3. Некоторые применения вакуума

3.1. Общие вопросы

В вакуумных работах мы имеем дело главным образом с газами — такими, как воздух, — и их взаимодействием с твердым телом. В лабораториях и в промышленности используют вакуумные насосы для того, чтобы создать вакуумную среду для разных операций.

Причина, по которой используется вакуум, заключается в том, что большинство газов взаимодействует с твердым телом, вызывая крайне нежелательные эффекты. Создавая вакуум, в котором мы проводим эксперименты, мы можем исключить или снизить до минимума эти нежелательные эффекты. Например, до тех пор, пока основное количество воздуха не удалено из электронной лампы, она не может как следует работать. Количество молекул газа в лампе должно быть меньше одной миллионной части от числа молекул, находящихся в этом же объеме при атмосферном давлении, чтобы предотвратить взаимодействие молекул газа с чувствительными деталями, такими, как катод, и сохранить их работоспособность. Можно было бы привести громадное количество других примеров и показать, что результатов, полученных благодаря применению вакуума, невозможно было бы добиться никаким другим путем.

В последние годы применение высокого вакуума резко возросло как количественно, так и качественно. Этим, в свою очередь, были вызваны возросшие требования к улучшению методов и оборудования в области высокого вакуума. В дополнение к технологии создания электронных ламп, высокий вакуум широко используется в таких различных областях, как полупроводниковая промышленность, ускорители частиц, осаждение тонких пленок, масс-спектрометрия, моделирование космоса, вакуумная металлургия, анализ поверхности и многие другие.

Геттеро-ионные насосы используются успешно едва ли не во всех этих областях и их применение, можно полагать, будет увеличиваться.

3.2. Испарители

Развитие тонкопленочной технологии для создания полупроводниковых систем и оптических слоев как в области исследований, так и в промышленности, за последние 20 лет шло очень быстро. Однако было обнаружено, что результаты, получаемые в системах с масляной откачкой, не воспроизводимы из-за осаждения на поверхности молекул углеводородных соединений. Некоторого улучшения можно было достичь, применяя силиконовые масла, витоновые прокладки с малымгазовыделением, ловушки на жидком азоте и большие скорости испарения, что в шаблонном применении приводило бы, вообще говоря, к желаемым результатам. Однако, даже это улучшенное исполнение не годится для исследований или высококачественного производства.

Решение этой проблемы было найдено в 1960-х годах благодаря технике сверхвысокого вакуума. Один из многих примеров приведен Pecoud и Vrahides из Гренобльского центра ядерных исследований (CENG). Они приготовили МОС структуры двумя способами:

—в системе с масляной откачкой (группа 1);

—в системе Рибер, откачиваемой ионным насосом (группа 2).

Полученные структуры сравнивались по стабильности электрических характеристик. Типичные результаты после выдержки в электрическом поле напряженности Е = 10-6 в/см при 200° С в течение пяти минут были:

—образцы группы 1: нестабильность 0,5 в;

— образцы группы 2: нестабильность 0,1 в.

Изучалось также напряжение пробоя:

— в системе с традиционным типом откачки:

а) при 10^-4торр (1,33 х 10^-2 Па) 72% изделий имели напряжение пробоя выше 100 в;

б) при 2 х 10^-7торр (2,65 х 10^-5 Па) 77 % изделий имели напряжение пробоя выше 100 в;

— в системе с ионной откачкой при давлении 2 х 10-7 торр (2,67 х 10-5 Па) или ниже 100% изделий имели напряжение пробоя выше 100 в.

Методы испарения изменяются в зависимости от испаряемого материала. Такие металлы, как золото, серебро, медь и хром могут испаряться из лодочек, приготовленных из тугоплавких металлов (тантал, вольфрам или молибден) и разогреваемых проходящим током. Этот способ непригоден, если при испарении могут образовываться легкоплавкие сплавы, как, например, с никелем или алюминием, или когда испаряемое вещество тугоплавко. В таких случаях применяют испарение с помощью электронной бомбардировки. Испаряемый материал помещают в медный тигель, охлаждаемый водой; отклоненные с помощью магнитной системы на 180°, электроны фокусируются на тигле. При этом на электронную пушку испаряемое вещество не попадает. Таким способом можно испарять почти все металлы и диэлектрики. Потребляемая при этом мощность порядка 6 квт (10 кв, 600 ма). Во избежание образования кратера при испарении электронный пучок можно сканировать. Скорость осаждения может достигать 1 000 А/сек; средняя скорость для алюминия была 500 А/сек. Для осаждения многослойных покрытий используется пушка с четырьмя тиглями, движением которых управляют снаружи. Для осаждения сплавов применяется пушка с двумя тиглями. Электронный луч перемещается автоматически с одного тигля на другой, причем время бомбардировки можно установить в зависимости от материала.

Рис. 30. Электронная пушка для многослойного осаждения фирмы «Рибер», тип СЕ 4.

1 — Держатель тигля. 2-3 — Магнитные полюсные наконечники. 4 — Катод. 5 — Магнитная катушка. 6 — Анод. 7 — Передача движения.