Andrey Shishkin

Методы нанесения тонких пленок путем осаждения делятся на две основные группы: - физическое осаждение из паровой фазы (Physical Vapor Deposition - PVD),

когда процесс осаждения протекает без каких-либо химических реакций

- химическое осаждение из паровой фазы (Chemical Vapor Deposition - CVD), когда формирование пленки происходит в результате химической реакции прекурсоров на подложке.

При физическом осаждении из паровой фазы материал, из которого формируется пленка, переходит в газовую фазу из твердого состояния - в результате испарения под воздействием тепловой энергии (термическое

испарение) или - посредством распыления атомов мишени за счет кинетической энергии

столкновения частиц материала с пучком высокоэнергетических частиц.

В процессе испарения переход из твердой в паровую фазу осуществляется путем нагрева за счет: - резистивного сопротивления, - индукционного нагрева, - электронным лучом, - лазерным лучом, - низковольтной дугой, - полым катодом, катодной дугой, - анодной дугой, - др.

Все эти процессы испарения могут проходить с дополнительной ионизацией или без нее, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него. Распыление заключается в выбивании атомов с поверхности мишени. Распыление бывает: - катодное или магнетронное, - с постоянным током или током высокой частоты (DС (Direct Current) or RF (Radio

Frequency) magnetron sputtering), - в среде активного газа или без него, - с напряжением смещения или без него, - с дополнительной модификацией магнитного поля (несбалансированной

или с замкнутым полем) или без нее.

Термического испарения (PVD)

Испарение производится в вакуумной камере. Подложка, на которую проводится напыление, закреплена на держателе. К держателю примыкает нагреватель (напыление, как правило, проводится на нагретую подложку). Испаритель включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная заслонка перекрывает поток паров от испарителя к подложке, напыление длится в течение времени, когда заслонка открыта.

Нагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлением при прохождении через него электрического тока, называют резистивным. При этом, как правило, используют переменный ток. Достоинства резистивного нагрева - высокий КПД, низкая стоимость оборудования, безопасность в работе (низкое напряжение на зажимах), малые габаритные размеры, простота в эксплуатации. Недостаток – сложность испарения тугоплавких материалов. Испарители резистивного типа различных конструктивных вариантов могут быть с непосредственным или с косвенным нагревом испаряемого вещества.

Испаритель с резистивным непосредственным нагревом: 1 - контактный зажим, 2 - винт, 3 - испаряемый материал, 4 - поток пара, 5 - подложка

Проволочные испарители косвенного нагрева с цилиндрической (о) и конической (б) проволочной спиралью:

1 - отогнутый конец спирали, 2, 6 - цилиндрическая и коническая спирали, 3 - испаряемый материал (гусарик), 4 - зажимы токоподвода, 5,7 - цилиндрический тепловой и ограничивающий экраны

Испаритель косвенного нагрева лабиринтного типа: 1 - коробочка, 2 - лапки, 3, 4 - патрубок для загрузки материала и его крышка, 5 - крышка испарителя, 6 - нижний экран, 7 - испаряемое вещество, 8, 9 - разделительные экраны, 10 - выходной патрубок.

Метод дискретного испарения: 1 - испаряемый порошок, 2 - пары наносимого вещества, 3 - подложка, 4 - дозатор, 5 - ленточный испаритель.

Испаритель косвенного нагрева коробчатого типа: 1 - коробочка, 2 - поток паров наносимого вещества, 3 - экран, 4 - пары испаряемого вещества, 5 - испаряемое вещество

Испарители косвенного нагрева с тиглями с внутренним (а) и внешним (б) спиральными нагревателями: 1 - спираль, 2 – тигель.

Ленточные испарители косвенного нагрева из вольфрама, молибдена и тантала толщиной 0,1 - 0,5 мм: а - с углублением в виде полусферы, б - лодочного типа.

Вакуумно-дуговое испарение (Arc-PVD)

В камере создается вакуум с давлением порядка 103 Па. Между анодом, поджигающим электродом и катодом, выполненным из наносимого материала, подается напряжение. Поджигающий электрод служит для зажигания электрической дуги. Это действие производится кратковременным касанием поджигающего электрода поверхности катода. Локальная температура катодного пятна чрезвычайно высока (около 15000 °C), что вызывает интенсивное испарение и ионизацию в них материала катода и образование высокоскоростных (до 10 км/с) потоков плазмы, распространяющихся из катодного пятна в окружающее пространство. Возникшая между анодом и катодом дуга устойчиво горит в парах материала катода при напряжении 20 ... 30 В и силе тока 150 ... 300 А. Испарение материала производится из области катодных микропятен вакуумной дуги.

Другие названия метода Arc-PVD: - катодно-дуговое осаждение, - испарение вакуумной дугой, - метод катодно-ионной бомбардировки, - электро-дуговое напыление, и др.

Для инициирования пробоя при имеющемся напряжении электроды приближают друг к другу. Во время пробоя между электродами обычно возникает искровой разряд, импульсно замыкая электрическую цепь. Электроны в искровых разрядах ионизируют молекулы в воздушном промежутке между электродами. При достаточной мощности источника напряжения в воздушном промежутке образуется достаточное количество плазмы для значительного падения сопротивления воздушного промежутка (т.е. уменьшения напряжения пробоя). При этом искровые разряды превращаются в дуговой разряд (arc (англ.) – дуга) — плазменный шнур между электродами, являющийся плазменным тоннелем. Возникающая дуга является, по сути, проводником и замыкает электрическую цепь между электродами. Температура плазмы достигает 6000 К, катод раскаляется вследствие бомбардировки положительными ионами примерно до 3500 К. В результате катод интенсивно испаряется и на его поверхности образуется углубление − кратер.

Что такое дуговой разряд?

Достоинство метода вакуумно-дугового испарения: - получаемые покрытия имеют высокую прочность сцепления с подложкой,

дисперсную структуру и малую пористость. - возможность распылять металлы и сложные сплавы, - хорошая производительность. Системы на основе вакуумно-дугового испарения

материалов обеспечивают скорости осаждения до единиц мкм/мин.

Для получения многокомпонентных покрытий можно использовать одновременно несколько катодов, изготовленных из различных материалов. Если требуется получить покрытие из карбидов, нитридов или оксидов металлов, в камеру подается реактивный газ.

Недостатком процесса вакуумно-дугового испарения заключается в том, что если катодное пятно остаётся в точке испарения слишком долго, оно эмитирует большое количество макрочастиц или капельной фазы.

Для борьбы с микрокапельной фракцией используют системы экранов, магнитные сепараторы, системы модуляции тока дуги и др.

а

Испарение электронным лучом (EB PVD)

В результате создается сфокусированный и ускоренный пучок электронов (около 200 А), который направляется на мишень с металлическим материалом покрытия. Мишень установлена в центре горизонтально расположенного котла из графита, керамики или меди. К котлу подведено положительное напряжение. К противолежащей подставке с покрываемыми инструментами подведено отрицательное напряжение, так называемое напряжение смещения. Положительные ионы испаренного вещества сразу осаждается на подложке, либо сначала вступают в реакцию с активным газом, а затем осаждаются в виде какого-либо соединения.

Данный метод отличается от термического испарения тем, что в установках, использующих испарение электронным пучком (electron beam evaporation), к катоду с тлеющей дугой подводится высокое напряжение (от 1 до 10 кВ).

Установка может иметь несколько электронных пушек, размещенных в вакуумной камере. Электронные лучи высокой энергии -45 кВт каждый - фокусируются на стержнях испаряемых материалов. Стержни могут быть из различных материалов. В этом случае после испарения происходит перемешивание паров и состав покрытия определяется долями испаренных материалов. Возможно также многослойное нанесение покрытий.

В установке, представленной на данном слайде, четыре пушки используются для испарения материала, а две - для предварительного нагрева детали, что способствует увеличению прочности сцепления покрытия с подложкой.

Недостатки метода EB PVD:

- неоднородность толщины получаемых пленок,

- низкий энергетический КПД, поскольку непосредственно на процесс испарения расходуется от 1 до 5 % подводимой энергии,

- сложность аппаратуры питания и управления,

- трудность испарения металлов высокой теплопроводности (Cu, Al, Ag, Au) из водоохлаждаемого тигля,

- необходимость частой замены и юстировки катода,

- питание высоким напряжением, - - во время торможения электронных электронов происходит также генерация

электромагнитного излучения, которое является рентгеновским. Это необходимо учитывать при конструировании систем с электронным пучком, для того, чтобы обеспечить безопасность работы обслуживающего персонала.

Распыление (sputtering) В процессе осаждения пленок путем распыления можно

выделить следующие стадии: 1. генерация ионов и направление ионного пучка на мишень; 2. распыление атомов мишени ионным пучком; 3. перенос распыленных атомов мишени к подложке; 4. конденсация атомов мишени на подложке и формирование пленки.

Механизм распыления заключается в том, что атомы выбиваются с поверхности мишени за счет соударения с частицами высокой энергии (их кинетическая энергия намного превышает kT). Высокоэнергетический пучок ионов можно получить различными способами. Однако, чаще всего с этой целью в атмосфере инертного газа формируют обычный тлеющий разряд. На практике для распыления обычно используют ионы Ar. Скорость осаждения определяется в основном выходом распыленных атомов, который, в свою очередь, зависит от: - материала мишени, - массы бомбардирующих ионов, - энергии ионов, - угла падения ионов на мишень.

Дуговой разряд Тлеющий разряд

В отличие от дугового разряда тлеющий разряд: - формируется при малом токе, - остается относительно стабильными во времени. Так, при атмосферном давлении (760 мм рт. ст. ) газ внутри камеры (или стеклянной трубки) характеризуется высоким сопротивлением и не проводит электричество. Однако при давлении 50 мм рт. ст. и ниже при относительно невысоком напряжении возникает тлеющий разряд вследствие ионизации газа. Причинами ионизации газа в тлеющем разряде являются: - электронная эмиссия с катода под действием высоких температур или сильного

электрического поля, - последующая ионизация молекул газа электронным ударом свободными электронами,

вырванными с катода и летящими по направлению к аноду, - вторичная электронная эмиссия электронов с катода, вызванная бомбардировкой катода

положительно заряженными ионами газа.

Распыление

Распыление является очень энергетически неэффективным процессом, так как порядка 70% затраченной энергии выделяется в виде нагрева мишени, а 25% идет на испускание фотонов и вторичных электронов. При этом выход распыленных атомов примерно одинаков для различных мишеней, поэтому в случае сплавов и сложных композиций состав осаждаемой пленки приблизительно совпадает с составом мишени. Это одна из причин того, что в современной технологии нанесения тонких пленок распыление является наиболее широко используемым методом осаждения из паровой фазы.

Катодное распыление (DC plasma sputtering)

Конструкция установки для катодного распыления аналогично установке для термического испарения. Однако отсутствует испаритель, его место по расположению (и по функции) занимает катод, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода выполняет подложка вместе с держателем. Пространство рабочей камеры сначала откачивают до 10-5 - 10-6 Торр, а затем в него вводят некоторое количество очищенного инертного газа (чаще всего аргона). При этом давление уменьшается до 10-1 – 10-2 Торр. При подаче высокого (2-3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно-ионной плазмы.

Катодное распыление

Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы инертного газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы, которые затем осаждаются на подложку. Важным преимуществом катодного напыления по сравнению с испарением является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений. Однако в данном методе катод (т.е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и других химических соединений, распространенных в технологии полупроводниковых приборов. Другим недостатком является малая скорость роста плёнки (единицы нм/с) из-за значительного рассеивания распыляемых атомов материала в объёме рабочей камеры.

Ионно-плазменное распыление (ion-plasma sputtering)

Для увеличения чистоты пленок необходимо увеличить глубину вакуума, то есть уменьшать давление рабочего газа в камере. Однако при этом будет уменьшаться число ионизирующих столкновений электронов с атомами и уменьшится плотность ионов в разряде, то есть уменьшится скорость распыления. Это можно компенсировать введением дополнительного источника электронов и превращения дугового разряда в несамостоятельный. Наиболее простой способ - применение источника термоэлектронной эмиссии, при этом дуговой разряд обеспечивается даже в высоком вакууме.

Ионно-плазменное распыление

Различаются лишь конструкции установок, их называют соответственно двух- и трехэлектродными. Начало и конец процесса распыления определяются подачей и отключением напряжения на мишени. Если предусмотреть механическую заслонку, то ее наличие позволяет реализовать важную дополнительную возможность: если до начала напыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь место ионная очистка мишени, что повышает качество напыляемой пленки. Аналогично можно проводить очистку подложки до напыления пленки, подавая на нее отрицательный потенциал.

Процесс ионно-плазменного распыления аналогичен процессу катодного распыления и состоит в следующем. На мишень относительно заземленного анода подается отрицательный потенциал (2-3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разряда и интенсивной бомбардировки мишени положительными ионами плазмы. Выбиваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней.

Ионно-плазменное распыление

Преимущества ионно-плазменного метода по сравнению с катодным состоят в: - большая гибкость процесса (возможность ионной очистки, возможность отключения

рабочей цепи без прерывания разряда и др.) - высокое качество напыляемых пленок вследствие более высокого вакуума. Недостаток данного метода: Ионно-плазменное распыление не подходит для напыления пленок металлов из-за низкой скорости осаждения, обусловленной недостаточным выходом ионов Ar+. Это происходит вследствие того, что вторичные электроны вместо того, чтобы генерировать ионы инертного газа, могут уходить на заземленный электрод, вызывая нагрев системы.

Магнетронное распыление (magnetron sputtering)

Чтобы значительно увеличить число электронов, которые ионизируют газ, и тем самым повысить скорость осаждения пленки, применяется метод магнетронного распыления.

Магнетронное распыление

Чтобы увеличить интенсивность ионной бомбардировки поверхности мишени, а, следовательно, увеличить скорость распыления и, соответственно, увеличить скорость осаждения пленки

необходимо увеличить эффективность процесса ионизации рабочего газа (Ar), то есть увеличить концентрацию положительных ионов у поверхности катода.

В результате электроны, эмитируемые катодом, не смогут двигаться к аноду в перпендикулярном направлении, так как они оказываются в своеобразной ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращаемым электроны на катод, а с другой стороны – поверхностью мишени, отталкивающей электроны.

Для этого необходимо перпендикулярно электрическому полю наложить магнитное поле, которое, в свою очередь, будет ориентировано параллельно катоду!

Имеет место циклоидальное движение электронов по замкнутым траекториям у поверхности мишени!

Электроны циклируют в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию.

Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности катода. Бомбардируя поверхность катода, эти ионы осуществляют его распыление. За счет локализации плазмы у поверхности катода достигается высокая плотность ионного тока и большая удельная мощность, рассеиваемая на мишени. Увеличение скорости распыления с одновременным снижением рабочего давления позволяет значительно снизить загрязнения пленок посторонними включениями. Локализация электронов вблизи мишени предотвращает бомбардировку подложек, что снижает температуру и радиационные дефекты в создаваемых структурах. Однако главными достоинствами магнетронных распылительных систем являются относительно высокие скорости осаждения и возможность получения равномерных по толщине пленок на подложках большой площади.

Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.

Магнетронное распыление

Магнетронные распылительные системы можно разделить на несколько типов, в зависимости от: - вида мишени (планарные, цилиндрические, конические), - степени ионного воздействия на подложку (сбалансированные и

несбалансированные), - магнитной системы (стационарной или перемещаемой), - источника питания (постоянным, импульсным, переменным или

высокочастотным током).

Планарные, цилиндрические и конические мишени для магнетронного распыления

Нанесение многокомпонентных покрытий методом магнетронного распыления

Путем использования мозаичных мишеней

Путем одновременного распыления из нескольких магнетронов

Путем использования композиционных (сплавных) мишеней

Материал Si Ti Ta W Nb Mo Al Cr Pt Cu Au Ag

Скорость осаждения, нм/с

7 8 8 8 8,5 12 13 17 21 30 37 44

Средние скорости осаждения различных материалов с помощью магнетронной распылительной системы, имеющей плоскую дисковую мишень диаметром 150 мм, при мощности источника 4 кВт и расположении подложки на расстоянии 60 мм от источника

При использовании мозаичных мишеней необходимо учитывать не только площадь вставок, но и скорость распыления каждого из материалов!

Фотография Ag мишени с круглыми вставками Pd, площадь которых составляет 53,6 % от общей площади мишени

Фотография составной Pd / Ag мишени с одной Ag полоской, размещенной на расстоянии 1 см от анода магнетрона

Фотография составной Pd / Ag мишени с двумя Ag полосками, размещенных на расстоянии 1 см от анода магнетрона

Магнетронная распылительная система с плоской мишенью и различными конфигурациями магнитного поля а – сбалансированная магнитная система; б – несбалансированная с вертикальной составляющей поля, направленной к подложке; в – несбалансированная с рассеиванием магнитного поля в сторону от подложки.

Нанесение покрытий с повышенной твёрдостью и износоустойчивостью требует - максимального приближения подложки к плазменной области, либо - повышения плотности ионного тока на подложку. Кардинально повысить плотность ионного тока на подложку можно при использовании несбалансированной магнетронной распылительной системы (МРС) с вертикальной составляющей магнитного поля, направленной к подложке (рис. б). В МРС данного типа магнитное поле создаётся не только у поверхности мишени, но и в пространстве между мишенью и подложкой.

Магнетронная распылительная система с плоской мишенью и различными конфигурациями магнитного поля

а – сбалансированная магнитная система; б – несбалансированная с вертикальной составляющей поля, направленной к подложке; в – несбалансированная с рассеиванием магнитного поля в сторону от подложки.

В этой системе генерируются боковые вертикальные силовые линии, идущие к подложке, что позволяет увеличить поток заряженных частиц и плазмы в целом на неё. Однако у подобных несбалансированных МРС есть существенный недостаток, связанный с тем, что распределение концентрации заряженных частиц около поверхности подложки определяется распределением магнитного поля и может быть неоднородным. Это обстоятельство сказывается на равномерности наносимого покрытия! Для повышения однородности объёмной плазмы было предложено применить многополюсную магнитную систему, сильное магнитное поле в которой создаётся только около стенок камеры, внутри же камеры и около подложки поле слабое (рис. в).

Ранее предполагалось, что распыляемый материал обладает хорошей электропроводностью. При этом ударяющийся о катод ион рабочего газа нейтрализуется на нем и возвращается в вакуумный объем рабочей камеры. Если же распыляемый материал – диэлектрик, то положительные ионы не нейтрализуются и за короткий промежуток времени после подачи отрицательного потенциала покрывают слоем мишень, создавая на ее поверхности положительный заряд. Поле этого заряда компенсирует первоначальное поле катода, находящегося под отрицательным потенциалом, и дальнейшее распыление становится невозможным, так как ионы из разряда не притягиваются к мишени. Поэтому диэлектрические мишени не могут распыляться в постоянном электрическом поле. Чтобы обеспечить распыление диэлектрической мишени, приходится нейтрализовать положительный заряд на ее поверхности подачей высокочастотного переменного потенциала.

ВЧ-магнетронное распыление

Высокочастотное магнетронное распыление применяется в случае, когда необходимо наносить диэлектрические пленки!

При высокой частоте и согласованным с ним расстоянием от мишени до подложек электроны, находящиеся в срединной части высокочастотного разряда, не успевают достигать электродов за время полупериода, они остаются в разряде, совершая колебательные движения и интенсивно ионизируя рабочий газ. Это обстоятельство позволяет снизить давление рабочего газа без снижения разрядного тока, т.к. степень ионизации заметно повышается.

Схематическое изображение биполярного импульсного питания

ВЧ-магнетронное распыление

При замене постоянного напряжения на переменное диэлектрическая мишень подвергается бомбардировке ионами только в отрицательный полупериод питающего напряжения. Иначе говоря, распыление мишени происходит не непрерывно, как при катодном распылении, а дискретно с частотой питающего напряжения (обычно 13,56 Мгц).

Измерение давления

Три основных способа:

1. Механическая деформация позволяет измерять перепад давления. Если эталонное давление

известно как постоянное, измеряется абсолютное давление.

1000 bar – 0.1 bar – обычные циферблатные датчики Бурдона с эталонным атмосферным

давлением (1). 100 Torr – 10-1 Torr –прецизионные механические манометры с откачанным эталонным объемом.

1000 Torr – 10-3 Torr – прецизионные емкостные манометры (2).

2. Измерения теплопроводности газа позволяют проводить измерения в диапазоне 1000 Торр -

10-5 Торр. (Современные вакуумные преобразователи Пирани (3))

3. Измерения тока при ионизации, создаваемой электронами высокой энергии, позволяют

проводить измерения от 10-2 Торр до 10-12 Торр. (4)

(1) (2) (3) (4)

Адгезия

Адгезия - это склонность разнородных частиц или поверхностей к сцеплению друг с другом (когезия относится к склонности сходных или идентичных частиц / поверхностей к сцеплению друг с другом). Силы, которые вызывают адгезию и сцепление, можно разделить на несколько типов. Межмолекулярные силы, ответственные за функцию различных видов наклеек и липкой ленты, подразделяются на категории химической адгезии, дисперсионной адгезии и диффузионной адгезии. В дополнение к совокупным величинам этих межмолекулярных сил существуют также некоторые возникающие механические эффекты.

Капли росы, прилипшие к паутине.

Зависимость коэффициента трения от окружающей среды

Роль Вакуума

Для исследования поверхности на атомном

уровне абсолютно необходимо, чтобы в ходе

эксперимента эта поверхность оставалась

практически неизменной. Это означает, что

поток молекул из окружающего объема на

поверхность должен быть очень небольшим.

Pressure, p, Torr

Concentration of molecules n, cm-3

Flux of molecules to the surface, I,

cm-2 s-1

Mean free path,

λ

Monolayer

formation time, τ

760 2x1019 3x1023 700 A 3 ns

1 3x1016 4x1020 50 μm 2 μs

10-3 3х1013 4х1017 5 cm 2 ms

10-6 3х1010 4х1014 50 m 2 s

10-9 3х107 4х1011 50 km 1 h

Таблица значений для молекул азота при комнатной температуре. Предполагается, что коэффициент адгезии равен 1. Предполагается, что концентрация на поверхности одного монослоя равна (что близко к фактическим величинам для твердых поверхностей).

Pumping systems

Dry pumps

Wet pumps

Два основных метода откачки газа:

(I) Сжатия и откачка.

(II) Адсорбция . Обычно применяется в условиях высокого вакуума при отсутствии

потока газа.

Rotary vane vacuum pump – Роторно-лопастной вакуумный насос Leibold Trivac B

100m3/h= 27.7 l/s; 1 mbar=0.75 Torr

Принцип действия - передача механического импульса от молекул паров масла к

молекулам газа, что приводит к их движению из области накачки в область

форвакуума.

Oil diffusion pump

Принцип действия - передача механического импульса от молекул паров масла к

молекулам газа, что приводит к их движению от области накачки к области форвакуума

Dry preliminary pumps: diaphragm pump.

Scroll pump

Screw pump

Pump Model SP250 SP630

Disp. CFM @ 60 Hz

(m3/hr @ 50 Hz)

177 (250) 371 (630)

Ult. Pressure Torr

(mBar)

7.5 x 10-3(1 x 10-2) 7.5 x 10-3(1 x 10-2)

Motor HP (kW) 7.9 (5.9) 20 (15)

Dimensions

LxWxH - in. (mm)

5.1 x 20.9 x 34.6

(1,350 x 530 x 880)

64.2 x 26 x 34.6

(1,630 x 660 x 880)

Weight lbs (kg) 992 (450) 1,166 (530)

Roots pumps

Roots pumps are usually used at the pressure range between 10-1 Torr and 10 Torr, where

they are very effective

Турбомолекулярный насос

Турбомолекулярные насосы имеют очень разные диаметры ротора, охватывающие

диапазон скоростей откачки от десятков до нескольких тысяч л / с. Турбомолекулярные

стержни могут иметь механическую или магнитную подвеску ротора.

Сердцем турбомолекулярного насоса является турбина, вращающаяся со скоростью

порядка 50 000 оборотов в минуту (оборотов в минуту). Принцип действия заключается в

передаче механического импульса от лопаток турбины к молекулам газа, что приводит к

их движению из области накачки в область форвакуума.

High vacuum turbomolecular pumps

The typical ultimate pressure of the turbomolecular

pumps is 10-8 Torr but may be as low as 10-10 Torr.

Sputter ion pumps – Ионный насос

Основным принципом работы является адсорбция остаточных газов пленкой Ti, распыленной с

катода Ti, в результате ионной бомбардировки. Другие механизмы также участвуют. Магнитное

поле увеличивает вероятность ионизации электронами высокой энергии.

Титановый сублимационный насос

Model

Pumping speed *1

PGT-3F PGT-6F

24m3/(s·m2) <20ºC> / 64m3/(s·m2) <-196ºC>

Applicable pressure

range

Applicable gases

Inapplicable gases

Leak volume

Baking temperature

Power consumption

Filament material

Ultra-high vacuum of between 10-1 to 10-9Pa

H2, N2, O2, H2O, CO, CO2

He, Ne, Ar, CH4, C2H6 , other organic gases

1.3 x 10-11Pa·m3/s max.

250ºC

270W

Titanium alloy

Filament life span

Rated continuous operation time *2 : About 75

hours/filament

Continuous ON time : About 25 hours/filament

Принцип действия - адсорбция остаточных газов термически испаренной пленкой Ti.

Накачка становится очень эффективной, когда Ti испаряется на охлаждаемой (жидким

азотом или гелием) панели.

Number of filaments 3 6

Connection flange *3 UFC070-FH UFC114-FH

Weight 1.0kg 2.5kg

Крионасосы

Принцип действия - конденсация и физическая сорбция остаточных газов на поверхности,

охлаждаемой жидкостью 4He (T> ~ 4K). Пористые материалы (древесный уголь, цеолит,

молекулярные сита и т. Д.) Значительно улучшают сорбционную емкость и позволяют эффективно

сорбировать легкие газы (H2, He и т. Д.) При температуре ~ 4К.

Цеолиты, охлаждаемые жидким азотом, часто используются в качестве сухих предварительных

насосов (P = 1000-10-4 Торр). Они должны быть сохранены после каждого цикла накачки.

Temperature (K)

Pumping system

Pfeiffer 790 l/s turbomolecular pump with KJLC RV212 oil sealed roughing pump. Base pressure

for a properly conditioned chamber is 5 x 10-7 torr (6.7 × 10-7 mbar).

Wide range gauge reads from atmosphere to 10-9 Torr.

Magnetron system

0 to 800V @ 0 to 2.5A

0 to 400V @ 0 to 5A Output Assembly of three magnetrons

Кварцевые сенсоры

Контрольный кристалл кварца, плосковыпуклый, 6 МГц,

диаметр 1,55 дюйма (1,4 см). Совместим со всеми

кристаллическими датчиками 6 МГц. Выбор покрытия,

серебра, золота или сплава определяется применением.

Золото рекомендуется для осаждения с низким

напряжением пленки, например, алюминий, золото,

серебро и т. Д. Серебро или сплав рекомендуется для

осаждения с высоким напряжением пленки, например

хром, никель, инконель и т. Д. Сплав рекомендуется для

осаждения диэлектрических материалов, таких как

фторид магния, Монооксид кремния и др. Двенадцать кристаллов, содержащихся в

одном датчике

Толщиномер

Монитор измеряет только скорость осаждения и

толщину.

Контроллер измеряет скорость и толщину

осаждения, как монитор, но также выдает

выходной сигнал для управления

источником питания и скоростью

осаждения.

Радиочастотный

генератор

Measurements of the pressure

Three main physical properties:

1. Mechanical deformation allows measurements of a differential pressure. If the reference

pressure is known constant an absolute pressure is measured.

1000 bar – 0.1 bar – usual dial bourdon gauges with atmospheric reference pressure (1).

100 Torr – 10-1 Torr – precision mechanical manometers with evacuated reference volume.

1000 Torr – 10-3 Torr – precision capacitance manometers (2).

2. Measurements of the gas thermoconductivity allows for measurements in the range 1000

Torr -10-5 Torr. (Modern Pirani vacuum transducers (3))

3. Measurements of ion current with the ion ionization being produced by a high-energy

electrons allows measurements from 10-2 Torr down to 10-12 Torr. (4)

(1) (2) (3) (4)

Эпитаксия - это процесс ориентированного выращивания монокристаллических слоёв с контролируемой степенью легирования и кристаллической структурой, полностью повторяющей ориентацию подложки. В технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем эпитаксия используется для создания высоколегированных слоёв на слабо легированных подложках или подложках другого типа проводимости.

Работа любого полупроводникового устройства подразумевает наличие монокристалла с различным типом проводимости

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Молекулярно-лучевая эпитаксия (molecular-beam epitaxy – MBE) основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков различной плотности и химического состава с нагретой монокристаллической подложкой и осаждении на ней элементарных компонентов.

В сверхвысоком вакууме создаются молекулярные пучки с помощью эффузионнных ячеек, температура которых тщательно контролируется, как правило, с помощью компьютера. Интенсивности пучков определяются температурами эффузионнных ячеек. Выбирая должным образом температуры подложки и ячеек, получают эпитаксиальные пленки требуемого химического состава. С помощью заслонок можно быстро изменять потоки различных веществ, создавая резкие профили состава и легирования. Однородность состава пленки и ее кристаллическая структура определяется однородностью распределения молекулярных пучков по площади подложки.

I - зона генерации молекулярных пучков; II - зона смешивания испаряемых элементов; III - зона кристализации на подложке; 1 - блок нагрева; 2 - подложка; 3 - заслонка отдельной ячейки; 4 - эффузионнные ячейки основных компонентов пленки; 5 - эффузионнные ячейки легирующих примесей.

Молекулярный пучок Если длина свободного пробега λ велика по сравнению с диаметром отверстия эффузивной ячейки d, то каждая молекула газа движется независимо от всей массы газа: движение является молекулярным. Если λ мало по сравнению с d, то молекулы газа находятся во взаимодействии: проявляется внутреннее трение (вязкость), и движение является вязкостным (гидродинамическим). В промежуточных условиях режим течения называют молекулярно - вязкостным.

Схема эффузионной ячейки: 1 - тигель; 2 - нагреватель; 3 - радиационный экран; 4 - термопара

Эффузионная ячейка представляет цилиндрический или конический резервуар с различным углом сужения в зависимости от испаряемого материала, выполненный из пиролитического нитрида бора). Толщина стенок должна быть относительно большой, чтобы выдерживать работу на протяжении нескольких месяцев. Поверх тигля располагаются нагревательная спираль из танталовой проволоки и тепловой экран, изготовленный обычно из танталовой или молибденовой фольги.

Источники молекулярных пучков нагреваются независимо, пока не будет достигнута требуемая величина выходящего из них потока осаждаемого материала. Изменение температуры эффузионной ячейки на полградуса приводит к изменению потока примерно на один процент.

Молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет проводить контроль кристаллической структуры и химического состава поверхности, распределения концентрации элементов по глубине непосредственно во время осаждения эпитаксиальных слоев.

АСМ-изображения поверхности подложки Si(211) при осаждении 2 (а) и 4 монослоев Ge (б)

б а

Преимущества метода молекулярно-лучевой эпитаксии Низкая температура процесса. Снижение температуры процесса уменьшает диффузию примеси из подложки и автолегирование. Это позволяет получать качественные тонкие слои. Высокая точность управления уровнем легирования. Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования. Возможность резкого прерывания и возобновления роста за счет использования механических заслонок вблизи эффузионных ячеек для всех компонентов. Возможность применения аналитических методов контроля в процессе роста, что позволяет управлять процессом роста на атомарном уровне, получать структуры с низкой степенью загрязнения. Наличие атомно-гладкой поверхности растущего кристалла. МЛЭ используется для получения тонких (0,5 - 50 нм) структур с контролируемыми поперечными размерами при изготовлении оптических микроволновых приборов.

Метод Преимущества Недостатки Термическое

испарение Простое оборудование,

возможность получения чистых пленок

Трудно испарять тугоплавкие металлы, трудность воспроизведения химического состава испарителя

Катодное распыление

Возможность напыления тугоплавких материалов и химических соединений

Невысокая чистота пленок, сложность управления процессом синтеза

Магнетронное распыление

Высокая скорость роста, возможность нанесения пленок на подложки с низкой термостойкостью

Более высокая шероховатость поверхности пленок

Химическое осаждение из паровой фазы

Позволяет получать высококачественные эпитаксиальные и поликристаллические пленки

Сложное оборудование. Требует точного задания скорости газового потока; высокая температура подложки

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Дает высококачественные пленки соединений

Сложное оборудование

Жидкофазная эпитаксия

Пленки соединений с хорошим качеством

Трудно контролировать концентрацию и обеспечивать воспроизводимость состава пленок

Электрохимическое осаждение

Высокая скорость роста, большая площадь нанесения, однородность по толщине

Применим лишь для металлических пленок; проблема примесей

Методы получения пленок