3.3 Система управления вакуумными насосами

Для удобства управления откачкой вакуума была спроектирована компьютеризированная система управления, позволяющая контролировать работу вакуумных насосов с экрана компьютера. Для этого, была сконструирована плата связывающая ЭВМ и вакуумные насосы. Схематичное изображение системы управления представлено на рисунке 3.7. Такая система позволяет включать и выключать вакуумные насосы с ПК /40/, /41/.

На рисунке 3.8 представлена принципиальная схема блока управления вакуумной системой, данное устройство позволяет при помощи ПК управлять включением и выключением вакуумных насосов. Сигнал переданный с компьютера преобразуется в сигнал включения или выключения, в зависимости от того что выбрано пользователем. Клиентское приложение программы управления написано на Delphi, а программа прошивки микроконтроллера на Assembler.

3.4 Вывод.

На основе выше приведенных расчетов и разработок для установки ионно-лучевого осаждения была создана вакуумная система удовлетворяющая параметрам процесса ионного осаждения. Созданная вакуумная система, полностью удовлетворяет процессу ионного осаждения, и с помощью гетеро-ионных насосов обеспечивает безмасляный глубокий вакуум свыше 10^-4 Па. Проведенный расчет вакуумной проводимости и давления в системе показывает удовлетворительное сходство с опытными результатами. Применение малого (вспомогательного) гетеро-ионного насоса существенно расширило возможности ионного источника. Так как стало возможным повысить давление ионизированного газа, что существенно увеличило концентрацию ионизированных атомов в источнике, при этом в рабочей камере сохраняется необходимый вакуум процесса. Управление вакуумной системой автоматизировано и максимально удобно для оператора установки.

1-Персональный компьютер; 2-Блок управления; 3-Блок усиления.

Рисунок 3.7 Схематичное изображение системы управления вакуумной системой.

Рисунок 3.8 Принципиальная схема блока управления вакуумной системой

Глава 4 Расчетные и экспериментальные параметры тонких пленок и структур, полученные с помощью ионно-лучевого осаждения

В настоящей главе осуществлено построение математической модели осаждения тонкопленочных поликристаллических слоев методом ионно-лучевого осаждения. Произведен расчет основных аспектов технологии получения тонкопленочных солнечных элементов. Приведена технология осаждения тонкопленочных полупроводниковых и металлических слоев поликристаллического тонкопленочного солнечного элемента. Показана технология получения тонкопленочного поликристаллического солнечного элемента.

4.1 Физические принципы осаждения тонких пленок

Если поверхность на которую происходит осаждение окружена паром при давлении р, то на единицу поверхности в единицу времени падает N= р/(2mkT)^1/2 частиц массы т /11/. Часть этих частиц адсорбируется поверхностью. В то же время каждая адсорбированная частица, совершая тепловые колебания по нормали к поверхности, может десорбироваться с вероятностью ν =ехр ( – E_дес/kT). Время, в течение которого частица находится на поверхности, определяется выражением

(4.1)

– средняя частота колебаний адсорбированных атомов (  10¹² – 10¹³ с ^-1);

Е_дес — энергия активации десорбции.

В равновесных условиях поток испаряющихся атомов равен потоку, падающему на подложку. Концентрация адсорбированных единичных атомов связана с постоянным уходящим с поверхности потоком частиц j_и следующим выражением: .

При равенстве потоков падающих атомов и уходящих (реиспарившихся с поверхности)

(4.2)

где р – давление пара при температуре поверхности Т.

Оценим и t_a для грани (111) кристалла кремния, окру­женного собственным паром, насыщенным при Т =1000 К, т. е. имеющим давление р = 1,6∙10^-5 Па. Масса атома кремния т = 4,76∙10 ^-24 г. Для алмазной решетки, которую имеет кремний, в приближении ближайших соседей E_дес  0,5 ( — теплота сублимации), т. е. Е_дес = 3,85∙10^-19 Дж/атом. Принимая =10¹³ Гц, получим  3∙10 ⁸ см ^-2. На одно атомное место на грани (111) Si приходится ~10^-15 см² поверхности. Поэтому при указанных условиях доля мест, занятых атомами, составляет всего 3∙10^-3. При уменьшении температуры до 900 К и сохране­нии того же давления окружающего пара или плотности пада­ющего на поверхность потока, доля занятых мест возрастает до 3∙10^-2.

Время жизни атома на поверхности t_a при указанных условиях составляет ~ 1,3∙10^-1 с (T = 900 К) и ~ 5∙10^-1 (T = 1000 К). Адсорбированные атомы совершают тепловые колебания не только вдоль нормали к поверхности, но и параллельно поверхности, что приводит к их перескокам в соседние положения, т. е. к диф­фузии вдоль поверхности.

Частота, с которой адсорбированный атом совершает переходы на поверхности кристалла, определяется коэффициентом его по­верхностной диффузии, который может быть выражен следующим уравнением:

(4.3)

– частота колебаний адсорбированного атома около положения равновесия;

– энергия активации диффузии при пере­ходе адсорбированного атома между двумя соседними положе­ниями, отстоящими друг от друга на расстоянии а.

Из уравнений (4.2) и (4.3) можно определить средний путь перемещения адсорбированного атома за время нахождения его на поверхности t_a:

(4.4)

Из экспериментальных данных следует, что изменяется в пределах между 10^-6 и 10^-3 см.

В частности, для атомов кремния на грани (111) кристалла кремния значение ~ 1,76∙10^-19 Дж, а E_дес = 3,84∙10^-19 Дж. При Т = 1000 К длина диффу­зионного пробега по грани (111) кристалла кремния составляет = 4∙10³а = 1,8 мкм (расстояние между соседними положениями адсорбции а ~ 0,45 нм). Поскольку E_дес >> , изменение зависит от соотношения E_дес/kТ и обычно быстро возрастает с понижением температуры /12/.

Адсорбированные атомы попадают в данное положение адсорбции на поверх­ности либо с соседних положений адсорбции, либо непосредственно из паровой фазы. На грани (111) алмазной решетки каждое положение адсорбции имеет по шесть эквивалентных соседей, на грани (111) ГЦК решетки таких соседей три, а на грани (100) простой кубической решетки — четыре и т. д. Соответственно частота поступления атомов с соседних мест в какое-либо положение адсорбции, занимающее в среднем площадь а², составляет на грани (111) алмазной решетки . Частота поступления атомов непосредственно из паро­вой фазы pa²/(2mkT)^1/2. Отношение этих частот составляет с учетом выражения (4.3) величину ехр [(E_дес – )/kT]. Учитывая, что E_дес >> , частота посту­пления атомов в каждое положение адсорбции с соседних положений на поверх­ности значительно больше, чем непосредственно из паровой фазы. Так, для грани (111) кристалла кремния при Т=1000 К отношение указанных частот ехр [(E_дес – )/kT] = 4∙10⁶ >> 1. Это показывает, что при кристаллизации из пара ведущую роль играет поверхностная диффузия адсорбированных атомов. В этом случае при рассмотрении процессов кристаллизации из пара можно не учитывать рост кристалла за счет атомов, поступающих на поверхность непосред­ственно из паровой фазы /15/.

Все приведенные выше рассуждения в основном применимы к росту пленок из паровой фазы. В технологии ионно-лучевой эпитаксии применяется такой параметр, как плотность ионного потока. Он показывает, какое количество частиц падает на единицу поверхности в единицу времени /41/. Данный параметр применительно к установке ионно-лучевого осаждения является функцией скорости осаждения /37/.