При нанесении пленок в высоком вакууме частицы осаждаемого материала летят независимо друг от друга по прямолинейным траекториям без взаимных столкновений и столкновений с молекулами газа, не изменяя своего направления, на стенках камеры и поверхности подложки.
Условия вакуума влияют на рост пленок следующим образом.
Во-первых, если вакуум не достаточно высокий, заметная часть частиц, летящих из источника потока, встречает молекулы остаточного газа и в результате столкновения с ними рассеивается, т.е. теряет первоначальное направление своего движения и не попадает на подложку. Это существенно снижает скорость нанесения пленки на подложку.
Во-вторых, остаточные газы в рабочей камере, поглощаемые растущей на подложке пленке в процессе ее роста, вступают в химические реакции с наносимым веществом, что ухудшает электрофизические параметры пленки (повышается ее сопротивление, уменьшается адгезия, возникают внутренние напряжения и др.).
Таким образом, чем ниже вакуум и чем больше в остаточной атмосфере вакуумной камеры примеси активных газов, тем сильнее их отрицательное влияние на качество наносимых пленок, а также на производительность процесса.[4]
6. Вакуумные системы
6.1 Основные сведения
Основным элементом вакуумных систем являются насосы, которые предназначены для создания требуемого вакуума в камерах установок, а также для поддержания рабочего давления при проведении технологического процесса. В установках для изготовления тонкопленочных структур ИМС применяются механические форвакуумные и двухроторные насосы, пароструйные диффузионные, а также криогенные и турбомолекулярные насосы.
При производстве ИМС в технологии нанесения тонких пленок требуется создавать давления от 105 Па (атмосферное) до 10-5 Па и ниже.
Ни один из указанных насосов не может самостоятельно обеспечить откачку от атмосферного давления до высокого вакуума по следующим причинам. Во-первых, при столь широком диапазоне давлений существенно отличаются условия откачки и, во-вторых, каждый насос обладает избирательностью по отношению к газа, входящим в состав воздуха.
Для создания технологического вакуума 10-5 Па включают каскадно несколько насосов различных типов. Кроме того, для каждого интервала давлений и для разных газов существуют свои методы откачки, не оптимальные для других условий.
Переходя к изучению вакуумных насосов, прежде всего рассмотрим их основные параметры – предельное остаточное давления, которое обычно приводятся в паспортных данных.
Предельное остаточное давление – это наименьшее давление, которое может быть создано данным насосом при закрытом входном патрубке. При этом подразумевается, что отсутствует натекание в насос извне, со стороны его входного патрубка. Этот параметр обусловливает невозможность построения насоса, который сам не был даже очень слабым поставщиком газов в вакуумную систему.
Быстрота действия – это объем газа, откачиваемый в единицу времени при данном давлении на входе в насос (в сечении входного патрубка). Наиболее распространенными единицами измерения быстроты действия являются м3/ч и л/с. По постоянству быстроты действия при изменении давления можно судить о качестве насоса, которое тем выше, чем меньше изменятся быстрота действия при уменьшении давления во входном патрубке.
Наибольшее давление запуска – это наибольшее давление во входном патрубке, при котором насос начинает нормально работать, т.е. откачивать подсоединенную вакуумную камеру.
Вакуумные насосы можно по этому параметру разделить на две группы. К первой относятся насосы, наибольшее давление запуска которых равно атмосферному (механические форвакуумные). Во втору входят насосы, требующие для работы предварительного разряжения, которое обычно создается дополнительным насосом, называемым насосом предварительного вакуума (механическим форвакуумным). Насос предварительного вакуума присоединяют впускным патрубком к выпускному патрубку насоса, нуждающегося в предварительном разрежении.
Наибольшее выпускное давление – это наибольшее давление в выходном патрубке, при котором насос еще может выполнять откачку (т.е. при превышении которого откачка прекращается). Для механических форвакуумных насосов оно превышает атмосферное, а для насосов, требующих предварительного разряжения, приблизительно равно наибольшему давлению запуска.
6.2 Средства получения вакуума
Основным элементом вакуумных систем являются насосы. Различают механические форвакуумные и двухроторные насосы, пароструйные диффузионные, а также криогенные и турбомолекулярные насосы.
Механические форвакуумные и двухроторные насосы.
Насосы этих двух типов имеют одинаковые принципы действия, основанные на перемещении газа вследствие механического движения их рабочих частей, при котором происходит периодическое изменение объема рабочей камеры.
Механические форвакуумные и двухроторные насосы работают в области среднего вакуума, т.е при давлении от 102 до 10-2 Па.
Применяются в вакуумных установках для создания вакуума около 10-1 Па при быстроте действия порядка единиц и десятков литров в секунду. Наибольшее распространение получили пластично-роторные механические насосы с масляным уплотнением, основными конструктивными элементами которых являются корпус, камера и ротор. Механические двухроторные насосы (насосы Рутса) применяют в вакуумных системах для создания давления порядка 10-2 Па, при быстроте действия 50 л/с, т.е. обеспечивают вакуум, при котором механические пластинчато-роторные насосы не эффективны.
Диффузионные паромасляные насосы.
Являются наиболее распространенными высоковакуумными насосами, широко применяются в различных областях вакуумной техники.
Паромасляные насосы позволяют создавать вакуум до 10-5 Па.
Паромасляные насосы не работают без предварительного механического насоса, подсоединяемого к их выходному патрубку и обеспечивающему предварительное разряжение, а также без водяного охлаждения кожуха. Прекращение подачи воды в водяную рубашку может привести к перегреву насоса и сгоранию масла, а следовательно к нарушению нормальной работы.
Недостаток диффузионных паромасляных наосов – возможность попадания в откачиваемый рабочий объем молекул масла, что может происходить двумя путями: пролетом в паровой фазе и миграцией по стенкам вакуумных трубопроводов. Так как проникшие в технологический объем молекулы масла оседают на подложках и загрязняют наносимые пленки, такие насосы применяют в технологических установках только в сочетании с ловушками паров масло.
Криогенные насосы.
Являются безмаслянными средствами откачки и поэтому получили наибольшее распространение при нанесении тонких пленок.
Криогенные насосы позволяют создавать вакуум до 10-5.
Принцип действия этих насосов основан на физических явлениях, происходящих при сверхнизких – криогенных (120-4 К) температурах: конденсации на охлажденных металлических поверхностях газов в твердое состояние и адсорбции (поглощении) их твердыми охлажденными пористыми адсорбентами.
Наибольшее распространение получили криогенные насосы, охлаждаемые газовыми холодильными машинами – криогенераторами. Криогенные насосы состоят из четырех основных элементов: криопанели, защитного экрана, корпуса и системы охлаждения – криогенератора.
Турбомолекулярные насосы.
Относятся к механическим высоковакуумным насосам и их принцип действия основан на сообщении молекулам откачиваемого газа направленного движения поверхностью быстро вращающегося твердого тела. После соударения с этой поверхностью молекулы газа начинают двигаться преимущественно а направлении движения твердого тела, т.е. в направлении откачки.
Турбомолекулярные насосы позволяют создавать вакуум порядка 10-5 Па.
При эксплуатации турбомолекулярных насосов надо следить, чтобы в их полость не попали какие-либо твердые инородные частицы и предметы, что может привести к заклиниванию быстро вращающегося ротора и выходу насоса из строя.
6.3 Средства измерения вакуума
Давление в вакуумных установках для нанесения тонких пленок обычно составляет 102-10-5 Па.
В таком широком диапазоне измерять давление одним универсальным прибором невозможно. В настоящее время разработано большое количество приборов различных типов, принцип действия которых основан на зависимости того или иного физического параметра газа от давления. Каждому из этих приборов соответствует определенный интервал давлений.
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного, называемые вакуумметрами, состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительного устройства. Манометрический преобразователь предназначен для преобразования измеряемого давления в пропорциональную ему электрическую величину и подсоединяется непосредственно к вакуумной системе. Измерительное устройство служит для измерения этой величины с индикацией на шкале, проградуированной в единицах давления.
При нанесении тонких пленок используют тепловые, магнитные электроразрядные и ионизационные электронные вакуумметры.
Тепловые вакуумметры основаны на пропорциональной зависимости теплопроводности газа от его плотности и подразделяются на приборы сопротивления и термопары. В основе действия преобразователя вакуумметра сопротивления лежит зависимость сопротивления металлической нити от температуры. Принцип действия термопарного вакуумметра состоит в том, что при понижении давления газа его теплопроводность уменьшается, а следовательно, повышается температура перемычки и изменяется ЭДС, по значению которой, используя градуировочную кривую, определяют давление газа.