- •Лабораторная работа №2. Электронно-лучевое напыление пленочных покрытий.
- •1. Корпус. 2. Подогреватель подложки. 3. Подложка. 4. Держатель.
- •5. Напуск атмосферы. 6. Заслонка. 7. Испаряемый материал.
- •8. Испаритель. 9. Герметизирующая прокладка.
- •1. Катод. 2. Управляющий электрод. 3. Мишень. 4.Водоохлаждаемый анод. 5. Подложка. 6. Пучок электронов. 7. Магнитная система управления лучом. 8. Водоохлаждаемый тигель.
- •1.Электронная пушка. 2.Магнитная система управления лучом. 3.Мишень. 4.Поворотный механизм. 5.Ввод электродов.
- •1.Модель процесса нагрева мишени.
1.Модель процесса нагрева мишени.
Будем считать, что в стационарном (установившемся) режиме нагрева вся мощность, выделяемая в зоне действия электронного луча, расходуется на нагрев мишени. Тогда P=Q, гдеQ– мощность тепловых потерь в мишени. Она является суммой двух составляющих (см. рис. 5): радиальных потерь () и вертикальных потерь (). То есть.
Рис.5. Модель нагрева мишени электронным лучом.
В твердом теле, находящемся в вакууме, теплопередача в направлении xосуществляется только за счет теплопроводности в соответствии с уравнением Био-Фурье
где - мощность тепловых потерь, Вт;- коэффициент теплопроводности материала мишени,;F– площадь теплообмена;- градиент температур в направленииx. Знак (-) в (4) отражает противоположные направления теплового потока и градиента температуры.
Для в зоне действия луча справедливо решение уравнения (5) как для плоской стенки с площадью теплообмена, равной площади сечения электронного лучаF=и с толщиной, равной толщине мишениh. После разделения переменных и интегрирования (5) в пределах, указанных на рис. 6a, будем иметь
где - температура поверхности мишени в зоне действия луча;- температура дна мишени. Так как практически всегда мишень помещается в водоохлаждаемом держателе, то температуруможно считать равной температуре охлаждающей воды.
Учитывая, что и – ()=после подстановки этих значений в (6) получим
Для радиальных потерь перепад температур по глубине мишени сильно различается. На поверхности мишени (h=0) он максимален, а с обратной стороны – равен нулю. Для упрощения расчетов можно принять допущение, что по всей толщине мишени имеет место средний перепад температур. В этом случае для радиальных потерь можно считать, что площадь теплообменаF=, а уравнение (5) примет вид
где - площадь поверхности цилиндра в центре мишени. Разделив переменные и проинтегрировав (8) в пределах, указанных на рис. 6б, получим
где - радиус мишени. Учитывая, чтои средний перепад температур в мишени равенуравнение (9) можно переписать в виде
Из уравнений (7) и (10) следует, что суммарные тепловые потери
или
Из (11) следует, что выражение имеет размерность длины. Его можно интерпретировать как эффективное расстояние, на которое распространяется тепло в мишени. В таблице 1 приведены теплофизические свойства металлов, наиболее часто используемых для получения покрытий. В таблице 1 приведены теплофизические свойства некоторых металлов, необходимые для расчета нагрева мишени.
Таблица 1. Теплофизические свойства некоторых металлов.
Металл
|
|
|
|
|
|
Аl |
0 |
2680 |
0,249 |
209 |
313 |
100 |
2740 |
0,254 |
213 |
306 | |
300 |
2810 |
0,265 |
225 |
302 | |
500 |
2840 |
0,277 |
235 |
296 | |
W |
0 |
19400 |
0,037 |
163 |
226 |
200 |
19600 |
0,037 |
141 |
190 | |
400 |
19800 |
0,038 |
128 |
168 | |
600 |
20000 |
0,039 |
114 |
146 | |
Au |
0 |
19300 |
0,036 |
313 |
447 |
500 |
19450 |
0,037 |
313 |
432 | |
Ni |
0 |
8100 |
0,118 |
61,6 |
64 |
400 |
8300 |
0,142 |
48,8 |
41,5 | |
800 |
7900 |
0,145 |
58 |
50,6 | |
Cu |
0 |
890 |
0,108 |
393 |
405 |
400 |
9000 |
0,113 |
365 |
360 | |
1000 |
9150 |
0,120 |
320 |
292 | |
Mo |
0 |
10250 |
0,07 |
141 |
197 |
400 |
10650 |
0,073 |
129 |
165 | |
1000 |
10750 |
0,078 |
104 |
125 | |
Pt |
0 |
21600 |
0,036 |
70 |
89 |
400 |
22250 |
0,038 |
77,5 |
91,3 | |
1000 |
22800 |
0,04 |
89,5 |
97,3 |
Лабораторное задание.
1. Ознакомиться с устройством, принципами работы вакуум-термического оборудования и методикой напыления пленочных покрытий.
2.Ознакомиться с устройством, принципом работы и сравнительными характеристиками электронно-лучевых испарителей. Освоить способы управления режимами работы испарителя.
3. Освоить методику расчета скорости и равномерности осаждения слоев.
4. Освоить методику расчета электронно-лучевого нагрева мишени.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
1.Ознакомиться с теоретическими сведениями об оценке скорости и равномерности осаждения покрытий в вакууме.
2. Ознакомиться с конструкцией, принципами и особенностями работы, достоинствами и недостатками различных типов электронно-лучевых испарителей.
3. Выполнить расчет электронно-лучевого нагрева рабочей зоны мишени.
Требования к отчету.
Отчет должен содержать:
1. Краткий конспект материала, изложенного в теоретическом введении описания лабораторной работы.
2. Схему, иллюстрирующую принцип работы кольцевого и ленточного электронно-лучевых испарителей.
3. Результаты выполнения заданий, выданных преподавателем.
Контрольные вопросы.
1. Схема блока осаждения установки для нанесения пленок в вакууме; названия и назначение основных элементов.
2. Основные этапы и параметры процессов нанесения пленок в вакууме.
Последовательность проведения процесса нанесения пленок в вакууме.
4. Параметры, от которых зависят скорость и равномерность напыления пленки; назначение планетарных систем подложкодержателей.
5. Общие принципы работы, преимущества и недостатки электронно-лучевых испарительных систем. Основные модификации электронно-лучевых испарительных систем; принципы их работы.
6. Испаритель с кольцевым катодом. Принцип работы, особенности, достоинства и недостатки.
7. Испаритель с ленточным катодом. Принцип работы, особенности, достоинства и недостатки.
8. Сравнительные характеристики электронно-лучевых испарителей. Управление режимом работы электронно-лучевого испарителя. Основные параметры; практические приемы.
9. Методика расчета нагрева мишени электронным лучем.
Рекомендуемая литература.
Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. М.,"Мир",1985,с.96-103,123-127,
2. 3и С. Технология СБИС, т.2,М.,"Мир",1986,с.71-76.
3. Под ред. Масленникова П.Н. Оборудование полупроводникового
производства. М., "Радио и связь",1981,с.83-88.
.