогобомбардуванні зарядженими або нейтральними частками.
К.р., з одного боку, небажанеявище, 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 спрямованихмолекулярних пучків і т.д. іони, Що Бомбардують, проникаючи в глиб мішені,викликають зсув її атомів. Ці зміщені атоми, у свою чергу, можуть викликатинові зсуви й т.д. Частина атомів при цьому досягає поверхні речовини й виходитьза її межі. За певних умов частки можуть залишати поверхня мішені у вигляді іонів.У монокристалах найбільш сприятливі умови для виходу часток складаються внапрямках, де щільність упакування атомів найбільша. У цих напрямках утворятьсяланцюжки зіткнень (фокусони), за допомогою яких енергія й імпульс зміщенихчасток передаються з найменшими втратами. Істотну роль при К.р. грає процесіонів, що визначає глибину їхнього проникнення в мішень К.р. спостерігаєтьсяпри енергії іонів E вище деякої величини E0, називаним порогом К.р. Значення E0для 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 приоптимальних умовах S досягає декількох десятків. Величина S не залежить від тискугазу при малих тисках 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), кутпадіння її на мішень (Малюнок 3 в), так і властивості речовини, щорозпорошується — чистота поверхні, температура, кристалічна структура, масаатомів мішені.
Кутовий розподіл часток, щовилітають із поверхні, що, анизотропно. Воно залежить від енергії іонів, а длямонокристаллов також від типу кристалічної решітки й будови грані. Осад зречовини, що розпорошується, що утвориться на екрані, має вигляд окремих плям,причому симетрія картини осаду та ж, що й симетрії грані, що, і результати, щоутворилися на ній у результаті К.р. фігур травлення (Малюнок 3 г). Енергіїчасток коливаються від декількох часток ев до величин порядку енергії первиннихіонів. Середні енергії часток, що розпорошуються, становлять звичайно десяткиев і залежать від властивостей матеріалу мішені й характеристик іонного пучка
електроннийпроменевий випарник розпилення
Високочастотне розпилення.Реактивне розпилення
Для високочастотного йреактивного іонного розпилення використовують як звичайні діодні, так імагнетронні системи.
Високочастотне розпиленняпочали застосовувати, коли треба було наносити діелектричні плівки. Упопередній главі передбачалося, що речовина — метал. При цьому іон, щовдаряється об мішень, робочого газу нейтралізується на ній і вертається увакуумний 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 часупісля подачі негативного потенціалу покривають шаром мішень, створюючи на їїповерхні позитивний заряд. Поле цього заряду компенсує первісне поле мішені, щоперебуває під негативним потенціалом, і подальше розпилення стає неможливим,тому що іони з розряди але притягаються до мішені.
Для того щоб забезпечитирозпилення діелектричної мішені, доводиться нейтралізувати позитивний заряд наїї поверхні подачею високочастотного (ВЧ) змінного потенціалу. При цьому всистемі розпилення, що являє собою систему (Малюнок 4, а, б) з катодом 2,оточеним екраном 1 (анодом може служити вакуумна камера), відбуваються наступніпроцеси.
Тому що в плазмі позитивногостовпа 4 утримуються рівні кількості іолов і електронів, при зміннійполяризації мішені по час негативного напівперіоду (Малюнок 5, а) вона притягаєіони 3. Прискорені іони бомбардують і розпорошують діелектричну мішень,одночасно передаючи їй свій заряд. При цьому мішень накопичує позитивний заряді інтенсивність розпилення починає знижуватися. Під час позитивногонапівперіоду (Малюнок 5, б) мішень притягає електрони 5, які нейтралізуютьзаряд іонів, перетворюючи їх у молекули 6. У наступні негативний і позитивнийнапівперіоди процеси повторюються й т.д.
У промислових установках ВЧрозпилення ведеться на єдиній дозволеній частоті 13,56 Мгц, що перебуває вдіапазоні радіозв'язку. Тому іноді ВЧ розпилення називають радіочастотним.
Реактивне розпиленнязастосовують для нанесення плівок хімічних сполук (оксидів, нітридів).Необхідну хімічну сполуку одержують, підбираючи матеріал. При цьому методі вробочу камеру в процесі розпилення вводять дозована кількість так званихреактивних (хімічно активних) газів. Причому для нанесення плівок оксидів інітридів у робочий газ — аргон — додають відповідно кисень і азот. Основнимиумовами при одержанні необхідних сполук є ретельне очищення реагентів івідсутність натікання, а також в камері.
/>
Малюнок 4. Схемивисокочастотного розпилення при негативному (а) і позитивному (б) напівперіодахнапруги: 7 — екран, 2 — катод, 3 — іони, 4 — плазма, 5 — електрони, б — молекули
Недолік реактивногорозпилення — можливість осадження сполук на катоді, що істотно зменшуєшвидкість росту плівки.
При реактивному розпиленніреакції можуть протікати як на мішені, так і в зростаючій плівці, що залежитьвід співвідношень реактивного газу й аргону. Під час відсутності аргону реакціївідбуваються на мішені. При цьому розряд протікає в'януло, тому що більшістьатомів 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 розпиленнікремнію кисень, що напускається в робочу камеру, взаємодіє з атомами, щоконденсують на поверхні подложки, кремнію, у результаті чого утвориться плівкаSiO2.
При нанесенні реактивнимрозпиленням діелектричних плівок нітриду кремнію Si3N4 відбувається аналогічнийпроцес. У робочу камеру напускають ретельно осушений і очищений від кисню аргонз добавкою азоту. Іони цих газів, бомбардуючи кремнієвий катод, вибивають ізнього атоми кремнію й на подложке внаслідок великої хімічної активностііонізованих атомів азоту утвориться плівка нітриду кремнію Si3N4, щовідрізняється високою хімічною стійкістю.
Тому що умови реакції принанесенні діелектричних плівок істотно залежать від сталості в робочому газіпроцентного вмісту реактивного газу, що напускається, необхідно строго стежитиза його подачею. Напуск газів у робочу камеру звичайно роблять двома способами:
уводять обидва гази (аргон іреактивний) з магістралей або балонів, контролюючи витрату реактивного газумікровитратоміром і підтримуючи постійний тиск;
уводять заздалегідь впідготовлену сполуку робочу суміш газів з резервуара.
ЛІТЕРАТУРА
1. ЧерняєвВ.Н. Технологія виробництва інтегральних мікросхем і мікропроцесорів. – К.,2003
2. ТехнологіяСБИС. В 2 кн. – К., 2006
3. ГотраЗ.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв. Довідник – К.,.2001
4. ДостанкоА.П., Баранів В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи СБИС. – К.,2006
5. ТаруїЯ. Основи технології СБИС. – К., 2005