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

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Автомат «Сеть» поставить в положение «Вкл», загорится лампоч-

ка «Сеть».

Включить насос кнопкой «Пуск», загорится лампочка «Насос».

Тумблер «Накал» поставить в положение «Вкл», загорятся лам-

почки «Накал», «Генератор». Прогреть генератор в течение 15 мин.

Тумблером 7 включить откачку камеры.

10.

Проконтролировать по вакуумметру ВТБ-1 включение блокиро-

вок 1,2 – каналов, должны загореться сигнальные лампочки на блоке

ВТБ-1. Откачать камеру до давления около 10 единиц.

11.

Тумблер 4 поставить в верхнее положение. Установить левым

верхним натекателем давление по ВТБ-1 на уровне 24-26 единиц.

12.

Через 15 мин после выполнения п. 1,3, 8 нажать кнопку «Про-

цесс», загорится лампочка «Процесс» и «Высокое напряжение».

13.

Потенциометром установить ВЧ-мощность генератора на уровне

(10-45) единиц, при этом ток анода должен быть не более 0,66 А, ток

сетки около (20-30) mА.

14.

Провести процесс травления в режиме, указанном преподавате-

лем.

15.

Вывести потенциометр в крайнее левое положение.

16.

Нажать кнопку «Стоп», погаснет лампочка «Процесс».

17.

Тумблер 4 поставить в среднее положение.

18.

Тумблер 7 поставить в нижнее положение.

19.

Через 2-3 мин открыть дверцу и крышку камеры.

20.

Выгрузить из камеры экспериментальные образцы.

21.

Нажать кнопку «Стоп», погаснет лампочка «Насос».

22.

Выключить тумблер «Накал», погаснет лампочка «Накал».

23.

Через 5 мин выключить тумблер «Сеть».

Для определения толщины пленок в данной работе используется цве-

товой метод. Сущность метода состоит в следующем. Тонкие пленки,

нанесенные на подложку, приобретают определенную цветность за счет

интерференции света, отраженного от двух поверхностей пленки. В

этом случае цвет пленки, рассматриваемой в белом свете, зависит от ее

толщины. Таким образом, толщину диэлектрической пленки с коэффи-

циентом преломления как у оксида кремния можно оценить, пользуясь

таблицей 1.

Цвета, указанные в таблице, наблюдаются при нормальном падении

света. Пленки толщиной (0,01-0,25) при изменении угла падения света

свой цвет не меняют. Однако, пленки с толщиной более 0,25 мкм при

переходе от прямого к косому

освещению изменяют свою цветность.

Для совершенно независимого определения толщины пленки по ее ин-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таблица 1

Интерференционные цвета пленок окиси кремния

Толщина пленки (микрон)

Цвет

Порядок

цвета 1

Порядок

цвета 2

Порядок

цвета 3

Порядок

цвета 4

Серый

Коричневый

Синий

Фиолетовый

Голубой

Зеленый

Желтый

Оранжевый

Красный

0,01

0,05

0,08

0,10

0,15

0,18

0,21

0,22

0,25

0,28

0,30

0,33

0,37

0,40

0,44

0,46

0,49

0,52

0,56

0,60

0,62

О,65

0,68

0,72

0,75

терференционной окраске необходимо иметь не только таблицу цветов,

но и калиброванные образцы, которые можно поместить рядом с изме-

ряемыми и рассматривать при различных углах падения света. Можно

обойтись и без калиброванных образцов, если толщина пленки известна

с точностью не хуже половины порядка цветности (750-1000)Å.

2.3. Порядок работы

1. Подготовить кремниевые пластины с нанесенной пленкой резиста.

Цветовым методом определить толщину пленки.

2. Провести технологический процесс травления резистивной

пленки в двух режимах, отличающихся мощностью ВЧ-генератора и

составом рабочего газа. В процессе травления определять толщину

пленки через каждые 10 минут

3. Результаты работы представить в таблице 2.

Таблица 2

Плазмо-химическое травление резистивной пленки

Давление

в камере

Мощность

Ч-

енератора

Экспозиция

травления

(мин)

Толщина

пленки (мкм)

Цвет

пленки

Первый режим

…

Второй режим

….

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.4. Контрольные вопросы

1. Плазма и ее характеристики.

2. Технические источники плазмы.

3. Классификация плазменных технологий.

4. Получение и свойства высокочастотной плазмы.

5. Использование высокочастотной плазмы в материаловедении.

2.5. Литература

1. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы.- М.:Атомиздат,

1969.- 191 с.

Технология СБИС./ Под ред. С.Зи.- М.: Мир, 1986.- 405 с.

Основы технологии кремниевых интегральных схем./ Под ред.

Р.Бургера и Р.Донована.- М.: Мир, 1969.- 451 с.

Панов Е.Н. Технология изготовления БИС.- М.: Высшая школа,

1989.- 78 с.

Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны: кон-

струкции, характеристики, расчёт.- М.: Машиностроение, 1993.- 296 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Введение

Под электронно-лучевыми (ЭЛ) технологиями понимают технологи-

ческие операции, в основе которых лежит использование электронных

пучков разной мощности.

В зависимости от энергии быстрых электронов все многообразие ЭЛ-

технологий делится на два класса:

1. Технологии, основанные на электронно-лучевом нагреве материа-

ла. К ним относятся плавление, сварка, закалка, отжиг, поверхностное

упрочнение материалов,

размерная обработка изделий. Главная отличи-

тельная особенность указанных процессов состоит в применении мощ-

ных пучков электронов с низкими энергиями (2÷200) кэВ.

2. Технологии радиационного модифицирования (изменения свойств)

и синтеза материалов. Этот класс операций включает полимеризацию,

сшивание полимеров, синтез и спекание керамических структур, на-

правленное изменение свойств (модифицирование) твердых тел и жид-

костей, дезинфекцию и др. Поскольку в данном случае необходимо по-

лучить радиационные эффекты в объеме материала, то используется

сильно проникающее в вещество излучение - электроны с большими

энергиями (1÷10) МэВ.

1.2. Источники электронных пучков

В качестве источников электронных пучков при реализации радиаци-

онных технологий, как правило, используются ускорители электронов.

В настоящее время существует несколько десятков типов таких уст-

ройств. Независимо от круга решаемых задач и параметров, ускори-

тельные аппараты состоят из одинаковых узлов: инжектор электронов,

ускорительное устройство, устройство управления пучком, вакуумная

система. В соответствии с

принципом ускорения электронов в электри-

ческом поле, все ускорители делятся на две большие группы: а) ускори-

тели прямого действия, б) аппараты многократного ускорения. Устрой-

ства первой группы генерируют электронные пучки малых энергий (до

сотен кэВ), во втором случае частицы разгоняются до энергий (1 ÷ 30)

МэВ. Рассмотрим принцип действия и параметры ускорителей,

наибо-

лее часто используемых для технологических целей.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.2.1. Ускорители прямого действия

В данном случае электроны приобретают конечную энергию при од-

нократном прохождении высоковольтного промежутка. Тогда энергия

электронов в кэВ равна разности потенциалов ускорительной трубки.

Рассмотрим основные типы ускорителей прямого действия, являю-

щихся источниками электронных пучков малых энергий.

1.2.1.1.Электронные пушки

Принципиальная конструкция электронных пушек представлена на

рис.1

Рис. 1. Принципиальная схема электронной пушки:

1 - инжектор электронов (катод), 2 - анод, имеющий полость в центральной части

для прохождения электронного луча, 3 - магнитная фокусирующая система, 4 -

вакуумно-плотный корпус, 5 - пучок электронов, 6 - выходное окно, изготовленное

из металлической фольги

Электронные пушки наиболее широко используются для плавления,

сварки, размерной обработки материалов.

1.2.1.2. Электростатичекий генератор

(ускоритель Ван-де-Граафа)

В данном случае высокий межэлектродный потенциал создается с по-

мощью движущейся ленты, переносящей заряд от источника к аноду. В

ускорительной колонне электроны могут приобретать энергию до не-

скольких МэВ, обеспечивая плотность тока на уровне десятых долей

микроампера.

1.2.1.3. Сильноточные импульсные ускорители

Принцип действия такого типа ускорителей состоит в следующем.

Специальные конденсаторы заряжаются до высокого напряжения. При

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

разряде конденсаторов высоковольтный импульс подается на иглооб-

разный катод, что приводит к инжекции большого количества электро-

нов. Мощный электронный пучок выходит из камеры через фольгу и

используется для облучения. К данным ускорителям относятся «Фибе-

трон» (США), «Синус», «ГИН», «Рина», «Мира» (СССР). Параметры

генерируемых этими аппаратами электронных пучков следующие: энер-

гия электронов (0,1÷2) МэВ; ток в импульсе достигает килоампер, дли-

тельность импульсов - десятки наносекунд, мощность дозы в импульсе -

до 10

Гр/с.

1.2.2. Ускорители многократного действия

Принцип ускорения состоит в том, что электроны многократно про-

ходят ускоряющие промежутки, постепенно накапливая энергию. В со-

ответствии с траекторией движения электронов различают линейные и

циклические ускорители.

Отличительной особенностью аппаратов многократного действия яв-

ляется генерация электронов высоких энергий.

1.2.2.1. Линейные ускорители

Принцип действия: инжектированные в камеру электроны движутся

по прямой, многократно проходя расположенные друг за другом уско-

ряющие промежутки, с приложенным к ним высокочастотным элек-

трическим полем.

Линейные ускорители работают в импульсном режиме с длительно-

стью импульса в несколько микросекунд. Частота следования импуль-

сов может достигать 500 имп/с, энергия электронов (1÷40) МэВ

, сред-

ний ток пучка (200 ÷ 600) мкА, длительность импульсов - единицы мик-

росекунд.

Отечественной промышленностью выпускаются ускорители серий У,

ЛУЭ, ЭЛУ-4, ЭЛУ-6.

1.2.2.2. Резонансный ускоритель ИЛУ-6

Разработан институтом ядерной физики СОРАН. Этот ускоритель

генерирует импульсы электронов с частотой повторения (2÷75) Гц, дли-

тельность импульсов 700 мкс, энергия электронов 2 МэВ, мощность

пучка 20 кВт, что позволяет разогреть мишень до 2000 0С.

1.2.2.3. Бетатроны

Действие бетатрона, представителя циклических ускорителей, осно-

вано на том, что переменное магнитное поле создает вихревое электри-

ческое поле. Двигаясь в таком поле по круговой орбите, электроны ус-

коряются. Инжектор электронов работает в импульсном режиме. Пара-

метры электронного пучка: длительность импульсов - микросекунды,

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

частота следования импульсов составляет сотни герц, энергия элек-

тронов (10÷30) МэВ, средний ток - (10

-7

÷ 10

-5

) А.

К циклическим ускорителям относятся также микротроны и синхро-

троны.

1.3. Взаимодействие электронов с веществом

В радиационных технологиях, как правило, используются электроны

с энергиями 2 кэВ ÷ 5 МэВ. Быстрые электроны, попав в вещество, пе-

редают свою энергию непосредственно атомам (потери на упругие со-

ударения) и атомным электронам (ионизационные потери). Основной

причиной торможения электронов средой являются ионизационные

процессы.

Мерой тормозной способности вещества являются потери энергии

быстрой частицы на

единице пути - (dE/dx).

В соответствии с теорией Бора имеем:

qn2

⋅⋅

=−

, (1)

где E и q - соответственно энергия и заряд быстрых электронов;

n - концентрация атомных электронов в веществе;

I - потенциал ионизации вещества.

Обычно I = 13,5 z, где z - эффективный атомный номер вещества.

Распределение поглощенной дозы по толщине образца неравномерно

и имеет вид, представленный на рис. 2.

Рис.2. Качественная картина поглощения энергии электронов

в веществе:

здесь х - толщина поглотителя

Неравномерность поглощения энергии электронов в твердом теле яв-

ляется недостатком радиационных технологий, так как в результате об-

лучения материал приобретает неоднородную структуру.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.4. Пробег электронов в веществе

Ввиду рассеяния быстрых электронов в веществе, их траектория

движения имеет хаотичный характер и сильно отличается от прямой

линии. В соответствии с этим различают истинный (R

) и экстраполи-

рованный (R

) пробеги электронов. Истинный пробег - это полный

путь, пройденный быстрым электроном в среде до полной термализа-

ции. Экстраполированный пробег представляет собой проекцию пути

электрона на направление первоначального движения.

Обычно R

~ (1,3 ÷ 2) R

, (2)

Теоретически можно рассчитать истинный пробег, используя форму-

лу (1):

∫

R , (3)

где Е

- начальная энергия электронов.

Эмпирическое выражение для экстраполированного пробега элек-

тронов в различных средах имеет вид:

)gE1,03,1(2`

Е4,0)см/г(R

−

= , (4)

Формула (4) верна для Е = (0,01÷ 2,5) МэВ.

R`э называется экстраполированным приведенным пробегом.

При этом R`э (г/см

) = ρ (г/см

)

Rэ (см), (5)

где ρ - плотность поглотителя.

1.5. Расчет поглощенной энергии (дозы)

Поглощенная доза - это мера воздействия излучения на вещество. В

системе СИ единицей измерения поглощенной дозы является Грей, чис-

ленно равный количеству энергии излучения в джоулях, поглотившейся

в 1 кг вещества. Величина, в сто раз меньшая одного Грея, называется

Рад.

Расчет поглощенной дозы при электронном облучении проводится

по следующим приближенным формулам:

tEj

⋅⋅

⋅

при d > R

, (6)

tdEj

⋅⋅

⋅

при d < R

, (7)

Здесь j - плотность тока пучка электронов, t - время облучения, d -

толщина поглотителя.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

1.6. Физические основы радиационного модифицирования

материалов

При взаимодействии быстрых электронов с твердым телом образу-

ются первичные дефекты - свободные электроны и дырки, радикалы,

возбужденные атомы (экситоны). Эти дефекты живут короткое время и

исчезают (рекомбинируют) с выделением тепла и света, либо преобра-

зуются в стабильные радиационные дефекты.

Таким образом, энергия электронов, поглощенная средой, идет на на-

гревание образца, а

также на создание различных дефектов, изменяю-

щих свойства материала.

Под действием облучения свойства твердых тел могут, как ухудшать-

ся, так и улучшаться. Основная задача радиационной технологии состо-

ит в том, чтобы используя позитивные эффекты воздействия электрон-

ных пучков, создавать высококачественные материалы.

В неорганических структурах (стекла, керамика, ионные кристаллы)

под действием

облучения создаются стабильные дефекты в виде сме-

щенных атомов, вакансий, их скоплений, резко активизируются диффу-

зионные процессы. Эти явления могут привести к значительному улуч-

шению свойств материала, что и используется в электронно-лучевых

технологиях.

Для органических соединений (полимеров) позитивным эффектом

радиационного воздействия является сшивание макромолекул. Суть

процесса заключается в следующем. При

облучении полимеров за

счет ионизации атомов химические связи разрываются и образуются

радикалы. Радикалы - это атомы или их группы, имеющие неспаренные

электроны. Радикалы, принадлежащие разным макромолекулам, встре-

чаясь друг с другом, образуют прочные межмолекулярные химические

связи. Таким образом, макромолекулы сшиваются, что приводит к

улучшению термомеханических свойств полимеров.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работы

- Освоить технологию получения радиоэлектретов, изготовить и ис-

пытать радиоэлектреты.

- Освоить технологию получения сшитого полиэтилена. Определить

механические свойства облученного полиэтилена.

2.2. Технология получения радиоэлектретов

Электретами называются твердые диэлектрики, длительное время

сохраняющие наэлектризованное состояние и являющиеся источником

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

постоянного электрического поля. Электреты используются как источ-

ники постоянного электрического поля в различных измерительных и

преобразующих устройствах (например, микрофоны). В зависимости от

способа изготовления различают термо-, трибо- и радиоэлектреты.

Радиоэлектреты получают путем облучения диэлектриков электрон-

ными пучками. Преимущества этой категории электретов состоят в их

высокой стабильности, термоустойчивости и величине

генерируемого

электрического поля.

Схема радиоэлектрета приведена на рис. 3.

Рис.3. Схема радиоэлектрета

Отрицательный заряд в объеме диэлектрика формируется при облу-

чении образца электронами. При этом пробег электронов должен быть

меньше толщины диэлектрика.

Инжектированные электроны захватываются дефектами структуры

на глубине пробега и образуют стабильный объемный заряд. Наведен-

ный облучением отрицательный заряд компенсируется на поверхности

диэлектрика положительными ионами воздуха. Эффективность техно-

логии определяется параметрами

электронного пучка и свойствами ис-

ходного материала.

2.3. Технология получения сшитого полиэтилена

Процесс радиационной сшивки полиэтилена наиболее эффективно

осуществляется при дозах (0,1 ÷ 0,5) МГр. Для получения качественных

образцов облучение проводят при комнатной температуре, обеспечивая

максимальную равномерность поглощения энергии электронов в образ-

цах. С этой целью выбирают такую энергию электронов, чтобы их про-

бег превышал толщину образца. Кроме того, облучение следует прово-

дить с двух

сторон.

2.4. Экспериментальное оборудование

2.4.1. Источники электронных пучков

Облучение образцов проводится на сильноточном импульсном ус-

корителе МИРА. Принцип действия аппарата описан в теоретической

части разработки.

На рис. 4 показана принципиальная схема ускорителя.