книги из ГПНТБ / Носков Д.А. Электронно-ионное оборудование технологического назначения
.pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Р С Ф С Р
Тоыский институт автоматизированных састеи управления и радиоэлектроники
Д,А.Носков
P-i!ii?.1'POHHO-HOHHOS СБОРУДОВАШ
БИОЛОГИЧЕСКОГО -НАЗНАЧЕНИЯ
Иадательство Тоыского государственного уинерснтета Тоыса -1973
В квйге сис^еыатизированы сведения об устройства и принципах действия электронно-ионного оборудования,при- «еняеыого для'шшоляення технологических операций ъ раз личных отраслях промышленности. Приведена классификация оборудования, олэсаны осровные типи ИСТОЧНИКОВ зарякенных частиц а сзстеи ускорения и предварительного форми рования яучкоз» йэдоаени принципы конструирования фокусз'рулдах аапз, аткяояяэцюс систем, рабочих вакууыных кайёр, сметровыг. окон, занууыншс сметой и электрических exes шшшвя.
Ышга расещзань на студентов технических вузов, вэучавщах оборудование электровакуумного и нолупроводвзкозого производства,, a токзе на мннеиеров и техников еоозвзтетвувщнх слециал^аостеа.
Редактор Л.Д. Левште
И а ^ а т я л ь с т БО Томского гэс/дарственного у н и в е р с и т е т а ,
т < т г
Пр е д и с л о в и е
ВЛрогоамые КПСС и материалах пленумов ЦК и съездов партии уделяется большое внимание внедрению в производст во передовой техзологии, основанной т использования но
вейших доотиаевий |
науки и техники, г той |
числе |
электро |
физических методов |
как фактору широкого |
разьертьваная |
|
научно-технический |
революции, которея с и л а однии из глав |
||
ных участков исторического соревновании |
между |
капитализмом |
и социализмом и является важный условней развития социа листического общества.
Электронно- и ионно-лучевые методы обработки, обладая целый рядок достоинств перед другими электрофизичезкимв способами, широко используются в технике при выполнении разнообразных технологических операций.
Особенно широко электронно-ионная технологий использу ется в электронной промышленности при изготовлении прибо ров в микроминиатюрной исполнение, в производстве гибридыьи и интегральных микросхем.
В Советском Союзе и за рубежом разработано большое ко личество различное по назначению и параметрам технологиче
ских электронных и ионных установок, эгепуатируемых |
на |
|
предприятиях |
и в научно-исследовательских целтрах. ' |
3 |
Изучение |
технологического электронно-ионного ооорудо- |
вания связаьо с трудностями, обусловленными отсутствием
систематизированных обзоров и учебников. Имскшшеся |
пере-, |
|
водные соорники докладов международных и отечестхенных |
||
конференций |
ы п о доступны студентам i' в большинстве |
слу |
чаев стали |
библиографической гедкостью. |
|
В данное пособии приведена классификация эл^к'дронвоионного оборудования ло характеру процессов, еэс^а'вляювдх основу техн_ ло1лческ.й слерации, по конструктивном приз накам и назначении оборудования. Вызелени основные, '. ха рактерные для большинства ус-тановск элементы и •IPBBJABSOS их описание.
- 4 -
Вторая глава посвящена источникам электронов и ионов.Крат ко описаны особенности конструкций термокатодов электронно
лучевых у'стрЪовок, |
а также плазменных источников электронов |
в ионов. 'Приведен |
обзор плазменных электронных нагревателей |
л »CSO4HIJKOS ионов твердых веществ, применяемых в устройст вах технологического назначения.
В главе ID излоаены принципы построяния электронно-опти ческих систем установок г описаны основные типы электронных
пушек и иоЕно-оптическнх систем, электростатических и ызг- |
|||
нитных линз, |
отклоняющих сястеи и иа_сфидьтррв УОНОВ. |
||
|
В главе |
17 описаны наиболее распространенные конструк |
|
ции |
рабочих |
вакуумных камер с приспособлениями для лах-руз- |
|
ки |
обрабатываемое изделий, смотровыми окнами и си станами |
||
контроля га ходом процесса обработки. |
|||
|
Глава |
|
содермт описание основных типов вакуумные сис |
тем |
установок с обводной откачкой рабочих камер, систем дня |
||
|
Г |
|
обеспече^я сверхвысокого вакуума и описание особенностей
построения вакуумных енотом установок с выводом пучка |
в |
атмосферу. |
|
В главе У1 излоаены основные принципы построения |
вьсо- |
КОБОЛЬТНЫХ схем питания электронно-оптических систем уста новок, работающих р непрерывном и импульсном режимах.
Принципы уотройсгва узлов иллюстрируются примерами ус тановок, описанных в технической литературе. Ь описание включены только главные элементы без описания подробностей.
Г Л А В А I
ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫЕ ИЕТОДЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ И КЛАССИФИКАЦИИ ЭЛЕКТ РОННО-ИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
I - J , Процессы, протекающие в твердой теле "ри электронной и ионнов 1оыбордировке
Основу технологических операций с исподь80ванвеи элект- ронно-ионного облучения составляю слогане фиаико-хиылчесвве процессы в поверхностных ".доях твердого тела, процессы в парах и гаьах при прохождений потока заряженных частиц.Есля результаты взаимодействия заряженных частиц с молекулами вещества, находящегося в газообразной состоянии, в основной сводятся к возбуждению, иончэпции и лвс-оциации молекул, so в твердом теле наблюдается целый ряд более слезных процес сов, характер и интенсивность которых зависит от вида облу чения, скорости заряненных частиц, свойств тзердого зада в других факторов.
При облучении твердого тела цучкри быстрых элекароаоз происходи отражение части п"чка, значатэдьная часть элек тронов проникает нэ некоторую глубиау, претерпевал торчокенив за сче! взаимодействия с сдектронами вещества, сопро вождающееся нагревом, рентгеновский иэлучерчем, вкричной электронной эмиссией, воз: а::новением дефектов в структуре кристаллов и другими эффектами.'В частности, при некоторых условиях облучение электронами ыояет стяыуларовять хв"нческке реакции в поверхностной слое твердого тела, способст вовать ускорению процессов диффузии, вывию** процессы диссоциации некоторых сое. анемий, входящих в СОСТАВ ~вердого тела, а такае стимулировать npou-эссы десорбции rasa
из по_ерхностных слоев твердого тела.
Взаимодействие ионов с веществом аачи:ае.ся еде |
при |
|||||||
подлете |
их к |
п Е рхкести .вердого т<;ла, |
к е д а |
вонн |
своя», |
|||
ялектричеслиы |
полем, производят |
вырывание |
злевг-речов |
я |
||||
ионов. Часть |
-оноэ, пр~ни"ших |
в..угрь |
вещества, |
отражается |
||||
в вакуув |
в виде |
-ОНОЕ, нейтральных и хоэбухденных |
ахомоя» |
|||||
Оснегшя |
часть |
напор, проникая |
вглубь |
в-щества, эаторка- |
- 6 -
жвввется г резулы-атё различных процессов взаимодействия с
ядрами |
вещества в |
электродными оболочкечи а т о м о в . |
Ионы |
на |
|||
своем |
путь когут |
нейтрализоваться, превращаясь |
в |
быстрые |
|||
атомы, |
з а т е м спора частично ионизоваться, могут |
выбивать |
|||||
атома |
из |
у з л о в кристаллической решетка, которые |
при |
опре |
|||
деленных |
условиях |
могут либо эыиттироваться в вакуук |
в |
ви |
де avouoB, ионов и возбужденных атомов, либо вызывать сме щение других атомов. 3- результате взаимодействия ионов с веществом могут создаваться каскады смещению: атомоч, об
разоваться вакансии и атсан в ме^ууэлиях решетки. |
Одно- |
|
времьнво с этими процессами пр" ионной бомбардировке мо |
||
жет происходить ЕУбнвани„' электронов на вещества, а |
как |
|
следствие |
возбуждения к ионизации атомов гещество |
можэт |
нспустить |
видимое, ультрафиолетовое и рентгеновское |
излу |
чение. При определенных условиях ионы могут осаждаться и
нейтрализоваться на поверхности твердого т е л а , |
образуя |
|
тонкую плениу. |
|
|
Некоторые процессы., протекающие в твердом |
теле |
при |
облучении заряженными частицами, попользуются для техно логических целгЯ и составляют основу э л е к :ронно-иодной технологий. К таким процессам относятся: нагрев При тормо
жении частиц 1 в е щ е с т в е , катодное распыление, |
образование |
дефектов в кристаллической решетке, внедрение |
ионов |
вглубь твердого тела, стимулирование хваичеекзх реакций электронной боибэрдирсякой, химическое взаимодействие
ионов |
с атованя |
бомбардируемого тела |
и др. Некоторые про |
||||
ц е с с ы , |
ие дающие |
технологического эффекта, м о г у т |
б и т ь ко-, |
||||
пользованы в качестве свидетелей для |
контроля |
за |
х о д о м |
||||
технологического |
процесса (вторичная |
эмиссия, |
излучение |
||||
ш т . д . ) . |
" |
|
|
|
|
|
|
Многие |
из |
перечисленных процессов |
протекают |
одновре |
|||
м е н н о . |
Однако |
в |
каждом конкретном случае используется |
ляаь один, относительная интенсивность которого усилива ется путем соответствующего выбора ренина облучеиия.
- 7 -
1-2. Технологические операции, выполняемые электронно- 'юнныин методами
Большое разнообразие э.ффекгов, вызываемых облучением твердого тела потоками заряженных частиц,обусловило широ кий диапазон технологических операций, выполняемых с по мощью эле::тронно-ионных методов,
Для технологически:' целей особенно чшроко испольаует-т ся тепловое действие электронной бомбардировки. Электрон
но-лучевые |
гыоды |
успешно применяются для |
плавки |
металлов |
|
||||
в вакууме, |
для зонной |
оч..стки, д«я сварки, размерной |
об |
|
|||||
работки и для других целей. Ионная бомбардировка применя |
|
||||||||
ется для очистки деталей, для нагрева заготовок при |
диф |
|
|||||||
фузионно,, сварке в вакууме, для изготовления |
отверстий, |
|
|||||||
для получения пленок, |
для ..ешрованья полупроводников |
я |
|
||||||
ДЛР вьполнеьия некоторых других опереди . |
|
|
|
|
|
||||
Несмотря аа большое разнсэбразие технологических опе |
|
||||||||
раций, |
которые мог"? |
осуществляться электроьно-г.он.'шмв |
о |
||||||
методам:', их иожио сгруппировать и представить в виде |
пя |
|
|||||||
ти ыегодов, для которых общим ялляетия характер |
процессов, |
|
|||||||
протекамих |
в веществе при воздействии пучков |
электронов |
|
||||||
" и ионов. Причем |
оти |
процессы гоставлявт |
основу |
той |
мы |
|
|||
иной технологической |
оперший. |
|
|
|
|
|
|||
По этогу признаку |
среди методов адектронно-иоьаои |
|
|
||||||
технологии |
можно |
выделить следуюгие: |
|
|
|
|
|
||
I . |
Методы электронно-ионнс^о нггрева, |
основу которых |
|
||||||
составляют |
тепловые' процессы, протекающие |
при |
юрМоЖьам |
|
'заряженных частиц в'веществе, ~е приводящие к разрушен!» последнего. К этой группе относятся гяекгриняо-лучевыв ме
тоды обезгэживания, отжига и плавки материалов, сварке |
я |
||||||
чайка |
деталей |
из различных материалов лу ,оь эчегтронов |
• |
||||
ионбь |
и другие |
методы. |
|
|
|
|
|
' 2..ЭлектреJHO- и нонноэрозионные м е т о д ы , |
основанные |
||||||
на |
разрушении |
аеществя и удалении его частиц, |
э pj |
у ж и а - |
|||
le |
которого в |
твердом теле с5разуе-ся упубленис, канал - |
|||||
или |
паз. К э.лм ые^одьм |
вносятся: электронЕ >..учевой |
и$~ |
||||
J P T |
размер :ой |
о«рарт л, |
метод лепар^ния вещества |
влевя- |
- 8 -
ронныи нагревэм для получения пленок, мотод удалениг з а - гряавений посредством ионной бомбардировки, метод полу чения пяенот ка-одным распыленгем, метод изготовления отверстая и пазов войной бомбардировкой й другие.
3. Йетоды, использующие радиационное действие элект ронных > гонных иуч::ов, в результате которого изменяется строение кристаллов, возникаю? дефекты в твердом теле. В ату группу входят методы ускорения диффузии, методы изме
нения |
фвзичесгнх свойств поверхности |
я |
т . д . |
|
|
4 |
. Метода, основную роль в которых |
играет |
химическое |
||
действьё глектронных и ионных пучк'в, |
|
проявляющееся |
в |
||
стимулировании процессов диссоциации |
сложных |
химических |
соедянесий, ускоренна процессов полимеризация при элект ронной бомбардировке, а также в химическом взаимодействий аовов о молекулами бомбардируемого вещества. Эти процессы составляют освоь/ электроннолучевых методов обеэгаяиванил поверхностей, электронно-лучевых и ионно-ппазмейных методы получения металлических и полинервнх пленек, а также некоторых видов ионной размерной обработки и электроноллографии.
5. методы внедрения ионов в твердое |
тело, |
в результате |
||
которого достигается |
аффект |
аегвроваш'я |
поверхностного |
|
слоя вещества. Этот |
аффект |
известен как |
детод |
ионного ле |
гирования при изготовлений солнечных батарей й других по лупроводниковых приборов.
Некоторые из Осьовных технологических операций (отжиг я обезгаживгчие, очистка детале'', плавка я сварка, фрезе рование в сверление, поду^нне пленок и изготовлегие млкросхем, легьровгнно и получение переходов, ускорение про цессов диффузии, aaiiHCB информации и контроль за ходом процесса обработки) могут выполняться одним или несколь кими методами, вьюор которых определяется усло?ияы.|, в которых осуществляется операция, в возможностями оборудова ния. "
1-3. Классификация электренно-йо.чного оборудования
Для выполнения 6О."ЬШИНСТЕ.. технологических операций раэработЕНы спёцяалиЕйрова;шые устечоьки и несколько ти-
- 9 -
пов универсальных установок, предназначенных для выполне ния целого комплекса операций. По иере изучения аакономерностей взаимодействия пучков наряженных чосхрц с вевдством открываются аогые вгзможности электронно-ионних методов я расширяется круг их использования. Вследствие расширения об ластей применения электронно-но:;ных методов ра&рабатыгаютсн новые образцы оборудования leraoлогического назначения.
В связи |
с быстрым увеличением общего количестве у л а - |
ногок и их |
типов изучение эхзктронно-ионного оборудования |
целесообразно начать г. тслассификацин оборудования и озн~- коиления с принципом устройства основных узлов. За основ ные признал классификации мояно принчть вид заряженных частиц, используеыых в установке в качестве технологичес кого средства, назначение установки и характер выполняемой технологической операции по способу «доучемя .1 управления электронный "отоком. Кроме осноьлых признаков хлассифика-
ц'<и можно использовать ряд дополнительных, |
подчеркивающих |
||
ту или |
иную особенность, например харг:стер |
взаимодействия |
|
частиц |
с вещество, характер атьосферы и давление в |
рабо |
|
чей камере, конструкция электронно-огтлческнх систем, |
ве |
||
личина |
ускоряющего напряжения л мощностг луча и т . д . |
Поль |
зуясь дополнительными признаками классификации,модно груп пировать установки, отчесерны? к определенному классу, на
билее мел«0!е группы в соответотвги |
с тем и^и |
другии 'при |
знаком, что облегчает их ге-адьное |
изучение. |
|
По виду заряженных частиц, используемых в качестве основного технологического средства, раагччают:
1)электронные установки;
2)ионные установки;
3)комбинированные уствноиш.
По характеру взаимодействия |
зарях-знных ч а с и ц с гэще»- |
||
ством |
который положен в основу |
т о и или ик,ги |
технологи |
ческого |
процесса, установки подразделвтег н |
сле.'луюаде |
|
группы* |
|
|
|
1. Элслтронно-нагревате._ьяые установки, и лгчьзуюцие |
|||
нагрев |
вещества при бсба^диров е заряженными часгицами. |
||
2. |
УСТАНОВКУ катодного распыления, в которых основным |
дроцепаоы является распыление вещества п,.и минь.fl doulsp-
Д И Г и В И ' - .