 |
Рациональное конструирование вакуумных систем УВН
|
|
|
|
Специфика технологического процесса и организация производства предъявляют ряд требований к откачным средствам и вакуумных систем УВН: минимальная длительность пускового периода, постоянство быстроты откачки в широком диапазоне давлений, а также незначительное количество загрязнений, вносимых из насосов в рабочий объем установки. В процессе формирования пленок, получаемых испарением в вакууме, происходит взаимодействие материала испаряемого вещества с атмосферой остаточных газов, причем максимальное взаимодействие, влияющее на свойства пленок, происходит, как правило, на поверхности подложки.
Установлено, что количество поглощенных пленкой газов тем меньше, чем меньше время конденсации заданной массы пленки на единичной площади и чем ниже парциальное давление химически активных газов (в первую очередь кислорода и паров воды).
Основными факторами, воздействующими на электрофизические и эксплуатационные параметры пленок (удельное поверхностное сопротивление, ТКС, интенсивность шумов, коэффициент старения и т. д.), являются различного рода химические реакции, возникающие между материалом пленки и остаточными газами. Интенсивность и направление реакций зависит от термодинамических условий системы «материал-газовая составляющая».
Говоря о загрязнении остаточной атмосферы в рабочей камере, следует главным образом иметь в виду десорбцию газов с поверхностей камеры и технологических устройств, включая и уплотнения, а также проникновение паров рабочей жидкости из средств откачки.
Значительное влияние остаточной атмосферы (особенно ее активной составляющей и углеводородов) на свойства пленок стимулировало работы, направленные на совершенствование традиционных средств откачки, защитных устройств от паров рабочей жидкости, материалов уплотнений, а также появление новых рабочих жидкостей и безмасляных средств откачки.
|
|
|
Существенное улучшение технических характеристик диффузионных паромасляных насосов было достигнуто, например, путем изменения цилиндрической формы верхней части корпуса насоса на конусообразную, которая расширяет рабочую зону захвата молекул откачиваемого газа, что приводит к возрастанию быстроты откачки. Использование подобных насосов позволяет сократить габаритные размеры вакуумных систем, снизить металлоемкость и массу, уменьшить расход электроэнергии и дефицитных рабочих жидкостей.
Следует отметить, что такое направление совершенствования отечественных насосов в общих чертах совпадает с зарубежными. Так, например, фирма Bendix Corp. (США) рекомендует насосы 10 и 6” (254 и 152,4 мм) с коническим корпусом. Фирма Edwards (Англия) выпустила новый ряд многоступенчатых насосов с корпусом, расширенным в области высоковакуумного сопла. Быстрота откачки этого ряда насосов перекрывает диапазон от 600 до 45000 л/с, при этом размер входного фланца меняется от 152 до 914 мм.
Фирма NRC (США) улучшила параметры паромасляных насосов путем придания верхней части корпуса бочкообразной формы, что также увеличивает быстроту откачки за счет расширения рабочей зоны захвата молекул газа.
Предельный вакуум при откачке паромасляными диффузионными насосами в сильной степени зависит от упругости пара рабочей жидкости и продуктов ее распада, проникающих в рабочий объем.
Кроме обычных рабочих жидкостей на нефтяной основе в последнее время стали использовать сверхвысоковакуумные жидкости на основе полифениловых эфиров, а также кремнийорганических (силиконовых) и некоторых других соединений, например, DC-705, Конвалекс-10 (США), Fomblin (Италия), ФМ-1, ФМ-2,5Ф4Э, Алкарел-1 (СССР). Эти вещества обладают высокой термокоррозионной стойкостью и низкой упругостью паров (например, 10-8 Па для ФМ-1, 5Ф4Э, Алкарел-1, DC-705, 10-9Па для Fomblin, 10-10Па для ФМ-2) и при использовании их в производственных условиях в обычных вакуумных системах УВН отпадает необходимость в охлаждаемых жидким азотом ловушках, так как при охлаждении ловушки водой вакуум сохраняется на прежнем уровне, а в некоторых случаях даже улучшается.
|
|
|
Несмотря на высокое качество рабочих жидкостей, имеющих низкую упругость паров, для высоковакуумных средств откачки, защита откачиваемого объема от проникновения паров не теряет актуальности и постоянно требует совершенствования конструкции ловушек и маслоотражателей. В настоящее время разработано и описано большое количество ловушек, работа которых основана на адсорбции, химической реакции, термическом разложении, ионном распылении и т.д. Наиболее широко используются ловушки, охлаждаемые жидким азотом, так как они являются криогенным средством откачки, особенно эффективным по отношению к водяным парам. В установках вакуумного нанесения при прогреве наблюдается выделение паров воды, а азотная ловушка конденсирует влагу на охлажденных поверхностях с быстротой откачки гораздо большей, чем у диффузионного насоса.
С целью повышения эффективности откачки азотную ловушку иногда помещают в рабочий объем (ловушка Майснера). Но в этом случае рабочий цикл для машин периодического действия удлиняется на время, необходимое для замораживания и размораживания ловушки. В обычном исполнении азотная ловушка размещается между высоковакуумным затвором и диффузионным насосом, что позволяет сохранить охлажденными рабочие поверхности при разгерметизации рабочего объема установки.
В последнее время появились новые виду ловушек, основанные на других физических явления. Например, принципиальной основой работы устройства, описанного в работе, является периодическая очистка стенок переходного патрубка, соединяющего насос с рабочим объемом, и нижней стороны клапана, отделяющего этот объем от насоса, с помощью импульсов света, обладающего фотолитическим и фотодесорбционным действием. Для этой цели применяют импульсные лампы ИФК-2000 и строботроны ИСП-250, которые устанавливают в патрубках.
|
|
|
Другим источником загрязнения рабочего объема тяжелыми углеводородами является обратный поток из механического насоса, распространяющийся по форвакуумной магистрали.
Можно значительно сократить поступление паров масел, соблюдая правильный режим откачки, при котором максимальный вакуум магистрали характеризуется вязкостным или молекулярно-вязкостным течением газа. Для большинства реальных систем при нестационарном режиме откачки этот вакуум близок к 10 Па. Молекулы обратного потока паров масел не распространяются до рабочего объема в результате сопротивления со стороны направленного в сторону механического насоса потока откачиваемого газа. Такие же результаты получаются и при использовании дополнительного встречного потока сухого газа или воздуха. Более радикальным решением по защите от паров масел форвакуумных насосов являются специальные ловушки, главным образом сорбиционного типа. Однако они усложняют систему откачки, так как требуют дополнительной обводной форвакуумной магистрали, по которой производится откачка основной массы воздуха рабочего объема до давления 102-103 Па, после чего дальнейшая откачка производится через основную форвакуумную магистраль с сорбционной ловушкой. Такой режим откачки предохраняет собрент ловушки от насыщения влагой.
В качестве примера можно привести конструкцию ловушки ЛС1Т-63, используемой в установках вакуумного нанесения пленок. Пары масла улавливаются двумя последовательно расположенными слоями пористых гранулированных сорбентов. В состав входит нагреватель для регенерации сорбентов.
В некоторых системах начинают применять азотные ловушки, на рабочих поверхностях которых конденсируются пары воды, масла и продукты разложения. Очевидно, чтобы уменьшить конденсат на поверхности ловушки, целесообразно иметь в системе обводную магистраль, через которую механический насос откачивает основную массу воздуха из рабочего объема. Это особенно важно для машин периодического действия с частым циклом разгерметизации.
|
|
|
Большое влияние на частоту остаточной среды оказывает качество уплотнений. Обычно используемая в серийных установках резина марки 9024 не позволяет проводить прогрев с целью обезгаживания поверхностей. Конструкция таких установок имеет систему нагрева камеры горячей водой с температурой не выше 90о С.
Применение вакуумных уплотнителей из термостойких отечественных эластомеров ТМ-2475, ИРП-1345 т ИРП-2043 и зарубежных, например, ЕСD-006 и CORE-TEX позволяет повысить температуру прогрева до 240-300 оС, что снижает время десорбции молекул газов и паров с поверхностей камеры и внутрикамерного устройства. Использование термостойких эластомеров улучшает эксплуатационные характеристики вакуумных узлов, работающих в условиях нагрева (нагреватели подложек, катоды, электронно-лучевые испарители и др.).
Радикальным способом улучшения качества вакуумных условий осаждения пленок является использование безмасляных средств откачки. С их помощью можно повысить предельный вакуум и получить остаточную атмосферу с парциальным давлением тяжелых углеводородов на 1-2 порядка меньше, чем в камерах, откачиваемых диффузионными паромасляными насосами. Внедрению безмасляных средств откачки в промышленное оборудование способствует появление новых насосов с улучшенными вакуумными и, что очень важно, эксплуатационными характеристиками.
Развитие новых средств откачки идет по пути своеобразной интеграции, т.е. их совместного применения с целью обеспечить максимальную быстроту откачки, например, а период интенсивного газовыделения, а также селективное удаление газовых компонентов, присутствие которых в рабочем объеме не желательно и должно быть сведено к минимуму. Например, простая комбинация геттерно-ионного насоса типа «Орбитрон» с диффузионным паромасляным насосом приводит не только к повышению предельного вакуума, но и к снижению парциальных давлений тяжелых углеводородов, паров воды и гидроксильной группы.
Широко используется сочетание титанового сублимационного насоса с магнитным электроразрядным. Сублимационная часть насоса откачивает активную составляющую атмосферы и поэтому должна обладать большей быстротой откачки, чем дополнительная магнитоэлектроразрядная, задача которой откачать инертные газы.
Принцип интеграции откачных средств может быть рекомендован для построения подавляющего большинства откачных систем установок осаждения тонких пленок.
В состав стандартного вакуумного агрегата, как правило, входят диффузионный насос, маслоотражатель, охлаждаемая ловушка, вакуумный затвор, выпускной вентиль насоса и вентиль байпасной откачки. Все эти детали вакуумного агрегата изготовляются в виде отдельных узлов, которые соединяются в единое целое с помощью болтов. Требования к вакуумному агрегату определяют состав необходимых узлов. При этом используется как минимум три-четыре резиновых прокладки, служащие источниками газовыделения. Необходимые для стыковки узлов фланцы усложняют и утяжеляют конструкцию вакуумного агрегата.
|
|
|
Создавая вакуумные агрегаты интегрированной конструкции, целесообразно строить их в виде монолитных блоков, состоящих из 1) насоса и маслоотражателя, 2) насоса, маслоотражателя и затвора, 3) насоса, маслоотражателя, охлаждаемой ловушки и затвора. При блочном методе конструирования появляется возможность существенно сократить количество резиновых уплотняющих прокладок в высоковакуумной части установки, а следовательно, значительно снизить уровень тяжелых углеводородов в остаточной атмосфере.
По мере усложнения откачных устройств и повышения требований по воспроизводимости вакуумных условий возрастает роль автоматизации процессов откачки. Автоматический цикл откачки строится на основе измерения давления в заданных точках, определяющего последовательность операции откачки, и включает в себя управление коммутационной системой вакуума, водоснабжения, защитой от обратного потока масел, а также началом технологического процесса.
Актуальной задачей современной электронной техники является создание сверхвысоковакуумных (СВВ) установок, которые в настоящее время еще не нашли широкого промышленного применения, но позволяют значительно улучшить качество наносимых пленок благодаря исключению воздействия остаточных газов.
СВВ считается аппаратура, в которой для достижения определенного общего или парциального давления, применяется прогрев, по крайней мере, до 400 оС. При том давление 10-6 Па является некоторой средней границей между областями высокого и сверхвысокого вакуума. СВВ установки делятся на две группы: цельнометаллические и с двойными стенками. К первой группе относятся, например, установки фирмы Varian Ass. (США). Рабочая камера установок этого типа выполняется из нержавеющей стали, все разъемные соединения, в том числе и основное, часто разбираемое соединение колпака с базовой плитой, уплотняются с помощью металлических прокладок из золота, меди, алюминия и др. Типичным элементом конструкции является съемная наружная печь для прогрева, в качестве откачных средств используются диффузионные насосы с очень эффективными ловушками и безмасляные насосы (магнитные электроразрядные, титановые испарительные, адсорбционные насосы и криопанели, охлаждаемые жидким азотом). При этом общее время откачки рабочей камеры без технологических и целевых устройств до приведенных давлений составляет 54-60 ч.
Помимо больших затрат времени на прогрев, охлаждение и откачку камер до СВВ недостатком цельнометаллических установок является большая трудоемкость операции уплотнения места соединения колпака с базовой плитой, которую приходится выполнять после каждого вскрытия камеры. Как известно, затяжка металлического уплотнения большого диаметра требует тщательности и значительных усилий. Дефекты уплотнения весьма вероятны, так как металлический уплотнитель намного критичнее к профилю и состоянию уплотняемых поверхностей и хуже, чем эластомерные материалы, заполняет возможные неровности на поверхности фланцев. Эти дефекты соединения, создающие течи между сопрягаемыми фланцами, могут быть обнаружены лишь в ходе откачки, а иногда только после окончания многочасового прогрева.
Удачным конструктивным решением для СВВ установок с относительно коротким технологическим циклом является система с двойными стенками, построенная по принципу «вакуум в вакууме». Принцип камеры с двойными стенками является логическим продолжением известного принципа многорядных уплотнений, применение которых позволяет получить высокую эксплуатационную надежность каждого разъемного соединения путем откачки пространства между прокладками. Для установки с большим количеством электрических вводов, вводов движения, фланцевых соединений, смотровых окон и т.д. применение многорядных уплотнений является нецелесообразным. Поэтому принцип двойного уплотнения с промежуточной откачкой в несколько измененном виде был распространен на всю установку, в которой внутренняя прогреваемая камера уплотняется, например, через диффузионно-щелевое соединение фланцев, в то время как для наружной камеры используются уплотнения из резины, поскольку она остается либо при комнатной температуре, либо при температуре горячей проточной воды. Как при использовании двухрядных уплотнений, так и для двухкамерных систем при поддержании в промежуточном пространстве вакуума порядка 10-4 Па требования к уплотнениям внутренней камеры снижаются почти в 109 раз.
Заслуживает отдельного рассмотрения способ нагрева внутренней камеры. Поскольку ее стенки испытывают лишь незначительные нагрузки благодаря разности между давлением в промежуточном пространстве и давлением в рабочей камере, существует возможность значительно уменьшить их толщину, что очень важно с точки зрения снижения теплоемкости внутренней камеры и сокращения времени, затрачиваемого на ее прогрев. Кроме того, при этом создаются условия для прогрева камеры путем непосредственного пропускания тока через ее стенки. В отличие от прогрева внутренней камеры с помощью нагревателей, расположенных между наружной и внутренней камерами, при котором внутренняя камера экранирует внутрикамерное устройство от нагревателя (что значительно удлиняет цикл нагрева и заставляет повышать мощность, подаваемую на нагреватели), непосредственное пропускание электрического тока через внутреннюю тонкостенную камеру создает хорошие условия для интенсивного прогрева внутрикамерного устройства и дает возможность значительно сократить время обезгаживания установки.
При проектировании установок вакуумного осаждения тонких пленок особая роль отводится созданию базовых моделей. В основе базовой модели заложено одно или несколько технологических требований, общих для ряда технологических процессов нанесения тонкопленочных элементов. Для установок термического испарения к таким требованиям можно отнести предельный вакуум, эффективную быстроту откачки (или основной насос), рабочий объем, степень автоматизации.
|
|
|
