СОДЕРЖАНИЕ

1.Мембранные преобразователи для измерения вакуума……………….......3

2.Конструкции масс-сепараторов для установок ионной имплантации…...8

3.Газовые системы диффузионной печи……………………………………10 Список использованных источников………………………………………...12

2

1.Мембранные преобразователи для измерения вакуума.

Мембранный вакуумметр – деформационный вакуумметр, в котором чувствительным элементом является мембрана или мембранная коробка. В современной вакуумной технике мембранные вакуумметры получили большое распространение благодаря потребности высокоточного измерения разреженных газов в микроэлектронной и химической промышленности. Принцип измерения давления за счет измерения деформации упругой мембраны объединился с высокоточным емкостным принципом измерения перемещений (оценивается емкость конденсатора при перемещении одной из его обкладок). Вакуумметры данного типа обладают отличной химической стойкостью [1].

Мембранно-ёмкостные вакуумметры используются главным образом для измерения давления в области до высокого вакуума, и оно не зависит от вида газа. Принцип действия этих вакуумметров основан на измерении эластичной деформации тонкой мембраны под действием разности давлений на одном и на другом конце.

Таким образом, мембранный вакуумметр — это прибор для измерения относительного давления. В объёме датчика создаётся разряжение давления, которое меньше давления в ресивере. Измерение абсолютного давления происходит с незначительными погрешностями, возникающим из-за остаточного давления.

В ёмкостных вакуумметрах чувствительная мембрана образует один из электродов конденсатора. Изгиб, выполняющий функцию разностного давления, вызывает изменение его объёма. Это изменение можно непосредственно измерить. Мембраны изготовляются из нержавеющей стали с небольшим коэффициентом теплового расширения или керамики с металлическим покрытием. Керамические мембраны менее чувствительны к перепадам температур и благодаря лучшей способности к релаксации устойчивы по отношению к нулевой точке. Они обладают улучшенной коррозиевоустойчивостью и могут использоваться также в суровых условиях. Мембрананедолжнабытьчувствительнакизменениютемпературы,иначеэто приводит к искажению результатов измерений. Диапазон измеряемых давленийзависитоттолщинымембраны.Каждаятолщинамембраныизмеряет давление диапазоном 4 декад.

На рисунке 1.1 можно увидеть схематично как работают вакуометры. Гибкая мембрана образует одну пластину конденсатора, а фиксированный щуп - другую. Изменение давления деформирует гибкую мембрану, которая изменяет емкость, преобразуемую в показание давления. Чувствительность, повторяемость показаний и простота этого вакуумметра позволяют использовать вакуумметр данного типа в качестве стандарта для измерений давления от 10-6 мм рт. ст. до атмосферного давления. В одной головке можно получить динамический диапазон четырех или пяти порядков.

3

На рисунке 1.1 также схематично показан мембранно-деформационный вакуумметр с тензометром. В этом случае деформация мембраны вызывает пропорциональный выходной сигнал от подсоединенного тензометра. Чувствительность и динамический диапазон, как правило, бывают меньше чувствительности и динамического диапазона вакуумметра с емкостной мембраной. Однако цена мембранно-деформационного вакуумметра, как правило, ниже.

Оба этих вакуумметра при своей высокой чувствительности склонны к погрешностям, вызываемым даже малыми изменениями температуры. Термически контролируемые головки или корректировочные таблицы, встроенные в электронику, использовались для минимизации этой проблемы. Другими источниками погрешности во всех вакуумметрах с твердой стенкой являются гистерезис и усталость металла.

Увеличение точности можно достичь, используя термостабильные датчики, установленные на постоянную температуру 45 °C. Тем самым снижается влияние температуры на результаты измерений. Преимущества мембранно-ёмкостного вакуумметра — это газонезависимость, высокая точность измерения (обычно 0,2 % от показываемого значения) и стойкость против коррозийных газов [2].

Рисунок 1.1. Разновидности вакуометров от принципа работы.

4

Пружинный и мембранный вакуумметр, в которых для измерения используются только механические части, являются одними из самых дешевых средств измерения низкого вакуума, и обычно имеют стрелочную индикацию. Оба вакуумметра являются газонезависимыми (т.е. показания давления не зависят от типа газа).

Более точной (и соответственно,дорогой) разновидностью мембранного вакуумметра является емкостной диафрагменный вакуумметр. В емкостном вакуумметре изгибаемая мембрана является одной из обложек конденсатора, емкость которого меняется при изменении расстояния между обложками (изгибаемой мембраной и неподвижной второй обложкой). Учитывая, что ёмкость сильно изменяется при изгибе диафрагмы (изменении расстояния между обложками конденсатора), и легко и точно измеряется, данные вакуумметры являются одними за наиболее точных (точность измерения составляет десятые, или сотые процента от показываемого значения). Емкостные вакуумметры являются газонезависимыми. К недостаткам можно отнести небольшой диапазон измерения и высокую стоимость [3].

Таким образом можно прийти к выводу что мембранные вакуумметры делятся на:

Вакуумметры классические;

Вакуумметры емкостные.

Вакуумметры классические на рисунке 1.2 – это обычные манометры (жидкостные либо анероидные), предназначенные для измерения небольших давлений. В измерительном колене жидкостных вакуумметров используется масло с определенной плотностью и с желательно низким давлением пара (чтобы не нарушался вакуум). Как правило, жидкостные манометры изолируются от остальной вакуумной системы посредством азотных ловушек (специальные устройства, которые наполняются жидким азотом и служат с целью вымораживания паров используемого вещества в манометре). Областью измеряемых давлений является промежуток от 10Па до 100000Па.

Рисунок 1.2. Вакуумметр классический.

5

Емкостные вакуометры (рис. 1.3) позволяют измерять абсолютное и дифференциальное давление в диапазоне от Ю-6 мбар до 35 бар с точностью от0,25 до 0,05 %от показания. Последние модели дают возможность измерять давление до 200 бар с точностью до 1 % от показания.

Рисунок 1.3. Схема емкостного датчика: 1 - диафрагма; 2 - электроды

Сенсор датчика состоит из металлической ячейки, разделенной на две частитугонатянутойплоскойметаллическойдиафрагмой(1),соднойстороны которой расположены электроды (2). Электроды с диафрагмой образуют две переменные емкости, которые включены в плечи измерительного моста. Когда давление по обеим сторонам диафрагмы одинаково, мост сбалансирован. Изменение давления в одной из камер деформирует диафрагму, изменяет емкости, разбалансируй мост. Полученный сигнал дисбаланса усиливается и демодулируется, образуя на выходе сигнал постоянного тока.

Внастоящее время все сенсоры изготавливаются с электродами, расположенными с одной стороны от диафрагмы. Таким образом, газ, давление которого необходимо измерить, будет находиться в контакте только

скамерой, выполненной из нержавеющей стали или инконеля. Это позволяет проводить измерения, зависящие от рода газа, и использовать датчик для измерения давления загрязненных, коррозийных, агрессивных, радиоактивных газов, смесей газов неизвестного состава, а также очень чистых газов.

Вабсолютной модели с опорной стороны давление доводится до 10-7 мм рт. ст., оно поддерживается в течение длительного времени химическим геттером. В дифференциальной модели камера с электродами открыта, в нее

6

подается опорное давление, что обеспечивает прямое измерение дифференциального давления с наименьшей погрешностью. В модели избыточного давления камера с электродами сообщается с атмосферой. Электроды выполнены из керамики, покрытой палладием.

Одним из главных преимуществ датчиков является их высокая точность (от 1 до 0,05 % от показания) при широком диапазоне измерения давлений (от 3 до 5 декад). Например, некоторые датчики с полной шкалой (верхним пределом, ВП) 1000 Тор и точностью 0,12 % от показания обеспечивает измерения с указанной точностью в диапазоне от 10-2 до 1000 Тор, т. е. пять декад. Точность датчиков является суммой ошибок, вызванных нелинейностью, гистерезисом, не повторяемостью, и определяется в процентах от показания.

Все описанные факторы определяются конструктивными особенностями и калибровкой каждого датчика. Температурные изменения являются внешним фактором, т. к. определяются окружающей средой. Поэтому температурные ошибки приводятся отдельно в виде температурных коэффициентов. На рисунке 1.4 показан внешний вид емкостного датчика[4].

Рисунок 1.4. Вакуометр емкостной.

7

2.Конструкции масс-сепараторов для установок ионной имплантации.

Масс-сепаратор применяется для очистки пучка ионов от нежелательных элементов, которые могут присутствовать при формировании пучка в ИИ. Работа масс-сепаратора основана на разном отклонении ионов в магнитном поле в зависимости от массы и заряда. Подбирая величину напряженностимагнитногополя,можнополучатьнавыходесепараторапучок только тех ионов, которые необходимы для легирования.

Связь между магнитной индукцией и параметрами сепарируемых ионов имеет следующий вид:

(1)

где R - радиус отклонения иона; M1 - масса иона; (q - заряд иона; B - магнитная индукция; U - ускоряющее напряжение.

Как видно из (1), частицы с одинаковой энергией, но разной массой отклоняются по разным траекториям, что и используется для отделения ненужных частиц. В установках ИЛ обычно встраивается анализатор масс, по показаниям которого осуществляется настройка сепаратора на выделение нужных ионов [5].

Масс-сепараторы. Для ионного легирования обычно необходимы ионы конкретного изотопа с определенной заурядностью. Например, с целью формирования акцепторного слоя в кремнии его легируют ионами изотопа бора 11В+, а донорного слоя – изотоп фосфора 31Р+. В потоках же, извлекаемых из ионных источников, всегда содержатся ионы других элементов, в частности материалов электродов, рабочего и остаточного газов и др. С целью выделения из общего потока ионов определенного сорта используют специальные системы разделения ионов по отношениям их масс к заряду – масс-сепараторы. Сепарация основана на взаимодействии движущихся ионов с магнитным и (или) электростатическим полем. В установках ионной имплантации получили распространение два типа сепараторов: с разделением ионов в однородном постоянном поле секторного магнита и фильтр Вина, где одновременно на ионы действуют взаимно ортогональные магнитные и электрические поля. Фильтр Вина целесообразно использовать, если в установке сила тока не превышает 10-4 А. Перестройку сепаратора с одного вида ионов на другой осуществляют изменением индукции магнитного поля или вытягивающего напряжения [6].

Масс-сепаратор должен обеспечивать: - сепарирование в широком диапазоне масс с высоким разрешением; - минимальную аберрацию пучка; - сохранение формы пучка; - минимальное загрязнение пучка продуктами распыления стенок сепаратора при бомбардировке их отклоненными ионами. В настоящее время используются три метода сепарирования: - по массам с

8

отклонением пучка с помощью магнитов; - по скоростям без изменения направления пучка с применением скрещенных Е и В полей; - по массам с сепарацией ВЧ-фильтром. При первом методе применяют магниты различной конфигурации. Наиболее простым и удобным по конструкции является сепаратор с однородным полем, создаваемым секторным магнитом. Сепарирование ионов различной массы заключается в воздействии на движущиеся ионы силы Лоренца, при этом ионы движутся по круговой траектории, радиус которой зависит от массы иона, ускоряющего напряжения, напряженности магнитного поля и зарядового состояния иона. Т.о., ионы одинаковых энергий и зарядового состояния будут двигаться по разным траекториям.Уголсекторногомагнитаможет быть60,65,90˚.Секторныемасссепараторы выполняют также функции фокусировки. Во втором методе используют ЕxВ сепараторы, представляющие собой ионно-оптические устройства с взаимно перпендикулярными электрическими и магнитными полями. В таком сепараторе электрическое поле Е используют для компенсации воздействия на ион силы Лоренца. При определенных значениях магнитного и электрического полей при некоторых скоростях V0 выполняется соотношение НеV0=eU , тогда ионы с массой М0 проходят через сепаратор по прямой линии. Ионы с массой М=М0±ΔМ будут испытывать действие отклоняющей силы. Достоинствам ЕхВ сепаратора являются малые габариты и масса, простота, прямолинейность ионного тракт ВЧ-сепараторы сложны по конструкции и требуют мощных ВЧ источников питания. Поэтому они применяются редко [7].

9

3. Газовые системы диффузионной печи.

Газовые системы (ГС) в технологическом оборудовании для производства изделий микроэлектроники выполняют следующие функции: очистка, смешение, увлажнение, распределение, транспортирование, измерение и регулировка параметров газов и парогазовых смесей, а также утилизацию и нейтрализацию выводимых из реактора продуктов реакций.

К газовым системам применимы следующие требования:

-герметичность;

-материалы ГС не должны вносить загрязнений и должны быть химически стойки;

-отсутствие непродуваемых участков и застойных зон;

-минимальные гидравлические сопротивления;

-высокая точность измерения и регулирования расходов газа;

-безопасные условия эксплуатации и наличие защиты при аварийных ситуациях.

Пример устройство газораспределения (рис.3) на базе однозонной трёхканальной термической установки имеет основание в виде стального металлического каркаса, на котором размещены три шкафа по одному на каждый канал электропечи и может подключаться к вытяжной системе.

Рисунок 3 - Схема устройства газораспределения термической

10