Катодное распыление (журналы и методы по фхомнту для всех 8ми семинаров также лекций чутка)

1

1. ТЕХНИКА КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

1.1. Техника получения вакуума Для получения технологического вакуума 10^-7 мм рт. ст. применяют

различные типы вакуумных насосов. В зависимости от начального давления их

разделяют на две группы: форвакуумные и высоковакуумные. К первой группе

относят насосы, начинающие откачку при атмосферном давлении и обеспечи-

вающие получение предварительного вакуума (форвакуума) в 10^-2–10^-3 мм рт.

ст., и высоковакуумные насосы, работающие в диапазоне от форвакуума и выше

[1].

В технологических установках объединяют насосы первой и второй

групп в вакуумном агрегате, в состав которого входят вакуумная камера,

коммутирующие вентили, предохранительные ловушки, цепи автоматики, цепи

измерения вакуума, скорости осаждения и т.д.

Основной характеристикой вакуумного насоса является быстрота

откачки, т.е. количество газа, проходящего через впускное отверстие насоса в

единицу времени (л/с).

Простейшими по принципу работы являются форвакуумные

адсорбционные насосы, основанные на способности предварительно

обезгаженных поверхностей поглощать газы за счет физической адсорбции.

В качестве адсорбента применяют цеолит. Цеолитом называют губчатое

мелкопористое вещество с размером пор в несколько ангстрем. Для охлаждения

адсорбента на насос надевают сосуд Дьюара с жидким азотом, а для

регенерации – нагреватель. Главными недостатками адсорбционных насосов

являются большой расход жидкого азота, плохая откачка водорода, имеющего

наименьший размер молекулы, и инертных газов [2].

Механические форвакуумные насосы с масляным уплотнением

работают за счет периодического изменения объема рабочей камеры насоса.

2

Качество работы механических форвакуумных насосов зависит от пригонки

трущихся деталей. Уменьшение обратного натекания газа достигается за счет

масляного уплотнения трущихся поверхностей. Пленка масла создает

непроницаемость для газа в подвижных сочленениях.

Применяемое в качестве уплотнителя масло должно иметь низкое

давление паров, не окисляться на воздухе, обладать вязкостью для создания

прочной уплотнительной пленки.

Турбомолекулярные высоковакуумные насосы основаны на принципе

сообщения оставшимся в высоком вакууме молекулам газа направленного

движения за счет быстро движущейся поверхности. Перепад давлений

пропорционален скорости, площади поверхности и молекулярному весу газа.

Конструкция откачиваемого узла турбомолекулярного насоса подобна

конденсатору переменной емкости. Зазор между роторными и статорными

пластинами составляет около 1 мм, пластины имеют отверстия со скошенными

краями, в результате чего создается радиальное движение молекул от оси

насоса. Перепад давлений, следовательно, направлен от оси к боковым стенкам.

В некоторых конструкциях турбомолекулярных насосов вращение ротора

может достигать до 100000 об/мин.

Турбомолекулярные насосы откачивают до 10^-9 мм рт. ст., но обладают

селективностью: для более тяжелых газов компрессия (отношение давления на

выходе к давлению на входе) больше, чем для легких. Поэтому при предельном

вакууме в камере остается только водород [3].

Пароструйные (диффузионные) высоковакуумные насосы работают на

принципе сообщения остаточным молекулам газа дополнительной скорости и

основаны на захвате молекул откачиваемого газа струей пара рабочей

жидкости, которая увлекает их из откачиваемого объема. Рабочая жидкость

нагревается в кипятильнике, образующийся пар поступает к соплам и выходит

из них с большой скоростью.

3

Струя пара пересекает рабочую камеру насоса. Противоположная стенка

камеры охлаждена, пар конденсируется на ней, освобождая молекулы

откачиваемого газа, а конденсат стекает обратно в кипятильник. К выходному

патрубку насоса присоединяется форвакуумный насос.

В качестве рабочей жидкости применяют нефтяные масла специальной

перегонки, кремнийорганические жидкости и ртуть.

Масляные пароструйные насосы дешевы в эксплуатации, позволяют

получить вакуум до 10^-8 мм рт. ст. Однако возможно попадание молекул масла в

откачиваемые вакуумные камеры. Молекулы масла, проникшие в

технологический объем, оседают на подложках. Для улавливания молекул

масла применяют различные типы ловушек [3].

Геттерно-ионные насосы имеют преимущество в том, что загрязнение

углеводородом вакуумных камер сведено к минимуму, поскольку в них отсутст-

вует интенсивный источник ионов. Геттерно-ионные насосы используют

явление поглощения газов осаждаемой пленкой. Поглощение протекает как в

результате хемосорбции, так и «замуровывания» инертных атомов. Газ

поглощается свежеосажденным на внутреннюю полость насоса слоем титана,

титано-молибденового сплава или хрома при сублимационном, электронно-

лучевом или ионном распылении. В последнем случае насосы называют

электроразрядными. Процесс откачки геттерно-ионных насосов включает

ионизацию остаточных молекул газа электронами, эмиттируемыми катодом.

Эффективность ионизации зависит от вероятности встречи электрона с

молекулой газа. Вероятность повышается с удлинением пути электронов. Для

этого применяют ассиметрию электрического поля или внешнее магнитное

поле. Предварительно обезгаженный насос может дать вакуум до 10^-9 мм рт. ст.

4

1.2. Техника измерения вакуума Приборы для измерения полных малых давлений в вакуумной технике

называются манометрами. В литературе и практике употребляется также

термин вакуумметры. Большинство манометров состоит из двух элементов:

датчика – преобразователя сигнала и измерительного блока [4].

По принципу действия манометры можно свести в следующие классы:

1. Жидкостные манометры, в которых измеряемое давление или

разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости (U–образные

манометры и их модификации).

2. Компрессионные манометры, действие которых основано на законе

изотермического сжатия идеального газа (манометры Мак-Леода).

3. Деформационные манометры, использующие в качестве

чувствительного элемента сильфон, мембрану и т.п. Величина деформации

чувствительного элемента служит мерой давления.

4. Тепловые манометры, использующие зависимость теплопроводности

газа от давления. Они подразделяются на термопарные и манометры

сопротивления.

5. Ионизационные манометры, в которых давление определяется по

значению ионного тока. Большая группа приборов этого класса подразделяется

в свою очередь на:

а) электроразрядные, принцип действия которых основан на

зависимости параметров электрического разряда в разреженном газе от

давления;

б) электронные ионизационные, ионизация газа в которых

осуществляется потоком электронов, ускоряемых электрическим полем.

Всю группу манометров можно также разделить на приборы прямого и

косвенного действия.

5

Манометрами прямого действия являются приборы, которые

непосредственно измеряют давление газа. Манометрические свойства этих

манометров можно заранее рассчитать или получить с помощью градуировки

по динамометрическим приборам. Отсчет давления манометра прямого

действия принципиально не зависит от состава газа и его температуры. Эти

приборы перекрывают диапазон 10–10^-3 Па, причем их относительная

погрешность тем меньше, чем выше давление. К манометрам прямого действия

относятся жидкостные, компрессионные и деформационные. Манометры

косвенного действия измеряют не само давление, а некоторую его функцию и,

как правило, состоят из датчика (манометрического преобразователя) и

радиотехнического измерительного блока. Отсчет давления (выходной сигнал)

у манометров косвенного действия зависит от рода газа и его температуры [4].

Шкалы манометров косвенного действия откалиброваны в единицах

давления или электрических единицах. В последнем случае к приборам

прилагается переводная градуировочная кривая или приводится его

чувствительность. Градуировочные кривые составляются при градуировке

приборов косвенного действия по манометрам прямого действия и, строго

говоря, верны только для условий, воспроизводящих условия градуировки.

Измерение давлений ниже 1,33∙10^-3 Па (10^-5 мм рт. ст.) практически

возможно только приборами косвенного действия, поскольку усилия при таких

давлениях ничтожно малы (при 1.33∙10^-3 Па ~ 1,3∙10^-8 кгс/см²). Таким образом,

давление как нагрузка теряет свой смысл. Более показателен при таких

давлениях другой параметр – молекулярная концентрация, т.е. плотность

частиц газа в единице объема, которую, кстати, и измеряют манометры

косвенного действия [5].

При измерении давлений манометрами косвенного действия точность

отсчета невелика из-за влияния большого числа трудно учитываемых факторов

(изменение состава газа и его температуры, сорбционно-десорбционных

процессов в датчике и т.п.). Погрешность измерения давления обычно

колеблется в пределах от 10 % до 60 % измеряемой величины.

1.3. Оценка времени откачки рабочего объема Схема процесса откачки вакуумного колпака, под которым проводятся

технологические процессы напыления, представлена на рис.1.1. Работа

вакуумного насоса характеризуется скоростью откачки s_{н (л/с), т.е. объемом} газа при данном давлении, удаляемым насосом за единицу времени. Скорость

откачки многих насосов в широкой области давлений приблизительно

постоянна.

Поток газа, откачиваемый в единицу времени:

Qv = pvsн, (1.1)

где pv – давление в месте измерения потока газа, мм рт. ст. ∙л/с ;

s_{н = dV/dt – скорость откачки в насосе.}

Рисунок 1.1. Схема процесса откачки

6

7

На рис. 1.1 считаем , что откачиваемый поток газа Q_{и в любом сечении} трубопровода 2 постоянен. В то же время давление под колпаком p_{v больше} давления в насосе p_{н, иначе не было бы откачиваемого потока Qи.}

В сечении насоса 1 поток газа:

Qн = sнpн, (1.2)

где s_{н, pн – соответственно скорость откачки и давление в насосе.} В сечении трубопровода 2 у колпака поток газа

Qv = sэpv, (1.3)

где s_{э – эффективная скорость откачки в этом сечении; pv – давление под} колпаком. Из равенств (1.2) и (1.3) можно сделать вывод, что s_{э< sн.}

На рис 1.1: Q_{д – поток газа, десорбирующийся с поверхности колпака;}

Q_{п - поток газа, проникающий под колпак извне; Qн – поток газа, поступающий} из насоса в откачиваемую систему.

Основным уравнением, описывающим процесс откачки, является

Vdp = dt(sэp - Qд - Qн - Qи). (1.4)