II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СОЗДАНИЕ ВАКУУМНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Магкоев Р.Т. 1

---

1

Радченко Т.И. 1

---

1

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение  

Цель данного проекта - включение в работу по созданию вакуумной установки для термического напыления плёнок из различных материалов на подложки. В производстве полупроводниковых компонентов активно используется технология термического нанесения плёнок в вакууме. Конечно, выбранная тема очень объёмна. Поэтому она разбита на отдельные подпроблемы, которые будут решаться поэтапно в течение нескольких лет.

Задача этого учебного года – ознакомиться с основными необходимыми теоретическими вопросами, а также разработать и изготовить блок питания для будущей установки, учитывая технические требования, необходимые для обеспечения работы изделия в строго определённом режиме. Установка должна позволять изучить основы вакуумной техники, процессы испарения и конденсации материалов в вакууме, процесс зародышеобразования и рост плёнок. Кроме того, планируется исследование структурных свойств получаемых образцов.

Объект исследования – блок питания для вакуумной установки. Предмет исследования – технические характеристики блока питания, позволяющие проводить на создаваемой установке плавление и испарение различных материалов. Гипотеза – возможность создания низковольтного блока питания (с большой силой тока для испарения материалов посредством джоулева тепла) с плавной регулировкой мощности, подводимой к нагревателю. Методы работы – предварительное изучение теоретического материала, проведение экспериментов и расчётов с целью теоретического обоснования вопросов, относящихся непосредственно к конструкторской деятельности. Изготовление действующих моделей, тестирование их работы и внесение необходимых корректировок.

Новизна работы – создание авторской модели блока питания, предназначенного для изготавливаемой вакуумной установки для термического напыления плёнок, что актуально для изучения основ производства микроэлектроники.

2. Перспективы проекта

При создании малогабаритной вакуумной установки для термического напыления плёнок задачей является создание: блока питания установки (первый год), вакуумной магистрали и опорной плиты с токовводами (второй год) и напыление плёнок (третий год).

3. Используемые теоретические сведения из физики

Внутренняя энергия – кинетическая энергия (энергия движения) всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия.

Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция (горячее наверх, холодное вниз), излучение.

Теплопроводность - явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Количество теплоты Q - энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Единица измерения количества теплоты в системе СИ – Дж (джоуль). Внесистемная единица количества теплоты –калория. 1 кал ≈ 4,2 Дж.

Удельная теплоемкость с, Дж/(кг/⁰С) – физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать или забрать у тела массой 1 кг для повышения или понижения его температуры на 1 ⁰С.

Плавление - переход вещества из твердого состояния в жидкое. Кристаллизация (отвердевание) - переход вещества из жидкого состояния в твердое. Температура плавления - температура, при которой вещество плавится. Температура кристаллизации (отвердевания) - температура, при которой вещество кристаллизуется (отвердевает). (Пока процессы для кристаллического тела не завершатся, температура не меняется.)

Удельная теплота плавления λ, Дж/кг - физическая величина, показывающая какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.

Парообразование – явление превращения жидкости в пар. Это–испарение и кипение. Испарение – парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Идёт при любой температуре. Конденсация – явление превращения пара в жидкость.

Удельная теплота парообразования L, Дж/кг - физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в парообразное состояние без изменения температуры [1]. (Когда жидкость кипит, её температура не меняется.)

Сублимация – переход твёрдого вещества с газообразное состояние.

В таблице 1 представлены сравнительные характеристики для агрегатных состояний вещества с учётом изменения внутренней энергии. На графике 1 представлены показания термометра при нагревании, плавлении, охлаждении и кристаллизации вещества.

Формулы и соответствующие им тепловые процессы:

нагревание, охлаждение. Q = с m (t₂ - t₁);

плавление, кристаллизация. Q = λ m;

парообразование, конденсация. Q = L m.

Электрический ток – упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В металлах это – свободные электроны (рис. 1 а). Направление тока условились считать от плюса к минусу (рис. 1 б).

Сила тока I (А – ампер) равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t:I=q/t.

(Электрическое) напряжение U (В – вольт) показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую: U=A/q.

Закон Ома. Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:I = U/R.

Сопротивление определяется по формуле: R= ,

где ρ – удельное сопротивление проводника (физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 ми площадью поперечного сечения 1м²), ℓ - длина проводника, S –площадь его поперечного сечения.

Зависимость удельного сопротивления проводника от температуры: ρ = ρ₀ (1+ αt), где ρ₀- удельное сопротивление проводника при 0 ⁰С, t – температура в ⁰С, α – температурный коэффициент сопротивления.

Работа электрического тока A (Дж - джоуль) на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.A = IUt.

Закон Джоуля – Ленца. Количество теплоты, выделяемой проводником с током, равно произведению квадрата силы тока I, сопротивления R и времени t:

Q = I²Rt.

Итак, Q = A = IUt= I²Rt= .

Электрическая мощность Р (Вт – ватт) это работа электрического тока в единицу времени [1].

. P = A/t = IU= I²R=.

4. Закономерности испарения и конденсации металлов в вакууме [2]

Процесс получения плёнок и покрытий методом испарения и конденсации в вакууме состоит из двух этапов: испарения вещества в вакууме и последующей конденсации паров на подложке. Испарение различных материалов в вакууме, в том числе и металлов, происходит при нагревании до температуры плавления и испарения (сублимации) либо при распылении (методы катодного и магнетронного распыления). Металлы можно нагревать резистивным методом (испарители прямонакального и косвенного нагрева), электронным лучом, электрической дугой, токами высокой частоты. Большая часть металлов при нагреве переходит в паровую фазу через жидкое состояние, т.е. сначала они плавятся, а затем испаряются. Некоторые металлы (Cd, Zn, Mn и в отдельных случаях чистый Cr) переходят из твёрдого состояния, в паровую фазу минуя жидкую (сублимируют) - рис. 2. Температуры плавления и испарения некоторых химических элементов приведены в таблице 2.

Скорость испарения V_и, кг/(м²с), всех веществ определяется давлением паров p, Па, при температуре испарения T_и, K, и молярной массой M вещества.

Характер распределения испаряемого вещества в пространстве над испарителем определяется двумя основными параметрами: рабочим давлением в вакуумной камере: высокий вакуум (  d), средний вакуум (  d) и низкий вакуум (  d), где  - длина свободного пробега молекул; d – линейный размер вакуумной камеры. Если давление паров испаряемого вещества (металла) при температуре T_и не превышает 1.33 Па, то при рабочем давлении в вакуумной камере порядка 10^–2 Па и менее молекулы и атомы испаряемого вещества достигают поверхности подложки без столкновений между собой и с молекулами остаточных газов. Т. е. реализуется молекулярный режим испарения и конденсации. Для него справедливы законы Ламберта – Кнудсена:

распределение в пространстве потока вещества, испарённого с плоской поверхности, пропорционально cos( - угол между направлением распространением паров и нормалью к поверхности);

число частиц, попадающих на поверхность подложки, обратно пропорционально квадрату расстояния между испарителем и подложкой.

Эти законы являются базовыми при анализе закономерностей формирования плёнок на поверхностях различной конфигурации.

При анализе процесса формирования покрытий на положках следует выделить два аспекта – физический и технологический.

Физический аспект отражает закономерности формирования начальных слоёв покрытия, характер продольной и поперечной структур, рельефа поверхности и др.

Процесс конденсации и структура сформированной плёнки очень зависят от параметров конденсации, температуры и потенциального рельефа подложки (рис. 3), плотности падающего молекулярного пучка, характера взаимодействия осаждаемых атомов с подложкой.

Принципиально возможны и реализуются на практике два механизма конденсации молекулярных пучков испарённых веществ на различных подложках – ПК (пар – кристалл) и ПЖК (пар – жидкость – кристалл). Если реализуется механизм ПК, то частицы, конденсирующиеся на начальных стадиях испарения навески, имеют кристаллическое строение, и в дальнейшем формируется только кристаллическая плёнка. Механизм ПЖК проявляется в том, что образование конденсированной фазы на подложке начинается с появления на подложке жидкой фазы в виде капель, которые длительное время существуют на подложке, после чего начинается процесс кристаллизации.

Рассмотренные механизмы кристаллизации определяют различные характеры формирования и роста плёнки из паровой фазы, что в конечном счёте определяет свойства плёнок. Схематически механизмы конденсации ПК и ПЖК показаны на рис. 4. Если конденсируемые атомы связаны с собой сильнее, чем с поверхностью нейтральной подложки, они свободно и достаточно интенсивно мигрируют с её поверхности. При достаточно высокой плотности потока испаряемого вещества на поверхности подложки образуются зародыши кристаллической фазы или жидкой конденсированной фазы, которые сначала разрастаются сначала в двух, я затем и в трёх направлениях. Если же силы взаимной связи атомов или молекул конденсирующегося вещества меньше сил их связи с подложкой, резко возрастает влияние кинетических параметров подложки на процесс формирования плёнки по механизму ПК. В таблице 5 даны примеры механизмов конденсации различных металлов на аморфных подложках. Следует отметить, что механизм конденсации зависит (в первом приближении) от соотношения температур подложки T_п и температур плавления T_пл конденсирующихся веществ. При конденсации молекулярных пучков сложного состава (например, при нанесении покрытий из сплавов) механизм конденсации зависит и от состава паровой фазы. Приведённые в таблице 5 данные установлены для случая формирования плёнок «докритической» толщины, т.е. до момента образования сплошного слоя. После завершения формирования сплошного слоя закономерности дальнейшего роста плёнки определяются не только механизмом конденсации материала, а в основном структурой первично сформированных слоёв.

Технологический аспект процесса конденсации отражает характер распределения толщины плёнки вдоль поверхности подложки. Здесь влияют:

1. Размеры и форма испарителя и подложки; 2. Их взаимное расположение.

5. Техника испарения металлов в вакууме [2]

Технологические параметры процесса нанесения покрытий определяются в основном способностью испарителя поддерживать испаряемое вещество при определенной температуре длительное время. Для получения приблизительных оценок рабочих температур испарителей нужно учитывать, что нормальный режим металлизации реализуется при давлении паров испаряемого вещества около 1.33 Па. Основные требования к материалу испарителя: незначительное (минимально возможное) давление насыщенного пара при рабочей температуре; инертность по отношению к испаряемому материалу; обеспечение возможности изготовления различных конструкций.

6. Описание регулируемого блока питания для резистивного испарителя вакуумной установки для напыления.

6.1. Назначение

Блок питания предназначен для плавного регулирования температуры резистивного испарителя из молибденовой фольги с загруженным в него материалом, подлежащим термическому испарению в вакууме. Внешний вид блока на рис. 5. Принципиальная схема нового блока см. на рис. 6.

6.2 Особенности конструкции

Т.к. блок должен плавно регулировать значительную силу тока и стабильно работать несколько циклов испарения подряд, не перегреваясь (среднее время цикла испарения с предварительным прогревом в вакууме испарителя с испаряемым веществом около 1-2 мин, пауза для перезагрузки новой порцией испаряемого вещества 10-15 мин) к его конструкции были предъявлены особые требования:1)сечение выходных и внутренних соединительных проводов 16 мм², 2) минимальная длина внутренних соединительных проводов, 3)значительная площадь и масса радиаторов на которых установлены силовые транзисторы, диоды и токоуравнивающие керамические резисторы, 4)мощный силовой трансформатор, 5) вентиляторы принудительного воздушного охлаждения.

6. 3. Описание работы и элементы конструкции

При включении блока в сеть 220 В выключателем SA1 напряжение через предохранитель FU1 поступает в первичную обмотку силового трансформатора и на вспомогательный блок питания А1.

Трансформатор установлен в корпус блока и там же радиаторы силовых полупроводников. Вспомогательный блок нужен для обеспечения стабильным напряжением 12 В не зависящем от колебаний напряжения на выходе силовой части вентиляторов охлаждения, цифрового вольтметра и генератора ШИМ.

ШИМ – широтно - импульсная модуляция. Она даёт возможность плавно регулировать температуру испарителя.

Предохранитель FU1 выполняет одновременно две защитные функции: срабатывает при коротком замыкании в силовом трансформаторе и вспомогательном блоке питания, а также срабатывает при коротком замыкании на выходе блока, при котором в первичной цепи развивается достаточная сила тока для перегорания предохранителя. Такая конструкция позволила отказаться от мощного предохранителя на выходе блока. Сила тока, которую выдерживает электроника без разрушения в несколько раз больше силы тока, которую может отдать трансформатор во вторичную обмотку даже в режиме короткого замыкания. Такая особенность конструкции повышает надежность блока и его живучесть в нештатных аварийных ситуациях.

С вторичной обмотки напряжением 16 В с отводом от середины (две полуобмотки по 8 В) трансформатора Т1 с максимальной силой тока 110 А (трансформатор взят от источника бесперебойного питания IPPON BACK POWER 800) напряжение поступает на выпрямитель состоящий из 5 штук включенных параллельно диодов Шоттки SBL60D40 (60 А, 40 В), далее на фильтр питания состоящий из 8 штук электролитических конденсаторов 1000 мФ Х 25В.

Полученное выпрямленное и отфильтрованное напряжение около 10 В через блок из 9 штук токоуравнивающих резисторов, объединенных в группы по 3 штуки, включенных параллельно подается на стоки полевых транзисторов ШИМ регулятора выходного напряжения.

Транзисторы IRFZ 3713 (30 В, 250 А, 300Вт) в количестве 5 штук включены параллельно через токоуравнивающие резисторы, которые компенсируют разброс технических параметров различных экземпляров транзисторов. Таким образом, параллельное включение большого количества силовых полупроводниковых приборов позволяет увеличить рабочую силу тока, равномерно распределить мощность и более эффективно отводить неизбежно образующееся при работе тепло.

Выходные силовые проводники сечением 16 мм² подключаются внутри блока к «плюсу» напрямую, а «минус» к истокам полевых транзисторов. На выходе блока устанавливается второй фильтр питания состоящий из 8 штук электролитических конденсаторов 1000 мФ х 25 В.

На передней панели установлен цифровой вольтметр, показывающий напряжение на выходе блока. Два вентилятора охлаждения, объединенные в единый блок предназначены для создания принудительной циркуляции воздуха через внутреннее пространство блока и отвода тепла в окружающую среду. Внешний вид - рис.8.

7. Теоретические расчёты получаемой мощности

1. Использовать Р = I²R, R= и ρ= ρ₀ (1+αt) нельзя, при т.к. при 2500ºС третья зависимость не применима (нужно из математики понятие «ряды»). Кроме того расплавленный напыляемый металл уменьшает сопротивление участка с испарителем.

Возьмём Р = IU. Используем средние значения I и U. Р= 50А•5 В =250 Вт.

2.Требуемая мощность. Р=Q/t. Для алюминия Al , меди Cu, серебра Ag

Q=cm∆t +λm +c₁m ∆t₁ +Lm= m(c∆t +λ +c₁ ∆t₁ +L). Испаряемая масса 0,3 г.

Q ≈ 830 Дж. Время t= 20 с. Р= 41,5 Вт.

Лодочка – испаритель с загрузкой – рис.9.

8. Заключение

Результатом данного проекта стало создание блока питания вакуумной установки, предназначенной для термического напыления плёнок из различных материалов. Параметры блока разрабатывались с учётом требований, необходимых для плавления и испарения материалов за счёт использования джоулева тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока по материалу проводящей лодочки - испарителя из тугоплавких металлов вольфрам, тантал, молибден, а также по самому веществу, если оно является проводником электрического тока. Создание установки является актуальной задачей, так как малогабаритная модель предназначается для лабораторных и учебных целей. Планируется, используя различные режимы напыления, получение осаждённых слоёв столщинами от нанометров до сотен микрометров.

9.Литература

1. Гутник Е.М., Пёрышкин А.В. Физика -7. –М.: Дрофа, 2014.

2. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко, О.Н. Соловьёва.А. И.. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме. – М.: Машиностроение,1991.

3. Майссл Л. , Глэнг Р. Технология тонких плёнок. – М.: Советское радио, 1977.

10. ПРИЛОЖЕНИЯ «Наглядные материалы»

Таблица 1. Агрегатные состояния вещества

График 1. График зависимости температуры металла от времени

Рис. 1 а.Ионы и свободные электроны; б. Ток в металлах

Рис. 2. Тепловые процессы, изменяющие агрегатные состояния вещества

Таблица 2, [3].

Рис. 3. Пример рельефа поверхности

Рис. 4. Схемы начальных стадий 1, 2, 3 роста конденсированной плёнки по механизмам ПК (верхний ряд) и ПЖК (нижний ряд)

Рис. 5. Внешний вид регулируемого блока питания

Рис. 6. Схема электрическая принципиальная регулируемого блока питания

Рис. 7. ШИМ последовательность на выходе блока питания. Мощность нагрузки 100 W, выходная мощность 50 %.

Рис. 8. Блок питания в сборе

Рис. 9. Лодочка - испаритель