Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

пературы электронного газа и кристаллической решетки выравнивают-

ся. Такой процесс характерен для металлов.

2. В случае диэлектрических и полупроводниковых материалов кван-

ты света непосредственно взаимодействуют с тепловыми колебаниями

атомов (фононами), что вызывает нагревание образца.

Таким образом, по обоим механизмам поглощенная твердым телом

световая энергия трансформируется в тепло.

Интенсивность поглощения света

веществом в соответствии с фор-

мулой (1) определяется длиной волны излучения, свойствами поверхно-

сти образца (R) и поглощательной способностью материала (k). Для ме-

таллов и непрозрачных диэлектриков свет, в основном, поглощается в

слое меньше долей микрона. При этом коэффициент поглощения k =

(10

- 10

) см

-1

Для случая приповерхностного поглощения света температуру на-

грева можно оценить по следующей формуле:

)R1(I2

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

−

ατ

, (2)

где T

- начальная температура,

λ - коэффициент теплопроводности,

α - коэффициент температуропроводности материала,

τ - время облучения.

Уравнение (2) представим в более удобном для использования виде:

2/1

)c(

)(I)R1(

273T

⋅⋅

⋅−

ρλ

, (3)

где ρ - плотность нагреваемого вещества, С- теплоемкость вещества.

В таблице 1 приведены теплофизические свойства ряда материалов,

необходимые для расчёта температуры разогрева образца световым по-

током.

Таблица 1

Теплофизические свойства материалов

Материал Удельная тепло-

ёмкость,

Дж/ (кг⋅град)

Коэффициент тепло-

проводности,

Дж/ (с⋅м⋅град)

Плотность,

г/см

Al 924 210 2,7

Сталь 449 35 7,8

SiO

756 13,4 2,9

Стекло 672 0,75 2,6

Полимер 1600 0,16 1,2

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.2. Технологии, основанные на использовании световых лучей

Наиболее широкое применение энергия светового луча оптического

диапазона получила при сварке разнородных металлов, высоко- и низ-

котемпературной пайке, фотонном отжиге полупроводниковых мате-

риалов, для спаев металлов со стеклом, в качестве имитаторов солнеч-

ной радиации, для разрушения горных пород и снятия старых силикат-

ных покрытий. Такое относительно широкое разнообразие применения

лучистой энергии

от некогерентных источников объясняется их сравни-

тельно высоким КПД (35 - 50) %, в сравнении с лазерами.

1.3. Светолучевая технологическая установка СУМ-2

Установка СУМ-2 представляет собой генератор лучистой энергии

мощностью (0,5-1) кВт, источником которой является ксеноновая лампа

сверхвысокого давления типа ДКСШ.

В таблице 2 приведены основные параметры ксеноновых ламп.

Таблица 2

Параметры ксеноновых ламп

Плотность

лучистого по-

тока, МВт/м

в фокальном

пятне диа-

метром, мм

Тип

лампы

Ток,

Напряжение, В

Длина лампы,

см

Диаметр колбы,

см

Длина дуги,

см

Давление,

Па ⋅ 10

Световой поток,

клм

4 10

ДСКР 3000 120 28,5 23,2 5,0 0,37 78,4 100 4,56 2,82

ДСКР 5000 120 31 23,2 5,5 0,55 78,4 210 4,77

7,20

3,86

5,60

ДСКР 10000 275 36,4 25 7,0 0,75 39,2 460 7,10 6,56

Важнейшей характери-

стикой ксеноновых ламп

является и спектральный

состав излучения, кото-

рый иллюстрирует рису-

нок 1.

200 400 600 800 1000

, нм

0,25

отн.

ис. 1. Относительное спек-

тральное распределение излу-

чения ксеноновой лампы.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Принцип работы установки СУМ-2 состоит в следующем: основны-

ми деталями установки являются ксеноновая лампа и эллиптический

отражатель, имеющий фокусы f

и f

.В фокусе f

располагается разряд-

ная дуга ксеноновой лампы. Излучение лампы концентрируется эллип-

тическим отражателем в фокусе f

, где и помещается нагреваемая ми-

шень.

Диаметр фокального пятна (d

) в данном случае составляет (3-5) мм.

Зная мощность, подаваемую на лампу и КПД установки, можно оп-

ределить плотность падающего потока при известном диаметре фокаль-

ного пятна (d

, (4)

где N - мощность, подаваемая на лампу,

η - коэффициент полезного действия лампы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работы

- Освоить технологию нанесения защитного стеклоэмалевого покры-

тия на стальную подложку с помощью светового луча.

- Изучить технологии обработки поверхности мишени мощным све-

товым лучом.

- Экспериментальное освоение технологии нанесения стеклоэмалево-

го покрытия на стальную подложку, выбор мощности, диаметра фо-

кального пятна, времени термообработки, определение прочности по-

крытия в зависимости от технологических

параметров установки.

2.2. Принципиальная схема установки СУМ-2,

органы регулировки и последовательность включения

Схема состоит из трехфазного трансформатора 10 кВт, «двенадца-

тифазного» выпрямителя на 30 В, обычного трехфазного выпрямителя

вольтдобавки - 60 В, составного транзистора из 80 приборов П210А.

Схема обеспечивает подачу на межэлектродный промежуток лампы

напряжение 27 кВ с частотой 1000 Гц.

Последовательность включения:

1. Включить воду, приточную и вытяжную вентиляцию.

2. Включить тумблер «Питание», проверить наличие всех фаз по

нео-

новым индикаторам.

3. Включить кнопку «Питание вкл.», при этом вольтметр должен по-

казать напряжение на лампе 30 V.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

4. Тумблер «Поджиг-работа» в положении «Поджиг», потенциометр

против часовой стрелки до упора.

5. Кратковременно нажать кнопку «Поджиг» и, если лампа загоре-

лась, поставить тумблер в положение «Работа».

6. Потенциометром установить нужный ток, величина которого ука-

зывается преподавателем.

Рис. 2. Блок-схема установки СУМ-2

2.3. Технология нанесения стеклоэмалевого покрытия

На минимальном значении тока с помощью керамической мишени

определяется пространственное расположение фокального пятна нуж-

ного диаметра (рабочая зона).

Выставляется рабочий ток. Стальной образец - подложка помещается

в световой поток. При достижении образцом достаточной температуры,

что контролируется по времени воздействия и визуально, образец «оку-

нается» в порошок эмали, т.е. как бы «напудривается

». Минимум дву-

кратным стряхиванием удаляются излишки эмали. «Напудренный» об-

разец помещается в рабочую зону.

После оплавления эмали повторяются операции «напудривание» и

«оплавление». При оплавлении недопустим перегрев и появление пузы-

рей.

По достижении достаточной толщины эмалевого слоя процесс прек-

ращается.

Ток сбрасывается до минимального и образец помещается в керами-

ческую емкость

для постепенного охлаждения. В качестве покрытия ис-

пользуется стеклянный порошок. Подложкой служат образцы из стали.

БЛОК

ПИТАНИЯ

УСТРОЙСТВО

ПОДЖИГА

БЛОК

РЕГУЛИРОВКИ

ТОКА

КСЕНОНО-

ВАЯ ЛАМПА

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.4. Испытания покрытий

Механическую прочность стеклоэмалевого покрытия оценивают по

испытанию на ударную прочность. Прочность на удар характеризуют

работой (в кГм), которая вызывает повреждение эмалевого покрытия

при ударе. Повреждением считают появление первой трещины или от-

кол эмали с обнажением металла. Испытание проводят вертикальным

падением стального шарика радиусом примерно 12,5 мм, постепенно

увеличивая высоту падения.

Возможно изучение

влияния на прочность:

а) толщины покрытия,

б) способа нанесения (шликерный или пудровый),

в) режимов наплавления (варьируя время и мощность лампы).

2.5. Порядок работы

1. Подготовить к работе установку СУМ-2.

2. Подготовить образцы подложки и эмалевую пудру.

3. Настроить установку СУМ-2 на необходимый режим.

4. Провести технологический цикл в соответствии с п. 2.3.

5. Осуществить испытания изделий в соответствии с п. 2.4.

6. В отчете представить:

а) физические основы светолучевых технологий,

б) принцип действия и схему СУМ-2,

в) технологию эмалирования

изделий,

г) результаты испытания качества изделий в зависимости от тех-

нологических параметров. Объяснить полученные результаты.

2.6. Контрольные вопросы

1. Закон Бугера-Ламберта.

2. Изложите физику нагрева мишени световым лучом.

3. В чем сущность светолучевых технологий и их преимуществ?

4. Технология нанесения покрытий с помощью светового излучения.

2.7. Литература

1. Фролов В.А. и др. Использование энергии светового луча в тех-

нологических целях. //Сварочное производство.- 1993.- N 4.- С. 12-

14.

Ларкина Л.П. Применение лучистой энергии оптического диапазона

для разрушения горных пород.- Киев: Наукова дума, 1976.- 108 с.

Варгина и др. Импульсная термообработка материалов полупровод-

никовой электроники некогерентным светом. // Зарубежная элек-

тронная техника. -1983.- В. 1(259).- С. 3-57.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ ТОНКИХ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Плазма и ее свойства

Плазмой называется ионизованный газ, в котором атомы (все или

значительная их часть) потеряли по одному или по несколько электро-

нов и превратились в положительно заряженные ионы. Плазма характе-

ризуется степенью ионизации α – отношением числа ионизованных час-

тиц к полному их числу в единице объема вещества. В зависимости от

величины α говорят

о слабо (α составляет доли процента), умеренно (α-

несколько процентов) и полностью (α близко к 100%) ионизованной

плазме.

В общем случае можно считать, что плазма представляет собой

смесь трех компонент: свободные электроны, ионы и нейтральные ато-

мы (или молекулы).

Плазма - наиболее распространенное состояние вещества в природе.

Солнце и звезды представляют собой

гигантские сгустки горячей плаз-

мы. Внешняя поверхность земной атмосферы покрыта плазменной обо-

лочкой-ионосферой. За пределами ионосферы находятся радиационные

пояса, которые относятся к своеобразным плазменным образованиям. В

земных условиях в лаборатории и в технике с плазмой мы встречаемся

при различных газовых разрядах, так как любой газовый разряд (мол-

ния, искра,

дуга и др.) всегда связаны с возникновением плазмы.

Одной из важнейших характеристик плазмы является ее плотность

или число заряженных частиц в единице объема. Возможные значения

плотности плазмы изменяются в очень широком диапазоне: от 10

-6

см

-3

межгалактическом пространстве до 10

см

-3

в центральных областях

звезд. Наиболее характерная плотность технической плазмы соответст-

вует (10

-10

) см

-3

Другая характеристика плазмы – ее температура (Т

В зависимости от способа получения существует два типа плазмы:

Высокотемпературная или равновесная плазма (Т

= 10

К - 10

К).

Ионизация газа в данном случае происходит под действием сверхвысо-

ких температур, при этом температуры электронов и ионов приблизи-

тельно равны. Именно такое состояние вещества характерно для Солнца

и звезд.

Низкотемпературная или неравновесная плазма (Т

< 10

К).

Причиной ее возникновения является газовый разряд.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Когда создается плазма с помощью электрического разряда, то энер-

гию от источника электрического поля получают, прежде всего, легкие

частицы-электроны. Они ускоряются, а значит, и нагреваются под дей-

ствием электрических сил. Поэтому в газоразрядной плазме, как прави-

ло, температура электронов (Т

) значительно превышает температуру

ионов (Т

). Перераспределение тепла в плазме происходит за счет

столкновений электронов и ионов. Однако, ввиду большой разницы в

массах сталкивающихся частиц, в одном акте соударения электрон пе-

редает иону небольшую порцию энергии. Поэтому для выравнивания

электронной и ионной температур необходимо большое число соударе-

ний, что реализуется только в высококонцентрированной плазме. В свя-

зи с этим, газоразрядная плазма, как правило, является неравновесной,

то есть температура электронов много больше температуры ионов.

1.2. Плазмотроны

Газоразрядная плазма создается в специальных устройствах-

плазмотронах. Представим основные разновидности этих устройств.

Дуговой плазмотрон постоянного тока

состоит из следующих узлов:

внутреннего электрода, разрядной камеры и устройства подачи плазмо-

образующего вещества. Различают два типа дуговых плазмотронов - для

формирования плазменной дуги и для создания плазменной струи. В

устройствах первой группы (

плазмотроны прямого действия) дуговой

разряд горит между внутренним электродом и обрабатываемым мате-

риалом, служащим анодом. В устройствах второй группы (

плазмотроны

косвенного действия

) плазма, создаваемая в разряде между электродом

и корпусом, истекает из разрядной камеры в виде струи. Стабилизация

разряда в дуговых плазмотронах в большинстве случаев осуществляется

с помощью магнитного поля.

Плазмоструйные плазмотроны используются при термической обра-

ботки металлов, для нанесения покрытий. Плазмодуговые плазмотроны

служат для сварки, резки, плавки электропроводных материалов. Мощ-

ности

дуговых плазмотронов-10

-10

Вт. Температура струи на срезе

сопла 3000-12000 К.

Высокочастотный плазмотрон включает: электромагнитную ка-

тушку, индуктор или электроды, подключенные к источнику ВЧ-

энергии, разрядную камеру, узел ввода плазмообразующего вещества.

Различают ВЧ-плазмотроны индукционные, емкостные, факельные.

Мощность ВЧ-плазмотронов достигает 10

Вт, температура в центре

разрядной камеры достигает 10000 К. Частота электромагнитного поля

лежит в пределах (10-50) МГц.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.3. Основные особенности высокочастотного разряда

Под действием ВЧ-электрического поля электроны приобретают

энергии порядка (10-100) эВ и оказываются способными эффективно

ионизовать при соударениях атомы и молекулы газа. Распределение

электронов по энергиям имеет сложный характер, отличный от распре-

деления Максвелла. При давлениях газа близких к атмосферному между

электродами возникает высокочастотная корона, которая при соответст-

вующей мощности генератора переходит

в высокочастотную дугу. При

низких давлениях газа режим ВЧ-разряда близок к режиму тлеющего

разряда. Высокочастотный разряд используется для образования плазмы

в ионных источниках, в молекулярных лазерах для создания однород-

ной активной среды, для осуществления плазмохимических процессов.

1.4. Использование газоразрядной плазмы в микроэлектронных

технологиях

Микроэлектроника это отрасль электронной техники, цель которой

состоит в создании устройств в микроминиатюрном исполнении.

Планарная технология является наиболее перспективным методом

получения подобных устройств. Основные операции планарной техно-

логии: нанесение тонких диэлектрических и металлических пленок на

поверхность полупроводниковой пластины; создание методами лито-

графии и травления необходимой топологии будущей микросхемы; об-

разование электронно-дырочных переходов при легировании кристалла

донорами и акцепторами. В результате этих операций отдельным участ-

кам

полупроводниковой пластины придаются свойства различных эле-

ментов: транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д., что в

итоге и формирует интегральную микросхему.

Высокочастотная плазма широко используется в планарной техно-

логии для проведения операций получения и травления диэлектриче-

ских и, особенно, резистивных пленок.

Топология будущей микросхемы формируется методами литографии,

обеспечивающими перенос рисунка шаблона на поверхность полупро-

водниковой пластины. Главным элементом литографического процесса

является резист, представляющий собой полимерную пленку, раствори-

мость которой в проявителе зависит от

вида и длительности облучения.

В зависимости от вида радиации различают фото-, электроно- или рент-

гено-резисты. В литографии наибольшее распространение получили фо-

торезисты. В зависимости от природы полимера, в нем под действием

облучения развиваются либо деструкция (разрыв химических связей),

либо сшивание макромолекул (образуется объемная полимерная сетка).

Это приводит к тому, что

деструктирующие при облучении резисты

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

увеличивают растворимость в проявителе, а сшивающиеся резисты на-

оборот становятся не растворимыми. Указанные свойства полимерных

резистов изменять свою растворимость после экспонирования и исполь-

зуются в литографии для формирования рисунка микросхемы.

Литографический процесс включает следующие этапы:

- нанесение резистивной пленки на полупроводниковую пластину;

- облучение пластины через шаблон с определенным рисунком (

экс-

понирование);

- после экспонирования пластину помещают в раствор - проявитель.

В зависимости от типа используемого полимера при проявлении удаля-

ются экспонированные или неэкспонированные области пленки. В со-

ответствии с этим, резисты делятся на позитивные и негативные. К по-

зитивным (деструктирующим) резистам относятся полиметилметакри-

лат (ПММА), полибутен-1 сульфин (ПБС). Представителем сшиваю-

щихся

при облучении полимеров-резистов является полиглицилметак-

рилатэтилакрилат.

- термическое задубливание резиста для увеличения его адгезионных

свойств;

удаление резиста химическим или плазмохимическим способами.

Наиболее эффективно травление диэлектрических пленок и удале-

ние резиста с полупроводниковых пластин осуществляется в плазме вы-

сокочастотного разряда.

В настоящей лабораторной работе будет изучена технология страв-

ливания резистивной пленки с кремниевой пластины на установке

«Плазма-600». Процесс травления резистивной пленки осуществляется

следующим образом. В камере-

реакторе установки «Плазма-600» путем

высокочастотного разряда создается низкотемпературная воздушная

плазма, состоящая из ионов и электронов с энергиями до 100 эВ, актив-

ных кислородных (О) и азотных (N) радикалов, нейтральных газовых

молекул (N

Электроны и ионы бомбардируют резистивную пленку, вызывая раз-

рыв химических связей и распыление пленки. Присутствующие в плаз-

ме радикалы взаимодействуют с продуктами радиационного разложения

пленки, образуя летучие вещества. Таким образом, осуществляется эф-

фективное удаление с полупроводниковой пластина полимерной пленки

резиста.

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работ

- Познакомиться с основными плазменными технологиями и техни-

ческими средствами их реализации.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

- Освоить установку «Плазма-600», получить навыки травления в вы-

сокочастотной плазме диэлектрических пленок на кремниевых пласти-

нах.

- Освоить цветовой метод определения толщины пленки.

- Установить зависимость скорости травления диэлектрической

пленки от ее химического состава и технологических параметров уста-

новки.

2.2. Экспериментальное оборудование и методика определения

толщины плёнки

Установка «Плазма-600» (рис. 1) предназначена для получения и

травления диэлектрических пленок, а так же для обработки поверхности

материалов в плазме высокочастотного газового разряда.

Основные параметры установки:

- частота ВЧ-генератора – 13.56 Мгц

- рабочее давление в газоразрядной камере - (10

-10

) Па

- в качестве рабочего газа может использоваться воздух, кислород,

аргон, пары летучих жидкостей.

Рис. 1 Принципиальная схема установки: 1 - вакуумная камера для плазменной

обработки материало, 2 – образец, 3 - нижний электрод, 4 - верхний электрод, 5 -

генератор высокочастотного поля, 6 - форвакуумный насос.

Работа на установке «Плазма-600

1. Открыть дверцу камеры.

2. Открыть крышку камеры.

Загрузить в камеру экспериментальные образцы.

Закрыть крышку и дверцу камеры.

Установить время процесса с помощью тумблера ГАЗ-А.

газ