ШОСТРОЕНИЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
MECHANICAL ENGINEERING
Encyclopaedia
Главный редактор академик РАН
К.В. Фролов

МАШИНОСТРОЕНИЕ
энциклопедия
В СОРОКА ТОМАХ
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
ФРОЛОВ КВ.
Председатель редакционного совета
Члены совета:
Белянин П.Н. (зам. Председателя редсовета и главного
редактора), Колесников К.С. (зам. Председателя редсовета
и главного редактора), Адамов Е.О., Анфимов Н.А.,
Асташов В.К, Бессонов А.П., Васильев В.В.,
Воронин Г.П., Глебов И.А., Долбенко Е.Т.,
Жесткова И.Н., Клюев В.В., Кирпичников М.П.,
Ковалевский М.А., Коптев Ю.Н., Ксеневич ИЛ.,
Куржанский А.Б., Мартынов И.А., Михайлов В.Н.,
НейландВ.Я., Новожилов Г.В., Носов В.Б.,
Образцов И.Ф., Огурцов А.П., Панин В.Е.,
Паничев Н.А., Патон Б.Е., Платонов В.Ф.,
Пугин Н.А., Салтьпсов Б.Г, Силаев И.С.,
Туполев А.А., Федосов Е.А., Фортов В.Е.,
Черный Г.Г, Шемякин Е.И.
МОСКВА "МАШИНОСТРОЕНИЕ" 2000

Раздел Ш
ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА МАШИН
Том Ш-8
ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ
И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В ЭЛЕКТРОННОМ
МАШИНОСТРОЕНИИ
Редактор-составитель д-р техн. наук
Ю.В. Панфилов
Ответственный редактор чл.-кор. РАН
ILH. Белянин
Редакторы тома: В.В. Мартынов, Ю.В, Панфилов, А.С Валеев, Л.К. Ковалев,
А.Т. Александрова, В.И. Кратенко, М.Н. Кузнецов (Электронные и ионные
технологии и оборудование), В.Г. Блохин, ЮЛ. Устинов, Ю.Р. Степаньянц,
Ю.А. Хруничев (Технология производства изделий электронной техники),
КХВ. Панфилов (Мехатроника)
МОСКВА "МАШИНОСТРОЕНИЕ" 2000

УДК 621.01/.03
ББК 34.44
М38
Авторы: Ю. В. Панфилов, К. Ковалев, В. Г. Блохин, А. Т. Александрова,
Е. П. Аршук, М. А. Балашов, Ю. П. Бобылев, А. Т. Буравцев, А. С. Валеев,
В. А. Варламов, Б. Н. Васичев, В. А. Волков, Н. С. Волков, О. П. Глудкин,
Н. В. Гревцев, ?. А. Деулин, В. Г. Ерков, Б. С. Ермаков, В. В. Жуков, Е. Н. Ивашов,
В. И. Каракеян, Е. А. Карцев, В. Ю. Киреев, Ю. Ф. Козлов, Р. В. Корнилов,
В. И. Кратенко, М. Н. Кузнецов, О. А. Кузнецов, В. И. Кузьмин, О. К. Курбатов,
В. А. Кыласов, М. И. Лукасевич, Я. Лямичев, В. М. Ляпин, Ю. П. Маишев,
Ю. В. Маркеев, В. В. Мартынов, О. Ю. Масленников, И. Е. Махов, В. Е. Минайчев,
В. Н. Неволин, В. В. Одиноков, В. М. Папко, В. К. Попов, Е. С. Попова,
О. Д. Протопопов, М. А. Ревелева, В. Т. Рябов, С. В. Сажнев, А. П. Семенов,
В. В. Слепцов, М. Ю. Слесарев, С. В. Степанчиков, Ю. Р. Степаньянц, И. В. Творо-
гов, Ю. А. Устинов, Б. С. Федоров, В. Е. Фетисов, Ю. А. Хруничев, В. А. Хрусталев,
Ю. Б. Цветков, Е. Я. Черняк, К-Г. М. Шварц, В. М. Шошин, Л. И. Волчкевич
Рецензенты: В. М. Пролейко, В. П. Лаврищев, В. И. Куркин
Рабочая группа Редакционного совета: К. С. Колесников, В. К. Асташов,
П. Н. Белянин, В. В. Васильев, А. П. Бессонов, Н. Н. Боброва, Е. Т. Долбенко,
И. Н. Жесткова
Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. - М.: Машино-
М 38 строение. Технологии, оборудование и системы управления в электронном
машиностроении. Т. III - 8 / Ю. В. Панфилов, Л. К. Ковалев, В. А. Блохин и др.; Под общ.
ред. Ю. В. Панфилова. 2000. 744 с, ил.
Показаны уникальные возможности воздействия на консфукционные
материалы высокоэнергетических электронных и ионных пучков,
низкотемпературной газоразрядной плазмы и точно дозированных
молекулярных потоков. Обобщен отечественный и мировой опыт создания
оборудования для производства изделий электронной техники и изложены
принципы построения систем автоматического управления. Описаны
методы и средства получения и поддержания сверхчистых
технологических сред, атмосферы чистых производственных помещений.
Систематизированы уникальные технологические, процессы изготовления
интегральных микросхем и печатных плат, электровакуумных и других
приборов. Дан& основные понятия, этапы и отражены тенденции развития
мехатронных систем.
ББК 34.44
ISBN 5-217-02825-4 (Т. Ш-8)
ISBN 5-217-01949-2 © Издательство "Машиностроение", 2000

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ РВДАКТОРА-
СОСТАВИТЕЛЯ 12
ВВВДЕНИЕ (Ю. В. Панфилов) 13
Часть I. ЭЛЕКТРОННЫЕ
И ИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ И
ОБОРУДОВАНИЕ 14
Раздел 1. ОБЩАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА
ЭЛЕКТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
И ОБОРУДОВАНИЯ
(редактор В. В.
Мартынов) 14
Глава 1.1. Особенности
электронного машиностроения и
этапы его развития 14
1.1.1. Электронные
технологии и
требования к оборудованию
(В. В. Мартынов) 14
1.1.2. Этапы развития
электронных
приборов, технологии их
изготовления и
оборудование (Ю. В.
Панфилов) 16
1.1.3. Классификация
машин для
производства изделий
электронной техники (В. Е.
Фетисов) 17
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 24
Глава 1.2. Специфика технологий
и оборудования в
электронном
машиностроении 24
1.2.1. Пучки атомных
частиц, излучения и
поля в качестве
инструмента в технологиях
электронного
машиностроения (Ю. В.
Панфилов) 24
1.2.2. Критерии
проектирования
оборудования для
производства изделий
электронной техники (Ю. В.
Панфилов) 33
1.2.3. Технологическое
обеспечение
надежности изделий
электронной техники (В. В.
Мартынов) 39
1.2.4. Контроль
качества технологических
процессов (О. И Глуд-
кин) 42
1.2.5. Контроль и
испытания изделий
электронной техники
(О. И Глудкин) 46
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48
Глава 1.3. Безопасность
жизнедеятельности и охрана
окружающей среды при
производстве изделий
электронной техники
(А И. Каракеян) 48
1.3.1. Условия труда и
проблемы
производственной безопасности.... 48
1.3.2. Проблемы
экологической
безопасности 53
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 57
Раздел 2. ОБРАБОТКА
МАТЕРИАЛОВ
ЭЛЕКТРОННЫМИ, ИОННЫМИ,
АТОМАРНЫМИ,
МОЛЕКУЛЯРНЫМИ,
РЕНТГЕНОВСКИМИ И
ОПТИЧЕСКИМИ
ПУЧКАМИ (редактор Ю. В.
Панфилов) 57
Глава 2.1.
Электронно-лучевая
обработка
57

ОГЛАВЛЕНИЕ
2.1.1. Назначение и
области применения
(Б. Н. Васичев) 57
2.1.2. Основные
явления в зоне действия
электронного пучка
(Б. Н. Васичев) 58
2.1.3. Методы (Б. Н.
Васичев) 63
2.1.4. Выбор и расчет
параметров основных
элементов
оборудования (Б. Н. Васичев) 74
2.1.5. Электронно-
оптические системы
технологического
назначения (В. К Попов) 79
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 87
Глава 2.2. Вакуумная газо-плаз-
менная обработка (А
Ю. Киреев) 87
2.2.1. Физическая
сущность и
классификация методов 87
2.2.2. Характеристики
структуры до и после
размерного травления 91
2.2.3. Технологические
характеристики
процессов травления
функциональных слоев
микросхем 92
2.2.4. Состав и
характеристики
оборудования 94
2.2.5. Классификация
оборудования 96
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 101
Глава 2.3. Ионно-лучевая
обработка (Ю. П. Маишев) 101
2.3.1. Физическая
сущность 101
2.3.2. Классификация
методов 103
2.3.3. Технологические
источники ионов 106
2.3.4. Оборудование ... 115
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121
Глава 2.4. Ионная имплантация
(М. А. Ревелева) 121
2.4.1. Физическая
сущность 121
2.4.2. Назначение и
области применения ... 125
2.4.3. Оборудование и
режимы работы 133
2.4.4. Измерение
характеристик
имплантированных слоев 136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 137
Глава 2.5. Рентгеновские и
оптические лучи в
электронном
машиностроении 137
2.5.1. Рентгенолито-
графия (#. В. Тревцев) \Ъ1
2.5.2.
Физико-технические основы
применения лазеров в
электронном
машиностроении (В. Н. Нево-
лин) 152
2.5.3. Классификация
лазерных технологий и
области их
применения (В. Н. Неволин) .... 159
2.5.4. Лазерное
технологическое
оборудование (А Н. Неволин) .... 165
2.5.5. Технология и
оборудование для
быстрой термической
, обработки (С. А Саж-
нев) 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....Г 174
Глава 2.6. Технология
изготовления тонких пленок
(редактор А. С. Валеев) 174
2.6.1. Физическая
сущность
формирования тонких пленок и
области их
применения (А. С. Валеев) 174
2.6.2. Эпитаксиальное
наращивание слоев
кремния (К-Г. М.
Шварц) 183
2.6.3. Эпитаксия арсе-
нида галлия (Я. С.
Волков) 189
2.6.4. Формирование
тонких пленок
диоксида кремния методом
термического
окисления (М. И, Лукасевич) 191

ОГЛАВЛЕНИЕ
2.6.5. Формирование в
полупроводниковом
материале тонких
легированных пленок
методом диффузии
(М К Лукасевич) 194
2.6.6. Химическое
осаждение пленок из
газовой фазы (В. Г.
Ерков) 201
2.6.7. Нанесение
тонких пленок в вакууме
методами
термического испарения и
ионно-плазменного
распыления (В. А,
Хрусталев) 208
2.6.8. Нанесение
износостойких и
антифрикционных
покрытий в вакууме (А. П.
Семенов) 213
2.6.9. Нанесение
углеродных алмазоподоб-
ных пленок (В. В.
Слепцов) 221
2.6.10. Систематизация
методов нанесения
тонких пленок в
вакууме (Ю. В.
Панфилов) 232
2.6.11. Методы расчета
и выбора параметров
основных элементов
оборудования для
нанесения многослойных
тонкопленочных
структур в вакууме
(Л. К Ковалев) 237
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 242
Раздел 3. ОБОРУДОВАНИЕ,
РЕАЛИЗУЮЩЕЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ И
ИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ (редактор Л. К.
Ковалев) 242
Глава 3.1. Вакуумное
технологическое оборудование... 242
3.1.1. Этапы и
тенденции развития,
классификация (Л. К
Ковалев) 242
3.1.2. Оборудование
для производства
изделий квантовой
электроники (Л. К.
Ковалев) 251
3.1.3. Виды и основы
построения шлюзовых
систем (А В.
Одинокое) 264
3.1.4. Использование
шлюзовых систем в
вакуумном
оборудовании (В. В. Одинокое) 269
3.1.5. Типы приводов
исполнительных
механизмов оборудования
для производства
изделий электронной
техники (Е. А. Деулин) 273
3.1.6. Конструкции
приводов на основе
управляемой упругой
деформации {А. Т.
Александрова) 292
3.1.7. Проектирование
механизмов и
компоновка элементов
вакуумного
технологического оборудования по
критерию минимума
привносимой
дефектности (Ю. В.
Панфилов) 297
3.1.8. Методы расчета
и регулирования числа
и размеров
микрочастиц износа,
генерируемых внутрикамер-
ными механизмами
вакуумного
оборудования (С. В. Степан-
чиков) 303
3.1.9. Устройства на
основе /-координатных
механизмов (Е. Н.
Ивашов) 305
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 307
Глава 3.2. Вакуумные и газовые
системы (редактор
А, Т. Александрова) 307
3.2.1. Общие
принципы создания и
поддержания вакуума
(В. Е. Минайчев) 307
3.2.2. Вакуумные
насосы и ловушки (В. Е.
I Минайчев) 309
3.2.3. Вакуумные
клапаны, затворы и нате-
катели (О. К
Курбатов) 318

ОГЛАВЛЕНИЕ
3.2.4. Методы и
средства измерения
параметров вакуумных и
газовых сре^д (И. В.
Творогов)/. 332
3.2.5. Методы расчета
и выбора параметров
вакуумных систем
(В. Е. Минайчев) 339
3.2.6. Материалы,
применяемые в
электронном
машиностроении (А. Г.
Александрова) 334
3.2.7. Элементная база
газовых систем (А. Т.
Буравцев) 354
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 371
Глава 3.3. Чистые производствен-
ные помещения и
оборудование для
получения чистых
технологических сред (В. К
Каракеян) 371
3.3.1. Общая
характеристика чистых
производственных
помещений 371
3.3.2. Материалы и
оборудование чистых
производственных
помещений 381
3.3.3. Технологический
микроклимат чистых
производственных
помещений и его
обеспечение 387
3.3.4. Подготовка и
контроль чистых
газовых технологических
сред 390
3.3.5. Чистая вода и
жидкие
технологические среды 395
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 398
Глава 3.4. Сверхвысоковакуумное
физико-аналитическое
и технологическое
оборудование (редактор
В. Л. Кратеюсо) 399
3.4.1. Оборудование
для контроля и
анализа поверхности
твердого тела методами
электронной и ионной
спектроскопии (О. Д.
Протопопов) 399
3.4.2. Оборудование
для формирования
поверхности и
микрообъемов твердого тела 411
3.4.2.1. Особенности
(В. И. Кратеюсо) 411
3.4.2.2. Оборудование
для молекулярно-
лучевой эпитаксии
(А М. Ляпин) 412
3.4.2.3.
Технологические комплексы (И. Е.
Махов) 414
3.4.2.4. Оборудование
для осаждения слоев
(Е. Я. Черняк) 417
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 421
Раздел 4. СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ
ОБОРУДОВАНИЕМ (редактор
М. Я. Кузнецов) 421
Глава 4.1. Общая характеристика 421
4.1.1. Взаимодействие
материальных,
энергетических и
информационных потоков при
функционировании,
технологического
оборудования. Функции
систем автоматического
управления (В. Т.
Рябов) 421
4.1.2. Этапы
автоматизации электронного
машиностроения (Е. С.
Ермаков) 425
4.1.3. Взаимосвязь
этапов развития
технологий электронного
машиностроения и
систем
автоматического управления
технологическим
оборудованием (Р. В.
Корнилов) 431
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 432
Глава 4.2. Особенности систем
автоматического
управления
технологическим оборудованием
электронной техники.... 432

ОГЛАВЛЕНИЕ
4.2.1. Классификация
(М. Я. Кузнецов) 432
4.2.2. Технические
средства
микропроцессорного управления
(М К Кузнецов) 438
4.2.3. Системы
автоматического управления
дискретными
технологическими
установками и гибкими
производственными
линиями (М Я.
Кузнецов) 444
4.2.4. Датчики в
системах управления
технологическими
процессами (Е. А. Карцев) 448
4.2.5. Языки
программирования
микропроцессорных систем
автоматического
управления (В. Т. Рябов) 455
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 458
Часть II. ТЕХНОЛОГИЯ
ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕХНИКИ 459
Раздел 5. ТЕХНОЛОГИЯ И
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА
ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ (редактор В. L
Блохин) 459
Глава 5.1. Технология
изготовления полупроводниковых
пластин (Ю. Ф. Козлов) 459
5.1.1. Виды и режимы
механической
обработки
полупроводниковых материалов,
параметры
оборудования 459
5.1.2.
Химико-механическая обработка
полупроводниковых
материалов 467
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 472
Глава 5.2. Технология и
оборудование для
формирования микроструктур 472
5.2.1.
Микролитография (В. В. Мартынов) 472
5.2.2. Технологические
маршруты
формирования микроструктур
интегральных
микросхем (В. L Блохин) 490
5.2.3. Технология
микромеханики (Ю. Б,
Цветков) 498
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 511
Глава 5.3. Сборка микросхем 511
5.3.1. Разделение
полупроводниковых
пластин на кристаллы
(О. А Кузнецов) 511
5.3.2. Монтаж и
герметизация (В. А. Волков) 518
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 529
Глава 5.4. Измерения и контроль
в микроэлектронике
(О. П. Глудкин) 530
5.4.1. Общие сведения
о методах и средствах
измерения 530
5.4.2. Электрические
параметры изделий
микроэлектроники и
методы их измерения 535
5.4.3. Системы
измерения основных
электрических параметров
интегральных
микросхем 538
5.4.4. Основные
методы измерения
статических параметров 540
5.4.5. Основные
методы измерения
дифференциальных
параметров 543
5.4.6. Основные
методы измерения
параметров интегральных
микросхем в
импульсных режимах 551
5.4.7. Основные
методы измерения
параметров эквивалентных
схем 553
5.4.8. Шумовые
характеристики
полупроводниковых приборов
и методы их
измерения ! 555

10
ОГЛАВЛЕНИЕ
5.4.9. Измерение
электрических параметров
конденсаторов,
резисторов, катушек ин-
дуктивностей 556
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 557
Раздел 6. ПРОИЗВОДСТВО
ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ И
ИНДИКАТОРОВ (редактор
Ю. А. Устинов) 557
Тлава 6.1. Печатные платы 557
6.1.1. Основные
термины и этапы
развития (Ю. А. Устинов) ... 557
6.1.2. Классификация
и конструирование
(Ю. В. Маркеев) 559
6.1.3. Технология
изготовления (М. А.
Балашов) 568
6.1.4. Оригиналы и
фотошаблоны (Ю, В.
Маркеев) 575
6.1.5. Испытания,
контроль и
стандартизация (Е. С. Попова) ... 575
6.1.6. Сборка печатных
узлов
радиоэлектронной аппаратуры (В. К
Кузьмин) 577
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 592
Глава 6.2. Индикаторы 592
6.2.1. Приборы
отображения информации
(К Я. Лямичев) 592
6.2.2. Конструкция и
технология
изготовления
электролюминесцентных индикаторов
(В. А. Кыласов) 594
6.2.3.
Жидкокристаллические приборы
отображения
информации. Особенности
конструкции, принцип
действия и технология
изготовления 599
6.2.3.1. Жидкие
кристаллы и эффекты
изменения их
оптических свойств (Ю. П.
Бобылев) 599
6.2.3.2. Элементы
конструкций и технологии
изготовления (В. М
Шошин) 602
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 603
Раздел 7. ТЕХНОЛОГИЯ И
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕКРОВАКУУМНЫХ
ПРИБОРОВ (редактор
Ю. Р. Степанъянц) 603
Глава 7.1. Изготовление деталей
электровакуумных
приборов (редактор Ю. А,
Хруничев) 603
7.1.1. Типовой
технологический маршрут
изготовления
электровакуумных приборов
(Ю. А. Хруничев) 603
7.1.2. Изготовление
стеклянных, металло-
стеклянных и
керамических изделий (Ю. А.
Хруничев) 605
7.1.3. Технология и
оборудование для
производства катодов,
подогревателей и
газопоглотителей (О. Ю.
Масленников) 619
7.1.4. Технология и
оборудование для
очистки и технохимиче-
ской обработки
деталей и узлов
электровакуумных приборов
(В. М. Папко) 629
7.1.5. Технология и
оборудование для
пневмовихревой
очистки деталей и узлов
электровакуумных
приборов (В. В.
Жуков) 644
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 648
Глава 7.2. Сборка оболочек и
внутренней арматуры
электровакуумных
приборов 648
7.2.1. Технология и
оборудование для
сборки стеклооболочек
электровакуумных
приборов (Б. С.
Федоров) 648

ОГЛАВЛЕНИЕ
11
7.2.2. Сборка
внутренней арматуры
электровакуумных приборов
(В. А. Варламов) 660
7.2.3. Методы и
средства заварки стекло-
оболочек
электровакуумных приборов (Ю. Р.
Степанъянц) 672
Глава 7.3. Термовакуумная
обработка, контроль и
испытания
электровакуумных приборов 6S2
7.3.1. Термовакуумная
обработка
электровакуумных приборов
(Ю. Р. Степаньянц) 682
7.3.2. Способы и
режимы активирования
и тренировки катодов
(О. Ю. Масленников) ... * 702
7.3.3. Контроль и
испытания
электровакуумных приборов (В. А.
Варламов) 706
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 707
элек-
прибо-
нлат,
Глава 7.4. Использование
тровакуумных
ров, печатных
индикаторов и
тральных микросхем в
радиоэлектронных
изделиях (Е. П. Аршук) 707
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
713
Часть III. МЕХАТРОНИ-
КА. ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ,
СОВРЕМЕННЫЙ И

ПРОГНОЗИРУЕМЫЙ УРОВНИ
МЕХАТРОННЫХ
СИСТЕМ (редактор
Ю. В. Панфилов,
автор М. Ю. Слесарев) 714
III. 1. Концепция мехатроники .... 714
III.2. Структура и типы меха-
тронных устройств 717
Ш.З. Мехатронная технология и
материалы 717
111.4. Энергетика мехатронных
устройств и технологий 718
111.5. Поколения мехатронной
техники и технологий 720
111.6. Перспективные мехатрон-
ные модули ,.... 722
111.7. Перспективы применения
мехатронной техники и
технологий 727
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 731
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 732
Приложение; ^ Специальности
"Электронное
машиностроение в России" - 60 лет
{Л. И. Волчкевич) 740

12 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА-СОСТАВИТЕЛЯ
Предисловие редактора-составителя
Авторами данного тома Энциклопедии "Машиностроение" являются ведущие ученые и
специалисты в различных областях электронного машиностроения. Они обобщили и
систематизировали достижения в электронном машиностроении.
Бо введении дано понятие электронного машиностроения, показаны его роль в науке и
технике, отличие от других отраслей промышленности.
В разд. 1 приведены общие и специфические критерии проектирования и требования к
разработке технологий и оборудования в электронном машиностроении, дана классификация
оборудования и рассмотрены вопросы производственной и экологической безопасности.
Подчеркивается разнообразие областей применения технологий, что связано с множеством
физических эффектов, возникающих при воздействии на обрабатываемые ^материалы электронных и
ионных пучков, газоразрядной плазмы и электромагнитных-полей, рентгеновских и оптических
лучей, а также идентичность принципов построения оборудования и систем управления.
В разд. 2 и 3 описаны сущность, виды и характеристики процессов физического и
химического воздействия потоков высокоэнергетичных частиц (электронов, ионов и др.) на
обрабатываемые изделия, описаны и систематизированы методы этого воздействия, приведены расчеты
основных параметров. Показано влияние концентрации и энергии частиц, давления и состава
остаточных и рабочих газов, а также других характеристик на быстродействие оборудования и
качество обработки. Приведены принципиальные схемы и классификации основных видов
источников электронов, ионов, фотонов, плазмы, атомов и молекул, а также типовая для данного
вида обработки технологическая оснастка.
Дано описание технологического оборудования и чистых производственных помещений,
представлены их классификации, структурно-компоновочные варианты машин, реализующих
технологические процессы, различные по виду, но аналогичные по принципу построения
(загрузка деталей, их транспортирование в зону обработки или измерения, выгрузка и т.д.).
Приведены их технические характеристики и обобщенные методики расчета и выбора
параметров основных элементов оборудования. Изложены принципы создания и поддержания вакуума,
специфические для вакуумного технологического оборудования, но единые для всех машин и
установок, использующих в качестве технологической среды разреженный газ. Описаны методы
расчета вакуумных и газовых систем, а также их элементы: насосы, клапаны, вакуумметры,
работающие в вакууме механизмы и др.
>В разд. 4, посвященном системам автоматического управления (САУ) технологическим
оборудованием, изложены общие для машин любого технологического назначения и выделены
специфические для оборудования и производства изделий электронной техники (ИЭТ) функции
и задачи САУ, принципы их построения, элементная база, языки программирования и т.п.
Приведены примеры реализации САУ дискретными технологическими установками,
автоматическими линиями и комплексами в электронном машиностроении.
В разд. 5-7 представлены как типовые, базирующиеся на описанных в разд. 2 и 3 , так и
оригинальные технологические процессы производства интегральных микросхем (ИС), печатных
плат и индикаторов, электровакуумных приборов (ЭВП), являющихся основной элементной
базой современной радиоэлектронной, телевизионной и видеоаппаратуры, средств связи и
вычислительной техники и т.п. Приведены специфические только для перечисленных приборов и
устройств методы расчета параметров и выбора режимов технологических процессов и
оборудования, например, фотолитографии при производстве ИС, термовакуумной обработки ЭВП,
сборки печатных плат. Описаны технологии и оборудование для изготовления изделий
квантовой электроники, приборов отображения информации, для испытания ИЭТ и т.п.
В части III приведены сведения по мехатронике и вариантам построения мехатронных
систем.
В данном томе не отражены применяемые в электронном машиностроении технологии и
оборудование для изготовления дискретных резисторов, конденсаторов, пьезоэлементов,
выключателей, трансформаторов, так как они специфичны для радиоэлектронной промышленности и
производства средств связи.
В написании данного тома большое участие приняли ученые и преподаватели МГТУ
им. Н. Э. Баумана, где получила становление и развитие научная школа "Электронное
машиностроение".
Д-р техн. наук Ю. В. Панфилов

ВВЕДЕНИЕ 13
ВВЕДЕНИЕ
В промышленно-развитых странах в последнее время все более широко используют
нетрадиционные для машиностроения технологические процессы, основанные на воздействии высо-
коэнергетичных частиц и электромагнитных полей на обрабатываемый материал. Особенность
такого воздействия заключается в том, что, применяя в качестве инструмента электронные,
ионные, атомарные и молекулярные пучки, газоразрядную плазму, рентгеновские и оптические
лучи, а также электрические и магнитные поля, можно выполнять обработку разнообразных
изделий, в том числе для машиностроения, с размерами порядка микрометра и даже нескольких
нанометров.
Реализующее такие технологические процессы оборудование отличается высочайшими
показателями плавности и точности перемещения исполнительных механизмов, безотказностью и
долговечностью их работы, причем часто в экстремальных условиях сверхвысокого вакуума,
повышенных температур и отсутствия смазочного материала.
Использование в качестве технологической среды очищенных инертных и химически
активных газов, высокого и сверхвысокого вакуума, а также атмосферы чистых производственных
помещений гарантирует бездефектность и однородность обрабатываемых материалов,
воспроизводимость параметров и высокое качество изделий, производственную и экологическую
безопасность.
Возможность вести обработку на уровне атомарных и молекулярных слоев позволяет дози-
рованно изменять свойства приповерхностных слоев, проводить сверхточные измерения
геометрических размеров, структуры, состава и свойств материалов, полуфабрикатов и готовых
изделий.
Непрерывность контроля за режимами обработки электронными, ионными и другими
пучками, возможность их регулирования непосредственно во время проведения операции
позволяют быстро оптимизировать параметры технологического процесса и осуществлять его
автоматизацию.
Кроме того, электронная техника является основой создания и развития информационных
технологий и вычислительной техники, на которых в машиностроении базируются системы
автоматизированного проектирования, измерения и диагностики параметров технологического
процесса и оборудования, микропроцессорные системы автоматического управления и т.д.
В электронном машиностроении необходимость в системах автоматического управления вызвана
как физическими ограничениями человека по чувствительности, быстроте принятия решения и
другим показателям, так и все более возрастающей необходимостью исключения его из
непосредственного контакта с обрабатываемыми изделиями, так как он является источником
дополнительных дефектов.
Таким образом, электронное машиностроение - это область науки и техники,
занимающаяся изучением физических явлений, исследованием и разработкой технологических
процессов, оборудования и систем управления для производства электровакуумныхи полупроводниког
вых приборов, интегральных микросхем, печатных плат, радиокомпонентов и других изделий
электронной техники. ^
"Отраслевая" принадлежность данного раздела машиностроения связана со
специфичностью методов технологического воздействия на обрабатываемые изделия и соответствующего
оборудования. Например, детали кинескопа или микросхемы нельзя изготовить с помощью
токарного или фрезерного станка, для этого нужны более "тонкий" инструмент и более "чистое"
оборудование, например вакуумное
С другой стороны, чтобы изготовить технологическое оборудование для электронного
машиностроения, как и в традиционном машиностроении, нужны практически такие же
материалы и заготовки, станки и инструмент, как и для производства кузнечного пресса или
автомобиля.
Электронное машиностроение как отрасль промышленности - это концентрация научно-
исследовательских институтов, имеющих опытное производство, и серийных заводов с
собственными конструкторскими бюро, ведущих разнообразную деятельность -исследование и создание
источников электронных, ионных, атомарных и молекулярных пучков, станков, агрегатов и
автоматических линий для шлифования полупроводниковых материалов, ковки деталей
электровакуумных приборов, литья стекла и керамики, сварки корпусов интегральных микросхем, сборки
печатных плат и т.д.
В данном томе собраны и систематизированы существующие электронные, ионные и
другие технологии, отражен достигнутый научно-технический уровень создания оборудования,
реализующего эти технологии, которые применяют не только в электронном машиностроении, но
и в разных отраслях промышленности.

Часть I
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
Раздел 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ЭЛЕКТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И
ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 1.1
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО
МАШИНОСТРОЕНИЯ И ЭТАПЫ ЕГО
РАЗВИТИЯ
1.1.1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И
ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ
Электроника является основой
современного научно-технического прогресса. Она
обладает самыми высокими темпами развития
научных исследований, разработки
технологий, расширения номенклатуры и объемов
промышленного выпуска ИЭТ.
Научные исследования в электронике
охватывают широкий круг явлений, связанных с
электронными и ионными процессами в
вакууме, газовых и жидких средах, твердых телах
и на границе раздела сред, а также оптоэлек-
тронными фотонными явлениями, глубоким
изучением свойств вещества под действием
сверхвысоких магнитных и электрических
полей, электромагнитных полей сверхвысоких
частот, квантово размерных дефектов, явлений
сверхпроводимости и т.д.
Технологии электроники основаны на
использовании процессов получения
монокристаллических и сверхчистых материалов,
прецизионной размерной обработки их в
контролируемых технологических средах с
обеспечением низкого уровня вносимых загрязнений и
дефектов, последовательным формированием
физической структуры ИЭТ с высокой
воспроизводимостью характеристик, заданным
уровнем качества и надежности.
Специфика электронных технологий
состоит в строгой детерминации
последовательности технологических операций,
необходимости вести высокоточную и бездефектную
обработку, так как для большинства типов ИЭТ
возникновение хотя бы одного случайного
дефекта в процессе изготовления ведет к
неустранимому браку.
Технологическая обработка, как правило,
проводится в специальных технологических
помещениях - чистых комнатах, что снижает
вероятность образования дефектов или
загрязнений ИЭТ путем создания очищающих
кондиционных технологических сред, защиты
обрабатываемого изделия от загрязняющего
воздействия оператора с помощью
специального оборудования.
Необходимость обеспечения массового
производства ИЭТ требует создания
высокопроизводительного надежного
автоматизированного специального технологического
оборудования (СТО), которое работает на самых
различных принципах в широком диапазоне
измерения физических параметров: от
гелиевых температур до 1600 - 1700 К; от давлений
10"9 до 109 Па; от перемещений на расстояния
в несколько атомных слоев до десятков метров
и т.д.
Высокие темпы развития электронных
технологий (средний срок разработки
принципиально новых технологий составляет около
5-6 лет, срок "жизни" технологий не
превышает 15 лет) существенным образом
сказываются и на темпах смены поколений
технологического оборудования. Существует довольно
значительная разница потребности в смене
оборудования в отдельных отраслях
электроники, и она, в первую очередь, обусловлена
степенью специализации оборудования.
Поддержание необходимого
технологического уровня, например, в микроэлектронном
производстве, по опыту зарубежных фирм,
требует смены основного парка специального
технологического оборудования через 4-5 лет.
Технологический процесс создания ИЭТ
характеризуется специфическими
требованиями к оборудованию, материалам, условиям
проведения операций обработки и методам
контроля.
Несмотря на многообразие ИЭТ, можно
вьщелить вполне определенные общие
требования к СТО, которые необходимо
неукоснительно выполнять при проектировании,
изготовлении, эксплуатации, наладке и ремонте:
прецизионность (точность). СТО должно
обеспечивать возможность точного
установления режимов обработки и поддержания их в
течение всего технологического цикла, смены
или другого, оговоренного интервала времени
в течение всего срока эксплуатации. СТО, как
правило, должно быть автоматизировано или
иметь встроенное микропроцессорное
управление работой основных исполнительных
блоков и узлов;

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ТРЕБОВАНИЯ К ОБОРУДОВАНИЮ
15
воспроизводимость режимов. СТО
должно обеспечивать тождественность обработки от
изделия к изделию, от партии изделий - к
партии в течение оговоренного срока без
дополнительной регулировки или наладки,
(автоматическое поддержание режимов
обработки по заданной программе, если
необходимо);
инертность (стойкость) конструкционных
материалов по отношению к обрабатывающим
средам (реакционным газам, составам,
потокам электронов, ионов, фотонов, плазмы и
т.д.) и к материалу обрабатываемого изделия с
целью минимизации разрушения рабочих
узлов и снижения уровня загрязнения изделии в
процессе обработки. В случае необходимости
следует предусматривать сменные блоки,
вкладыши и другие защитные приспособления, а
также вводить операции промежуточной
очистки от продуктов обработки (желательно
встроенные в технологический цикл
обработки);
низкое дефектообразование. Выбирают
конструкционные решения, обеспечивающие
минимизацию генерации загрязняющих частиц
и веществ в реакционном объеме и
предотвращающие попадание частиц на поверхность
обрабатываемого изделия. Конструкция
должна предусматривать возможность встраивания
в чистые производственные помещения. Для
этого СТО должно быть модульного
исполнения, обеспечивающего доступ к загрузочным и
разгрузочным узлам, снабжено пультом
управления технологическим процессом из чистой
комнаты, основной корпус и вспомогательные
узлы должны быть размещены вне чистой
комнаты;
минимизация переходных процессов.
Кинематические узлы и блоки, системы
управления и энергетического воздействия на
изделие должны обеспечивать максимально
возможное сокращение длительности
переходных процессов, которые оказывают
неконтролируемое воздействие на изделие в общем
технологическом цикле обработки и ухудшают
воспроизводимость параметров изделий;
взаимозаменяемость. СТО должно
обеспечивать взаимозаменяемость отдельных
единиц оборудования в поставляемой партии или
серии по основным техническим
характеристикам с целью обеспечения возможности
параллельной обработки изделий в полном
технологическом цикле массового
производства и замены одной единицы оборудования
другой;
экологичность. СТО должно иметь
встроенные блоки и узлы нейтрализации
вредных реагентов и продуктов реакции,
обеспечивать защиту окружающей среды, рабочего
персонала и изделии от вредного влияния
используемых в технологическом процессе опасных и
вредных веществ.
Системы нейтрализации должны
обеспечивать раздельную обработку вредных веществ
с целью повышения эффективности и
последующей практической реализации отходов.
При использовании материалов и
реагентов с содержанием драгметаллов СТО должно
иметь автономную систему практически
100%-ного сбора и выделения драгметалла из
отходов технологического процесса.
СТО должно иметь эффективную
систему защиты персонала от воздействия вредных
факторов, возникающих при технологических
операциях (пары вредных и ядовитых веществ,
утечки реакционных газов; магнитные,
электрические, СВЧ - поля и радиация; лазерное
излучение, акустический шум, вибрация и т.д.)
Конструкция должна предусматривать
защиту от несанкционированного
проникновения в реакционные зоны и объемы,
автоматические сигнальные системы для контроля
утечек вредных и ядовитых веществ;
надежность. СТО должно обеспечивать
длительные (не менее 200 - 300 ч) средние
наработки на отказ, низкое среднее время
восстановления (не более 1 - 1,5 ч) и
коэффициент технического использования не менее
0,85 - 0,95 в течение всего срока эксплуатации;
модульность конструкции. Конструкция
СТО должна предусматривать возможность (в
случае выхода из строя) оперативной быстрой
замены блоков и узлов без дополнительной
наладки и юстировки, нарушения работы
чистых комнат и сопряженного оборудования;
сопряженность. Отдельные единицы
СТО, входящие в единый технологический
комплект для выпуска определенного типа
ИЭТ, должны сопрягаться по системе
технологического транспорта, присоединительным
размерам, системам автоматического
управления (интерфейсу); /
согласованность производительности.
Отдельные единицы СТО, используемые в
технологическом цикле, должны быть
согласованы по производительности и надежности,
для чего следует применять многотрековые
групповые способы обработки в составе
отдельных единиц СТО;
эргономичность. СТО должно
обеспечивать удобную позу оператора, низкую его
утомляемость, систему защиты от вредных
факторов; положение оператора по
отношению к изделию должно обеспечивать
предотвращение его загрязнения и дефектообразова-
ния. Монотонные операции должны быть
автоматизированы, системы
микроскопического контроля, по возможности, заменены
системами технического зрения и
автоматического контроля, системы контроля и задания
программ должны быть удобны и
способствовать уменьшению числа возможных ошибок.

16 Глава 1.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ И ЭТАПЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
1.1.2. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ,
ТЕХНОЛОГИИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Одним из важнейших этапов научно-
технического прогресса XX века является
появление и развитие электронной техники.
Первыми были созданы электровакуумные
приборы (ЭВП): лампы накаливания и прием-
но-усилительные лампы (ПУЛ), затем более
сложные ИЭТ: цветные электронно-лучевые
трубки (ЦЭЛТ) для телевизоров и дисплеев,
различные СВЧ-приборы, фотоэлектронные и
электронно-оптические (ЭОП)
преобразователи, жидкокристаллические газоразрядные
индикаторные панели и экраны и т.д.
/ fc, d, s, п,
/ мкм мм см2 шт.,
10+200 1,8М.О
150
Новое направление в электронике
возникло с появлением твердотельных
электронных приборов: полупроводниковых диодов и
триодов (транзисторов): За последнее время
полупроводниковая электроника прошла
большой путь - от первых приборов точечного
типа до интегральных схем (ИС). Современное
поколение больших (БИС) и сверхбольших
(СБИС) интегральных схем отличается
высокой степенью интеграции приборов на одном
кристалле (до 106 и более) и миниатюризацией
размеров элементов (менее 1 мкм) (рис. 1.1.1).
Развиваются такие новые направления, как
квантовая электроника, акустоэлектроника,
мехатроника и др.
100
-50
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 гоА
ГИС ИС:4К 16К 64К 256К 1М 4М 16М 64М 256М 1Г 4Г
Рис 1.1.1. Тенденции развития изделий микроэлектроники:
п - число элементов на одном кристалле; / - минимальный размер элемента; S - площадь кристалла;
D - диаметр полупроводниковой пластины; ГИС - гибридная интегральная микросхема;
ИС * интегральные микросхемы
В истории развития электроники можно
выделить несколько этапов (рис. 1.1.2).
Этап пассивной электроники приходится
на конец 80-х годов XIX столетия. В связи с
появлением в это время телефона и телеграфа
потребовалось серийное производство
резисторов, конденсаторов, катушек
индуктивности, реле, переключателей и т.п.
Этап вакуумной электроники наступил в
начале XX века с изобретением первого
активного прибора - вакуумной электронной
лампы. Пройдя путь от вакуумного диода до
мощных СВЧ-ламп, эти активные элементы
обеспечили развитие радиосвязи,
радиолокации, создание первых ЭВМ. Появление при-
емно-усилительных ламп и
электроннолучевых трубок (кинескопов) положило начало
развитию телевидения.
Развитие электровакуумной электроники
сопровождалось появлением прогрессивных
технологий изготовления и сборки изделий из
различных материалов. Например,
производство ЭВП было связано с технологиями
получения стекла, металлостеклянных спаев, нане-
сенияг карбонатных и изоляционных
покрытий, получения и поддержания высокого
вакуума.
Рис. 1.1.2. Спираль разв
теХшвшв.
1 - сверхбольшие интегральные схемы;
2 - интегральные схемы; 3 - транзисторы;
4 - электронные лампы; 5 - реле;
6 - полупроводниковые интегральные датчики;
7- фотоэлектронные умножители; 8 - цветные
кинескопы; 9 - электронно-лучевые трубки

КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ tf
Массовое производство кинескопов,
особенно цветных электронно-лучевых трубок,
привело к созданию высокоэффективных
технологий и автоматизированного оборудования
для термовакуумной обработки, нанесения
многослойных люминофорных покрытий,
изготовления и сборки прецизионных
электронно-оптических систем и экранно-
масочных узлов больших габаритов.
Этап полупроводниковой электроники
начался в середине XX века с появлением
первого точечного транзистора, р-и-переход
которого происходил в месте контакта с
полупроводником двух золотых проволочек. Затем
были разработаны сплавные транзисторы,
ширина базы которых составляла около 10 мкм.
Переход к диффузионной технологии
позволил уменьшить ширину базы до 0,2 мкм.
Самое главное преимущество
транзистора по сравнению с электронной лампой -
микроминиатюризация электронной
аппаратуры. Массовый выпуск транзисторов позволил
создать серийные ЭВМ, многие авиационные
и космические системы, карманные
приемники, переносные телевизоры и т.д. В конце 50-х
годов произошло радикальное изменение
технологии - был разработан планарный метод, и
большинство транзисторов стали изготовлять
на базе кремния. Появлению планарной
технологии предшествовала разработка таких
технологических операций и оборудования,
как локальная диффузия через маску SiC>2,
фотолитография, эпитаксиальное наращивание
слоев и др. Они позволили значительно
улучшить параметры полупроводниковых
приборов и уменьшить их габариты.
Этап интегральных микросхем начался в
начале 60-х годов, когда уже существовала
технология нанесения в вакууме
тонкопленочных проводников. Они могли соединять
элементы планарных приборов: эмиттеры,
коллекторы и базы транзисторов, эмиттеры и базы
диодов, тонкопленочные или диффузионные
резисторы и конденсаторы. Разработка
технологии изоляции отдельных приборов,
создаваемых на единой полупроводниковой
пластине, обратно смещенными р-п -переходами
означала появление интегральных микросхем.
Массовый выпуск ИС на основе
биполярных транзисторов, а затем цифровых - на
основе МОП-структур (металл-оксид-
полупроводник) - вызвал появление
технологий с групповой обработкой изделий и
высокоавтоматизированного оборудования
непрерывного действия, поточных и автоматических
линий.
Бурное развитие твердотельной
микроэлектроники не препятствовало
использованию и развитию электровакуумной
электроники. Цветные кинескопы для дисплеев,
люминесцентные индикаторы, фотоэлектронные
умножители, электронно-оптические
преобразователи и другие приборы являются основой
современных компьютеров, физической
аппаратуры для регистрации быстропротекающих
процессов и излучений малой мощности,
устройств ночного видения и др. Непрерывно
развиваясь, электровакуумная технология
заимствует ряд процессов у технологии
микроэлектроники, широко используя различные
методы вакуумного нанесения слоев,
фотолитографию и др.
В последние годы появилась еще одна
сфера применения разработанных для
микроэлектроники методов формообразования
изделий. Как бы замыкая виток развития (см. рис.
1.1.2), чисто электронные компоненты
приобрели некоторые свойства своих
электромеханических предшественников, а
появившееся новое направление получило название
мехатроника. Методами современной
микротехнологии в монокристаллическом кремнии
создаются аналоги выключателей, реле,
печатающих устройств и других приборов в
микроисполнении. Габаритные размеры таких
приборов примерно в 1000 раз меньше, чем их
макроаналогов.
Микротехнология позволяет также
создавать из кремния упругие мембраны, рычаги,
пружины толщиной 1-25 мкм и изготовлять
на их основе твердотельные датчики давления,
ускорения, температуры и множества других
параметров. Робототехника, авиакосмические
системы, автомобильная электроника, медико-
биологическое оборудование - далеко не
полный перечень сфер применения этих изделий
мехатроники.
Таким образом, стремительное развитие
электроники привело во всех промышленно
развитых странах к становлению такой отрасли
производства, как электронная
промышленность, включающей подотрасль - электронное
машиностроение как техническое направление
и как науку о создании оборудования для
изготовления изделий электронной техники.
1.1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Полная совокупность машин для
производства изделий электронной техники
представляет собой широкий спектр
технологического оборудования, используемого для
изготовления, сборки и испытаний электронных
приборов и аппаратуры.
Технологическое оборудование
подразделяют на две большие группы:
1) оборудование
общемашиностроительного применения, включающее
металлообрабатывающие станки, прессы, термические
установки, оборудование для нанесения
различного вида покрытий, переработки полимерных
материалов, литейное и сварочное,
испытательное и метрологическое.

18 Глава 1.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ И ЭТАПЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
Как правило, оно выпускается
предприятиями многих отраслей машиностроительного
комплекса (отечественное и зарубежное) для
общего использования в промышленности;
2) специальное технологическое
оборудование (СТО), создаваемое целевым образом
для осуществления специфических
технологических операций в электронной
промышленности, например, для формирования на
кремниевой пластине множества электронных
элементов интегральной схемы.
Практика свидетельствует, что весь парк
используемых в электронном производстве
машин на 30 - 35 % состоит из машин
общемашиностроительного применения и на 65 -
70 % - из специального технологического
оборудования.
В мире тысячи фирм занимаются
созданием и производством СТО, огромные
инвестиции вкладываются в научные исследования
в этой области. Поэтому правомерно говорить
о существовании отдельной индустрии -
специальном машиностроении для электронной и
радиоэлектронной промышленности.
Электронные технологии сформировали
вполне определенные требования к СТО и
условиям его производства. Основные из них -
высокие прецизионность и надежность.
Многообразием электронных приборов и
технологий объясняется обширнейший типаж
СТО, требующийся для выпуска изделий
электронной техники. Характерной особенностью
создания и производства СТО является частая
сменяемость моделей оборудования,
вызываемая интенсивной динамикой и прогрессом в
области электронных технологий,
использующих новейшие достижения физики, химии,
математики и других наук.
Ежегодная разработка новых моделей
СТО в нашей стране в период наивысшего
развития составляла около 500 единиц
оборудования, а ежегодный выпуск - сотни тысяч
единиц оборудования*. В электронной
промышленности используется около 30 тыс.
моделей технологического оборудования.
СТО включает следующее оборудование:
заготовительное и формообразующее, техно-
химическое и фотолитографическое, физико-
термическое, сварочное, сборочное, для
вакуумной откачки и тренировки,
межоперационного и выходного контроля, испытаний на
внешние воздействия, комплексной
автоматизации, вспомогательных процессов,
контрольно-измерительное, средства механизации и др.
По принятой в отраслевом
классификаторе продукции (ОКП) иерархической системе
классификации вся продукция
машиностроения на отраслевых уровнях разделяется на
группировки - группы, подгруппы, виды,
подвиды - на основании общих признаков. Такая
система последовательного нарастания степени
однородности изделий в рамках одной
группировки - от высшего к низшему уровню
иерархии - наиболее удобна для
автоматизированной обработки информации.
Основное назначение классификации -
создание условий, обеспечивающих
сокращение применяемой номенклатуры СТО, что в
конечном итоге означает уменьшение затрат
на его создание, сокращение объемов
технической подготовки производства и в целом
цикла "исследование - разработка - внедрение".
При этом появляется возможность полнее
реализовать блочно-модульный принцип
создания оборудования, увеличить серийность и
повысить уровень его эффективного
использования.
На начальных стадиях формирования
перспективных планов производства
оборудования (разработка бизнес-плана), когда не
закончена разработка технической
документации, появляется необходимость оценки
трудоемкости его изготовления» норм потребления
материалов и комплектующих изделий и
других технико-экономических показателей
(ТЭП). С достаточной степенью точности ее
можно сделать с помощью классификатора
продукции машиностроения, который
содержит представительные группировки
однородных изделий со сходными конструктивно-
технологическими параметрами и ТЭП,
представляющие не что иное как ретроспективную
базу технико-экономической информации,
необходимой и достаточной для
прогностической оценки нового поколения машин данной
группировки.
Последовательный процесс
распределения всего множества оборудования на
отдельные подмножества сопровождается
накоплением по сформированным группировкам
однородных машин обширной информации. Бе
обработка известными методами
математической статистики позволяет, в частности,
проследить эволюцию изменения параметров
оборудования по группировкам и оценить их
значения по сравнению с прогнозируемыми
значениями (рис. 1.1.3).
Классификатор используется и для
оценки технического уровня вновь
разрабатываемых моделей СТО, причем по сравнению не с
отдельными аналогами, а с усредненными
показателями качества аналогов всей
группировки. Располагая эволюционными кривыми
по тем или иным параметрам СТО в рамках
конкретной группировки оборудования,
можно оперативно оценить значения параметра Т\
разрабатываемой модели по сравнению с
прогнозируемым значением этого параметра
(рис. 1.1.3).
В данном случае Т\ больше
прогнозируемого значения Т^ на величину ЬТ\ - tsT%
следовательно, разрабатываемый образец не
может считаться прогрессивным.

КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ 19
*Ц
1977 1979
/96/
19*3
i96S 1967
4983
Рис. 1.1.3. Динамика изменения параметра оборудования одной группировки
(точность поддержания температуры в рабочей зоне диффузионной печи)
Особенно важно, что по
сформированным группировкам можно рассчитать
удельные нормы расхода материалов,
комплектующих покупных изделий, трудовых и
энергетических затрат, усредненные цены с учетом
коэффициента инфляции. Эти показатели
могут быть использованы как нормативы при
составлении перспективных бизнес-планов.
Количественное накопление информации
в однородных объектах, входящий в одну
группировку, позволяет сделать качественный
скачок - перейти к групповой технологии ее
обработки и использования при планировании
производства.
Таким образом, на базе классификатора
СТО могут быть организованы отдельные
подсистемы автоматизированной системы
управления (АСУ) как в сфере управления
разработкой СТО (например, оценка технического
уровня НИР и ОКР, подсистема надежности
СТО и т.д.), так и в сфере управления
производством (подсистемы текущего и
перспективного планирования, анализа использования и
прироста производственных мощностей,
нормирования потребления материальных
ресурсов и др.).
При классификации продукции
электронного машиностроения все множество
разрабатываемого, изготовляемого и
действующего в отрасли оборудования распределяется
на отдельные подмножества с таким расчетом,
чтобы в них входила однородная по
назначению, конструктивно-технологическим и
технико-экономическим показателям продукция,
например: диффузионные печи однозонные
однотрубные; диффузионные печи
однозонные многотрубные; диффузионные печи
многозонные однотрубные; диффузионные печи
многозонные многотрубные.
Структура отраслевого классификатора
предусматривает деление всей продукции
электронного машиностроения на три группы:
1) специальное технологическое оборудование
(СТО); 2) специальные
контрольно-измерительные приборы (СКИП), средства малой
механизации (СММ) и оргоснастка; 3) блоки
и детали к оборудованию.
Первая группа (СТО) включает виды
автономного технологического оборудования,
предназначенного для выполнения
технологических, контрольных или испытательных
операций по изготовлению электронных
приборов и устройств.
Во вторую группу (СКИП, СММ,
оргоснастка) входят вспомогательные технические
средства (слесарно-монтажные столы, шкафы
для хранения изделий, моечные и
гальванические ванны, ручные тележки,
немеханизированные стеллажи, специальные приборы,
простейшие устройства с ручным или ножным
приводом). , t
Третью группу составляют
унифицированные узлы, блоки, детали, запасные части к
СТО, СКИП, СММ, оргоснастке,
централизованное производство и кооперированные
поставки которых организованы в отрасли.
Каждая из этих групп последовательно
дифференцируется на подмножества
нижележащих уровней: подгруппы, виды, подвиды.
Выбор системы классификационных
признаков предназначен для создания
предельно однородных семейств изделий. Кроме
того, он исключает возможность отнесения
одной модели к различным группировкам
(требование однозначности).
При формировании классификатора
важное значение имеет не только правильный
выбор системы классификационных
признаков, но и последовательность их применения
на отдельных этапах классификации. В этой
связи необходимо рассматривать области
использования предметного признака, т.е.
привязку СТО к производству определенных
типов ИЭТ. Этот признак группировки
оборудования применяется и для определения объемов
выпуска СТО по типам ИЭТ, для укрупненной
оценки диапазона СТО по предметному
назначению. При этом одна и та же модель СТО
в некоторых случаях может использоваться в
производстве разных приборов, в результате

20 Глава 1.1. ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ И ЭТАПЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
чего появляется вероятность отнесения этой
модели к разным группировкам и присвоения
ей нескольких кодов, что противоречит
требованиям однозначности кодирования и
приводит к неоправданному дублированию работ по
созданию одинакового оборудования в разных
подотраслях. Предметный признак
применяется только в тех случаях, когда СТО
используется в производстве только одного типа ИЭТ.
В основном это узкоспециализированное
сборочное, контрольно-измерительное,
испытательное и некоторые виды заготовительного и
сварочного оборудования.
Предметный признак рекомендуется
принимать во внимание лишь на последнем
этапе группировки, когда рассмотрены все
остальные признаки, и только для
ограниченного количества видовых группировок.
На основе опыта, накопленного в
отрасли по разработке и изготовлению СТО и
других средств производства, и учета
сложившейся организационно-технологической структуры
производства ИЭТ разработана следующая
система признаков (приведены в порядке
последовательности их применения), положенная
в основу классификации технологического
оборудования:
• уровень использования средств
производства,
• участок производства,
• технологическое назначение,
• физико-химические основы
технологии,
• конструктивные особенности,
• обрабатываемый материал,
• тип ИЭТ, для производства которого
предназначено СТО.
Уровень использования средств
производства - признак, по которому, как было
показано выше, все многообразие основного и
вспомогательного оборудования, аппаратуры и
приборов разделяется на три общие группы.
Участок производства - признак,
отражающий часть производственного процесса,
для оснащения которого предназначено
оборудование, например, "Заготовительное и
формообразующее (для производства
материалов и отдельных деталей и заготовок)". В
основу такого деления положена классическая
структура производственных участков на дей-
ощих заводах.
Технологическое назначение - признак,
орому выделяются такие, например,
бровки среднего уровня, как "СТО для
лного напыления", "СТО для диффузи-
; процессов".
Физико-химические основы технологии
как признак классификации используется для
более точной идентификации, например "СТО
для вакуумного напыления с резистивным
испарением".
Конструктивные особенности СТО -
следующий этап дифференцирования множества
средств производства по группировкам
однородного конструктивного оформления,
например, "Печи диффузионные, однозонные,
многотрубные".
Обрабатываемый материал служит
классификационным признаком в пределах
ограниченного числа подгрупп и прежде всего в
подгруппе "СТО заготовительное и
формообразующее", например, "Агрегат для варки
стекла".
Последний признак - предметный,
указывающий на тип ИЭТ, для производства
которого СТО предназначено.
Структура укрупненных отраслевых
группировок на основе изложенной системы
классификационных признаков приведена в
табл. 1.1.1.
Для каждой группировки, включенной в
классификатор продукции машиностроения,
необходим конкретный набор параметров,
отражающих специфику входящих в нее
изделий.
Кодовое обозначение как совокупность
цифровых символов, посредством которых
информация может быть представлена в
форме, удобной для автоматизированной
обработки, по системе ОКП СТО служит для
идентификации каждого конкретного типономинала
продукции машиностроения, выпускаемой в
отрасли.
Новый код ОКП СТО содержит 10
разрядов, проставляется в технических условиях
на поставку изделия и имеет следующую
структуру:
ХХХХХХ
Классификационная
часть ОКП (К-ОКП)"
ХХХХ
Порядково-регастрационный_
номер изделия
Пример построения кода. Установка
вакуумного напыления УВН-74П-3 имеет код
ОКП 6361101746, структура которого
следующая:
6361 Ю1746
Новый код группы ОКП
"Специальное технологическое
оборудование"
Порядково-регистрационный
номер установки в общем массиве -
закодированного оборудования
Первый блок кода из четырех разрядов
представляет собой классификационную часть
ОКП(К-ОКП) высших уровней, отражающую
самые общие принципы распределения всей
продукции, выпускаемой в народном хозяйст-

Подгруппа
1
1.1.1.
Структура укрупненных
2 3
отраслевых грушгаровок продукции
Вид
4 5
электронного машиностроения
6 7 8 9
1. Специальное технологическое оборудование для производства ИЭТ
СТО
заготовительное и
формобра-
зующее
СТО техно-
химическое
и
фотолитографическое
СТО

ко-термическое
Для
выращивания
монокристаллов

полупроводников и
других
материалов
Для очистки
и промывки
Для
вакуумного
напыления, в том
числе для
вакуумной
эпитаксии
Для
приготовления
стекла,
ферритовых
материалов,
пластмасс,
керамики и
резины
Для
химической и

электрохимической
обработки
(травления,

полирования,
анодирования)
Для ионной
имплантации
и

но-радиационной
обработки
Для
формирования
стеклоизде-
лий,
керамических и
ферритовых
деталей
Для
химического и

электрохимического
нанесения
покрытий на
металлы
Для
наращивания слоев
Для литья,
прокатки и
волочения
Для газо- и
плазмохими-
ческой
очистки,
травления и
нанесения
покрытий на
металлы
Для
диффузионных
процессов
Для
ультразвуковой,
электроискро
вой, элек-
трофизическ
ой
размерной
обработки
Для
фотолитографии,
фотохмичес-
ких
процессов,
совмещения и

экспонирования
Печи с

неконтролируемой
средой
Прессовое
Для
нанесения
специальных
покрытий
Печи с
контролируе
мой средой
Специальные
металорежу-
щие станки,
СТО для
резки

проводниковых и
сверхтвердых
материалов,
шлифования
и
полирования
Для
нанесения
металлических,

имитирующих
неметаллических
и защитных
покрытий
Термическое
вакуумное
Для гибки,
литья,
рихтовки и
намотки
Для окраски
и
лакирования

Продолжение табл. 1.1.1
Подгруппа
СТО для
сварки и
пайки
СТО для
сборки,
откачки и
тренировки
СТО для

межоперационного и
выходного
контроля
СТО для
испытаний
на внешние
воздействия
Средства

комплексной
автоматизации
и системы
управления
1
Для элек-
тродуговой
сварки
Сборочное
широкого

применения
Для
контроля
физических
параметров
материалов
Для
испытаний на

безотказность и

долговечность
Средства
комплексной
автматизации
производства
ИЭТ
2
Для
диффузионной
сварки

Специализированное
для сборки
(установки)
Для

межуточного контроля
и проверки
на

ционирование
Для
климатических
испытаний
Роботы
3
Для
микросварки

Специализированное
для сборки
(комплекты,
линии)
Для
контроля на

электрическую
прочность,
короткое
замыкание и
обрывы
Для
механических
испытаний

Манипуляторы
4
Для элек-
троконтак-
ной сварки
Откачные
посты
Для
контроля
статических и

динамических
параметров
Для
климатических
испытаний
широкого

применения
Роботизиро
ванные
технологиче
ские
комплексы
5
Для
стыковой и
специальных
видов
сварки
Автоматы и
линии
откачки
Для
выходного
контроля и
разбраковки
готовых изделий
(в том числе
статанализа-
торы)
Для
климатических
испытаний
широкого

применения

Автоматические
системы
управления
* 6

Специализированное
для пайки
Для

межуточной
вакуумной
обработки
Для
разбраковки
по
номиналам
Системы
автоматичес
кого
проектирования
7
Для
соединения стек-
лоизделий
и керамики
сваркой и
пайкой
Для
тренировки
Для
разбраковки
по группам
точности
8
_

Специальное
технологическое
для
подгонки в
номинал

Универсальное кон-
трольноиз-
мерительное
и приборы (в
том числе
СВЧ-диапа-
зоны)
_
_
9
_.
Точной
механики
Для
контроля

электронной и
ионной
оптики
_
ы
1-1
н
S
§
s

Продолжение табл. 1.1.1
Подгруппа
СТО для

вспомогательных
процессов
1
Для
маркировки и
упаковки
2
Для
приготовления,
очистки и

регенерации
технологических
сред
3
Для
получения деи-
онизирован
ной воды
4

Транспортные
системы и
конвейеры
5
Склады и
стеллажи
автоматизи
рованные,
механизиро
ванные
6
Генераторы
7
8
9
О
§
2. Контрольно-измерительные приборы, средства малой механизации, оргоснастка
СКИП
смм

Оргоснастка
Устройства
для

могательных работ
Для
измерения
механических
параметров
Для
заготовительных
и

образующих
операций
Ванны
Пульты
Оптические
Для техно-
химических
и фотоли-
тографичес
ких
операций
Барабаны
Для
обеспечения
производственной
гигиены

Специальные для
контроля и

регулирования
технологических
процессов
Для

ко-термических
операций
Шкафы
Для
оснащения
складов
Для
измерения

нологических
параметров
Для сборки
Столы
Склады
Для
измерения
размеров
Для

операционного и
выходного
контроля
Стеллажи

Экологическое
оборудование


мерительные
Для
испытаний на
внешние
воздействия
Тележки

Центрифуги
н
3

24
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
ве, по отдельным отраслевым разделам
(классам, подклассам, группам). Новый вариант
ОКП СТО отличается от предыдущего тем, что
в нем для средств производства вместо одного
подкласса 627 выделены две укрупненных
группы: 6361 - для СТО и 6369 - для СКИП,
СММ, оргоснастки. Формируются эти группы
на основе признаков ведомственной
принадлежности продукции и ее
народнохозяйственного назначения. Второй блок кода
ОКП, состоящий из шести разрядов, - поряд-
ково-регистрационный номер конкретной
модели оборудования в общем массиве
поочередно закодированных по соответствующей
группе ОКП изделий - 6361 и 6369. Таким
образом, в каждую из групп, выделенных для
продукции машиностроения отрасли, может
быть поочередно внесено 999999 конкретных
типономиналов изделий. Очевидно, что такая
емкость может быть рассчитана на длительный
период времени.
Для кодирования блоков и деталей к
СТО, СКИП, СММ, оргоснастке в подклассе
637 выделены две позиции порядоково-
регистрационных номеров: одна для блоков и
деталей к СТО, другая - для блоков и деталей
к СКИП, СММ и оргоснастке.
Особенность кода ОКП СТО заключается
в том, что его классификационная часть (К-
ОКП) не содержит группировки отраслевого
уровня. Предложен прогрессивный метод -
нулевое кодирование, в основу которого
положен принцип последовательного углубления
классификации продукции, в том числе и
СТО, за пределами К-ОКП. На отдельное
изделие наряду с кодом ОКП
предусматривается оформление дополнительного семейства
кодов, каждый из которых символизирует
определенное свойство этого изделия.
Поскольку кодов много, их различают, фиксируя
на пятом и шестом разрядах признак вида 01,
02, 03 и т.д. Первым среди таких кодов на
изделие ставится код "нулевой"
классификационной позиции:
ХХХХ 01 XX XX XX
Классификационная
часть ОКП (К-ОКП)"
Признак "нулевой"
классификационной -
группировки
Подгруппа—
Вид
Подвид
Внутриотраслевые
уровни
классификации
Самостоятельный код внутриотраслевых
уровней классификации обеспечивает
возможность без особых организационных
затруднении включать в ОКП СТО по мере развития
новых направлений техники новые
группировки продукции или корректировать
существующие. Текущая переработка структуры
отраслевых группировок не повлечет за собой
изменения кода ОКП на изделие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фетисов В. Е. Совершенствование
системы классификации и кодирования
технологического оборудования для производства
ИЭТ // Электронная техника. Сер. Экономика
и системы управления, вып. 4E7), 1985. С. 21 -
26.
2. Электронное машиностроение: Учеб.
пособие / Л. И. Волчкевич, Е. А. Деулин,
Ю. В. Панфилов и др.: Под ред. Л. И. Волчке-
вича. М.: Изд-во МГТУ. 1989. 128 с.
Глава 1.2
СПЕЦИФИКА ТЕХНОЛОГИЙ И
ОБОРУДОВАНИЯ В ЭЛЕКТРОННОМ
МАШИНОСТРОЕНИИ
1.2.1. ПУЧКИ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ, ИЗЛУЧЕНИЯ И
ПОЛЯ В КАЧЕСТВЕ ИНСТРУМЕНТА В ТЕХНОЛОГИЯХ
ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
Одним из главных отличий электронного
машиностроения от других отраслей
промышленности является технология обработки
материалов атомными частицами (электронами,
ионами, протонами, атомами и молекулами) и
излучениями (лазерными, гамма- и
рентгеновскими). Уникальность этой технологии
заключается в следующем: высочайшей точности
обработки (порядка размеров отдельных
атомов), причем как локальной, так и по всей
поверхности детали, а также в широком
диапазоне энергий атомных частиц (от
нескольких элекгронвольт до нескольких ГэВ на одну
частицу) и длительностей воздействия (от
106 с до нескольких часов); огромных
удельных мощностях пучков (до 1014Вт/см2);
возможности дозированного легирования
поверхностных слоев готовых изделий (повышение в
десятки и сотни раз эксплуатационных
характеристик деталей и узлов) и непрерывного
контроля за состоянием, химическим составом
и геометрическими размерами
непосредственно в ходе технологической операции, а также
из-за возможности быстрой оптимизации
параметров и полной автоматизации
технологического процесса.
Преодоление микрометрового рубежа
размеров обработки материалов в электронном
машиностроении произошло благодаря
использованию принципиально новых
технологических методов и специального
оборудования, базирующихся на физических явлениях
взаимодействия высокоэнергетических
электронных, ионных, оптических и рентгеновских
пучков, а также газоразрядной плазмы с по-

ПУЧКИ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ, ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ 25
верхностью твердого тела. К таким методам
можно отнести электронную, ионную и
рентгеновскую литографию, нанесение тонких
пленок в вакууме, молекулярно-лучевую эпи-
таксию, вакуумно-плазменное травление,
ионную имплантацию, электронный, протонный и
лазерный отжиг, электронную, ионную и
лазерную размерную обработку и др. Типовыми
можно считать изделия на основе пленок
толщиной 0,1 мкм и менее с минимальными
горизонтальными размерами 0,3 - 0,5 мкм и
радиусом скругления кромок 0,1 - 0,3 мкм.
Развитие технологий электронного
машиностроения способствовало созданию
различных микроструктур в смежных областях,
например, для производства мембран,
фильтров и даже искусственной клетки в биологии,
микролинз, призм, оптических фильтров и
других элементов в оптике (приведших к
новому направлению развития техники связи),
сверхчувствительной микроминиатюрной
измерительной и диагностической аппаратуры и
многих других изделий.
По своим физическим параметрам
микроструктуры отличаются как от однородных
монолитных материалов, так и от отдельных
атомов и молекул. Их размеры обычно
определяются некоторой характерной длиной,
связанной с используемыми физическими
принципами, например, длиной волны, дебаевским
радиусом экранирования, толщиной
обедненного слоя , которые в сотни и тысячи раз
больше атомных размеров. Для создания
структур с соизмеримыми атомным размерами
предназначена нанотехнология - новая ступень
развития технологий электронного
машиностроения.
Таким образом, современные технологии
и оборудование электронного
машиностроения уже не только базируются на принципе
"удаление лишнего материала из заготовки", а
строят приборы "атом за атомом".
В качестве "инструмента" для такого
"строительства" в технологиях электронного
машиностроения используются остросфокуси-
рованные электронные, ионные, атомарные,
оптические, рентгеновские пучки и
газоразрядная плазма. Универсальность такого
"инструмента" заключается в том, что с его
помощью и изготовляют приборы, и измеряют
их размеры, и контролируют свойства, и
диагностируют параметры, и управляют
технологическими процессом и оборудованием.
Для сравнения в табл. 1.2.1 приведены
характеристики пучков, характерные для
технологий электронного машиностроения. Для
фотонов с энергией 1,6 - 3,5 эВ,
соответствующей видимому свету, минимальный размер
обработки составляет около 1 мкм, а в области
ультрафиолетового и мягкого рентгеновского
излучения (энергия фотонов составляет 5 -
1000 эВ) размер обрабатываемой детали можно
уменьшить до 0,1 мкм.
В обычно используемом диапазоне
энергии электронов 0,1 - 100 кэВ можно
получить разрешение, сравнимое с размерами
атомов около 0,1 нм. Ограничения на
минимальный размер пучка электронов (около
10 нм) связаны с их рассеянием.
Ионные и атомарные пучки
характеризуются отсутствием ограничений на деброй-
левскую длину волны даже при малых
энергиях ионов. Доля рассеянных ионов обычно
очень мала, так как их размеры соизмеримы с
периодом кристаллических решеток
материалов, с которыми они взаимодействуют.
Минимальный размер пучка ионов или атомов
может достигать около 1 нм.
Взаимодействие электронов с веществом.
Поверхность твердого тела отличается,
например, по геометрическому расположению
атомов, структуре электронных связей,
химическим соединениям от объема материала. Все
поверхности, соприкасающиеся с атмосферой,
1.2.1. Характеристики пучков
Тип пучка
Оптический
Рентгеновский
Электронный
Ионный
Атомарный
Длина
волны, нм
200 - 400
0,2-2
«0,01
0,001
0,001
Энергия, эВ
1,6 - 3,5
5 - 1000
102 - Ю5
102 - 107
ОД - 104<*>
Приблизительный минимальный
размер обрабатываемой детали, нм
1000
100
10
1
К*)
Удельная
мощность, Вт/см2
ю-2 - ю10
ю-3 -1
ю-2 - ю10
ю-4 - ю5
ю-6 - ю2<*)
(*) Максимальные значения энергии и удельной мощности атомарного пучка, а также
минимальный размер обрабатываемой детали относятся к ионному пучку с нейтрализованным
зарядом.

26
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
покрыты слоями адсорбированных атомов и
молекул. Так, если при давлении 10~4 Па
получить чистую на атомном уровне
поверхность, то примерно через одну секунду она
оказывается покрытой полным монослоем
(около 1015 атом/см2) адсорбированных газов.
Чтобы удержать поверхность на атомарно
чистом уровне, необходимом для проведения
многих технологических операций, необходим
сверхвысокий вакуум с давлением около
10"8 Па.
Химические соединения на поверхности
металлов отличаются от соединений в толще
вещества, т.к. всегда образуется поверхностная
пленка окисла толщиной от 1 до 10 нм,
которая оказывает влияние на механические и
химические свойства поверхности.
Эффекты, возникающие при
взаимодействии электронного пучка с веществом (рис.
1.2.1), определяются характером и значениями
потерь энергии электронов в твердом теле.
Они реализуются как дискретные события,
сопровождающиеся появлением вторичных
электронов, возбуждением колебаний
плотности плазмы, ионизацией на внутренних
электронных оболочках, вызывающих
рентгеновское излучение и эмиссию оже-электронов,
рождением электронно-дырочных пар с
последующим световым излучением, переходным
излучением и возбуждением упругих
колебаний кристаллической решетки (возбуждением
фотонов) и другими явлениями.
При столкновении ускоренных
электронов с атомами или молекулами (электронном
ударе) остаточных или рабочих газов и паров
происходит их ионизация (образование и
поддержание газоразрядной плазмы) и испускание
фотонов (свечение плазмы). Такой метод по-
Вакуум
(р*10-2-10-4 Па)
а)Ионизация и
возбуждение остаточных
газов и паров
б) Эмиссия
электронов
V
г)Эмиссия атомных частиц
лучения плазмы используется во многих
источниках ионов и плазменных установках.
В зависимости от параметров пучка
электронов и свойств материала мишени может
происходить упругое и неупругое отражение
электронов от поверхности твердого тела,
термоэлектронная и вторичная электронная
эмиссия, что дает возможность наблюдать за
поверхностью с помощью электронного
микроскопа, получать новые электронные пучки,
анализировать химический состав материала
мишени и др. На явлении вторичной
электронной эмиссии основан принцип действия
некоторых электровакуумных приборов
(фотоэлектронных умножителей и др.).
Взаимодействие электронного пучка с
поверхностью твердого тела вызывает эмиссию
фотонов в широком спектре энергий:
тепловое, плазменное и световое (люминисценция)
излучение, тормозное и характеристическое
рентгеновское излучение. Эти явления
используются в электровакуумных приборах
(например, электронно-лучевых трубках),
рентгеновских источниках и т.п.
Электронные пучки могут вызывать
также эмиссию атомов и молекул с облучаемой
поверхности за счет испарения (сублимации)
вещества, термо- и элекгроностимулированной
десорбции адсорбированных газов, разложения
химических соединений и т.п.
Физические эффекты в объеме твердого
тела, возникающие в результате
проникновения электронного пучка в глубь материала,
делятся на нетермические и термические. К
первым относятся ионизация атомов мишени,
возбуждение фононных колебаний,
образование дислокаций и радиационных дефектов,
Твердое тело (металл,
диэлектрик, полупроводник)
д)Ионизация атомов
©
е)Возбуждение фононных
/ ^ колебаний
е
б'
// ж)Образование дисяока-
е ^ ций и радиационных
дефектов
и)Химические
реакции
к)Увеличение
проводимости
полупроводников и диэлектриков
Рис. 1.2.1. Процессы, происходящие при взаимодействии i
t с веществом

ПУЧКИ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ, ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ 27
активация химических реакций и увеличение
проводимости полупроводников и
диэлектриков, ко вторым - плавка, испарение, сварка и
размерная обработка (прошивка отверстий,
пазов, профилирование и т.п.).
Из нетермических эффектов в
электронном машиностроении наибольшее применение
нашло изменение структуры и свойств
материала элекгронорезиста при облучении его
остросфокусированным электронным лучом. В
электронно-лучевой литографии в качестве
резиста используются органические
материалы, которые при взаимодействии с
ускоренными электронами либо полимеризуются
(образуются более крупные молекулы), либо в
них происходит деструкция материала
(распадение на более мелкие молекулы).
В негативном электронном резисте под
действием электронного луча создаются
перекрестные связи в углерод-водородных
цепочках и материал становится нерастворимым и
стойким к нагреву, т.е. после проявления на
подвергнутых облучению участках остается
рисунок из неудаленной полимерной маски. В
другой группе полимеров, при облучении
которых происходит разрыв основной цепочки
молекул и тем самым увеличивается
растворимость материала, рисунок на поверхности
мишени образуется на оставшейся части пленки -
позитивного электронного резиста.
Нагрев вещества при облучении его
электронами имеет несколько особенностей:
максимум поглощенной энергии находится в
объеме твердого тела, а не на поверхности, как
например при лазерной обработке; при
высокой концентрации тепловой энергии
сравнительно мала общая мощность пучка. С
помощью термического воздействия электронов
можно вызывать в веществе структурные
фазовые переходы, отжиг дефектов, диффузию
примесей, рекристаллизацию, плавление
материала, десорбцию и испарение с поверхности
атомных частиц и т. п.
Параметры электронных пучков можно
регулировать в широком диапазоне для
проведения различных видов обработки изделий
(табл. 1.2.2). Несмотря на сложности
выполнения электронно-лучевой обработки, связанные
с необходимостью помещать объекты
обработки в вакуум, она успешно конкурирует с
другими методами благодаря следующим
преимущества:
универсальности (можно обрабатывать
практически любые материалы, причем не
только изменять геометрические размеры
деталей и свойства их поверхности, но и
проводить различные измерения);
экологической чистоте (процесс
протекает в высоком вакууме, электронный луч не
вносит загрязнений и не подвержен износу,
контроль с его помощью, как правило,
является неразрушающим);
управляемости (можно регулировать
энергию, фокусировку, модуляцию и
отклонение электронных пучков, причем малая
инерционность позволяет быстро перемещать луч с
одного участка на другой и обеспечивать
высокую скорость обработки и локальность
воздействия).
Взаимодействие ионов с веществом. В
зависимости от материала, формы, энергии и
плотности мощности ионного пучка при
взаимодействии его с веществом происходят
процессы, которые открывают перед технологом
возможность направленного изменения
геометрических размеров и свойств твердого тела,
а также их контроля.
Ионный пучок может быть сформирован
как из положительных, так и из
отрицательных ионов, однако наиболее часто используют
ионы, несущие положительный заряд, из-за
большей простоты их получения и управления
параметрами пучка. В качестве материала
ионного пучка могут быть использованы атомы
1.2.2. Параметры электронных пучков
Вид электронно-лучевой
обработки
Нетермическое
воздействие
Химическое
воздействие
Плавка
Испарение
Сварка
Резание
Энергия электронов,
кэВ
20 - 250
20 - 5000
15-40
10-40
15 - 175
20 - 150
Диаметр пучка,
мм
ю-5 - ю-2
10 - 300
10-50
2- 30
ю-1 - 6
540-3- Ю-1
Удельная мощность,
Вт/см2
ю-2 - ю5
10 - МО3
103 - 104
2-Ю3 - 2404
8104 - 107
105 - 1010

28
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
и)
л)
Рис. 1.2.2. Процессы, происходящие при вза
ействии ионных пучков с веществом:
а - ионизация и возбуждение остаточных и рабочих газов и паров, нейтрализация заряда ионного пучка;
б - адсорбция ионов; в - рассеяние ионов на атомах; г - десорбция атомов и молекул;
д - физическое распыление; е - химическое распыление; ж - эмиссия вторичных ионов;
з - эмиссия вторичных электронов; и - нагрев вещества; к - химические реакции; л - имплантация ионов;
hv - энергия фотонов; /- вакуум (р ¦ 10... ИИ Па); //- твердое тело (металлы, диэлектрики, полупроводники)
практически всех элементов Таблицы
Менделеева, включая ионы молекул, что при
возможности варьирования кратностью заряда
делает ионные пучки потенциально более
гибким средством воздействия на обрабатываемый
или исследуемый объект по сравнению с
электронными пучками.
Основные эффекты, возникающие при
взаимодействии ускоренного до энергий от
100 эВ до 10 МэВ ионного пучка с веществом
и наиболее часто используемые в электронном
машиностроении, можно проиллюстрировать
на приведенных ниже примерах (рис. 1.2.2).
1. Двигаясь в вакууме к облучаемому
образцу, ионы могут сталкиваться с атомами и
молекулами остаточных или рабочих газов и
паров. Как и в случае с электронными
пучками, может происходить рассеяние и потеря
энергии первичных частиц, однако, кроме
ионизации попавшегося на пути атома и
испускания при этом фотона, возможно явление
перезарядки ионного пучка. Оно заключается
в том, что движущийся ион захватывает
электрон у атома, с которым он столкнулся, и
продолжает движение практически с той же
скоростью, но уже в нейтральном состоянии.
Эффект перезарядки ионного пучка
можно осуществить и с помощью
направленного на него потока электронов, которые
нейтрализуют заряд и тем самым создают пучок
ускоренных атомов, которые используются,
например, для распыления диэлектриков.
Для того чтобы ионный пучок долетал до
поверхности обрабатываемого изделия без
столкновения с остаточными газами,
необходимо иметь в вакуумной камере давление не
выше 10 - 10 Па.
2. Ударяющиеся о поверхность образца
ионы могут оказаться связанными с ней за
счет адсорбции или хемосорбции, что может
быть использовано для получения
тонкопленочных слоев.
3. При столкновении с поверхностью
твердого тела ионный пучок с энергией
приблизительно до 30 кэВ может обратно
рассеиваться атомами или группой атомов
облучаемого образца. При этом происходит
отклонение траектории ионов от первоначального
направления и обмен энергии между ними и
атомами мишени. В зависимости от материала
взаимодействующих частиц и энергии ионного
пучка обмен энергии может быть упругим

ПУЧКИ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ, ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ 29
(отражение иона как мяча от стенки) и
неупругим (возбуждение и ионизация атомов). При
неупругих соударениях энергия может
выделяться в виде квантов излучения - свечения
(ионолюминесценция), характеристического
или тормозного рентгеновского излучения.
Эти эффекты используются в ионной микро-
и спектроскопии.
Если импульс иона достаточно велик, то
он может сместить поверхностный атом из
положения, где он слабо связан с
кристаллической структурой образца, в положение, где
связь оказывается сильнее (атомная
дислокация). Ионы с более высокими энергиями
могут вызывать внутренние дислокации в толще
образца.
4. Упруго отраженные ионы могут
вызывать десорбцию слабо связанных с
поверхностью атомов и молекул газов и паров, а также
различных видов загрязнений. В технологиях
электронного машиностроения этот эффект
широко используется для очистки
поверхностей деталей перед многими операциями,
особенно перед процессами эпитаксии и
осаждения тонких пленок.
5. Если бомбардирующие поверхность
образца ионы передают настолько большой
импульс, что полностью освобождают от
связей один или несколько атомов, происходит
физическое распыление. При этом атомы или
группы атомов в приповерхностном слое
толщиной порядка 1 нм движутся в направлении
границы твердое тело - вакуум и выходят из
мишени. Вылетающие атомы или кластеры
(группы атомов) могут находиться в
нейтральном, заряженном или возбужденном
состоянии.
Явление ионного, или, как его часто
называют, катодного, распыления широко
используется в технологиях электронного
машиностроения: для строго дозированного
удаления вещества с определенных участков
обрабатываемого изделия, нанесения тонких пленок
в вакууме из различных материалов, анализа
распыленных частиц по массам и т.д.
6. Пучок химически активных ионов
(Н+, О+, N+, С1+, F+ и др.) может
вступать в химическую реакцию с атомами
облучаемого образца и образовывать на его
поверхности новые химические соединения, в
том числе газообразные. Этот эффект
называется химическим ионным распылением и
широко используется в электронном
машиностроении в операциях ионно-химического
травления материалов и ионно-химического
осаждения тонких пленок.
7. Если при ионном распылении
поверхностные атомы возбуждаются до
ионизированных состояний и покидают образец, то
происходит вторичная ионная эмиссия. Этот
эффект лежит в основе принципа действия
анализатора химического состава вещества и
широко используется в технологиях
микроэлектроники.
8. При ионной бомбардировке
металлических поверхностей возникает вторичная
электронная эмиссия, которая является
естественным средством поддержания
самостоятельного газового разряда. Кроме того, это
явление используется в ионной микроскопии и
спектроскопии.
9. Если энергия, переданная пучком
ионов атомам мишени, недостаточна для их
распыления, атомы начинают колебаться около
положения равновесия, растрачивая энергию
на нагрев окружающей их среды, что
приводит, естественно, к нагреву мишени. При
достаточной мощности, выделяемой на единицу
поверхности мишени, возникают процессы
(плавление и испарение вещества мишени,
термоэмиссия электронов, термоизлучение и
т.п.), которые ничем не отличаются от
происходящих при облучении мишени электронами.
Примером термической обработки с помощью
ионных пучков может служить протонный
отжиг полупроводниковых материалов. Однако
в технологиях электронного машиностроения
они, как правило, не выдерживают
конкуренции с нагревом электронными пучками,
получение которых значительно проще.
10. Ионные пучки подобно электронным
могут изменять химический состав вещества, в
который они проникают. Если в качестве
материала использовать ионорезист, а ионный
пучок сфокусировать в пятно малого диаметра,
то можно получить изображение с размерами
в доли микрометра (ионолитография).
11. При энергиях пучков приблизительно
свыше 30 кэВ ионы могут проникать в глубь
образца и, израсходовав всю энергию,
оставаться там. Этот процесс называется ионной
имплантацией, или ионным легированием.
Независимо от материала мишени в нее
можно внедрить атомы практически любых
элементов Периодической системы
Менделеева, что широко используется для изменения
механических, электрических, химических,
оптических, эмиссионных и других свойств
вещества. Так как имплантация ионов -
процесс термодинамически неравновесный, то
можно создавать соединения, которые
принципиально невозможно получить диффузией
или металлургическим путем, а также
достигнуть концентрации имплантированного
материала, существенно превышающей предел
растворимости данной примеси в материале
мишени.
Этот эффект используется в
микроэлектронике для получения />-л-переходов в
полупроводниковых материалах, в
машиностроении - для легирования сталей и других
металлов, в других областях промышленности - для
изменения в широких пределах свойств
материалов.

30
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Взаимодействие фотонов с веществом.
Пучки фотонов с низкими энергиями могут
поглощаться фотонами кристаллической
решетки. Фотоэлектрическое поглощение
начинается при энергии, соответствующей
возбуждению через запрещенную зону, - внутренний
фотоэффект (образовавшийся электрон
остается внутри твердого тела). При энергиях фотона
более 10 эВ (примерно соответствующих
энергии ионизации свободного атома)
фотоэлектрон может покидать твердое тело -
внешний фотоэффект, или фотоэлектронная
эмиссия. В диапазоне более высоких энергий
фотонов фотоэлектронное поглощение является
доминирующим эффектом, пока не начинают
превалировать комптоновское рассеяние и
рождение пар.
Взаимодействие квантов оптического
излучения с обрабатываемым материалом можно
условно разделить на термическое и
нетермическое. Термическая обработка включает в
себя плавление и испарение материалов, а
нетермическая - разрыв валентных связей,
полимеризацию, изменение проводимости,
образование и поддержание плазмы и другие
процессы.
Термическое воздействие мощных
(удельная мощность до 1010 Вт/см2) пучков
фотонов лазерного излучения используется в
таких процессах, как стимулированная
лазерным пучком диффузия, лазерный отжиг,
лазерное резание и сверление, лазерная сварка и
др. При лазерном отжиге обработку можно
вести локально, при этом управлять глубиной
прогрева путем изменения длительности и
интенсивности импульса излучения.
Вследствие большой скорости воздействия нет
необходимости проводить лазерный отжиг в
вакууме или защитной инертной среде, чтобы
предотвратить окисление или загрязнение во
время отжига.
Взаимодействие квантов рентгеновского
излучения с веществом характеризуется в
основном фотоэлектрическим эффектом, ком-
птоновским рассеянием и образованием пар.
Фотоэлектрический эффект заключается в
поглощении фотона атомом и испускании
электрона с одной из оболочек. Рассеяние
фотона на электроне атома составляет суть
комптоновского эффекта. При образовании
пары фотон превращается в электрон и
позитрон. Последний эффект реализуется в куло-
новском поле ядра, где обеспечивается
выполнение закона сохранения энергии и импульса.
В электронном машиностроении
оптические и рентгеновские пучки имеют следующее
применение:
рентгеновское излучение - в
субмикронной литографии для изготовления рентгено-
шаблонов, оптических элементов,
рентгеновских решеток и других изделий, в
аналитическом оборудовании для исследования
состояния, структуры и химического состава
вещества;
импульсные лазеры - для отжига
возникающих при ионной имплантации дефектов в
полупроводниках (длительность импульса
лазеров на рубине и неодимовом стекле может
составлять 10 - 100 не, а плотность энергии -
0,5 - 10 Дж/см2);
лазеры, работающие в непрерывном
режиме (аргоновые и CCVлазеры), - для
испарения, отжига и размерной обработки
материалов при скорости сканирования 0,5 -
10 см/с и плотности энергии 200 Дж/см2);
дуговые лампы (ртутные с длиной волны
излучения 200-600 нм) - для фотолитографии;
кварцевые и инфракрасные (ИК) лампы
с широким спектром излучения - для
термовакуумной обработки деталей и узлов
электровакуумных приборов.
Взаимодействие атомарных пучков с
веществом. В электронном машиностроении
атомарные пучки имеют две основные области
применения: осаждение тонких пленок и
травление диэлектрических слоев. Варьируя
энергию и плотность пучка атомов или молекул,
можно получать и контролировать с высокой
точностью толщину слоев в пределах от
молекулярных (доли нанометра) до значений,
равных нескольким длинам волн видимого света
(микрометры).
С помощью' атомарных потоков можно
создавать уникальные структуры тонких
пленок и химические соединения с неимеющими
аналогов в природе параметрами
кристаллической решетки и физическими
характеристиками. Чтобы получить тонкопленочные слои с
уникальными свойствами, необходимо
сохранить атомарно чистую поверхность подножки,
для чего парциальное давление посторонних
примесей должно быть существенно ниже
10*4 Па. Подготовка поверхностей перед
осаждением тонких пленок часто является самым
важным процессом для получения хорошей
адгезии и других требуемых свойств на
границе раздела.
Для очистки подложек от поверхностных
загрязнений служит вакуумно-плазменное
травление ионами инертных или химически
активных газов. В технологии изготовления
тонких пленок основные области применения
атомарных и молекулярных пучков связаны с
процессами окисления, эпитаксиального
наращивания слоев и легирования
полупроводниковых материалов, а также конденсации
металлических и диэлектрических пленок.
При ионно-лучевой обработке
диэлектрических материалов возникает проблема
нейтрализации образующегося поверхностного
заряда. Одним из решений этой проблемы
является использование атомарных пучков с
энергией 1-10 кэВ, получаемых с помощью

ПУЧКИ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ, ИЗЛУЧЕНИЯ И ПОЛЯ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ 31
ионно-оптических систем, снабженных
устройством компенсации заряда пучка ионов.
Газоразрядная плазма, состоящая из
электронов, ионов и электрически нейтральных
атомов, генерирующая различные виды
излучений, также может служить инструментом в
технологиях электронного машиностроения. С
ее помощью можно осаждать металлические и
диэлектрические пленки, стимулировать
осаждение из газовой фазы диэлектрических
пленок, пленок переходных металлов и их
силицидов, вытравливать материал через резистив-
ную маску после операций микролитографии,
а также получать ионные и электронные пучки
большой интенсивности. В электронном
машиностроении плазменное травление,
заменившее соответствующее жидкостное
травление, называют сухим травлением.
Плазменная обработка осуществляется
при давлении ниже атмосферного и поэтому
совместима с другими "вакуумными"
процессами: электронно- и ионнолучевыми,
лазерными, рентгеновскими и другими
операциями. Формирование микротопологии на
изделиях электронной техники осуществляется
повторением цикла, включающего три группы
операций:
1) получение, обработка и легирование
тонких пленок и слоев;
2) микролитография (фото-, электроно-,
ионо- и рентгенолитография);
3) травление топологического рисунка.
Благодаря использованию сухого
травления геометрические размеры рисунка могут
быть получены с погрешностью не более
0,1 мкм.
Для определения момента окончания
травления, контроля за химическими и
физическими процессами в плазме, измерения
скорости осаждения пленок и других параметров
применяются различные методы диагностики
плазмы. Параметрами газоразрядной плазмы
являются состав и концентрация частиц,
температура электронов и ионов, плазменное
давление и др. В технологиях электронного
машиностроения в качестве рабочего газа для
плазменной обработки чаще всего
используются Аг, О2, Н2, CF4, CCI4, S1H4 и другие
компоненты при давлении 0,65 - 250 Па,
концентрация ионов составляет около 1010 ионов/см3,
а электронов - 108 - 1010 электронов/см3,
температура электронов может составлять 1,2-30
эВ, частота ВЧ-плазмы может изменяться в
диапазоне 3,5 - 27 МГц.
Электрические и магнитные поля. В
современной электронной технике имеется еще
одно уникальное направление - электроника
сверхвысоких частот, которая не только играет
важную роль в развитии военной техники,
техники передачи информации и связи, но и
находит применение в машиностроении,
энергетике, строительстве, медицине, пищевой
промышленности, сельском хозяйстве,
бытовой технике и др.
В перечисленных областях в качестве
инструмента выступают мощные электрические и
магнитные поля, которые оказывают на
обрабатываемые материалы силовое, тепловое,
химическое воздействие, или их комбинации.
С помощью этих полей можно проводить
сушку и модификацию различные
конструкционных материалов (древесины, пластмасс,
металлов и т.п.), заменять "мокрые" методы
нагрева (вода, пар) "сухими" (поле),
изготовлять тонколистовые детали и соединять между
собой разнородные материалы (металлы,
стекло, керамику) и др.
Магнитно-импульсная обработка
позволяет получать такие композиционные
соединения, какие трудно или невозможно
изготовить традиционными способами, так как она
сочетает высокоскоростное силовое
воздействие и электронагрев. Это дает возможность
формовать металлические оболочки сложной
конфигурации, сваривать однородные и
разнородные материалы, прессовать порошковые
композиции, штамповать тонколистовые
материалы, осуществлять сборку узлов из деталей с
разной прочностью и жесткостью.
В микроэлектронике ВЧ- и СВЧ-поля
применяются для плавления
полупроводниковых материалов при выращивании
монокристаллов, испарения металлов и сплавов при
нанесении тонких пленок в вакууме, а также,
для создания и поддержания газоразрядной
плазмы в устройствах эпитаксиального
выращивания сверхчистых слоев, системах ионного
распыления и термо-ионного осаждения
пленок. Для измерения и контроля
электромагнитные поля используются, например, в
радиолокационных датчиках для обнаружения
подвижных объектов, слежения за ними и
управления траекторией их перемещения
(транспортные и накопительные системы
роботизированных технологических комплексов),
а также многих других областях.
Воздействие электромагнитного СВЧ-
поля на биологические системы, в частности,
продукты питания, имеет по сравнению с
традиционными технологиями преимущества:
более высокую скорость и безынерционность
нагрева, возможность резонансного
воздействия, исключение потерь массы и пищевой
ценности продуктов, значительное сокращение
рабочей силы и производственных площадей.
Измерения, контроль и исследования. С
помощью электронных, ионных, оптических,
рентгеновских пучков и газоразрядной плазмы
можно измерять геометрические размеры,
определять физические и химические свойства
обрабатываемых изделий, а также
контролировать параметры технологических процессов.
При создании приборов из элементов с
субмикронными допусками необходимо про-

32
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
верять на соответствие заданным
геометрические размеры и свойства материалов. Даже
самые лучшие оптические микроскопы не
позволяют наблюдать детали объекта
размером, меньшим, чем 0,3 мкм. В электронных
же микроскопах достигается, разрешение 1 нм,
а в некоторых типах - 0,5 нм (при
определенных условиях можно рассматривать даже
отдельные атомы). Максимальное увеличение
оптического микроскопа составляет около
1000х, электронного - 100 000х, а электронного
для наблюдения отдельных атомов - 1 000 000х.
Ионные микроскопы, так же как и
электронные, подразделяются на три типа -
просвечивающие, зеркальные и эмиссионные - и
могут использоваться в двух режимах -
проекционном и растровом сканирующем.
Микроскоп с автоионной эмиссией имеет четкость
разрешения, позволяющую наблюдать на
поверхности металлических кристаллов массивы
атомов с очень малыми радиусами.
Рентгеновские микроскопы относятся к
устройствам обычного проекционного
увеличения. Основное ограничение заключается в
интенсивности рентгеновского излучения, и
поэтому разрешение составляет значение
порядка 0,1 мкм, что намного больше их
теоретического предела, но лучше, чем в
оптических микроскопах.
С помощью сканирующих электронных
микроскопов можно получать информацию:
об изображении поверхности,
топологических контрастов, структуры материала,
магнитных доменов;
об атомном номере материалов
поверхности, их химическом составе,
кристаллической ориентации и структуре кристаллов;
о распределении электрических
потенциалов в поверхностных структурах,
местонахождении и высоте потенциальных барьеров,
изменении проводимости, глубине и толщине
р-я-переходов, размерах запрещенной зоны,
распределении примесей и т.п.
В режиме просвечивания можно
наблюдать движение атомов и изучать ядерные
процессы. Кроме того, оже-электронная
микроскопия позволяет непосредственно во время
осаждения технологических слоев, например с
помощью молекулярно-лучевой эпитаксии,
получать карту элементного анализа
материалов, т.е. контролировать качество проведения
технологического процесса.
Для химического анализа поверхностей и
пленок используется ряд методов, в которых
предпочитают рентгеновские и ионные пучки,
а не электроны. Коллимированный пучок
рентгеновских лучей при одинаковых с
электронами энергиях проникает в вещество
значительно глубже и, следовательно, дает больше
информации о составе материала на больших
глубинах. Рентгеновские лучи выбивают
электроны, которые несут информацию о
состоянии химических связей атомов, а измерение
энергетического спектра эмитгированных с
поверхности электронов позволяет
осуществлять химический анализ приповерхностной
области образца.
В ионно-рассеивающей спектроскопии
твердых поверхностей применяются ионные
пучки низких энергий @,1 - 1 кэВ)
относительно большой интенсивности,
сфокусированные в пятно малого диаметра на
исследуемую поверхность и перемещаемые по ней с
помощью ионно-оптической системы. В
большинстве случаев используются ионы
инертных газов.
Метод упругого обратного рассеяния
легких ионов с большой энергией (например,
гелия при 1-3 МэВ), называемый резерфор-
довской спектроскопией обратного рассеяния,
используется для изучения дефектов
кристаллической решетки после имплантации и
отжига, распределения примесных атомов в
кристалле и исследования поверхностей и тонких
пленок.
В методе вторичной ионной масс-
спектрометрии анализируются массы
распыленных первичным ионным пучком
вторичных ионов. Для этой цели обычно
используются квадрупольные масс-спектрометры с
разрешением порядка 1 а. е. м. Изображения
поверхностных неоднородностей могут
получаться путем проецирования или растрового
сканирования. Первичный ионный пучок
используется также для удаления поверхностных
слоев при исследовании профилей
концентрации по глубине с шагом порядка 5 нм.
Вторично-ионные масс-спектрометры могут
работать как в качестве ионного микрозонда, так и
для формирования реального изображения
поверхности. Они позволяют наблюдать все
химические элементы, включая водород,
исследовать отдельные изотопы элемента, их
номера и время жизни. По чувствительности
этот метод превосходит оже-электронную
спектроскопию и электронный зондовый
микроанализ.
Для исследования работы активных
полупроводниковых приборов применяется
лазерное сканирование, с помощью которого
строятся карты коэффициентов усиления
транзисторов, распределения температур на
поверхности приборов, внутренних логических
состояний интегральных микросхем и т.п. Для
этого используются лазеры с длиной волны
видимого света @,633 мкм) и инфракрасного
излучения A,15 мкм).
Таким образом, в качестве инструмента
для измерений, контроля и исследований
электронные, ионные, оптические и
рентгеновские лучи позволяют определять
геометрические размеры вплоть до размеров отдельных
атомов @,1 - 0,3 нм), выявлять химический
состав вещества с погрешностью до 10 % как

КРИТЕРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОНИКИ 33
10<> 1
10 -
1
0,3
0,01 -
0,001
1950
Рентгеновские и
электронные пучки
I960
1970
19&0
19^.0
206
год
Рис. 1.2.3. Тенденции уменьшения минимальных размеров /щ^, получаемых при обработке изделий
атомными частицами и излучениями
на поверхности образца, так и по всей его
толщине и проверять качество
функционирования готовых приборов.
Минимальные размеры /щ^ элементов,
обрабатываемых с помощью атомных частиц и
излучений (рис. 1.2.3), могут уменьшаться до
тех пор, пока не начнут проявляться
ограничения, связанные с физическими принципами
работы электронных приборов или
принципиальной возможностью получения требуемых
размеров и допусков. Для микроэлектроники,
например, ограничения планарной технологии
связаны с возможностью нанесения слоев с
заданной толщиной и свойствами, а также,
формирования в этих слоях рисунка с
заданными допусками.
Получению элементов изделий
электронной техники с размерами 10 - 25 нм
препятствуют явления, связанные с
фундаментальными свойствами материалов и
включающие эффекты электромиграции и пробоя
диэлектриков, изменения удельного
сопротивления, рассеяния мощности, тепловых,
механических и других характеристик. Для
предотвращения их последствий, свойственных
микромиру, осуществляют поиск новых
физических эффектов как для создания
микроструктур новых типов, так и для разработки новых
технологических методов.
1.2.2. КРИТЕРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Производство ИЭТ характеризуется
большим разнообразием технологических
процессов и применением нескольких сотен типов
реализующего эти процессы оборудования,
которые объединяются под общим понятием
"электронное машиностроение".
В электронном машиностроении
используются химические, электрофизические,
термические процессы, обработка резанием и
давлением, прокатка, литье, сварка, пайка,
нанесение покрытий, прецизионная сборка и
др. Впервые начали применяться в
электронном машиностроении и затем распространи*-
лись далеко за его пределы вакуумные
технологические процессы - электронные, ионные,
плазменные, рентгеновские, - а также
фотолитография, получение металлостеклянных
изделий, намотка сеток и спиралей, сборка
печатных плат и др.
Оборудование для производства ИЭТ
включает в себя следующие виды:
заготовительное, для проведения основных
технологических операций, контрольно-измерительное,
сборочное, для испытания и тренировки,
маркировки и упаковки.
Однако все многообразие
технологического оборудования для производства изделий
электронной техники объединяет то, что зако-
2 Зак. 769

34
Глава 1,2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
ны создания машин разного технологического
назначения едины..
Это подтверждается тем, что главным
назначением любой технологической машины
является обеспечение максимальных
показателей качества и количества выпускаемой в
единицу времени продукции в течение
максимально длительного срока эксплуатации при
минимальных затратах. С другой стороны,
любые технологические машины состоят из
определенной номенклатуры деталей и узлов.
Технологические машины могут входить в
состав системы машин (поточной или
автоматической линии, кластерного оборудования и
др.), которая разбивается на участки,
соединенные транспортными устройствами и
межоперационными накопителями (рис. 1.2.4).
Современное технологическое оборудование
может иметь многоуровневые САУ.
Кроме того, технологическая машина,
как правило, состоит из четырех основных
элементов: двигательного, передаточного,
исполнительного механизмов и системы
управления (рис. 1.2.5). Первые два элемента
составляют привод машины, а исполнительные
механизмы делятся на механизмы и устройства
рабочих (т.е. обеспечивающих технологическое
воздействие на обрабатываемое изделие с
целью изменения его размеров, формы,
состояния поверхности или объема и т.п.) и
холостых (вспомогательных) ходов. Вакуумное
технологическое оборудование включает в себя
еще один элемент - вакуумную систему.
Главное отличие технологических машин
друг от друга заключается в особенностях
механизмов и устройств рабочих ходов
(шпиндели, карусели, барабаны, координатные
столы, электронные пушки, ионные и
плазменные источники, горелки и т.д.).
Механизмы и устройства вспомогательных ходов,
системы автоматического управления и
вакуумные системы идентичны.
Критерии проектирования
технологической машины следующие:
качество, причем как качество
обрабатываемых изделий (равномерность толщины
осаждаемой пленки; точность размеров
микроструктур, сборки электронной оптики,
приварки выводов и т.п.; однородность структуры
эпитаксиальных слоев; количество
неповрежденных привнесенной дефектностью
кристаллов и др.), так и качество функционирования
самой машины (давление и состав остаточных
газов в вакуумной камере, точность
позиционирования координатного стола, плавность
перемещения плавильного узла, температура
печи термовакуумной обработки и т.д.);
ъ
м
Is
Машина
Сие
Машина
тема
Машина
машин
Детали Узлы
Рис 1.2.4. Состав машины любого технологического назначения
ВАКУУМНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
1

Двигатели
\
Передаточные
механизмы
1
Исполнительные
механизмы
1
Система
управления
рабочих
ходов
холостых
ходов
вакуумные
системы
Рис 1.2.5. Структурная схема вакуумной технологической установки

КРИТЕРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЙ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОНИКИ 35
быстродействие, зависящее от степени
непрерывности технологического процесса,
рациональности выбора законов перемещения
исполнительных механизмов и
кинематических цепей, дифференциации и концентрации
операций и др.;
прочность: статическая, динамическая,
ударная, усталостная и т.д.;
долговечность, характеризуемая гамма-
процентным и полным ресурсом работы
машины, а также сроком службы.
Технологическое оборудование
оценивается следующими технико-экономическими
показателями:
производительностью как
характеристикой быстродействия технологической машины;
выходом годных изделий;
надежностью функционирования;
мобильностью, т.е. способностью к
быстрой переналадке на изготовление другого
изделия;
эстетическим совершенством,
включающим рациональность внешних форм, эргоно-
мичность, цвет, функциональную окраску,
товарный вид и т.п.;
экономической эффективностью,
зависящей от прибыли, получаемой от реализации
выпускаемой продукции, стоимости машины
(капитальных затрат), технологичности
конструкции и степени ее унификации и
стандартизации, себестоимости продукции,
энергоемкости (КПД) и т.п.
Одной из главных особенностей
оборудования для производства ИЭТ является
несиловой характер воздействия на
обрабатываемые изделия и сверхжесткие требования к
допустимым отклонениям от заданных
режимов обработки, а также к стабильности и
воспроизводимости параметров технологических
процессов.
По требованиям к чистоте исходных
материалов, прецизионности механизмов и
устройств, точности изготовления оборудования
электронное машиностроение превосходит
общее машиностроение на 2 - 3 порядка, а в
ряде случаев превышает точность
оборудования часовой промышленности. Массовый
характер производства большинства типов ИЭТ
предъявляет высокие требования по
производительности, а, следовательно, и к уровню
автоматизации оборудования. Широкое
применение химически активных реагентов,
таких, как плавиковая, азотная, серная и
соляная кислота, четырехфтористый углерод,
выдвигает жесткие экологические требования.
В табл. 1.2.3 приведены примеры
критериев проектирования и предельные значения
параметров оборудования в электронном
машиностроении. Несиловой характер работы и
жесткие допуски на отклонения параметров
приводят к тому, что причиной
неработоспособности оборудования чаще бывают не
поломки (отказы функционирования), а выход
каких-либо параметров за пределы допуска -
параметрические отказы. Таким образом, на
фактическую производительность
оборудования в электронном машиностроении основное
влияние оказывают не быстродействие и
надежность функционирования, а процент
выхода годных изделий как вероятность
нахождения параметров технологического процесса в
заданных пределах.
1,2.3. Критерии проектирования оборудования в электронном машиностроении
Критерий проектирования и его характеристика
Вакуум:
минимальное давление
поток газовыделения
Вибрация:
амплитуда колебаний
частота собственных колебаний
резонансная частота
Перемещение:
неравномерность
минимальная скорость
погрешность позиционирования
частота вращения
траектория
Привносимая дефектность:
размер микрочастиц
доза микродефектности
поток микрочастиц
Предельное значение
Ю-10 Па
10"9 м3-Па/с
0,01 мкм
0,5 Гц
40 Гц
1%
2 мкм/с
0,1 мкм
2-104мин
Сложная
0,1 мкм
0,01 см-2
Ю-4 см-с
Тип установки11'
МЛЭ, ЭОС
МЛЭ, ЭОС
УСЭ, ЭОС
УСЭ, ЭОС
УСЭ, ЭОС
УВМ
УВМ
УСЭ
УМО
УВН
чпп
УСЭ, УВН
УСЭ, УВН

36
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Продолжение табл. 1.2.3
Критерий проектирования и его характеристика
Температура:
рабочая
прогрева оборудования
скорость нагрева
погрешность
"Чистота материала" - концентрация примесей
Производительность:
объем выпуска
быстродействие
средняя наработка на отказ
процент выхода годных
Предельное значение
2000 К
643 К
200 К/мин
0,05 К
2-Ю-11 %
2-Ю7 шт. /год
18 000 шт. / ч
2000 ч
95%
Тип установки*
УВМ
сво
лво
УВМ
УВМ
РЭК
АВФ
УВМ
УВН
* АВФ - автомат вырезки и формовки деталей ИЭТ; ЛВО - линия вакуумной обработки
ЭВП; МЛЭ - молекулярно-лучевая эпитаксия; РЭК - радиоэлектронные компоненты; СВО -
сверхвысоковакуумное оборудование; УВМ - установка выращивания монокристаллов; УВН -
установка вакуумного напыления; УМО - установка механической обработки ИЭТ; УСЭ -
установка совмещения и экспонирования; ЧПП - чистое производственное помещение; ЭОС -
электронная оже-спектроскопия.
[03
Рис. 1.2.6. Зависимость потока газовыделений Q в вакуумной камере от наработки ?.
Л 0 - функция разброса значений б в момент времени t&flJT) - функция разброса значений наработки на
отказ Тс заданной вероятностью безотказной работы - гамма-процентного ресурса;
Т - средняя наработка на отказ
Так, при проектировании вакуумного
технологического оборудования по критерию
"вакуум" выбирают и рассчитывают параметры
вакуумной системы - давление р,
эффективную быстроту откачки iSq, допустимый поток
газовыделения [Q] < pS$ и др. При
увеличении наработки t реальный поток
газовыделений 0, как правило, увеличивается (рис. 1.2.6)
из-за старения или разрушения материала
уплотнений, изнашивания трущихся
поверхностей и т.п. Частный коэффициент выхода
годных ИЭТ по критерию "вакуум" Y? можно
представить как вероятность Р безотказной
работы оборудования за время // (при
нормальном законе распределения случайной
величины Q)
i = P{Q Z [0]) = 0,5
Qti
где Ф - нормированная функция Лапласа; бй-
и gq -соответственно математическое
ожидание и среднее квадратическое отклонение
случайной величины Q в момент времени //.
Изменение во времени параметра Q
определяет и гамма-процентный ресурс Ту
работы вакуумной установки (см. рис. 1.2.6)
где Т - средняя наработка на отказ; b -
квантиль заданной вероятности безотказной работы
установки по критерию "вакуум"; ст/ - среднее

КРИТЕРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОНИКЛ 37
Рис 1.2.7. Зависимость погрешности по
ир
=ЛХ) " функция разброса значений х в момент времени Ц
> стола х от наработки
квадратическое отклонение случайной
величины t
При проектировании по критерию
"точность" необходимо учитывать, во-первых,
разброс значений величины х (погрешность
перемещения или позиционирования) и, во-
вторых, - изменение этой величины во
времени (рис. 1.2.7). Вероятность нахождения
параметра х в допустимых пределах [+Дх] - [-Ах]
при нормальном законе распределения можно
представить следующей зависимостью:
ще Gx - - среднее квадратическое отклонение
случайной величины х в момент времени //.
Допустимые значения погрешности
перемещения или погрешности
позиционирования могут назначаться исходя, например, из
допустимых колебаний температуры расплава
при неплавном перемещении плавильного
узла в установке зонной плавки
полупроводниковых материалов или из допустимого
искажения размера и формы электронного луча
при неточном позиционировании
координатного стола в оборудовании
электроннолучевой литографии.
Движущими факторами повышения
эффективности производства ИЭТ являются
постоянно растущие требования к следующим
основным параметрам:
качеству выпускаемой продукции
(выходу годных изделий, улучшению
сортности, получению новых видов продукции более
высокого уровня и т.п.);
производительности машин (количеству
годной продукции, выпускаемой
технологическим оборудованием в единицу времени);
трудоемкости обслуживания и количеству
персонала (операторов, наладчиков,
ремонтников и т.п.).
В различные периоды развития
электронного машиностроения значимость и
весомость этих факторов неоднозначна. Так,
требования к качеству имеют первостепенное
значение, как правило, при переходе к
изготовлению новых поколений изделий (от
черно-белых к цветным кинескопам, от
транзисторов к интегральным схемам и далее к
большим (БИС) и сверхбольшим (СБИС)
интегральным микросхемам; требования к
"безлюдности" производства - в ключевые
периоды развития автоматизации, например, при
крупномасштабном внедрении гибких
производственных систем (ГПС) и т.д.
Наиболее стабильным и постоянно
действующим движущим фактором прогресса
производства являются непрерывно растущие
требования к производительности машин с
учетом их номенклатуры и сменяемости во
времени.
Подавляющее большинство
технологического оборудования в электронном
машиностроении имеет дискретный характер работы с
чередованием во времени рабочих и
вспомогательных операций, при этом продукция
выдается поштучно или партиями. У машины при
функционировании происходит регулярное
чередование рабочих ходов длительностью tp
(обработка, контроль, сборка) и
вспомогательных (холостых) ходов /х (загрузка и
закрепление изделий, откачка технологических камер,
транспортировка между позициями обработки
и выдача готовых изделий и т.п.), суммарная
длительность которых составляет интервал
времени, называемый рабочим циклом Т.
При бесперебойной работе
производительность машины G определяется тремя
факторами - длительностью рабочего цикла Т>
числом единиц продукции />, выданных за
цикл, и коэффициентом выхода годной
продукции YT
G=—Y P Y
Т г fp+/x г*

38
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
В реальных условиях производства
периоды бесперебойной работы неизбежно
чередуются с простоями по техническим и
организационным причинам (для переналадок и
т.п.), влияние которых на производительность
выражается через так называемый
коэффициент использования К,г,
G =
Р
'р+'х
A.2.1)
где G - фактическая производительность, т.е.
количество годной продукции, выданной
машиной за некоторый период времени,
например, за минуту, час, сутки и т.д., (гц -
цикловая производительность машины,
характеризующая ее быстродействие; Уис - коэффициент
использования, численно равный доле
времени, в течение которого машина в пределах
планового фонда действительно работает, а не
простаивает.
Рост производительности оборудования
как действующего в процессе эксплуатации,
так и нового (по сравнению с действующим),
достигается следующими методами:
интенсификацией технологического
процесса, сокращением длительности рабочих
ходов;
сокращением длительности
несовмещенных холостых ходов, вплоть до создания
машин непрерывного действия (волочильных
станов, диффузионных печей и др.);
уменьшением простоев оборудрвания
путем повышения надежности его
функционирования и улучшения организации
обслуживания;
повышением качества выпускаемой
продукции, прежде всего, сокращением брака.
Длительность рабочих ходов машин
определяется технологическим процессом:
способом технологического воздействия (видом
технологии), режимами обработки,
совмещением операций во времени и т.д. Сокращение
длительности технологических воздействий в
процессе производства ИЭТ является
важнейшим фактором повышения
производительности оборудования и эффективности
производства в целом.
Совершенство любого технологического
процесса, его прогрессивность могут быть
оценены показателем технологической
производительности if как величины, обратной
времени рабочих ходов 7р. Тогда формула для
подсчета производительности A.2.1)
приобретает вид
ГГИС. A.2.2)
Длительность холостых ходов
определяется, в первую очередь, выбранным
принципом действия машины, ее структурно-
компоновочным решением и степенью
автоматизации. Эти факторы более консервативны,
чем технологические. Например, время
перевода карусели в машинах заварки, откачки
мало зависит от длительности стоянки
карусели, когда выполняются рабочие операции.
На рис. 1.2.8 приведены рассчитанные по
A.2.2) графики зависимости
производительности машин G от технологической
производительности К при различных значениях
времени холостых ходов tx. С их помощью можно
иллюстрировать диалектику развития рабочих
машин: для каждого конкретного типа
машины в соответствии со структурно-
компоновочным решением время холостых
ходов относительно стабильно (/х = const).
Поэтому при совершенствовании технологии в
рамках этой машины (tp уменьшается, К
растет) рост производительности имеет
асимптотический характер.
Как только дальнейшее
совершенствование технологии посредством роста
производительности данного типа машины становится
нерациональным (G\ -> Gimax)> данную
машину заменяют новой - с другим структурно-
компоновочным решением, более высоким
G2max
Рис 1.2.8. Зависимость производительности машины G от
интенсивности технологического процесса К

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЯИЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
39
уровнем автоматизации, меньшим значением
времени холостых ходов (/^ < tx\). Это дает
новый толчок развитию технологии до тех
пор, пока и новая машина не достигнет
предела своей производительности, что вызывает
дальнейшие поиски и появление новых, как
правило, нетрадиционных структурно-
компоновочных и конструктивных решений
(*хЗ ^ *х2 ^ *xl)- Процесс этот можно
иллюстрировать примерами различных генераций
машин одинакового функционального
назначения: вакуумные посты - линии
термовакуумной обработки, установки контактной
фотолитографии - проекционные литографические
установки, "колпаковые" УВН -
многокамерные установки шлюзового типа и др.
Следовательно, диалектика развития
технологических машин заключается в том, что
периоды непрерывного развития технологии
чередуются с периодическими кардинальными
преобразованиями конструкций и компоновок
машин при общей закономерности развития,
когда
lim G = lim
К->00
Ktxr
Таким образом, каждая конкретная
машина с реальными рабочими и холостыми
ходами имеет свой "потолок"
производительности, который может быть поднят в
следующем поколении машин.
1.2.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Важнейшим показателем уровня
технологии ИЭТ и технического обеспечения
производства является процент выхода годных
(ПВГ). ПВГ и надежность ИЭТ находятся в
непосредственной функциональной связи,
которая определяется проектными нормами,
физической структурой ИЭТ, маршрутом
изготовления, спецгехнологическим
оборудованием, методами технологического и
функционального контроля, нормами контроля и
объемами выборок, метрологическим
обеспечением. Эти факторы являются также функцией
времени, определяющей текущее положение
на кривой освоения производства и роста
технического обеспечения. Как правило, при
переходе на новый уровень технологии и
освоении нового класса ИЭТ происходит резкое
снижение ПВГ, которое в дальнейшем
компенсируется совершенствованием технологии
и повышением уровня организационно-
технического обеспечения.
Обычно считается, что ПВГ и
надежность связаны друг с другом. Однако в
некоторых случаях увеличение ПВГ происходит за
счет уменьшения надежности. Это
подтверждается изменением норм отбраковки в
сторону их расширения. Выбор обоснованных
норм, учет взаимосвязи ПВГ и надежности на
всех этапах проектирования и производства
ИЭТ и, в частности, сверхбольших
интегральных схем (СБИС) являются важнейшей
задачей при переходе к субмикронной технологии.
Процент выхода годных (на примере
СБИС). В общем виде значение ПВГ
определяется как произведение вероятности
получения годной СБИС по параметрам и
вероятности бездефектной обработки в полном цикле
изготовления. При этом предполагается, что
существующие функциональные зависимости
параметрического выхода и дефектности
структуры малы и ими можно пренебречь. Это
положение действительно можно принять,
если рассматривать последствия дефектов как
катастрофические. Априори ясно, что часть
дефектов структуры приводит именно к
параметрическим отказам (например, внесенный в
процессе литографии топологический дефект
резистора, приводящий к изменению его
номинала, но не дающий разрыва цепи), однако
это позволяет разделить технологические
факторы и обеспечить адекватность принимаемых
мер и соответствующее исправление значения
ПВГ. Таким образом, на этапе изготовления
кристаллов значение ПВГ можно оценить
выражением
ПВГК = РпРд100 %,
где Рп - вероятность параметрического выхода
кристаллов и пластин; Рд - вероятность
бездефектной обработки пластин и кристаллов.
Сделав еще одно допущение о слабой
связи параметрического брака на отдельных
циклах обработки (хотя в общем виде это не
так), получим
где Рп/ - параметрический выход на отдельных
операциях; М - число технологических
обработок, сопровождающихся параметрическим
контролем.
Ясно, что величины Рп/ зависят не
только от характера распределения значимых
параметров обрабатываемой структуры на данной
технологической операции, точности
настройки процесса стабильности работы
технологического оборудования во времени,
воспроизводимости параметров от партии к партии, но и
от обоснованности норм и достоверности
технологического контроля, его точностных и
метрологических характеристик.
Значение М имеет постоянную
тенденцию к увеличению, что связано как с
усложнением самой физической структуры, так и с
уменьшением допусков на параметры из-за
увеличения функциональных задач кристаллов
и относительного уменьшения допусков на
электрофизические характеристики СБИС.

40
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
В современном технологическом цикле
производства СБИС значение М достигает
90 - 120, что при необходимости обеспечения
значения Рп > 0,8 ... 0,9 приводит к Pui ?
> 0,9992. Ясно, что подобные значения
параметрического выхода требуют совершенно
новых подходов и привычные технологические
методы проб и ошибок в данном случае
неприемлемы.
Субмикронная технология строится по
принципу детерминированной обработки,
которая дает управляемое воздействие на
обрабатываемые структуры in situ и контроль
параметров в реальном масштабе времени.
Для обеспечения соответствующего
уровня надежности СБИС уже на этапе
проектирования должны быть согласованы возможные
вариации технологических обработок,
проектные нормы и нормы контроля. После этого
все усилия технолога должны быть направлены
на повышение ПВГК.
Значение ПВГК меняется от пластины к
пластине и во времени, например в
зависимости от сезонных колебаний, связанных с
вариацией организационно-технологического
обеспечения стабилизации значимых
параметров. В течение определенного периода
времени выход годных возрастает со скоростью,
описываемой кривой освоения данной СБИС
с определенными технологическими
факторами, от которых значение ПВГК также может
изменяться. К таким факторам следует
отнести, в первую очередь, класс чистоты
технологических зон, класс спептехнологического
оборудования, диаметр пластины, чистоту
исходных реактивов, освоенность производства в
целом, уровень профессиональной подготовки
персонала и т.д.
Надежность СБИС. Для установления
взаимосвязи надежности и ПВГК
целесообразно учитывать динамику интенсивности
отказов. Ранние отказы практически определяются
уровнем технологии и согласованием с
проектными нормами, обоснованностью норм
технологического контроля и способом
отбраковки негодных структур (рис 1.2.9). Значение
интенсивности отказов в области 6
определяется надежностью выбранной физической
структуры, запасами по электрическим
параметрам, устойчивостью к воздействию
внешних факторов (сбои по питанию, космические
частицы). Сочетание схемотехнических
решений и оптимизированной физической
структуры с учетом возможных параметров в
процессе изготовления определяет интенсивность
отказов в данной области.
Темп роста интенсивности отказов в
области в определяется
конструктивно-технологической надежностью изготовляемой
структуры СБИС, запасами электрической
прочности диэлектриков, устойчивостью слоев
металлов к явлениям электромиграции,
режимами работы СБИС (температурные,
электрические), степенью чистоты сформированных
слоев, плотностью структурных дефектов и
степенью совершенства структуры материалов,
уровнем поверхностных загрязнений. Наличие
неоднородностей в слоях (структурных,
химических) приводит к локальному изменению
физико-химических свойств, которые
инициируют локализацию температурных и
электрических полей, перенос заряда, явления
локального перераспределения, вызывающие в
конечном счете деградацию структуры.
Технологический цикл производства
СБИС является детерминированным
последовательным процессом, каждая операция
которого характеризуется определенным
распределением формируемых параметров и, как
следствие, - связанного с ними пооперационного
процента выхода годных. Таким образом,
технологический процесс попадает под понятие
системы с последовательным соединением
элементов, и для ее безотказной работы в ней
должен надежно работать каждый элемент.
В соответствии с динамической моделью
надежности при допущении независимости
элементов системы интенсивность отказов
системы равна сумме интенсивностей отказов
отдельных элементов при любом
распределении наработки элементов. Для таких систем
могут быть применены показатели
технического обслуживания: коэффициент
эксплуатационной готовности - вероятность того, что
система работает с определенным уровнем
Раште ' I
отказы {
Ч. {
\ \|_
!
Рис. 1.2.9. Диагр
Случайные
отказы
Г
А
амма интенсивное
Старение
(деградация)
^^
ги отказов ИЭТ:
а - дефекты оксида - локальные, структурные, топологические, дефекты сборки, загрязнения;
б - шумы (внешние факторы), недостаточная надежность структуры, вариация параметров, случайные сбои
из-за воздействия космического фона; в - электромиграция, горячие носители, структура и состав оксида,
параметры физической структуры, напряжение питания и режимы работы, загрязнения; А -> В - переход на
новую структуру СБИС или значимые изменения технологии (переход на другой маршрут, изменения
диаметра пластины, смена состава оборудования или исходных материалов)

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
41
качества; процент выхода годных при
определенных эксплуатационных условиях;
коэффициент готовности - вероятность того, что
система работает удовлетворительно в любой
момент времени ее использования (соотношение
времени работы и простоя из-за
неисправности системы). Таким образом, определяющей
мерой надежности изготавливаемых СБИС
может являться такая характеристика, как
надежность технологии и уровень ее
организационного и технического обеспечения. ;
Системный подход. Обеспечение
технологической надежности СБИС представляет
собой сложную многопараметрическую задачу
со статистическим заданием исходных данных,
порой неоднозначным соответствием
функциональных зависимостей, специфической
чувствительностью различных классов СБИС к
параметрам физической структуры,
многовариантностью схемотехнических и
топологических решений. Для решения такого рода задач
со статистическим представлением исходных
данных целесообразно использовать опыт,
накопленный при разработке статистических
методов повышения качества.
Систематизацию отдельных
составляющих задач, определение их значимости и
взаимосвязи можно осуществлять с помощью
диаграмм причинно-результативных связей
(диаграммы Исикавы).
На рис. 1.2.10 приведен вариант такой
диаграммы для решения задачи обеспечения
ТОПОЛОГИЯ
СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
Библиотека стандартных
элементов, топологические
ограничения
Прецизионность
Контроль допусков
Ошибки
Контроль на
соответствие
электрической схеме
Поражаемость
- Схемотехнический-
базис
-САПР
* Уход размеров >
Термокомпенсация
Технологические ограничения
с Метки совмещения
Маршрут
Размер кристалла
Минимальный размер
Уход размеров
Статические
модели САПР
Электрическая
схема, статическое
моделирование
Анализ
устойчивости к
вариациям параметров
Метод
Резервирование
Минимальный размер
Топология
Прецизионность
Рассеиваемая
мощность
Напряжение питания
Высокая надежность СБИС

Статическое
регулирование
Карты
годности
Сравнительный
анализ ^
Метрология Карты
^ Нормы ПВГ ^
I Классифика- Модели
^ ция брака
^Модели Техноло-
гические
нормы
<- ПВГ
Тип корпуса
Сборка
Размер
кристаллов

Косвенная
отбраковка
КОНТРОЛЬ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
Рис. 1.2.10. Ди
Нормы
g
Исследование
фундаментальных
физических
явлений
g Связь с
показателями
надежности
^ Степень
выбраковки
^
Термотренировка
^ Физико-
химический
анализ
- Наработка
на отказ
Персонал
ПВГ,

Дефектность
Метки

совмещения
Маршрут
Оценка

устойчивости

Регламент

служивания

Оборудование,

аттестация
ИСПЫТАНИЯ НА
НАДЕЖНОСТЬ
Модели
^
Технологическая
САР
^
Технологические
операции,
селективность,
анизотропия,
дефектность,

воспроизводимость
,
Статическое
управление
^ Тестовые
ячейки
^
Техническое
обеспечение,
материалы,
реактивы
ТЕХНОЛОГИЯ
причинно-результативных связей обеспечения
высокой технологической надежности СБИС

42
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
технологической надежности. Диаграмма не
является полной, однако дает представление о
круге взаимосвязанных задач, которые
необходимо решать на этапах проектирования и
производства для обеспечения необходимого
уровня надежности СБИС. Выделение
первоочередных задач и определение их весового
вклада осуществляется с помощью диаграмм
Паретто. На рис. 1.2.11 приведена диаграмма
Паретто, иллюстрирующая причины снижения
показателей надежности СБИС (этап
изготовления кристалла) при переходе к
субмикронным структурам.
ХОО .,
80 .
60 *
40 -
20 -
0
%
i
1
•т
А
/
/
2
3
18
4
12
10
Рис. 1.2.11. Диаграмма Паретто, иллюстрирующая
причины снижения надежности субмикронных
СБИС на этапе изготовления кристалла:
1 - локальная дефектность (структурная дефектность
слоев, внесенная в процессе обработки);
2 - химические загрязнения структур в процессе их
формирования; 3 - электромиграция в проводящих
слоях и контактах; 4 - пробой диэлектрика;
5 - прочие причины (параметрические отклонения в
размерах элементов и совмещении топологических
слоев); /- интегральная кривая
Применение диаграмм Паретто и Исика-
вы позволяет выявить слабые звенья в
технологической системе или структуре СБИС (на
уровнях топологическом, структурном,
физическом, схемотехническом) и последовательно
совершенствовать их. Такой подход полностью
правомерен, потому что, как было указано
выше, имеет место последовательная система
элементов технологической структуры.
1.2.4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Выходным продуктом электронных
технологий являются ИЭТ, представляющие
собою либо радиоэлектронные, либо
электронно-вычислительные средства, проектирование
и изготовление которых осуществляют как на
базе дискретных электрорадиоэлементов
(транзисторы, диоды, резисторы,
конденсаторы, катушки индуктивности и др.), так и на
базе интегральных микросхем (ИС).
Наиболее перспективным в
конструктивном и технологическом отношении являются
ИЭТ, выполненные на базе ИС и
микросборок, соответствующим образом закрепленные
и скоммутированные на печатных платах. Все
больший объем в проектировании и
производстве современных ИЭТ занимают средства
передачи, приема, хранения, преобразования и
отображения информации в виде СБИС.
Качество и надежность ИЭТ
определяются точностью и стабильностью
технологического процесса, которые невозможно достичь
без эффективного контроля как в процессе
проектирования и изготовления ИЭТ, так и
при последующей их эксплуатации. Контроль
технологического процесса и параметров ИЭТ
является в этом случае средством,
обеспечивающим повышение качества выпускаемых
изделий.
Под качеством ИЭТ понимают
совокупность свойств, определяющих способность
изделий удовлетворять заданным требованиям
потребителя. Качество ИЭТ обусловливает их
конструктивные, технологические,
экономические, эргономические и другие параметры.
Качество как свойство закладывается в
процессе разработки и изготовления ИЭТ, а
объективно оценивается в процессе эксплуатации.
Однако получаемая при этом информация
является, во-первых, недостаточной,
поскольку не все параметры ИЭТ, необходимые для
оценки качества, измеряются в условиях
эксплуатации, а во-вторых, - запоздалой, так как
на изготовление ИЭТ уже затрачены большие
средства. Эта проблема усугубляется по мере
дальнейшей микроминиатюризации ИЭТ,
когда целые блоки выполняются в виде
интегральных схем, которые относятся к
неремонтопригодным изделиям.
Одним из методов оценки качества
являются теоретические расчеты. Однако
расчетные оценки нуждаются в экспериментальном
подтверждении, поскольку исходные данные и
модели являются приближенными. С
развитием микроминиатюризации и усложнением
ИЭТ создание их адекватных моделей
становится проблематичным. В этой связи
существенный объем информации о качестве ИЭТ
получают путем контроля их параметров и
проведения испытаний на всех этапах,
начиная с разработки нормативно-технической
документации (НТД) и кончая анализом
рекламаций и заключений потребителя о качестве
готовых изделий.
На рис. 1.2.12 представлена
последовательность процесса разработки, производства и
эксплуатации ИЭТ, которая в общем виде
показывает место и значимость контрольных и
испытательных операций в производстве
изделий. Как видно из рисунка, контроль качества

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
43
Управляющее
воздействие
Разработка конструкции и
проектирование технологического
процесса изготовления ИЭТ
I Анализ И-
Контроль
J.
Управляющее воздействие
Технологический процесс
изготовления ИЭТ
I Анализ Н-
Контроль
Испытание ИЭТ
Управляющее воздействие
I Анализ j-
Контроль Г"
^| Эксплуатация ИЭТ I
> I Управляющее воздействие
-j Анализ ¦
Контроль Г"
Сбор статистических
данных о качестве ИЭТ
Рис. 1.2.12. Последовательность разработки, производства и эксплуатации ИЭТ
ИЭТ может осуществляться на этапах:
разработки (всестороннее исследование всех свойств
ИЭТ, определяющих качество изделий);
выполнения технологических операций при
изготовлении ИЭТ, включая входной контроль
параметров электрорадиоэлементов;
испытания готовых ИЭТ (аттестация изделий на
соответствие требуемому качеству); эксплуатации
(проверка соответствия качества ИЭТ
требованиям НТД). Вопрос о проведении анализа и
контроля на том или ином этапе жизненного
цикла ИЭТ (проектирование, постановка на
производство, изготовление, эксплуатация,
ремонт, поставка на экспорт, импортные
закупки и др.) решается в каждом конкретном
случае в зависимости от требований,
предъявляемых к ИЭТ, и возможностей
осуществления контроля параметров. Как показывает
практика, наибольшее число отказов ИЭТ
происходит в период освоения изделий в
опытном производстве. В серийном
производстве и в процессе эксплуатации число отказов
резко уменьшается. Поэтому особое значение
приобретает информация, получаемая в
результате контроля и испытаний ИЭТ на
различных этапах разработки и изготовления по
вертикали - от элементов до функционально и
конструктивно более сложных ИЭТ.
При изготовлении ИЭТ различают
контроль готовых изделий или полуфабрикатов и
контроль технологического процесса (ТП) их
изготовления. Контроль изделии или
полуфабрикатов - это совокупность операций,
направленных на выявление дефектных изделий или
полуфабрикатов в процессе их производства.
Под контролем ТП, как правило, понимают
операционный контроль изделия или процесса
во время выполнения или после завершения
технологической операции.

44
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Учитывая необратимость
технологических процессов производства современных
микроэлектронных средств, качество
изготовления таких ИЭТ в большой степени будет
зависеть от точности, стабильности и
воспроизводимости режимов технологического прог-
цесса, а также надежности технологической
системы, предназначенной для выполнения
данного TIL
Надежность технологической системы -
это свойство совокупности функционально
взаимосвязанных средств технологического
оснащения, предметов производства и
исполнителей сохранять во времени в
установленных пределах значения параметров
(показателей качества) изготовляемой продукции,
значения параметров производительности,
параметров, характеризующих затраты ресурсов в
соответствии с требованиями нормативно-
технической и конструкторско-технологичес-
кой документации.
Под отказом технологической системы
понимается переход ее из работоспособного
состояния в неработоспособное. В свою
очередь, работоспособным состоянием считается
такое, при котором обеспечивается
изготовление продукции при заданных условиях
производства, показателях качества и ритма
выпуска, установленных в нормативно-технической
документации.
Надежность технологической системы
характеризуется безотказностью,
долговечностью, сохраняемостью и ремонтопригодностью
средств технологического оснащения.
Безотказность - свойство сохранять
работоспособность в течение заданного времени
(некоторое число циклов функционирования)
без вынужденных перерывов.
Долговечность - свойство сохранять
работоспособность до предельного состояния с
необходимыми перерывами для технического
обслуживания и ремонта.
Под предельным состоянием понимается
такое состояние средств технологического
оснащения, по достижении которого дальнейшая
их эксплуатация невозможна или
нецелесообразна из-за снижения эффективности или
неспособности выполнять требования
безопасности, неустранимого выхода параметров за
поле допуска, необходимости проведения
среднего или капитального ремонта
применяемого оборудования, а также морального его
старения.
Ремонтопригодность - свойство средств
технологического оснащения предупреждать,
обнаруживать и устранять отказы путем
проведения ремонтов и технического обслуживания.
В технологической системе могут
возникать такие взаимодействия ее элементов,
которые, не изменяя состояния оборудования,
вызывают функциональный отказ
технологического процесса. Признак такого отказа - выход
параметров процесса за допустимые пределы.
В результате появляется дефект в создаваемом
изделии, но не происходит полной потери
работоспособности оборудования. После
такого отказа технологическая система, как
правило, восстанавливается и продолжает
нормально функционировать. Такие отказы
принято называть параметрическими.
Показатели надежности технологической
системы. Надежность технологической
системы определяется требованиями к надежности
ИЭТ.
Основные показатели надежности
технологической системы следующие:
вероятность выполнения задания (за
определенный интервал времени или цикл
функционирования), определяемая как вероятность
того, что процесс обеспечит выпуск изделий с
заданными значениями показателей качества и
ритма за требуемый интервал времени при
сохранении регламентированных условий
производства;
среднее время выполнения задания, равное
математическому ожиданию времени ТП;
время безотказной работы;
поток отказов во времени, который
определяется как плотность вероятности
возникновения отказа ТП для рассматриваемого
момента времени.
Эти показатели основаны на критериях
отказа и определяются распределением
времени безотказной работы (или наработки на
отказ) процесса и времени восстановления его
работоспособности.
Критериями отказа могут быть
следующие события:
выход показателя качества продукции за
допустимые пределы;
снижение установленного ритма выпуска;
невыполнение запланированного объема
и срока производства изделий;
остановка процесса, обусловленная
отказом технологических средств производства или
воздействием других факторов (отсутствие
заготовок, материалов, прекращение подачи
энергии и т.п.);
уход режимов ТП (операции) за
допустимые границы (параметрический отказ);
нарушение на контрольных операциях
нормативов контроля;
превышение установленных нормативов
по трудоемкости изготовления продукции.
При анализе надежности
технологической системы различают показатели
надежности, характеризуемые отказами по параметрам
качества и ритму выпуска продукции, а также
показатели, учитывающие оба вида отказов.
К показателям надежности относятся
следующие: вероятность P{i) выполнения
задания ТП одновременно по показателям
качества и ритму выпуска; вероятность PK(t) вы-

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
45
полнения задания ТП по показателям
качества; вероятность Рр(/) выполнения задания ТП
по ритму выпуска; среднее время /ср
выполнения задания ТП.
Оценка надежности технологической
системы производится по тем показателям
качества, которые регламентируются
нормативно-технической документацией и
формируются в процессе изготовления. Обычно
таких показателей несколько, а вероятность
PK(f) определяется по всем показателям
качества как вероятность того, что в течение
требуемого интервала времени t ни один из п
регламентированных показателей качества
YJJ) (S = 1, ..., п) не выйдет за установленные
для него нормативно-технической
документацией нижнюю (-s) и верхнюю (+s) границы
поля допуска;
[
При вычислении вероятности PK(t) и
анализе надежности технологического
процесса необходимо рассмотреть вероятность Ps(t)
выполнения задания ТП по каждому из п
показателей качества. В случае использования
количественного признака качества
В случае использования альтернативного
признака качества, когда изделие относят к
годным или дефектным, вероятность Ps(t)
оценивается по частоте появления дефектных
изделий или дефектов за время /:
где MJJ) и Mg^t) - соответственно
фактическая и допустимая частоты появления
дефектов или дефектных изделий.
Если значения всех рассматриваемых
показателей качества независимы и операции
контроля качества не предусмотрены ТП, то
7=1
С учетом операций контроля вероятность
выполнения задания ТП по 5-му показателю
качества может быть уточнена:
где Р^ -риск потребителя, т.е. вероятность
того, что по результатам контроля дефектное по
5-му показателю качества изделие будет
признано годным.
При расчете показателей надежности по
ритму выпуска за объем произведенной
продукции должна приниматься только та
продукция, которая признана годной по
результатам контроля. Поэтому при расчете
вероятности выполнение задания ТП по ритму вьшуска
необходимо учитывать риск изготовителя as на
контрольных операциях, т.е. вероятность того,
что годное по всем показателям изделие будет
признано дефектным хотя бы по одному
показателю.
Вероятности безотказной работы по
качеству и ритму выпуска - зависимые
случайные величины, так как на надежность системы
по этим двум показателям оказывают влияние
(хотя и в различной степени) одни и те же
факторы: качество исходных материалов;
качество (надежность) средств технологического
оснащения; качество и прогрессивность
применяемого ТП; достоверность результатов
контроля данными средствами и методами;
качество и производительность труда
исполнителей. Поэтому вероятность выполнения задания
ТП одновременно по показателям качества и
ритма выпуска не может быть получена
простым умножением, т.е. P(t) ф РцA) * Р$(?)
(необходимо учитывать функциональную связь
между факторами).
Так как при расчете надежности
технологической системы операции контроля
должны рассматриваться как составная его часть, то
выполнение задания по качеству означает, что,
во-первых, изготовляется годная продукция и,
во-вторых, дефектная правильно
классифицируется как негодная и в выпускаемую
продукцию в течение заданного времени не попадает
(точнее доля дефектности выпускаемой
продукции не превышает заданной). Однако при
расчете надежности системы по ритму вьшуска
учитывается только выпускаемая щ)одукция,
которая признается годной, а она может быть
как годной, так и дефектной (в случае ошибок
контроля). Следовательно, можно выполнить
задание по ритму вьшуска при наличии
отказов по качеству за счет вьшуска дефектной
продукции и ошибок контроля.
В технологических процессах
изготовления современных ИЭТ широко применяются
групповые способы обработки. Это создает
некоторую специфику в оценке надежности и
критериев отказов технологической системы.
Так, при групповой обработке отказом
считают событие Q — q > #о, заключающееся в
том, что на данной операции доля
бракованных изделий q в партии оказалась больше
допустимой доли брака #о> а отказ
технологической системы наступает при невозможности
изготовить расчетную партию изделий.
Для оценки надежности технологической
системы в случае группового способа
обработки используются однотипные показатели:

46
Глава 1.2. ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
- вероятность безотказного исполнения
рабочего цикла ТП (операции); Kq -
коэффициент безотказности технологической системы,
его можно использовать для определения
первого показателя.
По статистическим данным за некоторый
период времени определяют коэффициент
где к - число партий, обрабатываемых на
данной операции; d - число отказов в операции.
При к -юо Kq -> К$.
Тогда
P0(f) = е-Ч
где / - число рабочих циклов; обычно t = 1;
©О = 1 / %б - среднее число отказов в
операции за один рабочий цикл.
Показатели надежности технологической
системы Рт определяются через показатели
надежности ее составляющих Pq/- Для
процесса, состоящего из g последовательных
независимых операций,
Рассмотренные показатели отражают
только одно свойство надежности
технологической системы - безотказность, однако с их
помощью можно оценить и
ремонтопригодность, и долговечность.
1.2.5. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Технологический процесс производства
ИЭТ следует рассматривать как определенную
систему факторов, влияющих на параметры
качества изготовляемого изделия. В любом
производстве возникают погрешности
(связанные, например, с погрешностями
применяемого технологического и контрольно-
измерительного оборудования), из-за которых
параметры качества изделий отличаются от
требуемых. Такие погрешности принято
называть производственными.
Они многочисленны и разнообразны по
своей природе и значимости. Различают два
вида производственных погрешностей -
случайные и систематические.
Бели систематические составляющие
погрешности регулярно выявляются, затем
устраняются и остаются только случайные
составляющие погрешности, то процесс
производства считается контролируемым.
В общем случае статистический контроль -
это процесс установления соответствия между
состоянием объекта и заданными на него
нормами.
Контролем охватываются все этапы
производства ИЭТ. В зависимости от стадии
"жизни" изделия (производство, хранение,
эксплуатация) различают производственный
контроль и эксплуатационный.
Производственный контроль, т.е.
статистический контроль, осуществляемый на
стадии производства, охватывает, как правило,
все вспомогательные, подготовительные и
технологические операции. В зависимости от
места в цепи технологического процесса
производственный контроль подразделяют на
входной, операционный и приемочный.
Входной контроль - это контроль
продукции поставщика, поступившей потребителю
или заказчику и предназначенной для
использования при изготовлении, ремонте или
эксплуатации ИЭТ. Поступающие на
производство материалы, полуфабрикаты,
комплектующие изделия подвергаются входному контролю
на их соответствие требованиям технической
документации (ТУ, чертеж на изделие).
Операционный контроль включает в себя
как контроль параметров качества продукции
после завершения какой-либо операции, так и
контроль параметров оборудования и
технологических сред, влияющих на качество
изготовляемого изделия.
Приемочный контроль предусматривает
контроль готовой продукции по окончании
всех технологических операций.
Эксплуатационный контроль, т.е.
статистический контроль, осуществляемый на
стадии эксплуатации продукции, охватывает
эксплуатируемые ИЭТ.
Статистический контроль в основном
базируется на контроле фактических значений
параметров качества и сравнении их значений
с запланированными в соответствии с
разработанной НТД. Поэтому такой контроль
качества часто называют параметрическим контролем.
Кроме того, при приемочном и
операционном контроле качества ИЭТ на конечных
операциях их изготовления, а также при
эксплуатационном контроле ИЭТ, как правило,
производится их контроль на качество
функционирования в соответствии с их
дальнейшим назначением. Этот вид контроля ИЭТ
называют функциональным контролем.
Перечисленные виды контроля могут
быть сплошными A00 %-ными) или
выборочными.
Сплошной контроль предусматривает
проверку каждой единицы продукции.
При выборочном контроле подвергаются
проверке выборки, производимые из больших
партий изделий.
К сфере деятельности технолога в
большей степени относится статистический
контроль технологического процесса,
осуществляемый в основном методами математической
статистики, основная цель применения кото-

КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
47
рых - своевременное определение
систематических ошибок технологического процесса
(ТП) и сведение их к минимуму.
Математический аппарат операционного
контроля ТП основан на предположении, что
контролируемые параметры распределены по
нормальному (гауссовскому) закону.
Операционный контроль позволяет
определять степень стабильности ТП, а
инструментом такого контроля являются
контрольные карты, состоящие из средней линии
(номинальное значение) и верхнего и нижнего
контрольных пределов. Как правило,
применяют два вида контрольных карт: для контроля
отклонения среднего значения параметра
качества от его номинала и для контроля разброса
значений параметра качества.
Операционный контроль процесса
производства основан, как правило, на
выборочном методе, применение которого дает
возможность судить о характеристиках
генеральной совокупности по отобранной
(выборочной) совокупности.
При использовании выборочного метода
наиболее существенно то, что каждый образец
партии, из которой берётся выборка, имеет
равную вероятность попасть в выборку.
Выборка, отвечающая этому условию, считается
репрезентативной, т.е. обладающей
статистическими свойствами, характерными для всей
рассматриваемой совокупности.
Ошибка репрезентативной выборки
представляет собой разность между
характеристиками выборочной и генеральной
совокупностей.
При таком объективном подходе к
отбору единиц ни одна из них не обладает
преимуществом попасть в отбираемую
совокупность, а характеристики выборочной
совокупности при увеличении объема выборки
приближаются к характеристикам генеральной
совокупности.
По результатам статистического контроля
принимается решение о соответствии
контролируемого параметра качества требованиям
НТД.
Степень пригодности изделий к
дальнейшему использованию можно определять,
производя контроль по количественному при-
знаку, т.е. регистрируя точные значения
измеряемых параметров, определяющих качество.
Если по результатам измерений можно
определить лишь категории, к которым
принадлежит контролируемое изделие, то такой
контроль называют контролем по качественному
признаку. В том случае, когда производят
разбиение продукции по результатам контроля на
годную и негодную, контроль называют
контролем по альтернативному признаку.
Контроль по альтернативному признаку является
частным случаем контроля по качественному
признаку. Если выборки для контроля
изымаются из потока изделий в случайное время, то
такой контроль называют летучим.
Эффективность летучего контроля обусловливается его
внезапностью, правила обеспечения которой
должны быть специально разработаны.
Летучий контроль, как правило, осуществляют
непосредственно на месте изготовления,
ремонта, хранения ИЭТ.
Одним из путей повышения качества
ИЭТ является их испытание, т.е.
экспериментальное определение показателей качества
ИЭТ при их функционировании в условиях
внешних воздействий, имитирующих условия
эксплуатации ИЭТ.
В производстве ИЭТ реальные условия
их эксплуатации обычно моделируют, проводя
лабораторные испытания в специальных
подразделениях контроля и испытаний. В
зависимости от характера воздействующих в
лабораторных и производственных условиях
факторов различают механические, климатические,
биологические и космические испытания.
Особую группу испытаний составляют
испытания на надежность. В результате проведения
испытаний определяют качество продукции.
Цель испытаний ИЭТ состоит в
выявлении потенциально ненадежных изделий, так
как явно дефектные изделия легко могут быть
отбракованы по результатам разового
измерения контролируемых параметров и сравнения
их с требуемыми значениями.
Под надежностью изделия понимают его
свойство сохранять во времени в
установленных пределах значения всех показателей,
характеризующих способность выполнять
требуемые функции в заданных режимах и
условиях применения, технического обслуживания,
ремонтов, хранения и транспортирования.
Надежность является сложным свойством,
которое в зависимости от назначения изделия
и условий его применения состоит из
сочетаний свойств: безотказности, долговечности,
ремонтопригодности и сохраняемости. Это
определение надежности справедливо как для
восстанавливаемых (ремонтопригодных), так и
для невосстанавливаемых
(неремонтопригодных) изделий. Часть ИЭТ относится к
восстанавливаемым изделиям, так как сборочные
операции по их изготовлению, как правило,
обратимы, т.е. возможны разборка
конструкций изделий и замена отказавших элементов.
В большинстве случаев невозможна даже
частичная утилизация элементов и материалов
забракованных ИЭТ. По мере
микроминиатюризации ИЭТ не только узлы, но и целые
электронные устройства изготовляют в
интегральном исполнении, и изделия все в
большей степени становятся
неремонтопригодными.
Надежность как свойство изделия
закладывается в процессе проектирования и
изготовления, а при испытаниях по показателям
надежности производится ее оценка и
сопоставление с требованиями эксплуатации.

48 Глава 1.3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аброян И. А., Андронов А. Н., Титов
А. И. Физические основы электронной и
ионной технологии: Учеб. пособие. М.: Высш.
школа. 1984. 320 с.
2. Блинов И. Г., Кожитов Л. В.
Оборудование полупроводникового производства. М.:
Машиностроение, 1986. 264 с.
3. Броудай И., Мерей Дж. Физические
основы микротехнологии / Пер. с англ. М.:
Мир, 1985. 494 с.
4. Волчкевич Л. И. Автоматизация
производства электронной техники. М.: Высш.
школа, 1988. 287 с.
5. Вудс М. X. Надежность и выход
годных изделий при производстве СБИС по
МОП-технологии // ТИИЭР, 1986, т. 74,
№ 12. С. 132 - 149.
6. Глудкин О. П. Методы и устройства
испытаний РЭС и ЭВС. М.: Высш. школа,
1991. 336 с.
7. Мартынов В. В. Выбор
литографического метода для производства СБИС //
Электронная промышленность, 1988, № 4. С. 3 - 8.
8. Панфилов Ю. В., Рябов В. Т.,
Цветков Ю. Б. Оборудование производства
интегральных схем и промышленные роботы. -М.:
Радио и связь, 1988. 320 с.
9. Плазменная технология в производстве
СБИС: Под ред. Н. Айнспрука и Д. Брауна.
М.: Мир, 1987. 472 с.
10. Плешивцев Н. В., Семашко Н. Н.
Применение ионных пучков для
технологических целей // В сб.: Итоги и техники. Сер.:
Физические основы лазерной и пучковой
технологии. Т. 5. Ионно-пучковая технология.
М.: ВИНИТИ, 1989. С. 55 - 112.
11. Проников А. С. Надежность машин.
М.: Машиностроение, 1978. 592 с.
12. Ребров С. И. Электроника СВЧ -
наукоемкое и высокотехнологичное
направление электронной техники // Электронная
промышленность. Специальный выпуск.
Российская государственная программа развития
электронной техники. М.: ЦНИИ
Электроника, 1994. С. 33 - 37.
13. Статистические методы повышения
качества: Под ред. X. Кумэ. М.: Финансы и
статистика, 1990. 301 с.
14. Управление качеством электронных
средств: Под ред. О. П. Глудкина. М.: Высш.
школа, 1994. 413 с.
15. Шаумян Г. А. Комплексная
автоматизация производственных процессов. М.:
Машиностроение, 1973. 639 с.
Глава 1.3
БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕЩЫ ПРИ
ПРОИЗВОДСТВЕ ИЗДЕЛИИ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Проблемы производственной и
экологической безопасности в различных областях
человеческой деятельности имеют много
общего. Основная особенность производства
ИЭТ состоит в широком применении чистых
производственных помещений (ЧПП), в
которых реализуются наиболее ответственные
технологические процессы. Создание такого рода
помещений, кроме архитектурно-строительных
и технологических проблем, связано с
комплексом вопросов психофизического и
экологического характера.
Из-за насыщенности помещения
оборудованием, различными средствами,
материалами и химическими соединениями,
многократности воздухообмена и
многоступенчатости фильтрации наружного воздуха,
необычности спецодежды человек, работающий в ЧПП,
находится в весьма сложной зависимости от
характеристик внутрипроизводственной среды,
способных оказывать неблагоприятное
воздействие на его организм.
1.3.1. УСЛОВИЯ ТРУДА И ПРОБЛЕМЫ
ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Под условиями труда понимают
совокупность факторов производственной среды,
оказывающих влияние на здоровье и
работоспособность человека в процессе труда. Часть
этих факторов определяет трудовой процесс,
характеризующийся психофизиологическими
элементами (рабочая поза, физическая и
нервно-психологическая нагрузка), эстетическими
и социальными аспектами. Другая группа
факторов определяет санитарно-гигиеническую
обстановку, в которой совершается трудовой
процесс (микроклимат, механические
движения, производственные излучения, освещение
и др.), как результат воздействия
применяемого оборудования, сырья, материалов и пр.
Опасные и вредные производственные
факторы, воздействующие на человека в
процессе изготовления полупроводниковых
приборов, приведены на схеме (рис. 1.3.1),
разработанной на основе анализа трудового
процесса на участке фотолитографии. Работа в ЧПП
оценивается как "легкая", характеризуемая
энергозатратами до 172 Дж/с, производимая
сидя, стоя или при хождении, но без
систематического напряжения или поднятия и
переноса тяжестей. Однако при этом не
учитывается ряд особенностей взаимоотношений
человека и внутрипроизводственной среды,
связанных со спецификой чистых производств:

УСЛОВИЯ ТРУДА И ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
49
| 1. Движущиеся элементы оборудования
I 2. Параметры микроклимата
| 3. Аэроионная недостаточность
| 4. Производственный шум
I S. Производственные излучения
I 6. Освещение и спецоблучение
I 7. Электроток и статэлектричество
I 8. Химическое загрязнение воздуха
I 9. Биологическое загрязнение воздуха
I 10. Статичность положения тела
I 11, Умственное перенапряжение
I 12. Перенапряжение анализаторов
I 13. Монотонность труда
I 14. Замкнутость пространства
| 15. Повышенная ответственность
I 16. Ограниченность движений и перемещений
I 17. Технологическая одежда
Ф
И
3
И
ч
Е
С
К
И
Е
Ф
А
К
Т
О
р
ы
Химико-
биологические
факторы
П
С
И
X
О
Л
о
г
и
ч
Е
С
К
И
Е
Рис. 1.3.1. Опасные и вредные производственные факторы в ЧПП
высокая мобилизация ключевых
психофизиологических функций (точности, возбудимости,
лабильности), зрительного и нервномышеч-
ного анализаторов, значительная длительность
сосредоточенного внимания (более 70 %
рабочего времени), эмоциональное напряжение,
монотонный труд, неординарная спецодежда,
ультрафиолетовая недостаточность,
присутствие вредных примесей в воздухе и наличие
различных производственных излучений.
Поэтому более приемлемой для
электроники является методика на основе карт труда,
учитывающая не только физические, но и
психофизиологические факторы. При этом

50 Глава 1.3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
существует шесть категорий тяжести работы,
определяемых по значению интегральной
балльной оценки.
В соответствии с этими положениями
работа оператора, например, на участке
фотолитографии относится к 5-й категории
тяжести, характеризующейся высокой
вероятностью возникновения патологических реакций
и состояний под действием производственных
факторов.
Одна из особенностей чистых
производств состоит в противоречии между
санитарно-гигиеническим и технологическим
нормированием показателей микроклимата в
холодный (ХПГ) и теплый (ТПГ) период года
(табл. 1.3.1).
Известно, что тепловое состояние
человека в процессе труда определяется в основном
температурой, относительной влажностью и
скоростью воздуха, теплозащитными
свойствами спецодежды и интенсивностью работы,
которые должны соответствовать санитарным
нормам. В общем случае на основе принципа
взаимозаменяемости путей теплоотдачи
человека изменение одного из перечисленных
параметров может компенсироваться
изменением других. Однако в условиях ЧПП
возможности реализации этого принципа существенно
ограничены технологическими требованиями к
микроклимату, что приводит к неизбежности
теплового дискомфорта.
Тепловой дискомфорт при работе в ЧПП
в значительной степени связан со
специфическими особенностями технологической
одежды, которая должна быть антистатической,
герметичной для продуктов метаболизма
человека, не создавать физиологического и
психологического дискомфорта. На основе
экспериментальных исследований
установлено, что при этом все физиологические
показатели человека ухудшаются с повышением
температуры. Состояние, соответствующее
комфорту, наблюдается только при температуре
воздуха 24 °С и его скорости 0,3 м/с.
Одной из причин воздушного
дискомфорта в полупроводниковом производстве
является ионизация воздуха, вызываемая
процессами его обработки в системе
кондиционирования и фильтрации. Степень ионизованно-
сти определяется концентрацией ионов
каждой полярности (я+), (/г) и показателем
полярности П. Многочисленными
исследованиями установлено, что концентрация легких
аэроионов, наиболее благотворных для
организма человека, уменьшается с возрастанием
кратности очистки воздуха и по истечении
времени после начала работы персонала и
оборудования.
В соответствии с
санитарно-гигиеническими нормами в качестве регламентируемых
показателей ионизации воздуха установлены
минимально необходимый, оптимальный,
максимально допустимый уровни и показатель
полярности (табл. 1.3.2).
Данные табл. 1.3.2. служат основой для
классификации помещений и объектов внутри
них по уровню ионизованности воздуха (табл.
1.3.3, 1.3.4).
В табл. 1.3.5. приведена классификация
методов и средств, повышающих (А),
понижающих (Б) уровень ионизованности воздуха в
помещении, а также нормализующих ионный
состав только вдыхаемого воздуха (В). В
практической деятельности может быть применена
любая комбинация перечисленных методов и
средств.
1.3.1. Технические и санитарно-гагиенические требования к микроклимату ЧПП
Параметр
Температура, °С
Относительная влажность, %
Скорость воздуха, м/с
1.3.2. Нормативные значения
Уровень
Минимально необходимый
Оптимальный
Максимально допустимый
Технологические
требования
22-24
15
0,45
Санитарно-гигиенические требования
ХПГ
20-22
60- 30
Не более 0,2 - 0,5
ТПГ
22-25
60- 30
0,2
показателей ионизации воздушной среды производственных и
общественных помещений
Число ионов в 1 см3 воздуха
п+
400
1500 - 3000
50 000
vr
600
3000 - 5000
50 000
П
-0,2
-0,5 ... 0
-0,05 ... +0,05

УСЛОВИЯ ТРУДА И ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
51
1.3.3. Классификации помещений по уровню ионизованности воздуха
Уровень ионизованности
воздуха
Низкий
Пониженный
Оптимальный
Повышенный
Высокий
Сверхвысокий
Тип
помещения
1
2
3
4
5
6
Концентрация аэроионов С1О3, см~3
й+
0-0,4
0,4 - 1,5
1,5-3
3-50
50 - 100
100
VT
0-0,6
0,6-3
3-5
5-50
50 - 100
100
Примечания
Ниже ПДК
В пределах ПДК
Тоже
и
Выше ПДК
Тоже
1.3.4. Классификация объектов ЧПП с низким уровнем ионизованности воздушной среды
Тип помещения
и объекта
1а
16
1в
Уровень ионизованности
воздуха
Чрезвычайно низкий
Очень низкий
Умеренно низкий
Концентрация аэроионов СЮ, см~3
п+
0-40
40 - 200
200 - 400
п~
0-80
80 - 300
300 - 600
Вид
оборудования
Пылезащитное
Витринные
укрытия
Вытяжные
шкафы
1.3.5. Классификация основных методов и средств нормализации ионного режима
Метод
А1. Подача искусственно ионизированного воздуха
А2. Искусственная ионизация непосредственно в
помещении
A3. Униполярная ионизация воздуха
А4. Подача естественно-ионизированного воздуха
Б1. Вентиляция, аэрация, кондиционирование
Б2. Удаление и локализация вредных или
повышенных выделений ионов
БЗ. Применение экранирующих устройств
Б4. Применение деионизирующих устройств
Б5. Искусственная униполярная ионизация воздуха
Б6. Изменение технологии или замена обрудова-
ния
В1. Применение СИЗ
В2. Удаление рабочего места из опасной зоны
Средства*
АИ, ОВ, К
АИ, ОВ, К
АИ, ОВ, К
ОВ, К, аэрация
ОВ, К, аэрация
ОВ, местные
отсосы
Экраны, завесы
Деионезирую-
щие устройства
АИ, ОВ, К
-
СИЗ
-
Тип помещения
1,2
1,2
Для униполярно
ионизированного
воздуха
1,2
4, 5 (с
неограниченным источником
ионизации), 2, 3 (с
неблагоприятным
химсоставом ионов)
2-4
2, 4 (для
неограниченных источников)
2-4 (для
ограниченных источников)
2-4 (для униполярно
ионизованного
воздуха)
Преимущественно для
5и6
5,6
Преимущественно для
5и6
АИ - аэроионизаторы; ОВ - общеобменная вентиляция; К
СИЗ - система ионизации воздуха.
- кондиционирование;

52 Глава 1.3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Фактором, ухудшающим состояние среды
в помещении, может быть и статическое
электричество, оказывающие отрицательное
влияние на характеристики изделий и способное
при определенных условиях вызывать взрывы
и пожары.
Искровой разряд ощущается человеком
как укол, толчок или судороги, которые, как
правило, не опасны для жизни из-за
кратковременности. Однако при этом возможны
рефлекторные движения, приводящие к
падению с высоты, попаданию в опасную зону
машин и др. Кроме того энергия разряда с
человека может достигать 45 мДж, чего вполне
достаточно для воспламенения практически
всех парогазовоздушных смесей, потенциально
возможных в чистых помещениях. Это
обстоятельство обусловливает необходимость
мероприятий по защите от статического
электричества, которая осуществляется в двух
направлениях: предотвращение образования
взрывоопасных концентраций газов, паров и пылей и
предотвращение накопления зарядов.
Первое направление реализуется
полностью за счет мощного воздухообмена,
кратность которого может достигать нескольких
сотен, второе - за счет применения
антистатической одежды и обуви, подбора материалов с
учетом их электропроводности, заземления
оборудования и персонала.
Технологические процессы
микроэлектроники отличаются исключительным
разнообразием применяемых вредных химических
веществ - спиртов (этиловый, бутиловый,
амиловый и др.), кислот (плавиковая, соляная,
серная и др.), растворителей (ацетон, ксилол,
толуол и др.), щелочей (едкий натр, едкий
кали и др.). Вредными могут быть
компоненты фоторезистов и пыль (стеклянная,
полупроводниковая, керамическая и др.).
Вторым источником вредности являются
системы кондиционирования и фильтрации
воздуха (СКФВ) и интерьер помещений. За
счет пригорания и возгонки пыли на
калориферах и воздуховодах повышается
концентрация оксида и диоксида углерода, а такие
вещества, как аммиак, фенол, формальдегид
являются продуктами вредных выделений
отделочных полимерных материалов, интерьера
производственных помещений.
Помимо этого, в воздухе помещения
могут находиться различные микроорганизмы
(вирусы», бактерии) и грибки, в результате
деятельности которых возникают химические
соединения (например, муравьиная кислота), а
также появляется опасность специфических
заболеваний.
При проектировании помещений для
полупроводникового производства на рабочих
местах должны предусматриваться местные
вытяжные устройства, обеспечивающие
содержание вредных примесей не выше предельно-
допустимых концентраций. Основные типы
вытяжных устройств представлены на рис.
1.3.2.
Широкий спектр удаляемых газов
предъявляет соответствующие требования к
материалам вытяжных устройств (табл. 1.3.6).
Бокс с техническими
перчатками
Вытяжная камера
Технологическая
кабина
Вертикальный
купол
Горизонтальный
купол
Всасывание через
щели
Навесной
забор
Решетчатый Круглый Прямоугольный
забор забор забор
Рис. 1.3.2. Основные типы вытяжных устройств

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
53
1.3.6. Удаляемые газы и материалы для вытяжных вентиляционных систем
Виды газов
Неорганические газовые выбросы
Органические газовые выбросы
Выбросы специальных газов
Нагретые газовые выбросы
Смешанные газовые выбросы
Материалы вентиляционных каналов
Хлорвинил
Коррозионно-стойкая сталь, углеродистая
сталь
Коррозионно-стойкая сталь или хлорвинил
Коррозионно-стойкая сталь, углеродистая
сталь
Коррозионно-стойкая сталь или хлорвинил
В помещениях возможен
производственный шум, инфра- и ультразвук,
электромагнитные поля различных частот. Методы и
средства защиты персонала от их вредных
воздействий аналогичны принятым в других
отраслях промышленности.
1.3.2. ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
В полупроводниковом производстве
используется до нескольких десятков различных
химических реактивов и газов. Среди них есть
вредные (HF, NH4OH, H2O2 и др.), ядовитые
(РНз, ASH3 и др.), взрывоопасные (Sffl4, H2 и
др.) вещества, которые могут входить в состав
жидких и газообразных отходов производства.
Классификация сточных вод
полупроводникового производства представлена в табл.
1.3.7, а схема их комплексной обработки - на
рис. 1.3.3.
1.3.7. Классификация сточных вод в полупроводниковом производстве
Виды стоков
Состав и концентрация
Сточные воды технологического процесса
Промывные сточные воды, содержащие
плавиковую кислоту
HF, NH4OH, CH3COOH (от нескольких
миллиграммов до нескольких сотен
миллиграммов на литр)
Концентрированные стоки, содержащие
плавиковую кислоту
То же (от нескольких процентов до
нескольких десятков процентов)
Кислотные и щелочные промывочные
сточные воды
на, hno3, h2so4, H3PO4, снзсоон,
Н4ОН, Н2О2 (от нескольких миллиграммов
до нескольких сотен миллиграммов на литр)
Кислотные и щелочные концентрированные
стоки
То же (от нескольких процентов до
нескольких десятков процентов)
Спирты (несколько миллиграммов на литр)
Органические промывочные сточные воды.
Сточные воды, содержащие абразивы
Порошок кремния (несколько миллиграммов
на литр)
Стоки систем очистки газов
Кислотные стоки
Щелочные стоки
Органические стоки
HF, HC1
КОН, NaOQ, (As-, P-, Si-содержащие
примеси)
Спирты

54 Глава 1.3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Очистка воды
со смешением
Городской
водопровод

Активированный
уголь
Ионный
обмен
Окисление и
разложение
органики
Блок

производства
сверхчис-
тойводы

Заключительная
фаза
обработки

Концентрированная щелочь
Концентриррван-J
ная кислота А

Концентрированная кислота 6
Нейтрализация
Выпаривание
Контейнер со
сточными водами,
регенерируемыми ионообме-
ном
Разложение
аммонием
Обработка
осадка

Полуконцентрированные
кислотные и
щелочные
стоки
промывочных вод
Раствор, реге-
нирированный
ионным
обменом


рительная

обработка фтор-

соединений
Органические
сточные и
промывочные
воды

Нейтрализация
Биологические
сточные воды
Отстойник
Активи
рован-
ный
уголь
Денит-
рифи-
кация
Сточные воды
от искровой
обработки
Разложение
Сточные воды,
содержащие
тяжелые металлы
и мышьяк
Адсорбция
Обработка
осадка
Флок-
туация

Фильтрация
Выброс
Концентрирова
нный
органический раствор
—>
Регенерация
Рис. 1.3.3. Схема комплексной обработки сточных вод в полущи
вдстве

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
55
1-я стадия очистки воды
2-я стадия очистки воды

Городской

водопровод
I
Осмот-
До
обра-
ботки —#
фильтрация

Вакуумное
^ выпа-
Коло-
нна
-I
смешения

Контейнер очи-
I I
воды

Полисные
сита
УФ-
облу-
Ульт-
рафи-
ция
-тельная
1* фаза
обработки
Регенерация
Сепара
торное

устройство
Фильтр Фильтрация
через
активированный
уголь
Фильтр
УФ-облучение,
окисление и
Фильтрация
через активированный
уголь
Циркуляция
Регенера- Ионнооб- УФ-облучение
ционный менник
контейнер
Рис. 1.3.4. Примерная схе
Осмотическая
фильтрация
(ультрафилырация)
ia регенерационной обработки сточных вод
При недостаточности местных
источников воды или низком качестве исходной воды,
а также с целью экономии свежей воды
прибегают к вторичному использованию
регенерированных стоков (рис. 1.3.4). При этом
следует учитывать экономичность регенерации.
Например, регенерация чистой воды из
органических стоков дороже использования воды
из городского водопровода, а регенерация
воды из кислотных стоков - дешевле. Для
предотвращения поступления в регенерационную
систему сточных вод с высокой концентрацией
загрязнений необходим входной контроль
электропроводности и общего содержания
углерода в стоках.
Все газообразные отходы
полупроводникового производства можно разделить на
неорганические, органические, специальные,
нагретые и смешанные. При их
обезвреживании используются адсорбция, абсорбция,
прямое сжигание, каталитическое окисление и ряд
других методов. Выбор конкретного метода
зависит от вида и концентрации примеси,
объема выброса.
В случае неорганических газовых
выбросов часто применяются абсорбционные
методы. В качестве абсорбирующих жидкостей
могут служить вода или водные растворы
(табл. 1.3.8).
Применяются различные типы
абсорбционного оборудования: жидкостно-дисперги-
рующее, газожидкостно-диспергирующее и
газо-диспергирующее.
При больших сопротивлениях течению
газов наиболее эффективными являются
установки жидкостно-диспергирующего типа, а
при высоком сопротивлении жидкостей - газо-
диспергирующего типа. Применяемые
абсорбирующие жидкости обезвреживаются в
системах обработки сточных вод и выводятся
наружу.

56 Глава 1.3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1.3.8. Неорганические газы и абсорбенты
Газ
NH3
С12
НС1
H2S
H2F
so2
HCN
NO
CrO3
сбн6о
нсно
Абсорбирующая жидкость
H2SO4
NaOH, Ca(OHJ
NaOH, Ca(OHJ
-
-
Na2CO3
Вода
(NO -> NO2) KMnO4>
(NO2) NaOH,
Ca(OHJ
Вода
•¦
В случае органических газовых выбросов
обычно применяются адсорбционные методы.
В качестве адсорбентов используются
активированный уголь, силикагель, алюмогель,
активированная отбельная глина, молекулярные
сита и др. Адсорбционные устройства
основаны на принципе создания контакта газа с
парами адсорбентов. Существуют три типа
адсорбционных устройств - стационарные
ламинарные, подвижные ламинарные и псевдо-
сглаженные.
Специальные газы могут быть
токсичными, горючими и взрывоопасными. Для
предотвращения опасных химических реакций
необходимо осуществлять подачу и удаление
газов через индивидуальные трубопроводы.
Для их обезвреживания применяется в
основном метод абсорбции (табл. 1.3.9).
Обработка газовых выбросов реализуется
различными методами.
При обработке в локальных устройствах
(рис. 1.3.5) применяют очистное оборудование
непосредственно около установок, в которых
1.3.9. Технологические процессы микроэлектроники, специальные газы и абсорбенты
Процесс
Нанесение слоев
Травление
Эпитаксиальное
наращивание
Материал
Si3N4
SiO
Поли-Si
Поли-Si
SiO
А1, A12O3
Sn2O3
GaAs
GaAs, Si
Применяемые
специальные газы
NH3, AsH3,
SiH2Cl2, PH3,
Sffl4
AsH3, B2H2, PH3,
SiH4
SiH2Cl2, SiH4
CCU, CF4,
CC12F2, C2F6
CH2F2, CCU,
C2F6, C3F8
BC13
ecu
ecu, ci, ca2F2
AsH3, SiH2Cl2,
PH3, SiH4
Система обработки
Распыление +
газоочиститель Вентури +
газоочиститель с наполнителем
То же или
многоступенчатое распыление +
газоочиститель Вентури А
Газоочиститель Вентури +
газоочиститель с
наполнителем
Распыление +
газоочиститель Вентури 1+
газоочиститель с наполнителем
Многоступенчатое
распыление + газоочиститель
Вентури
Газоочиститель Вентури^ +
газоочиститель с
наполнителем
Тоже
Распыление +
газоочиститель Вентури +
газоочиститель с наполнителем
Абсорбент
КОН и
NaOCl
КОН
Н2О
КОН
КОН и
NaOCl

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
57
Рис. 1.3.5. Схема обработки в локальных устройствах:
1 - вытяжной вентилятор; 2 - оборудование для
обработки; 3 - технологическое оборудование
Рис. 1.3.6. Схема централизованной обработки газов:
1 - очистительная колонна; 2 - вытяжной вентилятор;
3 - технологическое оборудование
Рис. 1.3.7. Схема обработки в блоках:
1 - очистительная колонна; 2 - вытяжной вентилятор;
3 - технологическое оборудование
образуются отработанные газы. Достоинство
этого метода - надежность обработки, высокая
степень безопасности, экономичность,
возможность быстрой ликвидации аварии. К
недостаткам следует отнести большое количество
оборудования, необходимость дополнительных
площадей, значительную длину
трубопроводов.
При централизованной обработке
выбросов все очистное оборудование
устанавливается на крыше или под полом (рис. 1.3.6). При
небольшом количестве оборудования и малых
длинах трубопроводов большую сложность в
этом случае представляет регулировка
воздушных потоков в каждом технологическом
процессе.
При обработке в блоках (рис. 1.3.7)
каждое помещение оснащается обезвреживающей
установкой. Этот метод экономичнее
предыдущего, возможно резервирование, однако
требуются дополнительные площади при
значительном количестве арматуры и
трубопроводов. В практике централизованные системы
используются для обработки органических и
неорганических выбросов, а локальные
устройства - для обработки специальных газов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каракеян В. И., Ушаков В. И., Дащин-
ская Л. Н. Физиологогигиенические аспекты
организации чистых производственных
помещений / Под ред. В. И. Ушакова. М.: МИЭТ,
1988, 62 с.
2. Смирнов Е. Л. Справочное пособие по
НОТ. М.: Экономика, 1981. 225 с.
3. Чистые помещения: Под ред. И. Хая-
кова. Пер. с япон. под ред. В. Г. Ржанова и
В. И. Ушакова М.: Мир, 1990. 454 с.
Раздел 2
ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ
ЭЛЕКТРОННЫМИ, ИОННЫМИ,
АТОМАРНЫМИ,
МОЛЕКУЛЯРНЫМИ,
РЕНТГЕНОВСКИМИ И
ОПТИЧЕСКИМИ ПУЧКАМИ
Глава 2.1
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
2.1.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Одним из направлений, существенно
расширяющих технологические возможности
процессов обработки материалов, является
использование концентрированных потоков
энергии электронных пучков, непосредственно
взаимодействующих с объектом в вакуумной
технологической камере.
Широкие возможности автоматизации
электронно-лучевой обработки обеспечивают
высокое быстродействие и точность, а
проведение процесса в вакууме обеспечивает
высокую чистоту обработки. Благодаря
концентрации энергии в электронном пучке до
значений, недоступных ранее известным
источникам при высоком КПД прямого (без
промежуточных операций) преобразования
электрической энергии, электронно-лучевую обработку
внедряют как в отраслях, связанных с
прецизионными производствами (электронное
машиностроение, приборостроение и др.), так и
в отраслях, производящих крупногабаритные
изделия (металлургия, производство стекла,
тяжелое машиностроение, авиастроение и др.).
У электронно-лучевой технологии широкие
возможности - от получения
субмикроскопических структур в микроэлектронике до
выплавки крупных слитков в металлургии.
Электронный пучок является одним из
перспективных инструментов для работы в
космосе, где для этого не нужны вакуумные
технологические камеры.

58
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Общим для всех электронно-лучевых
установок является использование управляемых
электронных пучков.
Специфика электронно-лучевой
технологии заключается в том, что инструментом
является управляемый поток энергии, который
формируется с требуемым сечением и
энергетическими параметрами во время
технологического процесса с помощью электронных
генераторов (электронных пушек) и электронных
линз и исчезает при выключении
оборудования. Электронные пучки можно формировать
диаметром (или шириной) от нескольких
десятков сантиметров до нескольких нанометров.
Необычайная гибкость
электроннолучевых установок часто позволяет один и тот
же аппарат использовать для разных
операций - сварки, упрочнения, отжига, очистки и
контроля за состоянием поверхности, даже
обработки, вызывающей химические
процессы, например, в электронолитографии, где
одним и тем же пучком осуществляются
процессы экспонирования и совмещения слоев.
Важная особенность контрольно-
измерительных электронно-лучевых
комплексов - то, что контроль во многих случаях
является неразрушающим и во всех случаях -
бесконтактным.
Электронный пучок является стерильно
чистым инструментом, так как не вносит в
изделие никаких посторонних примесей.
Сущность процесса злектронно-лучевого
термического воздействия состоит в том, что
кинетическая энергия сформированного в
вакууме импульсного или непрерывного
электронного пучка превращается в тепловую в
зоне обработки. Так как диапазоны мощности
и концентрации энергии в пучке велики, то
практически возможно получение всех видов
термического воздействия на материалы:
нагрев до заданных температур, плавление,
испарение с очень высокими скоростями и др.
Электронно-лучевая технология
используется в основном для плавления и зонной
очитки, сварки, испарительного осаждения
пленок и прецизионной размерной обработки.
История электронно-лучевой техники
начинается с фундаментальных открытий в
области физики эмиссии электронов и
электронной оптики.
Первые попытки электронно-лучевой
плавки были предприняты в 1905 г., когда на
первой электронно-лучевой установке удалось
расплавить такой тугоплавкий металл, как
тантал. С середины 20-х годов начинается
бурное развитие электронной оптики. Вместе с
прогрессом вакуумной техники это дало
возможность формировать электронные пучки, а
в 1934 г. - использовать пучки,
сфокусированные электронными линзами, для получения
отверстий малого диаметра, испарения
металлов и прецизионной обработки поверхностей.
В середине 50-х годов была доказана
перспективность электронно-лучевой сварки. С
1957 г. и по настоящее время в разных странах
ведутся интенсивные разработки
электроннолучевого оборудования и внедряются в
производство новые технологии, например,
электронно-лучевая литография, электронная Оже-
спектроскопия, растровая электронная
микроскопия и т.п.
2.1.2. ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
В диапазоне ускоряющих напряжений
10 - 150 кВ скорость электронов составляет
0,2 - 0,6 скорости света. Электрон,
ускоренный разностью потенциалов U>
приобретает скорость ve и кинетическую энергию (Дж)
2 ^ 4Cq 8Cq )
где тяе - масса электрона, кг; е - его заряд, Кл;
Со - скорость света, м/с.
В зоне встречи пучка с объектом
кинетическая энергия электронов, взаимодействуя с
атомами вещества, превращается в тепловую
энергию или в лучистую энергию
электромагнитного излучения с длиной волны от
инфракрасного излучения и радиоволн до
коротковолнового излучения в виде жесткого
рентгеновского излучения. Одновременно с этим
имеют место безрадиационные переходы и
излучение Оже (Е < 1 эВ), тепловых (Е < 1 эВ)
и вторичных (Е < 50 эВ) электронов.
Эффективность возбуждения того или иного участка
спектра электромагнитного излучения, так же,
как и вторичных электронов и отражения
первичных электронов, зависит от скорости
первичных электронов, атомного номера
элементов, из которых состоит объект облучения,
состояния поверхности, углов падения
первичного пучка и вылета вторичных и
отраженных электронов, электропроводности и др.
Возникающая в зоне действия пучка
теплота, а также возбуждение им атомов и
молекул лежат в основе многих
электроннолучевых технологий. Отражение и рассеяние
электронов и другие вторичные процессы,
теплоотвод посредством теплопроводности и
излучения являются в общем случае потерями
энергии, необходимой для технологического
воздействия на изделие и используются в
качестве технического зрения или источника
информации для контроля за
технологическими процессами.
Электронная структура на поверхности,
как правило, отличается от структуры в толще
материала. Некоторые из электронов с
внешних оболочек, образующих все связи в кри-

ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
59
сталле, на поверхности остаются
несвязанными. Для свободных связей образуются как
заполненные, так и пустые энергетические
уровни электронных поверхностных
состояний, отличающихся от энергетических уровней
в толще материала. Эти поверхностные
состояния играют важную роль в эффектах,
связанных с искривлением зон и изменением
работы выхода. Различия в свойствах твердых
тел на поверхности и в толще важны с точки
зрения их влияния на процессы,
происходящие при бомбардировке поверхностей
пучками электронов.
После пересечения границы раздела
вакуум - твердое тело первичные электроны
ускоряются в поле сил поверхностного
потенциального барьера и продолжают движение в
веществе с возросшей кинетической энергией.
Для большинства материалов эта добавка к
кинетической энергии (внутренний потенциал
твердого тела) составляет 10 - 20 эВ, и ее в
большинстве случаев не принимают во
внимание за исключением случаев, когда энергия
электронов пучка меньше или равна 1 кэВ.
На своем пути в твердом теле электроны
испытывают многочисленные взаимодействия
с атомами, которые можно разделить на две
основные группы - упругие и неупругие
взаимодействия.
Упругим взаимодействием называют
такое, при котором участвующие в нем частицы
обмениваются кинетической энергией, а их
внутренняя энергия не изменяется.
Часть первичных электронов при
взаимодействии с поверхностью отклоняется на
большие углы от первоначального движения в
результате одного или нескольких
последовательных актов упругого рассеяния на
приповерхностных атомах, и некоторая доля из них,
вновь пересекая границу раздела вакуум -
твердое тело, возвращается в вакуум. Эти
электроны называют упругоотраженными. Упруго-
отраженные электроны отличаются от других
тем, что их энергия практически не отличается
от энергии первичных электронов, а лишь
изменена траектория их движения.
Это физическое явление упругого
рассеяния электронов на атомах использовано в
электронных микроскопах (просвечивающий и
отражательный), электронографах,
оборудовании для электронной спектроскопии. Эти
виды оборудования используются для
исследования и анализа структуры и состава
различных объектов.
Некоторые электроны первичного пучка
и те отраженные, которые еще не успели
выйти из материала в вакуум, претерпевают только
упругие взаимодействия с атомами. Часть из
них вступает в неупругие взаимодействия.
Неупругим взаимодействием называют
такое, при котором изменяется не только
направление движения электрона, но и его
энергия, а, следовательно, и скорость, т.е.
имеет место торможение электрона.
Торможение электронов при столкновении с атомами
вещества может быть обусловлено различными
причинами. Одна из' них состоит в том, что
взаимодействие движущегося электрона с
полем атома вещества осуществляется по законам
электродинамики и сопровождается
появлением квантов электромагнитного излучения.
Энергия электрона в соответствии с законом
сохранения энергии уменьшается на значение,
равное значению энергии, необходимой для
генерации кванта электромагнитного
излучения. Поэтому энергия кванта
электромагнитного излучения может принимать любые
значения вплоть до максимального значения
энергии тормозящегося электрона.
Так как движение первичного электрона
в твердом теле не является периодическим, то
энергетический спектр такого тормозного
излучения имеет непрерывный характер. Это
излучение нашло практическое применение
для определения пространственного
положения свариваемых деталей, положения меток
совмещения при электронной литографии,
при рентгенолитографии, в интроскопии и т.д.
При возбуждении потока рентгеновского
излучения большой интенсивности принимают
меры по защите персонала от вредного
воздействия этого излучения на организм
человека.
Во всех металлах вследствие сильного
торможения на электронах проводимости
средняя глубина, на которую возбужденные
электроны могут выйти в вакуум, составляет
всего несколько атомных слоев.
Зависимость коэффициента вторичной
эмиссии от энергии первичных электронов
имеет максимум при такой энергии, при
которой средняя глубина их проникновения в
образец почти равна глубине выхода вторичных
электронов.
Регистрация вторичных электронов
широко используется для диагностики состояния
поверхности, например, для диагностики ее
чистоты или неровности, распределения
неоднородности вторично-эмиссионных свойств,
распределения включений с разными
атомными номерами и др. Для этого используют как
растровые электронные микроскопы, так и
эмиссионные электронные микроскопы,
специально созданные для работы с объектами
большой площади. Другим методом контроля
за состоянием поверхности, в частности за
неоднородностью кристаллографических
направлений, позволяющим оценить степень
совершенства кристаллической структуры,
является метод, использующий анизотропию
вторичной эмиссии монокристаллов,
обусловленной дифракционным каналированием
электронов вдоль определенных
кристаллографических направлений по линиям Кикучи.

60
Глава 21. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Релаксация возбужденного атома может
быть безизлучательным либо излучательным
процессом, вероятность каждого из этих
процессов зависит от атомного номера элемента и
от того, на каком уровне была образована
вакансия. Причиной появления Оже-электронов
является то, что при переходе электрона атома
на вакансию, образованную в результате
ионизации одного из нижележащих энергетических
уровней, выделяющаяся дискретная порция
энергии может быть передана
безизлучательным способом еще одному электрону твердого
тела. Если такой электрон выходит в вакуум
без потерь энергии, т.е. с достаточно малой
глубины (доли нанометра), то по его
кинетической энергии можно судить о природе Оже-
электронов, т.е. химическом составе и
концентрации соответствующих элементов в
приповерхностной области.
При заполнении вакансии на внутренней
электронной оболочке возможно также
испускание кванта рентгеновского
характеристического излучения. Спектр
рентгеновского излучения несет информацию о природе
излучающих атомов. Это широко используется
при локальном микроанализе элементного
состава твердых тел.
Все перечисленные виды излучений
уносят определенную часть энергии первичных
электронов, и чем выше энергия первичных
электронов, тем значительнее потери энергии,
приносимой первичными электронами.
При коллективных возбуждениях
первичный электрон взаимодействует с системой
валентных электронов твердого тела, которую
можно в этом случае рассматривать как
вырожденный газ или плазму свободных
электронов в поле однородно распределенного
положительного заряда. При внешнем возбуждении
такой плазмы возникают колебания
электронной плотности на дискретных квантованных
частотах, зависящих от концентрации
электронов и свойств материала. Квант энергии
плазменных колебаний (плазмон) принято считать
квазичастицей твердого тела, обладающей
определенными значениями энергии и импульса.
Каждому веществу соответствуют свои
значения энергии объемного и поверхностного
гшазмонов. Эта энергия может составлять 3 -
30 эВ.
Изучение спектра плазменных колебаний
в твердом теле позволяет получать
информацию об электронной структуре различных
участков в сплавах и полупроводниках, судить о
состоянии (чистоте и микрорельефе) их
поверхности. Особый интерес представляют те
рассеянные электроны, которые перед
выходом в вакуум имеют характеристические
(дискретные) потери энергии. Энергия таких
электронов отличается от энергии первичных
и упруго отраженных на величину, которая не
зависит от начальной энергии и характерна
для материала и состояния объекта, включая
его поверхность. По спектрам
характеристических потерь энергии электронов можно судить
об элементарных актах взаимодействия
первичных электронов с твердым телом и, в
частности, определять энергию, затрачиваемую на
возбуждение фононных и плазменных
колебаний, ионизацию внутренних электронных
оболочек и т.п. На этом принципе основан
метод спектроскопии характеристических
потерь энергии электронов или ионизационной
спектроскопии. Создано специальное
электронно-лучевое оборудование для регистрации
спектров характеристических потерь энергии
электронов и их расшифровки. По этим
спектрам определяют локальный элементный
состав образца, чистоту его поверхности и
толщину загрязнения, контролируют
микрорельеф и т.п.
Неупругие электрон-электронные
процессы в твердом теле сопровождаются выходом
в вакуум не только вторичных, но и неупруго
отраженных электронов, т.е. тех обратно
рассеянных первичных электронов, которые
потеряли некоторую часть начальной энергии.
Число таких электронов характеризуется
коэффициентом неупругого отражения.
Кроме равновесных имеются и
неравновесные электроны. Большинство
возбужденных электронов остается в твердом теле и
очень быстро теряет всю избыточную энергию
во время многочисленных актов рассеяния (за
время жизни 104 - 102 с). В результате в
зоне проводимости накапливаются
неравновесные электроны с тепловыми скоростями -
термализованные электроны. В металлах таких
электронов значительно меньше, чем
электронов проводимости (свободных электронов),
поэтому заметное влияние на проводимость
они могут оказать только в диэлектриках и
полупроводниках. Увеличение проводимости
при электронной бомбардировке в результате
появления дополнительных неравновесных
носителей заряда (электронов в зоне
проводимости и дырок в валентной зоне) называется
радиационной проводимостью, или
наведенной проводимостью.
Это явление во многом похоже на
явление фотопроводимости и используется для
контроля за технологическими процессами в
производстве полупроводниковых приборов и
изучения электронных характеристик твердых
тел методами наведенной проводимости.
В диэлектриках и полупроводниках
время жизни неравновесных (термализованных)
электронов в зоне проводимости достаточно
велико и может достигать десятков и даже
сотен микросекунд. Однако в итоге эти
неравновесные электроны неизбежно исчезают в
результате рекомбинации с носителями
противоположного знака. Такая рекомбинация
может происходить как при непосредственном

ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
61
столкновении электрона с дыркой, так и с
промежуточным захватом одного из носителей
на локальном уровне-ловущке примесей или
дефектов, которые играют в этом случае роль
центров рекомбинации. Скорость
рекомбинации в значительной мере определяется тем,
каким образом выделяется избыточная энергия
двух рекомбинирующих носителей. Известны
различные способы преобразования этой
энергии, в том числе безизлучательные,
например, передача энергии одному из
электронов атома в результате Оже-процесса или
кристаллической решетке с возбуждением
фотонов, или испусканием кванта
электромагнитного излучения в видимой области спектра
(т.е. света), или рекомбинационным
излучением, которое еще называется катодолюминес-
ценцией. Это явление широко используется
для изучения локальных энергетических
уровней и возбужденных состояний
полупроводниковых материалов, люминофоров и
определения их светооптических характеристик,
обнаружения загрязнений на подложках при
электронно-лучевой обработке и др.
Таким образом, при облучении
электронами твердых тел имеют место два процесса
возбуждения атомов твердого тела в результате
неупругих электрон-электронных
взаимодействий: ионизация внутренних электронных
оболочек и переход атома в стационарное
состояние. Однако имеется промежуточное
состояние - возбужденное состояние атома, и его
свойства существенно отличаются от свойств
двух крайних состояний. Эти свойства прежде
всего проявляются в характере связи с
соседними атомами. Если в результате ионизации
резко возрастают силы отталкивания между
соседними атомами-ионами и если эти атомы-
ионы успевают до начала релаксации
разойтись на заметные расстояния, то происходит
необратимое изменение состава облучаемого
электронами участка твердого тела за счет,
например, удаления одного из возбужденных
или ионизованных атомов с поверхности. К
процессам такого рода относятся электронно-
стимулированная десорбция чужеродных
атомов и молекул, а также диссоциация химиче--
ских соединений, находящихся на
поверхности твердого тела. В последнем процессе
продукты диссоциации или часть их могут
удаляться с поверхности как непосредственно во
время облучения (например, при образовании
летучих фракций), так и в результате
последующей специальной обработки (например,
при травлении в агрессивной среде и т.п.).
При облучении твердого тела
релятивистскими электронами протекают следующие
физические процессы: ионная проводимость,
ядерные превращения и полная ионизация
атомов твердого тела при высоких энергиях
(более 8 МэВ).
Электронное облучение может приводить
и к образованию химических соединений,
если химическая активность атомов при
возбуждении возрастает. Электроны пучка в этом
случае выполняют роль катализатора. Одной
из таких реакций, широко распространенных в
электронной литографии, является, например,
образование диэлектрических пленок на
подложках в результате полимеризации
адсорбированных органических молекул и нанесение
рисунков топологических слоев интегральных
схем с микронными и даже субмикронными
размерами элементов или осаждение пленки
неорганических веществ из газовой или
жидкой фазы при нанесении тонких пленок и
изготовление с их помощью рисунков
топологических слоев полупроводниковых
приборов. Используемые в этих случаях полимерные
и другие материалы называют электронорези-
стами. Электронорезисты, в которых идет
полимеризация, называют позитивными.
Облучение негативных электронорезистов
электронным потоком приводит к разрывам
молекулярных цепей, т.е. идет деструкция. Широко
используются и другие лучехимические
реакции, за счет которых удается улучшать или
изменять эксплуатационные или
технологические свойства многих материалов, добиться
которых другими известными способами
невозможно. При промышленном применении
лучехимических технологий
электроннолучевая технология превосходит радиоактивные
источники электронов, т.к. обладает большой
направленной мощностью (до 100 кВт).
Релятивистские электронные пучки
широко используются для следующих целей:
связывания в молекулярные сети таких
материалов, как полиэтилен, полипропилен,
полиамиды и поливинилы; вулканизации
натурального и синтетического каучука, силиконовой
резины; отверждения лаков в виде
ненасыщенных смол (полиэфирных-уретановых,
эпоксидных, акриловых); полимеризации с
прививкой (графитополимеризация).
Важную роль в процессе преобразования
энергии первичных электронов в твердом теле
играет электронно-лучевой нагрев вещества. Та
доля энергии, которая не уносится из образца
выходящими из него электронами и
электромагнитным излучением, поглощается
веществом и в конечном счете переходит в теплоту.
Повышение температуры стимулирует
протекание ряда термических процессов:
структурных фазовых переходов, отжига дефектов,
диффузии, рекристаллизации, плавления,
десорбции и испарения с поверхности атомных
частиц, термоэлектронной эмиссии и др.
Теплота отводится от нагреваемого участка за счет
теплопроводности и теплового излучения.
Особенность электронно-лучевого
нагрева широко используется в практике
электронно-лучевой термической обработки материа-

62
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
лов, так как позволяет получать очень высокие
концентрации тепловой энергии при
сравнительно малой общей мощности пучка или в
очень малых объемах (несколько кубических
микрометров). Этот эффект используется в
таких широко распространенных
электроннолучевых технологиях, как отжиг, испарение,
очистка поверхности, плавление, сварка,
зонная очистка, закалка, размерная обработка
(фрезерование, резка, скрайбирование,
сверление, гравировка и т.п.).
Таким образом, анализ различных
физических явлений, сопровождающих
взаимодействие электронного пучка с твердым телом,
показывает, что большинство из них может
быть с успехом использовано при решении
самых разных технологических задач.
При любом технологическом процессе
важно заранее знать глубину воздействия
электронного пучка на обрабатываемый материал.
Эта величина зависит в основном от скорости
электронов, элементного состава и структуры
материала, угла падения пучка на поверхность
образца.
Траектории электронов в веществе
можно представить в виде ряда отрезков ломаной
линии, число которых зависит от количества
актов рассеяния на встреченных атомах.
Полная длина пути, пройденная
электроном, является вполне определенной
функцией энергии электрона. В конечном счете
электрон теряет всю энергию.
С учетом многократного изменения
направления движения электронов строится
модель некоторого объема, в котором и
происходит рассеяние электронов. На практике удобно
пользоваться моделью, согласно которой
электроны сначала, не рассеиваясь, проходят
некоторый путь х, а затем изотропно рассеиваются
во все стороны (рис. 2.1.1).
Принимается допущение, что все траек-
торные пробеги электронов одинаковы и могут
быть рассчитаны по формуле
J /2,эВ
dE
dl
X
- inN^er
AE
- 7,85 • 104
AE
Zpln
bE
ы J
ZplnbE
I электронный
J пучок
i ,
)
R
ID
15
14
13
12
11
1П
г
-
10 30
50
70 «о г
Рис. 2.1.1. Сфера рассеяния и поглощения электронов
согласно диффузионной модели:
R - траекторный пробег
Рис. 2.1.2. Зависимость // Zot атомного номера
элемента:
штриховая линия - теоретическая зависимость (закон
Блоха); сплошная - зависимость Данкамба - Да Каза
где Е - энергия электрона в пучке, кэВ; dl -
отрезок пути, на котором электрон теряет
долю кинетической энергии, см; N& - число
Авогадро; е - заряд электрона; Zn A -
соответственно атомный номер и атомный вес
элемента; р - плотность вещества, г/см3; / -
средняя поглощенная атомом энергия
электрона, кэВ; Ь = 1,166 - множитель.
Для легких элементов (Z < 40)
зависимость /от Z- нелинейная (рис. 2.1.2).
В диффузионной модели проникновения
электрона в твердое тело поглощение
электронного пучка, диаметр которого много
меньше Д происходит внутри сферы радиусом
(R - х) с центром на глубине х.
Часть этой сферы, выступающая над
поверхностью образца, соответствует доле
обратно рассеянных электронов, которые вышли в
вакуум. Относительная площадь поверхности
этого сегмента характеризует коэффициент
неупругого отражения v:
2n(R - x)(R - 2х) 1 l-2x/R
4n(R-xJ  1-x/R '
Следовательно, если известна величина v
для данного образца, то можно оценить х по
формуле
Фундаментальным понятием в
электронно-лучевой технологии является зависимость
плотности поглощенной кинетической
энергии электронного пучка от ее распределения
по глубине и ширине обрабатываемого
материала или изделия. Распределение это
неравномерно, что связано с возрастанием
энергетических потерь электрона по мере его
продвижения в твердом теле. Кроме того, вклад в
поглощенную энергию вносят также электро-

МЕТОДЫ
63
слой i=n
Рис. 2.1.3. Схема расчета поглощенной энергии в
многослойном объекте
ны, рассеиваемые в обратном направлении.
Если обрабатываемое изделие или материал
представляет собой многослойную
конструкцию, то каждый из слоев вносит свой,
характерный только для него вклад (рис. 2.1.3).
Согласно схеме поглощенная энергия
состоит из потерь энергии электронов
первичного пучка Ер> двигающихся в прямом
направлении, и потерь энергии электронов,
претерпевших обратное рассеяние Ег и Es> и
может быть представлена таким уравнением:
Дг, zb) =
, zo) + Es(r, zq) +
En(r,
где Er и Es - энергетические потери
электронов, испытавших обратное рассеяние в
различных по физическим свойствам слоях.
Различные слои вещества дают
различные вклады в потери энергии отраженными
электронами.
При облучении первичными
электронами элементарного объема в точке "т" обычным
пучком с гауссовым распределением плотности
тока по сечению в течение времени / этот объем
получит некоторую дозу облучения (Кл / см2).
Полная доза энергии, выделенная в
результате воздействия электронного пучка в
течение времени ty равна сумме энергии,
выделенной электронами, претерпевшими
малоугловое рассеяние при прямом прохождении
верхних слоев, а также рассеяние под
большими углами, и энергии, выделенной электронами,
вернувшимися в верхние слои в результате
обратного рассеяния для многослойных мишеней.
2.1.3. МЕТОДЫ
Описанные в подразд. 2.1.2 физические
явления используются в различных
технологических процессах электронно-лучевой
обработки материалов и изделий электронной
техники.
Большая часть энергии электронного
пучка переходит в теплоту. На рис. 2.1.4 пред-
r/R 0,5 0,28
0,23 0,5 0.76 1,0 1,25
¦n л S N г
.9 0,7/ J Р/Рр-0,1
' 0,5 0,3 / /
x/R
Рис. 2.1.4. Пространственное распределение
относительной поглощаемой мощности пучка в
Ро - мощность на поверхности мишени
ставлено семейство значений
пространственного распределения относительной
поглощаемой мощности пучка Р/Ро = const. Максимум
поглощаемой мощности находится на оси
пучка, несколько ниже поверхности образца.
Его относительное положение x/R мало
меняется при увеличении энергии от 20 до 100 кэВ.
Распределение температуры Т в
материале образца в любой момент времени /
подчиняется закону
Т = E0lpcD%ai)y2]-hxp[-r2 / Dа/)].
Здесь г - расстояние от центра электронного
пучка до рассматриваемой точки, м; Е$ -
энергия, выделяемая в точке с координатами
х — 0, г = 0 в момент времени / =0; р -
плотность материала, кг/м3; с - удельная
теплоемкость материала, Дж / (кг-К); а — X / (рс) -
температуропроводность материала, где X -
теплопроводность материала, Вт/(мК).
На рис. 2.1.5 показано распределение
температуры в бесконечно протяженном
однородном образце из железа после мгновенного
воздействия точечного электронного пучка с
энергией Eq = 10 Дж в разные моменты
времени.
По истечении времени / профиль
температурного поля принимает заданную форму.
т, к
•0,08 -0,04
0,04
0,05
Рис. 2.1.5. Изменение температурного поля во времени
на мишени из железа через 1 мкс (/), 10 мкс B),
15 мкс (J), 20 мкс D), 50 мкс E) и 100 мкс F)

64
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Если диаметр электронного пучка
отличен от нуля, то выделяющуюся при облучении
мощность Р(ху г, t) можно представить в виде
совокупности мощностей точечных
источников, распределенных по плоскости мишени в
пределах диаметра пучка. Если на поверхность
образца падает электронный пучок с
постоянной во времени удельной мощностью, то в
начальный момент времени теплота не
успевает отводиться от места выделения энергии
пучка и нагревание образца происходит почти
адиабатически. В таких условиях
распределение температуры приблизительно
соответствует распределению выделяемой мощности (см.
рис. 2.1.4), причем в каждой точке образца
температура линейно возрастает со временем
Pt/(pc),
где
начальная температура;
р = -
и c =
zl
1 u Го 'о
усредненные по диапазону температуры
значения плотности и удельной теплоемкости.
Если при воздействии электронного
пучка на материал происходят фазовые
превращения, не приводящие к потере части
подводимой энергии и вещества, то до окончания
фазового перехода температура не меняется, а
после его окончания
где
i ~ сУМма скрытых теплот всех
фазовых переходов, происходящих в интервале
температуры от 7q до Т.
С ростом продолжительности облучения
температурное поле начинает изменяться за
счет теплопроводности и рост выделяемой
мощности замедляется
где п < 1.
Когда температура достигает конечного,
установившегося значения, то ее
распределение на достаточном удалении от зоны
воздействия пучка следующее
го2/Bг)](РА).
Теперь температурное поле занимает
гораздо большее пространство, чем при
квазиадиабатическом нагреве. В теле, имеющем
конечные размеры, установившееся
распределение температуры зависит от размеров образца
и условий теплообмена его с окружающей
средой.
Начиная с некоторого значения удельной
мощности пучка (Руд да 106 Вт / см2), скорость
превращения кинетической энергии пучка в
тепловую все больше превышает скорость
отвода теплоты от места облучения за счет
теплопроводности, лучеиспускания и испарения
частиц материала с поверхности, что приводит
к возрастанию температуры материала.
Преобразование энергии электронного
пучка в основном происходит в объеме
где d - диаметр фокусного пятна или диаметр
пучка в зоне его действия; h - глубина
проникновения электронного пучка в вещество.
При квазиадиабатическом
преобразовании энергии нагрев ограничен этим объемом.
Скорость роста температуры и допустимое
превышение ее над исходной можно
рассчитать, исходя из характеристик материала и
параметров пучка. По окончании воздействия
пучка температура вследствие отдачи теплоты в
окружающую среду выравнивается. Этот
процесс в основном заканчивается через
некоторое время. Заметно прогревается при этом
лишь область, непосредственно окружающая
объем рассеяния электронов. По толщине этот
слой сравним с Л, а по ширине - с d. Для
точного определения температурного поля и
изменения температуры в обрабатываемом
изделии во времени требуется решить
уравнение теплопроводности применительно к
конкретным условиям.
Известно, что максимальная температура
всегда достигается в поверхностном слое,
ограниченном глубиной проникновения
электронного пучка.
При этом воздействие пучка на данный
участок может быть непрерывным или
импульсным. С увеличением длительности пауз
возрастает разность между максимумами
температуры на поверхности и максимумами ее
на глубине. Отношение градиента температуры
фронта тепловой волны, распространяющейся
в изделии, к максимальной температуре вне
области с глубиной проникновения h тем
выше, чем меньше время воздействия пучка / и,
следовательно, чем меньше толщина
нагреваемого слоя.
Охлаждение по окончании действия
пучка за счет теплопроводности у данного
материала происходит тем быстрее, чем тоньше
нагретый слой. Для выравнивания
температуры по всему образцу по окончании действия
пучка требуется время / » D^ /D#), где Dw -
характерный размер изделия; a = X / (рс) -
температуропроводность.

МЕТОДЫ
65
Плавление. Важную роль при
производстве материалов играет плавление. Свойства
выплавляемых материалов зависят как от их
состава, так и от содержания в них примесей.
Для рафинирования материалов часто
применяют вакуумный электронно-лучевой
переплав. Рафинирование происходит вследствие
фракционной дистилляции, обезгаживания,
флотации и коагуляции. Вместе с тем
электронно-лучевая плавка является
высокоэффективным методом получения слитков
тугоплавких и химически активных материалов. При
давлении в технологической камере 10 - 103
Па из расплава удаляются в основном водород,
оксид углерода, азот. Избежать реакции с
материалом тигля позволяют водоохлаждаемые
тигли. При формировании слитка используют
перемещение по поверхности расплава
электронного пучка для того, чтобы охлаждение
его шло по заданному закону. Простота
управления электронным пучком позволяет не
только регулировать с высокой точностью
тепловой баланс при плавлении, но и
контролировать ход процесса, регистрируя вторичные
излучения, возбуждаемые электронным
пучком, которые позволяют следить за уровнем
расплава, скоростью расплавления и
остывания, изменениями химического состава и др.
Это позволяет комплексно решать вопросы
технологии плавления материалов и
формирования слитков.
Локальный переплав, отжиг и закалка.
Однородность химического состава, твердость
и прочность материала тесно связаны с его
кристаллическим строением, которое зависит
от способа получения материалов и условий
кристаллизации. Напряжения, появляющиеся
в детали после ее изготовления, сказываются
при эксплуатации (часто прочность детали
снижается по сравнению с расчетной). Во
многих случаях локальные переплав или
закалка участков деталей с помощью
электронных пучков позволяют получить значительное
улучшение свойств материала и повысить тем
самым эксплуатационные свойства детали.
При обработке материала методом локального
расплавления кратковременно нагреваются до
температуры выше точки плавления очень
малые участки. Последующее охлаждение за
счет отдачи теплоты посредством
теплопроводности в соседние, оставшиеся холодными
области приводит к чрезвычайно высоким
скоростям кристаллизации. Образуется
структура, в значительной степени совершенно
отличная от тех, которые получаются при
нормальных процессах кристаллизации,
существенно расширяются границы растворимости
для твердых растворов. Морфология
интерметаллических соединений может измениться
таким образом, что первоначально хрупкие
материалы становятся пластичными. Кроме
того, достигается значительное измельчение
микроструктуры и разрушение сегрегации,
благодаря чему существенно улучшается
химическая однородность, например сталей.
Быстрое нарастание температуры и
чрезвычайно короткое по сравнению с другими
способами закалки время пребывания
локальной зоны в нагретом состоянии приводит у
закаливаемых сталей к образованию особо
мелкозернистого аустенита и тем самым -
мартенсита с очень высокой твердостью. Эффект
закалки имеет место и при облагораживающем
переплаве закаливаемых материалов. При
закалке без плавления время нагревания
составляет около 10 - ДО с, при
облагораживающем переплаве - 10~3 - 1,0 с.
При переплаве быстрорежущей стали с
последующим отжигом растворяются
карбидные включения, возникшие при выплавке
такой стали, и образуется очень
мелкозернистая дендритная структура. В результате
твердость повышается на 20 % по сравнению с
той, которую можно достичь при обычной
технологии. Подобный эффект имеет место и
при облагораживающем переплаве других
сталей.
Чрезвычайно резко выражен эффект
облагораживания при переплаве серого чугуна,
когда происходит наложение отбеливающего
застывания и образование мартенсита при
быстром охлаждении.
Для выполнения перечисленных
операций используются высоковольтные (до
нескольких киловольт) установки с удельной
мощностью пучка ДО4 - 106 Вт / см2.
Термообработка листового материала
(фольги) или кремниевых пластин может
оказаться необходимой для получения чистой
обезгаженной поверхности и разогрева до
температуры, необходимой для технологического
процесса нанесения покрытия путем
конденсации, повышения пластичности материала
или его очистки.
При термообработке с целью
поверхностного обезгаживания требуется разогреть
поверхность материала по крайней мере до 200
°С. При таких температурах с поверхности
удаляются адсорбированные на ней газы и
пары, в особенности водяной пар.
Размеры поверхности обычно больше
диаметра пучка. Поэтому ее нагревают,
сканируя пучок по поверхности. Для пучка с
гауссовым распределением плотности тока
равномерность температуры нагрева может быть
получена при частоте сканирования пучка
f=Kv/d,
где К> 1,5; v - скорость сканирования, м/с;
d - диаметр пучка, м.
Время воздействия пучка на материал
главным образом влияет на профиль
распределения температуры по его толщине. Поэтому
3 За
760

66
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
необходимо, чтобы длительность воздействия
пучка за период отклонения
t>cfi/BK\t),
где / - расстояние между крайними точками
отклонения, м.
Мощность электронного пучка,
потребляемая для термообработки материала,
Рп =-bsvpcAT,
где v - КПД преобразования энергии
электронного пучка в теплоту; b> s -
соответственно ширина и толщина материала, м; v -
скорость перемещения материала, м/с; р -
плотность материала, кг / м3; с - средняя
удельная теплоемкость [Дж / (кг • К)] материала в
рабочем интервале температуры А Г (К).
Сварка. Электронно-лучевая сварка
позволяет получать сварные соединения с
отношениями глубины шва к его ширине, намного
большими единицы, чего невозможно
добиться другими способами сварки с оплавлением.
Электронный пучок позволяет вести сварку
тугоплавких материалов и таких комбинации
материалов и деталей, которые не поддаются
сварке иными способами. Сварка в вакууме
позволяет сваривать детали из химически
активных материалов. Кроме того, локальный
переплав кромок свариваемых деталей часто
обеспечивает очень высокую надежность
сварки за счет рафинирования материала. Можно
сваривать детали, не нарушая структуру
остальной части материала, сваривать очень
тонкие листовые материалы (в том числе сильфо-
ны). Электронным пучком можно сваривать
детали, например, в местах, труднодоступных
для электродной сварки, или в совсем
недоступных местах - с обратной стороны, т.е.
насквозь (при высоких ускоряющих
напряжениях). Поэтому электронно-лучевая сварка
незаменима в электронном машиностроении.
Легкость управления энергетическими и другими
характеристиками пучка позволяют выполнять
сварку одного изделия в разных режимах.
Автоматизация сварки обеспечивает удержание
свариваемого пучка всегда на стыке
свариваемых деталей и сигнализировать о дефектах
сварки, если такие появляются.
При электронно-лучевой сварке не вся
мощность пучка расходуется на процесс
сварки. Существенные потери ее связаны с
отражением электронов. Доля мощности,
отводимой с потоком пара, в общем случае
составляет 0,5 - 2,0 %, т.к. количество испаряющегося
материала не велико. Потери на отражение
электронов зависят от атомного номера
материала и угла падения пучка на свариваемые
поверхности.
Сварной шов обычно характеризуется
глубиной, шириной и их отношением. В
общем случае задача сварки состоит в том, чтобы
для данного материала и при заданной
скорости сварки добиться требуемой глубины про-
плавления шва. Отсюда вытекает
необходимость выбора таких параметров электронного
пучка, которые обеспечили бы выполнение
всех этих условий. Глубину проплавления
можно определить по формуле
UI
1 + 1,2- 1<гЧ| 1
2a
B.1.1)
где /% - глубина проплавления, м; U -
ускоряющее напряжение, В; / - сила тока пучка,
A; d - диаметр фокусного пятна на детали, м;
vc - скорость сварки, м/с; с - удельная
теплоемкость, Дж / (кг-К); р - плотность материала,
кг/м3; Ts - разность температуры плавления и
температуры окружающей среды, К; X -
теплопроводность, Вт / (м-К); а -
температуропроводность, м2/с; Hs - энтальпия плавления,
Дд/мЗ.
В выражении B.1.1) не учитывается
взаимодействие электронного пучка с паром в
капилляре, образующемся при проплавлении
материала. Несмотря на это, при относительно
малой и при средней удельной поверхностной,
мощности пучка эта формула вполне
приемлема для ориентировочных оценок.
Связь глубины проплавления с
ускоряющим напряжением при условии, что
остальные параметры (мощность пучка и
диаметр) остаются постоянными, можно
представить выражением
где hn\ соответствует ускоряющему
напряжению t/j, а /%2 - #2-
Отношение глубины шва к его ширине
пропорционально ускоряющему напряжению
где Ь\ соответствует ускоряющему
напряжению U\, а &2 - Щ,-
При сварке деталей большой толщины
ширина шва увеличивается из-за рассеяния
электронов материалом, а также потому, что
пучок имеет форму сходящихся лучей (аппер-

МЕТОДЫ
61
тура пучка около 10 рад). При такой аппер-
туре на расстоянии точки минимального
сечения пучка от поверхности, равном 50 мм, в
глубине материала диаметр пучка
увеличивается на 1 мм.
Диаметр пучка
где dz - диаметр пучка на расстоянии z от
фокуса; do - диаметр пучка при z = 0; а - аппер-
тура (половина угла раскрытия) пучка.
Колебательные перемещения
(осцилляция) пучка в непосредственной близости от
точки сварки дают возможность
дополнительно влиять на процесс сварки, а значит, - и на
образование шва. Если частота осцилляции
пучка достаточно мала, то паровой капилляр
следует за мгновенным положением места
бомбардировки поверхности пучком. При
более высокой частоте происходит расширение
парового капилляра и слоя расплава.
Существенным результатом осцилляции пучка
является усиление испарения летучих компонент из
сварочной ванны. Таким методом, например,
можно снизить склонность материала к
образованию пор. При соответствующем выборе
частоты и амплитуды осцилляция пучка
приводит к образованию мелкочешуйчатого шва.
Испарение материалов.
Электроннолучевое осаждение тонких пленок в вакууме -
один из широко применяемых
технологических процессов. Этот метод отличается от
других тем, что при нагревании материала
электронным пучком подвод потока энергии
осуществляется непосредственно к
поверхности испаряемого материала, а не к стенкам
тигля. Преимущество этого метода заключается
в том, что при электронно-лучевом испарении
можно испарять материалы из водоохлаждае-
мых тиглей. Водоохлаждаемый тигель
необходим при испарении химически
высокоактивных, особенно тугоплавких материалов. Это
обеспечивает получение покрытий высокой
чистоты, потому что почти полностью
исключаются реакции испаряемого материала с
материалом охлаждаемого тигля, а материал
тигля и продукты реакций практически не
испаряются. Используется и бестигельное испарение.
Другим преимуществом
электроннолучевого испарения является возможность
управления мощностью, анергией, размером и
положением в пространстве электронного
пучка, что позволяет управлять потоком
направляемой энергии в испаряемое вещество и
воздействовать на скорость испарения и
распределение плотности потоков пара. Управляя
пучком, можно испарять материалы из
нескольких тиглей последовательно или
одновременно и формировать пленки с разными
свойствами. При однотигельном испарении
сплавов из тигля с большим количеством
расплавленного вещества его испаряют
покомпонентно, изменяя мощность пучка по
определенному графику. Для осуществления
реактивного осаждения в технологической камере
напуском газа устанавливают требуемое полное
или парциальное давление газа-реагента, в
общем случае составляющее 0,01 - 0,1 Па.
При электронно-лучевом испарении
осуществляется ионное плакетирование (как за
счет встраиваемого ионного источника, так и
за счет ионизации пара), приводящее к
уплотнению покрытия и улучшению его физико-
химических свойств.
Наибольшее распространение получили
установки с электронно-оптической системой,
формирующей плоский пучок или аксиально
симметричный, а также с поворотом пучка на
90 ° и более для защиты катода от паров
испаряемого материала.
При испарении вещества, нагреваемого в
вакууме, удельная скорость испарения vj,
[г / (см2-с)], т.е. масса вещества,
испаряющегося с единицы поверхности в единицу времени,
определяется уравнением Ленгмюра с учетом
возврата некоторых частиц в ванну и с учетом
влияния упругости пара, зависящего от
температуры:
где а - коэффициент испарения; для
идеального испарения ос = 1; р - упругость пара при
температуре Г, Па; М - массовое число
испаряемого вещества, а.е.м.; g - коэффициент
передачи пара от испаряемого вещества к
подложке, который зависит от остаточного
давления в технологической камере; Т -
температура испарения, К.
Для того чтобы получить в электронном
пучке мощность Pq> потребляемая мощность
оборудования Р должна быть больше нее на
сумму потерь мощности во вторичных
источниках питания и электронно-оптических узлах
!'.¦¦
В испаряемом материале в теплоту
преобразуется лишь часть мощности пучка Ро>
поскольку пучок на своем пути до материала
теряет часть своей мощности при рассеянии в
газе и облаке пара, а при встрече с
материалом - вследствие различных вторичных
эффектов 2^-Рр • Мощность, преобразуемая в
теплоту,

68
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Потери мощности при испарении
происходят за счет рассеяния электронов, а при
высоком давлении пара - за счет
взаимодействия с облаком пара.
При испарении, например алюминия,
из керамического тигля и при условии, что
подложки достигает только около 40 %
испаренного материала, общий эффективный КПД
равен 0,2 %. Из мощности электронного пучка
только 38 - 40 % расходуется на осаждение
алюминия, остальная часть - на следующие
процессы: рассеяние электронов остаточными
газами на стенки камеры - 14 - 16 %;
отражение электронов на стенки камеры - 8 - 10 %,
тепловое излучение на стенки камеры - 3 - 4
%; отвод теплоты стенкой тигля - 4 - 6 %;
рассеяние пара в камере - 21 - 23 %;
возбуждение рентгеновского излучения - 1 %.
Вследствие тепловых потерь
расплаве из мощности, преобразовавшейся в
теплоту Pqy лишь часть Pv является полезной,
т.е. расходуется на испарение материала. Из
тепловых потерь расплава наиболее
существенны потери мощности на излучение Ру и
теплопроводность Ря. Таким образом,
полезная мощность
Если для упрощения принять, что
температура Т одинакова по всей поверхности, что
излучающая поверхность и поверхность
испарения совпадают, что распределение
температур, определяющее теплопроводность,
постоянно, а удельные скрытые теплоты не зависят
от температуры, то полезную мощность можно
вычислить с достаточной точностью по
формуле
- 7Ь) + qs + q,]}аЩ,
где F - площадь поверхности испарения, см2;
с - удельная теплоемкость, Дж / (г-К); Т и
Tq - соответственно температура испарения и
начальная температура вещества, К; ^и^-
удельная скрытая теплота соответственно
плавления и испарения, Дж / г; а -
коэффициент испарения; М - массовое число
испаряемого вещества, а.е.м.
Для предотвращения попадания на катод
атомов и ионов пара электронную пушку
защищают диафрагмами и размещают так, чтобы
исключить прямое попадание этих частиц,
которые, разрушая катод, снижают
работоспособность оборудования. Электронный же
пучок с помощью отклоняющих магнитных
полей поворачивают на большие углы (до 360 °).
Управляя токами отклоняющих систем, можно
перемещать пучок по поверхности тигля.
Чтобы отклонить на такие большие углы пучок
без потерь, используются секторные магниты.
Такое расположение электронно-оптической
системы создает благоприятные условия для
размещения внутрикамерной оснастки и
закрепления на ней подложек непосредственно в
зоне парообразования.
Термическая размерная обработка тонких
слоев. Используя термическое воздействие
электронного пучка на тонкие слои
(покрытия), нанесенные на подложки, можно удалять
участки этих слоев в заданных местах и
формировать тем самым различные структуры.
Толщина слоев обычно составляет 10 - 100 нм.
В качестве покрытий чаще всего используются
металлы и их сплавы.
В отличие от обработки массивных тел в
данном случае в результате обработки
происходит селективное удаление определенных
участков слоя без повреждения подложки. Для
этих целей применяют относительно низкие
ускоряющие напряжения B0 - 50 кВ).
Поэтому поглощение энергии пучка даже при
большой толщине слоя происходит в основном в
подложке. Слой же вносит свой вклад в
поглощение энергии в той мере, в какой
нарушается условие соотношения "массовой
толщины" слоя пленки и слоя подложки, в
котором поглощаются электроны:
•Урсл « Йрпод>
где s и h - соответственно толщина пленки и
глубина проникновения электронов в
вещество; рсл и рпод - плотность соответственно
материалов пленки и подложки.
На практике мощность Роб.сл
поглощаемая единицей объема слоя, при высокой
плотности его материала больше, чем мощность
Роблод поглощаемая единицей объема
подложки, т.е.
р Рсл р
^обхл — г об. под»
Рпод
Особо важным для практики является
случай, когда плотность и
температуропроводность материала слоя выше, чем материала
подложки. Нагрев слоя в противоположность
нагреву подложки происходит адиабатически,
пока теплообмен между слоем и подложкой
остается ограниченным. Сколько-нибудь
значительного оттока теплоты внутрь слоя не
возникает до тех пор, пока полуширина
температурного профиля, обусловленного действием
мгновенного точечного источника теплоты,
расположенного в слое, остается малой по
сравнению с радиусом фокусного пятна пучка.
Когда температура материала в слое
становится равной температуре его плавления под
действием сил поверхностного натяжения,

МЕТОДЫ
69
расплавленный участок слоя быстро
расходится в стороны и на поверхности подложки
вначале появляются обнаженные островки, а
затем все пространство, облучаемое пучком,
очищается от материала слоя. Испарение
материала не происходит. Расплавленный
материал слоя собирается на краю в виде капелек
или образует валик.
Для удаления материала слоя путем
испарения прежде всего требуется
кратковременность подвода энергии пучка (импульсный
режим), так как испарение материала слоя
должно закончиться раньше, чем расплавленный
материал достигнет края обнаженного участка.
Если температура плавления материала
слоя выше, чем температура испарения или
разложения материала подложки, то возможен
вариант обработки, когда полурасплавленный
или тонкий хрупкий слой взрывается под
действием давления образующегося под ним пара.
Электронно-лучевая обработка тонких
слоев, например, применяется в производстве
пленочных резисторных схем для устройств
электроники с точной подгонкой до номинала
и др.
Термическая размерная обработка
массивных изделий. При термической обработке в
результате плавления или испарения
происходит вынос материала из зоны действия пучка и
осуществляются термические превращения
материала. В обоих случаях цель обработки
заключается в изменении структуры материала
заготовки.
Непосредственной целью обработки
может явиться, например, получение пазов
заданной ширины, глубины и с заданным
профилем сечения или отверстий заданного
диаметра. В общем случае под обработкой
массивных тел понимают такие разновидности
обработки, при которых глубина обработки Ад
превышает глубину проникновения
электронов пучка h в данный материал: hn> h.
Необходимо учитывать следующее:
максимум удельной поглощаемой
мощности находится в центре фокусного пятна под
поверхностью мишени на глубине, равной
0,33/г и приблизительно вдвое превышает
удельную поглощаемую мощность на
поверхности заготовки;
с удалением от центра фокусного пятна,
в котором имеет место максимум, удельная
поглощаемая мощность монотонно
уменьшается, стремясь к нулю;
для относительных поверхностных
мощностей, превышающих О^Рщ^, поверхности
равных значений являются замкнутыми
сферами, целиком расположенными под
поверхностью мишени.
Возможные области применения
термической размерной обработки приведены в
табл. 2.1.1.
2.1.1. Области
Физический эффект
Фазовые превращения в
твердом теле
Сублимация
Разложение твердого
материала на летучие компоненты
Разложение с образованием
хотя бы одной твердой
компоненты
Плавление
Испарение
Ударные волны
применения термической размерной обработки
Технологический процесс
Закалка
Вынос материала
(выполнение отверстий, пазов,
гравирование, резка)
Микросварка
Полирование
Нанесение рисок
оплавлением (скрайбирование)
Вплавление лигатур
(легирование)
Вынос материала
(выполнение отверстий, пазов,
гравирование, резка)
Дробление материалов
Эксперименты по
управляемому термоядерному синтезу
Обрабатываемые материалы
Закаливаемые стали
Алмаз, графит, кварцевое
стекло
Керамика, синтетические
материалы
Арсенид галлия, фосфид
галлия
Металлы
Кремний, германий
Кремний, германий,
керамика, ферриты
Кремний, германий
Металлы, диэлектрики, сиг-
нетоэлектрики
Камни, тритиевая мишень и
др.

70
Глава 21. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
При электронно-лучевой обработке
используются три режима: моноимпульсный,.
многоимпульсный, с быстрым скольжением
пучка по поверхности мишени.
При моноимпульсном режиме обработки
мишень облучается, т.е. подвергается
воздействию пучка в течение времени действия одного
импульса пучка. Время длительности этого
пучка составляет 0,1 - 1,0 мс, а глубина
обработки намного превышает глубину
проникновения электронов, так при непрерывном
выбросе материала из зоны обработки пучок все
глубже проникает в образец. Глубина канала
проплавления зависит от мощности пучка и
свойств материала и составляет несколько
миллиметров.
В некоторых случаях лучшие результаты
получаются при многоимпульсной обработке.
Длительность пауз между импульсами должна
быть намного больше длительности
импульсов. Во время пауз жидкая фракция успевает
стекать и остывать. Из-за встречного потока
пара по мере углубления канала его дна
достигает все меньшая часть энергии импульса и
в итоге эта часть становится недостаточной для
дальнейшей обработки, а при выключении
пучка часть расплава закупоривает узкие
каналы или стекает на дно. Поэтому с увеличением
числа импульсов глубина канала растет не
линейно, а почти логарифмически. Этот
режим позволяет получать каналы глубиной до
15 мм. Производительность многоимпульсной
обработки меньше, чем моноимпульсной.
Сквозные отверстия получаются чище, если
образец располагается на подложке из
материала с малой температурой испарения, так
как пучок, достигающий этой подложки,
начинает бурно испарять ее и струя пара
очищает канал. Импульсные режимы используются в
основном для точечной обработки с уносом
материала.
Третий режим обработки применяется в
основном при получении линейных
элементов. Скорость отклонения пучка vn
необходимо выбирать так, чтобы время действия пучка
на данную точку
Скорость отклонения выбирают с учетом
температуропроводности материала и диаметра
пучка или глубины проникновения
электронов.
Программируя траекторию отклонения и
перемещения обрабатываемой детали, можно
получить почти любые очертания структур
обработки. Длительность импульсов и пауз,
сила тока пучка и удельная мощность,
изменение фокусировки влияют на параметры
обработки: диаметр и профиль канала, глубину и
профиль пазов и т.д.
Исходя из требований технологии,
электронно-лучевое оборудование для термической
размерной обработки обеспечивает
формирование электронных пучков мощностью 1 -
15 кВт в импульсе. Управление пучком
осуществляется цифровыми программными
системами или ЭВМ.
Химические электронно-лучевые методы
обработки. При взаимодействии электронов
пучка с молекулами химических соединений
происходит их возбуждение или ионизация.
Это стимулирует различные химические
реакции, при которых образуются новые
соединения или изменяются молекулярные связи.
Химические продукты, подвергнутые
облучению пучком электронов, приобретают новые
физические и химические свойства.
Электронно-лучевые (радиационные) процессы
относятся к лучехимическим процессам, вызывающим
совокупность химических изменений под
действием ионизирующих потоков частиц. В
результате лучехимических процессов возникает
ионизация, которая в большинстве случаев
приводит к гораздо большему разнообразию
возможных реакций, чем при других радиаци-
онно-химических реакциях.
Задача электронно-лучевой обработки в
технологическом плане состоит в том, чтобы в
результате воздействия электронного пучка на
образец возбудить в нем такие химические
реакции, которые приводили бы к
программируемым химическим или физическим
превращениям.
В табл. 2.1.2 приведены примеры
электронно-лучевой химической обработки
материалов.
Электронная литография. Электронная
литография - это метод формирования
скрытого изображения топологических слоев
интегральных схем и других полупроводниковых
приборов в тонких слоях материалов,
меняющих свои свойства (растворимость после
экспонирования и стойкость к агрессивным
средам после проявления) под действием
облучения пучком электронов.
Автоматизация и миниатюризация в
микроэлектронике стали возможны только с
переходом к инструментам, способным
выполнять операции формирования рисунков
топологических слоев с минимальными
линейными размерами элементов менее 0,3 мкм.
Одним из таких инструментов является
электронный пучок. Он позволяет переносить
информацию о рисунке из памяти ЭВМ, минуя
промежуточные носители информации, и
формировать эти рисунки непосредственно на
полупроводниковой пластине без шаблона.
Высокая пространственная разрешающая
способность, в основном, обусловлена очень
короткой длиной волны электрона.

МЕТОДЫ
71
2.1.2. Примеры химических электронно-лучевых методов обработки
Технологический
процесс
Связывание в
молекулярные
сети
Вулканизация
Отверждение
Полимеризация
с прививкой
Полимеризация
Деполимеризация
Стерилизация
Обрабатываемый
материал
Полиэтилен
Полипропилен
Поливинилхлорид
Полиамид
Поливинилиденфторид
Каучук
Ненасыщенные смолы
Полиэтилен
Фторутлеводороды
Полиметилметакрилат
Поливинилхлорид
Полипропилен
Полиамид
Лавсан
Целлюлоза
Хлопчатобумажная +
лавсановая пряжа
Триоксан
Целлюлоза
Медицинский
инструмент и препараты
Пищевые продукты
Химический
процесс
Синтез
••
и
••
Деструкция
Разложение
"
Изменение свойств
материала
Усадка, повышение
механической прочности, исключение
трещин, повышение адгезии к
краске
Повышение прочности,
водостойкости, исключение трещин
Повышение термостойкости,
исключение трещин
Повышение прочности и
термостойкости
Усадка, исключение трещин
Улучшение механических
свойств, исключение трещин и
уменьшение старения
Увеличение времени хранения,
экологических и
экономических показателей
Улучшение адгезии и
антистатических свойств
Улучшение адгезии и
окрашиваемости
Увеличение стойкости к
растворителям и термостойкости
Улучшение окрашиваемости и
огнестойкости
Улучшение антистатических
свойств
Улучшение поверхности
Улучшение окрашиваемости
Повышение несминаемости,
грязе- и краскоотгалкиваемости
Ускорение отверждения
Улучшение растворимости
Ускорение стерилизации
Активизация уничтожения
бактерий

72
Глава 2.L ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Важное значение в технологии
электронной литографии играет материал,
чувствительный к потоку электронов. Этот материал
называется электронорезист. Он представляет
собой тонкую пленку, которая наносится на
подложку из кремния, стекла, полиэтилена
как из жидкой фазы, так и осаждением в
вакууме. При облучении электронным пучком
происходит полимеризация или деструкция
молекул пленки в зависимости от типа элек-
тронорезиста - позитивного или негативного.
Эффективность реакции зависит от энергии
электронов, плотности тока пучка,
молекулярного веса электронорезиста, толщины слоя
или числа молекул в зоне облучения. Согласно
закону фотохимической эквивалентности Эн-
штейна каждому поглощенному электрону
соответствует превращение одной молекулы,
т.е. квантовый выход, характеризующий
склонность молекул к химическим
превращениям, равен единице. Практически только
первичное химическое превращение
молекулы, поглотившей электрон, обладает таким
квантовым выходом. Вторичные реакции -
превращение первичных продуктов - очень
резко изменяют квантовый выход.
Согласно представлениям квантовой
механики атомы и молекулы не обладают
произвольным запасом внутренней энергии. Ее
изменения происходят скачкообразно, путем
поглощения такой дозы излучения, которая
способна перевести атом или молекулу из
одного энергетического состояния в другое. Эту
дозу энергии можно определить, пользуясь
равенством
&Е = Ег - Еъ
где Е% - энергия возбужденной молекулы; Е\ -
энергия исходной молекулы.
Чувствительность электронорезиста к
электронному пучку слабо зависит от энергии
электронов и сильно зависит от времени
облучения. Поэтому дозу облучения Q (Кл / см2),
необходимую, например, для полимеризации
пленки на всю толщину, выражают через заряд
qt приходящийся на единицу поверхности:
где / - сила тока пучка, А; / - время
воздействия пучка, с; F3 - площадь, бомбардируемая
электронами пучка, см2.
Чувствительность электронорезиста равна
1/Q. Таким образом, доза, необходимая для
полной полимеризации пленки (толщиной в
несколько микрометров) на всю толщину,
представляет собой количество электронов,
проходящих через определенное число
молекул. Это количество электронов зависит от
плотности материала пленки электронорезиста
и диаметра площадки, бомбардируемой
электронами.
Существует большое число электроноре-
зистов с разными свойствами. Наибольший
интерес представляют такие, для проявления
которых не нужны жидкостные процессы
(сухая технология) и которые обладают
высокой разрешающей способностью к
воспроизведению элементов рисунка, наивысшей
чувствительностью и высокой стойкостью к
агрессивным средам (ионной бомбардировке или
ионноплазменной обработке, воздействию
высокоактивных химически элементов).
Поверхность полимеризованного
электронорезиста после экспонирования "точки"
можно аппроксимировать параболой, если
радиальное распределение плотности тока и
распределение обратнорассеянного потока
электронов в плоскости электронорезиста на
поверхности подложки подчиняется закону
Гаусса.
Электроны, бомбардирующие пленку
электронорезиста, испытывают упругие и
неупругие соударения с атомами вещества и
рассеиваются. Вследствие этого пучок электронов
расширяется. Значительная часть электронов
пучка тормозится или отражается от
подложки. Отраженные и вторичные электроны,
равно как и рентгеновское излучение от
подложки, попадая в пленку резиста, влияют на
процесс экспонирования. Все эти эффекты
способствуют расширению зоны экспонирования
электронорезиста на расстоянии до нескольких
микрометров от места падения пучка. В
результате этого происходит искажение
геометрических параметров экспонируемого рисунка,
особенно, если рисунок содержит элементы с
линейными размерами 1 мкм и менее.
Эффект усиливается тогда, когда одни
элементы расположены вблизи других. Это
объясняется тем, что электронорезисты
способны накапливать дозу облучения, и по мере
ее увеличения толщина экспонируемой пленки
растет. Если экспонируемый участок уже
получил некоторую дозу облучения от соседнего
участка за счет облучения отраженными
электронами, то уширение зоны облучения идет
еще быстрее. Это явление называется
эффектом "близости" и зависит от энергии
первичных электронов, материала подложки,
материала, толщины, контрастности
электронорезиста и способа дальнейшей обработки.
Влияние эффекта расширения зоны
экспонирования на погрешность рисунка
уменьшают с помощью специальных методов
экспонирования. Один из таких методов состоит в
регулировании заряда {It) в каждой точке
рисунка путем изменения тока пучка или
времени экспонирования по заранее составленной
программе.

МЕТОДЫ
73
Другой метод заключается в том, что
используется не только тонкая подложка
(толщиной до 100 нм). но и тонкий слой C -
100 нм) электронорезиста, нанесенного
методом испарения в вакууме, а также снижение
ускоряющего напряжения до 1 - 5 кВ или его
повышение до 100 - 150 кВ. В первом случае
эффективность поглощения электронов в
электронорезисте выше, во втором -
эффективность взаимодействия электронов с
пленкой и подложкой намного меньше, а, значит,
значительно меньше влияние отраженных
электронов. Это позволяет после проявления
получить разрешение до 60 нм. Иногда в
качестве резиста используют материал,
разлагающийся при экспонировании, с молекулами
небольшого размера (щелочные галоиды и
алифатические аминокислоты),
позволяющими улучшить разрешение электронолитогра-
фии до 1,5 - 2 нм.
Методом электронной литографии
изготовляют шаблоны (промежуточные, эталонные
или рабочие для фотолитографии;
рентгеновские шаблоны, фотокатоды, электроно- или
ионошаблоны для проекционных
рентгеновских, ионных или электронных установок) и
маски на полупроводниковых пластинах на
всех стадиях формирования микросхем и
других полупроводниковых приборов.
Изготовление такой маски
осуществляется с помощью электронного пучка круглого
или прямоугольного сечения путем
экспонирования (облучения) запрограммированных
участков рисунка топологического слоя
последовательно "точка за точкой".
Перемещение сфокусированного
электронного пучка (или пучков при
многопучковой электронолитографии) осуществляется
растровым (анизотропная развертка фокусного
пятна пучка по плоскости мишени) или
векторным (изотропная развертка)
сканированием. Векторная развертка экспонирования
эффективнее, так как при этом переход пучка с
одного экспонируемого участка на другой
происходит без потери времени.
Дополнительную экономию времени дает
экспонирование пучком прямоугольного сечения с
изменяемыми по программе размерами сторон и
равномерным распределением плотности тока
в пучке. Кроме того, значительное отличие
при экспонировании электронорезиста пучком
прямоугольного сечения от круглого состоит в
том, что при такой технологии получается
более ровный край рисунка. Круглый пучок с
туссовым распределением плотности тока по
сечению накладывает условие более плотного
наложения круглых фокальных пятен друг на
друга, чтобы получить более приемлемую
неровность края рисунка и более равномерное
облучение электронорезиста.
Используются многопучковые системы,
где несколько пучков (до нескольких десятков)
экспонируют одновременно и одинаковые
рисунки. Используются и полнопрофильные
пучки, аналогичные формируемым в
проекционных системах. Такие пучки получаются с
помощью шаблонов и экспонируют целые
фрагменты рисунка. В силу ограниченности
угла отклонения пучка без значительных
искажений поле сканирования ограничено
размером чипа. Мультипликация изображения
осуществляется путем многократного
последовательного повторения одного и того же
рисунка, иногда используется метод
сканирования пучка по одной оси Хь в то время как по
оси Y смещение пучка происходит за счет
движения координатного стола. Если размер
рисунка не укладывается в размеры поля
отклонения пучка, то полный рисунок
экспонируется пофрагментно. Погрешность стыковки
фрагментов зависит от системы совмещения.
Фотошаблоны и фотокатоды
представляют собой стеклянные пластины, на которых
сформированы соответствующие
технологические слои. Рентгеношаблоны, ионошаблоны и
электроношаблоны представляют собой, как
правило, маски, расположенные на тонкой
прозрачной для данного вида излучения
подложке (толщиной до 20 - 50 нм) или без
подложки. Любой тип шаблона, включая
фотокатод, являются инструментом для изготовления
рабочих масок на полупроводниковых
пластинах.
Методом проекционной электронной
литографии осуществляется перенос (в масштабе
1 : 1 или с уменьшением) изображения маски
электроношаблона на полупроводниковые
пластины.
Для совмещения нового изображения с
предыдущим используются специальные знаки
(метки совмещения). Эти знаки
"ощупываются" электронным пучком в перерывах между
экспонированием рисунка. Интенсивность
потока вторичных электронов от меток
совмещения выше, чем от подложки, так как
они имеют либо специальный профиль, либо
выполнены из химического элемента с
большим атомным номером. Сигналы от меток
регистрируются приемником и передаются на
ЭВМ, которая вводит поправку на отклонение
пучка. Другое назначение меток заключается в
том, что с их помощью осуществляются
измерения характеристик пучка (диаметра,
эллиптичности, распределения плотности тока) и
аберраций рисунка, вызванных отклонением
пучка и искривлением поверхности мишени,
по возможности в каждой точке рисунка. По
сигналам от меток ЭВМ вырабатывает сигналы
коррекции.
С помощью электронной литографии
можно создавать интегральные схемы с
огромным объемом памяти, очень большим
быстродействием при малом потреблении мощности.

74
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
2.1.4. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ
При выборе электронно-лучевого
оборудования, осуществляющего термическое или
нетермическое воздействие на изделие,
необходимо, исходя из баланса мощности,
определить требуемую для конкретного
технологического процесса мощность электронного пучка
и кинетическую энергию электронов. Далее
устанавливают требования, предъявляемые к
форме и размеру сечения пучка (или
разрешающей способности), скорости его
перемещения по поверхности и траектории этого
перемещения, площади, обрабатываемой
пучком. Важно определить, необходимо ли
прерывание пучка во время работы, с какой
частотой, скважностью и т.д., а также,
удовлетворяются ли требования к точности
позиционирования пучка или координатного стола,
стабильности питающих устройств,
быстродействию всех исполнительных органов,
быстродействию, объему памяти и другими параметрами
системы автоматизированного управления.
После этого определяют другие параметры
оборудования, например, размер
технологической камеры, тин внутрикамерной оснастки,
параметры средств вакуумной откачки и
контроля за давлением и составом остаточных
газов, системы загрузки и выгрузки и т.п. Эти
данные необходимы для того, чтобы выбрать
элементы электронно-лучевой установки,
способные выполнить все требования
технологии.
Установки с малой мощностью пучка
A0 Вт - 1 кВт) и диаметром пучка ДО - ДО мм
по конструкции сходны между собой и
применяются для термической и нетермической
обработки материалов и микросварки. При
нетермической обработке удельная мощность
достигает ДО6 Вт/см2 при очень малом
диаметре пучка и сравнительно небольшой общей
мощности. При термообработке и
микросварке удельная мощность составляет 106 -
ДО9 Вт/см2 при соответственно больших
диаметрах пучков. Ускоряющие напряжения,
применяемые в этих установках, составляют
20 - 150 кВ. Установки с мощностью 1 -
100 кВт, удельной мощностью ДО5 - ДО7 Вт/см2
и диаметром пучка от нескольких десятых
долей миллиметра до нескольких миллиметров
применяются преимущественно для сварки и
нетермической обработки материалов с целью
изменения их свойств. В последнем случае
используются сверхвысоковольтные установки
с энергией электронов до 1 - 8 МэВ. Это
различного типа ускорители электронов как
прямого действия, так и с ускорением электронов
методом бегущей волны (СВЧ-ускорители).
Удельная мощность, приносимая
электронным пучком на поверхность мишени,
выражается через основные характеристики
пучка в виде
где U - ускоряющее напряжение, В; / - сила
тока пучка, A; j - плотность тока пучка, А/см2;
d - диаметр пучка на поверхности мишени,
см.
Баланс мощности при определенной
технологической операции позволяет оценить,
какая доля пучка, дошедшая до мишени,
затрачивается на программируемый
технологический процесс. Зная эту долю, можно
выбрать из имеющегося оборудования или
конструировать новое оборудование для
выполнения нужного процесса.
При нагреве стальной ленты
электронным пучком 45 - 55 % потребляемой
электрической мощности, т.е. 60 % мощности
электронного пучка, выделяется в ленте в виде
теплоты. Мощность пучка составляет 75 - 85 %
общей потребляемой мощности, которая
затрачивается на следующие процессы: потери
во вторичных источниках питания A0 - 15 %);
разогрев катода A - 5 %); потери части пучка
в пушке (менее 1 %); поглощение энергии
пучка остаточными газами A %); отражение
электронов от ленты A5-30 %); возбуждение
рентгеновского излучения в ленте A %);
отклонение пучка за пределы ширины ленты E %).
После определения требований к
параметрам электронного пучка выбирают
конструктивные элементы оборудования, способные
удовлетворить этим требованиям.
Кинетическая энергия электронов
зависит от ускоряющего напряжения. Для
нерелятивистских электронов кинетическая энергия
(не более 100 кэВ) прямо пропорциональна
ускоряющему напряжению (В). Для
релятивистских электронов с энергией более 100 кэВ
ускоряющее напряжение определяют по
формуле
U= 1/эA + 0,98-10 U3)y
где U3 - напряжение на ускоряющем
электроде, В.
Выбранное ускоряющее напряжение
определяет требования к высоковольтному
кабелю и изолятору электронной пушки, ширине
вакуумного промежутка между катодом и
анодом (в диодной системе в качестве анода
используется сама мишень, например в
плавильных печах), допустимому значению давления
остаточных газов и паров в электронно-
оптической системе и технологической камере.
В современных электронных пушках
электроны эмиттируются катодами разных
размеров и формы из разных материалов. Это
связано с тем, что для эмиссии больших
потоков электронов (большой силы тока - до сотен
килоампер) используют плоские дисковые или
близкие к этой форме катоды с большой
поверхностью (диаметром до 30 мм).

МЕТОДЫ ВЫБОРА И РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 75
В слаботочных электронных пушках
используют катоды с малой рабочей
поверхностью (радиусом 1 - 100 мкм).
Для формирования пучков малого
диаметра (до ОД мкм) используют шпилькообраз-
ные и острийные катоды, в качестве материала -
полукристаллы или монокристаллы гексабори-
да лантана (LaB^) или сплав вольфрама с
добавками рения для устранения хрупкости.
Все катоды с большой поверхностью, а
также шпилькообразные и острийные катоды
из гексаборида лантана комплектуются
подогревателями.
Зависимость направления и скорости
электронов, эмиттируемых катодом, от его
температуры подчиняется закону Максвелла.
Средняя начальная энергия электронов
Ео = еЩ = кТ9
где Щ - разность потенциалов, В; е - заряд
электрона, Кл; к - постоянная Больцмана,
Дж/К; Т - температура катода, К.
При типичной для эмиссии электронов
температуре 2850 К начальная энергия
электронов Eq « 0,25 эВ D-Ю0 Дж), а начальная
апертура пучка электронов составляет п / 2.
Электроды электронной пушки,
представляющие собой катод и анод, а в трехэлек-
тродных пушках еще и управляющий электрод
(цилиндр Венельта), образуют иммерсионную
электростатическую линзу, которая создает не
только ускоряющее, но и фокусирующее поле.
Электроны, попадая в фокусирующее поле,
создают в некоторой точке заанодного
пространства изображение катода, чаще всего
увеличенных размеров. Такие изображения из-за
малой плотности тока не используются для
формирования рабочих пучков. Для
дальнейшего формирования пучка обычно выбирают
минимальное сечение с максимальной
плотностью тока. Оно называется фиктивным
источником электронов, или кроссовером,
Положение кроссовера на оптической оси и
его размер зависят от конструкции
электронной пушки. После ускорения электронов
апертура пучка
Ускоряющее напряжение 10 - 100 кВ
уменьшает апертуру пучка до 1,5-10ср.
Плотность тока на оси
j ^Ж^э I Щ + l)sin2a,
где/о - плотность тока эмиссии на катоде; a -
апертура, равная половине угла расхождения
пучка электронов.
Пучки электронов характеризуются
электронной яркостью (плотностью тока в единице
телесного угла), А / (см2ср2), или
направленностью:
которая является фундаментальной
характеристикой электронного пучка, зависящей только
от эмиссионной способности катода,
ускоряющего напряжения и конструкции
электронной пушки, влияющих на апертуру пучка.
Эта величина инвариантна во всем
пространстве электронно-оптической системы.
В оборудовании, предназначенном для
термической обработки образца и, в частности,
для испарения, размерной обработки или
сварки, необходимо добиваться создания
пучков с высокой электронной яркостью. Для
этого следует, повышать ускоряющее
напряжение в пушке с линейным ускорением
электронов и увеличивать плотность тока эмиссии.
Например, при использовании катода из ЬаВб
вместо вольфрамового при той же температуре
электронная яркость увеличивается на
несколько порядков.
При нагревании материал катода
испаряется. Это испарение зависит от температуры,
следовательно от той плотности тока эмиссии,
которую должен обеспечить катод. Нагревают
катоды пропусканием через них тока накала
или с помощью дополнительного
нагревательного элемента, теплота от которого передается
за счет теплопроводности, лучеиспускания или
электронной бомбардировки.
Остроконечные катоды чаще используют
для холодной полевой эмиссии (авзюэлектрон-
ная эмиссия). Автоэлектронная эмиссия
обладает характерной особенностью)..
Автоэлектронные пушки имеют большую электронную
яркость, но не могут обеспечить большие токи
эмиссии, поэтому в технологическом
оборудовании не применяются.
В трехэлектродных электронных пушках
диаметр пучка d в фокусе иммерсионной
линзы можно выразить через диаметр */кхрабочей
части катода:
d = ^-
где ос - начальная апертура пучка.
Учитывая, что ос' = dK / B/?), получим
d-2/Ш
где /' - фокусное расстояние иммерсионной
линзы электронной пушки.
Положение фокусного пятна зависит от
фокусирующих свойств иммерсионной линзы,
а, значит, от напряжения на среднем -
управляющем - электроде этой линзы. Если оно
близко к напряжению запирания, то фокусное
пятно располагается вблизи катода. С ростом

76
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
положительного управляющего потенциала
сфокусированное пятно смещается в сторону
анода и затем, проходя через отверстие в
последнем в заанодное пространство, удаляется в
бесконечность. При дальнейшей
расфокусировке фокусное пятно снова приближается к
катоду, но теперь уже как мнимое фокусное
пятно. При изменении потенциала среднего -
управляющего - электрода изменяются
диаметр фокусного пятна и апертура пучка
одновременно. При увеличении управляющего
потенциала апертура возрастает, достигая
максимума в тот момент, когда эмиссия
происходит со всей поверхности катода. Дальнейшее
ослабление фокусировки, смещая фокусное
пятно к аноду и в заанодное пространство,
снова уменьшает апертуру.
Принято принимать за диаметр пучка
такой диаметр, при котором плотность тока в
радиальном направлении снижается примерно
в 2,7 раза по отношению к максимальной.
Через сечение пучка с таким диаметром
проходит до 68,3 % электронов. В реальных
конструкциях может наблюдаться отклонение
распределения пучка электронов от гауссова.
При конструировании электронной
пушки с заданными параметрами пользуются
методом численного моделирования.
Цель расчета электронной пушки
заключается в том, чтобы найти форму электродов,
межэлектродные расстояния и потенциалы,
удовлетворяющие требованиям к
характеристикам пучка в фокусном пятне на мишени.
Для изменения диаметра электронного
пучка и плотности тока, а также
распределения заданной плотности тока по сечению
используют электронные линзы - магнитные и
электростатические. Это конструктивные
элементы злектронно-лучевого оборудования,
создающие магнитные или электрические поля
такой формы и напряженности, при которых
электроны, проходя через них, меняют
направление своего первоначального движения и
могут фокусироваться подобно световым
лучам, проходящим через стеклянные линзы.
Существенным преимуществом электронных
линз является легкость управления их
параметрами путем изменения силы тока,
протекающего по катушкам возбуждения
магнитного потока в них или изменения
электрических потенциалов на электродах
электростатических линз.
Электронная пушка, объединенная в
один конструктивный функциональный узел с
одной или несколькими электронными
линзами, называется электронно-оптической
(иногда ее называют элекронно-лучевой) системой.
Согласно законам геометрической
оптики диметр электронного пучка на выходе
(Увых) из электронно-оптической системы
пропорционален диаметру пучка на входе
где М - электронно-оптическое увеличение
системы электронных линз.
Так как увеличение одной линзы не
может быть очень большим из-за наличия
аберраций, приходится использовать несколько
сопряженных электронных линз. Диаметр
пучка d для ряда процессов необходимо
увеличить или уменьшить с тем, чтобы пучок
электронов в зоне действия имел требуемый
размер da и определенную плотность тока ga
или определенную удельную мощность РудМ.
Значит, величина М может быть как
положительной, так и отирицательной. Без учета
диафрагмирования пучка справедливы следующие
соотношения:
М'
1
здесь индекс "Ь" относится к электронной
пушке, а индекс "а" - к плоскости
взаимодействия пучка с мишенью.
Электронные линзы переносят
изображение из плоскости объекта в плоскость
изображения с некоторыми погрешностями,
называемыми аберрациями. Аберрации
размывают и искажают изображение. В некоторых
технологических установках допустимо
пренебречь этими погрешностями, в других их
необходимо учитывать.
Аберрации увеличиваются с увеличением
апертуры пучка. Апертуру пучка можно
регулировать с помощью диафрагм. Электронно-
оптическая система за счет диафрагмирования
пучка уменьшает общее число электронов в
пучке, а за счет фокусирования пучка
повышает плотность тока в фокусном пятне.
Оптимальный вариант выбирают методом
численного моделирования электронно-оптической
системы.
Плотность тока и удельную мощность
пучка на мишени с учетом погрешностей
изображения, создаваемого линзой, рассчитывают
по значениям идеального диаметра d$ и
аберраций, выражаемых кружками размытия
изображения.
Метод расчета основан на квадратичной
суперпозиции идеального диаметра d$ и
диаметра di кружков аберраций
Более точные результаты получаются при
выполнении траекторного анализа. Созданы
методы расчета широкоугольных систем.
В многолинзовой системе наибольший
вклад в искажение изображения вносит
объективная линза, т.е. линза, которая ближе всех

МЕТОДЫ ВЫБОРА И РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 77
расположена к мишени. В первую очередь, как
правило, оценивают аберрации именно этой
линзы.
Из всех аберраций наибольший вклад
вносит сферическая аберрация, хотя в
некоторых случаях другие аберрации влияют не
меньше. Если учитывать только сферическую
аберрацию линзы, то диаметр пучка
B.1.2)
или с учетом электронной яркости L
где 0;ф - коэффициент сферической
аберрации.
При учете i аберраций сила тока в таком
пучке
Если учитывать только сферичекую
аберрацию объективной линзы, то сила тока в
пучке
Для линзы с заданными параметрами
диаметр пучка d можно минимизировать,
подбирая соответствующую апертуру пучка. Расчет
такого минимального диаметра пучка, а также
максимальных плотности тока и удельной
поверхностной мощности пучка в нем с
учетом аберраций осуществляют на ЭВМ,
пользуясь специальными программами.
Из уравнения B.1.2) оптимальная
апертура
а.
16
B.1.3)
а минимальный диаметр пучка
. B.1.4)
37С3/8
Следовательно, максимальная удельная
мощность пучка на образце с учетом
сферической аберрации
. B.1.5)
гуд.тах
Влияние большинства аберраций можно
уменьшить путем их коррекции. Разработаны
специальные корректоры. Например,
хроматические аберрации корректируют путем
стабилизации ускоряющего напряжения и силы
тока линзы, астигматизм - применяя стигма-
торы, аберрации отклонения пучка -
динамической коррекцией отклонения.
Максимальная сила тока пучка Iarosn
пропорциональна минимальному диаметру
dmin в степени 8/3. Отсюда следует, что с
уменьшением диаметра пучка в 2 раза сила его
тока уменьшается почти в 8 раз. Достижимые
значения силы тока, фокусируемого на
мишени, составляют в установках для термической
обработки при диаметре пучка 10 мкм около
10~5 А, а в установках для нетермической
обработки при диаметре пучка 0,1 мкм - около
10"8 - 10 А.
Минимальное фокусное расстояние fi^
зависит не только от ускоряющего
напряжения, но и от магнитодвижущей силы.
Минимальное фокусное расстояние
линзы
/„to = 0,5^2+0,45D2
достигается при магнитодвижущей силе
возбуждения
где s - магнитный зазор, м; D - внутренний
диаметр линзы, м; N - число витков катушки;
1Л - сила тока электромагнитной линзы, А;
U* - ускоряющее напряжение с
релятивистской поправкой, В.
С ростом фокусного расстояния
увеличивается сферическая аберрация, т.е. чем больше
увеличение линзы, тем меньше сферическая
аберрация. Малые значения этой аберрации у
длиннофокусных линз получаются лишь при
больших полюсных зазорах и отверстиях
каналов: s I D » 1. Для фокусных расстояний от
ста до нескольких сотен миллиметров
целесообразно делать линзы с диаметром канала
100 мм и более.
Погрешности за счет хроматической
аберрации у магнитных линз возникают
потому, что фокусное расстояние зависит от
энергии электронов. Поэтому любое изменение
энергии электронов приводит к появлению
хроматической аберрации. Фокусное
расстояние изменяется также при колебаниях токов
возбуждения линз.
Диаметр кружка размытия пучка,
вызванного хроматической аберрацией,
где Ь - расстояние от центра линзы до
мишени; Схр - коэффициент хроматической
аберрации.

78
Шва 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Исходя из этого, в установках,
предназначенных для обработки материалов, включая
электронную литографию, для относительного
изменения напряжения во времени и для
разного рода флуктуации должно выполняться
условие Ы1Э / иэ A0 ... 10), а также для
сварки Ъиъ I Лэ < 10, для плавления и
испарения материалов Ы7Э / 1/э< 5-ДО ... 10.
Требования к кратковременной и
длительной стабильности для разного типа
оборудования различны. Это накладывает отпечаток
на конструкции вторичных источников
питания, используемых в электронно-лучевом
оборудовании.
Из-за неполной осевой симметрии
конструкции линзы возникает астигматическая
погрешность фокусного расстояния F/)аст и
диаметр пучка увеличивается
Астигматизм электронно-оптической
системы обусловлен не только и не столько
астигматизмом линзы, сколько несоосностью
пучка электронов и линзы, погрешностью
отклоняющих и центрирующих элементов.
Результирующий астигматизм корректируют с
помощью стигматоров.
Для отклонения электронного пучка от
оптической оси используются магнитные и
электростатические отклоняющие системы, т.е.
катушки или пластины. Электростатические
системы в технологических установках
применяются редко. Разработаны различные
конструкции электромагнитных отклоняющих
систем. Магнитный двухполюсник создает
поперечное магнитное поле, в котором
электронный пучок изменяет свое направление.
В качестве магнитопровода в
отклоняющих системах используют материалы с
высокой магнитной проницаемостью. Магнитная
индукция в зазоре магнитопровода
определяется по формуле
В = ц—-—,
где \х - магнитная проницаемость.
В высокочастотных отклоняющих
системах для снижения потерь на вихревые токи
магнитопровод уже для работы при частоте
50 Гц набирают из листовой
трансформаторной стали, а при высоких частотах -
изготовляют из тонколистового пермаллоя или из
ферритов. Потери на вихревые токи
возникают и в электропроводных деталях,
находящихся в зоне действия поля, в частности, в
стенках лучевода и линзы. В быстродействующих
отклоняющих системах, которые используют в
установках для электронной литографии,
необходимо поддерживать независимость
амплитуды отклонения от частоты в широком
диапазоне частот. В этом случае в отклоняющей
системе вихревых токов вообще не должно
быть. Для этого отклоняющие катушки в виде
стержней монтируют на изоляторах, т.е. без
магнитных сердечников.
Для отклонения пучка в современных
быстродействующих и прецизионных
установках для электронной литографии используют
отклоняющие системы, обмотки которых
представляют собой не обычные для
телевидения катушки, а стержни, по которым
протекают токи. Такая конструкция позволила
повысить частоту тока до 25 МГц.
Для отклонения электронных пучков по
двум координатам используют скрещенные
двухполюсники. Двухполюсники
располагаются в одной плоскости. Их поля направлены
перпендикулярно друг другу. Необходимо,
чтобы магнитные индукции в каждой
отклоняющей системе были одинаковы и угол
между их полями был равен 90 °, а центр всей
системы был строго совмещен с оптической
осью электронно-оптической системы. В
противном случае имеют место аберрации
отклонения. Для коррекции аберраций отклонения
используют корректоры, в которых на
отклоняющие системы подаются сигналы разного
функционального назначения. Иногда эти
сигналы смешиваются с сигналами,
подаваемыми для отклонения пучка.
Основными показателями качества
электронно-лучевых установок для электронной
литографии являются разрешающая
способность, минимально возможная площадь
сечения пучка, размер поля обработки этим пуч- •
ком при неподвижном изделии и погрешность
совмещения. Размер поля зависит от
максимально возможного угла отклонения, при
котором аберрации отклонения еще не настолько
велики, чтобы могли исказить заданный
рисунок топологического слоя. Максимально
возможное поле обработки при минимальном
сечении пучка можно обеспечить с помощью
функциональных узлов, где совмещены поля
электронных линз и отклоняющих систем.
Электронно-лучевые установки с такими
объективами позволяют формировать рисунки
топологических слоев интегральных схем с
размерами элементов рисунка до 0,1 х 0,1 мкм
на поле до 10 х 10 и даже до 20 х 20 мм при
неподвижном кристалле.
В ряде технологических процессов
возникает необходимость прерывания
(выключения или бланкирования) пучка на какое-то
время. Например, в установках для
микросварки импульсным пучком используют такую
систему прерывания пучка, в которой на
управляющий электрод подаются импульсы,
амплитуда которых достаточна для запирания
электронной пушки. Время фронта импульса в

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
79
такой системе достаточно велико и, поэтому
такие устройства не могут использоваться,
например, в установках для прецизионной
электронной литографии, в кбторых
используют другой принцип прерывания пучка. Он
заключается в том, что пучок отклоняется от
оптической оси так, чтобы он после
отклонения не мог попасть в отверстие диафрагмы.
Часто вместо диафрагмы, отсекающей пучок,
используется полуплоскость. Фронты отсечки
пучка несколько уменьшаются. Для получения
очень коротких фронтов отсечки пучка
(бланкирования) используют устройство,
состоящее из трехярусной отклоняющей системы
с диафрагмой между первыми двумя и
последним ярусами. Такая система обеспечивает
высокое качество формируемого пучка при
быстром его прерывании. Тип отклоняющих
систем и способ управления ими выбирается в
зависимости от назначения установки.
Кроме оборудования с гауссовым
распределением плотности тока в пучке
существует и другое. В электронной литографии
используется электронный пучок с равномерным
распределением плотности тока (в пределах
10 %), а сечение пучка имеет форму
прямоугольника с программируемым размером
сторон 0,1 - 10 мкм. Последнее достигается
благодаря использованию генератора формата
пучка, состоящего из нескольких ярусов
отклоняющих систем и диафрагм с
прямоугольными или иной конфигурации отверстиями.
Такое устройство позволяет вырезать пучок
требуемого сечения.
Используя легкость управления не
только оптической силой линз, но и индукцией
поперечного поля в отклоняющих системах
простым изменением силы протекающего тока
созданы автоматизированные комплексы,
осуществляющие все операции по настройке,
контролю и выполнению технологических
операций. Изменение силы тока выполняют
цифро-аналоговые преобразователи и усилители
мощности по командам от ЭВМ. Число каналов
управления зависит от сложности оборудования и
его функционального назначения.
Система управления в таком
оборудовании осуществляет контроль за различными
показателями его качества, например, следит
за перемещением координатного стола по
показаниях лазерного интерферометра или
фотоэлектрических датчиков, и вырабатывает
сигналы на исполнительные механизмы,
включая приводы координатного стола,
шлюзовых устройств, диафрагм, вакуумных
вентилей и других устройств. ЭВМ или другое
устройство принимает сигналы от датчиков
совмещения и осуществляет автоматическое
совмещение, например, очередного рисунка
топологического слоя наносимого на
полупроводниковый кристалл, с предыдущими
рисунками или положение пучка и шва и др.
В электронно-лучевом оборудовании при
разработке только электронно-оптической
системы (в зависимости от решаемой им
задачи) комбинируют ряд принципов и функций,
а также ряд функциональных элементов для
получения пучка, его формирования и
управления, контроля за процессом. Если,
например, электронно-оптическую систему
установки для электронно-лучевой сварки в
простейшей форме можно реализовать, используя
всего лишь три функции и, следовательно, три
функциональных элемента для получения и
формирования пучка, то в установках для
нетермической обработки, например, в установке
для электронной литографии только в
электронно-лучевой системе в упрощенных
установках комбинируют шесть, а в более сложных
и прецизионных - до пятнадцати
функциональных элементов.
Не менее важными элементами любого
оборудования являются оснастка
технологической камеры и сама камера с загрузочными
устройствами, средства вакуумной откачки,
системы контроля за технологическими
операциями и рабочими режимами оборудования,
системы управления работой оборудования и
вторичные источники питания.
Средства вакуумной откачки выбирают
или разрабатывают исходя, в первую очередь,
из требуемого остаточного давления и состава
газа, скорости откачки, стойкости откачных
средств к газам и парам, выделяемым в
технологическом процессе.
В технологических камерах размещают
внутрикамерную оснастку в виде
манипуляторов, координатных столов, тиглей (или их
сочетания), загрузочно-разгрузочных
устройств, шлюзовых устройств, датчиков и
детекторов, обеспечивающих контроль за
рабочими характеристиками оборудования и
технологического процесса. Все устройства и
механизмы, располагаемые внутри вакуумной
камеры должны обладать способностью
работать в условиях вакуума с требуемой
точностью и не привносить дополнительную
дефектность обрабатываемых изделий.
2.1.5. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Типовая электронно-оптическая система
(ЭОС), формирующая
аксиально-симметричный пучок электронов, состоит из
электронной пушки (генератора электронов) и
электромагнитной системы фокусировки
пучка. Электронная пушка предназначена для
начального формирования пучка. Она
содержит катод, фокусирующий электрод и анод.
Обычно анод заземлен, а катод и
фокусирующий электрод находятся под высоким
отрицательным потенциалом. Электроны,
эмитируемые катодом, ускоряются до высоких энергий
и формируются в пучок электрическим полем

80
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
фэ
VJ
щ
I
!
Рис. 2.1.6. Схемы технологических ЭОС:
а, б - испарительное осаждение тонких пленок
(ленточный и аксиально-симметричный электронный
пучок); в - зонная очистка (радиальный пучок);
г - плавка; д - сварка; е - размерная обработка;
1 - электронная пушка; К - катод;
ФЭ - фокусирующий электрод; А - анод;
2 - магнитная линза; 3 - система отклонения;
4 - диафрагма; 5 - стигматор; 6 - система юстировки;
7- тигель (кристаллизатор); 8 - изделие
пушки. Окончательное формирование
электронного пучка, т.е. получение заданного
диаметра, удельной мощности и отклонения
осуществляются обычно электромагнитными
системами. Фокусирующая система позволяет
регулировать диаметр пучка на изделии, а
отклоняющая система - реализовывать его
отклонение, позиционирование и
перемещение во время обработки (рис. 2.1.6)
Простейшие диодные ЭОС состоят из
одной электронной пушки. Анодом в этом
случае является обрабатываемое изделие, а сам
процесс обработки осуществляется в зоне
действия электрического поля высокой
напряженности. Такие системы конструктивно
просты, но недолговечны, так как катод работает в
чрезвычайно тяжелых условиях: он
подвергается воздействию паров, газов, светового
излучения и интенсивной ионной бомбардировке.
Срок его службы составляет единицы часов.
ЭОС, формирующие прецизионные
пучки, содержат электронную пушку, несколько
магнитных линз и ряд дополнительных
устройств: устройства механической и
электромагнитной юстировки, направляющие пучок
по оси магнитных линз; электростатические
устройства прерывания пучка и формирования
прямоугольного (или фасонного) поперечного
сечения; стигматоры - устройства для
коррекции формы пучка и т.п. В таких ЭОС обычно
предусмотрена независимая откачка для
получения высокого вакуума в области пушки, а
катод защищен от воздействия паров и
излучения из зоны обработки. Такие ЭОС
характеризуются высокой надежностью.
Диапазон применения электронных
технологий чрезвычайно широк - от плавки
металла, где используются пучки мощностью в
сотни киловатт, до тончайших субмикронных
электронных зондов с мощностью в доли ватта
для электронной литографии.
Принято разделять все пучки на низко -
и высокопервеансные. Критерием деления
является характеристическая проводимость
пучка
где / - сила тока пучка, 1/г - напряжение
ускорения электронов. Эта проводимость
называется первеансом пучка. Границей деления
считается первеанс, равный 10~6А / В3/2.
В низкопервеансных пучках (Р < 0,1
мкА/В3/2) объемный заряд мал, кулоновское
взаимодействие между электронами
практически отсутствует и движение электронов пучка
определяется законами геометрической
электронной оптики. В высокопервеансных,
интенсивных пучках (Р > ОД мкА/В3/2)
пространственный заряд оказывает существенное
влияние на характер движения электронов:
электронный пучок расширяется, ,имеет место
"провисание потенциала" и ограничение силы
тока пучка. Методика расчета таких
интенсивных пучков основывается на закономерностях
сильноточной электроники.
Электронные пушки для формирования
интенсивных пучков. Параметры пушек,
осуществляющих начальное формирование
интенсивных электронных пучков, рассчитывают по
методу Пирса. Расчет основан на
использовании известных соотношений между силой тока
пучка / и распределением потенциала U(Z)
для ламинарных потоков электронов в
идеальных вакуумных диодах: плоском,
цилиндрическом и сферическом. Из этих потоков
"вырезаются" пучки конечных размеров,
соответственно ленточный, клиновидный или
аксиально-симметричный сходящийся.
Остальная часть потока "отбрасывается" и вместо нее
эквивалентно действует электрическое поле
фокусирующих электродов. Эти электроды
создают вдоль границы пучка такое же
распределение потенциала и его нормальной (к
границе пучка) производной, которое
существовало в исходном потоке и, следовательно,
обеспечивают прямолинейное и ламинарное
движение электронов в пушке.

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
81
Рис. 2.1.7. Схема формирования ленточного
электронного пучка:
а - плоский диод; б - эквипотенциали электрического
поля вне пучка; в - электронная пушка,
формирующая ленточный электронный пучок;
К - катод; А - анод; Э - поток электронов; ПЭ и АЭ -
соответственно прикатодная и прианодная
эквипотенциали; ФЭ - фокусирующий электрод;
vz - скорость электронов
Электронная пушка для формирования
ленточного пучка. Плотность тока j и
распределение потенциала U вдоль оси Z плоского
диода (рис. 2.1.7) характеризуется известными
зависимостями
где sq - электрическая постоянная; е и т -
соответственно заряд и масса электрона; d -
расстояние между электродами; 1/& -
напряжение на аноде.
Конфигурация электродов диодной
пушки, определяется решением двумерного
уравнения Лапласа d2U/ dy2 + d2U/ dZ2 = 0 (в
области у > 0) дри граничных условиях
U(y = о) = Uz и Еу = 0 (Е - напряженность
электрического поля) и совпадает с формой
катодной U(y f 2) = 0 и анодной U^ 2) ~ U&
эквипотенциалей:
= Ztg —;
B.1.6)
= A(Z2 -
где А - константа.
Таким образом, пушка, формирующая
интенсивный ленточный пучок электронов,
имеет: прямоугольный катод; фокусирующий
электрод в виде двух пластин, наклоненных
под углом 67,5 ° к границе пучка; анод - в
виде изогнутой пластины с конфигурацией,
определяемой трансцендентным уравнением
B.1.6), подходящей к границе пучка под углом
90°.
В заанодном пространстве ленточный
пучок расширяется за счет действия
собственного пространственного заряда и
рассеивающего действия анодной щели. Траектория
крайнего электрона пучка является параболой:
/Z2
у -Уо= —
л* 4eov~Jf
/о \1/2
Bе гт ) ттг
- \—и&\ - скорость электрона; W -
V iti )
ширина пучка.
Преломляющее действие анодного
отверстия оценивается как воздействие щелевой
линзы с фокусным расстоянием/= 2\]^1(Е\ -
- i^), где Е\ = 4Ua/Cd), a ?2 = 0. В этом
случае / = -3/2*/, где знак "-" указывает на
рассеивающий характер линзы.
Электронная пушка для формирования
цилиндрического пучка. Ее параметры
рассчитывают аналогично. Катод электронной пушки в
этом случае имеет форму диска,
фокусирующий электрод - форму усеченного конуса с
углом при вершине 135 °, а анод - поверхность
вращения, образующая которой определяется
уравнением B.1.6).
Электронная пушка для формирования
аксиально-симметричного конического пучка.
Вакуумный диод в виде двух коаксиальных сфер
характеризуется прямолинейным движением
электронов по радиусам. Сила тока и
распределение потенциала U(K) соответственно
определяются выражениями:
B.1.7)
- a
4/3
где (-аJ и (-ааJ - табулированные функции
отношения радиуса кривизны к текущему
радиусу.
Формирование
аксиально-симметричного конического сходящегося пучка
электронов осуществляется путем вырезания шарового
сектора с углом при вершине 29 из
сферического диода (рис. 2.1.8).
Форма эквипотенциальных поверхностей
вне пучка определяется аналитическим
решением уравнения Лапласа в сферических
координатах при граничном условии B.1.7) по
распределению потенциала и равенстве нулю

82
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Рис. 2.1.8. Пушка сферического типа:
а - схема; RK - радиус сферы катода; R^ - радиус
сферы анода; гк - радиус катода; 0 - угол схождения
пучка; у - угол преломления; га - радиус анодного
отверстия; г^п - минимальный радиус пучка;
б - эквипотенциали внешнего электрического поля;
h I RK- относительная ордината, перпендикулярная
границе пучка; R / RK- относительный текущий
радиус сферического анода
градиента потенциала на границе пучка
dU {В) I dQ — 0. Эквипотенциальные
поверхности с потенциалом UK =0и U= U^-
определяют форму соответственно прикатодного
(фокусирующего) и анодного электродов
пушки (рис. 2.1.8, б).
Геометрические параметры пушки -
радиусы кривизны катодного Дс и анодного Д
электродов, угол сходимости пучка 0 - связаны
с силой тока пучка / и анодным напряжением
1/& законом "степени 3/2"
/ = 29,34 • 10"
sin
'Ши,
3/2
где /- в A; U - в В.
Таким образом, электронная пушка,
формирующая аксиально-симметричный
сходящийся пучок электронов, состоит из катода
в виде таблетки радиусом гк со сферической
эмитгирующей поверхности радиусом Дс двух
электродов - катодного и анодного -
выполненных в виде колоколообразных
поверхностей (по форме эквипотенциалей), которые
расположены соосно с катодом на расстоянии
(Дс - ДО друг от друга.
Конический электронный пучок, выходя
за пределы анода, дефокусируется из-за
расталкивающего действия пространственного
заряда пучка и рассеивающего действия
анодного отверстия. В заанодном пространстве
формируется минимальный радиус пучка г^,
на расстоянии Z^^ от анода:
B.1.8)
где Го - радиус пучка на выходе из анодного
отверстия;
B.1.9)
где
х fee/mill' . Расстояние 2^ находится
интегрированием выражения B.1.9).
Электронные пушки, формирующие
слаботочные низкоинтенсивные пучки. В
слаботочных пучках пространственный заряд
практически равен нулю и ограничение минимального
диаметра пучка в основном определяется
разбросом скоростей электронов, эмиттируемых
катодом. В качестве эмиттеров обычно
используются W, Та или ЬаВб, рабочая температура
которых равна 2500 - 2850 К (W, Та) и 1750 -
2000 К (ЬаВб). Средняя тепловая энергия
термоэлектронов 0,2 - 0,25 эВ. Движение
электронов в слаботочных пучках определяется
закономерностями геометрической оптики.
При малой эмитгирующей поверхности,
равномерности электрического поля на катоде,
постоянстве плотности эмиссионного тока и
отсутствии аберраций слаботочная электронная
пушка-иммерсионный объектив - формирует
скрещение лучей (кроссовер) (рис. 2.1.9),
которое характеризуется диаметром dC9
плотностью тока ус тах и электронной яркостью L:
= d^(jcT)
Л/2
kT
L_ Ус
Здесь dK - диаметр катода; к -
постоянная Больцмана; Т - температура катода; ]э =
= АТ^охр[-ещ(кТ)] - плотность электронного
тока на катоде, где А - константа; бфо - работа
выхода электронов, где фо - ширина
запрещенной зоны.

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
83
I
Рис. 2.1.9. Траектории электронов в иммерсионном
объективе:
К- катод; Л- линза (иммерсионный объектив);
С - скрещение; И- изображение катода;
гс - радиус кроссовера
Плотность тока в скрещении
распределена по закону Гаусса. Диаметр скрещения
ограничен соотношением тепловой скорости
термоэлектрона и скорости, развиваемой
электроном в электрическом поле пушки.
Положение кроссовера на оси пушки определяется
потенциалом на управляющем электроде, с
ростом которого плоскость скрещения
смещается к аноду и выходит в заанодное
пространство. При ускорении электронов разностью
потенциалов 20 - 150 кВ апертура пучка а =
= (%/2)кТ I (еЩ = A ... 5IО-3 рад.
Электронная яркость, А / (см2-ср): для
вольфрамовых катодов - около ДО5, для катодов из ЬаВб -
около 3406.
Системы формирования пучка.
Технологические ЭОС содержат электронную пушку,
системы фокусировки и отклонения пучка.
Система фокусировки преобразует пучок,
сформированный в электронной пушке,
изменяя его параметры (диаметр и плотность тока)
до значений, необходимых для выполнения
заданных технологических процессов; система
отклонения управляет позиционированием и
перемещением пучка по изделию при
обработке.
Для фокусировки пучка используются
осесимметричные магнитные поля,
создаваемые магнитными линзами. Отклонение
электронных пучков осуществляется с помощью
однородных магнитных полей, создаваемых
двухполюсными магнитными устройствами.
Для отклонения пучка на большие углы
используются системы, создающие секторные
магнитные поля.
ЭОС содержат также ряд
дополнительных функциональных устройств для
юстировки, диафрагмирования, стигмации и
бланкирования пучка.
Магнитные фокусирующие линзы.
Оптическая сила слабой и тонкой магнитной линзы
определяется значением магнитной индукции
ца оси линзы В и энергией электронов:
J--1 1 _
fa b~
\B2dZ, B.1.10)
где/- фокусное расстояние; b и а -
соответственно передний и задний отрезки линзы.
Масштаб М уменьшения (или
увеличения) изображения, равный отношению
диаметра электронного пучка в фокальной
плоскости на обрабатываемом изделии к диаметру
пучка в скрещении (М — с1И Д/С),связан с
параметрами линзы соотношением М= (b -fi / f —
= f/(a-b).
Магнитная линза (рис. 2.1.10) обычно
выполняется в виде многослойной катушки с
магнитодвижущей силой NIn. Катушка
закрыта магнитным экраном с немагнитным зазором
s на внутреннем диаметре линзы D.
Распределение магнитной индукции на оси такой
линзы при отсутствии насыщения материала
экрана (армко-железо) и 0,5 < D / s < 2 может
быть рассчитано по формуле
В
1,257 • 10
—4
2S
Z + S /2
Z-s/2
f(D/3J+(Z-s/2J\'
где В - в Тл; / - в A; s, D и Z - линейные
размеры, см. ~*
Для s / D < 1 при расчетах может быть
использовано распределение Глазера В =
= Вт[1 + (Z/dJ].Оптическая сила такой лин-
Рис. 2.1.10. Схема магнитной фокусирующей линзы

84
Глава 2Л. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
зы равна жк2/ Bd), где к2 = е2Вт2сР / (8/я /
/ eUg) - параметр, характеризующий
преломляющую силу линзы; Вт — \\qNI$/ (%d) -
максимальное значение магнитной индукции на
оси линзы, d » 0,48E2 + 0,45LP)V2 -
геометрический параметр (минимальное фокусное
расстояние). Для электронов
2,2 •
I
где Дп - в Тл; d - в см; Ua - в В.
Для тонкой экранированной магнитной
линзы, когда линейные размеры сечения
катушки значительно меньше ее среднего
радиуса Др, для определения фокусного расстояния
линзы может быть использовано соотношение
где К* 0,7; Д^> - в см; 1/л - в В; 1п - в А.
Изображение сечения скрещения (или
минимальное сечение интенсивного пучка),
сформированное электронной пушкой, с
помощью магнитной линзы переносится в
масштабе уменьшения (увеличения) на
поверхность обрабатываемого изделия. Для
идеальной безаберрационной линзы диаметр пучка
d^ и плотность тока /и в фокальной плоскости
на изделии рассчитываются по соотношениям:
«и \eUj '
B.1.11)
'Jc = TTTJs
J" M2JC~ M2J3 kT"°
где Ол и ас - полууглы схождения пучка
соответственно на изделии и в скрещении.
Отклоняющие системы.
Функциональными элементами, используемыми для
отклонения и поворота электронных пучков, являются
электростатические или электромагнитные
двухполюсники. Электростатическое
отклоняющее устройство - это две пластины, между
которыми создано электрическое поле;
электромагнитное устройство - это, по существу,
два полюса электромагнита.
Угол отклонения в электрическом поле,
где электроны движутся по параболе,
определяется выражением
где / - длина отклоняющих пластин в
направлении движения электрона; Е -
напряженность электрического поля отклонения.
Электростатические устройства
используются для прерывания (модуляции) пучка,
формирования переменного сечения пучка
прямоугольной формы и безаберрационного
отклонения с большой частотой.
В электромагнитных системах, где
электроны движутся по окружности радиусом г,
угол отклонения рассчитывается по формулам:
/я 1 fit* Л1'2
sm0 = 2,97-l(T5-^L; r = - — UA ,
JUa B\e )
B.1.12)
где В - магнитная индукция, Тл, / - в м; Ua -
в В.
Магнитная индукция прямо
пропорциональна магнитодвижущей силе возбуждения
Щи и обратно пропорциональна расстоянию d
между полюсными башмаками: В = )М)Шл / d,
где jio - магнитная проницаемость.
Для поворота пучка на большой угол
C0 - 270 °) используются секторные
магнитные поля (а - угол сектора). В этом случае
угол поворота 0 рассчитывается по формуле
B.1.12) с учетом углов входа (г\) и выхода (82)
пучка из секторного магнитного поля и
апертуры пучка: 0 = а ± si + 82-
ЭОС для размерной обработке
материалов. В этих системах используются высокие
ускоряющие напряжения D0 - 150 кВ) и
относительно малые силы тока пучка - обычно до 10
мА в импульсе (максимум до 30 мА). ЭОС
состоит из электронной пушки с V-ббразным
прямонакальным вольфрамовым (или W - Re)
катодом и одной или двух фокусирующих
магнитных линз.
Диаметр электронного пучка в
фокальной плоскости на изделии рассчитывается с
учетом разброса скоростей термоэлектронов и
сферической аберрации объективной
(последней) магнитной линзы. Пространственный
заряд пучка мал. Хроматические аберрации
практически устраняются стабилизацией
ускоряющего напряжения на уровне примерно
10 % и силы токов возбуждения магнитных
линз около A0~2 - 5-Ю'3 %). Результирующий
диаметр пучка d вычисляют по формуле
где я?и - определяют по формуле B.1.11), а
второе слагаемое - квадрат кружка размытости
под действием сферической аберрации.
Диаметр пучка может быть
минимизирован [см. B.1.4)] за счет выбора оптимальной
апертуры [см. B.1.3)], при этом удельная
мощность пучка будет максимальна [см.
B.1.5)].

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
85
При учете хроматической аберрации
результирующий диаметр электронного пучка
определяется как d2 = d\
+ d\^, где
и <iXp - соответсвенно диаметр кружка
размытости изображения в плоскости изделия под
действием сферической и хроматической
аберрации, причем
-I b I С
хр
ия
-а,
где Qp - постоянная хроматической
аберрации; 1Л - сила тока возбуждения магнитной
линзы.
ЭОС для глубинной сварки. Ускоряющие
напряжения в таких системах составляют
около 30 - 150 кВ, силы тока пучка - 0,1 - 1 А.
Используются торцевые термокатоды из W,
W - Re и LaBtf. Уширение фокусного пятна в
таких ЭОС определяется сферической
аберрацией фокусирующей линзы и аберрациями
электронной пушки, которые определяют
качество начального формирования
электронного пучка. Нелинейность фазовой
характеристики, обусловленная аберрациями пушки,
приводит к увеличению размеров фокусного
пятна.
ЭОС для зондовой электронной
литографии. Для зондовой электронной литографии
используются тонкие электронные пучки
диаметром 0,05 - 0,25 мкм с силой тока 0,1 -
1 мкА и энергией электрона 20 - 25 кэВ.
Пучок формируется электронными пушками с
эффективными катодами и многолинзовыми
системами фокусировки пучка. Источником
электронов является термокатод из гексабори-
да лантана (LaBg), либо автоэмиттер с
плотностью отбираемого тока 20 и 300 А/см2 и
электронной яркостью соответственно A - 5) х х
106иA - 3I08 А/(см2ср).
ЭОС с острийным термокатодом (рис.
2.1.11). Электронная пушка с катодом из ЬаВб
формирует круглый пучок с гауссовским
распределением плотности тока. В плоскости р%
после первой конденсорной линзы, диаметр
пучка <^2 = 2rK(fcTI еЩ)У2О2 • В плоскости
р$ после прохождения диафрагмы 3 и
конденсорной линзы 4 диаметр электронного зонда
уменьшается до d-$ = <^2а2/ аЗ-
Результирующий диаметр */3он электронного зонда в
плоскости Р4 включает диаметр фокусного
пятна на изделии d^ и кружок рассеяния под
действием сферической аберрации
объективной линзы:
"зон = " 4 + ^сф •
А
Рис. 2.1.11. Схема ЭОС для электронной литографии:
1 - электронная пушка; 2, 4, 6- магнитные линзы;
3, 5 - вырезывающие диафрагмы;
7- отклоняющая система
Рис. 2.1.12. Схема электронной пушки с
автоэмиссионным катодом:
1 - поликристаллический W-образный подогреватель;
2 - монокристалл вольфрама с ориентацией [100] и
радиусом острия 0,5-1 мкм; 3 - нанесенный поясок
циркония; 4 - сетка; 5 - анод; 6 - диафрагма
Сферические аберрации конденсорных
линз и нелинейность фазовой характеристики
не учитываются, так как периферийные
электроны вырезаны диафрагмами, а фокальное
пятно на изделии формируется только
параксиальными электронами. Сила тока
электронного зонда
ЭОС с автоэмиттером.
Автоэмиссионный катод из W - О - Zr (рис. 2.1.12)
стабильно работает при давлении A - 5I0 Па. При
температуре 1800 К и напряженности
электрического поля ~ 107 В/см цирконий
мигрирует к острию, обеспечивая стабильность его
геометрических параметров во времени при
наличии ионной бомбардировки. Диаметр
эмитгирующей площадки 10 нм,
максимальная плотность тока 105 А/см2; минимальный
разброс энергии электронов около 0,4 эВ;
пучок - расходящийся на угол 5-Ю -
210-2рад.

86
Глава 2.1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Рис. 2.1.13. Схема ЭОС с автоэмиссионным катодом:
1 - автоэмиттер; Д 3 - первый и второй аноды;
4 - магнитная линза; 5 - отклоняющая система
Рис. 2.1.14. Малогабаритная подвижная ЭОС для
сварки изделий B5 кВ, 200 мА), диаметр пучка
0,3 - 0,6 мм:
1 - катод; 2 - анод; 3 - магнитная линза;
4 - система отклонения
Рис. 2.1.15. Двухлинзовая стационарная ЭОС для
прецизионной сварки B0 кВ, 100 мА), диаметр пучка
ОД - 0,4 мм;
1 - электронная пушка; 2 - короткофокусная
магнитная линза; 3 - длиннофокусная магнитная
линза; 4 - система отклонения
Рис. 2.1.16. ЭОС для
2 зонной очистки
тугоплавких металлов
3 B0 кВ, 0,6 А),
формирующая ленточный пучок 0,5 х
300 мм:
1 - катодный узел;
2 - анод; 3 - магнитная
фокусирующая линза;
4 - стигматор;
5 - система отклонения
ЭОС с автоэмиттером включает
электронную пушку с двумя B, 3) анодами для
создания кроссовера и магнитную
фокусирующую линзу (рис. 2.1.13). Потенциалы на
анодах пушки равны соответственно 5 - 7 и
20 - 25 кВ. Элекгростатическая линза,
образованная первым и вторым анодами, в которой
происходят ускорение и начальная
фокусировка пучка, обладает значительной сферической
аберрацией, что приводит к существенной
нелинейности выходной фазовой
характеристики пушки. В этом случае результирующий
диаметр электронного зонда
Преимущество автоэмиссионного
эмиттера перед термическим - больший ток пучка -
имеет место дри зонде диаметром менее
0,2 мкм.
ЭОС для плавки, зондовой очистки и
испарения материалов. ЭОС используют
относительно небольшие ускоряющие напряжения
F - 20 кВ) и большие силы тока (единицы и
десятки ампер) и пучки диаметром в десятки
миллиметров. Эти системы состоят из
электронных пушек, формирующих интенсивные
пучки, и магнитных фокусирующих линз.
Расчет таких систем ведется без учета
аберраций.
ЭОС для осаждения тонких пленок (см.
рис. 2.1.6) формирует ленточный электронный
пучок, развернутый относительно тигля на 90,
180 или 270 °, и состоит из диодной пушки
Пирса и электромагнитной секторной системы
поворота пучка, рассчитываемых как
сильноточные системы по формулам B.1.6) и
B.1.12). ЭОС для плавки металлов формирует
аксиально-симметричный пучок электронов с
диаметром, регулируемым в фокальной
плоскости, отклонением и разверткой пучка по
расплаву. Их расчет осуществляется так же,
как высокопервеансных систем, на основе
зависимостей B.1.8) - B.1.10) и B.1.12). ЭОС
для зонной очистки (см. 2.1.6), формирующая

ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
87
Рис. 2.1.17. Электре
ограф B0 кВ, 1 мкА);
диаметр пучка 0,1 - 0,25 мкм:
1 - катодный узел и высоковольтный изолятор;
2 - анод; 3 - модулятор; 4 - стигматор;
5,7- юстировка; 6 - блок конденсорных магнитных
линз; 8, 9- системы отклонения; 10 - объективная
магнитная линза
радиальный сходящийся пучок электронов с
использованием только электростатических
полей, рассчитывается как диодная пушка
Пирса, у которой анодом является
обрабатываемое изделие. Конструкции некоторых
типов ЭОС различного технологического
назначения представлены на рис. 2.1.14 - 2.1.17.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аброян И. А., Андронов А. Н.,
Титов А. И. Физические основы электронной и
ионной технологии. М: Высшая школа, 1984.
320 с.
2. Броудай И., Мерей Дж. Физические
основы микротехнологии (перевод с англ.) М.:
"Мир", 1985. 523 с.
3. Валиев К. А. Физика субмикронной
литографии. М.: Наука, 1990. 528 с.
4. Молоковский С. И., Сушков А. Д.
Интенсивные электронные и ионные пучки. М:
Энергоиздат, 1991. 303 с.
5. Попов В. К., Ячменев С. Н. Расчет и
проектирование устройств электронной и
ионной литографии. М.: Радио и связь, 1985.
125 с.
Глава 2.2
ВАКУУМНАЯ ГАЗОПЛАЗМЕННАЯ
ОБРАБОТКА
2.2.1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ
МЕТОДОВ
Вакуумная газо-плазменная обработка -
это контролируемые процессы очистки,
травления и модификации поверхностных слоев
материала, а также нанесения на его
поверхность пленок других материалов. Она
происходит в разреженной газообразной среде (газе,
паре или газовой низкотемпературной
неравновесной плазме пониженного давления) с
участием большой .совокупности инертных и
химически активных нейтральных и
заряженных газовых частиц, электронов и фотонов в
широком диапазоне энергий.
Под процессами очистки материала
понимают удаление с его поверхности
инородных атомов и молекул, а под процессами
травления - удаление поверхностных атомов или
молекул самого материала. В
микроэлектронике объектом обработки являются
функциональные слои (ФС) (проводящие,
полупроводниковые или диэлектрические),
расположенные на поверхностях подложек (чаще всего
полупроводниковых пластин) или сами
поверхности подложек (пластин). Модификация
заключается в изменении химического состава
или структуры поверхностных слоев
материалов для придания им определенных
функциональных свойств. К модификации относятся
процессы легирования, окисления, диффузии,
кристаллизации, аморфизации и отжига.
Нанесение пленок на поверхность подложек
заключается в процессах эпитаксии,
химического или плазмохимического осаждения из
газовой фазы, полимеризации, термического
испарения, ионного и реактивного ионного
распыления, ионного и реактивного ионного
покрытия (термоионного и ионно-кластерного
осаждения).
Если процессы очистки, травления,
модификации и нанесения осуществляются на
всей поверхности ФС (подложки, пластины),
то они называются нелокальными (или
неселективными по поверхности). Если указанные
процессы осуществляются на определенных
участках поверхности, они называются
локальными (или селективными по
поверхности). Локальность процессов очистки,
травления, модификации и нанесения
обеспечивается либо резистивными (фото-, электроно-,
ионо-, рентгенорезистивными) масками, либо
программным перемещением
сфокусированных пучков соответствующих частиц, либо
путем радиационного воздействия
(воздействия потоками ионов, электронов и фотонов)
на определенные участки ФС как перед
обработкой, так и в ее процессе. Если локальность

88
Глава 2.2. ВАКУУМНАЯ ГАЗО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
2.2.1. Основные
Элементы микроприборов
Затворы
Канавки
Защитный слой
Межслойная изоляция
для планаризации
Контактные окна
различной глубины
Планаризирующие слои
маскирующих покрытий
Контактные окна
различной глубины
Металлизация
процессы ВГПТ в производстве кремниевых микроприборов
Функциональный слой
(травимый материал)
Поликремний, тугоплавкие
металлы, их силициды и полициды
Монокристаллический кремний
Si3N4
Система ФСС - SiO2
Система ФСС - SiO2
Фоторезисты, полиимид
Система ФСС - SiO2
Многослойные структуры: Al / Si,
Al / Si / Си, Al / Si / Ti, Al /
Si + TiW, A1N + Al / Si
Материал
подслоя (подложки)
SiO2
Отсутствует
SiO2
Отсутствует
Si, тугоплавкие
металлы, их
силициды,
моно- Si
Si, система
ФСС - SiO2,
сплавы А1
Сплавы А1
ФСС
Материал
маски
ФР
ФР + SiO2
ФР
ФР
ФР
Si3N4, SiO2,
ФСС,
металлы
ФР
ФР
Обозначения: ФР - фоторезист; ФСС - фосфорносиликатное стекло.
обработки, приводящая к формированию
топологического рисунка прибора
(конфигурации и профиля элементов, их
взаиморасположения и соединений) в ФС осуществляется с
помощью цикла операций с резистивной
маской, то такой цикл называется
микролитографией.
Процессы вакуумного газо-плазменного
травления ФС (подложек, пластин) через ре-
зистивные маски, входящие в цикл
микролитографии, называют также процессами сухого
размерного травления. Основные процессы
вакуумного газо-плазменного травления
(ВГПТ), используемые в производстве
кремниевых микроэлектронных приборов,
приведены в табл. 2.2.1.
Классификация процессов вакуумного
газо-плазменного травления приведена на рис.
2.2.1. Эти процессы включают в себя две
большие группы: вакуумно-газовую и вакуум-
но-плазменную, каждая из которых
подразделяется на более мелкие подгруппы по виду
стимуляции, химическому составу плазмы,
энергии заряженных частиц и положению
обрабатываемой подложки (пластины)
относительно плазмы.
В плазме и газовой фазе в результате
столкновений и радиационных воздействий
образуются свободные атомы и радикалы
(частицы, состоящие из нескольких атомов,
например CF* , SF*k др.), которые имеют не-
спаренные электроны на внешней валентной
оболочке и вследствие этого проявляют
высокую химическую активность. Свободные
атомы и радикалы называют химически
активными частицами (ХАЧ), а процессы травления с
их участием - травлением ХАЧ или
радикальным травлением (РТ).
Стимулированные дополнительной
энергией процессы вакуумно-газового (BIT) и
радикального (РТ) травления называют
соответственно радиационно-стимулированным
газовым (РСГТ) и радикальным (РСРТ)
травлением. Применительно к конкретным видам
стимуляции их называют ионно-стимулиро-
ванным газовым (ИСГТ) и радикальным
(ИСРТ), электронно-стимулированным
газовым (ЭСГТ) и радикальным (ЭСРТ), фотоно-
стимулированным газовым (ФСГТ) и
радикальным (ФСРТ), термостимулированным
газовым (ТСГТ) и радикальным (ТСРТ)
травлением. Для травления материалов
используются также потоки ускоренных инертных и
химически активных атомов, и поэтому
появились процессы атомно-лучевого (АЛТ) и
реактивного атомно-лучевого (РАЛТ)
травления, а также атомно-стимулированного
газового (АСГТ) и радикального (АСРТ)
травления.

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
S9
Процессы вакуумного газо-плазменного травления
Вакуумно-газовые
Вакуумно-плазменные
I Нестимулированные | | Стимулированные
Температурой
I Атомами I I Ионами | | Электронами
Радикальные
Плазменные
Реактивные
ионно-
плазменные
Реактивные
ионно-
лучевые
Фотонами
Реактивные
атомно-
лучевые
Атомно-
лучевые
Ионно-
плазменные
Ионно-
лучевые
Рис. 2.2.1. Классификация процессов вакуумного газо-плазменного травления
В процессах плазменного (ПТ) ,
реактивного ионно-плазменного (РИПТ) и
реактивного ионно-лучевого (РИЛТ) травления
также происходит стимуляция химических
реакций под действием ионов, электронов и
фотонов (излучения) плазмы (стимулирующее
действие ионов значительно выше, чем
электронов и фотонов), а также за счет нагрева
обрабатываемой пластины до температуры
500 К, которую выдерживают органические
маскирующие покрытия (резистивные маски).
Принципиальное отличие процессов ПТ,
РИПТ и РИЛТ от процессов РСГТ и РСРТ
состоит в том, что в последних потоки
стимулированного воздействия и химически
активных частиц (ХАЧ) генерируются и подаются к
обрабатываемой пластине независимо друг от
друга.
Несмотря на такое большое
разнообразие, все процессы вакуумного
газо-плазменного травления по механизму взаимодействия
с обрабатываемым материалом можно отнести
к пяти типам.
Спонтанное химическое травление.
Спонтанные (самопроизвольные) химические
реакции с участием ХАЧ вносят основной вклад в
удаление материала. К ним относятся
нестимулированные процессы газового (ГТ) и
радикального (РТ) травления, а также все
остальные процессы (см. рис. 2.2.1), кроме ионно-
плазменного (ИПТ), ионно-лучевого (ИЛТ) и
атомно-лучевого (АЛТ) травления, в которых
радиационная стимуляция и физическое
распыление не дают заметного вклада в скорость
травления.
Необходимым условием для протекания
спонтанного травления материала является
образование в результате химической реакции
хотя бы одного летучего и стабильного (при
температуре и давлении процесса) продукта
(соединения). Термин "летучий" означает, что
при температуре и давлении процесса
травления давление паров образующегося продукта
реакции должно быть достаточно высоким,
чтобы он самопроизвольно испарялся с
поверхности материала. Спонтанное химическое
травление включает следующие основные
стадии:
доставку ХАЧ к поверхности
обрабатываемого материала;
адсорбцию ХАЧ на поверхности
материала;
диффузию адсорбированных ХАЧ через
адсорбционный слой реагентов и продуктов
реакции к атомам (молекулам) материала;
взаимодействие ХАЧ с атомами
материала с образованием летучих и стабильных
продуктов реакции;
диффузию продуктов реакции через
адсорбционный слой к границе раздела слой-
газовая (плазменная) среда;
десорбцию продуктов травления с
поверхности в газовую фазу;
отвод продуктов травления из газовой
фазы реакционной зоны.
Скорость (нм/с) спонтанного травления
материала в результате химической реакции в
режиме нелимитированной доставки ХАЧ
определяется по формуле
vTp —
.
Здесь 8хр = Q.p.expf-J^aja- / (кТи)] -
вероятность спонтанной химической реакции, где
Q р - предэкспоненциальный множитель, не

90
Глава 2.2. ВАКУУМНАЯ ГАЗО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
зависящий от температуры; Ти - температура
поверхности обрабатываемого материала, К;
к - постоянная Больцмана, Дж/К; Д^ -
энергия активации спонтанной химической
реакции травления, Дж; Yx$ - коэффициент
выхода материала в результате спонтанной
химической реакции травления, атом / ХАЧ (для
реакции Si + 4F# -» SiF4 Y^ = 0,25 атом / ХАЧ);
пм ~ (Ум-ЭДО / Ал ~ атомная плотность
материала, атом / см3, где ум и А^ - соответственно
плотность (г/см3) и атомная масса (г/моль)
материала; N& - число Авогадро, атом/моль; #хаЧ=
= -йха м\х а н - плотность потока ХАЧ,
падающего на поверхность материала, ХАЧ/(см2с),
где «хач и vxatf соответственно
концентрация (см3) и средняя тепловая скорость (см/с) /
ХАЧ.
Поток продуктов реакции 0^ (см3/мин),
поступающий в газовую фазу в результате
травления материала площадью <S^,
определяется выражением
бпр = 2,23-10-25,1^^, B.2.1)
где пм - в атом/см3; 5^ - в см2; vTp - в нм/с.
Расходы и потоки газа в формуле B.2.1) и
далее везде в настоящей главе измеряются в
стандартных см3/мин, т.е. объем газа приводится
к стандартным условиям/>о = 101 325 Па и Tq =
= 298,16 К.
Физическое распыление. При этом
процессе химические реакции не протекают,
скорость травления материала определяется
только процессом удаления атомов ионной
бомбардировкой. К такому типу травления
относятся процессы ИПТ, ИЛТ и АЛТ, в которых
активные частицы остаточных газов не
способны проводить химическую модификацию
поверхности обрабатываемого материала.
Экспериментальные и теоретические
исследования доказывают, что механизм
физического (ионного) распыления связан с
передачей кинетической энергии (импульса) от
бомбардирующей частицы атомам материала за
счет упругих столкновений и приводит к
прямому выбиванию атомов материала из
равновесных положений. Механизм физического
распыления является доминирующим в том
диапазоне энергии бомбардирующих частиц,
где ядерное торможение частиц в материале
мишени значительно больше электронного.
Для тяжелых бомбардирующих частиц (ионов,
атомов, молекул и нейтронов) это условие
всегда выполняется в диапазоне энергий 0,1 -
1,0 кэВ, характерном для процессов ИПТ,
ИЛТ и АЛТ.
Скорость травления (нм/с) материала в
результате физического распыления в точке с
координатами х9 у на его поверхности при
падении ионов под углом а (угол отсчитывает-
ся от нормали к поверхности материала)
определяется по формуле
vTp = 6,251025 —cosa,
B.2.2)
где S - коэффициент распыления материала,
зависящий от энергии Е^ и угла падения a
ионов, атом/ион; Уи - плотность ионного тока
на поверхности материала, А/см2; п^ - в
атом/см3.
Радиационно-возбуждаемое химическое
травление. При этом процессе спонтанные
химические реакции травления материала не
протекают, а основной вклад в удаление
материала вносят возбуждаемые радиационной
стимуляцией химические реакции (доля
физического распыления мала). К такому виду
травления относятся процессы РСГТ, РСРТ,
ПТ, РИПТ, РИЛТ и РАЛТ, в которых
нейтральные газовые частицы спонтанно не травят
обрабатываемый материал.
В этом случае радиационное воздействие
(РВ) само возбуждает химические реакции, и
его параметры (вид, энергия, интенсивность,
пространственное распределение)
непосредственно определяют характеристики травления.
Скорость радиционно-возбуждаемого
химического травления материала (нм/с)
vTp = 10
7 ?р.в.х.р.-*р.в.х.р.
где ер.в.х.р. " вероятность радиационно-
возбуждаемой химической реакции, зависящая
от энергии РВ; lj>.B.x,p. - коэффициент выхода
материала в результате радиационно-
возбуждаемой химической реакции,
зависящий от энергии РВ, атом/частица; <7р.в -
плотность потока РВ на поверхность материала,
(см^с); «м - в атом/см3.
Радиационно-стимулировашгое химическое
травление. Спонтанные химические реакции
вносят существенный вклад в удаление
материала. Радиационное воздействие в результате
стимуляции химических реакций значительно
увеличивает скорость травления, доля
физического распыления мала. К такому виду
травления относятся процессы РСГТ, РСРТ, ПТ,
РИПТ, РИЛТ и РАЛТ, в которых нейтральные
газовые частицы спонтанно травят
обрабатываемый материал.
В этом случае роль РВ заключается в
стимулировании (активировании) спонтанных
химических реакций. Скорость радиационно-
стимулированного химического травления
(нм/с) определяется выражением

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ ДО И ПОСЛЕ РАЗМЕРНОГО ТРАВЛЕНИЯ
91
Vlp=10'
где SpCXp - вероятность радиационно-
стимулированной химической реакции,
зависящая от энергии РВ; l^x.x.p - коэффициент
выхода материала в результате радиационно-
стимулированной химической реакции,
зависящий от энергии РВ, атом/частица.
Химически модифицированное физическое
распыление. Спонтанные, радиационно-стиму-
лированные или радиационно-возбуждаемые
химические реакции с образованием нелетучих
соединений (продуктов) модифицируют
поверхностные слои обрабатываемого материала
(например, поверхность кремния под
воздействием плазмы аргон/кислород превращается в
слой диоксида кремния), которые удаляются в
результате физического распыления. Скорость
травления модифицированных слоев за счет
физического распыления может быть как
больше, так и меньше скорости травления
исходного материала, в первом случае
происходит химически ускоренное физическое
распыление, а во втором - химически
замедленное физическое распыление. К такому типу
травления относятся некоторые процессы
РИПТ, РИЛТ и РАЛТ, а также те процессы
ИПТ, ИЛТ и АЛТ, в которых активные
частицы остаточных газов способны проводить
химическую модификацию поверхности
обрабатываемого материала.
Скорость травления материала в
результате химически модифицированного
физического распыления может быть выражена
аналитически только когда химическая реакция
модификации его поверхности происходит
намного быстрее физического распыления,
тогда согласно B.2.2) скорость травления
(нм/с)
vTp - 6,25-10*
cosa,
где YXMU - коэффициент распыления
химически модифицированного материала,
зависящий от энергии и угла падения ионов,
атом/ион; пх м м - атомная плотность
химически модифицированного материала, атом/см3.
Коэффициенты распыления и выхода
материалов, а также вероятности химических
реакций поддаются теоретическому расчету
только в самых простейших случаях и,
обычно, определяются экспериментально.
2.2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРЫ ДО И ПОСЛЕ
РАЗМЕРНОГО ТРАВЛЕНИЯ
На операцию вакуумного
газоплазменного травления (ВГПТ)
функционального слоя поступает структура с
сформированной резистивной маской (входная структура),
которую характеризуют (рис. 2.2.2, а):
Рис. 2.2.2. Вид структуры до (а) и после (б) операции
ВГПТ функционального слоя:
1 - маска; 2 - функциональный слой; 3 - подслой;
4 - подложка
вид материала функционального слоя;
средняя толщина функционального слоя
*ф.с =(<*?
??
B.2.3)
где
- соответственно
максимальная и минимальная толщины
функционального слоя на пластине (подложке). Для
определения распределения измеряемой
характеристики по поверхности пластины (а
следовательно, и определения ее минимальных
и максимальных значений) измерения
проводятся в точках, расположенных на двух
взаимно перпендикулярных диаметрах, при этом
для пластин диаметром 100 и 125 мм
измерения проводятся в пяти, а для пластин
диаметром 150 и 200 мм - в семи равноотстоящих
друг от друга точках по каждому направлению
с обязательным включением центральной
точки и расположением внешних точек на
расстоянии 8 мм от края пластины;
неравномерность толщины
функционального слоя Гф с на пластине
+"ф.с У
,/тах .
"ф.с
ф.с
.с); B.2.6)
вид материала маскирующего покрытия
(маски);
средняя толщина маски dM,
определяемая как d$c в формуле B.2.3);
неравномерность толщины маски гы,
определяемая как Гф с в формуле B.2.4);

92
Глава 2.2. ВАКУУМНАЯ ГАЗО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
средний размер L^ элемента в
маскирующем покрытии, определяемый как с!фс в
формуле B.2.3);
разброс размера элемента в
маскирующем покрытии по пластине гэм,
определяемый как Гфс в B.2.4). Средний размер
элемента маски Хм и его разброс представляются
в виде ХмA ± гэм);
вид материала подслоя (слоя, на котором
находится обрабатываемый функциональный
слой);
средняя толщина подслоя dn,
определяемая как с!фс в формуле B.2.3);
неравномерность толщины подслоя гп
определяемая как Гф с в формуле B.2.4);
в отдельных случаях могут задаваться
среднее значение угла наклона профиля
элемента маски и его разброс по пластине РA ±
± гр) (на рис. 2.2.2, а р = 90 °).
На структуре, выходящей с операции
ВГПТ функционального слоя (входной
структуре), необходимо получить следующие
характеристики (рис. 2.2.2, б):
средний размер элемента в
функциональном слое Хфс, определяемый как d$c в
формуле B.2.3);
разброс размера элемента в
функциональном слое по пластине гэ ф с,
определяемый как Гфс в формуле B.2.4). Средний
размер элемента в функциональном слое Ьф с и
его разброс представляются в виде Ьфс{1 +
± >*э.ф.с);
допустимое изменение толщины подслоя
Д*/п (допустимый подтрав подслоя).
Перечисленные характеристики
выходной структуры задаются для всех процессов
ВГПТ функциональных слоев. В отдельных
частных случаях выходную структуру могут
также характеризовать:
допустимое изменение толщины маски
AdMi которое обычно задается на рельефной
поверхности при низкой селективности
травления функционального слоя относительно
маски;
допустимое изменение размера элемента
в маскирующем покрытии 2ALM;
допустимые изменения размера элемента
функционального слоя относительно
первоначального размера элемента в маске по верхней
2А1/ф с и нижней 2AL? с кромкам (см. рис.
2.2.2, б). Если при травлении нет изменения
размера элемента маски, т.е. 2А1^ = 0, то
отсутствует и изменение размера элемента в
функциональном слое по нижней кромке, т.е.
2Д?ф с = 0. Тогда 2АХф с обозначается как
2AZ;
среднее значение угла наклона профиля
элемента в функциональном слое и его
разброс по пластине фA + гф).
2.2.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРОЦЕССОВ ТРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ
МИКРОСХЕМ
К технологическим характеристикам
процессов ВГПТ относятся следующие:
средняя скорость травления
функционального слоя
где
утр,ф.с
max _
тр.ф.с
тах
и
min
Тр.ф.с
- соответственно максимальная
и минимальная скорости травления
функционального слоя на пластине; Adf^!* и Atfj?j? -
соответственно максимальное и минимальное
изменение толщины функционального слоя на
пластине за время травления /jP;
неравномерность скорости травления по
пластине rv , определяемая как Гф с в B.2.4).
Вместо
V
и d™ будут v^,c и
" соответственно максимальное и
минимальное значения скорости травления
ФС, определяемые согласно формулам B.2.5)
и B3.6). Аналогичным образом
рассчитываются неравномерности скорости травления по
загрузке и между загрузками пластин в
установку. При определении скорости и
неравномерности скорости травления по пластине
следует проводить травление функционального
слоя на глубину, равную 2/3 - 3/4 его
исходной толщины, чтобы исключить влияние
подслоя и загрузочного эффекта. Загрузочным
эффектом называется зависимость скорости
травления материала от площади его
поверхности, подвергаемой травлению (числа
загружаемых в установку пластин). Иногда для
характеристики процессов ВГПТ используют
понятие равномерность травления i^p,
которая определяется как
селективности травления
функционального слоя относительно маски (м) и подслоя
(п), определяемые соответственно:
*5ф.с/п == утр.ф.с / утр.п-
Следует отметить, что селективности
травления могут зависеть от соотношения
площадей функционального слоя, маски и
подслоя на пластинах, подвергаемых
травлению в одинаковых условиях;

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ТРАВЛЕНИЯ
93
анизотропия А травления материала
(например, функционального слоя), которая
определяется двумя способами. В соответствии
с первым способом
4ф.с = ^тр.1 / Утр.// = Лтр / АХф.о, B.2.7)
где vTp 1 и vTpц - скорости травления
функционального слоя соответственно
перпендикулярно и параллельно его поверхности; й^ -
глубина травления; Д?ф.с - величина бокового
подтрава функционального слоя под край
маски (половина ухода размера элемента ФС
относительно размера элемента в маске (см. рис.
2.2.2, б)). Для элементов структуры выражение
B.2.7) можно записать в виде
где Хм и Хф с - размер элемента
соответственно в маске и функциональном слое.
Из формулы B.2.7) для изотропного
травления vTp<± = vTpy/ и, следовательно,
Афс = 1, а для полностью анизотропного
утр.// - 0 и Аф с —> оо, т.е. наблюдается
неопределенность.
В соответствии со вторым способом
анизотропия
B.2.8)
Для изотропного травления
полностью анизотропного А
ф.с= 0, а для
= 1.
Соответственно для элементов структуры из
выражения B.2.8) следует
^ф.с = ! - I Хм - Хф.с I / 2ЛтР;
плотность привносимой в процессе
травления дефектности на поверхности пластины
D=(DK-DH)/Sim, B.2.9)
где Д, и D^ - число дефектов, приводящих к
отказу прибора или микросхемы на пластине
соответственно до и после травления
функционального слоя; «^л - площадь пластины;
коэффициент загрузки
где vT
- скорости травления
"тр.// п утр.//
функционального слоя параллельно
поверхности соответственно с наличием (площадью
<5ф.с) и без наличия (площадь равна нулю)
немаскированной горизонтальной поверхности
функционального слоя. Коэффициент загрузки
вводится для учета загрузочного эффекта,
возникающего в процессах ВГПТ некоторых
материалов и проявляющегося в резком
увеличении скорости травления материала
параллельно его поверхности после стравливания
немаскированной горизонтальной поверхности;
плотность привносимых процессом
травления радиационных дефектов в
поверхностные слои обрабатываемой структуры. Под
радиационными дефектами подразумеваются
нарушения состава и кристаллической
структуры поверхностных слоев, пробои
диэлектрических пленок, изменения электрофизических
характеристик приборов, контактов и р-п-
переходов;
показатель перетрава Охарактеризует, во
сколько раз увеличено время травления ФС по
сравнению с необходимым для полного
удаления слоя с горизонтальных поверхностей.
Введение показателя перетрава на уровне 1,1 - 2,0
необходимо для удаления остатков ФС с
боковых поверхностей рельефа при анизотропном
травлении. При формировании канавок и
отверстий в однородных материалах показатель
перетрава не вводится, так как отсутствует
подслой.
Типичные значения технологических
характеристик процессов ВГПТ приведены в
табл. 2.2.2.
2.2.2. Типичные технологические
Характеристика
VTp, нм/с
Ягр, %
S
^ф.с
К
F
D9 дефект/см2
(для частиц с
</>0,2мкм)
Относительная
плотность
привносимых в
структуры
радиационных
дефектов
ИПТ
0,1-1,0
90-95
2,0-5,0
5,0-10
1,0
2,0
0,10-
0,20
1,0
ИЛТ
0,3-3,0
95-97
2,0-5,0
10-100
1,0
2,0
0,08-
0,15
0,9
РТ
1,0-10
90-99
20-50
2,0-5,0
1,0-0,5
1Д
0,15-
0,30
ОД
характеристики процессов ВГПТ
пт
3,0-15
80-95
10-30
5,0-20
1,0-0,6
1,3
0,15-
0,30
¦ -- - '
0,3
РИПТ
1,0-5,0
90-95
5,0-10
10-50
1,0-0,8
1,5
0,10-
0,20
0,7
РИЛТ
0,5-3,0
95-97
5,0-10
10-100
1,0
1,5
0,08-
0,15
0,5
гт
10-20
97-99
30-80
2,0-5,0
1,0-0,3
1,1
0,10-
0,20
0
ИСГТ
1,0-10
95-97
10-20
10-100
1,0
1,5
0,03-
0,15
0,3

94
Глава 2.2.. ВАКУУМНАЯ ГАЗО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
Эти характеристики относятся на только
к процессам, но и к оборудованию ВГПТ
функциональных слоев микросхем. Однако
для оборудования, кроме указанных,
существуют еще дополнительные, присущие только
ему конструкционно-технологические
характеристики, которые рассмотрены в подразд.
2.2.4.
2.2.4. СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ
В состав оборудования ВГПТ материалов
входят следующие основные функциональные
системы:
система травления, служащая для
проведения обработки пластин и состоящая из
рабочей камеры и расположенных внутри нее
или присоединенных к ней снаружи
электродов, экранов, подложкодержателей и
автономных источников стимулирующих воздействий
и ХАЧ. При использовании в процессе
травления ХАЧ рабочая камера обычно называется
реактором;
газовая система, служащая для подачи
требуемого потока газа (пара) или газовой
смеси в рабочую камеру и автономные
источники стимулирующих воздействий и ХАЧ и
состоящая из нескольких каналов, в состав
которых входят фильтры, трубы, испарители,
вентили, клапаны, измерители и регуляторы
расхода газа, коллекторы и стабилизаторы
давления;
вакуумная система, служащая для
обеспечения требуемого давления остаточных и
рабочих газов в технологической и шлюзовой
камерах, автономных источниках
стимулирующих воздействии и ХАЧ и состоящая из
откаченных коллекторов или отверстий, труб,
клапанов, измерителей и регуляторов давлений
и скоростей откачки, азотной ловушки,
системы ее регенерации, вакуумных насосов,
фильтров или станций для очистки насосного
масла, скрубберов или нейтрализаторов
выхлопных газов;
система возбуждения и поддержания
плазмы разряда в рабочей камере, а также
других стимулирующих воздействий в
автономных источниках, состоящая из генераторов
и источников электрических и магнитных
полей, кабелей или волноводов, измерителей и
регуляторов подводимой мощности,
согласующих устройств;
система загрузки-выгрузки пластин,
транспортирования и позиционирования их
внутри установки, состоящая из передающей и
приемной кассет, устройств загрузки и
перемещения пластин, шлюзовой камеры,
подложкодержателей и прижимных устройств,
датчиков положения пластин на различных
позициях;
система термостатирования испарителей,
участков газовых каналов, электродов,
подложкодержателей и стенок камер, служащая
для измерения и регулирования их
температуры и состоящая из термостатов, труб, хладо- и
теплоагентов, устройств их перекачки, подачи
и распределения, измерителей и регуляторов
температуры;
система контроля момента окончания
процесса травления функционального слоя
(времени травления), состоящая из
индикаторов на основе оптического эмиссионно-
спектрального, лазерного интерферометриче-
ского или масс-спектрометрического методов,
оптических и электронных устройств, а также
специализированных микропроцессоров для
обработки полученных сигналов по
соответствующему алгоритму. В наиболее простых
случаях для обработки сигналов может быть
использована управляющая установкой ЭВМ;
система управления, служащая для
управления перечисленными выше системами
контроля режимов их работы и исправности
входящих в них устройств и состоящая из
управляющей ЭВМ с программным
обеспечением с клавиатурой ввода команд и дисплея.
К конструкционным характеристикам
оборудования относятся: форма, материалы,
размеры и взаимное расположение
функциональных узлов и систем в составе установки, а
также отдельных элементов в составе этих
узлов и систем.
К основным характеристикам
оборудования ВГПТ относятся:
1) рабочее давление (р) и диапазон его
возможного изменения (Ар);
2) расход рабочего газа (смеси) (О) и
диапазон его возможного изменения (Д0;
3) удельная мощность разряда (Руд) и
диапазон ее возможного изменения (АРуд) (в
случае разряда постоянного тока
характеристиками процесса являются сила тока (ip) и
напряжение разряда (Щ), а в случае радиаци-
онно-стимулирующего воздействия из
автономного источника - сила тока и энергия
пучка);
4) температура подложкодержателя (Ти)
и диапазон ее возможного изменения (ЛТ^,)
(температура обрабатываемой пластины 7^ в
зависимости от теплового контакта может
сильно отличаться от температуры
подложкодержателя);
5) индукция магнитного поля (В) и
диапазон ее возможного изменения (AJB);
6) напряжение смещения на подложко-
держателе (J7CM) и диапазон его возможного
изменения (АЦзм) (в случае использования
специального источника смещения);
7) угловая скорость (со) или скорость
перемещения (vnep) подложкодержателя или
магнитной системы и диапазоны их возмож-

СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБОРУДОВАНИЯ
95
ного изменения (До) и (Avnep) (в случае, если
размеры зоны равномерного травления
меньше размеров обрабатываемой пластины);
8) углы наклона поддожкодержателя
относительно потока химически активных
частиц (у) и (или) радиационно-стимулирующего
воздействия (а) и диапазоны их возможного
изменения (Ау, Да);
9) остаточное давление в рабочей камере
(рост) и диапазон его возможного изменения
(АРост);
10) частота электрического поля (/) и
диапазон ее возможного изменения (Д/);
11) длительность импульса (^) и период
между импульсами (/м.и) для электрического
поля или радиационно-стимулирующего
воздействия, а также диапазоны их возможного
изменения (Д^ и Д^м.и)>
Первые четыре характеристики относятся
ко всем видам оборудования ВГПТ, а
остальные - только к отдельным группам. Оператор
или управляющая ЭВМ контролируют
значение характеристик с помощью измерительных
приборов и поддерживает их в требуемых
технологических допусках с помощью
прецизионных регуляторов.
Оборудование ВГПТ характеризуется
также следующими показателями: степенью
чистоты рабочего газа, поступающего в
рабочую камеру; составом остаточной атмосферы в
рабочей камере и парциальным давлением
составляющих ее газов; электрофизическими и
химическими свойствами внутренних
поверхностей рабочей камеры и поверхностей
содержащихся в ней устройств; составом и
величиной потока газа, десорбирующегося с
внутренних поверхностей рабочей камеры и
поверхностей содержащихся в ней устройств в процессе
травления; быстротой откачки рабочей камеры
и быстротой действия вакуумных насосов.
Сложность поддержания и
воспроизводимости этих показателей от цикла к циклу
связана с сорбцией рабочих газов и летучих
продуктов реакции травления материалами
рабочей камеры и вакуумной системы, а также
осаждением на их внутренних поверхностях
нелетучих продуктов реакции. В процессе
проведения последующего цикла травления эти
газы и продукты реакций могут десорбиро-
ваться, поступать в рабочую камеру и
изменять технологические характеристики
травления материала.
Нелетучие продукты реакции или
распыления, покрывая поверхности камер и
электродов, влияют на условия горения разряда и
значения коэффициентов рекомбинации ХАЧ
на стенках и тем самым тоже вносят
невоспроизводимость в технологические
характеристики ВГПТ материалов.
К конструкционно-технологическим
параметрам оборудования ВГПТ относятся:
быстродействие (пластин/ч)
функциональных узлов установки (без проведения
травления), определяемое как
'под
где яш - число пластин, одновременно
загружаемых в установку; /под - подготовительное
время, включающее напуск газа в шлюз,
загрузку пластин (или пластины) из кассеты в
шлюз, откачку шлюза, загрузку пластин в
реактор, откачку реактора, напуск рабочего газа
в реактор, стабилизацию давления в реакторе,
выгрузку пластин из реактора через шлюз в
кассету, мин;
цикловая производительность установки
(пластин/ч)
где /ц = /дод + ^гР - длительность (мин) цикла
обработки пластин (пластины) на установке,
состоящего из подготовительного времени
(*под) и времени травления ФС (*гр);
среднее время (ч) наработки установки
на отказ
ti+t2+...+tn
где t\, ti> ..., tn - время обработки пластины
между отказами установки за нормативный
срок (в качестве нормативного срока обычно
выбирается один, три или шесть месяцев
эксплуатации оборудования); п^^ - число отказов
за нормативный срок. Значение /отк
характеризует надежность установки в
производственных условиях;
коэффициент использования установки
где ^ - календарное время работы
предприятия в сутки; tj - технологически необходимое
для обработки пластин время работы
установки в сутки. Значение К^ характеризует
длительность регламентной подготовки установки
к проведению технологических операций,
включающему процедуры по осмотру, замене
и аттестации ее функциональных узлов.
Значение Ки не следует увеличивать более 0,7 для
оборудования, задействованного в
промышленном производстве микросхем, чтобы
сохранить высокое качество его подготовки и
резервы на случаи колебаний конъюнктуры
рынка и модернизации производства;

96
Глава 2.2. ВАКУУМНАЯ ГАЗО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
коэффициент готовности установки
где /р - время безотказной работы установки в
течение технологически необходимого
времени. Значение Кт характеризует ремонтоспо-
собность оборудования, т.е. в течение
технологически необходимого времени работы
установки допустим ее ремонт в течение времени
не более ^A - Кт);
средние квадратические ошибки а/ [или
точности ht =y(v2cm] измерения
операционных параметров датчиками установки.
Значения ст/ определяют вероятность попадания
операционных параметров в требуемые
технологические допуски и должны быть известны
для любого серийного оборудования;
плотность D привносимых установкой
дефектов на поверхности пластины
определяется согласно формуле B.2.9).
2.2.5. КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Оборудование ВГПТ материалов
классифицируют по видам входящих в его состав
функциональных систем:
виду системы управления - на основе
микропроцессора или программатора,
частично или полностью распределенная;
виду системы контроля момента
окончания травления, наличию или отсутствию
контроля в зависимости от использованного
метода и числа индикаторов;
виду системы термостатирования - с
термостатированным или нетермостатированным
подложкодержателем;
виду системы загрузки - автоматическая
или ручная, кассетная или поштучная, с
использованием или без использования
шлюзовой камеры, с использованием стандартной
или специализированной кассеты;
виду системы возбуждения и
поддержания плазмы с учетом частоты электрического
поля - сверхвысокочастотное с электронно-
циклотронным резонансом (СВЧЭЦР),
высокочастотное (ВЧ) и низкочастотное (НЧ)
оборудование, а также постоянного тока, с
использованием или без использования
магнитного поля, с перестраиваемой или
фиксированной частотой электрического поля,
автоматическим или ручным согласованием
генераторов с плазменной нагрузкой; различается
числом генераторов и источников
электрических и магнитных полей;
виду вакуумной системы - с
низковакуумной или высоковакуумной откачкой, а
также по числу насосов и их типам;
виду газовой системы - по количеству и
специализации газовых каналов, месту
расположения газового блока.
Оборудование для травления
функциональных слоев микросхем классифицируют по
типу системы травления (рис. 2.2.3):
туннельные и планарные реакторы,
системы с автономными источниками ХАЧ и
плазмы на базе разрядов постоянного тока,
НЧ-, ВЧ- и СВЧ-разрядов, которые
применяются в операциях удаления, снятия, зачистки
и антидеструктивной обработки органических
маскирующих покрытий;
магнетронные системы РИПТ,
используемые в операциях проявления толстых
органических маскирующих покрытий и планари-
зации рельефа с их помощью;
планарные реакторы и системы с
автономными источниками ХАЧ и плазмы на базе
разрядов постоянного тока, НЧ-, ВЧ- и СВЧ-
разрядов, применяемые в операциях травления
затворов (из поликремния, силицидов и поли-
цидов тугоплавких металлов) и слоев нитрита
кремния, лежащих на тонком подзатворном
диэлектрике;
системы РИПТ с плоскими или
гексагональными ВЧ-электродами, а также системы
РИЛТ и ИСГТ с высокоинтенсивными
низкоэнергетическими автономными ионными
источниками (АИИ), используемые в операциях
травления металлизации на основе сплавов
алюминия, лежащей на слоях фосфорно-
силикатного стекла и диоксида кремния;
планарные системы РИПТ со
сближенными электродами (системы РИПТ высокого
давления) и магнетронные системы РИПТ,
применяемые в операциях травления
контактных окон в слоях фосфорно-силикатного
стекла и диоксида кремния и металлизации на
основе алюминиевых сплавов;
гибкие диодные и триодные системы, а
также системы с автономными источниками
плазмы, применяемые в операциях травления
контактных окон в слоях фосфорно-
силикатного стекла и диоксида кремния к
поликремниевым затворам и мелким р-п-
переходам в монокремнии;
триодные системы и системы с
автономными источниками плазмы на базе СВЧ-
разрядов с эффективным охлаждением
пластин, которые используются в операциях
травления глубоких канавок в монокремнии через
органические маскирующие покрытия.
Типичные характеристики оборудования
ВГПТ приведены в табл. 2.2.3.
В связи с необходимостью сочетания
высокой селективности травления ФС к
подслоям и маскам, характерной для процессов РТ и
ПТ, с большими значениями показателя
анизотропии травления, достигаемыми при РИПТ
(см. табл. 2.2.2), в середине 80-х годов были
созданы полипроцессные реакторы и
многокамерные установки (реакторы и установки, в
которых можно проводить несколько типов
процессов ВГПТ материалов). К полипроцесс-

a)
и)
у Ашиъныи
\" гзь к)
-64*
Рис. 2.2.3. Реакторы и системы ВГПТ функциональных слоев микросхем:
а, б - туннельный и планарный реакторы; системы: в, г - с автономными источниками ХЛЧ и плазмы; д - магнетронная РИПТ;
е, ж - РИПТ с планарным и гексагональным ВЧ-электродом; з - РИЛТ; и - ИСГТ; к - РИПТ со сближенными электродами; л - гибкая диодная; м - триодная

98
Глава 2.2. ВАКУУМНАЯ ГАЗО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
Тип системы
травления
Туннельный
реактор
Планарный
реактор
индивидуальный
Планарный
реактор групповой
Системы с
автономными
источниками ХАЧ и
плазмы на базе
соответственно
НЧ-, ВЧ-, СВЧ и
СВЧЗЦР-разрядов
Планарная РИПТ
система со
сближенными
электродами
Системы РИЛТ с
автономными
ионными
источниками
Система ИСГТ
Гибкая диодная
система
Триодная система
Магаетронная
РИПТ система
Планарная
система РИПТ
индивидуальная
2.2.3. Типичные характеристики об
Установка
08 ПХТ-ЮОТ-001
MS-6
08 ПХО-125-001
Плазма-1000
08 ПХТ-125/50-008
Плазма НД-125ПМ
Plasmafab 660
УТЛ. 3-150/1-003
Rainbow-4400D700)
08 ПХТ-100/10-006
Модель 1002Р/Р
DV-45AN
НЧ
вч
СВЧ
СВЧ
ЗЦР
Вертикаль-1
УГП.ПДЭ-
125-001
Вертикаль-2
NE800
Вертикаль-3
ECR Series
GIR-260 (SiO)
Электроника
ТМ-1106
УРМ.3.279.053
MIMTLA-10
Microetch Series
Мод. 15 ИД
Мод. VPS-1560S
Мод. 606
МодМУ
MIE 722
Электроника
ТМ-1104
GIR-260 (Si и А1)
Wafer / Etch
Электроника
ТМ-1105
Страна
Россия
США
Россия
Россия
Россия
Россия
Англия
Россия
США
Россия
США
Япония
Россия
Россия
Россия
Франция
Россия
США
Франция
Россия
Россия
США
США
США
Швеция
США
Англия
США
Россия
Франция
США
Россия
орудования
Др, Па
102-103
20-Ю2
20-60
20-80
5-10-2-
1,0
10-100
5-10-2-
ю-1
100-150
ю-3-ю-1
10-2-1,0
10-102
1,0 - 50
0,1-10
1,0-10
ВГ11Т
AQ, см3/мин
102-103
102-Ю3
102-5-102
50-2-102
5,0-50
50-5102
10-102
102-103
0,1-10
1,0-50
МО^-Ю2
20 - 2-102
10-100
10-100
АРуд, Вт/см2
(Вт/см3)
10-2-10-1
0,1-2,0
0,1-0,5
hH-s-io-1
5-10-
5,0
lO-i-l^O
1,0-3,0
0,1-1,0
с,
0,1-0,3
0,1-2,0
0,1 - 30,
0,1-20
0,2-2,0

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
99
Продолжение табл. 2.2.3
Тип системы
травления
Планарная
система РИПТ
групповая
Система РИПТ с
гексагональным
ВЧ-электродом
Установка
08 ГОСТ-150/10-007
Мод. 4013
Трион
АМЕ-8300
Страна
Россия
США
Россия
США
Др, Па
1,0-10
sio-i-io
AQ, см3/мин
30-300
10-100
ДРуц, ВТ/СМ2
(Ьт/смЗ)
0,1-0,5
0,1-0,5
ным реакторам типа РИПТ/ПТ относится
гибкая диодная система, а типа РИПТ/ПТ/РТ -
триодная система и системы с автономными
источниками плазмы. В многокамерных
установках в одном реакторе можно проводить
РИПТ, а в другом (или других) - ПТ или РТ.
По сравнению с полипроцессным
реактором многокамерная установка имеет ряд
преимуществ, связанных с возможностью:
использования в разных камерах
различных рабочих газов (в полипроцессном
реакторе это недопустимо из-за эффекта памяти
стенок и нарушения контроля момента
окончания процесса травления ФС);
специализации покрытий камер и
электродов под используемые рабочие газы для
повышения качества травления ФС;
параллельного использования камер под
один процесс травления для увеличения
производительности обработки пластин;
интеграции процессов повышения
стойкости органической маски, травления ФС и
удаления остатков маски без выноса пластин
на атмосферу, что способствует существенному
повышению выхода годных ИС.
Разработанные еще в 60-х годах системы
ИПТ и РИЛТ с автономными ионными
источниками в середине 80-х годов подверглись
интенсивным модернизации и развитию, что
объяснялось необходимостью:
проведения качественного размерного
травления сложных многокомпонентных
материалов (сплавов алюминия, сверхпроводящей
керамики, гранатов и т.д.), часть компонентов
которых не взаимодействует химически ни с
жидкостными, ни с газовыми реагентами в
технологически допустимых областях
температур;
получения предельно малых (< 0,1 мкм)
размеров во многих классах перспективных
микроэлектронных приборов, например,
датчиках поверхностных акустических волн,
криоэлектронных устройствах и т.д.;
получения элементов со сложной
формой профиля и предельной гладкостью
поверхностей.
Существующие АИИ могут быть
разделены на две большие группы:
электростатические ионные источники,
формирующие ионный пучок с помощью
ионно-оптической системы, на выходе из
которой осуществляется компенсация его
объемного заряда путем инжекции электронов;
плазменные ускорители, которые сразу
фомируют поток ускоренных ионов с
компенсированным зарядом.
Типичными представителями первой
группы являются многочисленные
модификации источника Кауфмана на базе дугового
разряда в магнитном поле, а второй -
источники "Радикал" (ИИ-4-015), "Радикал-М-100"
и "Радикал-М-200" на базе плазменных
ускорителей с анодным слоем.
Для повышения скорости и
селективности РИЛТ материалов были разработаны во
второй половине 80-х годов системы ионно-
стимулированного газового травления, в
которых на поверхность обрабатываемого ФС
одновременно воздействуют поток ионов
инертного газа, формируемый АИИ, и поток
молекул химически активного газа, подаваемого в
рабочую камеру из отдельного входа (см. рис.
2.2.3). Снижение радиационных повреждений
обрабатываемых структур в процессах ИЛТ,
РИЛТ и ИСГТ связано с переходом от ионных
пучков к потокам энергетических нейтральных
частиц.
Процессы и системы электронно-
стимулированного газового травления (ЭСГТ),
фотонно-стимулированного газового
травления (ФСГТ), термо-стимулированного
газового травления (ТСГТ) и радиационно-
стимулированного радикального травления
(РСРТ) в настоящее время интенсивно
исследуются и разрабатываются в лабораторных
условиях, и, по прогнозам, промышленное
оборудование на их основе будет внедряться в
производство микросхем с размерами
элементов менее 0,5 мкм.

100
Глава 2.2. ВАКУУМНАЯ ГАЗО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА
Момент окончания ВГПТ материалов без
использования тестовых образцов или
свидетелей может регистрироваться путем анализа:
газовой фазы в рабочей камере методами
масс-спектрометрии (МС), эмиссионной
оптической спектрометрии (ЭОС) излучения
плазмы, измерения электрических параметров
плазмы и давления газа, измерения силы тока
ионного пучка [зондовый метод (ЗМ)];
отраженного от поверхности
обрабатываемого функционального слоя (структуры)
излучения методами лазерной
интерферометрии и рефлектометрии (ЛИР) и ЭОС.
В промышленном оборудовании ВГПТ
наибольшее распространение получили
встраиваемые приборы контроля момента
окончания травления на основе следующих
методов: МС и ЗМ для установок ИЛТ, РИЛТ
и ИСГТ; ЭОС и ЛИР для установок ПТ и
РИПТ; ЛИР для установок РТ и ТТ.
К середине 90-х годов выпущено свыше
150 типов установок ВГПТ, предназначенных
для производства микросхем с размерами
элементов 1 мкм и менее и обрабатывающих
пластин диаметром 150 - 250 мм. В табл. 2.2.4
представлены характеристики серийно
выпускаемого оборудования.
2.2.4. Характеристики серийно выпускаемого оборудования ВГПТ
функциональных слоев микросхем
Оборудование
Функциональные слои
Диаметр
обрабатываемых
пластин, мм
Число
одновременно

обрабатываемых пластин,
шт.
Прибор
контроля
окончания травления
Установки плазмохимического травления с групповой обработкой пластин
08 ПХТ-100/10-006
08 ПХТ-100/10-006М
08 ПХО-125-001
Нитрид и диоксид
кремния»
поликремний, фосфорносили-
катное стекло
Алюминий и сплавы
алюминий - кремний
Удаление фоторези-
стивных масок
100
100
< 150
10
10
25
ИУП-1
ИУП-5
ИУП-5
Установки плазмохимического травления с индивидуальной обработкой пластины
08 ПХТ-125/50-008
Плазма НД 125 ПМ
Поликремний,
тугоплавкие металлы, их
силициды и поциды
Алюминий и сплавы
алюминий-кремний с
удалением фоторези-
стивных масок
100 и 125
100 и 125
1
2
ИУП-1 и
ИУП-5
Нет
Установки реактивного ионно-плазменного травления с индивидуальной обработкой
УПТ. ПДЭ-125-009
Электроника ТМ-1104
Электроника ТМ-1105
Электроника ТМ-1106
Монокремний,
диоксид кремния
Поликремний, нитрит
кремния, полициды и
силициды тугоплавких
металлов
Алюминий и сплавы
алюминий-кремний
Диоксид кремния,
фосфорносиликатное
стекло
100 и 125
100 и 150
100 и 150
100 и 150
1
2
2
2
ИУП-1 и
ЛИУП-1
ИЛОТ-2 и
ИСОП
ИЛОТ-2 и
ИСОП
ИЛОТ-2 и
ИСОП
Установки реактивного ионно-лучевого травления с индивидуальной обработкой
"Каштан"
Пермаллой, медь,
серебро, золото
< 150
1
Зондовый
датчик

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
101
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Габович М. Д., Плешивцев Н. Б.,
Семашко Н. Н. Пучки ионов и атомов для
управляемого термоядерного синтеза и
технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986.
248 с.
2. Готра 3. Ю. Технология
микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и
связь. 1991. 528 с.
3. Данилин Б. С, Киреев В. Ю.
Применение низкотемпературной плазмы для
очистки и травления материалов. М.:
Энергоатомиздат, 1987. 264с.
4. Данилин Б. С. Применение
низкотемпературной плазмы для нанесения тонких
пленок. М.: Энергоатомиздат, 1989. 328 с.
5. Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ион-
но-плазменная обработка материалов. М.:
Радио и связь, 1986. 232 с.
6. Моро У. Микролитография / Пер. с
англ. В 2-х ч. Ч. 1 605 с.; Ч. 2. 632 с. М.: Мир,
1990.
7. Плазменная технология в производстве
СБИС / Пер. с англ.: Под ред. Н. Айнспрука
и Д. Брауна. М.: Мир, 1987. 469 с.
8. Распыление твердых тел ионной
бомбардировкой / Пер. с англ.: Под ред. Р. Бери-
ша. М.: Мир, 1984, 336 с.
9. Dry etching equipment. Microelectronic
Manufacturing and Testing. 1989. V. 12. N. 1.
P. 1, 10 - 15.
Глава 2.3
ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
2.3.1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ
Ионно-лучевая обработка (ИЛО) матвг
риалов осуществляется пучком ускоренных
заряженных частиц, сформированных в
источнике ионов. Пучок ионов впервые наблюдал в
1886 г. Е. Гольдштейн. В 1910 г. Дж. Дж. Том-
сон создал первый источник ионов для масс-
спектрометрических исследований. В 30-е
годы источники ионов стали использоваться в
ускорителях ионов для исследований ядерных
реакций.
В 40-е годы источники ионов нашли
применение в установках для разделения
изотопов и исследованиях взаимодействия ионов
с твердым телом. В 60 - 70-е годы источники
ионов стали применяться для установок
термоядерного синтеза, реактивных ионных
двигателей, а также в прецизионных
технологических процессах - легировании
полупроводников, очистке поверхности, локальном
травлении поверхности, нанесении пленок.
В 80 - 90^-е годы ИЛО находит
применение в микроэлектронике (в производстве
СБИС, СВЧ-транзисторов, прецизионном
селективном травлении), технологии тонких
пленок (очистка поверхностей и нанесение
покрытий), оптике (микротравление
дифракционной оптики), в производстве пьезоквар-
цевых приборов (подгонка частоты кварцевых
резонаторов, утонение кварцевых пластин),
акустоэлектронных приборов (микротравление
структур), лазерной технике (микротравление
структур в твердотельных лазерах),
прецизионных резисторов (подгонка номинала
сопротивления), машиностроении (повышение
твердости, коррозионной стойкости,
износостойкости, уменьшение коэффициента трения и
т.д.), медицине, при нанесении покрытий на
стекло, металл и т.д.
Процессы, связанные с переносом массы
вещества, можно разделить по характерным
для них энергиям на четыре группы (табл.
2.3.1).
Процессы ионно-лучевой обработки,
которые рассматриваются в настоящей главе,
относятся ко II группе. Диапазон энергий,
характерных для процессов ИЛО, определяется
пороговыми значениями коэффициента
распыления материалов S и максимальными
значениями энергии ионов порядка 10 кэВ, при
которой коэффициент S близок к
максимальным значениям.
Процессы электронно-лучевой обработки
характеризуются двумя факторами - энергией
и зарядом частиц (электронов), а при ИЛО
процесс массопереноса вещества определяется
пятью основными параметрами: энергией
ионов, их импульсом, химическим составом
иона, массой иона и его зарядом.
2.3.1. Характерные процессы массопереноса вещества при различных энергиях частиц
Группа
I
II
III
IV
Энергия, эВ
< 1
1- 104
104 - 106
106 - 1010
Процессы массопереноса вещества
Гальваника, химические реакции,
термодиффузия и др.
Ионно-тшазменная обработка: очистка
поверхности, нанесение слоев, их
травление, полирование поверхности
Электронно-лучевая и . ионно-лучевая
литография. Ионная имплантация
Ускорители элементарных частиц,
ядерные реакции
Направленность воздействия
Нет
Есть
Есть
Есть

102
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Энергия иона. Оптимальная энергия иона
определяется конкретным технологическим
процессом. Выбор оптимальной энергии
ионов рассмотрен в подразд. 2.3.3.
Производительность процесса ИЛО определяется
скоростью распыления материала, которая зависит
от коэффициента распыления S («^-отношение
числа удаленных из материала атомов на один
падающий ион). Распыление материала при
ИЛО практически отсутствует (S = 10 ... 10)
при энергиях ионов, меньших порогового
значения, составляющего в случае падения
иона по нормали к поверхности 3-30 эВ. Для
вычисления пороговой энергии ^ор
используются следующие соотношения:
при щ1 тх ? 5;
при т2/ mi = 1,
где Eq - поверхностная энергия связи; mj и
т2 - масса соответственно иона и атомов
распыляемого материала; р = 4m\m2/ (m\ + m^p-.
При энергии иона больше Дюр
коэффициенты распыления увеличиваются с ростом
энергии иона до максимального значения в
интервале Е = 5 - 50 кэВ. Уменьшение
коэффициента распыления S при более высоких
энергиях связано с большой глубиной
проникновения в твердое тело и меньшим
выделением энергии в поверхностных слоях. От
энерАш иона зависит глубина его
проникновения в твердое тело, а следовательно, и
глубина нарушенного слоя. При энергии ионов
до 10 кэВ средний пробег иона в твердом теле
% (нм) определяется ядерным торможением:
X: 2W
ТП\ •? ТП2
Ya
щ
где Е - в эВ; Z\ и Zi - атомные номера
соответственно иона и атома материала; Ya -
плотность атомов материала, см.
Например, пробег иона аргона с
энергией 1 кэВ в кремнии (уа = 5-Ю22 см) не
превышает 3 нм.
Энергия иона не влияет на энергию
распыленных атомов, составляющую в среднем
5 - 15 эВ, но определяет характер
распределения их по углу вылета с обрабатываемой
поверхности. При средних энергиях ионов A -
10 кэВ) наблюдается "косинусное"
распределение распыляемых атомов (S ~ coscp, где <р -
угол между направлением вылета атома и
нормалью к поверхности).
Импульс иона. Импульс иона определяет
высокую направленность, анизотропию
процесса обработки. В процессах микротравления
от него зависят разрешение минимальных
размеров элементов, точность их переноса и
возможность получения микроструктур с
различным наклоном к поверхности (например,
несимметричные дифракционные решетки).
В процессе распыления материалов
возможна ИЛО под углом к поверхности, что
позволяет существенно повысить коэффициент
распыления материала, а, следовательно, и
производительность процесса обработки.
Коэффициент распыления возрастает при
увеличении угла падения 0 (при нормальном
падении 0 = 0), достигает максимального
значения при углах падения 0 = 45 ... 80 °, а
затем резко уменьшается вследствие отражения
ионов от поверхности. Оптимальный угол
падения ионов, при котором коэффициент S
максимален
лУг
¦*зо
где /*о - боровский радиус электрона, 0,053 нм;
у - плотность вещества мишени, г/см3; Z\t
Zi - атомный номер соответственно иона и
вещества мишени; ty = 13,6 эВ - энергия
ионизации водорода; Е - энергия ионов, эВ.
При оптимальном угле падения иона
коэффициент распыления увеличивается в 1,5 -
3 раза при энергии ионов до 1 кэВ и в 4 -
10 раз при Е = 1 ... 10 кэВ в зависимости от
вида материала.
Глубина нарушенного слоя в
обрабатываемом материале уменьшается при
увеличении угла падения иона 0.
Химический состав иона. Химический
состав иона определяет характер взаимодействия
с обрабатываемым материалом. При
использовании ионов инертных газов происходят
процессы только физического распыления. Ионы
химически активных веществ, например хлор-
или фторсодержащих соединений, вступают в
химическое взаимодействие с обрабатываемым
материалом с образованием, например,
летучих соединений. В этом случае процессы
физического распыления могут быть исключены
полностью (при энергии ионов, близкой к
пороговым значениям), либо оба процесса
происходят одновременно в разных
соотношениях в зависимости от энергии иона. Доля
физического распыления в этом случае будет
возрастать по мере увеличения энергии иона,
что позволяет управлять селективностью
процесса травления. При нанесении слоев
обработка растущей пленки ионами инертных
газов позволяет проводить ее активацию,
изменяя свойства и структуру слоя. При обработке

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
103
растущей пленки ионами реактивных газов
(кислорода, азота и других газов) можно
получать пленочные покрытия различного
хищнического состава (оксиды, нитриты и т.п.).
Масса иона. От массы иона зависят
коэффициент распыления материала и глубина
проникновения его в твердое тело. При
увеличении массы иона коэффициент распыления,
как правило, растет, а глубина проникновения
в твердое тело и толщина нарушенного слоя
уменьшаются.
Заряд иона. Наличие заряда у иона
позволяет управлять траекторией ионов с
помощью электрического и магнитного полей.
Осуществляя сканирование пучка ионов,
можно добиться высокой равномерности ИЛО
неподвижных пластин. Сепарация пучка ионов
по массе позволяет выделить ионы требуемого
состава, что существенно при изучении
механизма взаимодействия ионов химически
активных соединений с твердым телом.
Измеряя поток ионов, легко
контролировать процесс ИЛО и управлять им.
При ИЛО поверхность диэлектрической
или изолированной от земли пластины будет
заряжаться до определенного потенциала.
Значение потенциала зависит от параметров пучка
ионов, обрабатываемого материала и потока
электронов, компенсирующих поверхностный
заряд. Наличие поверхностного заряда может
влиять на параметры полупроводниковых
приборов и интегральных схем, скорость ИЛО за
счет появления отраженных медленных ионов,
возникновения разрядов по поверхности и
пробоев тонких диэлектрических пленок.
Подробнее процессы на обрабатываемой
поверхности рассмотрены в подразд. 2.3.4.
2.3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
Методы ИЛО нашли применение в
различных технологических процессах, связанных
с очисткой, полировкой и активацией
поверхности, прецизионным ионно-лучевым
травлением материалов через резистивные маски,
нанесением пленок на подложки (рис. 2.3.1).
Применение ИЛО позволяет либо повышать
качество и выход годных выпускаемых
приборов, либо создавать новые приборы или
изделия, изготовление которых другими методами
невозможно.
и
Z
III
IV
Jj
Рис. 2.3.1. Схемы ионно-
у р
1 - источник ионов; 2 - подложка; 3 - мишень; 4 - испаритель; 5 - резист; 6 - кварц;
I - травление; II - очистка; III - полирование; IV - активация; V - нанесение пленок

104
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Очистка, активация и полирование
поверхности. Очистка поверхности в вакууме
может осуществляться различными методами:
тлеющим разрядом, высокочастотным
разрядом, подачей постоянного и ВЧ-потенциала на
подложку, находящуюся в газоразрядной
плазме. Преимущества очистки подложки
пучком ионов следующие:
высокий вакуум;
возможность использования пучков
ионов как инертных, так и химически активных
газов;
управление в широком диапазоне
энергией ионов и их плотностью тока;
регулировка заряда на обрабатываемой
поверхности;
отсутствие электрического поля вблизи
поверхности.
Химические методы очистки не всегда
позволяют получать поверхность, свободную
от органических растворителей, химических
реагентов, пленок сложного состава, не
взаимодействующих с растворителями. Поскольку
состав загрязнений большей частью
неизвестен, распыление ионами аргона является
наиболее эффективным методом удаления
сверхтонких слоев, покрывающих поверхность. Это
позволяет проводить очистку подложки,
недостижимую в случае обработки жидкостными
методами. Для удаления органических
загрязнений очистку поверхности целесообразно
проводить ионами кислорода, образующими с
органическими соединениями летучие
продукты взаимодействия.
Наиболее эффективно использовать
очистку пучком ионов непосредственно перед
операцией нанесения пленок (без
разгерметизации вакуумной системы) в едином
вакуумном цикле. Нанесение пленок на очищенную
поверхность приводит к существенному
улучшению качества и надежности изготовляемых
изделий за счет увеличения адгезии пленок к
подложке, увеличения сплошности пленок при
малых толщинах, уменьшению влияния
окружающей среды (пыль, газовая среда) на
качество покрытия. При использовании
совмещенных процессов отпадает целый ряд
технологических операций, связанных с
последовательной обработкой пластин в смесях кислот,
отмывках в растворителях и воде, сушках и
т.д., сокращается время, необходимое на
изготовление одного изделия.
Обработка поверхности пучком ионов не
только очищает ее от загрязнений, но и
активирует ее или растущую пленку, если процесс
обработки пучком ионов проводится
одновременно с нанесением пленки. При этом на
поверхности образуются свободные связи,
которые при нанесении пленки становятся
искуственными центрами зародышеобразова-
ния. При активации поверхности стекла,
например во время нанесения пленок из
алюминия, меди, хрома или других металлов,
сплошные пленки образуются даже при
толщине 5,5 - 8 нм. На необлученной ионами
поверхности сплошная пленка не образуется.
Активация поверхности после ионной
обработки снижается на 30 - 40 % при выдержке
пластин в вакууме в течение 0,5 - 1ч.
Следовательно, процесс активации эффективен, если
применять его непосредственно перед
нанесением или в процессе нанесения пленок.
Обработка пучками ионов различных
газов поверхности металлов, полупроводников и
диэлектриков позволяет существенно снизить
высоту неровностей поверхности, т.е. провести
ее полирование (см. рис. 2.3.1). Для обработки
применяют пучки ионов инертных газов,
например аргона, а также химически активных
газов и соединений - кислорода, фторсодер-
жащих соединений и т.д. Эффект полирования
существенно зависит от состава пучка ионов и
угла падения ионов на подложку.
Травление материалов. В конце 60-х
годов был освоен процесс ионно-лучевого
травления (ИЛТ) материалов через фоторезистив-
ные маски. Травление осуществлялось
пучками ионов инертных газов за счет физического
распыления материалов (см. рис. 2.3.1). В
1974 г. впервые был предложен и реализован
процесс селективного прецизионного
травления материалов пучками ионов химически
активных соединений.
Процесс реактивного ионно-лучевого
травления (РИЛТ) состоит в удалении
материала за счет химического взаимодействия
ионов химически активных соединений с
обрабатываемым материалом (см. рис. 2.3.1). В
результате взаимодействия образуются летучие
соединения, откачиваемые вакуумной
системой. Вследствие этого РИЛТ, обладая
достоинствами ИЛТ по разрешению процесса и
точности переноса рисунка, обеспечивает
селективность травления одного материала
относительно другого. Методы ИЛТ и РИЛТ по
сравнению с плазмохимическим травлением
имеют ряд преимуществ:
ИЛТ и РИЛТ являются наиболее
анизотропными процессами, поскольку ионы
образуются и ускоряются до требуемой энергии в
автономном источнике и с малой
расходимостью (обычно не превышающей 5 °) проходят
пространство между источником и подложкой
без соударения с остаточным газом. Отсюда
вытекают следующие технологические
возможности методов ИЛТ и РИЛТ: наибольшее
разрешение метода (получены минимальные
размеры элементов менее 0,2 мкм с
погрешностью 0,05 мкм); отношение высоты к ширине
ступеньки превышает 30 : 1; изменение угла
наклона пучка к обрабатываемой поверхности
позволяет управлять профилем ступеньки, а
также получать канавки требуемой
конфигурации. При плазмо-химическом травлении

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
105
(ПХТ) ионы бомбардируют подложку
перпендикулярно поверхности и энергию
приобретают в промежутке между плазмой и
обрабатываемой поверхностью, что ограничивает
возможности анизотропного травления;
методы ИЛТ и РИЛТ позволяют
независимо управлять составом пучка и энергией
ионов. Поэтому появляются более широкие
технологические возможности: травление
практически любых веществ, включая
материалы, не дающие при взаимодействии с
ионами летучих соединений, изменение
селективности травления, теплового и
радиационного воздействия на подложку и др.;
участие в процессах ИЛТ и РИЛТ только
заряженных частиц позволяет их строго
контролировать и точно воспроизводить. При
ПХТ участвуют как заряженные частицы, так и
нейтральные (радикалы, возбужденные атомы,
быстрые нейтралы);
ИЛТ и РИЛТ позволяют управлять в
широких пределах поверхностным зарядом на
подложке за счет регулирования потока
электронов, эмиттируемых катодом нейтрализации.
Следовательно, можно исключить влияние
зарядов на характеристики приборов, а в
некоторых случаях и улучшить их. При ПХТ
потенциал на подложке устанавливается
автоматически независимо от оператора. К
ограничениям методов ИЛТ и РИЛТ по сравнению с
ПХТ следует отнести меньшую
производительность и селективность процесса, большую
сложность высоковакуумных систем.
Травление пучками ионов инертных
газов используют для материалов, не
образующих летучих химических соединений с ионами
химически активных веществ: благородных
металлов, сплавов с никелем (например,
пермаллой), меди и других веществ.
Селективность травления при ИЛТ определяется
различием коэффициентов распыления материалов,
которое может составлять 10 : 1 или даже 20 :
1. Например, при травлении ионами аргона с
энергией 5 кэВ отношение скорости травления
алюминия к скорости травления диоксида
алюминия составляет 23 : 1, а скорости
травления магния к скорости травления оксида
магния 7:1, Однако для большинства
материалов скорости ИЛТ примерно одинаковы.
Резистивные маски, через которые
осуществляется обычно процесс травления в
микроэлектронике, имеют скорости травления,
примерно равные скоростям травления
материалов, что ограничивает применение ИЛТ в
производстве ИС. Метод ИЛТ применяют при
изготовлении запоминающих устройств на
цилиндрических магнитных доменах, сложной
металлизации ИС, коммутации гибридных
схем и т.д. Некоторые структуры, полученные
ионно-лучевым травлением, показаны на рис.
3.2.2. Минимальная ширина "дорожки",
полученная ИЛТ, составляет 0,3 мкм.
Рис. 2.3.2. Структуры, полученные ионно-лучевым
травлением пленок SiO2
Существенно большее применение в
промышленности нашел метод РИЛТ.
Основное его преимущество по сравнению с ИЛТ
состоит в селективном удалении одного слоя
относительно другого. Выбором рабочих
веществ можно управлять селективностью
травления. Применение фторсодержащих
соединений позволяет удалять пленки SiC>2 и Si3N4 со
скоростью, в 5 раз большей скорости
травления резистивных масок, что обеспечивает
точный перенос размеров рисунка резистивной
маски на обрабатываемые слои. В то же время
применение ионов кислорода позволяет
удалять резист в 15 - 20 раз быстрее, чем пленки
SiC>2 и кремния. Пленки SiO2 травятся ионами
хладонов C3F8, СНБз с селективностью A0 - 15):
1 по отношению к кремнию. Высокая
селективность процесса РИЛТ позволяет исключить
ряд технологических операций, например, при
травлении разновысоких слоев диоксида
кремния, системы Si(>2 - Si3N4 - SiC>2, а для
ряда операций - задубливание фоторезиста,
что особенно важно при получении элементов
с субмикронными размерами. Структура
пленки SiO2> полученная РИЛТ, показана на рис.
2.3.3.
Рис. 2.3.3. Структура пленки SiO2 толщиной 1 i
после РИЛТ

106
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Применение РИЛТ решает не только
технические, но и экологические проблемы.
Одна установка РИЛТ экономит в год больше
1 т кислот особой чистоты (серная, азотная,
плавиковая, ледяная уксусная, соляная и др.),
а также свыше 10 тыс. м3 деионизованной
воды.
Нанесение пленок. Тонкие пленки
различных материалов можно наносить на
подложку, распыляя материал мишени пучком
ионов инертных газов.
Основные достоинства этого метода
нанесения пленок по сравнению с ионно-
плазменным распылением следующие:
можно наносить пленки материалов
сложного состава с сохранением
компонентного состава мишени;
рабочее давление в технологической
камере ограничено лишь быстротой откачки
вакуумной системы, а не условиями
поддержания разряда, что характерно для ионно-
плазменных систем;
отсутствуют электрические поля в
области подложки, что особенно важно при
нанесении диэлектрических пленок на подложки из
проводящих материалов;
возможно управление зарядами в
осаждаемой диэлектрической пленке с помощью
электронов, эмитгируемых катодом
нейтрализации.
Этот метод наиболее эффективен для
нанесения пленок многокомпонентных
материалов, различных диэлектриков, магнитных
материалов.
Другой метод нанесения пленок состоит
в осаждении материала непосредственно из
пучка ионов. Рабочее вещество, например
углеводород, подается в источник, ионизуется,
образовавшиеся ионы ускоряются до
требуемой энергии и осаждаются на подложке,
образуя алмазоподобную пленку. Поскольку ионы
ускоряются электрическим полем внутри
источника, то их энергия может легко
варьироваться в широких пределах от десятков элек-
тронвольт до нескольких килоэлектронвольт, в
то время как в процессах распыления
материалов энергия осаждаемых атомов составляет в
среднем 5-15 эВ, а при испарении материала -
не превышает обычно 0,2 эВ. Возможность
управления энергией осаждаемых ионов
позволяет изменять адгезию пленок к подложке,
структуру и состав растущей пленки, а
следовательно, и ее свойства.
Из пучка ионов можно осаждать не
только алмазоподобные пленки, но также и
оксиды, нитриты, карбиды, различные металлы и
полупроводники.
2.3.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНОВ
Требования к технологическим источникам
ионов. Источники ионов можно применять,
если они обеспечивают заданную скорость
массопереноса вещества, сравнимую с той,
которая характерна для традиционных
технологических методов. Источники должны
обеспечивать максимальный перенос вещества при
использовании минимального газового потока,
а ионы - осуществлять максимальное
воздействие, допускаемое обрабатываемым объектом.
Использование минимального газового потока
вызвано ограниченностью быстроты откачки
вакуумных систем, определяющих
энергозатраты и габаритные размеры вакуумного
промышленного оборудования.
К источникам ионов, применяемым в
технологическом промышленном
оборудовании, предъявляют следующие требования:
1) интенсивность пучка ионов определяет
производительность процесса, поэтому она
должна составлять сотни миллиампер.
Скорость распыления вещества, т.е.
производительность процесса, пропорциональна силе
тока ионного пучка на обрабатываемом
объекте, коэффициенту распыления материала и его
атомной массе:
vp = lV*ASIh B.3.1)
где Vp - скорость распыления материала, г/с;
А - атомная масса материала, а.е.м.; S -
коэффициент распыления материала, атомы/ион;
// - сила тока ионного пучка, А.
При постоянной энергии ионов скорость
распыления вещества зависит от силы тока
пучка ионов и давления в вакуумной камере.
Закон Чайльда-Ленгмюра определяет
максимальную плотность отбираемого из плазмы
тока ионного пучка в зависимости от
расстояния / между границей плазмы и ускоряющим
электродом, а также разности потенциалов
между ними U:
B.3.2)
где е, т - соответственно заряд и масса иона.
Откачные системы серийного вакуумно-
технологического оборудования имеют
эффективную быстроту откачки порядка 1 м3/с
Рабочее давление в технологической камере
должно быть не более 10 Па, чтобы
отсутствовали потери энергии ускоренных ионов и
атомов распыляемого вещества на
столкновения с молекулами рабочего газа. Сила тока
пучка ионов 7/ связана с рабочим давлением р
(Па) и эффективной быстротой откачки Sq
(м3/с) соотношением

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНОВ
107
где ц - коэффициент газовой экономичности
источника.
Расчеты показывают, что для приведенных
выше быстроте откачки и рабочего давления при
условии полностью ионизованного газа (т| = 1)
максимальная сила тока пучка не может
превышать 5 А. Если коэффициент газовой
экономичности источника т] = 0,1, то предельная сила тока
пучка не превышает 0,5 А;
2) ионы должны обладать энергией 0,01 -
10 кэВ. Выбор оптимальной энергии
определяется необходимостью получения
максимальной производительности процесса при
сохранении высокого качества. Производительность
процесса распыления вещества под действием
ионной бомбардировки пропорциональна
коэффициенту распыления материала S [см.
B.3.1)], который, в частности, зависит от
энергии падающих ионов и угла их падения.
Он равен нулю при энергии ионов, равной
нескольким электронвольтам (пороговая
энергия). При увеличении энергии ионов от
пороговой до сотен электронвольт S резко
возрастает, достигая максимума при энергии
свыше 10 кэВ, и затем уменьшается вследствие
внедрения ионов в твердое тело.
Выбор оптимальной энергии для
процессов нанесения пленок ионно-лучевым
распылением определяется, в первую очередь,
требованием получения максимальной скорости
распыления материала при минимальном
рабочем давлении, что обеспечивает высокое
качество технологического процесса. Для
большинства материалов при энергии ионов
свыше 5 кэВ дальнейший рост энергии ведет к
малому увеличению коэффициента
распыления и процесс становится энергетически
неэффективным. Оптимальная энергия ионов
несколько возрастает при распылении
материалов ионами, падающими под углом к
поверхности.
Для процессов ионно-лучевого травления
энергия ионов должна быть 0,1-1 кэВ. Ионы
с энергией, меньшей 100 эВ, неэффективны
из-за малого коэффициента распыления.
Максимальная энергия ионов ограничивается
следующими факторами.
Травление ведется через резистивные
маски из органических соединений с
ограниченной термостойкостью, предельная удельная
мощность, которую выдерживают резисты на
охлаждаемых подложках, не превышает
примерно 1 Вт/см2, поэтому оптимальная энергия
процесса должна определяться максимумом
функции S I E =y(JS), так как в этом случае
затрата энергии на один удаленный атом
должна быть минимальна. Для большинства
материалов эта функция имеет максимальное
значение при энергиях порядка сотен
электронвольт.
Энергию ионов ограничивают также
радиационные повреждения и аморфизация
поверхности твердого тела. Энергия ионов
ограничивается значением, при котором
нарушения, вносимые в приповерхностные слои, не
устраняются последующей, например
термической, обработкой. Для большинства
материалов энергия ионов не должна превышать
1 кэВ, а для таких материалов, как арсенид
галлия, даже 200 эВ. Для процессов травления
ионами химически активных веществ
необходимо снижение энергии ионов примерно до
50 - 100 эВ, чтобы повысить селективность
травления слоев за счет фактического
исключения из процесса травления доли
физического распыления при сохранении
химического взаимодействия ионов с веществом.
Реализация осаждения пленок
непосредственно из пучков ионов требует создания
источников с энергией ионов, составляющей
десятки электронвольт. Предельная
максимальная энергия ионов для этого процесса
определяется условием S < 1, т.е. когда
осаждение ионов из пучка превалирует над
"самораспылением" осаждаемого материала;
3) в источниках ионов должны
ионизоваться разнообразные рабочие вещества,
включая химически активные, для получения ионов
различного химического состава. Это
объясняется многообразием технологических
процессов, осуществляемых с помощью пучков
ионов. Для процессов ионно-лучевого травления,
очистки поверхностей, нанесения пленок с
сохранением компонентного состава
распыляемой мишени применяют ионы инертных
газов. В процессах селективного реактивного
ионно-лучевого травления, нанесения пленок
распылением мишени или осаждением из
пучка ионов, очистки поверхностей от
органических загрязнений, удаления резистивных
масок используют химически активные ионы,
такие, как ионы фтор- или хлорсодержащих
соединении, углеводородов, кислорода, азота и
т.д.
4) источники ионов должны
обеспечивать равномерность травления и нанесения
пленок. В связи с разнообразием форм и
размеров обрабатываемых объектов требуются
источники с различной конфигурацией пучка:
сходящиеся, расходящиеся, ленточные,
цилиндрические и т.д.;
5) источники ионов должны иметь
катоды нейтрализации для управления
поверхностным зарядом в процессах травления или
нанесения диэлектрических пленок.
Отбор ионов из плазменного эмиттера.
Если в плазму ввести коллектор и подать на
него отрицательный потенциал, то коллектор
будет собирать только положительные ионы, а
электроны будут отражать в плазму. Между
коллектором и образующей границей плазмы
возникает слой движущихся ионов. В плазме
соблюдается равенство концентраций
положительно и отрицательно заряженных частиц и

108
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
электрическое поле практически отсутствует. В
отличие от источников с жестким эмиттером в
плазменных источниках нет ограничения силы
тока объемным зарядом. Ток, отбираемый с
границы плазмы, является током насыщения.
Но поскольку на границе плазмы
электрическое поле равно нулю, а в пространстве
граница плазмы - коллектор имеется
положительный заряд ионов, плотность отбираемого
ионного тока определяется законом Чайльда -
Ленгмюра B.3.2).
Плотность ионного тока У [мА/см2],
рассчитанную по формуле B.3.2) для различных
концентраций ионов аргона (т = 40) при
температуре электронов Те = ДО5 К можно
представить выражением
j = О,4-1О-1Ол+>
где п+ - концентрация ионов, см'3.
Особенностью отбора ионов с границы
плазмы является то, что изолированная стенка
разрядной камеры заряжается до
отрицательного относительно плазмы потенциала.
Причиной этого является существенно большая
подвижность в плазме электронов, чем ионов.
Потенциал стенки может быть определен из
условия равенства потоков ионов и электронов
на стенку
2кТе
пг
Уг
еп_
expl-
кТе
B.3.3)
где UK - потенциал стенки камеры.
Между границей плазмы S\ и стенкой
камеры 5*2 устанавливается зазор А, в котором
на стенку движутся потоки электронов и
ионов (рис. 2.3.4, а). Если в стенке камеры «%
сделать отверстие диаметром d9 большим, чем
2А, то плазма проникнет наружу (рис. 2.3.4,
б). Расстояние А имеет значение порядка деба-
евской длины экранирования D
Лш(-^т)
Уг
где п - концентрация плазмы.
Плазму можно вернуть в исходное
положение, если на ускоряющий электрод S^ по-
дать отрицательный потенциал U (рис. 2.3.4,
в). Изменяя U, можно управлять положением
и формой границы плазмы, а следовательно, и
конфигурацией ионного пучка. Величина U
определяет энергию ускоренных ионов. В
технологических источниках энергия ионов
задается технологическим процессом, поэтому
увеличение концентрации плазмы с целью
повышения плотности отбираемого ионного
тока ограничено при фиксированном
С/образованием выпуклой границы плазмы (см. рис.
2.3.4, 6), приводящей к расфокусировке
ионного пучка и осаждению ионов на
ускоряющем электроде.
С целью существенного увеличения
плотности отбираемого с границы плазмы
ионного тока был создан метод компенсации
положительного объемного заряда ионного
пучка. Компенсация осуществляется
пространственным зарядом электронов, удерживаемых
внутри ускоряющего промежутка в
скрещенных электрическом и магнитном полях.
Напряженность магнитного поля выбирают
такой, чтобы ускоряющий зазор был примерно
равен одному ларморовскому радиусу
электрона. Источником электронов служит
пучковая плазма, образующаяся в промежутке
"источник - обрабатываемый объект" при
распространении пучка, или катод
нейтрализации, располагающийся вблизи торцовой
поверхности источника.
Компенсация положительного объемного
заряда внутри ускоряющего промежутка
усиливает электрическое поле (при неизменном
потенциале на ускоряющем электроде), и
граница плазмы перемещается внутрь разрядной
камеры. Границу плазмы можно вернуть в
исходное положение (рис. 2.3.4, в)> если
увеличить концентрацию плазмы, а,
следовательно, в соответствии с выражением (рис. 2.3.2) и
плотность сформированного пучка ионов.
Кроме того, эффект компенсации уменьшает
расходимость ионного пучка под действием
собственного объемного заряда, что также
способствует фактическому увеличению силы
тока пучка на обрабатываемом объекте.
Эффект компенсации позволяет повысить силу
тока сформированного ионного пучка в
десятки раз по сравнению с силой тока при
бескомпенсационном режиме.
в)
Рис. 2.3.4. Схемы отбора ионов с границы плазмы:
S\ - граница плазмы; »?2 - стенка разрядной камеры; 5з - ускоряющий электрод; d - отверстие в стенке
разрядной камеры; А - зазор между стенкой разрядной камеры и границей плазмы

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНОВ
109
Конструкции технологических источников
ионов. По технологическим возможностям
источники ионов можно разделить на две
группы: источники ионов инертных газов и
источники ионов химически активных
веществ.
К первой группе относятся источники, в
которых для поддержания разряда использован
накаливаемый катод. В технологических
источниках ионов с накаливаемым катодом
эмиттером является газоразрядная плазма,
образующаяся в разрядах различного типа:
машетронном, с двойным контрагированием
плазмы, с инжекцией плазмы в вакуум и др.
От типа разряда зависит эффективность
ионизации рабочего газа, однородность плазмы
вблизи поверхности отбора ионов, содержание
посторонних примесей в плазме, а также
долговечность работы источника ионов. Наиболее
недолговечным элементом в источнике
является накаливаемый катод, эмиттирующий
электроны в разряд. Катод подвергается
постоянной бомбардировке и распылению ионами,
отбираемыми из плазмы, имеющей
положительный относительно катода потенциал.
Кроме того, накаливаемый катод активно
взаимодействует с химически активными газами,
появляющимися в разрядной камере
вследствие ее нагрева или из примеси рабочего газа.
Поэтому в технологических источниках ионов
с целью увеличения их срока службы
устанавливаются несколько катодов или применяются
полые катоды.
Для повышения эффективности
ионизации рабочего газа и управления
распределением концентрации плазмы на ее границе (в
области эмиссии ионов) используются
магнитные поля различных напряженности и
конфигурации. В источниках с магнетронным
разрядом, например источниках Кауфмана,
индукция продольного магнитного поля
составляет около 3-Ю Тл, а для управления
распределением концентрации плазмы в
радиальном направлении вблизи стенки разрядной
камеры создается локальное магнитной поле с
чередующимся направлением (мультиполе). В
дуоплазматроне магнитное поле с индукцией
порядка 3-Ю Тл создается для контрагирова-
ния плазмы вблизи эмиссионной поверхности.
В источниках с инжекцией плазмы в вакуум
индукция продольного магнитного поля
составляет около 3-Ю Тл и служит для
анизотропной диффузии плазмы в область отбора
ионов.
Разрядная камера имеет положительный
относительно земли потенциал, значение
которого определяет энергию ионов в пучке,
поскольку обрабатываемые подложки или
мишень находятся под потенциалом земли.
Ионно-оптическая система обеспечивает
отбор ионов с границы плазмы и ускорение их
до достижения заданной энергии. Обычно
ионно-оптическая система состоит из трех
сеток (или электродов). Первая сетка имеет
потенциал разрядной камеры и служит для
формирования границы плазмы, являющейся
эмиттером ионов. Вторая сетка имеет
потенциал, отрицательный относительно земли, и
предназначена для отбора и ускорения ионов.
Третья сетка имеет потенциал земли, а
разность потенциалов между второй и третьей
сетками препятствует попаданию электронов в
разрядную камеру. Источником вторичных
электронов служит пучковая плазма,
образующаяся при прохождении пучка ионов в
промежутке "источник ионов - подложка", или
поток электронов, возникающих при
попадании ионов на поверхность электродов или
стенок технологической камеры. В некоторых
источниках, формирующих пучки ионов
средних энергий (несколько сотен электронвольт),
для упрощения конструкции вторая сетка
отсутствует (двухсеточные источники ионов).
В односеточных источниках граница
плазмы образуется вблизи поверхности сетки.
Разность потенциалов между ними
определяется выражением B.3.3). Если размеры
отверстия в сетке не превышают размер дебаевского
слоя, то ионы будут ускоряться с границы
плазмы в сторону сетки и формировать низко-
энергетичный пучок. Обычно энергия ионов
не превышает 100 эВ.
Если энергия ионов определяет качество
обработки, то от интенсивности пучка ионов
зависит производительность процесса.
Имеются два способа увеличения его интенсивности.
Первый - повышение интенсивности пучка
ионов достигается за счет увеличения площади
эмиссии ионов. При этом сохраняется
ограничение плотности тока ионов законом Чайльда-
Ленгмюра. Этот вариант реализуется,
например, в источниках Кауфмана. Второй способ
увеличения интенсивности пучка ионов
состоит в компенсации положительного объемного
заряда ионов внутри ускоряющего промежутка
источника ионов. Компенсация достигается
отрицательным объемным зарядом электронов,
удерживаемых в скрещенных электрическом и
магнитном полях при ширине ускоряющего
промежутка порядка одного ларморовского
радиуса электрона. Этот метод реализован в
источниках ионов "Луч". Основные
характеристики источников ионов с накаливаемым
катодом приведены в табл. 2.3.2.
Первым был разработан дуоплазматрон
(рис. 2.3.5). В источнике применен разряд с
двойным контрагированием плазмы. Отбор
ионов осуществляется из отверстия малой
площади(около 0,05 см2), что обеспечило
высокую газовую экономичность (около 90 %).
Такие источники позволяют получать пучки
ионов аргона с силой тока 40 - 60 мА при
энергии ионов 5 кэВ. Сила тока ионного пуч-

110
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
2.3.2. Характеристики источников ионов инертных газов (аргона)
Характеристика
Энергия ионов, кэВ
Сила тока пучка ионов, мА
Размеры выходного канала:
диаметр пучка или средний
диаметр х ширина канала, мм
Дуоплазматрон
5
40-60
0 2,5
Источник с
кольцевым
пучком
10
350
0 220 х 3
Источники
Кауфмана
0,1-1,2; 0,2-10
?4000; 10-1000
0 380; 0200
Источник
"Луч"
0,5-5
215-700
0 123 х 3
Рис. 2.3.5. Дуоплазмотрон:
1 - катод; 2 - анод; 3 - соленоид;
4 - разрядная камера; 5 - ускоряющий электрод
Рис. 2.3.6. Источник ионов с кольцевым пучком:
1 - катод; 2 - анод; 3 - разрядная камера;
4 - ускоряющий электрод
ка ограничена малым эмиссионным
отверстием. Это приводит к возникновению сильных
электрических полей вблизи ускоряющего
электрода, вызванных объемным зарядом
ионного пучка. При повышении интенсивности
пучка напряженность электрического поля
возрастает, что приводит к пробою
ускоряющего промежутка.
Схема источника с более интенсивным
пучком (сила тока пучка ионов аргона до
350 мА при энергии 10 кэВ) показана на рис.
2.3.6. Увеличение силы тока пучка достигнуто
за счет формирования кольцевого пучка
большого диаметра (около 220 мм) и предельно
малого зазора между разрядной камерой и
ускоряющим электродом (около 1 мм). Из-за
большого диаметра ионного пучка область
применения источника ограничивается
мишенями большой площади. Недостатком
источника является также отсутствие электрода,
удерживающего вторичные электроны из
пучковой плазмы.
Для ИЛО за рубежом широкое
распространение получили источники Кауфмана
(рис. 2.3.7). В этих источниках плазма
создается разрядом магнетронного типа между
накаливаемым катодом и анодом. Осевое
магнитное поле имеет индукцию 0,003 - 0,005 Тл, а
напряжение на разряде составляет 100 В.
Вытягивание и ускорение ионов до требуемой
энергии осуществляются многосеточной
системой. Разработан ряд источников Кауфмана с
диаметром пучка 30 - 500 мм.
В источниках "Луч" с повышенной
интенсивностью пучка (рис. 2.3.8, 2.3.9)
увеличение силы тока достигается компенсацией
положительного объемного заряда пучка зарядом
электронов, удерживаемых внутри
ускоряющего промежутка в скрещенных
электрическом и магнитном полях. Источники
формируют пучки ионов с силой тока от 215 мА при
энергии ионов 0,5 кэВ до 700 мА при энергии
5кэВ.
Достоинства источников ионов с
накаливаемым катодом следующие:
Рис. 2.3.7. Источник ионов Кауфмана:
1 - катод; 2 - анод; 3 - соленоид;
4 - разрядная камера; 5 - ионно-оптическая система

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНОВ
111
Ф/26
Рис. 2.3.8. Источник ионов с компенсацией
объемного заряда пучка ("Луч"):
1 - катод; 2 - анод; 3 - соленоид; 4 - корпус разрядной
камеры; 5 - ускоряющий электрод; 6 - катод-
нейтрализатор; 7 - канал напуска газа
Рис. 2.3.9. Источник ионов "Луч"
практически моноэнергетичность пучка
ионов, так как отбор их происходит с границы
плазмы, а температура ионов в плазме не
превышает нескольких электронвольт;
более высокая, чем в источниках с
холодным катодом, газовая и энергетическая
экономичность.
Газовая экономичность может составлять
90 %, и при этом расходуется меньше энергии
на образование одного иона.
К недостаткам источников с
накаливаемым катодом относится трудность
использования химически активных рабочих веществ, что
существенно ограничивает их технологические
возможности. Например, применение в
источниках Кауфмана с прямонакаливаемым
катодом в качестве рабочих веществ фторсодержа-
щих соединений уменьшает срок службы
источника с 40 до 2 ч.
С целью устранения отмеченных
недостатков применяют источники ионов
химически активных соединений, в которых
накаливаемый катод отсутствует, например,
бессеточные источники ионов, в которых области
образования ионов и их ускорения совмещены,
и источники ионов, в которых газоразрядная
плазма образуется в ВЧ- или СВЧ-полях.
Из бессеточных источников наибольшее
распространение получили источники, в
которых ионы образуются и ускоряются в
скрещенных электрическом и магнитном полях. В
этих источниках нет ограничения плотности
тока пучка ионов законом Чайльда-Лен-
гмюра. Энергия ионов определяется разностью
потенциалов между местом образования иона
внутри ускоряющего промежутка и
потенциалом обрабатываемого объекта. Созданы три
типа таких источников: ускорители с
замкнутым дрейфом электронов и протяженной
зоной ускорения (УЗДП), ускорители с анодным
слоем (УАС) и источники с холодным катодом
"Радикал". Источники типа УЗДП получили
название Холловских ускорителей.
Принципиальные схемы этих источников представлены
на рис. 2.3.10-2.3.12.
2-<г.
Рис. 2.3.10. Ускоритель с протяженной зоной
ускорения:
1 - анод; 2 - соленоид; 3 - катод;
4 - катод-нейтрализатор;
Рис. 2.3.11. Ускоритель с анодным слоем:
1 - анод; 2 - катод; 3 - соленоид
'77.
Рис. 2.3.12. Источник ионов с холодным катодом
"Радикал":
1 - анод; 2 - катод (ускоряющий электрод);
3 - соленоид; I - вход газа

112
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
В 1974 г. был создан первый источник
ионов химически активных соединений
"Радикал". В этом источнике, как и в
источниках "Луч", реализован замкнутый дрейф
электронов в скрещенных магнитном и
электрическом полях в промежутке катод - анод
размером порядка ларморовского радиуса
электронов. Удерживаемые электроны ионизируют
рабочее вещество и компенсируют
пространственный заряд пучка ионов. Ионизация
практически любых веществ обеспечивается
высокоэнергетическими электронами,
ускоряемыми в специально созданной потенциальной
яме и в локализованных скрещенных
электрическом и магнитном полях, обеспечивающих
максимальное изменение энергии электронов
а промежутке анод-катод (рис. 2.3.13).
Удержание электронов в промежутке анод-катод
осуществляется скрещенными электрическим
и магнитным полями, потенциальной ямой и
линзообразным магнитным полем пробочной
конфигурации.
Движение электронов массой т и
зарядом е вдоль магнитных силовых линий в
дрейфовом приближении описывается
следующим равенством
- М(в ~
Здесь V//, Vq// - составляющие скорости
электронов параллельные силовым линиям
магнитного поля (индекс "О" относится к
центральной силовой линии); Uy Щ -
потенциалы; М = /wvoi/B5q) = const - магнитный
момент электронов, где \q± - составляющая
скорости электронов, перпендикулярная
силовым линиям магнитного поля; JSq - индукция
магнитного поля в точке эмиссии электронов;
В - индукция магнитного поля.
Рис. 2.3.13. Сечение ускоряющего промежутка
источника ионов:
а - с изображением силовых линий магнитного поля;
б - с изображением силовых линий электрического
поля; 1 - силовые линии магнитного поля; 2 - катод
(ускоряющий электрод); 3 - отверстие для выхода
пучка ионов; 4 - анод; 5 - эквипотенциали
Для рассматриваемых источников с
холодным катодом
re/d*l; rt Id» 1; D/d>l;
ч (?,# W
eUt
где ге, Г/ - ларморовский радиус
соответственно электронов и ионов; d - расстояние анод-
катод; D - дебаевский слой; Х,е t - длина
свободного пробега соответственно электронов и
ионов; W - абсолютное значение изменения
средней кинетической энергии электронов в
промежутке анод-катод при их движении
вдоль траектории; Uj - потенциал ионизации
рабочего вещества.
Параметр у характеризует эффективность
ионизации рабочего вещества электронным
ударом.
В табл. 2.3.3 приведены основные
характеристики источников ионов различного типа,
формирующих пучки химически активных
веществ.
2.3.3. Характеристики источников ионов химически активных соединений
Характеристики
Энергия ионов,
кэВ
Сила тока пучка
ионов, мА
Максимальная
плотность тока
ионов на
мишени, мА/см2
Источники с холодным катодом


дикал"
0,5-
2
300


дикал
Л"
0,5-
2
700

"Радикал
М-100"
0,3-
0,6
700
7

"Радикал
М-200"
0,3-
0,6
800
2,5
Хол-
лов-
ский

источник
0,04-
0,1
До
1000
2-4
УЗДП
УЛ-1-
208-
МАИ
0,05-
0,25
До
1000
1-10

Источник с


видным
полем
FAB-95
0,8-5
100

Источник с
ВЧ-
разря-
дом
0,5-
1,5
4

Источнике
СВЧ-
разря-
доми
ЭЦР
0,1-1
0,5-
1,5

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ИОНОВ
113
Продолжение табл. 2.3.3
Характеристики
Размеры
выходного канала:
диаметр пучка
или средний
диаметр или
стороны
прямоугольною пучка
х ширина
канала, мм
Размеры зоны
равномерной
обработки, мм
Источники с холодным катодом


дикал"
0
ЮОх
х4


дикал
JT
700х
х25х
х4
600

"Радикал
М-100"
0 100
0 90

"Радикал
М-200"
0 200
0 175
Хол-
лов-
ский

источник
0 140
УЗДП
УЛ-1-
208-
МАИ
ЮОх
х50х
хЮ
50х
х50

Источник с
седло-

видным
полем
FAB-95
150х
х76

Источнике
ВЧ-
разря-
дом
0 200

Источнике
СВЧ-
разря-
доми
ЭЦР
0 200
0 140
Рис. 2.3.14. Источник ионов с холодным катодом
"Радикал"
На основе рассмотренных выше
физических принципов формирования интенсивных
пучков ионов различных веществ разработаны
и применяются десятки модификаций
источников ионов с холодным катодом,
предназначенные для различных технологических
процессов. Наибольшее распространение в
промышленности получил источник "Радикал",
формирующий кольцевой пучок ионов
диаметром 100 мм (рис. 2.3.14).
Модернизированным вариантом
источника "Радикал" является источник "Радикал Л"
с протяженным ленточным пучком.
Созданы источники с шириной пучка
1,5 м и более.
Равномерность обработки поверхностей
большой площади обеспечивается
многопучковым источником ионов "Радикал М". В
источнике сохранены физические принципы
формирования пучков ионов, характерные для
источника "Радикал". При разработке
источника удалось реализовать одинаковые
электрофизические и геометрические параметры
каждой ячейки, что обеспечило формирование
пучков ионов различного диаметра.
Применяются источники ионов "Радикал М-100",
"Радикал М-200", "Радикал М-300", "Радикал
М-450" (рис. 2.3.15) с пучками ионов
диаметром соответственно 100, 200, 300, 450 мм (см.
табл. 2.3.3).
Рис 2.3.15. Многопус
слева направо "Радикал М-100", "Радикал М-200",
"Радикал М-450",
В источнике "Радикал М-100"
максимальная сила тока пучка ионов четырехфтори-
стого углерода достигает 700 мА, а плотность
тока на обрабатываемой поверхности близка к
7 мА/см2, напряжение на разряде составляет 1
- 3 кВ, средняя энергия ионов - 300 - 500 эВ.
Это обеспечивает обработку большинства
материалов без радиационных повреждений и
аморфизации поверхности. При обработке
неподвижных пластин неравномерность
травления составляет ± 5 % в зоне обработки
диаметром 90 мм. Источник обеспечивает
максимальную скорость травления двуокиси
кремния около 14 нм/с (рабочее вещество CF4), a
алюминия - 3 нм/с (газ - аргон).
Селективность травления SiC>2 к Si достигает 15 : 1 при
использовании хладона 218 (C3F8).
Источник ионов "Радикал М-200"
обеспечивает зону равномерной обработки
диаметром 175 мм и максимальную плотность
ионного тока - 2,5 мА/см2. В источниках "Радикал
М-300" и "Радикал-М450" диаметры зоны
равномерной обработки составляют
соответственно 220 и 350 мм, а плотность ионного тока
достигает 1 мА/см2. Принципы
конструирования многопучковых источников позволяют
создать источники, формирующие пучки
практически любых конфигураций: ленточные,
прямоугольные, кольцевые и др.

114
Глава 23. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Ниже приведены технические
характеристики источников ионов для травления
материалов:
Обрабатываемые материалы
Разрешающая способность, мкм
Погрешность размеров элементов, мкм
Скорость травления, нм/с:
SiO2
металлов,
полупроводников
Селективность травления:
SiO2 : Si
SiO2 : GaAs
Неоднородность травления пластин
диаметром до 350 мм, %
Основные характеристики холловского
источника и УЗДП с ленточным пучком
представлены в табл. 2.3.3. Их достоинствами
являются малые средние энергии ионов в пучке
и высокая плотность тока пучка ионов,
недостатками - наличие накаливаемого катода у
торца источника, что ограничивает
применение химически активных соединений, и
локальность пучка, затрудняющая равномерную
обработку неподвижных подложек. Кроме
того, для работы этих источников необходима
большая концентрация рабочего вещества в
зоне ионизации. Это затрудняет их
использование для обработки поверхностей большой
площади вследствие ограниченности быстроты
откачки технологического оборудования.
В бессеточных источниках ионов с
седловидным полем формируются в основном
пучки ионов с малой интенсивностью и
большой энергией ионов (см. табл. 2.3.3).
Основные характеристики типичных
источников ионов с ВЧ- и СВЧ-разрядом
представлены в табл. 2.3.3. В этих источниках
пучок ионов формируется и ускоряется
многосеточной ионно-оптической системой. Поэтому
плотность отбираемого ионного тока в них,
как и в большинстве источников с
накаливаемым катодом, ограничена законом Чайльда-
Ленгмюра. В источниках с ВЧ-разрядом
плазма образуется в цилиндрической кварцевой
разрядной камере, в которую подается рабочее
вещество. ВЧ-поле с частотой 13,56 МГц
возбуждает в рабочей камере разряд и ионизует
рабочее вещество.
С целью обеспечения высокой
однородности плазмы в некоторых источниках ионов
вблизи наружных стенок разрядной камеры
создают магнитные мультиполя.
Эффективность ионизации рабочего вещества в
источниках с ВЧ-разрядом не превышает 1 %. Более
эффективная ионизация рабочего вещества
достигается в СВЧ-разряде с частотой
2,45 ГГц, особенно в разряде с электронно-
циклотронным резонансом (ЭЦР) (рис.
2.3.16), который возникает в результате нало-
Диэлектрики (SiO2, SijN^ ФСС и др.),
полупроводники (Si, GaAs и др.), металлы и
сплавы (Си, Аи, Ti, W, AlCu, NiFe и др.)
Менее 0,2
Менее 0,05
Не более 14
Не более 2-3
15 : 1
10 : 1
±5
Рис. 2.3.16. Источник ионов с СВЧ-разрядом и ЭЦР:
1 - соленоид; 2 - разрядная камера;
3 - ионно-оптическая система
жения электрического и магнитного поля. При
этом частота СВЧ-поля равна орбитальной
частоте электронов, вращающихся в
постоянном магнитном поле, создаваемом вдоль оси
разрядной камеры. Индукция магнитного поля
примерно равна 0,2 Тл при частоте 2,45 ГГц.
Условия для поддержания СВЧ- разряда с
ЭЦР являются оптимальными, когда рабочее
давление составляет 1,3-ДО - б^-ДО^Па;
диаметр плазменных реакторов - 2,5 - 15 см;
потенциал плазмы не превышает 60 В, а
температура электронов поддерживалась в пределах
4 - 14 эВ.
Основные характеристики типичного
источника ионов с СВЧ-разрядом и ЭЦР
представлены в табл. 2.3.3. Для создания
однородной по радиусу плазмы в источниках с СВЧ-
разрядом так же, как и в источниках с ВЧ-
разрядом, на периферии камеры
устанавливаются постоянные многополюсные магниты.
Рассмотренные источники могут
применяться не только для очистки, активации,
полировки и травления поверхности.
Сравнительно малые средние энергии ионов
позволяют использовать их и для нанесения пленок
путем осаждения материала непосредственно

ОБОРУДОВАНИЕ
115
из пучка ионов. Таким методом, например,
получены алмазоподобные пленки, а также
пленки карбида кремния, оксинитрида
кремния.
Источники с холодным катодом
применяются также для нанесения пленок
распылением материала мишени пучком ионов.
Основным отличием предложенного метода
распыления от известных методов является
возможность бомбардировки мишени высоко-
энергетичными ионами практически любых
газообразных веществ,, включая химически
активные соединения.
Источник ионов "Холодок-1" (рис.
2.3.17) создает радиально сходящийся пучок
ионов, направленный под таким ушом к
поверхности мишени, при котором получается
максимальный коэффициент распыления
материала. При одной и той же мощности пучка
ионов скорость нанесения пленок возрастает
при увеличении разности потенциалов между
катодом и анодом Щ. Например, в процессе
осаждения пленок нитрида алюминия
скорость нанесения возрастает в 2 раза при
увеличении Щ от 3 до 6 кВ и постоянной
мощности пучка, сила тока пучка ионов составляет
0,5 А.
Высоковольтный режим предпочтителен
для процессов нанесения тонких пленок, так
как он поддерживается при меньших потоках
газа, а следовательно, меньших рабочих
давления. Источник "Холодок-Iй позволяет
наносить пленки металлов, диэлектриков,
полупроводников, сплавов, а также сложных
композиционных материалов, включая
высокотемпературные сверхпроводники. Скорость нанесения
таких пленок, как SiO2, превышает 1,5 нм/с.
Для нанесения пленок на поверхности
большой площади используют источник
"Холодок-2" с радиально расходящимся
пучком ионов и протяженный (прямоугольной
формы) источник "Хололодок-3" с
расходящимися пучками.
Источник "Холодок-2" (см. рис. 2.3.17)
позволяет наносить пленки с
неравномерностью толщины ± 5 % на подложки диаметром
350 мм, сила тока ионов на мишени
составляет 1 А при напряжении разряда 4 - 5 кВ.
Источник "Холодок-3" обеспечивает
нанесение пленок с неравномерностью толщины
менее ± 5 % на пластины шириной 450 мм.
Размеры равномерно обрабатываемых
поверхностей могут быть увеличены или уменьшены
соответствующим изменением размеров
источника.
Процессы нанесения пленок ионно-
лучевыми методами обеспечивают: нанесение
практически любых материалов, включая
композиты (иттрий-бариевые сверхпроводящие
высокотемпературные пленки, железо-
итгриевый гранат и др.), диэлектрики (SiO2,
Si3N4, алмазоподобные пленки и др.),
магнитные материалы (пермаллой, самарий-
кобальтовые сплавы и др.); высокий вакуум в
области подложки; отсутствие электрических
полей между мишенью и подложкой;
возможность управления зарядом в растущей
диэлектрической пленке.
Многообразие конструкций
технологических источников ионов объясняется
разнообразием изделий и процессов, для которых они
применяются.
2.3.4. ОБОРУДОВАНИЕ
Система "источник ионов -
обрабатываемый объект". В этой системе можно выделить
три области (рис. 2.3.18).
Распределение потенциала между
источником и обрабатываемым объектом приведено
на рис. 2.3.18, б, в. Разрядная камера
источника находится под положительным потенциа-
Рис. 2.3.17. Источники ионов "Холодок-1" (слева) и
"Холодок-2" (справа)
Рис. 2.3.18. Система "источник ионов -
обрабатываемый объект":
а - схема; б, в - распределение потенциала
соответственно в двух- и трехсуточном источниках;
/- область образования плазмы и формирования
пучка ионов; II - область распространения пучка;
Ш- область вблизи обрабатываемой поверхности;
1 - разрядная камера; 2 - ионно-оптическая система;
3 - катод-нейтрализатор; 4 - пучок ионов;
5 - подложка; сплошная линия - распределение
потенциала для проводящей подложки;
штриховая линия - распределение потенциала для
диэлектрической подложки

116
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
лом, определяющим энергию ионов в пучке.
Ускоряющий электрод источника и
обрабатываемый объект находятся под потенциалом
земли. При распространении пучка ионов в
промежутке "источник - обрабатываемый
объект" образуется пучковая плазма, состоящая из
ускоренных ионов и медленных электронов,
возникающих при ионизации остаточного газа
и в результате взаимодействия пучка ионов с
обрабатываемым объектом и арматурой.
Потенциал пучковой плазмы не превышает
обычно 10 - 20 В.
На обрабатываемой поверхности
происходят следующие процессы: нейтрализация
ионов пучка с образованием газового потока;
удаление материала в результате физического
распыления или химического взаимодействия
ионов с материалом подложки; эмиссия
электронов с поверхности при ионной
бомбардировке; поступление потока электронов из
пучковой плазмы или с катода нейтрализации,
расположенного вблизи источника ионов. При
обработке проводящих слоев заземленный
образец имеет нулевой потенциал и электроны
из пучковой плазмы не попадают на него.
В случае обработки диэлектрика,
которым является, например, резистивная маска
при травлении, поверхность его заряжается до
положительного потенциала, при котором
плотность тока электронов, отбираемых из
пучковой плазмы, будет равна плотности тока
пучка ионов. Наличие потенциала на
поверхности диэлектрика не только уменьшает
энергию бомбардирующих ее ионов, но и
может вызвать нежелательные явления в
обрабатываемой структуре, например пробой рези-
стивной маски или диэлектрической пленки,
появление наведенного заряда и т.д. Для
управления потенциалом на поверхности
диэлектрика между источником и
обрабатываемым объектом устанавливают
термоэмиссионный катод, позволяющий полностью
скомпенсировать или даже перекомпенсировать
положительный поверхностный заряд на
диэлектрике. Возможность управления зарядом на
поверхности независимо от параметров пучка
ионов является существенным преимуществом
ионно-лучевой обработки перед ионно-
плазменным ВЧ-травлением.
Основные элементы установок.
Основными элементами установок ионно-лучевой
обработки являются источник ионов,
технологическая камера с внутрикамерным устройством,
система загрузки-выгрузки пластин, датчики
технологического процесса, высоковакуумная
откачная система, системы подачи рабочего
вещества, электропитания источника и
управления установкой.
Несмотря на имеющиеся различия в
выборе составных частей установки, существуют
общие проблемы конструирования этого
класса оборудования. Производительность ИЛТ
или РИЛТ чаще всего ограничивается
предельной температурой резистивной маски на
подложке, которая не должна превышать 100 -
150 °С. Охлаждение подложкодержателя
обычно не дает существенного эффекта из-за
плохого контакта подложки с подложкодержате-
лем. Контакт улучшается, если между ними
поместить эластомер со специальным
наполнителем, имеющим высокую
теплопроводность. Такие эластомеры применяют в
установках с ручной загрузкой-выгрузкой
подложек. В некоторых случаях в полость между
подложкой и охлаждаемым подложкодержате-
лем подают газ, обеспечивающий перенос
теплоты от подложки к подложкодержателю.
Эта система охлаждения может эффективно
использоваться как при автоматической, так и
при ручной загрузке - выгрузке пластин.
Важными элементами установки,
определяющими качество обработки, являются
датчики контроля технологического процесса.
Для контроля окончания травления
используются различные датчики. Наиболее простой
метод фиксации момента стравливания слоев с
различной электропроводностью является
измерение силы тока в цепи подложка - земля.
Изменение силы тока может фиксироваться
самописцем или анализироваться микроЭВМ,
управляющей технологическим процессом.
Применяются также различные модификации
лазерного контроля, основанные на изменении
коэффициента отражения при стравливании
слоев.
Большой информативностью обладает
масс-спектрометрический метод контроля.
Этот метод позволяет фиксировать остаточную
среду, определять состав многокомпонентной
смеси рабочих веществ, а в некоторых случаях
фиксировать момент окончания процесса
травления. Применение масс-спектрометри-
ческого метода контроля экономически
целесообразно в связи с существенным
повышением стоимости оборудования при переходе от
ручного управления к созданию
автоматических установок, управляемых от микроЭВМ.
Применяют и другие датчики контроля:
кварцевый измеритель толщины, лазерный эллип-
сометр, электростатические зонды,
эмиссионный спектрометр и др.
По методу обработки пластин установки
можно разделить на две группы: циклические
и непрерывного действия. В циклических
установках подложки загружают на подложко-
держатель при вскрытой технологической
камере. После загрузки воздух из камеры
откачивается до достижения предельного давления,
партия пластин обрабатывается одновременно.
Такие системы применяют в основном для
обработки изделий, различающихся по
размерам и форме.
Установки непрерывного действия
используют в основном для обработки пластин

ОБОРУДОВАНИЕ
117
одного размера, например кремниевых
подложек; загрузка и выгрузка пластин
осуществляется автоматически из кассеты в кассету. Сами
кассеты могут находиться в вакууме или
атмосфере. При расположении кассеты в
атмосфере подложки из нее поступают в
технологическую камеру и выходят из нее через
вакуумный шлюз. Обработка подложек может быть
групповой или индивидуальной. Установки с
индивидуальной обработкой имеют меньшую
производительность, но обеспечивают более
высокое качество процесса. При
индивидуальной обработке легче обеспечить идентичные
условия обработки по всей поверхности
пластины и осуществить контроль
технологического процесса, в частности фиксировать
момент окончания травления одного слоя
относительно другого.
Особые требования к вакуумной системе
ионно-лучевого оборудования вытекают из
физических особенностей системы "источник -
обрабатываемый объект". Ионно-лучевая
система является проточной в отличие от систем с
ВЧ-разрядом и магнетронными источниками,
в которых давление в технологической камере
определяется условиями поддержания разряда.
Чтобы избежать рассеяния и перезарядки
пучка ионов в технологической камере, давление
в ней не должно превышать ДО Па. Поэтому
увеличение производительности процесса за
счет повышения плотности тока пучка ионов
вызывает необходимость роста быстроты
откачки вакуумной системы.
Для установок ионно-лучевой,обработки
применяют как безмасляные средства откачки
(криогенные или турбомолекулярные насосы),
так и диффузионные насосы. Выбор насосов
для откачки химически активных веществ
ограничен. Серийные криогенные насосы для
этих целей непригодны. В турбомолекулярных
насосах требуется усовершенствование
конструкции - защита подшипников, турбин и
других деталей насоса. В диффузионных
насосах необходима замена обычных масел
маслами, стойкими к продуктам химических
реакций, содержащим хлориды и фториды.
Требуются химически стойкие масла и для
механических насосов. Таким образом, применение
химически активных веществ для
технологических процессов изменило требования ко всем
элементам вакуумных систем, включая
высоковакуумные и механические насосы,
вакуумную арматуру, системы подачи газа, датчики
давления и т.д.
Конструкции установок. В табл. 2.3.4
приведены характеристики наиболее
распространенных зарубежных и отечественных
установок ИЛО. За рубежом основными
разработчиками оборудования ИЛО являются
американские фирмы Technics, Technics Plasma,
Veeco, Varian, Commonwealth Scientific, Ion
Technics, английская фирма Oxford Plasma
Technology. Фирма Technics разработала ряд
установок ИЛТ, две из которых применяются
в промышленности. Установка MIM-TLA 20
оснащена источником Кауфмана, который
обеспечивает травление слоев пучком ионов
аргона с плотностью тока до 1 мА/см2 при
энергии ионов 0,5-2 кэВ. Неравномерность
обработки ± B - 5) % достигается в зоне
диаметром 200 мм. Источник Кауфмана имеет
накаливаемый катод с тремя нитями (одна -
рабочая и две - запасные). Ионно-оптическая
система выполнена в виде трех соосных сеток
с отверстиями диаметром 2-3 мм. Подложко-
держатель охлаждается водой, вращается и
может устанавливаться под углом 0 - 90 ° по
отношению к оси пучка. Для улучшения
контакта пластин с охлаждаемым подложкодержа-
телем применяют эластомер с металлическим
наполнителем.
Та же фирма разработала самую мощную
установку ионно-лучевого травления MIM-
TLA 35. Диаметр технологической камеры
установки равен 1 м, а длина - 1,4 м.
Источник Кауфмана с четырьмя накаливаемыми
катодами формирует пучок ионов диаметром
35 см. Плотность тока пучка ионов аргона
составляет 0,05 - 1 мА/см2 при энергии ионов
100 - 2000 эВ. Неравномерность травления
составляет ± 5 % на площади около 0,1 м2.
Карусель состоит из четырех дисков
диаметром 35 см. Диски охлаждаются водой, и угол
между плоскостями дисков и осью пучка
может изменяться в пределах 20 - 90 °. Установка
откачивается диффузионным насосом с
быстротой откачки 18 м3/с или криогенным
насосом с быстротой откачки 20 м3/с Загрузка и
выгрузка пластин осуществляются вручную.
Установка РИЛТ RE-580 с
индивидуальным травлением пластин с загрузкой -
выгрузкой из кассеты в кассету разработана фирмой
Varian / Extrian (США). Установка оснащена
автоматической системой управления с
контролем момента окончания травления. Пучок
ионов химически активных веществ диаметром
150 мм осуществляет травление пластин
диаметром до 125 мм с неравномерностью
травления ± 5 %. Энергия ионов 500 - 1000 эВ.
Откачка технологической камеры
осуществляется диффузионным насосом.
Фирма Rakappa (Австрия) создала первую
лабораторную установку для ионно-лучевого
распыления материалов. Для обработки
применяют два источника Кауфмана. Один
источник предназначен для очистки подложки
перед осаждением пленок и активации
поверхности подложки в процессе нанесения пленки.
Источник формирует пучок ионов диаметром
6 см и плотностью ионного тока до 1 мА/см2
при энергии 2 кэВ. Второй источник служит
для распыления мишени, конструкция
которой позволяет последовательно без
разгерметизации наносить три различных материала.

2.3.4. Характеристики установок для ионно-лучевой обработки
Характеристика
Тип источника
•
Диаметр пластин, мм
Число одновременно
загружаемых пластин, шт.
Метод загрузки
Метод обработки
Контроль момента
окончания процесса
Рабочее давление рцЮ2,
Па
Предельное остаточное
давление/^пред-104, Па
Габаритные размеры, мм:
ширина
длина
высота
Потребляемая мощность,
кВт
MIMTIA
20
Кауфман
200
1
Ручной

Индивидуальный
Нет
-
-
1400
900
1830
20
MIMTIA
35
Кауфман
350
4
Ручной

Групповой
Нет
0,13 - 6,5
-
2750
1850
2300
60
RE-580
_
• 125
1
Из
кассеты в
кассету

Индивидуальный
Есть
1,3
1,3
-
-
-
-
->
УРМ3.279.
045
"Радикал"
200
6
Ручной

Групповой
Нет
9,3
1,3
2440
850
1700
10
УРМ3.279.
050
"Радикал"
и
источник ион-
но-плаз-
менного

распыления
150
18
Ручной

Групповой
Нет
5-6,6
1,3
4000
1000
2000
30
УРМ3.279.
079
Тадикал"-
4 шт.,
дуговой

испаритель -
4 шт.
-
60
Ручной

Групповой
Нет
0,13 - 40
1,3
-
-
-
50
"Каштан"
"Радикал
М-200"
175
1
Ручной

Индивидуальный
По
изменению силы
тока в цепи
подложка -
земля
5-20
1,3
1500
1000
1800
16
"Каштан-5"
"Радикал
М-300" и
ВЧ-источ-
ник
ионов
250
4
Ручной

Групповой
По
изменению силы
тока в цепи
подложка -
земля
5-20
0,5
2000
1400
2100
30
"Крейсер"
"Радикал
М-200"
150
1
Из
кассеты в
кассету

Индивидуальный

Лазерный
5-20
0,5
2100
1400
1700
25

ОБОРУДОВАНИЕ
119
Источник ионов создает пучок диаметром 3 см
с плотностью тока до 10 мА/см2 при энергии
ионов 2 кэВ. Загрузка и выгрузка пластин -
индивидуальная из кассеты в кассету.
У нас в стране серийные установки ИЛТ
были выпущены в 1975 г., а установки РИЛТ -
в 1976 г. Первое поколение этого
оборудования было создано на базе вакуумных откачных
постов УВН-70А-1 и УВН-70А-И. Оба поста
снабжены автоматической системой
управления процессом откачки технологической
камеры. Управление вакуумной системой можно
осуществлять в ручном или автоматическом
режиме. В газовой системе предусмотрена
подача одного, двух или трех различных газов
с помощью прецизионных натекателей.
Типичная внутрикамерная оснастка установок
ИЛО, разработанных на базе УВН-70А-1,
приведена на рис. 2.3.19. В установке ИЛТ с
источником "Луч" (УРМЗ.279.029) и РИЛТ
(УРМЗ .279.045) пластины, обрабатываемые
пучком, крепятся на массивных подложкодер-
жателях диаметром 200 мм, совершающих
Ф5СО
планетарное перемещение относительно
источника и оси технологической камеры.
В едином вакуумном цикле возможно
использование двух технологических
процессов: ионно-лучевого травления или очистки
поверхности пластин и одновременного или
последовательного с ионной обработкой
нанесения пленок различных материалов. Такое
многофункциональное оборудование было
создано на модернизированной базе УВН-70А-П
(рис. 2.3.20). Эта установка оснащена
источником ионов "Радикал" и источником ионно-
плазменного распыления (ИПР) "Поток-4" с
мишенью из четырех различных материалов,
которые устанавливают в зоне распыления в
любой последовательности без
разгерметизации технологической камеры.
Источник "Радикал" широко
применяется также в установках плазменно-дугового
нанесения тонкопленочных покрытий для
очистки и активации поверхности перед и в
процессе нанесения пленок (установки
УРМЗ.279.051 и др.).
Нн&сосу
Рис. 2.3.19. Внутрикамерное устройство установок ИЛТ и РИЛТ, разработанных на базе УВН-70А-1:
1 - технологическая камера; 2 - подложки; 3 - заслонка; 4 - источник ионов; 5 - ввод вращения
Рис. 2.3.20. Внутр
)йство УРМЗ.279.050 комплексных ус
юного ионно-лучевого
1 - источник "Радикал"; 2 - источник ионно-ллазменного распыления "Поток-4"; 3 - механизм поворота кассет;
4 - технологическая камера; 5 - барабан с пластинами

120
Глава 2.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА
Для процессов РИЛТ применяются
специализированные установки с многопучковы- I !|
ми источниками ионов "Радикал М". J%v ¦ ШШШШШ \
Установка "Каштан" (рис. 2.3.21)
предназначена для процессов РИЛТ и нанесения
алмазоподобных пленок из пучков ионов.
Установка включает в себя: многопучковый
источник ионов "Радикал М200";
вращающийся охлаждаемый подложкодержатель диаметром
200 мм, устанавливаемый под углом 0 - 20 ° к оси
пучка; высоковакуумную систему откачки с
паромасляным насосом.
Технические характеристики установки
"Каштан" приведены ниже: Рис. 2.3.21. Установка РИЛТ "Каштан"
Рабочие вещества Хлор- и фторсодержащие газы,
углеводороды, кислород, аргон и др.
Энергия ионов, эВ 300 - 600
Плотность тока ионов на подложке, мА/см2 2
Неравномерность обработки на диаметре 175 мм, % ± B - 5)
Обрабатываемые материалы SiO2, Si3N4, ФСС, Si, GaAs, ВТСП,
кварц, стекло, NiFe и др.
Разрешение минимальных размеров элементов, мкм Менее 0,2
Селективность травления материалов .J Например, для SiO2 : Si - 15 : 1, для
SiO2 : GaAs - 10 : 1
Скорость травления материалов, нм/с Например, для SiO2 - 5
Одновременная загрузка пластин, шт.:
0 60 мм 5
0 76 мм 3
0 100, 125, 150 мм 1
На установке "Каштан" могут быть
получены алмазоподобные пленки (АПП), а также ;
пленки карбида кремния, оксинитрида крем- \ --«г*«. гг "- *
ния и других соединений осаждением непо- | , - -, „ 7ГДЧНЯГ
средственно из пучка ионов. При использова- /в W?)A, jfj '.т,;,Ц^^ *?г"~г
нии в качестве рабочего вещества углеводоро- J #t ц\я У
дов, например СбН^, получены АПП, обла- % 4i JV Ji
дающие коррозионной стойкостью, износо- s
стойкостью, малым коэффициентом трения,
высокой адгезией к материалу. Эффективно \ :'^i V*J^", \V X '
применение пленок АПП в микроэлектронике i ^I^V**"- \ l\-' * * ~i
(пассивирующие и маскирующие слои), опти- | • & -:'"**^ * f "*.
ке (защитные покрытия), медицине и других *
областях.
Создана установка РИЛТ "Каштан-5"
(рис. 2.3.22) с двумя источниками ионов:
"Радикал М-300" и низкоэнергетичным источ- рис. 2.3.22. Установка РИЛТ "Каштан-5"
ником с высокочастотным разрядом. Низко-
энергетичный односеточный источник форми- по изменению тока в цепи подложкодержатель -
рует пучок ионов диаметром 200 мм с плотно- земля. Технологическая камера откачивается
стью тока пучка 0,025 - 0,5 мА/см2 при сред- высоковакуумным турбомолекулярным насо-
ней энергии ионов 0,05 - 0,4 кэВ. Установка сом ТМН-3500, выполненным в химически
состоит из технологической вакуумной камеры стойком исполнении, и двумя механическими
с двумя источниками ионов, четырех подлож- насосами НВР-16Д.
кодержателей диаметром 250 мм, каждый из Разработана установка реактивного ион-
которьгх охлаждается водой, вращается вокруг но-лучевого травления "Крейсер" (рис. 2.3.23)
своей оси и может независимо устанавливаться с индивидуальной обработкой пластин диа-
под углом 0 - 60 ° к оси пучка. Подложкодер- метром 100, 125 и 150 мм, предназначенная
жатели изолированы от земли, что позволяет для прецизионного травления пленок SiO2,
контролировать процесс окончания травления Si3N4, ФСС, кремния и других материалов.

ОБОРУДОВАНИЕ
121
Рис. 2.3.23. Установка РИЛТ "Крейсер"
Установка оснащена многопучковым
источником ионов с холодным катодом "Радикал М-
200", шлюзовой системой загрузки и выгрузки
пластин из кассеты в кассету; блоком контроля
момента окончания травления с помощью
лазера и по изменению силы тока в цепи
подложка - земля; охлаждаемым подложкодержа-
телем; системой автоматического управления
"Орион-3", установкой и технологическим
процессом.
Установка позволяет проводить РИЛТ
неподвижных пластин диаметром до 150 мм с
неравномерностью травления + 5 %.
Поверхностный заряд на обрабатываемой подложке
изменяется потоком низкоэнергетичных
электронов, эмиттируемых с катода
нейтрализации. С
Таким образом, созданы различные типы
оборудования ИЛ О, обеспечивающие
проведение прецизионных технологических
процессов, связанных с очисткой, активацией и
полированием поверхности, микротравлением
структур, нанесением пленок на различные
материалы. Качество изделий, обеспечиваемое
ИЛО, в большинстве случаев недостижимо
какими-либо другими методами.
Совершенствование оборудования ИЛО
идет в направлении повышения его
прецизионности и создания установок для обработки
крупногабаритных изделий. Прецизионное
оборудование совершенствуется путем
повышения разрешения, улучшения селективности
и однородности травления, снижения
привносимой дефектности и загрязнений, введения
диагностики технологического процесса. Такое
оборудование используется в производстве
изделий микроэлектроники, акусто- и опто-
электроники, пьезокварцевой техники,
оптики, магнитных и оптомагнитных дисков,
твердотельных лазеров и других изделий.
Модернизация имеющегося
оборудования ИЛО и создание новых типов
оборудования позволит внедрить процессы ИЛО в
производство практически всех изделий,
требующих обработки их поверхности с целью
упрочнения, повышения износостойкости,
коррозионной стойкости, снижения
коэффициента трения, изменения оптических свойств и
т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виноградов М. И., Маишев Ю. П.
Вакуумные процессы и оборудование ионной и
электронно-лучевой технологии. М.:
Машиностроение, 1990. 360 с.
2. Маишев Ю. П. Источники ионов для
реактивного ионно-лучевого травления и
нанесения пленок // Электронная
промышленность, 1990. № 15. С. 15 - 18.
3. Маишев Ю. П. Источники ионов и
ионно-лучевое оборудование для нанесениями
травления материалов // Вакуумная техника и
технология, 1992. Т. 2. № 4. С. 53 - 58.
4. Митрофанов ?. А., Маишев Ю. П.
Масс-спектрометрические методы контроля
технологических процессов травления и
формирования пленок //Вакуумная техника и
технология, 1992. Т. 2. № 4. С. 59 - 68.
5. Симакин С. В. Микропроцессорная
система контроля ионного травления
функциональных слоев СБИС // Вакуумная
техника и технология, 1992. Т. 2. № 4. С. 89 - 90.
6. Kaufman H. R., Cuomo J.J., Harper
JM. E. Technology and applications of broad
beam ion Sources used in sputtering. Part I. //
Ion Source technology. J. Vacuum Science and
Technology. 1992. V. 2. N 3. P. 725 - 736.
Глава 2.4
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
2.4.1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ
Ионная имплантация (ионное
легирование) - это внедрение ионов примеси внутрь
твердого тела (мишени). Она позволяет
вводить в различные мишени (металлические,
полупроводниковые, диэлектрические) ионы
различных элементов и получать требуемые
значения и заданные распределения
концентрации примеси. Сравнительно низкая
температура обработки мишени, достаточно точный
контроль глубины и профиля распределения
примеси, гибкость и универсальность,
возможность автоматизации процесса
способствуют расширению применения технологии
ионной имплантации в различных областях
современного производства.
Впервые взаимодействие ионов с
твердым телом изучал Резерфорд в 1911 г.
(рассеяние а-частиц - ионов Не++ на кристалле),
лишь в 50-х годах 20-го века с развитием
полупроводниковой микроэлектроники и
поиском новых методов создания
полупроводниковых приборов начались исследования
возможности промышленного применения
технологии ионного легирования.

122
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
Первые исследования в этой области
были выполнены в лаборатории фирмы Bell в
1952 г. Были получены /ьи-переходы при
внедрении в германий некоторых ионов, а в 1957
- 1962 г. были изготовлены /ьи-переходы в
германии и кремнии внедрением щелочных
ионов. Однако на этом этапе не было ясно,
чем обусловлен эффект: ионами, внедренными
в кристалл, или дефектами решетки,
возникающими при внедрении. Лишь в начале 60-х
годов было установлено, что ускоренные
ионы, проникая в твердое тело, встраиваются в
его решетку, создавая определенный тип
проводимости в полупроводнике.
К преимуществам ионной имплантации
по сравнению с другими методами введения
примесей относятся следующие:
универсальность метода, возможность
вводить атомы любого элемента в любое
твердое тело, когда обычные способы легирования
непригодны или затруднены;
низкая температура, при которой
осуществляется процесс: мишень находится
практически при 20 °С, а отжиг, необходимый для
устранения возникающих при облучении
радиационных дефектов, может проводиться при
относительно низких F00 - 900 °С)
температурах, когда диффузионные процессы в
кристаллах замедлены и электрические параметры
исходного материала благодаря этому остаются
практически неизменными;
гибкость технологии, позволяющая
управлять распределением примеси сразу в
трех измерениях, проводя локальное
легирование через диэлектрическую или
металлическую маску. При этом профиль распределения
примеси регулируется энергией ионов, а
дозировка концентрации обеспечивается точным
контролем плотности ионного тока и времени
облучения;
высокая экологическая чистота процесса,
поскольку он проводится в высоком вакууме
при строгом контроле за всеми параметрами в
течение нужного времени, которое
варьируется от нескольких секунд до нескольких минут.
Все это обеспечивает возможность полной
автоматизации процесса внедрения,
достижения высокой производительности и
воспроизводимости характеристик легированных слоев,
близкой к 100 %.
Основным недостатком ионной
имплантации является возникновение в облучаемом
кристалле большого количества радиационных
дефектов, вплоть до полной аморфизации
поверхностного слоя. Отжиг (нагрев) мишени
после или в процессе ионного внедрения
эффективно восстанавливает структуру решетки.
Распределение имплантированных ионов
по глубине проникновения ионов в кристалл и
их концентрация определяются энергией и
дозой внедряющихся ионов. Энергия Ец (эВ)
приобретается ионами под действием разности
потенциалов U ускоряющего устройства
Ец = neU,
где п = 1 ...3 - кратность ионизации; е - заряд
электрона.
Доза Q определяется плотностью тока
ионов j и временем облучения /, ее можно
выразить также числом частиц, приходящихся
на единицу площади (м~2):
Q=j/{tne).
В процессе движения в веществе ион
тормозится и после многократных соударений
с атомами мишени останавливается. Длина
пути, пройденная ионом до полной
остановки, называется пробегом R иона. Для
получения реального распределения внедренных
ионов нужно знать не полный пробег, а его
проекцию на направление х первоначального
движения Rpy называемую проецированным
пробегом.
Длина пробега иона определяется по
теории Линдхарда, Шарфа и Шиотга (ЛШШ),
согласно которой движущийся в твердом теле
ион теряет энергию при столкновении с
атомами решетки (упругие столкновения), а
также при взаимодействии с электронными
оболочками атомов. Потеря энергии за счет
электронного торможения иона подобна
торможению в вязкой среде (неупругие столкновения).
Предполагается, что механизмы потери
энергии ионом независимы друг от друга и
аддитивны. Общие потери энергии на единицу
длины х пробега в мишени \dE / dx \
dx
= N0(Sn+Se),
где индексы п и е относятся соответственно к
торможению на ядрах и электронах; Snn Se -
тормозная способность соответственно ядер и
электронов; Nq - плотность атомов мишени.
Тормозная способность ядер
Sn=JEp2%pdp,
где Ер - энергия, теряемая падающим ионом;
р - параметр столкновения (прицельное
расстояние). Величина Ер зависит от начальной
энергии иона Ео, масс иона М\ и атома
решетки М% а также от угла отклонения иона от
первоначального направления после
соударения с атомом решетки. Потенциальная
энергия взаимодействия двух частиц выражается в
теории ЛШШ с использованием потенциала
Томаса-Ферми. Тогда расчет потерь энергии

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ
123
может быть упрощен введением безразмерных
величин пробега иона р вместо R и энергии s
вместо Е:
р =
и е =
где pi и Si - нормированные множители
соответственно пробега и энергии, зависящие от
масс и атомных номеров взаимодействующих
частиц.
Введение безразмерных величин р и 8
приводит к тому, что ядерная тормозная
способность становится функцией лишь
приведенной энергии и ее зависимость от s может
быть изображена непрерывной кривой
(сплошная кривая на рис. 2.4.1).
Электронная тормозная способность в
теории ЛТТТТТТ рассматривается на основе
модели движения электронов как свободного
электронного газа, способного тормозить
ионы. Тормозная способность электронов
пропорциональна скорости внедряемых ионов
(или корню квадратному из их энергии):
где ке - сомножитель, зависящий от типов
иона и атома мишени, т.е. их массы и
атомных номеров Z Поэтому для каждой пары
ион - атом кривые электронного торможения
будут иметь разный наклон. Для тяжелых
ионов Z\ > 2%2, где индексы 1, 2 относятся
соответственно к иону и атому мишени) ке < 1
(практический интерес представляют значений
ке от 0,1 до 0,25), если же Z\ < Zq,, то ке > 1.
Эффективные потери энергии падающими
ионами происходят при столкновении с
ядрами атомов мишени при низкой энергии
внедряемых ионов, а при высоких энергиях - при
столкновении с электронами.
Если известны значения Sn и Se9 то
длина траектории движения иона Д т.е. полная
средняя длина пробега, может быть вычислена,
а определить ее экспериментально невозмож-
Рис. 2.4.2. Каналы в решетке типа алмаза с
ориентацией поверхности <110)
но. Экспериментально определяют среднюю
проекцию пробега Rp . Линдхардом выведены
формулы, определяющие Rp и среднее
нормальное отклонение проекции пробега ARp .
Распределение проекций пробега считается
гауссовым, что хорошо согласуется с
экспериментом. Поскольку при этом рассматриваются
проекции пробегов ионов на их
первоначальное направление движения до их
столкновения и остановки в мишени, то это
распределение совпадает с распределением внедренных
ионов по глубине мишени. Таким образом,
распределение внедренных ионов в единице
объема
rexp
Д
B.4.1)
Рис. 2.4.1. Потери энергии на ядерное (сплошная
кривая) и электронное (штриховые) торможение
где х - фиксированная глубина
проникновения иона.
В теории ЛШШ предполагается, что
ионы внедряются в твердое тело с
неупорядоченной структурой (аморфное,
поликристаллическое с малым размером кристаллов). Однако
распределение примесей, имплантированных в
монокристаллические и крупнозернистые
поликристаллические мишени, отличается от
распределения в аморфных подложках из-за
каналирования ионов.
Вдоль определенного
кристаллографического направления атомы образуют полностью
упорядоченные ряды, в результате чего в
кристалле имеются окна. Например, в решетке
алмаза в направлении <110> видны
гексагональные окна (каналы) (рис. 2.4.2). Если
проводить имплантацию ионов в таком
направлении, то ионы могут довольно глубоко
внедряться в мишень, не сталкиваясь с атомами
подложки. Такое явление называется канали-
рованием. Как только ион попадает в это
пространство, на него начинают действовать
потенциальные силы атомных рядов и
направлять его в центр канала. В результате ион
продвигается вдоль канала на значительные
расстояния. Расстояние, проходимое ионом в
канале, может в несколько раз превышать
длину пробега иона в аморфной мишени (рис.
2.4.3).

124
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
Рис. 2.4.3. Распределение внедренных ионов по
глубине:
А - основное распределение (как в аморфной
мишени); В - область деканалирования;
С - распределение каналированных ионов;
х - расстояние от поверхности
Поскольку при каналировании ионы не
слишком близко подходят к атомам мишени,
их энергия теряется в основном за счет
взаимодействия с электронами. Если направление
падения иона несколько отклонить от оси
канала, то ион может или вылететь из канала
(деканалированный ион), или двигаться по
такой же траектории, как и в аморфной
мишени, или оказаться в другом канале,
ориентированном по другому
кристаллографическому направлению.
Поэтому попытки устранения эффекта
каналирования путем ориентации подложки
вдоль наиболее плотноупакованного
направления значительно снижают его, но не
устраняют полностью. Профили распределения,
полученные имплантацией ионов в
монокристаллическую подложку, характеризуются при
этом наличием "хвостов" концентрации ионов.
Угол между направлением внедрения
ионов и кристаллографическим направлением,
при котором эффект каналирования в этом
направлении будет отсутствовать, называется
критическим углом каналирования v|/c,
где d - расстояние между соседними атомами
в ряду (рис. 2.4.4). Как видно из этой
формулы, критический угол каналирования по мере
уменьшения энергии и увеличения атомного
номера иона растет, следовательно, каналиро-
вание облегчается. Однако при имплантации
тяжелых ионов (Mi >> М2) и не очень
высоких энергиях каналирование, как правило,
отсутствует из-за преобладающего механизма
упругого рассеяния на ядрах атомов мишени.
Эффект каналирования затрудняет
аналитический расчет распределения ионов.
Эффект каналирования можно существенно
снизить с помощью некоторых технологических
приемов:
Рис 2.4.4. Схема падения ионов под разными углами <р
к оси канала:
О - атом мишени; Ф - ион
увеличения температуры мишени при
имплантации, что приводит к росту амплитуды
колебаний атомов твердого тела и рассеянию
внедряемых ионов на этих колебаниях;
увеличения дозы внедряемых ионов
(если это возможно) при 20 °С, это порождает
значительную ионную бомбардировку мишени
и рост дефектов вследствие разрушения
структуры ее кристаллической решетки;
имплантации какой-либо другой
примеси, не меняющей свойства подложки, но
создающей аморфную область на пути
имплантируемых основных ионов, которые в этом
случае движутся в аморфной среде;
разориентировки поверхности мишени
путем нанесения на нее тонкого слоя
аморфного материала, например, осаждения
диэлектрической пленки.
Процесс ионной имплантации
сопровождается возникновением в материале мишени
большого количества структурных дефектов,
называемых радиационными. Внедренные
ионы, сталкиваясь с атомами твердого тела,
передают последним кинетическую энергию.
Если эта энергия выше некоторого порогового
значения Дюр» то атом мишени может быть
выбит из узла решетки и начнет двигаться в
мишень. Если переданная атому энергия
велика, он может, в свою очередь, сместить другие
атомы мишени. Таким образом, первичный
ион вызывает при определенной энергии
каскад атомных столкновений, в результате
которых появляются разнообразные дефекты. Эти
дефекты являются неравновесными и отличав
ются от тех, которые возникают в любом
твердом теле под действием тепловой энергии.
Концентрация неравновесных дефектов
определяется условиями теплового равновесия.
При ионной имплантации в
кристаллическую мишень наиболее характерно
образование дефектов по Френкелю,
представляющих собой совокупность выбитого из узла
решетки в междоузлие атома и
образовавшегося в результате этого пустого узла решетки -
вакансии. Вакансия и междоузельные атомы,
являющиеся точечными дефектами, мигрируя
в кристалле, могут объединяться, например,
под действием механических напряжений,
образуя линейные и плоскостные дефекты -

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
125
дислокации, дефекты упаковки. Характер
возникающих дефектов зависит от массы иона,
дозы внедряемых ионов и температуры
мишени. При внедрении легких ионов (М\ < Mq)
при 20 °С возникают в основном точечные
дефекты. При внедрении тяжелых ионов в
твердом теле возникают совокупности
дефектов, представляющих собой отдельную разупо-
рядоченную область, называемую кластером.
При больших дозах кластеры перекрываются,
происходит аморфизация кристалла. Число
смещенных в твердом теле атомов
где Еа - наименьшая энергия, требующаяся
для смещения атома из узла решетки. При
этом столкновение иона с атомом
рассматривается как столкновение твердых шаров, т.е.
как упругое взаимодействие. Считается, что на
взаимодействие с электронами энергия не
расходуется. Распределение дефектов по
глубине мишени описывается, как и
распределение внедренных ионов, функцией Гаусса,
однако максимум распределения дефектов
отстает от максимума распределение ионов.
Отношение средних проекций пробегов дефектов
Хд к Rp составляет 0,8 - 0,9.
Для устранения возникших при
имплантации дефектов проводится отжиг.
Термический отжиг изделий проводится при
температуре 500 - 1100 °С в течение не менее чем
20 мин. В последнее время широко
используется лазерный импульсный отжиг
имплантированных слоев с плотностью энергии 1 -
100 Дж/см2.
Этот метод, называемый быстрым
отжигом вследствие краткости (несколько пикосе-
кунд) времени обработки, имеет существенные
преимущества перед термическим отжигом:
быстрый отжиг относится к экологически
чистым процессам, исключающим загрязнения от
элементов конструкции оборудования; кроме
импульсного лазера, можно использовать
импульсные электронные и ионные пучки,
сканируемые лучи электронов и лазера
непрерывного действия, широкополосные
спектральные источники (высокоинтенсивные
лампы, например криотроны).
2.4.2. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Ионная имплантация в
микроэлектронике получила широкое применение. При
производстве полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем она позволила не
только снизить себестоимость, повысить
эффективность изделий микроэлектроники, но и
создать принципиально новые приборы.
Основным технологическим процессом
полупроводниковой электроники долгое время
являлась контролируемая диффузия
легирующих элементов в полупроводниковых
кристаллах. Атомы легирующих примесей при этом
обычно располагаются в узлах
кристаллической решетки и этим определяют
электрические свойства прибора. Их концентрация не
может превышать равновесной растворимости
при температуре 900 - 1100 °С, а
распределение по глубине можно вычислить, зная
коэффициент диффузии и время процесса.
Важным преимуществом ионной
имплантации перед диффузией при высокой
температуре является то, что содержание
введенных атомов примеси в основном
определяется не физическими свойствами подложки, а
внешней системой, обеспечивающей
соответствующие параметры пучка ионов. Например,
легирующую примесь можно вводить при
пониженной температуре, при которой обычная
диффузия невозможна. Концентрация
вводимой примеси может существенно превышать
предельную растворимость при данной
температуре, что невозможно при диффузии. Выбор
легирующих элементов также значительно
шире. Главные факторы, от которых зависит
эффективность практического применения
ионной имплантации, - распределение
пробегов внедренных атомов, степень и характер
разупорядочения решетки, создаваемого при
внедрении, локализация внедренных атомов в
кристаллической решетке и (в конечном счете)
электрические характеристики областей,
сформированных в результате ионного
внедрения и последующего отжига.
В микроэлектронике подавляющее
большинство полупроводниковых приборов и ИС
создается на основе кремния. Другим
материалом, получающим все большее применение,
является арсенид галлия. Первым
промышленным применением ионного легирования
была разработка транзистора со структурой
металл - диэлектрик - полупроводник (МДП).
И до настоящего времени ИС на МДП-
транзисторах, в том числе на
комплементарных (дополняющих) транзисторах (КМДП),
являются изделиями, в производстве которых
ионная имплантация остается основным
процессом. С увеличением степени интеграции и
рабочей частоты полупроводниковых приборов
и схем уменьшаются как горизонтальные, так
и вертикальные размеры отдельных элементов,
из которых состоит схема. Например,
толщины базы и эмиттера в активной области
биполярного транзистора могут быть порядка
0,1 мкм. Получить столь тонкие слои в
заданном количестве и с нужным распределением
примеси можно сейчас только с помощью
ионной имплантации. При этом следует точно
выдерживать геометрические размеры легируемой
области, которые не превышают 1-2 мкм.
Для формирования с высокой точностью
различных областей биполярных и МДП-

126
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
транзисторов к процессу легирования
предъявляются высокие требования, которые может
удовлетворить только ионное внедрение.
Технологические приемы
полупроводникового производства, основанные на
использовании ионной имплантации, можно
разделить на три основных группы: синтез
материалов, получение легированных областей и
контролируемое введение радиационных
дефектов.
Синтез материалов осуществляется
благодаря точному управлению количеством
введенной примеси. Методом ионной
имплантации возможно получение стехиометрически
выдержанных соединений практически любого
состава. Принципиальным ограничением
является малая толщина синтезированного
материала из-за малой длины пробега иона, не
превышающей 2-3 Rp. Пленки оксида,
нитрида и карбида кремния были синтезированы
имплантацией в кремний ионов О^, N^ и
С+. На алмазе был получен карбид кремния
имплантацией ионов Si+. На арсениде галлия
имплантацией ионов Р+ и А1+ получены
твердые растворы GaAsP и AlGaAs. ^
На кремнии можно получить пленки
SiC>2 имплантацией ионов 16О+ с энергией
30 кэВ. При пробеге иона кислорода около
40 нм доза, необходимая для создания такой
пленки, должна быть порядка ДО18 см, а
толщина оксида составляет около 80 нм. Отжиг
пленки, сохраняющий неизменными свойства
кремния под оксидом, проводится при
температуре 800 °С. Толщина оксида не изменяется.
Свойства пленок диэлектриков, полученных
этим методом, оказались значительно хуже
чем пленок, осажденных плазменными
методами или сформированными в результате
химической реакции при разложении кремний-
содержащих соединений в соответствующей
газовой среде. Синтез других материалов
ограничивается длительностью технологического
процесса и распылением подложки тяжелыми
ионами, не позволяющим вводить их
большими дозами. Поэтому в технологии
изготовления интегральных схем этот метод не нашел
применения.
Введение легирующих примесей в
полупроводник методом ионной имплантации
является основным технологическим приемом
изготовления полупроводниковых приборов и
интегральных схем. Ионное внедрение, как
загонка дозированного количества примеси,
сочетается с диффузионной разгонкой при
последующем отжиге легированных слоев. При
ионной имплантации используются те же
примеси, что и при термической диффузии, а
также те же материалы для маскирования с
теми же толщинами, что и при диффузии. Но
имплантация позволяет управлять дозами
облучения от ДО10 до ДО17 см при высокой
производительности. Важнейшим достоинством
метода ионной имплантации для серийного
производства является возможность точного
контроля полного количества введенной
примеси и высокая однородность легирования по
поверхности пластины полупроводника.
Неоднородность распределения плотности
внедренной примеси по пластине диаметром 150 -
200 мм не превышает 1 - 2 %, а
воспроизводимость от процесса к процессу - 3 %.
Распределение примеси в кремнии
считается гауссовым и описывается уравнением
B.4.1). Для основных примесей, используемых
в технологии изготовления кремниевых
приборов и схем, вычислены в зависимости от
типичных значений энергии ионов значения
двух параметров распределения примеси Rp и
ARp (табл. 2.4.1).
2.4.1. Средние проекции (нм) пробегов и стандартные отклонения распределений (нм)
ионов в кремнии
Ион
UB+ А,
27А1+ Яр
31Р+ А,
75As+ А,
А*Р
12lSb+ A,
Энергия иона, кэВ
20
73
32
29
11
29
9,4
16
3,7
14
2,4
40
161
54
56
19
49
16,4
27
6,2
23
3,8
60
244
71
85
27
73
23
38
8,4
31
5,1
80
324
84
114
35
98
30
48
10,5
38
6,3
100
398
94
144
42
123
35
58
12,5
46
7,4
120
469
102
175
48
149
41
6S
14,5
53
8,4
140
537
ПО
205
54
175
47
79
16
60
9,5
160
603
116
236
60
201
52
89
18
67
10,5
180
665
121
266
65
288
57
99
20
74
11,5
2G0
725
126
297
70
254
61
ПО
22
81
12,5

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
127
Рис. 2.4.5. Ха
ИОННОЙ 1
при
I (энергия ионов одинакова)
Однако реальные распределения ионов
могут существенно отличаться от гауссовых.
Это вызвано двумя причинами. Во-первых,
из-за различия масс ионов и атомов решетки
кремния появляется асимметрия
распределения. Если массы иона (М\) и атома {М^
сильно различаются, возможно явление
обратного рассеяния ионов при М\ > Мъ их
торможение вблизи поверхности кремния, и
распределение примеси слева от максимума будет
растянутым. В случае, если М\ < М^ (рис.
2.4.5, я), ионы при внедрении способны
выбивать атомы кремния, сообщая им
достаточную энергию для движения в направлении
имплантируемой примеси. Смещенные атомы
переносят энергию на большую глубину, в
результате на профиле распределения примеси
появляется "хвост" справа от максимума
распределения {М\ > MfjD (рис. 2.4.5, б).
Во-вторых, при имплантации в кремний
таких примесей, как бор и особенно фосфор,
заметно проявляется эффект каналирования.
Вследствие этих явлений распределение
примеси не может быть описано обычной
экспоненциальной зависимостью.
В современной технологии изготовления
ИС на МОП (металл - оксид -
полупроводник) и биполярных транзисторах используется
до 10 различных режимов ионной
имплантации (рис. 2.4.6). В МОП-технологии наиболее
точным является процесс подлегирования под-
затворной области транзистора для
регулирования порогового напряжения. В биполярной
технологии наибольшие сложности связаны с
формированием субмикронных толщин
областей эмиттера и базы транзистора. База /ьтипа
создается внедрением ионов бора, а эмиттер
л+-типа - ионов фосфора или мышьяка. При
внедрении фосфора вследствие эффекта
каналирования наблюдается "хвост" распределения
имплантированных ионов, который может
перекрывать распределение примеси в базе и
изменять количество носителей тока в ней.
Тяжелые ионы мышьяка не создают каналиро-
ванного "хвоста", вследствие чего их
использование в качестве эмиттерной примеси
предпочтительнее.
-
-
1
г
г
/
3
I V ХЛ UP/ I
\ //\Д »)
4
/
/
10" 1Z* 13'* tO* W^QtCM-2
а)
/60
140
120
ЮО
во
60
40
-
3 ^
||
I
J
^<
i
л
л*
p
I
pj
I
m
/
Wf1 1Orz 13rj 1Of* W* Q,cm'2
Рис. 2.4.6. Диапазоны энергий и доз, используемых
для формирования транзисторных структур в
полупроводниках ИС:
а - для МДП-транзисторов;
1 - управление зарядом в пассивирующем оксиде;
2 - управление пороговым напряжением;
3 - получение резистора; 4 - получение кармана
КМОП-транзистора; 5 - самосовмещение;
6 - сглаживание; /- исток; Я- затвор; Ш- сток;
б - для биполярных транзисторов;
1 - легирование базы; 2 - уменьшение ширины базы;
3 - увеличение дрейфового нуля;
4 - омический контакт; 5 - получение эмиттера и
скрытого слоя; /- база; //- эмиттер; /// -коллектор
В результате бомбардировки поверхности
полупроводника и внедрения в его объем
ионов примеси в кристалле возникают
радиационные дефекты, а при больших дозах ионов
часть кристалла может становиться аморфной.
Число смещенных атомов кремния почти
всегда больше числа внедренных ионов, поэтому
в легированном слое обычно преобладают
ловушки с глубокими энергетическими
уровнями, что приводит к существенному росту
удельного сопротивления полупроводника.
Ловушки захватывают и электроны, и дырки.
Ионы, внедренные в полупроводник,
теряя энергию, останавливаются как в междууз-
лиях, так и в узлах кристаллической решетки.
Только в последнем случае они создают сво-

128
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
бодные носители заряда, т.е. являются
электрически активными и обеспечивают
электропроводность легированной области. В между-
узельном положении ионы электрически
неактивны, для их перемещения в узлы решетки
требуется сообщить им дополнительную
энергию. С этой целью, а также для
устранения радиационных дефектов кристалл
подвергают отжигу.
Одной из основных проблем технологии
ионного легирования является определение
минимальных температуры и времени отжига,
необходимых для полной активации доноров и
акцепторов при условии полного устранения
остаточных дефектов. В связи с этим
необходимо достижение полной электрической
активности примесей без значительной
диффузии примесных атомов. Другая проблема
связана с необходимостью получения очень
мелких ^-и-переходов для элементов СБИС с
микронными размерами. Параметры процесса
отжига определяются видом ионов и их дозой.
Влияние отжига на аморфные слои и на
точечные и радиационные дефекты различно. В
связи с этим поведение примесей и,
следовательно, режимы отжига для различных приме-О
сей в кремнии существенно различаются.
В результате термического отжига
происходит, в первую очередь, активация примесей -
переход их в узлы решетки полупроводника.
При дозах порядка 1012 - 1013 см достаточно
установить температуру отжига 500 - 600 °С.
С ростом дозы до 1014 - 1015 см~2 необходимо
увеличивать температуру до 800 - 900 °С. Для
отжига аморфизированных слоев при таких же
больших дозах (например при имплантации Р+
в кремний) температура отжига 500 - 600 °С
достаточна для активации примеси. Это связано с
протеканием твердофазной эпитаксиаильной
перекристаллизации аморфных
имплантированных слоев на монокристаллической
подложке. Для отжига слоев легированных
тяжелыми ионами (например As+) температура
активирующего отжига должна быть не менее
850 °С. При аморфизации подложки после
отжига в области "хвоста" распределения
примеси, направленного от поверхности
подложки, возникают линейные дислокации (около
5 нм).
При отсутствии аморфизации в подложке
также образуются линейные дислокации по
всему объему легированного слоя, для
устранения которых необходим отжиг при
температуре 900 - 1000 °С.
Во время отжига в кристалле протекает
диффузия имплантированной примеси. Если
при этом не возникает потери примеси
(испарения с поверхности), ее распределение
может быть записано в виде
Q
ехр
— \2
(*-*>)
+ Ш
B.4.2)
где D - коэффициент диффузии примеси при
температуре отжига; / - время отжига.
Соотношение B.4.2) справедливо при низких и
средних дозах ионов (Q < 1015 см~2). При
больших дозах глубина диффузионного слоя
возрастает с большей скоростью, чем следует
из законов обычной диффузии. Такое явление
называется ускоренной диффузией и
объясняется появлением большого числа
радиационных дефектов, распад которых сопровождается
возникновением потока избыточных точечных
дефектов, ускоряющих движение примеси.
При изготовлении микросхем учитывают
явление ускоренной диффузии.
Физическим процессом,
обеспечивающим увеличение глубины р-п-перехода при
относительно низкой температуре отжига,
является низкоэнергетическая радиационно-
стимулированная диффузия (РСД). Она
возникает в том случае, когда в кристалле удается
создать слой, служащий источником
неравновесных точечных дефектов (вакансий). Для
этого используются следующие процессы:
облучение кристалла легкими частицами
(протоны, нейтроны, ионы Не+, Аг+, N+ и
др.), создающими только точечные дефекты,
проникающие на глубину, большую толщины
легированного слоя;
имплантация примеси с дозами 1015 -
1016 см, но небольшими энергиями,
образующая большую концентрацию
радиационных дефектов, при распаде также вызывающих
поток неравновесных вакансий.
Отжиг при температуре 500 - 700 °С
увеличивает коэффициент РСД в кремнии
примерно на пять порядков. Скорость диффузии
при этом ограничивается не скоростью
перемещения дефектов, а скоростью их генерации,
так что увеличение коэффициента диффузии
пропорционально концентрации дефектов.
Ускорение диффузии атомов бора и фосфора в
кремнии становится заметным при
температуре от 500 °С. Эта температура для кремния
является нижней температурной границей, при
которой концентрация радиационных
дефектов начинает превышать концентрацию
термически равновесных дефектов. С ростом
температуры полупроводника радиационные
дефекты релаксируют, концентрация их
уменьшается, облучение слабо влияет на коэффициент
диффузии.
Практическое применение РСД в
полупроводниковой технологии осуществляется в
следующих целях:

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
129
для регулирования концентрации
примеси на значительной глубине от поверхности,
для чего облучение протонами или ионами
проводится при высокой энергии, чтобы
большая концентрация дефектов возникла в
глубине подложки;
для уменьшения боковой диффузии р-п-
переходов малой площади. При облучении
кремния через маску боковая диффузия под
маску определяется диффузионной длиной
радиационных дефектов. Концентрация
примеси падает на порядок на расстоянии
примерно двух диффузионных длин (около
0,17 мкм) от края маски, а диффузия в
глубину подложки определяется коэффициентом
диффузии примеси. В результате образуется
/>-и-переход, занимающий меньшую площадь,
чем при термической диффузии.
Важно, что низкая температура процесса
с использованием радиационно-
стимулированной диффузии не вызывает перераспределения
примесей в ранее легированных областях
полупроводника.
Одновременно с формированием
активных областей транзисторов в ИС создаются
резисторы. Легированные слои, поученные в
результате имплантации и отжига, являются по
существу готовыми резистивными элементами
с высокой однородностью поверхностного
сопротивления. Изменением дозы облучения и
температуры отжига управляют удельным
сопротивлением резистивного слоя от несколь- (
ких Ом/квадрат до сотен Ом/квадрат.
Уникальная возможность ионной
имплантации состоит в легировании атомами
отдачи, которые могут получать достаточно
высокую энергию от ускоренных ионов и
перемещаться на несколько нанометров. Это
позволяет создавать сверхтонкие
сильнолегированные слои, необходимые для многих
полупроводниковых приборов, особенно СВЧ-
диапазона. Если на поверхность кремния
нанести слой алюминия и бомбардировать
ионами Si+, Al+ или ионами инертных газов, то
ионы алюминия из металлической пленки
перемещаются в поверхность кремния, где
образуют слой с максимальной концентрацией
атомов у границы кремний-алюминий и
спадающий по гиперболе до глубины 5-10 нм.
При этом удается получить выход первичных
атомов отдачи до 10 на внедренный ион.
Возникающие при имплантации
радиационные дефекты используются для создания
разделительной изоляции между элементами
схемы. Например, имплантация ионов Ве+, В+
создает непроводящие области в схемах на
основе арсенида галлия. Радиационные
дефекты позволяют получить аморфизированные
слои для элементов памяти, гетгерирования
нежелательных примесей, изменения свойств
поверхностей раздела полупроводник -
диэлектрик и полупроводник - металл.
5 За к 769
Ионная имплантация в
неполупроводниковые материалы позволила в широких
пределах управлять свойствами металлов и
диэлектриков. Удается сплавлять металлы, не
смешиваемые в жидком состоянии; при 20 °С
получать новые метастабильные сплавы со
структурой раствора, которые нельзя получить
обычными методами металлургии даже при
высоких температурах. Так, молибден в алюминии
практически нерастворим (примерно 0,02 %
по массе при 500 °С), а в результате ионной
имплантации в поверхностном слое алюминия
образуется сплав, содержащий 25 %
молибдена. При этом повышается стойкость алюминия
к питгинговой коррозии. Растворимость
тантала в железе составляет всего 0Д5 ат.% при
температуре 800 °С, а при 20 °С падает до
нуля. Имплантация ионов Та+ в Fe при 20 °С
позволяет получить в поверхностном слое
железа твердый раствор, содержащий более
10 ат.% тантала. С помощью ионного
легирования получены пересыщенные твердые
растворы, метастабильные интерметаллические
соединения, равновесные сплавы и аморфные
фазы.
Дозы ионов при имплантации в металлы
на 1 - 3 порядка превышают дозы при
легировании полупроводниковых материалов и
составляют 1016 - 1019 см. При таких высоких
дозах в подложке возникают механические
напряжения, которые в зависимости от их
v характера могут оказывать воздействие на
свойства металлов. Так, воздействие
сжимающих напряжений в металле при имплантации
ионов аналогично воздействию дробеструйной
обработки поверхности.
Модификация поверхностных свойств
многокомпонентных материалов, таких как
стали и сплавы, может быть обусловлена не
только имплантацией ионов примеси, но и
перераспределением компонентов сплава под
действием ионной бомбардировки в результате
радиационно-индуцированной сегрегации,
характерный диапазон температур для которой
обычно составляет 0,2 - 0,6 от температуры
плавления. Этот процесс, стимулированный
РСД, приводит к появлению
концентрационных градиентов и образованию неравновесных
преципитатов. Так, в высоконикелевом сплаве
после облучения ионами Н+ было обнаружено
обогащение поверхностного слоя хромом, хотя
согласно современным моделям, он должен
был переместиться в глубь мишени. Обратный
эффект вызван поступлением в поверхностный
слой кислорода из остаточных газов вакуумной
камеры ускорителя и большим химическим
сродством хрома к кислороду, обогащение
поверхности хромом повышает коррозионную
стойкость материалов в кислых средах.
Еще одним важным достоинством
ионной имплантации в металлы является возмож- .
ность их упрочнения путем изменения струк-

130
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
туры поверхности в процессе бомбардировки.
В этом случае в отличие от всех других
методов упрочнения наблюдается отсутствие резкой
границы перехода между упрочненным
поверхностным слоем и объемом металла.
Применяется ионная имплантация и для
улучшения адгезии между покрытием и основой, она
является оптимальным методом для
упрочнения, например, сверхпрочных инструментов и
деталей, поскольку не изменяет их
геометрических размеров и формы. При этом в
поверхность могут быть внедрены ионы
элементов, играющих роль твердой смазки.
Первые данные о возможной и
целенаправленной модификации свойств металлов -
повышении их износостойкости,
микротвердости и коррозионной стойкости - с помощью
ионной имплантации появились в конце 50-х -
начале 60-х годов, т.е. приблизительно в то же
время, когда были достигнуты первые
результаты по легированию полупроводников.
Дальнейшее развитие имплантационной
металлургии связано с применением ионной
имплантации в металлы для направленного
изменения их поверхностных свойств с целью
увеличения микротвердости, износостойкости
и радиационной стойкости, увеличения
сопротивления усталостному разрушению,
уменьшения коэффициента трения, управления
химическими свойствами, оптическими и
сверхпроводящими эффектами на поверхности
металлов. Имплантация ионов в металлах
используется также для формирования и
исследования необычных метастабильных структур.
Применение ионной имплантации с
последующей термообработкой имплантированных
слоев позволяет определять константы
диффузии, растворимость одного материала в другом
как функцию температуры, энтальпию и
энтропию реакций, а также свойства
равновесных фаз.
Имплантация ионов в металлы может
быть также использована для изменения
механизмов коррозии, изнашивания и других
поверхностных процессов.
Профили распределения примеси в
металлах описываются гауссовым
распределением. Однако при образовании большого числа
радиационных дефектов перенос вещества под
действием радиационно-стимулированной
диффузии при послеимплантационном отжиге
или внедрении в нагретую подложку приводит
к появлению "хвостов" распределения,
проникающих в глубь мишеней. При имплантации
ионов В+ с дозой 1018 см и энергией 40 кэВ
в сталь 09Х16Н15МЗБ при температуре 600 °С
(рис. 2.4.7) максимальная концентрация бора у
поверхности составляет 70 ат.%.
Имплантированный слой состоит из борида железа FeB,
причем излом на кривой распределения бора
соответствует границе раздела между
двухфазными и однофазными областями. Такая кар-
Рис. 2.4.7. Распределение ионов бора в коррозионно-
стойкой стали 09Х16Н15МЗБ
(Т= 600 °С, Q = 10" см-2, ?=40 кэВ)
тина наблюдается, если в поверхностном слое
металла образуется пересыщенный твердый
раствор. В этом слое происходит на первом
этапе отжига выделение преципитатов
растворенного вещества до тех пор, пока
концентрация его не уменьшится до предела
растворимости. На втором этапе происходит
уменьшение концентрации вторичной фазы и перенос
растворенного вещества в однофазный металл,
чему соответствует изменение профиля
распределения: уменьшение пика в
приповерхностной области и появление "хвоста". Третий
этап отжига соответствует однофазному
состоянию с последующим изменением
концентрационного профиля. Коэффициент
радиационно-стимулированной диффузии
определяется скоростью генерации точечных дефектов и,
следовательно, интенсивностью ионного
пучка, а не энергией ионов.
Распределения примеси при больших и
малых дозах облучения существенно
различаются. Если влияние РСД мало, то
распределение примеси по глубине описывается
функцией вида eifc[(x-Rp)/j2ARp\ и ехр[-
где ? - коэффициент распыления; j -
плотность ионного тока; Nq - концентрация
атомов в единице объема мишени; D -
коэффициент диффузии примеси. Профиль
распределения зависит от распыления атомов без
диффузии или вместе с термической диффузией.
Если же влияние РСД велико, то
распределение примеси можно описать функцией
ехр|- у ехр[(х -
диффузионной длины дефекта L^ и величины
у глубина проникновения иона / может
возрасти в 103 раз по сравнению с длиной
проекции пробега иона:
и в зависимости от

НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
131
где Ds - коэффициент самодиффузии; ц -
число дефектов на один падающий ион.
Концентрация примеси в насыщении максимальна на
поверхности облучаемого материала. Профили
распределения имплантированных ионов и их
максимальная концентрация зависят не только
от режима имплантации, но и от типа
кристаллической решетки и химического состава
облучаемого материала.
Тяжелые ионы с энергиями в несколько
десятков или сотен кэВ имеют небольшие
пробеги в мишени, но могут вызывать
значительное распыление материала подложки.
Поэтому предельные дозы облучения тяжелыми
ионами бпред ^ ЩКр I S невелики и
уменьшаются с ростом дозы внедряемой примеси.
Но полная концентрация примеси тем не
менее возрастает благодаря проникновению
ионов на большую глубину под действием ра-
диационно-стимулированной диффузии.
Таким образом, РСД увеличивает предельную
дозу имплантации, при сильной РСД это
может быть увеличение на несколько порядков.
Обработка поверхности мишени, приводящая
к уменьшению коэффициента распыления,
способствует увеличению концентрации
имплантированной в металл примеси.
Ионная имплантация открывает большие
возможности упрочнения поверхностных слоев
металлов и сплавов путем перевода их
поверхностей в аморфное состояние.
Известно, что некристаллические фазы в
металлических сплавах формируются путем
быстрого охлаждения до твердого состояния
жидкой или газообразной фазы. Скорость
закалки из жидкой фазы 106 - 109 К/с.
Процесс соударений в плотных каскадах при
определенных режимах облучения тяжелыми
ионами можно рассматривать как термические
пики. При этом скорость закалки в
термическом пике в условиях имплантации будет
примерно составлять 1014 К/с. Аморфизиро-
вать сплавы можно лишь при специальном
подборе комбинаций ион - металл, поскольку
на процесс амортизации оказывает влияние
тип связи атомов в твердом теле. Аморфизация
поверхности различных металлов (Al, Co, Ni,
Fe и др.) легко достигается при имплантации в
них ионов металлоидов (В+, Р+, As+).
Образование аморфной фазы было также
зафиксировано при бомбардировке ионами W+, Ta+,
Au+, Dy+ некоторых металлов и коррозионно-
стойкой стали. В этом случае либо происходит
локализованная закалка микроскопических
объемов, перекрытие которых приводит к
аморфизации поверхности, либо аморфизации
способствует присутствие таких примесей, как
углерод.
Практическое использование
имплантации ионов в металлы и сплавы идет по ряду
направлений. Во-первых, возможно
существенное повышение их коррозионной стойко-
Рис 2.4.8. Зависимость скорости коррозии VKOp стали
12Х18Н10Т исходной </), имплантированной ионами
Мо+ B) и W+ (J) в растворе 20%-ной H2SO4
от времени выдержки Г
сти, особенно к питгинговой коррозии.
Например, широко используемая в
промышленности сталь 12Х18Н10Т, обладающая высокой
стойкостью в неокислительных растворах,
чувствительна к некоторым агрессивным
анионам, в частности хлору, вызывающему
питгинговую коррозию. Легирование ее
молибденом и вольфрамом улучшает ее
стойкость к питгингу (рис. 2.4.8). Стойкость к
коррозии достигается как путем аморфизации
поверхности, так и путем введения
легирующего элемента, склонного к самопассивации.
Если в аморфном металлическом сплаве
концентрация сильного пассиватора велика, в
результате отсутствия межзеренных границ
пассивирующая пленка непрерывна.
Во-вторых, изменяются механические
свойства металлов и сплавов, их
микротвердость, износостойкость, усталостная
прочность. Повышение микротвердости при
ионном легировании связано с взаимодействием
атомов примеси и радиационных дефектов,
возникающих при облучении. Эффект зависит
от дозы, энергии, плотности ионного тока,
температуры и вида ионов (рис. 2.4.9).
//, кг/ммг
500
J00
100
X
ZOO W0j\mkA/cmz
Рис. 2.4.9. Зависимость микротвердости Н
коррозионно-стойкой стали от плотности у тока ионов
В+ (Q = 10" см-2, Е - 40 кэВ)
(штриховая линия - исходная микротвердость)

132
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
Обычно в сталях после ионной
имплантации микротвердость возрастает от
нескольких десятков процентов до нескольких раз.
Причем наблюдается увеличение
микротвердости на глубину, большую пробега ионов в
мишени, что связано с возникновением в
легированных слоях растягивающих и сжимающих
напряжений.
Для сопротивления изнашивания в
большинстве случаев используется
имплантация ионов N+. Решающее влияние на износ
оказывает концентрация атомов азота.
Повышение износостойкости сталей, содержащих
элементы, имеющие сродство с азотом (Cr, Ti,
Fe и др.), происходит за счет образования
мелкодисперсных нитридов металла, т.е.
дисперсионного упрочнения. Для повышения
износостойкости возможно также
использование ионов В+, С+, Ti+. Увеличение
износостойкости стали достигается также
следующими методами: модификацией образующегося
при изнашивании оксида металла;
распылением поверхностного слоя тяжелыми ионами и
сглаживанием поверхности; ионным
перемешиванием - имплантацией атомами отдачи.
Развитие усталостных трещин
происходит в результате дислокационных процессов в
металле. При имплантации ионов с большой
массой возникают значительные остаточные
механические напряжения, которые
аналогичны дробеструйной обработке, приводящей к
поверхностному пластическому
деформированию материала. Наблюдается увеличение
долговечности образцов, имплантированных
ионами N+ и С+, по сравнению с исходными
образцами примерно на порядок (рис. 2.4.10).
Повышение циклической прочности стали в
результате имплантации ионов связано с
увеличением напряжения зарождения трещин.
Успешно применяется ионная
имплантация для увеличения термоэлектронной
эмиссии катодов. Активация Та внедрением
последовательно ионов В+ и La+ с энергией 25 кэВ
SOV
700
л дд
V 40S <0( Ю7
Рис. 2.4.10. Кривые выносливости стали ЗОХГСНА
исходной (/) и после имплантации ионов В+ B),
N+ (J) и С+ D) с энергией 40 кэВ и дозой 1017 см:
рк - разрушающее контактное давление
повышает эмиссию примерно в 10 раз по
сравнению с эмиссией исходного Та.
Повышение работы выхода металлопленочных
катодов достигается использованием добавки
кислорода к парам цезия.
Ионная имплантация применяется и для
подавления радиационной эрозии поверхности
стенок ядерного реактора.
Разнообразное применение получила
ионная имплантация для модификации
поверхности диэлектриков - керамики, пленок
ферритов-гранатов, стекла, полимеров,
резины.
Имплантация ионов А1+ и Аг+ улучшает
свойства ферроэлектрической керамики,
увеличивая ее фоточувствительность в 104 раз, а у
хрупкой керамики ТШ2+ и А12О3 после
имплантации упрочняется поверхность.
Процессы образования и отжига радиационных
дефектов протекают в керамике сложнее, чем в
металлах. Твердость керамики при их
образовании увеличивается, а после отжига снижается.
В 1972 г. впервые ионная имплантация
была применена для изготовления
запоминающих устройств на цилиндрических
магнитных доменах (ЦМД), которые
формируются в тонких эпитаксиальных слоях магнитных
гранатов состава R3FesIi2 (R - любой
редкоземельный элемент), выращенных на
немагнитной гранатовой подложке. Ионная
имплантация позволяет изменять магнитную
анизотропию кристаллов магнитных гранатов. Степень
этих изменений зависит от введенных
имплантацией нарушений в ЦМД-приборах при
бомбардировке ионами Н+, Не+, Ne+, Ar+ с
энергиями от нескольких десятков до сотен
килоэлектронвольт и дозами 1013 - 1016 см~2.
Быстродействие приборов на ЦМД определяет
скорость передвижения доменов, а
имплантированный слой создает структуры для
продвижения доменов.
Используется ионная литография, когда
травление облученных слоев идет значительно
быстрее, чем бездефектных. Скорость
передвижения доменов определяется не только
типом ионов и параметрами имплантации, но
и распределением дефектов в облученном
слое. Изменение структуры пленки феррита-
граната под действием ионной бомбардировки
влияет на коэффициент оптического
преломления пленки, что может быть использовано
для создания волноводов в имплантированных
слоях.
Образование радиационных дефектов и
дисперсных частиц новых фаз при
имплантации позволяет управлять показателем
преломления поверхности стекол. Изменение
коэффициента преломления вещества п
определяется дозой ионов и разбросом пробегов:

ОБОРУДОВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ
133
Благодаря этому имплантация ионов в стенки
световодов создает условия для удержания
света в световоде.
Оптические световоды из плавленого
кварца с имплантированными ионами В+
отличаются малыми потерями.
С ростом массы иона уменьшаются
потери, но увеличивается доза излучения,
необходимая для этого. Кроме того, ионная
имплантация позволяет просто и надежно
формировать структуры для распределения света
(ответвители) в линиях оптической связи.
В полимерных материалах ионное
легирование позволяет менять
электропроводность, которая может возрастать до 14
порядков, структуру и химический состав пленок.
Увеличение проводимости связано с
перестройкой молекулярной структуры, разрывом
связей С-Н и появлением избыточного
углерода. Имплантация ионов С+, О+, N+, Ar+ с
энергией 15 кэВ увеличивает коэффициент
разделения пленок из поликарбонатсилоксана
и полиметилпентена для целого ряда смесей в
1,5 - 5 раз.
Рассмотренные примеры использования
ионной имплантации свидетельствуют о ее
больших потенциальных возможностях при
модификации свойств широкого спектра
материалов, используемых в различных областях -
металлургии, электронной технике,
химическом производстве и биологии.
2.4.3. ОБОРУДОВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ
Оборудование, предназначенное для
ионной имплантации, разрабатывается в
основном для микроэлектроники, но
используется и в других отраслях техники.
В России выпускается ряд установок для
ионной имплантации, объединенных общим
названием "Везувий". Модификации ионно-
лучевых установок (ИЛУ), различающиеся
техническими характеристиками, обозначаются
"Везувий-2", "Везувий-5", "Везувий--9" и т.д.
Они характеризуются диапазоном энергии от
десятков килоэлектронвольт до нескольких
мегаэлектронвольт и плотностью ионного тока
1010 - 1019 ион/см2. Ограничение энергии
ионов несколькими сотнями килоэлектронвольт
объясняется тем, что стоимость и сложность
аппаратуры возрастают с ростом энергии.
Методы генерирования и анализа ионов также
усложняются.
Современные ИЛУ состоят из ионного
источника, экстрагирующей и фокусирующей
оптики, ускоряющей системы, масс-
сепаратора, устройства сканирования ионного
пучка, системы источников питания,
приемной камеры, вакуумной системы, устройства
контроля и управления технологическим
процессом (рис. 2.4.11).
Ионный источник состоит из собственно
источника ионов и устройства их экстрации.
Рис. 2.4.11. Схема установки для ионной имплантации:
1 - источник ионов; 2 - масс-сепаратор;
3 - система фокусировки; 4 - система ускорения ионов;
5 - система сканирования; 6 - приемная камера;
7- вакуумные насосы
Атомы имплантируемой примеси могут
вводиться в ионный источник либо напуском (в
виде газа), либо испарением (жидкой или
твердой примеси). В ионном источнике они
ионизируются и вытягиваются
соответствующим потенциалом в ускоритель, где
приобретают нужную энергию. К источнику ионов
предъявляют следующие требования:
стабильность пучка во времени; получение ионов с
определенным зарядом, нужной плотности
тока при низких экстрагирующих
напряжениях; простота замены легирующих элементов;
простота управления и замены самого
источника. С помощью одного источника
невозможно удовлетворить все эти требования,
поэтому используется набор источников с
разными ионами. Имеется несколько типов
источников ионов: с горячим, холодным и
полым катодами; дуоплазмотроны; источники с
ВЧ- и СВЧ-возбуждением; с поверхностной
ионизацией.
Ионный источник должен обеспечить
возбуждение атомов рабочего газа до энергии,
превышающей потенциал ионизации атома,
для образования положительно заряженных
ионов. Большинство источников включает
следующие конструктивные элементы (рис.
2.4.12): разрядную или ионизационную
камеру, которая обычно является несущей
конструкцией источника; анод, предназначенный
для создания электрического поля внутри
разрядной камеры; источник электронов
(термокатод), инжектирующий электроны для
ионизации газа; магнитную систему,
повышающую эффективность ионизации и
плотность плазмы; электроды, экстрагирующие
ионы, и электроды первичной фокусировки
пучка.
Работу источника ионов обеспечивают
вспомогательные устройства: система подачи
газа; устройство испарения вещества;
источники питания. Наиболее простые и
распространенные источники с горячим катодом
исполняются в различных конструктивных
вариантах, два из которых показаны на рис. 2.4.12.
Источником электронов является катод
прямого или косвенного накала, электроны эмит-
тируются перпендикулярно поверхности нити
накала с плотностью тока порядка 1 А/см2.

134
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
2 J
б Д7
Рис. 2.4.12. Конструкции ионных источников разного i
д - с горячим катодом прямого (I) и косвенного накала (II); б- с холодным катодом (III) и дуоплазмотрон (IV);
в - с поверхностной ионизацией (V), многозарядных ионов (VI), с ВЧ-возбуждением (VII);
1 - газ; 2 - катод; 3 - анод; 4 - экстрактор; 5 - косвенный катод; 6 - электромагнит; 7 - плазма; 8 - катодный
цилиндр; 9 - промежуточный цилиндр; 10 - испаритель; 11 - нагреватель ионизатора; 12 - ионизатор;
13 - фокусирующий электрод; 14 - распыляемый электрод; 15 - антикатод; 16 - ВЧ-катушка
Рис. 2.4.13. Конструкция многое
ОЙУСКОР!
6)
ой трубки (а) и распределение
с постоянным
ур
градиентом в ускорительной трубке F):
1 - электрод; 2 - изолирующие кольца; 3 - делитель напряжения
Ускоритель ионов в зависимости от
конструкции ИЛУ располагается до или после
(рис. 2.4.13) масс-сепаратора. Ускоритель
предназначен для следующих целей:
сообщения ионам необходимой плотности энергии с
минимальной потребляемой мощностью;
фокусировки пучка при его движении вдоль
ускорителя; обеспечения минимальных
рассеяния и загрязнений, а также защиты от
рентгеновского излучения и высокого напряжения.
Он имеет вид трубки с секционным
расположением в ней электродов, разделенных
изолирующими кольцами и обеспечивающих на
выходе нужный потенциал.
Масс-сепаратор применяется для очистки
пучка ионов от нежелательных примесей,
которые могут присутствовать при
формировании пучка в источнике ионов. Принцип его

ОБОРУДОВАНИЕ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ
135
работы основан на разном отклонении ионов с
разными массами и зарядами в магнитном
поле требуемой напряженности. Радиус
отклонения иона г с массой М\ и зарядом q связан
с магнитной индукцией В и ускоряющим
напряжением U соотношением
-*(¦
2Мг
U
В ИЛУ обычно встраивается анализатор масс,
по показаниям которого настраивается
сепаратор на выделение нужных ионов (рис. 2.4.14).
Устройства сканирования ионного пучка
направляют сфокусированный ионный луч в
нужное место мишени по заданной
программе. В установках ионного легирования
применяются три способа сканирования:
механическое, электростатическое и комбинированное.
При механическом сканировании
ионный луч неподвижен, мишень перемещается
относительно него в двух взаимно
перпендикулярных направлениях. При
электростатическом сканировании перемещается луч по
поверхности неподвижной мишени. При
комбинированном способе в одном направлении
перемещается луч, а в перпендикулярном к
нему - мишень.
При электростатическом сканировании
угол отклонения луча 0 определяется с
помощью потенциала 1/эл отклоняющих электродов
длиной /, расстоянием между ними d и
потенциалом ионного пучка U^:
. л Um I
Отклонение луча на поверхности
мишени Ay = LtgQ, где L - расстояние от
отклоняющей системы до мишени.
Сканирующая система должна
обеспечивать однородность легирования поверхности,
1 / /
Рис. 2.4.14. Схема масс-сепаратора ионов в
ионно-лучевой установке:
1 - источник ионов; 2 - ускоритель ионов;
3 - коллиматор; 4 - магнитный масс-сепаратор;
5 - потоки ионов, отделенных от основного пучка;
6 - экран с отверстием;
7 - основной пучок ионов
поэтому необходимо учитывать: наклон
подложки по отношению к линии,
перпендикулярной направлению пучка; неравномерность
сканирования относительно осевой линии из-
за нестабильности и несимметричности
отклоняющих напряжений; диаметр ионного пятна;
неравномерность интенсивности ионного тока
по сечению пучка.
Приемная камера предназначена для
загрузки пластин или других объектов,
перемещения их для легирования и выгрузки. В
современных установках применяется поштучная
(индивидуальная ) обработка пластин,
автоматически вводимых в камеру и удаляемых из
нее через вакуумные шлюзы. Герметизацию
пластин в процессе их транспортировки между
операциями обеспечивают специальные
кассеты. Соединения между узлами ИЛУ
выполняют с помощью вакуумно плотных фланцев.
Вакуумные системы установок
конструктивно достаточно сложны, так как все
процессы имплантации протекают в высоком
вакууме, а объем камер велик. Применяется три
основных системы откачки:
система на базе диффузионных насосов с
большой скоростью откачки, обеспечивающая
давление 1,510~4 Па. В установке имеется
обычно несколько (не менее двух) насосов;
система, включающая диффузионные и
безмасляные насосы. Последние применяются
для оснащения приемной камеры;
система, в которой диффузионные
насосы отсутствуют, применяются либо турбомоле-
кулярные и криогенные насосы, либо только
криогенные.
В последнее время наиболее часто
применяется безмасляная система откачки,
обеспечивающая наивысшую чистоту.
Типичной установкой ионной
имплантации является ИЛУ "Везувий-9",
предназначенная для ионного легирования при
изготовлении интегральных микросхем, технология
которых не допускает высокотемпературной
обработки. В этой установке используются
ионы повышенной энергии, что достигается
применением двух- и трехзарядных ионов.
Инжектор ионов находится под потенциалом
+300 кВ, а приемное устройство - под
потенциалом -300 кВ, так что суммарное
ускоряющее напряжение равно 600 кВ. Максимальная
энергия однозарядных ионов 600 кэВ, двухза-
рядных - 1,2 МэВ, трехзарядных - 1,8 МэВ.
Для получения многозарядных ионов
используется дуговой источник с катодом
косвенного накала. Установка укомплектована
сменными источниками для получения ионов
из различных газообразных и твердых веществ.
Можно получить двухзарядные ионы Р, As, Sb
с силой тока до 600 мкА, ионы В - до 100
мкА, трехзарядные Р, As, Sb - до 150 мкА. Для
уменьшения рассеяния ионов применяются
магнитные экраны.

136
Глава 2.4. ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
В установке используется
электромагнитный масс-сепаратор с двойной
фокусировкой ионного пучка и регулируемыми углами
его входа и выхода; угол поворота пучка 110 °.
Сепарация ионов проводится при энергии
25 кэВ.
Кассеты с пластинами устанавливаются в
специальные держатели, которые вместе с
кассетами занимают положение,
перпендикулярное ионному пучку. Легирование
проводится с постоянным углом падения пучка при
вращении контейнера.
Вакуумная откачка осуществляется тремя
диффузионными насосами с азотными
ловушками. Вакуумная система работает
автоматически по специальной программе.
2.4.4. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ
Основными характеристиками слоев,
полученных в результате ионной имплантации,
являются глубина проникновения и профиль
распределения внедренных ионов, а также
изменение структуры материала подложки в
результате внедрения. Для полупроводниковых
подложек большое значение имеют
электропроводность и подвижность носителей заряда
в легированных слоях.
Глубина проникновения и профиль
распределения примеси могут быть определены с
помощью электронной оже-спектроскопии
при последовательном стравливании слоев
материала контролируемой толщины,
вторично-ионной масс-спектроскопии (ВИМС).
В последнем случае материал подложки
распыляется с поверхности ионным пучком и
ионные компоненты распыляемого материала
анализируются по массе. Интенсивность
детектируемого сигнала зависит от его массовой
концентрации в данной области образца.
Поскольку только ионизированные компоненты
распыляемого материала анализируются
методом ВИМС, используются ионные пучки,
позволяющие получить максимальный выход
(вторичную эмиссию) ионов исследуемых
химических элементов.
Наиболее успешно для измерения
распределения внедренных ионов используется
метод радиоактивных изотопов и особенно
нейтронно-активационный анализ (НАА).
Первый метод основан на внедрении в образец
радиоактивных легирующих элементов и
определении распределения примеси измерением
радиации, создаваемой радиоактивными
атомами. Последовательно снимая с поверхности
мишени тонкие слои материала одинаковой
толщины, определяют либо радиоактивность
удаленного слоя (например, анализируя
активность химического раствора, в которбм
этот слой стравливался), либо остаточную
активность мишени.
Метод НАА основан также на анализе
радиоактивных изотопов, которые образуются
в образце под воздействием облучения
тепловыми нейтронами. Только легкие элементы -
бор, кислород, азот, углерод - не образуют
изотопов, пригодных для исследования этим
методом. Облучение проводится в течение
0,5 - 12 ч потоком тепловых нейтронов,
равным ДО13 - 1014 см^-с. Наиболее
распространенным является анализ у-излучения
образовавшихся изотопов с энергией квантов 0,1 -
2,5 МэВ. Излучение регистрируется
детектором, определяется период полураспада изотопа
и энергия у-квантов, затем рассчитывается
количество атомов этого элемента.
Минимальная концентрация элементов, позволяющая
определить ее методом НАА, составляет для
разных элементов 5-Ю11 - 6,3-1012 см
(наименьшее значение концентрации Аи -
1,1-Ю9 см'3). Профиль распределения примеси
определяется последовательным стравливанием
тонких слоев и измерением остаточной
активности.
Изучение кристаллографической
структуры и механических свойств легированных
ионами слоев включает анализ степени разориен-
тации кристаллической подложки,
идентификацию фаз, выявление аморфных областей и
изучение кристаллографических дефектов,
измерение механических напряжений в
пленках на поверхности подложки. Используются
следующие методы анализа: измерение
кривизны тонких подложек (например, в
микроэлектронике) лазерным отражением (ЛО) с
целью расчета напряжений в них и пленках;
обратное рассеяние Резерфорда (ОРР)
(каналирование); рентгеновская дифракция
(РД); электронография (ЭГ) и
просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).
Данные об эффективности этих методов
приведены в табл. 2.4.2.
Анализ углового положения и
интенсивности рентгеновских лучей, дифрагированных
кристаллическим материалом, позволяет
получить информацию о кристаллической
структуре - фазовом составе образца. Максимальная
точность достигается при дифрактометриче-
ских измерениях. Погрешность измерения
параметра решетки составляет 0,001 нм.
С помощью просвечивающей
электронографии или электронной микроскопии
исследуются электрограммы с участков
диаметром менее 1 мкм, а в некоторых
просвечивающих растровых электронных микроскопах
удается наблюдать участки диаметром 10 нм.
Это позволяет изучать структурные
особенности кристаллографических включений, а также
идентифицировать неизвестные фазы.
Измерение электропроводности и
подвижности носителей заряда в полупроводниках
проводится также при последовательном
стравливании тонких слоев. Поскольку
глубина проникновения ионов в полупроводник

РЕНТТЕНОЛИТОГРАФИЯ
137
2.4.2. Эффективность* аналитических методов контроля и исследования имплантированных слоев
Исследуемые факторы
Фазовый состав
Аморфные области
Примесные атомы
Структурные дефекты
Напряжения в пленках
РД
В
В
н
н
н
эг
в
в
н
н
н
ОРР
н
в
в
н
н
ло
н
н
н
н
в
пэм
н
в
н
в
н
* В - высокая, Н - низкая.
может быть очень мала (доли микрометра),
химическое травление не позволяет стравить с
достаточной точностью такие слои. Поэтому
проводят анодное окисление полупроводника
с помощью эллипсометра, погрешность
измерения толщин которого составляет 0,1 -
0,3 нм, измеряют толщину оксида и
вычисляют толщину материала подложки,
перешедшего в этот оксид. Измеренные значения
поверхностной проводимости и характеристики
эффекта Холла позволяют вычислить
концентрацию и подвижность носителей в каждом
слое. Эти вычисления дают возможность
установить распределение примеси в слое
субмикронной толщины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аброян И. А, Ацщювов А. Н., Титов А. И.
Физические основы электронной и ионной
технологии. М.: Высшая школа, 1984. 320 с.
2. Готра 3. Ю. Технология
микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и
связь, 1991. 528 с.
3. Гусева М. И. Ионная имплантация в
неполупроводниковые материалы // Итоги
науки и техники. Сер. Физические основы
лазерной и пучковой технологии. Т. 5. М.:
Изд-во ВИНИТИ, 1989. С. 5 - 54.
4. Попов В. Ф., Торин Ю. Н. Процессы и
установки электронно-ионной технологии. М.:
Высшая школа, 1988. 255 с.
5. Симонов В. В., Корнилов Л. А., Шашелев
А В., Шокин Е. В. Оборудование ионной
имплантации. М.: Радио и связь, 1988. 184 с.
6. Технология СБИС / К. Пирс, А.
Адаме, Л. Кац и др. В 2-х кн. Кн. 1 Пер. с
англ. / Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986. 404 с.
Глава 2.5
РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
2.5.1. РЕНТТЕНОЛИТОГРАФИЯ
Уменьшение^) размеров элементов
больших интегральных схем (БИС) является одним
из наиболее эффекгивых методов снижения их
стоимости и повышения их быстродействия.
Двукратное уменьшение размеров элементов
увеличивает в 2 раза быстродействие БИС и в
4 раза повышает их степень интеграции.
Пределом уменьшения топологических размеров
являются линии шириной 100 нм. За счет
уменьшения размеров элементов интегральных
микросхем (ИС) до долей микрометра,
использования полупроводниковых соединений
группы АгВб, разработки сверхпроводящих ИС
с джозефсоновскими переходами,
быстродействие может быть уменьшено до 10 -
100 пс/вентиль при рабочих частотах в
гигагерцевом диапазоне. В связи с таким высоким
уровнем интеграции и быстродействия
современных и перспективных конструкций
сверхбольших интегральных схем (СБИС)
предъявляют жесткие требования к технологическим
процессам формирования структур на
поверхности в объеме полупроводниковых
материалов.
Массовое производство ИС с
субмикронными размерами элементов требует прежде
всего разработки производительных и
прецизионных методов и оборудования для
формирования топологического рисунка. В
настоящее время известны четыре основных
направления развития этих разработок: литография в
ультрафиолетовой области (УФ-литография), в
том числе с использованием эксимерных
лазеров; электронно-лучевая литография; ионно-
лучевая литография; рентгенолитография.
Традиционные методы фотолитографии
при использовании для экспонирования
источников дальнего ультрафиолетового
излучения с длиной волны около 0,2 мкм
обеспечивают в массовом производстве получение
линии шириной 0,6 - 0,8 мкм. Главные
достоинства этих методов - высокая
производительность, возможность использования достаточно
толстых слоев резиста и промышленного
оборудования для экспонирования. Недостатки -
трудность изготовления высококачественного
оптического оборудования для
коротковолнового излучения и необходимость
использования для изготовления фотошаблонов
высококачественного и дефицитного кварца с
фазовым сдвигом.
Электронно-лучевая литография для
непосредственного экспонирования на пластине
обеспечивает высокие точность совмещения
рисунков топологических слоев и
разрешающую способность. Однако этот метод имеет

138 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
низкую производительность, требует
использования весьма дорогостоящего и сложного
оборудования. Необходимость применения
тонких (менее 0,3 мкм) слоев резиста
затрудняет последующее плазмохимическое
травление рисунка, а наличие "эффекта близости"
затрудняет или делает вообще невозможным
изготовление топологий с разрешением лучше
0,3 мкм при плотностях упаковки более 108
изображений в кристалле D - 64 Мбит и
более).
Ионно-лучевая литография теоретически
может обеспечить получение рисунка с
линиями шириной менее 0,1 мкм. Существуют
два метода ее реализации - проекционный
перенос изображения через специальный
шаблон и непосредственное формирование
рисунка острофокусированным ионным пучком.
Сдерживающими факторами их быстрого
промышленного освоения являются, с одной
стороны, большие технические трудности
изготовления шаблонов и уход размеров при
воздействии на тонкие мембраны пучка ионов, а,
с другой стороны, большие трудности
создания надежных и прецизионных систем
фокусировки пучка с возможностью регулирования
его энергии, совмещения и управления им.
Методы, основанные на применении
рентгеновского излучения, обладают большой
точностью и находят широкое применение в
современной микроэлектронике. Благодаря
переносу изображений рентгеновским
излучением в сочетании с электронно-лучевой
литографией для изготовления специальных
рентгеношаблонов обеспечивается массовое
дешевое производство сложных БИС с
размерами элементов 0,3 - 0,5 мкм. Перед другими
методами формирования рисунков топологии
СБИС ретгенолитография имеет ряд
преимуществ:
высокую точность воспроизведения
рисунка даже при относительно толстых слоях
резиста (отношение ширины линии к толщине
резиста может достигать 1/5 и более);
практическое отсутствие дифракционного
рассеяния, что позволяет при
мультиплицировании экспонировать резист при зазоре между
шаблоном и пластиной до 20 мкм (при
использовании обычных источников света
ультрафиолетового диапазона достижение
субмикронного разрешения при таком зазоре
невозможно);
незначительное ухудшение разрешения
из-за малого рассеяния вторичных электронов
@,01 мкм) в резисте при правильно
выбранной энергии рентгеновских лучей;
отсутствие "эффекта близости",
ограничивающего применение низковольтной
электронно-лучевой литографии на периодических
структурах с периодом менее 1,0 мкм;
снижение чувствительности к
органическим мелким загрязнениям на поверхности,
составляющим болыпук* часть технологической
пыли; даже увеличение дозы экспонирования
в 2 раза не приводит к существенным
изменениям в размерах формируемого рисунка.
Производительность рентгенолитографи-
ческих установок может достигать десятков
пластин диаметром до 200 мм в час при
использовании точечных источников
рентгеновского излучения с плазменным возбуждением
и сотен таких пластин в час - при работе на
синхротронных источниках. По стоимости
экспонирования одного слоя рентгенолито-
графия сопоставима с фотолитографией в ГУФ
(глубокий ультрафиолет) области спектра. Эта
стоимость для пластин диаметром 200 мм на
один слой условно оценивается так:
фотолитография - 1; электронно-лучевая
литография - 15; рентгенолитография с плазменным
источником - 0,5; с компактным
накопительным кольцом - 0,3. Однако использование
рентгенолитографии требует разработки и
совершенствования мощных источников
излучения, высокоточных и производительных
установок совмещения, технологии изготовления
рентгеношаблонов, удовлетворяющих довольно
жестким технологическим и конструктивным
требованиям и создания чувствительных и
плазмостойких ренттенорезистов.
Схема установки рентгеновского
экспонирования представлена на рис. 2.5.1. Рентге-
Рис. 2.5.1. Схема установки рентгеновского
экспонирования:
1 - электронная пушка FкВ, 0,7 А); 2 - магнитная
фокусирующая система; 3 - электронный луч;
4 - водоохлаждаемый анод; 5 - юстировочное
устройство; 6 - неподвижный анод-излучатель;
7 - камера источника; 8 - рентгеновский луч;
9 - затвор; 10 - выходное окно; 11 - рентгеношаблон;
12 - камера экспонирования (рне = 60 ... 150 Па);
13 - подложка; 14 - спутник; 15 - натекатель;
16 - система термостатирования; 17 - шлюзовой
затвор; 18 - шлюзовая камера; /- термостатированная
жидкость; //- охлаждение анода

РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
139
новское излучение, генерируемое пучком
электронов на металлической мишени или
плазменным импульсным разрядом, проходит
сквозь окно вакуумной камеры и
рентгеновский шаблон, на котором из материала,
хорошо поглощающего мягкое рентгеновское
излучение данной длины волны, сформирована
топология микросхемы, и поглощается
чувствительным к излучению слоем резиста,
нанесенного на рабочую поверхность
полупроводниковой пластины. В результате формируется
резистивная маска (негативная или позитивная
в зависимости от типа рентгенорезиста), через
которую происходит травление, наращивание
или легирование функциональных структур
микросхемы. Окно вакуумной камеры
источника излучения изготовляется из относительно
прозрачного для рентгеновского излучения
материала, (предпочтительнб бериллия).
Камера экспонирования с рентгеношаблоном и
пластиной размещается на рабочем столе
системы ориентации и совмещения, заполняется
гелием, термостатируется и виброизолируется.
Для оценки возможности рентгенолито-
графического оборудования прежде всего
необходимо учитывать диаметр d активной зоны
излучения (в рентгеновских системах с
электронно-лучевым возбуждением это
минимальный диаметр фокального пятна электронного
пучка, а с микроплазменным возбуждением -
средний диаметр плазменных образований в
зоне разряда); расстояние L от зоны
излучения до ренттеношаблона; ширину зазора S
между рентгеношаблоном и
полупроводниковой пластиной. Эти характеристики выбирают
таким образом, чтобы при оптимальной
длительности экспонирования обеспечивались
минимальные по сравнению с шириной линии
воспроизводимого рисунка размытость изо-
* Sd
бражения о = -у- и смещение элементов ри-
J-j
сунка в пределах выбранного диаметра D поля
SD
экспонирования 8 =
1L
Степень влияния
этих исходных параметров и их
взаимозависимость поясняются номограммами на рис. 2.5.2.
Очевидно, что для достижения разрешения на
уровне 0,2 - 0,3 мкм размер точечного
источника излучения должен быть менее 1 мм, а
зазор между рабочими поверхностями рентге-
ношаблона и пластины не должен превышать
10 - 15 мкм. Источник излучения следует
устанавливать на расстоянии не менее 100 мм с
учетом оптимального поля экспонирования
20 х 20 мм и достижимого уровня рассовме-
шения ренттеношаблона и пластины по высоте
AS = 1,0 мкм.
При рассмотрении параметров рентгено-
оптической системы необходимо учитывать,
что излучение последовательно поглощается
материалом окна вакуумной камеры,
шаблоном и резистом. Доза энергии Д поглощенная
единицей объема резиста за время ty равна
= / A[l- ехр(- npXp)Jexp(-
*р
где Jm = ^о&хр[~(РъХъ "^" Ц-м-^м)] " плоТ"
ность потока рентгеновского излучения,
прошедшего через окно вакуумной камеры и
маску (шаблон); Jp - плотность потока
рентгеновского излучения, прошедшего через резист;
Мм» Мв> Цр " коэффициенты поглощения
рентгеновского излучения материалами
соответственно маски, окна вакуумной камеры и
рентгенорезиста; Хр, ХЪ9 Хм - толщина
соответственно резиста, окна вакуумной камеры и
маски; ^о - исходная удельная мощность
рентгеновского излучения, Вт/см2. Необходимая для
экспонирования резиста плотность энергии
излучения на заданной длине волны
("чувствительность") является его характеристикой,
поэтому приведенное выражение используют для
определения длительности экспонирования в
конкретной рентгенооптической системе:
ЕХп
/0[1-ехр(-ЦрХр)]
Главное условие экономической
перспективности и целесообразности рентгеноли-
тографии - массовость производства
интегральных схем с минимальными размерами
структур 0,1 - 0,5 мкм. Для этого должны быть
решены три основные задачи: создание
мощных источников рентгеновского излучения в
указанном диапазоне для обеспечения
достаточно малого времени экспонирования;
создание систем высокоточного совмещения масок-
рентгеношаблонов с ранее сформированной
топологией технологического слоя
полупроводниковой подложки; создание рентгенорези-
стивных материалов, обладающих
оптимальной разрешающей способностью (позитивных
и негативных) при достаточно низкой
экспозиционной дозе (высокой чувствительности) и
хорошей стойкостью при сухой обработке в
плазме. Высокая производительность процесса
(а значит, достаточная мощность и качество
источника излучения и чувствительность
рентгенорезиста) является одним из факторов
обеспечения разрешения на субмикронном
уровне. Это связано с тем, что устройства
совмещения для достижения погрешности
±0,02 мкм работают в динамическом режиме,

>&^!1—.
Рис. 2.5.2. Номограммы для расчета смещения е (д, в) и размытости 5 (?, г) изображения при экспонировании от точечного источника рентгеновских лучей

РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
141
что приводит к искажению рисунка при
длительности удержания рентгеношаблона и
пластины в совмещенном состоянии более единиц
секунд.
Мощность источника излучения,
естественно, является определяющим параметром
рентгено-оптической системы при оценке
возможной производительности процесса. Но
при этом следует учитывать потери излучения на
пути от источника до пластины и, главное, -
характеристики поглощения резистом
излучения данной длины волны. Кроме этого, при
высокой плотности энергии (достигаемой при
синхротронном излучении) возникают
тепловые эффекты в мембранах ренттеношаблонов и
на рентгенорезисте. Для сохранения заданных
норм разрешения требуется дополнительная
термостабилизация. Оптимальным считается
достижение на поверхности резиста удельной
мощности 1-5 мВт/см2, что обеспечивает
вполне приемлемую производительность при
длительности экспонирования промышленно
выпускаемых рентгенорезистивных
композиций порядка единиц секунд.
Первые ренттенолитографические
системы с точечными источниками излучения были
созданы в начале 80-х годов для
экспонирования одновременно всего рабочего поля
пластины (табл. 2.5.1). Установки такого типа
имели достаточно высокую
производительность, однако они не позволяли реализовать
высокой точности совмещения рисунков
пластины и шаблона по всему полю при
многослойном экспонировании. Для изготовления
кремниевых ИС высокой степени интеграции
необходимо, как правило, более 10 операций
литографии, требующих высокоточного
совмещения с погрешностью менее ±0,1 мкм.
Кроме этого, при одновременном
экспонировании полей диаметром более 20 мм теневые
эффекты настолько увеличивают критичность
параметров рентгено-оптической системы, что
становится невозможным получение элементов
менее 0,5 мкм. Установки с экспонированием
всего поля пластины применяют для
производства запоминающих устройств (ЗУ) на
центральных магнитных доменах (ЦМД),
приборов на поверхностных акустических волнах
(ПАВ) и др.
Отечественный и зарубежный опыт
разработки технологии и оборудования рентгено-
литографии показал, что для достижения
высоких требований совмещаемости рисунков
шаблона и пластины в оборудовании рентге-
нолитографии должны использоваться
принципы мультиплицирования, т.е. пошагового
экспонирования. Размеры мультзшлицируемого
модуля не должны превышать 20 х 20 мм. При
больших размерах модулей в настоящее время
технически и технологически трудно
обеспечить необходимую стабильность размеров
элементов рентгеношаблона и рисунка пластины
2.5.1. Достигаемые параметры точечных
источников рентгеновского излучения
Параметр
Минимальная ширина
линий, мкм
Погрешность
совмещения, мкм
Длина волны излучения,
нм
Поле экспонирования,
мм
Удельная мощность,
мкВт/см2
Производительность,
пластин/ч
Значения
0,2-0,8
0,02-0,15
0,43-2,0
10x10 ... 0152
100 - 300
2-60
Примечания: 1. У негативных
ренгенорезистов экспозиционная доза
5 МДж/см2, у позитивных - 20 МДж/см2.
2. Оборудование выпускается серийно.
и, что особенно существенно, необходимую
стабильность зазора между рентгеношаблоном
и пластиной.
При мультиплицировании резко
уменьшается производительность рентгенолитогра-
фического оборудования. Поэтому наличие
высокояркого источника мягкого
рентгеновского излучения (МРИ) в конечном счете
определяет требуемые характеристики рентгено-
литографических установок. Созданы и
успешно эксплуатируются различные типы
источников МРИ, включая электронно-лучевые с
вращающимся и неподвижным анодом,
плазменные с электроразрядным и лазерным
возбуждением, а также источники синхротрон-
ного излучения (СИ) на базе крупных
синхротронов и компактных накопительных колец,
оснащенных сверхпроводящими магнитными
системами.
Источники МРИ с электронно-лучевым
возбуждением наиболее просты по
конструкции и в эксплуатации и хорошо освоены. Их
недостатком является сравнительно низкая
эффективность генерации излучения, что
приводит к необходимости повышения
электрической мощности до 20 кВт и более. В
большинстве случаев используются алюминиевые,
медные и кремниевые мишени (аноды).
Применяли излучение с мишеней из палладия,
молибдена, вольфрама, рения и углерода.
Мощность рентгеновской трубки с
электронно-лучевым возбуждением ограничена
количеством теплоты, выделяемой на аноде
при воздействии электронного пучка. Для
неподвижного анода предельно допустимая
рассеиваемая мощность

142 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
гтах
¦4,25(ГМ- ТО)Х/Г,
где Тм - температура плавления материала
анода, К; То - температура охлаждающей
среды на выходе из анода, К; X -
теплопроводность материала анода, Вт / (м-К); г - радиус
фокусного пятна, м. С увеличением
теплопроводности и температуры плавления материала
анода мощность источника растет. Аноды из
палладия, молибдена, ниобия, вольфрама,
позволяют рассеивать мощность до 8 кВт. Но
при этом за счет более коротковолнового
характеристического излучения эффективность
таких источников снижается (меньше
поглощение в рентгенорезисте). При радиусе
фокального пятна более 2-3 мм повышается
мощность, но резко ухудшается разрешение
из-за теневых эффектов. Кроме этого, как
правило, теплопроводность материалов (за
исключением алюминия и ниобия) при
увеличении температуры падает, что также
ограничивает предельную рассеиваемую мощность.
Для достижения наибольшей рассеиваемой
мощности используют интенсивный отвод
теплоты с обратной стороны анодов-мишеней
с помощью объемных структур с развитой
поверхностью охлаждения. Для этой (дели
применяют материалы с открытой
пористостью, например, на основе пенометаллов, ме-
талловойлока и др. В оптимальных условиях
при охлаждении водой удается отводить
тепловые потоки при удельной мощности до
8 кВт/см2. Упорядоченные структуры с
развитой поверхностью теплоотвода могут
создаваться на обратной стороне анода путем
нарезания макроканавок, например, с помощью
электроэрозионной обработки.
Источники МРИ с интенсивно
охлаждаемыми вращающимися анодами и
электронно-лучевым возбуждением обладают более
высокой мощностью. Предельно рассеиваемая
тепловая мощность для них
^тах = 4,04(Гм - T0)r2ylrxXycv,
где Г\ — 0,05 см, Г} = 0,5 см - предельно
допустимые размеры фокальных пятен; у -
плотность материала анода, кг/м3; с - удельная
теплоемкость материала анода, Дж/(кгК); v -
линейная скорость перемещения поверхности
анода относительно фокального пятна, м/с.
В приведенной зависимости величина v
является единственной переменной и
определяется частотой вращения анода и его
диаметром. Увеличение частоты вращения анода
ограничено способностью материала анода
отдавать теплоту, полученную при бомбардировке
его локального участка пучком электронов за
время одного оборота. Экспериментально
установлена оптимальная скорость v = 20 м/с
при диаметре анода 100 - 300 мм. При этой
скорости наибольшую мощность позволяют
получать рентгеновские источники с анодами
из Mo, Nb, Re (благодаря высоким значениям
Тм и у) и Си (благодаря высоким значениям X
и у). Однако применение анодов из
тугоплавких металлов ограничивается эффектами
вторичного излучения, т.е. появлением в резисте
при поглощении МРИ фотоэлектронов, Оже-
электронов и флуоресцентного рентгеновского
излучения. В комплексе все это приводит к
размытию экспонированного рисунка и
заметному ухудшению разрешения. Длина
свободного пробега инжектируемых рентгеновским
излучением электронов с уменьшением длины
волны растет в несколько раз.
При выборе источника МРИ для
субмикронной рентгенолитографии следует
учитывать контрастность рентгеношаблонов, т.е.
отношение потока рентгеновского излучения,
прошедшего через мембрану, к потоку,
прошедшему сквозь поглощающий материал
рисунка. В качестве поглотителя применяют Аи,
Щ Та, Re, Pt.
В целом источники МРИ с
электроннолучевым возбуждением достаточно просты и в
изготовлении, и в эксплуатации, но обладают
незначительными яркостью и удельной
мощностью (не более 1 мВт/см2), что не позволяет
применять высокоразрешающие, но мало
чувствительные позитивные резисты при
длительности экспонирования порядка единиц
секунд. Кроме того, оптимальный размер
излучающей области у них, как правило, не менее
2-3 мм, и поэтому они не обеспечивают
разрешение лучше 0,5 - 0,8 мкм. Тем не менее на
базе этих источников созданы установки
рентгенолитографии, сыгравшие важную роль
в становлении и промышленном освоении
технологического процесса субмикронной
литографии.
В технологии рентгенолитографии
практическое применение нашли два вида
источников - синхротронного излучения (СИ) и
точечные источники характеристического и
тормозного излучения с электронно-лучевым
или плазменным возбуждением. Эти
источники обладают требуемой яркостью и
обеспечивают достижение удельной мощности
излучения на поверхности резиста 5 мВт/см2. Они
относительно компактны, просты по
конструкции, могут работать как в
моноимпульсном, так и в частотном режимах.
Источники рентгеновского излучения из
высокотемпературной плазмы отличаются друг
от друга в основном только способом накачки
энергии в плазму. В простейшем случае
рентгеновское излучение получают при
взаимодействии остросфокусированного (диаметр около
50 мкм) электронного луча E кА, 90 кэВ,
120 не) с плотной плазмой, возникающей при

РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
143
разряде в капиллярах. Такой источник в случае
использования углеродной плазмы имеет
большое число интенсивных
характеристических линий в диапазоне 1- 10 нм.
Для генерации плазмы, испускающей
характеристическое рентгеновское излучение,
используют мощный импульсный лазер.
Теоретически в таком источнике до 10 % энергии
лазерного излучения может преобразовываться
в энергию рентгенофотонов в диапазоне 1 -
3 кэВ без генерации интенсивного жесткого
рентгеновского излучения.
Плазменные источники рентгеновского
излучения представляют интерес для ренттено-
литографии при работе в многоимпульсном
режиме, при котором снижаются требования к
стабильности импульсного процесса, а также
уменьшается вероятность нагрева рентгено-
шаблона и подложки.
В середине 80-х годов выполнено много
исследований и разработок в области создания
плазменных источников МРИ для ренттеноли-
тографии с лазерной накачкой. Для этой цели
использованы: лазеры на стекле с неодимом с
энергией 35-50 Дж на импульс; эксимерные
лазеры на KrF с энергией до 200 Дж на
импульс при длительности импульса 50 не;
лазеры на алюмо-иттриевом гранате (АИГ) с
энергией 700 МДж на импульс при частоте
100 Гц и др. В качестве материала для
мишеней применяли Al, Cu, Mg, Ti, Si, Fe, Ni, Mo,
Hg, Та, Аи, С. Удельная мощность излучения
поверхности мишени достигала 1014 Вт/см2, а
интенсивность МРИ - 500 мВт/ер. Для
повышения эффективности преобразования
энергии лазерно-плазменного источника МРИ
мишень облучали двумя лазерами с различной
длиной волны: использовали мишень из Си и
Cd, а лазеры - с длиной волны 0,53 мкм и
1,08 мкм. Первый лазер был основным,
второй - вспомогательным, его луч направлялся
синхронно с лучом первого лазера в
фокальную зону под разными углами к плоскости
мишени. В результате эффективность
преобразования рентгеновского излучения с энергией
1,5 - 5,0 кэВ увеличивалась почти в 2 раза по
сравнению с моноимпульсным режимом.
Однако лазерно-плазменные источники
МРИ для рентгенолитографии применения не
нашли. Они сложны и громоздки и, главное,
весьма нестабильны как по выходу излучения,
так и по флуктуации активной зоны излучения
в пространстве плазменного факела. Эти
недостатки объясняются неоднозначностью
энергетического баланса импульсного режима
лазера.
Значительно более перспективны
электроразрядные плазменные источники МРИ.
Они основаны на сильноточном
высоковольтном электрическом разряде в вакууме, газе,
твердом теле (электровзрыв металлических
проводников) или на поверхности
диэлектрика. Эти источники характеризуются малыми
размерами излучающей области (около
0,1 мм), что обеспечивает небольшие
искажения и полутеневое размытие изображения.
Удельная мощность их излучения в плоскости
резиста достигает 15 мВт/см2. Высокая яркость
плазменных электроразрядных источников,
как правило, определяется большими
значениями мощности излучения в импульсе (около
ДО9 Вт), достигаемыми в результате
интенсификации и оптимизации зарядно-разрядных
контуров. Благодаря этому снижается
длительность экспонирования слабочувствительных,
но высокоразрешающих и стойких при
последующих обработках в низкотемпературной
плазме рентгенорезистах до единиц и долей
секунды. Это позволяет создавать компактные
системы рентгенолитографии с разрешением
0,2 - 0,3 мкм при производительности 50 -
60 пластин диаметром до 200 мм в час.
По простоте конструкции,
экономичности и эффективности преобразования
электрической энергии в рентгеновское излучение
лучшими являются плазменные источники на
основе малоиндуктивного электроразряда в
вакууме (вакуумная искра) или в струе газа,
пропускаемого между электродами или в
капилляре (Z-пинч с импульсным напуском
газа). Излучателем МРИ в этих источниках
являются локальные плазменные образования
размером 10 - 10-2 мм с высокой
концентрацией A021 см) и температурой (ОД - 1,0 кэВ)
электронов.
Массовое прризводство ИС и
разрешение на уровне менее 0,5 мкм достигаются с
помощью источников синхротронного
излучения (СИ). Экспонирование резиста
осуществляется излучением релятивистских электронов,
циркулирующих по замкнутой орбите в
ускорителе-синхротроне или электронном
накопительном кольце. СИ хорошо коллимировано,
имеет удельную мощность более 400 мВт/см2 и
обладает оптимальным для экспонирования
спектром @,7 - 1,3 нм). Но большая удельная
мощность излучения позволяет работать и при
длине волны 2-5 нм, что значительно
увеличивает контрастность кремниевых рентгено-
шаблонов.
Диапазон, в котором СИ наиболее
интенсивно, определяется так называемой
критической длиной волны Хо которая связана с
энергией электронов в ускорителе Е и
напряженностью магнитного поля отклоняющих
магнитов. Для спектров исследовательского
синхротрона С-60 Хс = 5,81 нм при Е =
= 577 Мэ&;Хс = 12,25 нм при Е = 450 МэВ и
Хс = 26,04 нм при Е = 350 МэВ. Угловое
распределение СИ зависит от длины волны
излучения. Поскольку в рентгенолитографии
используется область длин волн мягкого
рентгеновского излучения (в которой обычно распо-

144 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСЬСИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
лагается А,с), то в этом диапазоне с
достаточной степенью точности можно считать, что из
данной точки орбиты излучение
распространяется в конусе, ось которого совпадает с
направлением мгновенной скорости электрона, и
угол раскрытия конуса в миллирадианах
составляет величину, численно равную ir1 (Е - в
ГэВ).
Преимуществами источников СИ в
рентгеновской литографии перед обычными
источниками рентгеновского излучения,
помимо высокой интенсивности, являются
возможность выделения любой длины волны,
хорошая естественная коллимация и точно
рассчитываемые характеристики. При
сравнении яркости СИ от накопительного кольца
ВЭПП-2М и острофокусной рентгеновской
трубки с вращающимся анодом мощностью
30 кВт установлено, что яркость у СИ на 3 -
4 порядка выше, чем у рентгеновской трубки
(табл. 2.5.2). Если рентгеновская трубка
обеспечивает достигаемую яркость в очень узком
диапазоне, то СИ имеет данные значения
яркости на всех длинах волн, пригодных для
рентгеновской литографии. Под яркостью
источника L\ в данном участке спектра
понимается число фотонов, излучаемых в единицу
времени с единицы площади источника в
единицу телесного угла.
Ширина спектра СИ обеспечивает ряд
преимуществ с точки зрения уменьшения
френелевской дифракции, что имеет
наибольшее значение при уменьшении размеров
структурных элементов топологии СБИС до
0,1 мкм и менее. Все другие типы источников
МРИ дают спектры с дискретными линиями,
определяемыми материалом мишени и газом
разрядного объема. Можно использовать
только небольшое число характеристических
линий, поскольку большинство приемлемых
материалов не обеспечивает получение
достаточно высокой удельной мощности потока
излучения.
Поскольку для СБИС уровня одного и
более гигабит размеры одного кристалла,
(чипа) могут достигать 20 х 20 мм и более, то
получить разрешение 0,1 мкм на такой
площади даже плазменными источниками
затруднительно. Синхротрон позволяет с помощью
специальных андуляторных систем довести
площадь одновременного экспонирования до
50 х 50 мм и более. Ондуляция, т.е.
возбуждение вертикального волнообразного движения
электронов на орбите, например бетатронных
колебаний, является достаточно эффективным
и экономичным способом.
В настоящее время во многих странах
большое количество синхротронов и
накопительных колец могут использоваться в качестве
источников СИ. Все они разработаны для
решения проблем физики высоких энергий и,
несмотря на свои высокие качества, не
являются оптимальными генераторами МРИ для
рентгенолитографии. Источником СИ, более
пригодным для обеспечения разрешения
0,05 мкм, является электронное накопительное
кольцо. По сравнению с синхротроном оно
имеет ряд преимуществ: большую среднюю
силу тока; меньшие поперечные размеры и
угловой разброс пучка электронов вследствие
радиационного затухания; большую
стабильность орбиты; постоянство энергии и
интенсивности пучка, существенно упрощающие
экспонирование; большое время жизни пучка
A - 100 ч), что удобно для экспонирования;
низкий уровень радиационного фона вокруг
установки, позволяющий работать на малом
расстоянии от накопителя с коротким каналом
СИ.
Свойства СИ электронного
накопительного кольца зависят от трех параметров:
напряженности поля отклоняющих магнитов Д
энергии электронов Е и силы тока пучка
электронов /. Величина Н, в значительной степени
определяющая конструктивные особенности
накопителя и его питающих устройств, с
учетом возможности обеспечения нужного поля
обычными магнитами, экономической
выгодности установки, простоты и надежности ее
систем может быть выбрана равной 12 кЭ.
Величина Е является определяющей для
спектра СИ. Чтобы обеспечить разрешение лучше,
0,05 мкм, диапазон эффективного пробега
вторичных электронов, возбуждаемьж в резисте
экспонирующим излучением, не должен
превышать указанной величины. Следовательно,
излучение с длиной волны менее 0,8 нм
должно незначительно участвовать в экспозиции
резиста. Для накопительных колец с Я =
2.5.2. Характеристики рентгеновской трубки с вращающимся анодом и накопительного кольца
Источник
Накопительное
кольцо ВЭПП-2М
Рентгеновская трубка
(Р = 30 кВт) из Сих,
Длина волны, нм
1- 100
0,133
Размеры
источника, мм
0,5 х 0,5
3x3
Расходимость
излучения, ср
2тс
Lx, фотон /
(ссм2ср)
(Ю23 - 1024)
41020

РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
145
2.5.3. Характеристики электронных накопительных колец
Энергия
электронов, ГэВ
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Радиус
кольца, м
1,39
1,67
1,95
2,23
2,51
2,78
Длина
волны, им
6,20
4,30
3,16
2,42
1,91
1,56
Доля (%) излучения с длиной волны более 0,8 нм,
поглощенного в 1 мкм ПММА при наличии фильтров
Si A мкм)*
97,5
96,5
95,6
93,5
88,8
87,7 '
Be E мкм)*
Si<lMKM)*
89,6
88,6
86,8
84,4
76,8
72,2
Be A5 мкм)*
Si A мкм)*
75
71,5
71
6S
58
54
* Толщина шаблона.
= 960 кА/м и Е = @,5 ... 1) ГэВ спектры
поглощения СИ в резисте ПММА (полиметил-
метакрилат) при различных фильтрах в пучке
излучения приведены в табл. 2.5.3, там же
даны характеристики рассмотренных
накопителей и показана доля излучения с длиной
волны более 0,8 нм, поглощаемого ПММА
при экспонировании через кремниевый
шаблон толщиной 1 мкм в вакууме и через берил-
лиевое окно толщиной 5 и 15 мкм и тот же
шаблон в гелии.
Анализ приведенных данных позволяет
считать в качестве оптимального для
рентгеновской литографии значение Е = 0,8 ГэВ с
учетом того, что при одинаковых значениях
силы тока пучка электронов интенсивность
СИ в 4 раза выше при Е = 0,8 ГэВ, чем при
Е = 0,5 ГэВ. Сила тока в накопителе /
определяет интенсивность СИ, не влияя при этом
на форму спектра. Такой оптимизированный
источник СИ хорошо удовлетворяет
спектральным требованиям рентгенолитографии.
Качество и эффективность
литографического процесса при использовании излучения
с длиной волны Хс определяется тремя
характеристиками: прозрачностью маскирующего
слоя шаблона 7^, прозрачностью подложки
шаблона Та и поглощением рентгенорезиста
Ar. В оптимальной рентгенолитографической
системе длину волны и материалы выбирают
так, чтобы фактор T^Ar и контрастность 1/7^
были максимальными. На рис. 2.5.3 видно
хорошее соответствие спектральных
требований рентгенолитографии и спектра СИ
оптимизированного накопительного кольца.
Удельная мощность потока рентгеновского
излучения при длине волны 1-10 нм,
создаваемого накопительным кольцом на
расстоянии 10 мм от источника составляет около
0,5 Вт/см2. При такой интенсивности излуче-
10*
6 8 ю
Длина Волны, нм
Рис. 2.5.3. Спектр СИ накопительного кольца при
Е~ 0,8 ГэВ, Н= 960 кА/м и /= ОД А (/).
Зависимость от длины волны фактора T$Ajt и
интенсивности /для ПММА толщиной 1 мкм и
кремниевой подложки шаблона толщиной 1 мкм B),
для ПММА толщиной 1 мкм и майларовой подложки
толщиной 1 мкм C)
ния для экспонирования ПММА через
кремниевый шаблон толщиной 1 мкм требуется
менее 10 с. Однако для более сложных
условий экспонирования (в атмосфере гелия, при
наличии вакуумных окон, фильтров и т.д.)
желателен запас мощности, который можно
обеспечить при силе тока пучка электронов
1 А.
Разработкой оборудования для ренттено-
литографии с применением СИ заняты многие
страны: Япония, США, Германия и др. Одна
из первых рентгенографических установок на
базе компактного кольцевого ускорителя
накопительного типа COSY (Compact
Synchrotron) создана в Берлине и имеет приведенные
ниже характеристики.

146 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСБСИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Характеристики накопительного кольца
Критическая длина волны, нм 1,2
Максимальная энергия электронов,
МэВ 630
Радиус кривизны, см 44
Время накопления, ч 10
Время повторного заполнения,
мин 15
Удельная мощность излучения (на
расстоянии 5 м), мВт/см2 250
Геометрические размеры, м:
длина 4
ширина 2
Занимаемая площадь (включая
инжектор и экран, но исключая
выносные источники питания), м2 ... 30
Характеристики установки пошагового
экспонирования для COSY
Диаметр пластин, мм 200
Площадь рабочего поля, мм2
минимальная 20x20
максимальная 90x90
Погрешность совмещения, мкм 0,05
Зазор, мкм 20-100
Занимаемая площадь (без блока
управления), м2 1,5
Время совмещения, с 1
Время смены рабочего поля, с 1
Непроизводительные затраты
времени (включая смену пластины), с 10
Время экспонирования (при
экспозиции резиста 100 мДж/см2) 2 с на

площади

рабочего
поля
30x30
мм
В Японии на основе аналогичных
систем, но отличающихся более прецизионными
устройствами совмещения и базирования
(погрешность совмещения 0,01 - 0,02 мкм), с
начала 90-х годов приступили к выпуску
СБИС с информационной емкостью 64 Мбит
и разработке технологии изготовления схем до
10 Гбит.
Таким образом, из различных
источников МРИ, пригодных для рентгенографии
(табл. 2.5.4), несмотря на дороговизну и
техническую сложность изготовления и
эксплуатации, наиболее перспективно синхротронное
излучение.
Разрешающая способность
литографического процесса определяется модуляцией М
введенной в резист энергии в зависимости от
ширины линии периодического рисунка с
равными линиями и промежутками.
Л/Г _
Тип источника
Микропинче-
вые и
газоплазменные
источники

Лазер-плазменный
источник
Синхротрон-
ное излучение

Электроннолучевой с
вращающимся
анодом

Электроннолучевой со
стационарным
анодом
2.5

Эффективность
преобразования
энергии в
МРИ, %
1 - 10
0,01
_
0,001
>.4. Характеристики источников МРИ
Давление
остаточных
газов в
камере
источника,
Па
ю-3
100
10-7
10

Спектральный
диапазон
излучения, нм
1 - 10
1- 10
0,5 - 200
А1К 0,834
SiK 0,713
CuL 1,334
WM 0,7
PdL 0,436
MoL 0,540
WM 0,7
CuL 1,334
CK 4,47

Длительность
импульса
излучения,
с
10"9 - lO
ю-8
10

Непрерывный
Огноситель
ная
эффективность
облучения
для резиста
ПММА
3-4
3-4
10
1,0
0,8
1,4
0,8
0,16
0,4
0,8
1,38
4
Выход
излучения,
мкВт
Втер
5105
105
400
мВт/см2
(уд.
мощность)
55
60
19
-
68
53
-
19
40

РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
147
Рис. 2.5.4. Зависимость модуляции энергии, введенной
в резист, от ширины линии для различных видов
литографии:
1 - литография с применением синхротронного
излучения; 2 - оптическая литография с пошаговым
совмещением и экспонированием;
3 - рентгенолитография с расходящимся источником
излучения; 4 - электронолитография
гДе Дпах - максимальная энергия в
экспонированных зонах; jE^ - минимальная энергия
в неэкспонированных зонах.
На рис. 2.5.4 показаны зависимости М
от ширины линии для различных
литографических процессов. Литография с применением
СИ позволяет достичь наиболее высокого
разрешения благодаря малой расходимости пучка,
непрерывности спектра и относительно
небольшого свободного пробега фотоэлектронов.
На практике для удовлетворительного
экспонирования резиста модуляция должна
быть 50 - 60 %. Отсюда очевидно решающее
влияние на изготовление топологических
рисунков с проектными нормами менее 0,2 -
0,1 мкм степени точности систем совмещения.
Требования к точности систем
позиционирования и совмещения чрезвычайно высокие,
так как число послойных топологий с такими
размерами элементов в современных ИС
больше десяти.
Существуют несколько способов,
позволяющих получить общее рассовмещение
рисунков не более 0,05 - 0,1 мкм при
погрешности совмещения маркерных знаков на рентге-
ношаблоне ±@,01 ... 0,02) мкм. Один из
лучших способов основан на применении меток в
виде кольцевых или прямолинейных зонных
пластинок Френеля на рентгеношаблонах и
линейных дифракционных решеток на
полупроводниковой пластине. Метки на пластине
вытравливаются, как правило, на линии
скрайбирования, но при сложных знаках они
могут располагаться на специальных
площадях. Зонные пластинки имеют фокусное
расстояние, равное зазору между шаблоном и
поверхностью резиста. При облучении лазером
зонные пластины фокусируют его в линию на
поверхности пластины. Световой поток,
отраженный дифракционной решеткой,
дифрагирует и достигает пикового значения при
полном совмещении. Благодаря равенству зазора
и фокусного расстояния сигнал совмещения
используют для установки пластины по
вертикали с погрешностью ±@,3 ... 0,5) мкм.
Поскольку метки совмещения имеют
одномерную структуру, для совмещения в
плоскости по координатам X, Y, 0 требуются три
комплекта меток. Конфигурация трех меток
является автоцентрированной и не
подвергается действию линейных относительных
искажений между шаблоном и пластиной. Она всегда
обеспечивает единственное положение
совмещения с погрешностью ±@,02 ... 0,05) мкм в
процессе всего цикла экспонирования.
Каждый комплект меток имеет отдельный
оптический канал и собственный лазер. В
оптическом канале могут детектироваться два
отраженных сигнала, что позволяет использовать
два различных периода решетки на пластине
или две различных длины волны для большей
гибкости совмещения.
Структура линейных френелевских
зонных пластин очень проста. Каждая пластина
содержит параллельные прямоугольные
полоски (рис. 2.5.5) различной ширины,
расположенные с различными промежутками. У
зонной пластины, например с 21 полосой и
фокусным расстоянием 20 мкм, при
использовании гелий-неонового лазера наименьшая
ширина линии 0,56 мкм. Полная ширина такой
метки 42 мкм. Типичная длина 500 мкм.
Рисунок зонной пластины создается в слое
поглотителя рентгеношаблона путем чередования
прозрачных и непрозрачных полосок. Для
обеспечения максимальной эффективности в
фокусе первого порядка центральная область
линейной зонной пластины выполняется
прозрачной.
Типичная ширина метки на пластине
1,5 мкм, а ее длина равна длине метки на
шаблоне. Метки можно вытравливать
непосредственно в кремниевой пластине, создавая
фазово-контрастную решетку, или в схемных
слоях, создавая комбинацию фазового
контраста и контраста отражения. Как и во всех
системах совмещения, основанных на лазерной
а)
Рис 2.5.5. Структура меток совмещения на
рентгеношаблоне (а) и пластине (б):
1 - слой нитрида кремния; 2 - слой титана; 3 - слой
золота; 4 - слой диоксида кремния; 5 - слой кремния

148 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
дифракции, природа и толщина слоев,
использованных для меток, оказывают сильное
влияние на интенсивность сигнала совмещения.
Достаточно широко распространен метод
определения рассовмещения рентгеношаблона
и пластины, основанный на оптикогетеродин-
ной технике. Система дифракционных
решеток - две с одинаковым периодом в метке
шаблона и одна с периодом в 1,5 раза
большим, на пластине - облучается когерентным
светом с двумя ортогонально
поляризованными компонентами с частотами/i и^.
Интенсивность световых сигналов изменяется с
частотами /jh/2 после поляризаторов.
Относительное рассовмещение измеряют по разности
фаз между сигналами биения. Разрешение
системы измерения рассовмещения составляет
0,0025 мкм, достигаемая точность совмещения
меток шаблона и пластины при зазоре между
ними 30 мкм составляет 0,01 мкм при работе в
вертикальной плоскости (при литографии в
СИ пластина и шаблон располагаются
вертикально, так как пучдк горизонтален).
Применение этого метода для горизонтальных
установок пошагового рентгеномультиплицирова-
ния обеспечивает более высокую точность
совмещения.
Еще более высокая точность совмещения
(погрешность до + 0,002 мкм) достигается на
установках, в которых используется светоопти-
ческая техника совмещения, основанная в
большей степени на средствах обработки
изображения и его распознавания, чем на интер-
ферометрической технике. Вместо
дифракционных картин обрабатывается оптическое
изображение на нейтральных уровнях.
Симметричные многоэлементные метки совмещения
на шаблоне и пластине содержат
пересекающиеся линии, которые образуют матрицу из
девяти квадратов. Механизм совмещения
представляет собой подсистему для
распознавания оптического образа в реальном
масштабе времени. Оптическая система проецирует
метки совмещения на ПЗС-камеры (ПЗС -
приборы с зарядовой связью). Выходные
сигналы управляют столиком с
пьезоэлектрическим приводом, который осуществляет
позиционирование рентгеношаблона.
Промышленное применение ренттеноли-
тографии зависит от особенностей
конструкции и эксплуатации рентгеношаблонов (РШ).
Технология их изготовления достаточно
сложна, прецизионна и совершенно отличается от
технологии изготовления шаблонов для
фотолитографии. Главный конструктивный элемент
РШ - тонкая опорная мембрана, на которой
сформирован рисунок поглотителя. Толщина
мембран зависит от требуемой прочности,
стабильности механических свойств и
прозрачности по отношению к видимому свету и
МРИ. В качестве материала подложки РШ
наиболее распространен кремний, для
мембран - нитрид кремния, нитрид бора, моно-
кристалличеокий кремний. Установлены оп-
1гимальные требования к РШ при их массовом
изготовлении: прозрачность к МРИ с длиной
волны 1,0 - 1,3 нм - не менее 50 %;
оптическая прозрачность в видимом диапазоне
(длина волны 633 нм) - не менее 50 %;
коэффициент контрастности - 10; площадь
мембраны - не более 5,0 х 5,0 см; погрешность
толщины мембраны - 50 нм; отклонение от
плоскостности ±1,0 мкм; число дефектов 0;
срок службы - не менее 10" экспонирований.
Стабильность параметров РШ при
высокой E - 10 мВт/см2) и сверхвысокой E0 -
150 мВт/см2) удельной мощности МРЙ
является решающим фактором при выборе
конструкции и технологии их изготовления.
Длительное облучение аморфных материалов типа
нитрида бора или нитрида кремния при такой
удельной мощности вызывает радиационные
повреждения, в результате чего изменяются
механические свойства материалов и не
обеспечивается долговременная стабильность
параметров РШ.
При экспонировании мембран из
нитрида бора в среде, содержащей даже следы
кислорода, на их поверхностях наблюдается рост
небольших кристаллитов. Во влажной среде
такие кристаллиты приобретают структуру
дендрита. Это явление связано разрушением
химических связей в процессе облучения.
Образующиеся "висящие" поверхностные связи
бора реагируют с окружающим кислородом и
образуют кристаллиты оксида бора. "Висящие"
связи внутри пленки образуют ловушки в
запрещенной зоне, которые оказывают влияние
на оптическую прозрачность. При длительном
экспонировании пленки нитрида бора
темнеют. Аналогичный эффект наблюдается при
воздействии на стекло излучения Черенкова.
Воздействие МРИ приводит также к
изменению внутренних напряжений в мембранах
из нитрида бора. В пленках, имеющих
собственные напряжения порядка 50 МПа после
облучения, напряжения уменьшаются до 40
МПа, что связано с освобождением водорода
из гидрогенизированной мембраны.
Неоднородное поглощение излучения вызывает
градиент напряжений по толщине и площади
мембраны, в результате чего возникает
локальная волнистость и отклонение от
плоскостности.
Более высокой стабильностью при
длительной работе обладают мембраны РШ из
карбида кремния, имеющего высокие
прочность и модуль ЮнгафОО ГПа). Мембрана из
карбида кремни:! имеет достаточно хорошую
оптическую прозрачность и по сравнению с
кремниевой мембраной допускает
использование слоя поглотителя МРИ с более высокими
внутренними напряжениями. Мембраны из
SiC можно изготовлять более тонкими, что
увеличивает контраст РШ.

РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
149
Практическое применение больше
находят мембраны РШ, выполненные в виде
сэндвичей Si3N4 - SiO2 - Si3N4 или Si3N4 -
Six0yN^ - Si3N4 общей толщиной около
1,5 мкм. Толщина слоев подбирается такой,
чтобы компенсировать различные
механические напряжения во внутреннем и внешнем
слоях. Поскольку температурный
коэффициент линейного расширения (ТКЛР) такой
структуры близок к ТКЛР кремния, это
обеспечивает размерную устойчивость и
относительную прочность мембраны при достаточно
высоком выходе годных шаблонов. Помимо
перечисленных преимуществ главное
достоинство сэндвичевых шаблонов в том, что они
достаточно прозрачны для видимого света и
для их совмещения можно использовать
обычные оптические методы.
Шаблон, изготовленный на основе
кремния с использованием термической диффузии
бора, по своим качествам (прочность, ТКЛР)
не уступает сэдвичевой мембране, более прост
и надежен в изготовлении. Однако такие
недостатки термической диффузии, как
неоднородность концентрации бора по площади
(около 10 %), зависимость от дефектов
исходной структуры подложек, неоднородность
фронта, плавный градиент концентрации бора
по глубине, приводят к ухудшению качества и
к уменьшению выхода годных шаблонов с
размерами элементов менее 1 мкм.
Увеличение выхода годных шаблонов, повышение их
качества путем улучшения однородности и
воспроизводимости по толщине и площади
рабочей поверхности шаблонов достигается
использованием ионной имплантации бора
при изготовлении РШ.
В процессе ионной имплантации
больших доз бора в результате ионно-
радиационной перестройки образуется слой,
обладающий высокой стойкостью к
травлению, хорошими однородностью и
воспроизводимостью, что позволяет путем выбора
режимов имплантации и формирующего отжига
(доза, энергия, температура, время) получать
однородную по толщине (от десятых долей
микрометра до 10 мкм) мембрану шаблона
большой площади с хорошим качеством
поверхности с обеих сторон мембраны.
Однако мембраны, изготовленные на
основе кремния с легированием бором, лишь
частично прозрачны для видимого света
(около 20 %), поэтому при изготовлении
многослойных структур использование
обычных методов оптического совмещения связано
с рядом технических трудностей. Для их
преодоления в шаблонах необходимо создавать
маркерные знаки в виде отверстий заданной
формы. Такие отверстия, легко изготовляются в
мембране кремниевого рентгеношаблона в
процессе травления, если в этих участках не
проводилось легирование бором. Кроме этого,
для улучшения прозрачности применяют
"просветляющие" (антиотражательные)
покрытия из SiN^Oy толщиной до 100 нм. При этом
прозрачность для видимого света
увеличивается до 50 %, чего вполне достаточно для
процесса совмещения рисунка маркерных меток.
В качестве поглотителя МРИ наиболее
широко применяют Аи. Кроме того
используют Та, Hf, W, Re и другие тяжелые металлы.
При использовании мощных рентгеновских
источников важно, чтобы ТКЛР поглотителя
МРИ был согласован с ТКЛР мембраны. С
этой точки зрения W, ТКЛР которого равен
4,510/К, более предпочтителен при
использовании кремниевых мембран, чем Аи, ТКЛР
которого равен 14,210~б/К. Характеристики
поглощения МРИ у W и Аи практически
одинаковы. Кроме того, W в силу своей высокой
тугоплавкости не изменяет свою структуру и
внутренние напряжения в процессе
экспонирования. Рисунок в W формируется с
помощью реактивного ионного травления.
Основная проблема, связанная с использованием W,
заключается в том, что при химическом
осаждении из газовой фазы или распылении в
пленках возникают высокие напряжения @,1 -
1 МПа), что может быть причиной искажения
РШ. Одним из приемов для уменьшения
напряжений является имплантация кремния в
пленку W. При этом концентрация Si около
1016 атом/см3 уменьшает растягивающие
напряжения практически до нуля.
Технология изготовления РШ достаточно
сложна, многооперационна, прецизионна и
зависит от большого числа факторов.
Наиболее часто используют субтрактивный и
аддитивный процессы изготовления РШ. В обоих
случаях для изготовления мембраны на
кремниевую подложку наносится слой нитрида
бора толщиной 3,5 - 4,5 мкм методом
химического осаждения из газовой фазы (смесь
аммиака и диборана) при пониженном давлении.
Эта смесь содержит 20 % В, 5 % N2, 75 % Н2
и имеет плотность 1,6 г/см3, которая меньше,
чем у монолитного BN B,2 г/см3). Затем BN
стравливается с одной стороны, подложка
крепится к опорному кольцу из пирекса и BN
покрывается слоем полиимида.
При аддитивном методе (рис. 2.5.6) на
полиимид наносят Та толщиной 15 нм, Аи
B0 нм) и затем Та C5 нм), используемые в
качестве подслоя при гальваническом
осаждении Аи толщиной до 2,5 мкм. Для
формирования топологии поглотителя МРИ
используют трехслойную резистивную маску,
включающую верхний слой электронорезиста,
травящегося в плазме CF4, промежуточный слой
Та G5 нм), в который изображение верхнего
слоя переносится реактивно-ионным
травлением, и основной резистивный слой толщиной
1,2 - 1,5 мкм, рисунок в котором образуется
ионным травлением в кислороде. Толщина

150 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
а)
6)
э) 41
Рис. 2.5.6. Последовательность изготовления
рентгеношаблона аддитивным методом:
а - заготовка; б - структура после формирования
меток совмещения, окна и нанесения трехслойного
резиста; в - формирование рисунка рентгеношаблона
в слое элекгронорезиста и передача рисунка на слой
тантала; г - передача изображения рентгеношаблона в
нижний слой трехслойного резиста; д - вскрытие
золота в структуре основы для гальванического
осаждения золота; е - гальваническое осаждение
золота; ж - удаление нижнего слоя трехслойного
резиста; з - удаление основы для гальванического
осаждения золота;
1 - слой тантала толщиной 50 нм; 2 - слой золота
толщиной 2,5 мкм; 3 - основа для гальванического
осаждения из слоев тантала и золота; 4 - мембрана из
слоев полиимида толщиной 1 мкм и нитрида бора
толщиной 3,5 - 4,5 мкм;
5 - опорная рамка; 6 - электронорезист; 7 - слой
тантала толщиной 75 мкм; 8 - слой полиимида или
резиста толщиной 1,2 - 1,5 мкм; 9 - верхний слой
тантала в основе гальванического осаждения золота;
10 - гальванический слой золота; 11 - нижний слой
тантала в основе для гальванического осаждения
золота
маскирующего покрытия должна превышать
толщину поглотителя из Аи. Аддитивный
метод позволяет получать в конце всего
технологического цикла поглощающий слой
электролитического Аи до 1,0 - 1,5 мкм с более
низким уровнем внутренних напряжений, чем
при нанесении из газовой фазы.
При изготовлении РШ по субтракгивной
технологии (рис. 2.5.7) на двухслойную
мембрану также наносятся слои Та, Аи и Та
толщиной соответственно 30, 600 и 30 нм.
Нижний слой Та служит для улучшения адгезии Аи
и остановки травления; в слое Аи формируют
рисунок поглотителя; верхний слой Та служит
в качестве маски при травлении Аи. Далее
наносится слой Аи толщиной около 1,0 мкм
распылением в смеси Аг и Ог, что повышает
селективность травления Аи по отношению к
Та.
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 2.5.7. Последовательность изготовления
рентгеношаблона субтрактивным методом:
а - заготовка; б - формирование меток совмещения и
окна; в - формирование рисунка ренггеношаблона в
слое золота; г - передача изображения в слой тантала;
д - формирование рисунка в слое поглотителя МРИ
из золота; е - удаление тантала;
1 - слой тантала толщиной 50 нм; 2 - слой золота
толщиной 1,9 мкм; 3 - слой тантала толщиной
140 нм; 4 - слой золота толщиной 0,6 мкм;
5 - слой тантала толщиной 30 нм; 6 - мембрана;
7- опорное кольцо; 8 - резист

РЕНТГЕНОЛИТОГРАФИЯ
151
Таким образом, различие двух
технологий состоит в методе нанесения золотого
поглощающего слоя: гальваника при аддитивной
технологии и нанесение Аи из паровой фазы
при суотрактивной технологии. Кроме того,
при аддитивном методе уменьшаются
внутренние напряжения и деформации мембран.
Так, измерения остаточных напряжений и
накопленных искажений структуры рисунка
РШ, изготовленных этим методом,
показывают, что на поле площадью 40 х 40 мм
мембраны диаметром 70 мм искажения рисунка не
превышают 0,2 мкм, а при субтрактивном
методе - 0,4 мкм.
Для компенсации напряжений,
возникающих в барьерном слое, легированном В,
используется совместное легирование В и Ge.
Выбор Ge в качестве компенсатора
объясняется тем, что его ковалентный радиус больше,
чем у Si. В результате наращивания эпитакси-
альных слоев толщиной 2-3 мкм в
химической системе S1H2CI2 - ВгНб - GH4 - Н2 при
Т = 1080 °С и скорости роста 0,9 мкм/мин
можно контролировать напряжения,
действующие в такой пленке. При концентрации
бора 1020 атом/см3 происходит полная
компенсация напряжений, а при легировании
германием полная компенсация напряжений
происходит при концентрации 111020атом/см3.
На скомпенсированных таким образом
мембранах аддитивным методом формируется
рисунок из гальванически выращенного Аи.
При этом в опорном трехкомпонентном слое
вместо Та наносят слой Ti B0 нм) и слой Сг
A0 нм), который служит защитой Аи при
травлении рисунка в кислородной плазме.
Резисты в рентгенолитографии должны, в
первую очередь, удовлетворять требованиям,
общим для всех типов резистов при любых
литографических процессах: высокая
интегральная чувствительность к энергетическому
спектру используемого излучения; высокая
селективность воздействия проявителей при
обработке экспонированных пленок с целью
удаления облученных или необлученных
участков; способность формировать тонкие
покрытия, обладающие однородностью,
минимальной дефектностью, стабильностью во
времени, хорошей адгезией к применяемой
подложке, устойчивостью к воздействию
агрессивных сред; способность реализовывать
потенциальные возможности используемой
рентгенолитографической системы по
разрешению.
Поглощение рентгеновских лучей рези-
стом сопровождается инжекцией электронов,
обладающих энергией A,6 - 4,8) 106 Дж,
которая зависит от длины волны излучения.
Торможение этих электронов до энергии
теплового движения (8108 Дж) характеризует, с
одной стороны, количество поглощенной
полимером энергии, а с другой, - разрешающую
способность резиста на данной длине волны
МРИ. Образующиеся в результате облучения
фото- и Оже-электроны и соответствующие
дырки после торможения рекомбинируют,
образуя радикалы и возбужденные фрагменты
молекул, результатом взаимодействия которых
являются химические изменения в резисте.
Однако в отличие от поглощения квантов
света в фотолитографии рентгеновские кванты
поглощаются не специфическими отрезками
полимерной цепи, а любым атомом молекулы.
Поэтому при создании рентгенорезистов в
молекулы полимеров вводят атомы элементов
с высокими значениями коэффициентов
поглощения излучения, например Ва, РЬ, Те, Cs,
Таи др.
Другим методом снижения необходимой
дозы облучения рентгенорезистов является
синтез полимеров, обладающих высокой
химической активностью и большой
молекулярной массой, поскольку минимальная доза
гелеобразования для негативных резистов (или
растворения экспонированных участков для
позитивных) обратно пропорциональна
молекулярной массе полимера. Поскольку
поглощение рентгеновского кванта атомом металла
сопровождается выбросом фотоэлектрона и
нескольких Оже-электронов, то с ростом
концентрации введенных в резист
сенсибилизирующих элементов добавочная экспозиция
пропорционально увеличивается до значения,
которое может в несколько раз превосходить
"собственную" экспозицию резиста.
В табл. 2.5.5 приведены значения
чувствительности (плотность энергии излучения)
некоторых рентгенорезистов при воздействии
на них рентгеновского излучения. Из таблицы
видно, что введение в резист металлов (Ва, РЬ,
Те) существенно увеличивает чувствительность
позитивных резистов к рентгеновскому
излучению. Так как чувствительность рентгеноре-
зиста зависит от спектрального состава
используемого излучения, состава проявителя и
режима проявления, то один и тот же резист
будет иметь разную чувствительность на
разных длинах волн и сравнивать
экспериментальные данные следует с осторожностью.
При использовании СИ резисты
обладают более высокой чувствительностью, чем при
использовании электронно-лучевых
источников, поскольку в спектре СИ имеется большая
доля длинноволнового рентгеновского
излучения, хорошо поглощаемого резистами. Это же
относится и к негативному резисту на основе
сополимера глицидил метакрилата и этилме-
такрилата.
Кроме чувствительности, для
рентгенолитографии важно значение контраста и
разрешающей способности резиста. Для
позитивных резистов контраст обычно больше
единицы, для негативных, как правило, примерно
равен единице, поэтому при экспонировании

152 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
2.5.5. Характеристики
Материал ренггенорезиста
Полиметилметакрилат (ПММА)
Полибутенсульфон
Сополимер глицидил метакрилата
и этилакрилата
Эпоксидированный полибутадиен
Сополимер метилметакрилата и
метакрилата (мае. доля Те - 28 %)
Смесь диакрилата бария (мае.
доля - 80 %) и диакрилата свинца
(мае. доля - 20 %)
Сополимер глицидилакрилата и
2,3-дибром- 1-пропилакрилата
(мол. доля - 60 %)
Поли-B,2,3,4,4,4-
гексафторбутилметакрилат)
Полихлорпропилакрилат и
кремний органический мономер
позитивных и негативных рентгенорезистов
Тип*
П
П
Н
Н
П
П
п
п
н
Длина
волны, нм
0,834
0,834
0,834
0,834
0,834
0,834
0,460
0,541
1,3
Чувствительность,
мДя^/см2
1000
100
2,5
5,2
2,8
2,5
15
52
1,5
Разрешение,
мкм
0,01
ОД
0,3
0,3
0,2
0,2
0,3
0,1
0,2
* П - позитивные, Н - негативные.
негативных резистов требуются более
контрастные шаблоны. Если для позитивного резиста
ПММА достаточна толщина маскирующего
слоя Аи на шаблоне около 0,2 мкм, то для
негативного резиста необходима толщина
маскирующего слоя около 0,3 мкм.
Разрешающая способность резистов в
рентгенолитографии определяется длиной
эффективного пробега /эфф в резисте фото- и
Оже-электронов, возникающих при
поглощении рентгеновских квантов в самом резисте,
подложке и шаблоне. При использовании СИ
/эфф, как правило, значительно меньше, чем
при использовании обычных источников
излучения. Кроме того, при экспонировании с
помощью СИ меньшее влияние на разрешение
оказывает фото- и Оже-электроны из
подложки и шаблона. При использовании излучения
Alfc @,834 нм) и Ag? @,415 нм) сказывается
влияние вторичных электронов из подложки:
^эфф w 0>0'6 мкм Д71*1 излучения Aljt и /эфф *
« 0,1 мкм для излучения Ag?. Поскольку
механизм воздействия на резист вторичных
электронов, возникающих непосредственно в
резисте, и электронов, вылетающих из подложки,
одинаков, можно сделать вывод, что
разрешающая способность рентгенолитографии с
применением СИ с длиной волны более
0,8 нм лучше 0,05 мкм.
Благодаря технологическим
преимуществам рентгенолитографии перед другими
методами формирования топологических резистив-
ных масок в основном она применяется в
микроэлектронике при массовом изготовлении
суперсложных СБИС на уровне ЗУ более
64 Мбит, т.е. при размерах элементов менее
0,3 мкм, когда общие производственные
затраты окупаются большими функциональными
возможностями таких устройств.
Формируются новые направления
микромеханики, в которой рентгенолитография
может использоваться для формирования
целых систем из датчиков, логических устройств
и элементов привода. Трехмерная структура
таких систем содержит топологические
элементы с большим отношением высоты к
ширине. Это также открывает широкие
возможности для применения синхротронного
излучения.
2.5.2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ В
ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Лазерные системы позволяют
генерировать световые пучки в широком диапазоне
длины волн и плотности потока излучения.
Поглощение мощного светового излучения
сопровождается процессами тепло- и массопе-
реноса, развитие которых зависит от
энергетических и пространственно-временных
характеристик излучения. При действии
сфокусированного мощного лазерного излучения на
поверхность материала вещество нагревается,
плавится, частично испаряется и
ионизируется. В неоднородно нагретом веществе
возникает течение жидкости, паров, плазмы и
окружающего газа. Перемещение вещества, в свою

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
153
очередь, оказывает существенное влияние на
распространение лазерного излучения,
изменяя фокусировку и условия поглощения и
отражения излучения. Возникают сложные
многофазные гидро- и газодинамические
течения, согласованные с распространением
лазерного излучения в сильно поглощающей и
преломляющей оптически нелинейной среде.
Соответствующий выбор длины волны
излучения, интенсивности, времени воздействия,
вида и давления окружающей атмосферы
позволяет осуществлять различные
технологические процессы, ряд которых невозможен без
применения лазеров.
Лазерное излучение характеризуется
рядом уникальных свойств. К их числу относятся
большая интенсивность (плотность потока)
электромагнитной энергии, высокая
монохроматичность, значительная степень временной
и пространственной когерентности. В отличие
от других источников электромагнитной
энергии лазерное излучение обладает очень
узкой направленностью или малой
расходимостью луча.
Затухание плотности светового потока в
конденсированных средах происходит в
соответствии с законом Бугера-Ламберта
-ja(x)dxl
B.5.1)
где q и до - плотность потока излучения
соответственно на глубине х от поверхности и на
поверхности облучаемого тела; А - доля
поглощенного потока; а - коэффициент
поглощения света.
Для случая изотропной и однородной
поглощающей среды выражение B.5.1)
приводится к виду
q = А яоехр(-ах).
Для металлических материалов
поглощение лазерного излучения описывается моделью
свободных электронов. Согласно этой модели
падающий на поверхность металла световой
поток практически полностью поглощается
свободными электронами в тонком слое
толщиной d = а = 10 ... 10 см. В
дальнейшем происходит электрон-электронная
релаксация с характерной частотой vee. Вместе с тем
вследствие электрон-фононного
взаимодействия с частотой vep происходит передача
энергии от электронного газа решетке. В результате
энергия фононного газа или тепловых
колебаний решетки возрастает. Если частота фонон-
фононного взаимодействия vpp больше
частоты электрон-фононной релаксации vep> то
энергетическая функция распределения
фононного газа остается равновесной. Для общей
оценки процессов лазерного воздействия на
материалы проводят оценку для частот
взаимодействия Уф Vee> Vepy Vpp.
Частоту столкновений электронов с фо-
нонами можно оценить с помощью
соотношения
ve/=a«0/(Av«'), B.5.2)
где п' - концентрация поглощаемых
электронов.
Поскольку для лазерного излучения
видимого диапазона в ближней инфракрасной
области выполняется условие hv >> кТе (h -
постоянная Планка; v - частота; к -
постоянная Больцмана; Те - температура электрона),
то в поглощении участвуют лишь электроны с
Е — hv вблизи уровня Ферми. Тогда
где п — 5-Ю22 см - число электронов
проводимости в единице объема нормальных
металлов; Ef- уровень Ферми. Проводя, например,
оценку для излучения лазера на иттрий-
алюминиевом гранате (вторая гармоника) и
принимая а = 106 см, в соответствии с
формулой B.5.2) получаем
vef= A,5 ..
Поскольку в перераспределении энергии
в электронном газе участвуют лишь электроны
с кинетическими энергиями в области
тепловой размытости функции распределения
Ферми, то частота межэлектронных столкновений
оценивается по формуле Резерфорда для
соответствующей концентрации заряженных
частиц
Vee =У/<УееП(кТе/ EfJ,
где Vf - скорость электрона на поверхности
Ферми; <Jee - резерфордовское сечение
взаимодействия для рассеяния электронов на
электронах; кТе - область размытости функции
Ферми.
Принимая для начальной и конечной
электронных температур значения
соответственно 300 К и 3000 К, получаем vee = A011...
Частота электрон-фононной релаксации
может быть выражена через коэффициент
теплообмена между электронами и фононами и:
и
15"

154 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
где у/ - плотность материала; с, -
теплоемкость; d$ - постоянная решетки; v3 - скорость
звука в металле. Подстановка числовых
значений дает оценку vep = A0й ... Ю12)^1.
Оценку частоты энергии фононного газа
можно выполнить по формуле
где Г - параметр Грюнайзена, определяющий
коэффициент температурного расширения
решетки; Т$ - температура решетки; /И/ - масса
иона.
При начальной и конечной температуре
решетки 300 К и 3000 К получаем vpp =
= (ДО13 ... Ю14)^*1. Соответствующие времена
передачи энергии обратны частотам процессов.
В отличие от металлов в энергетическом
спектре полупроводников и диэлектриков
существует запрещенная зона 1?д, не
содержащая энергетических уровней. Поэтому важным
фактором является соотношение между
энергией кванта hv и шириной запрещенной зоны
Ед. В зависимости от этого соотношения для
полупроводниковых материалов выделяют
следующие типы механизмов поглощения:
а) металлический [hv < 2?д, Ei < кТ, где U/ -
энергия примесных уровней; Т - температура
материала, который характерен для
легированных полупроводников, когда в зоне
проводимости имеется большая концентрация
свободных носителей пе да ехр[-1?/ / (kJ)]; б)
примесный (hv < Еа, hv > Ег > кТ)у который
характерен для примесных полупроводников,
когда энергия кванта света меньше ширины
запрещенной зоны, но превосходит энергию
донорных или акцепторных уровней; в)
индуцированный металлический (hv > 1?д),
который характерен для поглощения в
полупроводниках квантов видимого диапазона частот и
существенен, когда вероятности процессов
безизлучательной рекомбинации малы, а
поглощение происходит на неравновесных
свободных носителях, генерируемых этим же
излучением; г) полупроводниковый (hv > Ед),
который характерен для собственных (чистых)
полупроводников и наблюдается при
относительно невысоких уровнях плотности потока
излучения и в дальнейшем переходящий в
индуцированный металлический тип
поглощения; д) диэлектрический (hv « 1?д), когда
поглощение происходит при
непосредственном взаимодействии излучения с решеткой
(оптической ветвью фононного спектра).
При мощных коротких импульсах
лазерного излучения на полупроводники за времена
т << ти концентрация свободных электронов
повышается до 1020 ... 1021 и полупроводник
по оптическим свойствам приближается к
металлу. Начальный коэффициент поглощения
излучения в полупроводниках варьируется в
диапазоне от 103 до 104 см.
Перенос энергии от поверхностного
слоя, поглотившего излучение, к объему
материала как в случае металлов, так и
полупроводников определяется процессами
теплопроводности.
Поскольку учет всех параметров и
особенностей сложных процессов взаимодействия
лазерного излучения с веществом практически
невозможен, при их анализе часто используют
понятия "критическая интенсивность" или
"критическая плотность потока". Эти термины
в определенной степени условны, так как
связаны с понятием разрушения вещества, также
имеющим условный характер. В лазерной
обработке (технологии) под началом разрушения
чаще всего подразумевают плавление
поверхности, хотя необратимые изменения
большинства материалов происходят и при нагреве
ниже температуры плавления. Использование
коротких и мощных импульсов лазерного
излучения для модификации материалов
достаточно перспективно ввиду реализации
аномально высоких скоростей нагрева и
остывания материала, поглотившего излучение.
Используя критические плотности
потока qy = (i = 1... 4) , можно
классифицировать технологические процессы и
рассматривать их последовательно при переходе от
одной критической плотности потока к другой
Обычно принимают:
критическая плотность потока,
необходимая для достижения к концу импульса
излучения на поверхности тела температуры
плавления,
vrc
_A)
Чс =
критическая плотность потока,
соответствующая достижению температуры кипения
(без учета фазового перехода),
B) _. ^я ТшпХ
2 AJcn
критическая плотность потока, выше
которой процессы испарения преобладают над
переносом теплоты в конденсированную среду
(режим "чистого" испарения),
Уг
критическая плотность потока, выше
которой в глубь материала распространяется
ударная волна, а над поверхностью образуется
плазменный факел,

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
155
В этих формулах р « 0,88 -
коэффициент; Тлл и Гкип - температура соответственно
плавления и кипения; Q - теплота испарения
облучаемого вещества; X - теплопроводность;
а - температуропроводность; ти - длительность
лазерного импульса.
Численные оценки qjP - q^ для ряда
материалов при А = 1 представлены в табл.
2.5.6, для двух характерных длительностей
лазерного воздействия ти = 10"8 с (режим
модулированной добротности - "гигантский
импульс") и%= 10 с (режим свободной
генерации).
В определенной степени эти оценки
пригодны и для технологических операций
(или воздействий с применением
непрерывного излучения), если под временем т
подразумевают длительность не импульса, а
прохождение луча через данную точку,
определяемое скоростью движения луча.
При нагреве ниже температуры
плавления возможны структурные превращения в
полупроводниковых материалах (отжиг) или
твердофазные превращения. Плавление
тонкого поверхностного слоя дает возможность
получать покрытия, выполнять поверхностную
очистку и легирование, создавать
металлические пленки и проводить химико-термические
процессы, приводящие к синтезу новых
веществ на поверхности.
Если плотность потока излучения
превышает
qi '
, то в газовой среде вблизи
поверхности тел возможна реализация лазерно-
плазменной обработки (разложение веществ,
синтез соединений, упрочнение материалов,
окисление, восстановление). При q > q^ и
длительности импульсов, равной десяткам
наносекунд, возможно упрочнение
поверхностного слоя толщиной в единицы и доли
микрометров под действием ударной волны,
обусловленное генерацией структурных дефектов
(дислокаций, смещенных атомов и т.д.).
Плотность потока излучения q и время
воздействия ти определяют вид
технологического процесса. Например, при плотности
потока, обеспечивающей расплавление
поверхности, достаточно малое время
воздействия приводит к быстрому охлаждению
поверхностных слоев, что позволяет получать
металлические стекла или поверхности с аморфной
структурой. Чередование областей сжатия и
растяжения в ударной волне создает структуры
р-п-переходов в полупроводниковых
материалах и т.д.
Рис. 2.5.8. Диаграмма, характеризующая процессы,
при воздействии лазерного излучения:
1 - возникновение ударных волн, газо- и
гидродинамическое движение облученного вещества,
плазменная обработка и травление; 2 - испарение и
травление; 3 - глубокое проплавление облучаемого
вещества; 4 - реструктурирование материала;
5 - получение аморфных структур
Наряду с созданием необходимых
плотностей потока для проведения того или иного
технологического процесса требуется
обеспечить также соответствующий энерговклад (или
необходимую плотность энергии).
На рис. 2.5.8 приведена обобщенная
диаграмма, на которой показаны значения q и
/, соответствующие различным видам лазерной
обработки материалов.
При проведении различных
технологических процессов с использованием мощных
лазерных импульсов необходимо оценивать
глубину проплавляемого слоя материала при
различных параметрах излучения, для чего
решается уравнение теплопроводности как для
расплавленного материала, так и для
материала в твердом состоянии с учетом закона
сохранения энергии на движущейся границе раздела
фаз.
Время достижения температуры
плавления Tjm поверхности облучаемого материала
начиная с температуры 7q
(ш = *№ш - ГоJ / [4a(Aq0J]. B.5.3)
На рис. 2.5.9 представлены результаты
расчета зависимости глубины проплавленного
слоя (в относительных единицах) от
отношения t I 2пЛ. Семейство графиков,
характеристикой которых является Y = L / (с 7^), где
L - скрытая теплота плавления, позволяет
рассчитать глубину проплавления для любых
материалов.
Верхней границей применимости
описанного подхода является начало процесса
испарения, определяемое из выражения,
подобного B.5.3), где вместо Тдд используется

2.5.6. Характерные значения критических плотностей потока лазерного излучения (#с j
Материал
Алюминий
Кремний
Хром
Никель
Медь
Серебро
Молибден
Тантал
Вольфрам
Золото
г»-с
660
1410
1875
1453
1083
962
2610
2996
3410
1063
WC
2467
2355
2665
2730
2595
2212
4612
5425
5660
2807
Q10-6,
Дж/кг
10,57
10,65
6,56
6,47
4,81
2,34
5,14
4,2
4,83
1,87
ти - Ю-8 с
1,4-107
1,4107
2,5-Ю7
2,4-Ю7
3,5-Ю7
2,7-Ю7
4,6-107
3,0-107
6,4-107
1,6-107
Вт/см2
ти - Ю-3 с
4,3-Ю4
4,5-104
7,8104
7,6104
8,6104
1,5-105
9,6Ю4
2,0105
5,0-104
#Р, Вт/см2
ти - 10-8 с
5,2-107
2,3-107
3,6107
4,5107
8,4107
6,2107
8Д-107
5,4107
U.C
4,2107
% = Ю-з с
1,7-Ю5
7,4-105
1,1-Ю5
1,4-105
2,7-Ю5
2,0-Ю5
2,6105
1,7-105
3,410s
1,3-Ю5
qf">, Вт/см2
тж = 10-8 с
2,7-108
1,8-108
2,1-Ю8
2,8108
4,6-108
3,2-Ю8
3,7-Ю8
3,3-108
7,4-Ю8
3,8-Ю8
тИ - Ю-3 с
9,0-Ю5
5,7-105
6,7-105
8,9Ю5
1,5-Ю5
1,0-Ю5
1,2-Ю5
1,1-Ю5
2,3105
2,0105
Вт/см2
8,2109
7,0109
1,0109
8,0-Ю9
7,2109
3,0109
1,2-10*
1,5-10*
1,8-10*
3,0109

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ
157
Ю
А
Y[ /
\
'ох/
У
г
ь
Рис. 2.5.9. Зависимости относительной глубины
проплавленного слоя х? от относительного времени
11 Гцл для различных значений Y
€00
W
1
so
№
t.HC
Рис. 2.5.10. Зависимости глубины h проплавления от
времени для различных плотностей энергии излучения:
1 - 0,6 Дж/см2; 2 - 0,7 Дж/см2; 3'- 0,8 Дж/см2;
4- 1,6 Дж/см2
Tjam. Для нахождения глубины проплавления
материала сначала необходимо оценить вели-
ЧИНУ ^исп / W» а затем - параметр У для
данного материала. После этого по
соответствующему графику на рис. 2.5.9 определяется
безразмерная величина у! и для соответствущей
плотности потока поглощенного лазерного
излучения (Aqo) вычисляется глубина
проплавления для каждого момента времени в
диапазоне @ - /^сп / ^д).
На рис. 2.5.10 представлены зависимости
глубины проплавления кремния от времени
для различных плотностей энергии лазерного
излучения 0,6 - 1,6 Дж/см2. Видно, что с
увеличением плотности энергии растет глубина
?00
А
м
50 ЮО 150 500
Рис. 2.5.11. Зависимость глубины h плавления и
затвердевания в кремнии (а) и алюминии (б) от
времени
проплавления и время существования жидкой
фазы. По этим зависимостям можно оценить
скорость движения фазовой границы. При
увеличении плотности энергии с 0,6 до
1,6 Дж/см2 скорость фазовой границы
возрастает с 1,5 до 3 м/с. Скорость изменения
температуры при этом составляет около 106 К/с.
На рис. 2.5.11 показаны зависимости
скорости движения фронта плавления и
затвердевания в кремнии и алюминии при
лазерном облучении с длиной волны 0,53 мкм.
Фронт плавления распространяется примерно
с одинаковой скоростью, однако различия
теплопроводности для алюминия и кремния и
скрытой теплоты плавления (кристаллизации)
приводят к тому, что скорость затвердевания
алюминия примерно на порядок выше, чем
кремния. Скорость зависит от того, как
быстро скрытая теплота кристаллизации отводится
от границы раздела твердой и жидкой фаз, т.е.
определяется теплопроводностью материала и
температурными градиентами. Из рис. 2.5.11
видно, что температурные градиенты
составляют 106 - ДО7 К/см, а соответствующие
скорости охлаждения - ДО10 - 1011 К/с.

158 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
При больших плотностях потока
излучения скорость движения фронта испарения не
определяется кинетикой фазового перехода, а
зависит в основном от скорости подвода
энергии к облучаемому веществу.
Скорость движения фронта испарения
Y = ¦
у Q +
2RT,
т
где R - универсальная газовая постоянная; т -
масса атома.
Для получения характерных значений
скорости испарения материала, подвергнутого
лазерному облучению, необходимо знание
зависимости скорости испарения от
температуры. На основании теории абсолютных
скоростей реакции для линейной скорости
фронта испарения
v=v/43
B.5.5)
где v3 - средняя скорость звука.
В формуле B.5.5) не учитывается
влияние конденсации на скорость фронта
испарения, в результате которой отношение потока
конденсата к полному потоку испаряемого
материала приблизительно равно 0,18.
Уравнения B.5.4) и B.5.5) образуют
систему для определения величин 7*и v в
стационарном режиме испарения. На рис. 2.5.12
представлены полученные в результате
решения этой системы безразмерные значения
относительной температуры поверхности
«0
У = -г— и скорости фронта испарения в
Qx
зависимости от плотности потока лазерного
излучения для некоторых материалов (Q^ -
энергия, необходимая для испарения одного
атома).
Таким образом, воздействие мощных
импульсов лазерного излучения на материалы
позволяет реализовать разнообразные
физические эффекты (быстрый нагрев и остывание,
плавление, быстрая кристаллизация,
испарение, насыщение поверхностного слоя
продуктами разрушения, образование плазмы и ее
взаимодействие с поверхностью разложение
веществ и взаимодействие продуктов
разложения с поверхностью и создать на их основе
технологические процессы для электронного
машиностроения.
Одним из направлений применения
лазеров в технологии электронного
машиностроения является химическое осаждение
пленок Si, SiO2, SiC, С, Si3N4 из газовой фазы,
окисление и нитритизация кремния, травле-
109
10*
10
1
///
f
——*
——-
.—-
—^
Si
Mo. N1, Mg
0,1 0,14 0,2 0.3 0,4 0,5 0,6 0,7 у
Рис. 2.5Л2. Зависимости отго
пьвой температуры
облучаемой поверхности (а) и скорости фронта
испарения (б) от плотности поглощенного потока
лазерного излучения для разных материалов
ние кремния и диоксида кремния при низких
температурах (менее 500 К) за счет
стимулирования при воздействии фотонов высоких
энергий из вакуумной ультрафиолетовой
области (ВУФ) спектра. Фотоны с энергией
порядка 10 эВ эффективно поглощаются
большинством применяемых в технологии
микроэлектроники веществ и химических
соединений (О2, SiH4, Si2H6> NF3, H2O, SF6), вызывая
их прямую фотодиссоциацию с образованием
атомов и активных радикалов в основном или
возбужденном состоянии.
В отличие от низкотемпературных плаз-
мохимических и ионно-лучевых технологий
фотонно-стимулированные процессы, в
которых отсутствует бомбардировка поверхности
материалов высокоэнергетичными
заряженными частицами, позволяют избежать
радиационных повреждений в модифицированных
слоях.
Применяются фотонно-стимулированные
процессы осаждения и травления слоев SiO2,
Si3N4, Si, SiC и С с применением ртутных,
дейтериевых, криптоновых газоразрядных и
эксимерных лазерных источников излучения в
ВУФ-области спектра. Однако ламповые
источники отличаются высокой расходимостью
луча и не позволяют получать излучение с
длиной волны меньше 115 нм.
Фотохимические покрытия
характеризуются более низким уровнем внутренних
напряжений по сравнению с покрытиями,
полученными высокочастотным плазмохимическим
осаждением.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
159
Достоинством фотонно-стимулирован-
ных процессов осаждения и травления слоев
является низкая температура подложки (табл.
2.5.7).
2.5.7. Температура подложки при
фотохимических реакциях
Фотохимическая реакция
193 нм*
Sffl4 + N2O -» SiO2
193 нм
Zn(CH3J + NO2 -» ZnO
Mo(CON + /*vB48 нм*) -* Mo
Cr(CON + /ivB48 нм*) -> Cr
W(CON + hvB4S нм*) -> W
Si2H6 + hvA93 нм) -» (a-Si : H)
193 нм
Sffl4 + NH3 -» Si3N4
193 нм
(C2H5OLSi + O2->SiO2
193 нм
Si2H6 + N2O -> SiO2
193 нм
SiH4 + O2 -> SiO2
193 нм
SiO2 + NF3 + H2 -» SiF4 + NO2 +
+ HF
193 нм
Si2H6 -» Si
193 нм
Г1СЦ + Sffl4->TiSi2

Температура

подложки, °C
<200
20 - 220
20 - 150
200
250
50 - 250
250
40
70
400
* Длина волны излучения,
вызывающего фотохимические реакции.
2.5.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И
ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Создание больших (БИС) и
сверхбольших (СБИС) интегральных схем
характеризуется резким уменьшением толщины
практически всех функциональных слоев. Так, толщина
подзатворного диэлектрика для СБИС-16М
должна составлять 10,0 нм, затвора в МОП-
схемах (металл - оксид - полупроводник) - 0,1 -
0,2 мкм, межслойной изоляции - 0,1 - 0,2
мкм. Для этого необходимы конструкционные
материалы (например, силициды вместо
поликремния) и новые методы формирования
функциональных слоев. Требуется также
высокоточное воспроизведение параметров C -
5 %) ультраБИС (УБИС) на большой площади
(диаметр пластин 150 - 200 мм).
При переходе к УБИС выход годных
изделий определяется дефектами, размеры
которых соизмеримы с субмикронными
размерами, поэтому необходимы новые способы
создания г качественных границ раздела между
слоями и детальный контроль дефектности
каждой исходной пластины.
Конструктивные особенности УБИС
характеризуются уменьшением геометрических
размеров по горизонтали и вертикали,
поэтому повышаются требования к процессам
сухого травления. Необходимо предотвратить
возможность радиационного повреждения
нижележащих слоев и загрязнения их
продуктами реакции. Широкое использование
низкотемпературных и квазинизкотемпературных
процессов требует разработки новых
технологических процессов, основанных на иных
физико-химических принципах.
Переход к пластинам диаметром 200 мм,
разработка новых методов контроля
параметров технологического процесса,
функциональных слоев и элементов ИС in situ, требуют
новой организации технологического
маршрута с применением
последовательно-индивидуальной обработки пластин.
Радиационно-стимулированные процессы
являются основой субмикронной технологии.
Эффективность производства изделий
микроэлектроники зависит от полноты выполнения
требований к технологическим процессам и
оборудованию. Технологический процесс
должен быть непрерывным, базироваться на
минимально возможном количестве однородных
по физико-химическому механизму операций,
обеспечивать высокую разрешающую
способность на каждой операции и контроль
основных параметров, предусматривать экспресс-
контроль характеристик изделия как в
процессе, так и после каждой операции, не допускать
неконтролируемого воздействия на изделия
внешней среды, обладать высокой
энергетической эффективностью (т.е. должно
затрачиваться минимально возможное количество
энергии на проведение каждой операции),
быть легкоформализуемым, малоотходным или
безотходным.
Специальное технологическое
оборудование должно базироваться на универсальном
модульном принципе с использованием
специализированных унифицированных узлов.
Традиционно развиваемая эпитаксиаль-
но-планарная групповая технология, лежащая
в основе разработки современных СБИС и
сверхсложных БИС (ССБИС), имеет ряд
принципиальных ограничений. Основное из
них - разнородность по механизму воздейст-

160 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
вия на пластину физико-химических
процессов в составе технологических маршрутов,
приводящая к усложнению контроля
параметров технологического процесса и трудностям
его автоматизации из-за дискретности
технологических операций.
По мере повышения степени интеграции
и увеличения числа функциональных слоев
воспроизводимость их характеристик начинает
значительно зависеть не только от
контролируемых параметров технологических операций,
но и от слабоконтролируемого контакта
микроструктур с внешней средой. Поэтому с
повышением степени интеграции изделий резко
возрастают требования к условиям внешней
среды. При этом для обеспечения условий
вакуумной гигиены при изготовлении партии
изделий объемом в несколько кубических
дециметров эти условия создаются в помещении
объемом несколько тысяч кубических метров.
Реальным выходом из этой парадоксальной
ситуации является объединение всех
технологических объемов с помощью шлюзовых камер
и осуществление всего технологического
процесса изготовления микросхем в
контролируемой среде.
Одновременное увеличение размера
пластин до 200 мм и степени интеграции СБИС с
субмикронными размерами элементов требует
перехода от групповой обработки к
индивидуальной. Частичное снижение
производительности операций компенсируется увеличением
выхода готовых структур за счет повышения
точности контроля и обработки.
При последовательно-индивидуальной
обработке пластин внутри замкнутой
технологической линии требования к качеству и
точности контроля параметров слоев и
энергоносителей резко возрастают. Последовательно
индивидуальная обработка пластин является
организационной основой перспективной
технологии. Однако она может быть реализована
при одном условии - переводе всех
составляющих технологических операций на
однотипные физико-химические принципы,
позволяющие связать воедино и автоматизировать
весь технологический маршрут (или вначале
отдельные его части).
Кроме того, объемный подвод химически
активных частиц при жидкостном травлении
материалов не позволяет получить разрешение
лучше 2 мкм в пленках толщиной 1 мкм
независимо от разрешения в маскирующих
покрытиях. Последующие операции эпитаксиально-
планарной технологии не позволяют сохранить
полученный минимальный размер, что связано
как с объемным нагревом изделий в процессе
диффузии, эпитаксии и окисления, так и с
низкой селективностью активирующего
воздействия этого способа нагрева, приводящими
к диффузионному размытию полученных
ранее областей микроструктур.
С учетом изложенного выше в основу
разработки новой технологической базы
микроэлектроники должны быть положены
следующие принципы:
обеспечение высокой локальности и
селективности обработки структур в результате
использования нетермических методов
стимуляции и полного управления всеми
технологическими процессами от ЭВМ;
обеспечение
последовательно-индивидуальной обработки от операции очистки
пластин до сборки с использованием
автоматических манипуляторов и промежуточных постов
контроля;
максимальное снижение влияния
субъективных факторов в процессе создания
микроструктур за счет использования
микропроцессоров при проведении отдельных операций и
централизованного управления всеми
технологическими процессами от ЭВМ;
использование на всех операциях единых
принципов энергетического воздействия на
заготовку (пластину) и унифицированного
технологического оборудования;
максимальная степень интеграции
технологических операций в пространстве и
времени.
Наибольшей селективностью воздействия
обладают излучение (гамма-, рентгеновское,
световое) и потоки заряженных и
незаряженных частиц (электроны, ионы, радикалы).
Ионы и свободные радикалы оказывают
непосредственное воздействие на отдельные атомы
и молекулы физико-химической системы, а
излучение и электроны - на отдельные
атомные связи. Поэтому перспективные
технологические методы должны базироваться на
низкотемпературных селективных процессах с
использованием излучений, электронов, ионов,
свободных атомов и радикалов.
С точки зрения однородности- физико-
химических процессов наиболее оптимальная
база может быть построена на операциях с
использованием какого-либо одного
источника излучения.
Однако на современном уровне развития
весьма трудно сразу построить всю технологию
только на ионных либо на плазменных или
лазерных процессах. Очевидно, что в ее состав
должны входить разработанные процессы с
использованием различных видов излучений.
Большой интерес представляют
процессы, основанные на использовании для
инициирования энергии лезерных излучений.
Возможности лазерных технологий.
Требованиям низкотемпературной
индивидуально-последовательной технологии в
наибольшей степени могут удовлетворять фотостиму-
лированные процессы, в которых используется
качественно новый вид энергетического
воздействия по сравнению с тепловым. Эти
процессы характеризуются тем, что они низко-

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
161
температурны, так как обеспечивают не
объемный подвод энергии, а направленное
локальное воздействие без нагрева всей
пластины.
Энергия излучения при использовании
этих процессов подводится в виде квантов
строго определенной величины. Это, с одной
стороны, обеспечивает высокую селективность
процессов, позволяя при заданной энергии
квантов воздействовать только на
определенные виды атомов и химических связей, с
другой стороны, обеспечивает и универсальность
фотостимулированных методов, так как для
каждого материала и типа обработки может
быть выбрана необходимая энергия квантов.
Облучение осуществляется по заданному
рисунку, что позволяет формировать
функциональные слои при меньшем числе
технологических операций, пространственная
направленность излучения также позволяет резко
повысить анизотропию процессов травления и
осаждения.
Фотостимулированные процессы
практически безынерционны и поэтому легко
управляемы. В отличие от плазмо-химических
процессов и процессов, стимулированных
электронами и ионами, они позволяют
варьировать давление рабочих газовых сред в широких
пределах, что дает возможность
оптимизировать иг по физическим параметрам конечных
структур и частично по разрешению.
Фотостимулированные процессы (для
энергии менее 6 эВ) практически не вызывают
радиационных повреждений сформированных
ранее структур и исключают такие виды их
дополнительного загрязнения, как внесение
посторонних ионов и атомов из
конструкционных материалов реактора.
Эффективность фотостимулированных
процессов особенно повышается при
применении лазеров, которые обеспечивают:
использование квантов в диапазоне длин волн от
инфракрасного (ИК) до вакуумного
ультрафиолета (ВУФ) @,1 - 10 эВ); практически
неограниченный диапазон пиковых
мощностей; возможность высокоточной
пространственной и временной концентрации энергии;
возможность избирательного воздействия на
определенные типы атомов или химических
связей.
Расширению технологических
возможностей способствовало применение эксимерных
лазеров, излучающих в УФ-области, где
энергия квантов E-10 эВ) достаточно для разрыва
связей типа Si-H, C-F и др. Это открыло путь
к осуществлению с помощью лазерного
излучения практически всех технологических
операций микроэлектроники - очистки
поверхности, осаждения и травления полупроводников,
окисления, легирования и т.д.
Возможность реализации лазерных
процессов для субмикронной технологии УБИС
базируется на исследованиях, основные
результаты которых представлены в табл. 2.5.8.
Из таблицы следует, что наиболее
универсальным с точки зрения применения в технологии
микроэлектроники является излучение
эксимерных лазеров. Кроме того, эксимерные
лазеры обладают слабой пространственной и
временной когерентностью, что облегчает
предотвращение нежелательных
интерференционных эффектов в условиях проекционной
обработки. Таким образом, наибольшее
применение в технологии найдут эксимерные лазеры,
хотя для отдельных процессов не исключено
применение и других типов лазеров.
Наиболее вероятными областями
применения лазерных технологических процессов
(исходя из существующей потребности и
требований по совместимости с традиционной
технологией) являются: получение пленок SiO2
в качестве активного диэлектрика из-за
высокой скорости осаждения, низкой температуры
процесса, отсутствия радиационных
повреждений; травление Si, SiO2, GaAs и других
материалов из-за высокой скорости травления,
селективности и анизотропии, хорошего
разрешения, отсутствия радиационных
повреждений; сверхтонкое легирование (менее 1 мкм)
Si и GaAs и лазерная кристаллизация Si* на
неориентирующих подложках из-за отсутствия
альтернативных методов; лазерное осаждение
высокотемпературных сверхпроводящих
керамик и других соединений из-за конгруэнтного
испарения сложных соединений и низкой
температуры осаждения.
Развиваются также импульсная лазерная
литография, характеризующаяся высоким
разрешением при высоких производительности и
экономичности, и лазерный анализ
материалов и технологических сред.
Технологические требования к эксимер-
ным лазерам приведены в табл. 2.5.9
Безрезистная лазерная технология.
Тенденция увеличения степени интеграции ИС,
несомненно, сохранится и в будущем. Однако
с реализацией УБИС резерв увеличения
степени интеграции за счет уменьшения размеров
элементов, видимо, будет исчерпан. Это
означает, что возникнет проблема реализации
трехмерних ИС. Существующая планарно-
эпитаксиальная технология ИС, в основе
которой лежит фотолитография, не сможет
обеспечить формирование трехмерных ИС из-за
катастрофического уменьшения выхода годных
изделий и увеличения продолжительности
производственного цикла. Один из новых
подходов - это интеграция технологических
процессов в пространстве и времени при
значительном сокращении числа операций за счет
отказа от традиционной фотолитографии и
перехода к безмасочной (безрезистной)
литографии с непосредственным формированием
рисунка на поверхности пластины проекцион-
6 За к 769

162 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
2.5.8. Лазерные процессы в технологаи УБИС
Технологический
процесс
Очистка
полупроводниковых
подложек от С и 02
Осаждение пленок
Si*
Осаждение пленок
SiO2
Осаждение металлов
А1, Мо и др.
Травление Si в ОЬ
Легирование
кремния бором и
фосфором из ВС1з и РС1з
Отжиг после ионной
имплантации
Изготовление ди-
фракциооных
решеток на GaAs
Литография
Тип
лазера*
Имп. ArF (Э)
Имп. (Э) KrF
Непр. Аг+
Имп. (Э) ArF
Имп. (Э) ArF
Имп. (Э)
ХеС1
Имп. (Э) ArF
Непр. Аг+
Непр. ArF
Непр. He-Cd
Имп. ArF,
KrF, XeCl
О)
Длина
волны,
мкм
0,193
0,248
0,514
0,193
0,193
0,308
0,193
0,514
0,193
0,325
0,193;
0,248;
0,308
Скорость
осаждения,
мкм/мин
-
1,0
0,3
0,3
5,0
-
-
Достоинства
Отсутствие радиационных
повреждений
Осаждение без
фотолитографии, с разрешением
менее 1 мкм
Осаждение на площади
120 см2 без радиационных
повреждений
Низкая температура
осаждения (менее 300 °С),
отсутствие радиационных
повреждений
Отсутствие загрязнений,
низкая температура (менее
200 °С)
Отсутствие радиационных
повреждений, травление
без фотолитографии с
разрешением 0,5 мкм
Сверхтонкое (менее
0,1 мкм) легирование*.
Совмещение процессов
легирования для формирования
сложных p-w-p-структур без
фотолитографии с
разрешением 0,2 мкм
Отсутствие
перераспределения примесей
Возможно применение для
СБИС с субмикронным
разрешением
Без фотолитографии
получены дифракционные
решетки с периодом
0,24 мкм
Существенное сокращение
времени экспозиции в
100 раз, высокое
разрешение до 0,3 мкм. Низкая
стоимость установки
1 Имп. - импульсный, Э - эксимерный, Непр. - непрерывный.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
163
2.5.9. Характериствки эксимерных лазеров
Характеристика
лазеров
Рабочая среда
Щирина
линии, мм
Длительность
импульса, не
Энергия
импульса, мДж
Частота
повторения, Гц
Средняя
мощность, Вт
Расходимость,
мрад
Ресурс без
замены смеси
(число
вспышек)

Единовременно
обрабатываемая
площадь, мм


температурное
фотооса-
ЖДение
слоев
ArF
A93),
KrF
B48),
XeCl
C08)
-
10-20
100-200
> 1000
100-200
< 1
> 3407

Пластины

диаметром
150
Очистка
ArF
A93),
KrF
B48)
-
10-20
>500
> 100
>50
-
> 107

Пластины

диаметром
150
ВУФ-

литография
(Мп:1)


лицированием
ArF
A93),
KrF
B48)
< 0,003
10-20
50-150
>250
> 10
<0,1
> 10»
20x20

Фототравление
ArF
A93),
KrF
B48)
-
10-20
>50
> 1000
>50
-
> 3-Ю7
20x20
Лазерное

испарение
KrF
B48),
XeQ
C08),
YAG
A060)
-
10-20
> 1000
> 100
> 100
< 1
> Ю7

Пластины

диаметром
150
Лазерное

легирование
YAG
A060)
-
10-20
> 50
>200
> 100
< 1
> 107
20x20

Проекционная
лазеро-
графия

(осаждение,

легирование,

травление)
KrF
B48),
XeCl
C08)
< 0,006
10-20
> 1000
> 100
> 100
<0,2
> 107
20x20

Источники


новского

излучения для
рентге-
нолитог-
рафии
KrF
B48)
-
< 10
> 1000
>200
>200
<0,02
> 107
ными методами. Из всех известных
технологических процессов только лазерные способны
обеспечить разработку технологии трехмерных
СБИС. Это связано со следующими
достоинствами лазерных технологических процессов:
универсальность (возможность
осаждения, травления и легирования металлов,
полупроводников и диэлектриков);
простота пространственного и
временного управления лазерным лучом
(возможность прямого формирования рисунка на
пластине при исключении стадии маскирования
пластины резистом);
высокий уровень пространственного
разрешения лазерных процессов (менее 1 мкм)
как на поверхности, так и на глубине;
высокая степень селективности
воздействия лазерного излучения за счет
регулирования длины волны излучения;
низкая температура подложки B0 -
300 °С);
малая энергия квантов (менее 6 эв), что
обеспечивает отсутствие радиационных
повреждений;
возможность обработки лазерным
излучением в любой среде (в вакууме, газе, атмос-

164 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
фере, что обеспечивает интеграцию процессов
в пространстве и времени);
способность лазерного излучения
обеспечить неразрушающий контроль параметров
функциональных слоев и технологических
процессов в реальном масштабе времени.
Ни один из других известных процессов
не обладает совокупностью всех приведенных
характеристик, совершенно необходимых для
технологии трехмерных ИС. При этом
скорость лазерных технологических процессов не
уступает скорости других известных процессов,
а в ряде случаев существенно их превосходит
(см. табл. 2.5.8). Причем она значительно
возрастает при проведении процессов с высоким
(субмикронным) разрешением. Преимущество
лазерных процессов приобрело особое
значение при переходе к последовательно-
индивидуальной обработке пластин, без
которых не обойтись в технологии трехмерных ИС
(ИС-3). Мощность современных лазеров
такова, что производительность безрезистной
лазерной технологии при последовательно-
индивидуальной обработке пластин составляет
не менее 10 пластин / ч. Технология ИС-3 не
будет исключительно лазерной, она объединит
лазерные, ионные и плазменные процессы.
Однако лазерные процессы будут играть
ключевую роль, поскольку поддаются интеграции,
в том числе и с плазменными процессами.
Под полностью интегральной технологией
следует понимать такую, при которой
заготовка (пластина) и необходимые материалы
поступают в рабочий объем, а из него выходит
готовая ИС. При этом рабочий объем может
быть разделен на части (камеры), связанные
переходами. Обработка пластины лазерными и
плазменными пучками происходит в процессе
ее движения от входа к выходу. Конечно,
переход к такой технологии будет
осуществляться постепенно за счет интеграции отдельных
частей технологического процесса, их
наращивания и последующей полной интеграции
сначала для производства УБИС, а затем ИС-3.
Лазерная диагностика ИС и
технологических процессов. Контроль качества ИС, как
правило, проводится выборочно по окончании
всего цикла изготовления. Применение
лазеров совместно с ЭВМ для контроля ИС и
технологических процессов открывает
перспективу полной автоматизации производства и
снижения себестоимости за счет
послеоперационной отбраковки полупроводниковых пластин.
Такая возможность базируется на следующих
основных достоинствах лазерной диагностики:
неразрушаемости контроля ИС и
технологических сред;
обеспечении контроля в реальном
масштабе времени;
высоком пространственном разрешении
(< 1 мкм);
ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЦЕСС
Модуль
Лазер
Реактор
Безмасляная от-
качная система

Газораспределительная система
Система пылеза-
щиты
Контрольно-
измерительная
аппаратура

Автоматизированная система
управления лазерным
процессом
Оптическая
система
Материалы
Рабочие газовые
среды
Материалы
оптических вводов и
оптической
системы
Конструкционные
материалы
реактора
Материалы
лазерного шаблона
|—
Технология
Оптимизация по
физическим
параметрам
формируемых структур
Оптимизация по
производительности
Система
формирования
луча
Система
совмещения
Лазерные
шаблоны
Рис. 2.5.13. Структура лазерного процесса

ЛАЗЕРНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
165
универсальности методов лазерной
диагностики.
Только один из наиболее чувствительных
методов лазерной диагностики - рамановская
спектроскопия - способен обеспечить
получение информации о параметрах
технологического процесса - давлении, температуре,
концентрации компонентов, скорости реакции,
расходе компонентов - и, следовательно,
обеспечить управление технологическими
процессами по заданной программе без участия
человека. Рамановская спектроскопия при
контроле функциональных слоев дает информацию о
распределении напряжений, плотности
точечных дефектов, морфологии поверхности,
ориентации и размере кристаллов, температуре
(локальной), энергетическом барьере между
функциональными слоями, плотности заряда
на границе функциональных слоев, энергии
ловушек, сечении захвата примесей.
Таким образом, возможно совмещение
лазерного контроля физических свойств
функциональных слоев ИС в реальном масштабе
времени в ходе технологического процесса с
лазерным контролем самого технологического
процесса и оперативным управлением
последним. Это открывает возможность полной
автоматизации производства ИС, исключения
субъективного фактора из технологии и
значительного повышения процента выхода годных
ИС.
Разработка любого лазерного
технологического процесса обычно включает в себя (рис.
2.5.13) создание модуля (установки),
получение или выбор материалов для лазерного
процесса и отработку самого процесса.
Оптимизация технологических лазерных
процессов проводится по параметрам
формируемых структур, технологическому
согласованию лазерных процессов и
производительности.
2.5.4. ЛАЗЕРНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В лазерном технологическом
оборудовании используются в основном твердотельные,
газовые и эксимерные лазеры. Независимо от
типа лазера, режима работы (непрерывного,
импульсного-периодического) и назначения
лазерные технологические установки состоят
из ряда аналогичных функциональных узлов и
имеют общую структурную схему (рис. 2.5.14).
Лазерное излучение 2 от излучателя 1
формируется оптической системой 7 через
устройство 5 дозирования энергии в световой
пучок с определенными пространственными и
временными характеристиками и направляется
на обрабатываемый объект 8. С помощью
оптической системы 7 осуществляется
визуальный контроль положения обрабатываемого
объекта, наблюдение за ходом обработки и
оценка результата. Устройство 9 обеспечивает
фиксацию обрабатываемого объекта на трехко-
Рис. 2.5.14. Типовая схема лазерной технологической
установив
ординатном столе, управляемом
программирующим устройством (микроЭВМ) 10. С
управляющим процессором связаны также
устройства контроля за лазерным излучением
3 и d, а также датчики 11 контроля параметров
технологического процесса, на основании
информации от которых поступают команды
управления источником питания излучателя 4
и устройством дозирования энергии 5.
Для реализации лазерно-химических
процессов технологическая установка может
быть дополнена устройством подачи в рабочую
зону технологической (рабочей) среды 13 и
источниками дополнительной энергии 12
(механической, электромагнитной и др.).
Датчики 11 контроля параметров
технологического процесса могут контролировать
температуру зоны обработки, состояние поверхности,
яркость свечения плазменного факела и давать
сигналы управляющему устройству для
изменения параметров излучения или прекращения
операции.
Основным элементом любой лазерной
технологической установки является лазерный
излучатель. Успехи в создании
технологических лазеров позволяют на серийных
промышленных установках получать необходимые
параметры излучения. Так, для
технологических СС>2-лазеров достижима мощность
порядка 10 кВт в непрерывном режиме, 2 кВт в
импульсно-периодическом режиме с частотой
повторения 100 кГЦ и энергией импульса 10
Дж.
Созданы установки, использующие
твердотельные лазеры на алюмоиттриевом гранате

166 Глава 25. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
мощностью до 2 кВт в непрерывном и до
10 ГВт в импульсно-периодическом режимах с
частотой повторения импульсов до 1000 Гц.
Эксимерные лазеры, работающие в УФ-
области, позволяют обеспечить высокую
однородность излучения по площади поверхности
и минимальные (порядка 1 мкм) размеры
пятка фокусировки.
Технологические лазеры на углекислом
газе. Мощные СС^лазеры активно
используются в таких технологических операциях, как
лазерная сварка, пайка, упрочнение,
модификация поверхности, лазерная резка, сверление,
скрайбирование, термохимическая и лазерно-
плазменная обработки.
В табл. 2.5.10 приведены характеристики
СО2-лазеров с диффузионным охлаждением
рабочей смеси, в табл. 2.5.11 - быстропроточ-
ных с продольной прокачкой газа, в табл.
2.5.12 - быстропроточных с поперечной
прокачкой газа, в табл. 2.5.13 - импульсно-
периодических СОг-лазеров.
2.5.10. Характеристики СО2-лазеров с диффузионным охлаждением рабочей смеси (Россия)
Модель
лазера
М400
"Кардамон"
"Иглан-3"
МКТЛ-1
Метод накачки

Самостоятельный
продольный
разряд
постоянного
тока
Продольный
разряд
переменного тока i
Мощность
лазера Р,
кВт ,
0,4
0,8
1,0
3,0
1,0
Длина
разрядной
трубки 1; м
1,5
6,0
-2,2
4,0
1,0
Число
разрядных
трубок Мф
12
4
39
60
Число
зеркал
в
резонаторе
Лз
13
8
7
2
2
P№w),
Вт/м
22
33
75
19
17
Р/1
Вт/м
266
133
450
750
1000
2.5.11. Характеристики быстропроточных СОг-лазеров с продольной прокачкой газа
Модель
лазера
"Карат"
"United
Technology"
Мощность
лазера Р,
кВт
1,2
6,0
Число
разрядных
трубок Nrg
8
8
Длина
разрядной
трубки /, м
0,25
0,5
Число
зеркал в
резонаторе N3
8
8
РД/^тр),
Вт/м
600
1500
Вт/м
2400
6000
2.5.12. Характеристики быстропроточных СОг-лазеров с ноперечной прокачкой газа
Модель
лазера
"Mitsubishi"
GTE-973
ЛТ-1
GL-5
ТЛ-10
СО2-ЭИЛ
"Циклон"
Метод накачки
Поперечный
самостоятельный разряд
Тоже
_ •• _
Поперечный
несамостоятельный разряд с
электронным пучком
Поперечный
несамостоятельный разряд с
периодической
ионизацией
Мощность
лазера Р,
кВт
1,5
3
5
5
10
10
6
P/I*,
кВт/м
0,9
3,3
5,5
5,0
7,7
10
7,9
Энергосъем с
1 м3 газовой
смеси, кВт
1,7
1,3
1,8
-
1,4
1Д
0,7
Энерго съем с
1 кг массы
газовой
смеси, кВт
17
60
35
-
36
20
31
кпд
-
0,06
0,06
0,07
0,08
0,09
0,09
* / - длина резонатора.

ЛАЗЕРНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
167
2.5.13. Характеристик» импульсно-периодических СО2-лазеров (Россия)
Модель
лазера
"Дятел"
"Лактан"
ИПЛ-1
Энергия импульса, Дж
5- 10
6
6
2
Длительность
импульса, с
10
@,1 - 100I0'6
C - 10I0
A - 10I0-5
Частота
повторения импульсов, Гц
100 - 200
100
200
500
Средняя
мощность, кВт
1,0
0,6
1,2
1,0
Твердотельные технологические лазеры.
Основной особенностью лазеров этого класса
является возможность достижения
значительной удельной мощности генерации за счет
высокой концентрации активных частиц. В
качестве активной среды в таких лазерах
используются и различные кристаллы и стекла,
легированные ионами переходных металлов.
Наибольшее распространение получили не-
одимовые лазеры на стеклах и аллюмоитгрие-
вом гранате (АИГ), легированных ионами
неодима, которые позволяют получать
непрерывное излучение, а также импульсно-
периодический режим с частотой повторения
до 1000 Гц. К числу наиболее
распространенных относятся установки серий "Кристалл",
ТОС", "Корунд" - на стекле с неодимом;
"ГОР", "Луч", "Искра" - на рубине; "Квант",
"ЛГИ", "ЛТН" - на АИГ.
В табл. 2.5.14 даны характеристики и
области применения ряда установок с
твердотельными технологическими лазерами. В табл.
2.5.15 приведены некоторые характеристики
импульсно-периодических установок на АИГ.
Области применения лазеров на АИГ:
Nd3+ распределяются следующим образом:
электронная промышленность - 55 % (отжиг,
подгонка, пайка, герметизация и пр.),
авиационная промышленность - 20 %, автомобильная
промышленность - 15 %, другие отрасли - 10 %.
В табл. 2.5.16 приведены характеристики
технологических лазеров на АИГ: Nd3+,
работающих в непрерывном режиме, а в табл.
2.5.17 - в импульсно-периодическом режиме.
2.5.14. Характеристики
Модель
установки
"Квант-9"
"Квант-12"
"Квант-15"
"Квант-17"
"Квант-18"
"Кристалл-6"
"Кристалл-8"
"Корунд"
"Квант-20"
"Квант-50"
Активный
элемент
АИГ
АИГ
АИГ
АИГ
АИГ
Стекло с
неодимом
Стекло с
неодимом
Стекло с
неодимом
АИГ
АИГ
технологических установок на
Энергия
импульса,
Дж, или
мощность,
Вт
8Дж
5Дж
15 Дж
4-20Дж
8 - 130 Дж
0,5 - 4 Дж
ОД Дж
0,5 Дд
60 Вт
125 Вт

Длительность
импульса, мс
0,5 - 0,7
1,5-4
8- 10
-
0,1 - 0,2
E0-70I0-3

Непрерывный
основе твердотельных лазеров
Частота

следования
импульсов,
Гц
1
20
10
1
20
10
-
-
Область применения
Сверление отверстий в
алмазных фильерах и
других материалах
Шовная сварка
Сварка, газолазерная
резка, термообработка,
сверление
Герметизация корпусов
интегральных схем
Термоупрочнение,
сварка
Сверление и
фрезерование
Подгонка
толстопленочных резисторов
Сверление
Резка, сварка
Резка, термоупрочнение,
сварка

168 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Тип лазера
ЛТИ-501
ЛТИ-502
ЛТИ-504
ЛТИ-701
ЛТИ-702
ЛТИ-709
5.15. Характеристики импульсно-периодических установок на ЛИГ (Россия)
Длина
волны, мкм
1,064
1,064
1,064
0,532
0,532
0,532
Средняя
мощность,
Вт
8
16
4
4
2
0,63
Частота
следования
импульсов,
Гц
5-50
8- 50 ,
5-25
1 -25
1 -25
40 - 1000
Расходимость,
рад
Ю-3
2-Ю-3
210-3
11,510-3
1,510-3
-
Диаметр
пучка, мм
1,5
1,0
2,0
0,8 - 1,0
0,8 - 1,0
0,5 - 1,5
Масса, кг
225
225
280
225
225
105
2.5.16. Характеристики технологических лазеров на ЛИГ, работающих в непрерывном режиме
Модель
лазера
Y50CW
Y100CW
LB1600
400 Series
400 Series
IAY-654
400 Series
YL-117-48
YL-117-28
Выходная
мощность, Вт
60
120
60
250 -
500
600
1000
1200
600
Диаметр
луча, мм
4
4
-
6
6
6
6
8
8
Расходимость,
мрад
5
5
-
14
20
25
30
15
15
Назначение
Подгонка, маркировка
Сварка, резка
Передача излучения по
оптическому волокну до 100 м
2.5.17. Характеристики технологических лазеров на ЛИГ,
работающих в импульсно-периодическом режиме
Модель
лазера
SS-384
SS-525LD
KLS322
SS-550
LB-7
400-Q
MS-3S
IAY-606A
KLS-322
KLS-522
Энергия
импульса,
Дж
20
25
50
60
4
5
15
100
70
85
Частота
следования
импульсов,
Гц
6
200
1 - 300
200
-
3-Ю3
100
200
300
300
Длительность
импульса, мкс
103 - 104
102 - 104
102 - 104
102 - Ю4
0,26
5-Ю2
1<Р
10
2- 10
Диаметр
луча, мм
6,35
16
6
18
-
6
6
10
6
10

Расходимость,
мрад
6
4
2
8
-
14
2
15
2
2
Назначение,
особенности
Сварка
Сверление, резка
Маркировка
Универсальное
Резка, сварка
Используется
оптическое волокно

ЛАЗЕРНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
169
Технологические лазеры на азоте. Эти
лазеры нашли широкое применение в
технологии микроэлектроники благодаря своим
уникальным характеристикам:
короткой длине волны C37 нм), которая
позволяет фокусировать излучение* в пятно
малых размеров и обрабатывать элементы с
размерами порядка долей микрометра;
малой длительности импульса излучения
A0 не) в сочетании с высокой импульсной
мощностью @,01 - 1 МВт), что позволяет
испарять слои металлов, не затрагивая подложку,
на которую они наносятся, а это весьма
существенно для многих применений.
Характеристики некоторых лазеров на
азоте приведены в табл. 2.5.18.
На базе лазеров на азоте, выпускаемых
отечественной промышленностью, разработан
ряд технологических установок. Так, лазеры
ЛГИ-21 применяются в установках типа
"Кварц" для подстройки монолитных
фильтров, кварцевых резонаторов, а также при
исследованиях, оптимизации и изготовлении
мелких партий гибридньк интегральных схем
с пленочными резисторами. Такие установки
недороги, скорость обработки пленочных
покрытий на них составляет несколько
миллиметров в секунду, а производительность -
сотни операций в час.
Для подгонки резисторов применяются
полуавтоматические установки типа "Кварц-5"
с использованием лазера ЛГИ-505. Скорость
обработки пленки 10 - 30 мм/с,
производительность - 4 - 5 тыс. резисторов / ч. На базе
этой установки разработаны установки для
подгонки толстопленочных резисторов АМЦ-
0662 с ЧПУ и установка прецизионной
подгонки АМЦ-0663.
Лазеры ЛГИ-505 применяются в
технологических установках для корректировки
размеров пленочных элементов (лазерных
ретушерах) ЭМ-551А. Производительность 10 -
20 шаблонов в час.
Лазеры ЛГИ-504 нашли применение в
лазерных генераторах изображений ЭМ-5009А.
На подобных установках можно получать
первичные шаблоны для изготовления БИС с
высокой степенью интеграции размером 40 х
40 мм в течение 50 - 60 мин.
Кроме того, применяются для
диагностики, накачки лазеров на красителях и других
целей.
Технологическое оборудование на экси-
мерных лазерах. Наиболее перспективны для
технологических установок эксимерные
лазерные источники с длиной волны от 0,157 мкм
(F2) до 0,353 мкм (XeF). С точки зрения
производительности наиболее перспективны
импульсные лазерные источники с широкоапер-
турными объективами высокого разрешения
для проекционной лазерной обработки и
системы совмещения (позиционирования)
лазерного луча с точностью не хуже 0,1 мкм.
Лазерные процессы эффективны при плотности
энергии излучения 0,05 - 0,1 Дж/см2. При
обработке подложек диаметром 100 - 200 мм
для технологических установок требуются
эксимерные лазеры с частотой повторения
импульсов 10 - 100 Гц и средней мощностью
100 - 200 Вт.
Применение эксимерных лазеров в
качестве источника УФ-излучения в
фотолитографии при нанесении изображения на
фоторезист как через шаблон, так и при прямой
записи обеспечивает разрешение 0,25 мкм, что
соответствует современным требованиям к
СБИС.
Благодаря локальности и быстроте
обработки лазерная технология обеспечивает
ускорение перечисленных технологических
процессов и повышение качества продукции по
сравнению с традиционными способами.
Предполагается использование
эксимерных лазеров при производстве СБИС в трех
направлениях:
химическое осаждение пленок из газовой
фазы и травление подложек, осуществляемое
благодаря высокой энергии фотона лазерного
излучения;
увеличение разрешающей способности в
фотолитографии до 0,2 мкм при
использовании лазера на F2 (длина волны 157 нм). При
этом короткая длина волны излучения экси-
мерного лазера позволяет фокусировать его
2.5.18. Характеристики технологических лазеров на азоте с длиной волны 337 нм (Россия)
Модель
лазера
ЛГИ-21
ЛГИ-52
ЛГИ-501
ЛГИ-504
ЛГИ-505
Частота
следования
импульсов,
Гц
< 100
< 100
<500
1_ < 1000
< 1000
Средняя
мощность, Вт
3
30
100
210
120
Энергия
импульса,
мДж
0,03
0,03
0,2 - 0,3
0,21
0,12
Диаметр
пучка, мм
3
5
9
5
Расходимость,
мрад
3
3
4,5
3
Наработка
на отказ, ч
1000
250
1000

170 Глава 2.5. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
излучение в пятно диаметром менее
1 мкм, что дает возможность выполнять
локальное осаждение или удаление пленок при
сканировании лазерного луча;
осуществление управления
поверхностными процессами отжига, легирования и
окисления полупроводниковых материалов.
2.5.5. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ БЫСТРОЙ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Быстрая термическая обработка (БТО) в
качестве промышленной технологии в
электронном машиностроении является
альтернативой технологическим операциям,
осуществляемым в диффузионных печах, которым
свойственны следующие недостатки:
большие габаритные размеры;
неэффективность индивидуальной
обработки полупроводниковых пластин и
невозможность встраивания в автоматическую
линию, кластерное оборудование и т.п.;
большие тепловая инерция м
длительность термического цикла;
трудность решения технологических и
конструкторских проблем реализации
процессов, требующих рабочих температур до 1600 К.
Особенно целесообразно применение
БТО при производстве СБИС и УБИС. Так,
чтобы увеличить плотность размещения
элементов на одном кристалле, необходимо
уменьшить размеры элементов до долей
микрометра и по горизонтали, и по вертикали.
Это требует создания тонких диэлектрических
слоев и неглубоких p-w-переходов. Однако это
противоречит необходимости поддержания
высокой температуры в процессе роста оксдед-
ной пленки и при отжиге после окисления для
того, чтобы получить тонкие диэлектрические
слои с заданными электрическими
характеристиками.
Преимущества БТО заключаются в
следующем;
индивидуальной обработке пластин;
широком диапазоне длительности
термического цикла A - 600 с);
высокой скорости нагрева пластин C0 -
300 °С / с и выше);
широком диапазоне рабочих температур
B00 - 1400 °С);
высокой чистоте процесса благодаря
возможности использования реактора с "холодной
стенкой";
измерении температуры непосредственно
у пластины;
обеспечении воспроизводимости
технологического процесса и равномерности
обработки по пластине;
малой занимаемой производственной
площади;
малой стоимости и достаточно высокой
производительности;
максимальном экономическом эффекте
при обработке малых партий пластин;
небольшом объеме камеры для
обработки, что позволяет быстро менять рабочие газы
и обеспечивает возможность проведения
последовательных операций технологического
процесса в одной и той же камере.
Благодаря малой длительности
термического цикла значительно сокращается вредное
тепловое воздействие на ранее
сформированные слои, сохраняется профиль легирования,
обеспечивается получение резких р-п-
переходов. Использование "холодного"
кварцевого реактора (температура менее 500 °С) при
высокотемпературных обработках обеспечивает
минимальное загрязнение пластин
неконтролируемыми примесями.
С помощью БТО (рис. 2.5.15)
реализуются следующие технологические операции:
отжиг ионно-легированных слоев;
формирование р-п -переходов;
получение силицидов металлов;
получение оксидных и нитридных
пленок кремния;
отжиг поликремния;
формирование омических контактов;
оплавление стекла.
Отжиг вовно-вмплантированных слоев.
Выполняется при температуре 1100 °С в
течение 1 - 10 с (рис. 2.5.16). Отжиг активирует
примеси и восстанавливает повреждения
кристаллической решетки. Отжиг на основе БТО
сводит к минимуму перераспределение
имплантированных примесей. Устройства,
изготовленные с помощью БТО, имеют менее
глубокий, чем при обычном отжиге р-л-переход,
Z*c
ноо
(МО
900
ЙРО
ТОО
6*0
i гс w S0 so we t,c
Рис. 2,5.15. Области применения быстрой термической
обработки:
1 - отжиг кристаллов и микроструктур после
имплантации кислорода для формирования областей
диэлектрической изоляции; 2 - отжиг ионно-
имплантированных слоев; 3 - оплавление стекла;
4 - окисление и азотирование; 5 - химическое
осаждение из газовой фазы (CVD); 6 - окисление и
азотирование; 7 - формирование омических контактов

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
171
О 10 20 30 40 50 tfc
Рис. 2.5.16. Типовая температурная характеристика
установок для БТО
минимальную пространственную диффузию
под затвором или боковыми стенками базы и
более низкое сопротивление контактов.
Недостатками быстрого термического отжига
являются образование линий скольжения при
температуре более 800 °С из-за наличия градиента
температуры по поверхности пластины,
искажение кристаллической решетки кристалла,
появление микродефектов. Для их
предотвращения принимаются специальные
конструктивные меры, обеспечивающие равномерность
нагрева пластин, программируется и
контролируется скорость нагрева и охлаждения.
Формирование силицидов. БТО находит
широкое применение для получения пленок
различных силицидов тугоплавких металлов.
Процесс их получения состоит в нагреве до
температуры приблизительно 800 - 1000 °С
пластин кремния с предварительно
нанесенной пленкой тугоплавкого металла путем
химического осаждения из газовой фазы или
напыления в вакууме.
БТО позволяет получать пленки
силицидов с уменьшенным сопротивлением,
проводить их азотирование при минимальном
термическом воздействии на ранее
сформированные структуры. Нагрев для получения
силицидов проводят либо в вакууме (силициды Ti, Та,
W), либо в среде инертного газа (силицид Pt).
Формирование пленок оксида. Обычно
чем выше температура окисления, тем лучше
качество пленок оксида. В установках для БТО
вместе с быстрым термическим окислением
благодаря простой замене газовой среды
можно проводить быстрое термическое
азотирование и быструю термическую очистку, что
невозможно в обычных печах. Температурно-
временной цикл непрерывного процесса при
формировании пленок диэлектрика
посредством БТО показан на рис. 2.5.17. Толщина
пленки оксида кремния в значительной
степени зависит от температуры и времени
окисления. Пленку оксида толщиной 10 нм можно
сформировать в сухом кислороде в течение 60
с при температуре 1100 °С и 120 с при
температуре 1050 °С.
Т,°С
1000
В00
600
№
200
Л -> Ш
Ж
Рис. 2.5.17. Температурно-временной цикл
непрерывного процесса формирования диэлектрических
пленок БТО:
/- быстрое термическое окисление;
//- быстрый термический отжиг;
/// - быстрое термическое азотирование;
IV- быстрая термическая очистка
Эпитаксия кремния посредством БТО в
сочетании с CVD. В технологии УБИС
существует необходимость осаждения тонких
кремниевых эпитаксиальных слоев с резким,
хорошо управляемым легированным переходным
профилем. Чтобы удовлетворить этим
требованиям, продолжительность теплового
воздействия на кремниевую пластину для подавления
эффекта автолегирования должна быть сведена
к минимуму. Одним из способов снижения
энергопотребления для эпитаксиального
наращивания является использование БТО в
сочетании с методом химического осаждения
из газовой фазы (за рубежом CVD). Типовой
процесс эпитаксиального наращивания с
использованием БТО выполняют в такой
последовательности:
камеру откачивают до достижения
базового давления (менее 0,13 Па);
вводят Н2 с целью продувки камеры и
создания установившихся значений скорости
потока и давления;
пластину быстро нагревают до
температуры выше 1000 °С с целью осуществления
отжига в водороде;
пластину быстро охлаждают до
температуры ниже 400 °С, после чего следует ввод газа
SiH2Cl2, объемная концентрация которого
составляет 0,5 - 10 % в общем потоке газа.
Стабилизация давления в камере и
стабилизация скоростей потоков для Нг и S1H2CI
происходят в течение менее чем 30 с;
пластину нагревают до желаемой
температуры осаждения меньше, чем за 3 с.
Диапазон температуры осаждения 850 - 1050 °С.
После окончания процесса пластину быстро
охлаждают.
Оплавление стекол. БТО применяется для
оплавления фосфоросиликатного или бороси-
ликатного стекла. При температуре 1100 °С в
течение 10 - 20 с топография поверхности
стекла изменяется, но без автолегирования,
которое имеет место в 30-минутном цикле
диффузии при температуре 1000 °С.
Температура, достигаемая при БТО, достаточна, чтобы

172 Глава 25. РЕНТГЕНОВСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ ЛУЧИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
расплавить стекло, но короткое время цикла
сводит к минимуму диффузию перехода.
Кроме того, БТО позволяет проводить сплавление
и отжиг в одном цикле.
Формирование омических контактов.
Технология БТО дает существенные преимущества
при образовании методом сплавления
однородных, с низким сопротивлением контактов
между кремнием и металлическими
межсоединениями. Приборы, в которых для получения
омических контактов использовалась БТО-
технология, имеют меньше аномалий в
переходе (таких, как образование выступов и
бугров). Расплавление может иметь место с
меньшим количеством кремния A %) в сплаве
AISi, чем при процессе в диффузионных печах.
Сопротивление контактов может быть еще
больше уменьшено за счет отжига
имплантированного перехода до нанесения слоя
металлизации (р = 410'6 Ом-см).
Оборудование для БТО (рис. 2.5.18 -
2.5.20). Тенденции применения оборудования
для БТО следующие:
использование БТО для газофазных
процессов осаждения пленок методами CVD и
LPCVD (CVD при пониженном давлении), в
том числе эпитаксиальных пленок кремния;
применение БТО в многокамерных ваку-
умно-напылительных установках для отжига,
металлизации и получения силицидов
металлов;
применение модуля БТО в
интегрированных многомодульных (кластерных) системах;
осуществление нескольких процессов в
одном оборудовании;
обработка пластин диаметром до 200 мм.
Комбинация LPCVD и БТО является
решением, объединяющим преимущества
обоих процессов и исключающим присущие им
недостатки. БТО обеспечивает большую гиб-
о о\э о о\э о о о о о о '
ооооооооо
1 ощрачка
еазобая смесь
Рис. 2.5.18. Кварцевая камера БТО:
1 - вольфрамовые галогеновые лампы; 2 - полупроводниковая пластина; 3 - кварцевая труба; 4 - кварцевый
поддон; 5 - пирометр; 6 - отражатель
Рис. 2.5Л9. Металлическая камера БТО:
1 - дуговая лампа; 2 - рефлектор; 3 - кварцевое
окно; 4 - полупроводниковая пластина; 5 - камера
из коррозионно-стойкой стали; 6 - опорные
кварцевые штыри; 7 - окно из флюорида кальция;
8 - ИК-прожектор; 9 - откачка; 10 - ввод газов
Рис. 2.5.20. Охлаждаемая камера БТО:
1 - вольфрамовые лампы; 2 - кварцевое окно;
3 - полупроводниковая пластина;
4 - водоохлаждаемое основание; 5 - механизм
загрузки; 6- ИК-термометр; 7- опорные штыри;
8 - водоохлаждаемая камера; 9 - ИК-излучение

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
173
кость для активного управления температурой
пластин, a LPCVD обеспечивает множество
комбинаций реактивных компонентов газов.
Новое направление в эпитаксиальной
технологии - импульсная эпитаксия кремния с
применением БТО. Толщина переходного
слоя, получаемого при импульсной эпитаксии,
характеризующейся скоростью нагрева пластин
до 1000 °С, может не превышать 10 нм, что
достижимо только методом молекулярно-
лучевой эпитаксии, который сложнее по
аппаратурному оформлению, чем БТО.
Дальнейшее совершенствование и
расширение области использования оборудования
для БТО состоит в создании интегрированных
промышленных установок, обеспечивающих
большое разнообразие технологических
процессов, реализуемых на одной установке, что
значительно уменьшает число загрузок
пластин и увеличивает выход годных изделий.
БТО, которую можно осуществить в
одной реакционной камере с различными
газами, включает:
быструю термическую очистку;
быстрое термическое окисление;
быстрый термический отжиг;
быстрое термическое получение нитрида;
газофазное осаждение слоев.
Требования, предъявляемые к
оборудованию на базе БТО, заключаются в
обеспечении:
желаемой циклограммы нагрева и
охлаждения пластин;
равномерности нагрева пластины;
воспроизводимости параметров процесса
от пластины к пластине и от партии к партии;
минимальной привносимой дефектности;
высокой производительности;
малой занимаемой площади;
возможности применения разнообразных
технологических газов и регулировании их
расходов и давлений;
манипулирования пластиной в течение
процесса.
Одним из наиболее важных требований
для изготовления современного
технологического оборудования на основе БТО являются
точность и повторяющиеся измерения
температуры, выдерживание температурно-
временной циклограммы процесса.
Гибкость управления температурой,
достигаемая в установках на базе БТО, зависит в
основном от характеристик источника
излучения и конструкции рабочей камеры. Важным
требованием к источнику является малая
термическая масса.
Держатели пластин должны обладать
низкими теплоемкостью и теплопроводностью.
Конструкция реактора имеет
существенное значение для достижения основных
преимуществ оборудования на основе БТО.
Максимальная температура стенок камеры не
должна превышать 150 - 200 °С. Это требует
охлаждения всей внутренней поверхности
камеры. В результате камера перестает быть
источником загрязнений и представляет
постоянный тепловой фон.
Если кварц активно не охлаждать, то в
камере будет наблюдаться эффект
"термической памяти", для устранения
которого необходим предварительный нагрев
кварца путем обработки нескольких пластин-
спутников, прежде чем температурно-
временная циклограмма процесса
стабилизируется. Кроме того, высокая температура
камеры снижает скорость охлаждения пластины
вследствие высокой фоновой температуры, что
ведет к снижению производительности обору-
лования.
Рабочая камера должна иметь небольшие
размеры, так как уменьшение объема
уменьшает время очистки и скорость расхода газа.
Материал рабочей камеры должен быть
инертным к коррозионным и реактивным газам.
Система газовой очистки также должна
быть такой, чтобы газовые потоки не
нарушали термическую однородность процесса.
Поскольку оборудование на базе БТО
предназначено для индивидуальной обработки
пластин, следует свести к минимуму
привносимые загрязнения пластин во время их
транспортировки.
Кроме того, оборудование на основе
БТО должно удовлетворять требованиям
соответствующих стандартов в отношении времени
запуска, надежности, простоты обслуживания,
производительности и экологической
безопасности.
Важное значение имеет организация
охлаждения. В большинстве случаев до
температуры 700 - 600 °С охлаждение происходит за
счет теплового излучения пластины.
Дальнейшее снижение температуры пластины
производится путем обдува ее инертным газом или
помещения пластины на водоохлаждаемый
столик. Для этого практически все установки
имеют позицию остывания, что позволяет
избежать появление в пластине сильных
температурных напряжений.
В качестве источников излучения
предпочтительны вольфрамовые галогенные лампы.
Для обеспечения воспроизводимости цикла
термообработки установки оснащаются
замкнутыми системами контроля и регулирования
температуры полупроводниковых пластин
(точность поддержания температуры 1 - 3 К).
В качестве материала рабочей камеры
используются кварц (в большинстве
установок), коррозионно-стойкая сталь, алюминий и
карбид кремния.
Для уменьшения загрязнения пластин
ионами металлов стенки и детали
реакционной камеры охлаждают, манипулирование
пластинами осуществляют с помощью
кварцевых держателей на вакуумных присосках.

174
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Неконтролируемое загрязнение газовых
смесей устраняется продувкой камеры
чистыми газами после каждого цикла
термообработки, а также поддержанием в камере
избыточного давления для предотвращения натекания
газа из атмосферы.
Газовые каналы оснащают фильтрами
для очистки от микрочастиц, каналы
изготовляют из электрополированной коррозионно-
стойкой стали.
Мощность, потребляемая установками
БТО, составляет 10 - 80 кВт.
Системы управления установками БТО
позволяют программировать многоступенчатые
циклы термообработки и подачи
технологических газов в рабочую камеру.
Область применения БТО постоянно
расширяется в основном за счет обработки
изделий в различных технологических средах.
Оборудование для БТО пригодно для
использования в составе интегрированных
многомодульных (кластерных) систем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акифьев В. Ю., Гревцев Н. В.,
Гриценко А. Л. Ренттенолитография в
производстве СБИС // Обзоры по электронной технике
"Технология, организация производства и
оборудование", Сер. 7, 1988, вып. 10 A362). С. 75.
2. Беретки Д. Прогноз развития
электронной техники и технологии на 1992 г.
Совершенствование технологических процессов //
Электроника. Т. 65, № 9 - 10, 1992, С. 19 - 29.
3. Боков Ю. С, Берестенко М. К., Аюков
Л. А. Лазерная технология в
микроэлектронике // Электронная промышленность, 1990, №
11, С. 72 - 77.
4. Гревцев Н. В. Тенденции и
перспективы развития способов и оборудования
литографии // Электронная техника, Сер. 3.
Микроэлектроника, 1987, вып. 4 A24), С. 162 -
170.
5. Менушенков А. П., Неволин В. Н.
Лазерная технология. М.: Изд. МИФИ, 1993. 167 с.
6. Haigh J., Raylett M. Photo-initiated
deposition and etching of materials relevant to
semiconductor devices // Prog. Quant. Electr.,
1988, DOL Z. P. 1 - 85.
Глава 2.6
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ТОНКИХ ПЛЕНОК
2.6.1. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ,
ТОНКИХ ПЛЕНОК И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Общая характеристика. Под тонкими
пленками подразумевают нанесенные в
вакууме или газовой среде слои, толщина которых
составляет не более 3 мкм. Условия
формирования тонкой пленки значительно отличаются
от условий изготовления массивных
материалов, что обусловливает и различие их физико-
химических свойств. Рост тонкой пленки
начинается с образования зародышей-островков
на поверхности подложки, и в начале процесса
они не связаны друг с другом. Постепенно
увеличиваясь в размере и численно, зародыши
образуют сплошную пленку.
Металлические слои до образования
сплошного покрытия обладают туннельной
проводимостью. Сплошные слои приобретают
металлическую проводимость, однако из-за
меньшей длины свободного пробега
электронов в направлении, перпендикулярном
подложке, удельное электросопротивление их
сильно увеличивается с уменьшением
толщины, причем, как правило, превосходит по
абсолютному значению удельное сопротивление
массивных материалов. Толщина влияет и на
другие характеристики тонких пленок. При
изменении условий нанесения характер этого
влияния и различия между свойствами тонких
пленок и массивных образцов можно
изменять.
Важными характеристиками тонких
пленок являются их толщина, химический состав,
структура. Они определяют различные
свойства пленок. Требования к характеристикам
слоев зависят от области их применения и
назначения. Наиболее многогранное применение
тонкие пленки находят в планарной
технологии изготовления интегральных схем (ИС). К
характеристикам пленок, методам их
формирования и используемому оборудованию
предъявляются очень высокие требования.
Технологический процесс изготовления ИС
является очень наглядной иллюстрацией
методов формирования тонких пленок и
особенностей построения технологического
оборудования.
На рис. 2.6.1 показано сечение
фрагмента кремниевой биполярной ИС. Изготовление
ИС - это создание многослойной структуры
путем последовательного формирования на
поверхности полупроводниковой
(кремниевой) пластины диэлектрических,
полупроводниковых, проводящих слоев, включая их
селективное травление, окисление, легирование,
эпитаксиальное наращивание и т.д.
На рис. 2.6.2 схематически показано
сечение фрагмента современной ИС,
полученной с использованием ряда перспективных
процессов и минимальными размерами
элементов 0,25 мкм.
Сравнив рис. 2.6.1 и 2.6.2, можно сделать
вывод, что перспективная технология включает
в себя формирование отдельных слоев с пла-
наризованной поверхностью. Отсутствуют
частично заполненные металлом контактные
окна, а на поверхности слоя межуровневой
изоляции отсутствует рельеф проводников
нижележащего уровня, используется более широкая
номенклатура материалов. Несмотря на
изменение размера элементов в плане, толщина
слоев обычно не изменяется.

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
175
Рис. 2.6.1. Сечение фр
i биполярной СБИС:
1 - подложка; 2 - скрытый слой и+ типа (п + ее); 3 - эпитаксиальный слой; 4 - щелевая изоляция;
5 - р+ коллектор; 6 - скрытый слой р+ типа и п+ глубокий коллектор; 7- пассивная база; 8 - активная база;
9 - эмиттер; 10 - оксид, полученный термическим окислением; 11, 12 - поликремний; 13, 16 - металл;
14, 15 - изолирующий диэлектрик (ВД); В - база; Е - эмиттер; С - коллектор
а)
Процессы изготовления ИС, схемы
которых изображены на рис. 2.6.1 и 2.6.2,
включают в себя несколько сотен операций, и каждая
из них может быть выполнена только с
определенной точностью и с внесением в каждый
кристалл определенного числа случайно
распределенных дефектов (к). Выход годных
кристаллов ИС или отдельного элемента ИС
зависит от точности выполнения операции или
отработанности технологического процесса,
качества работы технологического
оборудования, качества используемых материалов и т.д.
Обычно производство кристаллов считается
эффективным, если на операции "Контроль
функционирования на пластине" выход годных
кристаллов достигает 70 %. Если
технологических операций в маршруте около ста, этого
можно достичь, если на каждой операции на
одном кристалле Х( будет меньше 0,0035.
б)
Рис. 2.6.2. Сечение фрагмента ИС:
а - тенденции изменения тонкопленочных
межсоединений; 1 - диэлектрик; 2 - сплав А1; 3 -
переходный металл; 4 - SiO2; 5 - W; 6 - Си; б - варианты
многоуровневой металлизации ИС; 1 - Си; 2 - А1 или
Си; 3 - диэлектрик; 4 - W
С уменьшением минимального размера
элементов и увеличением числа уровней
межсоединений до трех - пяти существенно
увеличилась необходимость получения таких
параметров межсоединений, как низкое
электрическое сопротивление проводников и контактов,
малая емкостная связь между проводниками.
Использование мелких р-л-переходов в
транзисторных структурах потребовало
применения в контактах к кремнию недеградирующих
при термообработках барьерных проводящих
слоев. При фотолитографии для получения
качественного рисунка с минимальными
размерами под пленку фоторезиста потребовалось
нанесение антиотражающего слоя.
Следовательно, в современных ИС значимость
технологических операций, связанных с нанесением
и обработкой тонких пленок, очень высока.

176
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Материалы и процессы формирования
тонких пленок, используемые при изготовлении
ИС. Существует ряд общих требований к
процессам формирования слоев:
неравномерность толщины пленки
г - ±-? по поверхности
пластах + "min )
стины диаметром 100 - 200 мм не должна
превышать 0,1 для простых ИС и 0,01 - 0,02 для
ИС специального назначения. При
изготовлении СБИС с минимальными размерами
элементов 1 мкм обычно требуется Ah < 0,02 ...
0,05;
однородность химического состава и
физической структуры пленок (этот параметр
обычно контролируется по скорости травления
в определенном травителе); к
воспроизводимости скорости травления также
предъявляются высокие требования, как и к
неравномерности толщины;
процесс нанесения должен иметь
приемлемую производительность, которая
характеризует объем пленки, осаждающейся на
пластинах заданного диаметра с
неравномерностью толщины не более Ah ;
содержание неконтролируемых
микропримесей в исходных материалах для
формирования пленок, как правило, не должно
превышать 10 %. Для ряда примесей это
требование значительно жестче. Например, для
щелочных элементов типа Na это менее 10
%, а для такого элемента, как Th - менее ДО"8 -
10~10 %. Уровень микропримесей,
привносимых в пленку во время ее формирования,
также не должен превышать эти значения;
пленка должна иметь хорошую адгезию к
подложке. Это обеспечивается, если между
подложкой и осаждаемой пленкой на
атомарном уровне возникают физико-химические
силы взаимодействия. В первую очередь, это
зависит от чистоты поверхности пластины. На
поверхности пластины не должны
присутствовать неконтролируемые прослойки инородных
веществ.
Даже по отношению к идеально
очищенной поверхности некоторые материалы не
обладают приемлемой адгезией. Например,
благородные металлы типа золота, платины
при обычных условиях осаждения не вступают
во взаимодействие с пленкой SiC>2, поэтому не
образуют с ней достаточных сил сцепления;
используемые материалы и технология
нанесения пленки не должны приводить к
деградации сформированных на пластине
структур, в частности, при последующих
операциях термообработки;
кроме специальных случаев,
осаждающаяся пленка должна конформно покрывать
рельефную поверхность пластины;
в процессе нанесения необходимо
минимизировать механические напряжения в
системе подложка-пленка;
процесс нанесения пленки не должен
оказывать отрицательное воздействие на
окружающую среду.
Тонкие пленки, используемые при
формировании транзисторной структуры. При
формировании транзисторной структуры на
монокристаллической кремниевой пластине
основные типы слоев формируются путем
преобразования самой кремниевой пластины.
Отдельные участки монокристаллического кремния
легируют примесями п- или р-шпа,
проводимости, формируя таким образом области р-п-
переходов. Когда нужно в толще кремния
иметь локальные ("скрытые") слои с более
высокой проводимостью, чем у слоя
вышележащего монокристаллического кремния, на
пластину кремния со сформированными низ-
коомными областями наносят высокоомный
монокристаллический слой кремния эпитакси-
альным наращиванием. При этом на
кристаллическую подложку наносится
монокристаллический слой, у которого ориентация
кристаллической решетки совпадает с
ориентацией кристаллической структуры подложки. Для
создания эпитаксиальных структур обычно
используется осаждение из газовой фазы (см.
подразд. 2.6.2).
Термическое окисление кремния
является одной из основополагающих операций пла-
нарной технологии изготовления кремниевых
ИС. Ни один другой процесс формирования
оксидной пленки на поверхности кремниевой
пластины не позволяет получить такие же
высококачественные диэлектрические
изолирующие слои относительно простым и
экономичным методом, как термическое окисление
(см. подразд. 2.6.4).
Слои диоксида кремния, полученные
термическим окислением, используют в
качестве маски при локальном легировании
кремния и для изоляции отдельных элементов ИС.
Материалы и методы, используемые для
формирования контактных, барьерных и
проводящих слоев. Для изготовления
выпрямляющих и невыпрямляющих омических контактов
к полупроводниковым приборам с глубиной
залегания p-w-перехода порядка одного
микрометра и более обычно используется чистый
А1. Он по сравнению с другими материалами
позволяет получить низкоомные проводники и
омические контакты (табл. 2.6.1). После
формирования контактов в процессе дальнейшей
обработки пластины могут подвергаться
термообработке при температуре до 400 - 500 °С.
При такой температуре в алюминиевом
проводнике из контактного окна может
растворяться до 0,5 - 0,7 % кремния. При остывании
пластины Si, растворившийся в А1, образует в
контактном окне эпитаксиальный слой Si

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
177
2.6.1. Характеристики омических контактов некоторых материалов с кремнием
Материал
контакта
AISi
А1 (тонкий)
PtSi
W
TiSi2
TiN
TiW
Температурная
стабильность
на Si, °C,
не более
250
-
750
600
900
-
700
Удельное

электросопротивление,
мкОмсм
3,3
-
28- 35
6 - 15
13- 16
25 - 200
75 - 200
Температура
плавления,
°С
660
-
1229
3410
1540
2280
Адгезия
KSiO2
Хорошая
-

Удовлетворительная
Слабая
Хорошая
_ м .
_ м _
Удельное контактное
сопротивление, Оммкм2
п+ Si
50 -90
8
4-20
15-20
15
10
7 - 17
р+ Si
15 - 100
8
7- 10
25
40 - 100
10 - 100
20
р-типа. В выпрямляющих контактах Шотгки
на и-типе Si это приводит к изменению
характеристик диода Шотгки. Одновременно это
сопровождается проникновением А1 в Si,
вплоть до замыкания неглубоких р-п-
переходов. Для уменьшения взаимного
проникновения в А1 вводят до 1 % Si. Это
позволяет формировать контакты к приборам с
глубиной р-и-перехода до 0,5 мкм. Для
приборов с более мелкими переходами, а также для
создания стабильных диодов Шотгки между Si
и А1 вводится барьерный слой типа Ti A0 %),
W (90 %) или TiN, Ti и др. Омические
контакты в этом случае формируются на основе
силицидов Pt, Ti, Co и др. В этом случае в
проводник из А1 не обязательно вводить Si.
Однако проводник из чистого А1 недостаточно
устойчив к процессу разрушения под
действием электромиграции. Значительно более
высокое время жизни (/ц) имеют проводники из А1
с крупнокристаллической столбчатой
структурой. При получении таких пленок температура
подложки составляет 400 - 450 °С или
подложка должна подвергаться бомбардировке
ионами, в частности конденсирующегося
металла А1. Более распространенным методом
повышения /jj, является добавление в А1
примесей Си @,5 - 0,2 %), Ti @,5 %) и других
элементов.
После нанесения пленки А1, особенно
после отжига этой пленки при температуре
более высокой, чем температура подложки в
процессе нанесения, на ее поверхности
образуются отдельные, достаточно высокие
кристаллиты-бугорки, возникшие в результате
собирательной рекристаллизации. Они
приводят к дефектности изолирующих слоев и
закорачиванию проводников. Число и высота
бугорков увеличиваются с повышением
температуры подложек при нанесении пленки до 200 -
300 °С. С дальнейшим повышением
температуры подложки при увеличении размеров
кристаллитов в пленке число бугорков
уменьшается, а их высота стабилизируется или может
начать уменьшаться. В пленках сплавов А1
размер зерна значительно меньше, чем у А1, и
они меньше подвержены рекристаллизацион-
ным явлениям. В качестве таких добавок чаще
всего используется Си или Ti. Однако добавки
Си и Ti уменьшают устойчивость проводников
к коррозии, особенно при использовании
плазмохимических процессов травления. С
целью предотвращения коррозии
оборудование для плазмо-химического травления (ПХТ)
сплавов AlCu и AITi имеет специальные
системы для очистки поверхности пластин от
продуктов травления перед выносом пластин
из рабочей камеры.
Для нанесения проводящих пленок
наибольшее распространение нашли вакуумные
методы:
термическое испарение в вакууме;
разновидность ионного распыления -
магнетронное распыление.
В первом случае для промышленного
оборудования наиболее часто используются
электронно-лучевые испарители с водоохлаж-
даемыми тиглями. Во втором случае с целью
увеличения скорости распыления при
уменьшенном давлении рабочего газа Аг над
поверхностью мишени создаются скрещенные
электрическое и магнитное поля. Это
позволяет в локализованных участках значительно
увеличить плотность плазмы, соответственно
плотность ионного тока на мишень и скорость
распыления.
В промышленности преимущественно
используется магнетронное распыление. Оно
позволяет наиболее точно воспроизводить в
пленке сложный химический состав мишени в
течение длительного срока ее службы. При
ионном распылении материал мишени
стравливается с поверхности послойно без
накапливания какого-либо плохо стравливаемого
элемента. Состав мишени при этом не
изменяется. При термическом испарении испаряемый
материал, как правило, расплавляется. Из-за
большой разницы в давлении паров различных
элементов состав испаренного потока и мате-

178
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
риала, остающегося в испарителе, постоянно
меняется.
При распылении не требуется нагревать
мишень до очень высоких температур,
приводящих к сильному нагреву деталей внутрика-
мерных устройств и газовыделению с их
поверхностей, как при термическом испарении в
вакууме. Объем рабочей камеры, необходимый
для реализации магнетронного
распылительного устройства, существенно меньше, чем
устройства с электронно-лучевым испарением.
При подаче на подложку отрицательного
потенциала относительно плазмы осаждение
пленки в устройстве с магнетронным
распылением протекает одновременно с частичным
обратным стравливанием. Это позволяет
сглаживать рельеф поверхности осаждаемой
пленки и управлять структурой
конденсирующегося слоя.
В контактном окне перед нанесением
пленки металла верхнего уровня всегда
присутствует оксидная пленка толщиной в
единицы или десятки нанометров. С целью
уменьшения контактного сопротивления и
повышения выхода годных контактов ее необходимо
стравить (обычно в плазме) и, не вынося
пластины в атмосферу, передать их в камеру
нанесения металла.
Использование ионов Аг для плазменной
зачистки пластин и распыления мишени
упрощает создание многокамерных установок
для последовательного выполнения этих
операций. При магнетронном распылении и
термическом испарении в вакууме распыленный
или испаряемый поток атомов практически
без соударения достигает поверхности
пластины. Если эти атомы не имеют достаточной
энергии и не получают ее при соударении с
подложкой, то они, совершая незначительные
колебательные движения, закрепляются на
поверхности практически в точке падения, как
правило, со слабой связью с атомами
поверхности пластины. При этом осаждающаяся
пленка растет, а ее кристаллическая структура
ориентируется в направлении поступления
конденсирующихся атомов.
При вакуумных методах нанесения
пленок используются локализованные по
площади источники конденсата. Испаряемые потоки
вещества от различных участков источника
обычно отличаются по составу, энергии и
плотности потока, испускаемого источником в
различных направлениях. Эти особенности
следует учитывать при создании вакуумного
оборудования для нанесения пленок с
заданной неравномерностью толщины.
Поток массы вещества от ьй точки
испарителя или 1-й элементарной площадки
распыляемой мишени в у-ю точку конденсации в
момент времени / может быть рассчитан по
формуле
где /И/ - расход массы вещества в момент
времени t из ьй элементарной площадки
испарителя (распыляемой мишени) в единицу
времени; f[Pij (/)] - функция, описывающая
зависимость расхода вещества из /-й точки
испарителя (мишени) по различным направлениям в
момент времени t9 Py - расстояние между
точками / и у; Дш) - функция распределения
потока вещества по всем направлениям; со -
телесный угол.
За элементарный отрезок времени At в
у-й точке подложки конденсируется слой
толщиной
atj (t) сойЛГу J
At, B.6.1)
где Nj - нормаль к поверхности конденсации в
у-й точке подложки; у - плотность материала
пленки.
С ростом энергии конденсирующегося
атома или температуры подложки амплитуда
колебаний конденсирующегося атома
увеличивается. В поле поверхностных сил он может
совершать ряд скачкообразных перемещений,
пока не найдет более устойчивое положение.
Следовательно, с повышением температуры
подложки появляется возможность
перераспределения массы конденсата по поверхности
пластины.
В этом случае рассчитанная по формуле
B.6.1) толщина пленки Ау,
сконденсировавшаяся в точке у, перераспределится по
соседним участкам поверхности пластины.
Среднюю длину поверхностной диффузии L
конденсирующегося атома можно считать
пропорциональной: exp[-i?fl / (кТ)]у где Ед -
энергия активации поверхностной диффузии
конденсирующихся атомов; к - постоянная
Больцмана; Т - температура подложки.
Следовательно, рост пленки в каждой у-й точке
поверхности пластины будет определяться
суммированием вклада всех участков в радиусе
вокруг у-й точки, равном ЗХ (при точности анализа
Зст). Учет поверхностной диффузии конденсата
очень важен при нанесении пленок на
рельефную поверхность. При вакуумных методах
нанесения из-за затенения от источника и изменения
наклона поверхности в узких зазорах (отверстиях)
рельефа пластины толщина конденсирующейся
пленки значительно уменьшается, образуются
трещины (рис. 2.6.3).

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
179
Рис. 2.6.4. Тонкопленочная щелевая изоляция:
1 Рис. 2.6.3. Расчетные профили пленок, осажденных на трапециевидный микрорельеф в
зависимости от его геометрических размеров:
1 - 4- а = 90 °; 5 - <?- а = 70 °; 1, 5- Л/ А = 0,25; 2,6-Н/А- 0,5; 3, 7-Н/А- 1,0; 4,8-Н/
где А= 1 мкм - ширина основания канавки; Н - высота канавки; а - угол наклона боковых стенок
На нагретой подложке, если Ед не очень
велико, образования трещин можно избежать,
однако при нанесении пленок из А1 и его
сплавов это реализуется не во всех случаях.
Для тугоплавких металлов Еж велико и нужны
очень высокие температуры, чтобы
поверхностная диффузия дала заметный эффект.
Заполнить контактное окно алюминием можно
принудительно. Например, пластина с
контактными окнами и нанесенной на нее
толстой пленкой А1 помещается в камеру, в
которую напускается аргон под давлением до
7-Ю7 Па и поддерживается температура до
430 °С. В этих условиях масса А1, нанесенная
на пластину, перераспределяется, вдавливается
в контактное окно, создавая надежный контакт
и планаризуя рельеф поверхности контакта.
Используют методы нанесения пленок из
газовой фазы. В этом случае источником
является полусфера радиусом, равным средней
длине свободного пробега газообразных
исходных реагентов. Обычно подбирают такие
условия, чтобы химические реакции с
образованием материала пленки протекали на
поверхности пластины, концентрация исходных
реагентов в каждой точке подложки была
достаточной, а скорость осаждения пленки в
основном определялась температурой. Молекула
газообразного реагента, адсорбируясь на
поверхности пластины, перемещается по ней и
попадает в углубление рельефа до момента
протекания химической реакции. Эта
молекула, не вступая в химическую реакцию, может
десорбироваться и повторно адсорбироваться в
более труднодоступных участках углублений
рельефа.
Все это способствует образованию на
рельефной поверхности слоя более
равномерной толщины, чем при вакуумных методах
нанесения пленок. Характерным примером
может служить газофазное пиролитическое
осаждение слоев SiC>2 и поликремния при
формировании щелевой изоляции (рис. 2.6.4).
2,0;
Слои SiO2 и поликремния практически
равномерно осаждаются на поверхности
пластины, стенок и дна щелевидных канавок в
кремнии. Толщина *слоя Si увеличивается до
тех пор, пока канавка полностью не
заполнится поликремнием. На поверхности
поликремния в местах расположения щелей остаются
небольшие углубления. Затем на пластину
наносят слой фоторезиста, который заполняет
эти углубления и сглаживает рельеф
поверхности. Пластина далее помещается в плазму, в
которой фоторезист и поликремний травятся с
одинаковой скоростью до стравливания Si до
поверхности пластины. Можно обойтись и без
нанесения фоторезиста.
Аналогичным методом можно заполнить
узкие (менее 0,8 мкм) и глубокие (менее
1,5 мкм) контактные окна вольфрамом. Для
этого используется реакция восстановления W
водородом из WF6*.
ЗН2 = W(tb.) + 6HF(ra3.).
Эта реакция хорошо протекает на
металлической поверхности, поэтому
предварительно на поверхность пластины наносится
проводящая пленка TiN, которая одновременно
служит адгезионным слоем, так как по
отношению к поверхности Si(>2 слой W имеет
слабую адгезию. Чаще всего пленка TiN
наносится реактивным магнетронным распылением,
однако в узкие глубокие окна пленку TiN
лучше наносить газофазным методом.

180
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Пленки металлов, осаждаемые из газовой
фазы, кроме способности конформно
покрывать рельефную поверхность, должны обладать
высокой электропроводностью, низкими
механическими напряжениями, хорошей
адгезией к подложке. При оптимизации этих
параметров необходимо правильно выбрать
состав исходных газообразных реагентов,
конструкцию реактора, технологические режимы.
В частности, если пленки вольфрама,
полученные термическим разложением карбони-
ла вольфрама, имеют р = 150 мкОмсм из-за
наличия примесей углерода, то при
использования реакции восстановления WF6 водородом
можно получить более чистые пленки W с р =
= 8 ... 10 мкмОмсм.
Особенностью газофазного нанесения
металлов является возможность селективного
осаждения. Например, пленку W можно
осадить только на открытые участки Si. На
остальной поверхности пластины, покрытой
SiC>2, пленка W начинает осаждаться со
значительным отставанием по времени. Таким
способом относительно просто можно получить
селективно выращенные в контактных окнах
монокристаллического Si, поликремния,
силицидов и других материалов слой W толщиной
0,01 - 0,15 мкм, а толщиной до 1 мкм, -
используя специальные обработки, например,
осаждая W на Si посредством периодического
циклического восстановления WF6 водородом.
Газофазным методом, в частности
селективным, можно осаждать другие металлы: Ti,
Mo, Си, А1 и др.
Однако газофазные методы осаждения
пленок имеют большой недостаток -
используемые в этих процессах газы представляют
большую опасность для окружающей среды. В
частности, поэтому пока широко не
используется газофазное осаждение А1.
Материалы и процессы нанесения
изолирующих, защитных и планаризующих слоев.
Вначале среди диэлектрических пленочных
материалов в планарной технологии
изготовления ИС наибольшее применение имел
диоксид кремния. Слои из него применяли в
качестве изоляции отдельных частей ИС, маски
при введении в полупроводник легирующих
примесей, основного конструктивного
элемента подзатворного диэлектрика в МОП-
транзисторе. Легированные слои SiO2 на Si
могут быть использованы в качестве источника
легирующей примеси. Наиболее качественные
пленки SiO2 получаются методом
термического окисления кремния. Обычно их
используют в качестве эталона при сопоставлении
различных методов формирования слоев SiO2
(табл. 2.6.2). В технологии ИС широко
используются и легированные пленки SiO2, в
частности с примесями фосфора (фосфо-
росиликатное стекло - ФСС), бора (БСС),
бора и фосфора (БФСС). Эти слои обладают
способностью геттерировать примеси
щелочных металлов, не пропуская их к границе
раздела SiO2 - Si. Пленка БФСС может
оплавляться при температуре 850 °С. Это позволяет
сгладить рельеф поверхности пластины перед
формированием металлических контактов и
проводников.
2.6.2. Характеристики пленок диоксида кремния, осажденных из парогазовых смесей
Характеристика
Температура, °С
Состав
Воспроизведение рельефа
Термостабильность
Плотность, г/см3
Коэффициент преломления
Упругое напряжение, ГПа
Максимальная
напряженность электрического поля,
выдерживаемая пленкой,
Дпах-10, в/см
Скорость травления,
нм/мин (Н2О : HF = 100 : 1)
Метод
Плазмохимичес
кий
200
SiOls9(H)

Неконформное
Вьщеление
водорода
2,3'
1,47
30
(сжимающие) - 30
(растягивающие)
3-6
40
Окисление
моносилана
SiH4+O2
450
SiO2(H)

Неконформное
Уплотнение
пленки
2,1
1,44
30
(растягивающие)
8
6
Тетраоксисилан
700
SiO2
Конформное
Пленка
стабильна
2,2
1,46
10
(сжимающие)
10
3
Термическое
окисление
1250
SiO2

Неконформное
Стабильная
2,3
1,46
30
10
3

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
181
Следующим по распространенности
материалом диэлектрической пленки является
нитрид кремния (Si3N4). Он является хорошей
защитной маской при термическом окислении
кремния, в большей степени по сравнению с
SiO2 предотвращает диффузию вредных
примесей, имеет более высокие пробивное
напряжение и электрическое сопротивление, но
может вносить в структуру более высокий (до
100 ГПа) уровень механических напряжений
на растяжение, имеет более высокую F - 9) по
сравнению с SiC>2 C,9) относительную
диэлектрическую проницаемость. В зависимости от
условий формирования значения и знак
механических напряжений как в пленках SiO2, так
и в слоях Si3N4 могут сильно изменяться.
Оптимальное качество удается получить в
двухслойных пленках SiO2 - Si3N4, например, в
двухслойном подзатворном диэлектрике,
двухслойной защитной пассивации. Низкими
механическими напряжениями обладает пленка
оксинитрида кремния (Si-O-N).
Для межуровневой изоляции и защиты
проводников на основе алюминия процесс
нанесения пленки должен быть
низкотемпературным D00 °С). Для нанесения изолирующих
пленок наиболее широко используются два
метода: ПО - пиролитическое осаждение
(разновидность CVD); ПХО - плазмохимиче-
ское осаждение (PECVD).
Реактор для ПО (газофазного осаждения
с термической активизацией) чаще всего
представляет собой кварцевую трубу, которая
располагается внутри нагревателя. Внутрь трубы с
помощью консольного держателя помещают
обрабатываемые пластины и напускают
необходимые газообразные реагенты. Процесс
может происходить при атмосферном или
пониженном давлении. Подложки нагреваются до
сравнительно высоких температур. На
заключительных стадиях обработки пластин,
особенно после формирования металлических
контактов и проводников, целесообразно
снизить температуру пластин, используя
дополнительные методы активации химической
реакции - чаще всего путем возбуждения внутри
реактора плазмы высокочастотного разряда.
Можно снизить температуру пластин в
процессе ПО, напуская активированный газ,
например озон, или используя фотонную
активацию.
ПХО позволяет снизить температуру
пластины при осаждении пленок диоксида,
нитрида, оксинитрида кремния на несколько
сотен градусов, однако он обладает и
существенными недостатками. В процессе осаждения
обрабатываемая пластина находится под
электрическим потенциалом. Это приводит к тому,
что ионизированные примеси, привнесенные в
создаваемую пленочную структуру, мигрируя в
электрическом поле, могут изменить
электрические характеристики полупроводникового
прибора. При использовании CVD-процессов
даже при наличии активированных реагентов
эта опасность значительно уменьшается.
Плазменная активация осуществляется путем
бомбардировки пластины заряженными
частицами по нормали к ее поверхности. Это
означает, что участки рельефа, наклоненные к
поверхности пластины, активируются меньше,
т.е. этим методом, как правило, нельзя
получить конформное осаждение пленки на
рельефной поверхности.
Пленки, полученные плазмохимическим
методом, содержат большое количество
водорода. Он может быть в составе NH и SiH для
пленки SiN и Н2О, SiOH, SiH для пленки
SiO2. Концентрация этих включений в
большей степени определяется режимами
осаждения.
При неправильном подборе реагентов и
режимов осаждения обоими методами могут
образовываться дефекты в виде частиц.
Необходимо исключить образование частиц
конденсата в объеме, вероятность которого велика
для реакторов, работающих при атмосферном
давлении. Поэтому наибольшее применение
нашли реакторы, работающие при
пониженном давлении реагентов. Уменьшению
образования дефектов способствует и правильный
выбор реагентов. Если реакция окисления
моносилана может происходить как на
поверхности, так и в объеме с образованием
частиц SiO2> то реакция термического разложения
и окисления тетраэтоксисилана в присутствии
озона при атмосферном давлении происходит
на поверхности пластины. При этом могут
быть получены конформноосажденные пленки
SiO2 ( процесс APCVD).
Наличие в реакторе больших
поверхностей стенок, на которых осаждается пленка, в
неоптимальных режимах приводит со
временем к растрескиванию и шелушению слоев.
Такие реакторы необходимо достаточно часто
разбирать и удалять с них осевшие пленки. В
оборудовании для ПХО эта процедура
выполняется без разборки реактора. Нежелательные
пленки стравливаются плазмохимическим
травлением.
В протяженных трубчатых реакторах
необходимо обеспечить равномерность
распределения концентрации реагентов, так как по
мере прохождения реактора концентрация
исходных реагентов уменьшается, а продуктов
реакции - увеличивается. Для этого при ПО
используются многоточечные (по всему
реактору) системы подачи реагентов и отвода
продуктов реакции. При ПХО для этой цели
используется широтно-импульсная модуляция
выходного сигнала ВЧ-генератора при
соответствующем согласовании приборов включения
и выключения плазмы со скоростью потока
газовой смеси вдоль реактора.

182
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Для газофазного метода осаждения
многокомпонентных слоев используется несколько
газовых потоков. Регулирование концентрации
этих потоков, и особенно достижение их
равномерности для различных участков реактора,
является очень сложной задачей. Для ее
решения используются специально
синтезированные компоненты. К ним относятся элементо-
органические соединения с повышенным
содержанием пленкообразующего компонента,
причем с содержанием в молекуле в виде
структурной группы вещества формируемой
пленки. Например, в виде Si-O-Si для пленок
диоксида кремния, Si-N-Si для пленок
нитрида кремния и Si-O-Э для легированного
диоксида кремния (где Э - В, Р, Sb и другие
химические элементы).
Проще и точнее воспроизводить
концентрацию компонентов в пленке, если ее
наносить из пленкообразующих растворов золь-
гель методом. В его основе лежит реакция
гидролиза и поликонденсации металлооргани-
ческих соединений, ведущая к образованию
металл-кислородного каркаса, постепенное
разветвление которого приводит к
последовательным структурным изменениям по схеме
раствор - золь - гель - оксид. Пленка
наносится, как фоторезист, на центрифуге, при 20 °С,
далее сушится и отжигается.
Такой метод обеспечивает возможность
точного воспроизведения состава
многокомпонентной пленки. Это связано с тем, что
низкотемпературный процесс нанесения не
изменяет концентрации основных
компонентов в растворе, а отжиг проводится при более
низкой температуре, чем температура
испарения компонентов полученного оксида. Однако
для удаления из пленки остатков органических
соединений и влаги пленки отжигаются при
достаточно высоких температурах. В настоящее
время золь-гель метод широко применяется для
нанесения пленок сложных оксидов, в частности,
при создании сегнетоэлектрических
энергонезависимых запоминающих устройств (ЗУ), на
основе пленок Pbi}o5 Zro,52 Tio,480 и конденсаторов
с высокой удельной емкостью на основе
пленок Вао,5 Sro,5 ТЮ3.
Вспрыскивая в CVD-реактор
используемые растворы в качестве исходных реагентов
для CVD, можно значительно улучшить
качество формируемых слоев.
В настоящее время золь-гель-метод
является одним из основных методов нанесения
планаризующих слоев. При нанесении на
рельефную поверхность раствор затекает во
впадины и стекает с выступов. После сушки
такой пленки выступы на поверхности
пластины сглаживаются и уменьшаются по высоте
(рис 2.6.5). В ряде случаев планаризующий
эффект тонких пленок является вредным.
Например, при селективном травлении такой
Рис. 2.6.5. Маршрл
api
ipe
проводников, при использовании золь-гель-метода
нанесения планаризующих слоев:
1,7- проводники; 2,4- изолирующие диэлектрики
(ИД); 3 - планаризующий слой (ПС); 5 - контактное
окно в ИД; 6 - область с возможными остатками ПС
(газовыделение из этой обасти может создать
слабопроводящую пленку в контакте)
разнотолщинной пленки могут измениться
размеры элементов (жидкостное травление)
или локально (на выступах) подтравливаться
нижележащий слой (плазмохимическое трав- *
ление). Оказывается этого в значительной
степени можно избежать, используя
описанный выше совмещенный золь-гель / CVD-ме-
тод.
Для нанесения диэлектрических пленок
сложного состава можно использовать
высокочастотное распыление, но оно не позволяет
реализовать те же точность воспроизведения
состава пленки и производительность,
присущие золь-гель-методу.
Для межуровневой изоляции и защиты
кристаллов в ряде случаев используются
органические полимерные пленки, например по-
лиимидные. Как и в золь-гель-методе, эти
пленки формируются из растворов на
центрифуге. Пленки могут иметь толщину до
нескольких микрометров. После нанесения
пленки подвергаются двух-трехэтапной
термообработке при температуре 150 - 400 °С. При
этом толщина пленок уменьшается
практически линейно с повышением температуры - до
предельной температуры, выше которой
уменьшение толщины резко увеличивается.
Пленка начинает разрушаться, в ней
появляется большое количество дефектов в виде
сквозных пор. Применяют составы растворов,
позволяющие получить пленки с
термостойкостью до 550 °С. По термостойкости они
уступают неорганическим пленкам типа SiO2. Их
недостатком также является слабая адгезия к
поверхности SiO2. Адгезия к поверхности SiC>2
улучшается путем введения в состав
органической молекулы Si или предварительного
нанесения подслоя адгезива. Эти материалы могут

ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ СЛОЕВ КРЕМНИЯ
183
быть светочувствительными. Тогда процессы
изготовления межуровневой изоляции и
пассивации значительно упрощаются.
Развитие технологии осаждения тонких
пленок происходит по пути увеличения доли
жидкостных и газофазных методов нанесения.
Внедряются в производство
низкотемпературные газофазные процессы с фотонной
активацией {см. подразд. 2.5.4). Эти процессы
позволяют существенно снизить температуру
осаждения, однако они проходят в отсутствие
электрических полей и не вносят в создаваемую
структуру дефектов, связанных с диффузией
заряженных частиц.
При уменьшении размеров элементов
ИС менее 1 мкм задержка сигнала в
межсоединениях становится более значительной, чем
задержка, определяемая затвором МДИ-
транзистора, а при минимальном размере
элемента, меньшем 0,5 мкм, потери в
межсоединениях становятся определяющими (рис.
2.6.6). Это означает, что в этом диапазоне
размеров проводники и контакты должны
иметь минимальное сопротивление, а
изолирующие материалы - минимальную
диэлектрическую постоянную. Это будет достигаться
использованием медных проводников и
контактных столбиков с применением осаждения
из газовой фазы, а также заменой
изолирующего диэлектрика на основе S1O2 с
относительной диэлектрической проницаемостью s =
= 3 ... 9 полимерными с 8 = 2 ... 3, которые
наносятся из растворов на центрифуге и
обладают светочувствительностью. В этом случае
можно исключить применение фоторезиста
как маскирующего материала при селективном
травлении. Подбирая специальный состав и
режим сушки полимерного диэлектрика,
можно его превратить в аэрогель с
диэлектрической постоянной около 1-2. Наиболее
эффективный -способ снижения емкостных
связей - это полное стравливание межуровневого
о
/\0,5
0,25 035
Рис. 2.6.6. Зависимость времени t (T) задержки
распространения сигнала (RC) и собственной задержки
сигнала B) от размеров /элементов
микроструктуры 1ЛС
диэлектрика после завершения формирования
многоуровневых межсоединений. При
плотной компоновке межсоединения, созданные
таким образом, будут иметь достаточную
жесткость, необходимую надежность и
минимальную емкость.
2.6.2. ЭПИТАКСИАЛЬНОЕ НАРАЩИВАНИЕ СЛОЕВ
КРЕМНИЯ
Эпитаксия - это процесс
ориентированного наращивания монокристаллических слоев
вещества на подложку. Широкое применение
в производстве интегральных схем (ИС) эпи-
таксиальной технологии, позволяющей
существенно улучшать электрические
характеристики полупроводниковых приборов и создавать
конструкции элементов ИС, не реализуемые
другими методами, обусловлено возможностью
создания слоев с гибким регулированием
профиля распределения примеси, а также
высокой однородностью электрофизических
параметров ?лоев и относительно низкой
себестоимостью процесса.
Различают гомоэиитаксию, когда
материал подложки и наращиваемого слоя
идентичны (например, кремний на. кремний) и гетеро-
эпитаксию, когда подложка и осаждаемый
слой различаются по составу (кремний на
сапфире, арсенид галлия на фосфиде галлия).
Гомо- и гетероэпитаксия могут быть основаны
на кристаллизации из парогазовой смеси
(газовая эпитаксия), из раствора - расплава
(жидкостная эпитаксия) или на конденсации
молекулярных пучков в вакууме (молеку-
лярно-лучевая эпитаксия). Наибольшее
распространение в промышленности получила
газовая эпитаксия.
В качестве кремнийсодержащего
соединения используют силан (S1H4), дихлорсилан
(SiH2Qz), трихлорсилан (SiHCl3), тетрахлорси-
лан (SiCU). В табл. 2.6.3 приведены
характеристики различных методов эпитаксии кремния.
Силан обычно используют, когда
необходимо уменьшить скорость переноса примеси
(автолегирование) из подложки за счет
снижения температуры наращивания и отсутствия
ионов хлора в парогазовой смеси (ПГС), но
при этом следует учитывать образование
кремниевых частиц в газовом объеме при
высокой температуре и с сильным и быстрым
загрязнением стенок реактора, поскольку
пиролиз моносилана начинается при температуре
свыше 500 °С, а температура стенки
кварцевого реактора с воздушным охлаждением
существенно выше F00 - 700 °С).
Высокие скорости при относительно
низких температурах достижимы при
применении SIH2CI2, который вследствие высокого
давления насыщенного пара может подаваться
в реактор прямо из баллона (без барботера).
Газы SfflCl3 и SiCU примерно одинаковы по
своим свойствам, но SiCL* более широко ис-

184
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Метод
Хлоридный
Гидридный
2.6
Материал
SiCL*
SiHCl3
Sffi2Cl2
Sffl4
.3. Характеристика методов эпитаксии
Температура
осаждения, °С
1150 -
1100 -
1050-
950-
1250
1200
1150
1050
Скорость осаждения,
мкм/мин
0,4-
0,4-
0,4-
0,2-
¦ 1,5
¦2,0
¦3,0
-0,3
кремния
Допустимый уровень
концентрации окислителя С104, %
5- 10
5 - 10
<5
<2
2.6.4. Характеристики процессов газового травления и наращивания кремния
Температура,
°С
1250
1200
1050 - 1100 •
900 - 1000
Состав тазовой смеси
при травлении
Н2О - Н2
на - н2, вг2 - н2
SF6 - Н2
HI - HF - Не - Н2, С12 - Не
при наращивании
SiCLt - Н2
SiCU - Н2
Sffl2Cl2 - Н2, SiH4 - Н2
SiH4 - He
2.6.5.
Система
Н2О
НС1
Вг2
SF6
С12
HI-HF
-Н2
-Н2
-Н2
-н2
-Н2
-Не-
Характеристики систем полирования кремния различными реагентами
н2
Концентрация реагента, %
од
0,85
0,7
0,2
0,2
1,0
Температура, °С
1270
1200
1220
1050
1000
900
Скорость травления, мкм/мин
0,08
0,34
0,4
0,2
0,73
0,12
пользуется в производстве из-за его меньшей
химической активности и меньшей
чувствительности к высокому содержанию
окислителей в реакторе. Наряду с проведением
процессов при атмосферном давлении с целью
уменьшения эффектов изменения рисунка на
пластинах с заданным рельефом и уменьшения
смещения этого рельефа их проводят и при
пониженном (около 104 Па) давлении в
реакторе.
Для большинства полупроводниковых
приборов требуется наращивание
слаболегированного эпитаксиального слоя на
сильнолегированной подложке с резким перепадом
концентрации легирующих примесей на 2 - 3
порядка, в связи с чем необходимо снижение
эффекта автолегирования, появляющегося за
счет переноса примеси из подложки через
газовую фазу и обратной диффузии примеси
из подложки в эпитаксиальный слой.
Уменьшение времени воздействия на
подложку газовой примеси, достигаемое при
высоких скоростях потока и при пониженном
давлении, а также при минимизации объема
реактора, снижает эффект автолегирования
так, что он становится приемлемым при
изготовлении ИС.
Снижения температуры роста
эпитаксиального слоя с высоким кристаллическим
совершенством можно добиться посредством
фотонной или плазменной стимуляции
химических реакций, происходящих в реакторе.
Снижение температуры обработки
кремниевых пластин при эпитаксиальном
наращивании невозможно без снижения температуры
газовой полировки пластин в реакторе
непосредственно перед осаждением кремния,
которое проводится с целью очистки поверхности
кремния от загрязнений, приводящих к
образованию дефектов, (дефекты упаковки, ямки,
холмики, дефекты роста, дислокации). В табл.
2.6.4 приведены характеристики процессов
газового травления и наращивания кремния.
Характеристики различных систем газового
полирования кремния приведены в табл. 2.6.5.
Исследования термодинамики
химических реакций и тепломассопереноса в
реакторах позволяют установить связь между
качеством эпитаксиального осаждения и
требованиями к конструкции технологического
оборудования.
В табл. 2.6.6 показано относительное
изменение скорости роста кремния и уровня
легирования при увеличении одного из
параметров процесса.

ЭПИТАКСИАЛЪНОЕ НАРАЩИВАНИЕ СЛОЕВ КРЕМНИЯ
185
2.6.6. Относительное изменение скорости роста кремния и уровня легирования при увеличении
одного из параметров процесса на 10 %
Параметр
Температура подложки
Концентрация тетрахлорида
или моносилана
Общий расход газа
Давление газа
Изменение скорости роста, %
5,5 ... 9,5
10
0,1 ... 3,1
+ 3,5
Изменение уровня легирования, %
- 7,3 ... - 9,0
10
- 1,5 ... + 0,1
+ 3,5
2.6.7. Характеристики низкотемпературной эпитаксии кремния химическим осаждением из
газовой смеси
Температура,
°с
900
950
800
700
Скорость роста,
мкм/мин
0,25
0,10
0,04
0,014
Средняя ширина
переходной области, мкм
0,10
0,08
0,06
0,05
Плотность дефектов,
СМ-2
0
0
Уровень дефектов не воспроизводим
10*
Тенденции развития конструкций эпи-
таксиального оборудования базируются на
следующих основных представлениях об эпи-
таксиальном наращивании:
высокое качество эпитаксиального
осаждения наблюдается при образовании новых
промежуточных химических веществ из
подающихся в реактор реагентов. Эти
промежуточные вещества обычно представляют собой
SiH2 для эпитаксии из моносилана и SiC^ для
эпитаксии из хлорсиланов. Эти новые
молекулы диссоциируют на поверхности кремния
или непосредственно над ней. Образовавшиеся
в результате реакции одиночные атомы
кремния затем диффундируют по поверхности к
местам, пригодным для образования
зародышей и роста;
скорость процесса осаждения кремния
лимитируется стадией десорбции водорода или
диссоциацией SiH2 или SiC^ на поверхности.
Качество кристаллического совершенства
растущего эпитаксиального слоя оказывается
связанным со скоростью поверхностной
диффузии кремния. При превышении скорости
подвода атомов кремния над скоростью их
поверхностной диффузии образуются дефекты,
так как атомы кремния занимают места на
поверхности с более высоким значением
энергии;
адсорбционные атомы кремния
конкурируют в позициях встраивания в
кристаллическую решетку с атомами или молекулами
легирующих веществ, водородом, хлором и
соединениями с хлором и водородом и с
другими посторонними атомами на поверхности;
при высоких температурах водород
становится восстанавливающим реагентом и
удаляет многие химические вещества,
препятствующие образованию совершенного
монокристалла. При более низких температурах
увеличивается адсорбция кислорода, водорода,
хлора и их соединений и соответственно
увеличивается плотность дефектов;
осаждение при пониженном давлении
уменьшает число дефектов кристаллической
решетки за счет ускорения удаления атомов
водорода, хлора, кислорода и большинства
других посторонних атомов с поверхности
роста, уменьшает искажение и смещение
рельефа фотолитографического рисунка, снижает
степень автолегирования через газовую фазу;
автолегирование уменьшается с
увеличением потока газа, уменьшением давления в
реакторе, уменьшением концентрации
хлоридов и снижением температуры наращивания
эпитаксиального слоя. Результаты, полученные
для структур р-р+ типа при пониженном
давлении 6,5 - 40 кПа с использованием дихлор-
силана, представлены в табл. 2.6.7.
Оборудование, используемое для
химического осаждения вещества из газовой фазы,
должно обеспечить:
создание реакционной паро-газовой
смеси контролируемого состава;
введение этой смеси в реакционную
камеру вместе с инертными или активными
газами, являющимися носителями или
разбавителями;
перенос смеси к реакционной зоне,
исключающий преждевременное выделение
осаждаемого материала;
необходимое энергетическое возбуждение
химической реакции.
Таким образом, установка
эпитаксиального наращивания из газовой фазы должна
состоять из следующих основных частей:
реактора наращивания, системы
газораспределения, системы нагрева подложек, системы

186
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
управления технологическим режимом,
вспомогательных устройств (скруббер, вентиляционная
система, шкафы с баллонами, очистки азота и
водорода, вакуумная откачная система).
Различные промышленные и
экспериментальные установки эпитаксии имеют три
основных типа конструкции реактора:
колокольного типа с подложками,
расположенными на горизонтальном вращающемся диске -
нагревателе; горизонтального типа;
вертикальные бочкообразного типа, в которых
подложки располагаются либо на гранях усеченной
многогранной пирамиды, либо в специальных
гнездах на поверхности цилиндрического
пьедестала.
Во всех этих типах реакторов могут
применять высокочастотный нагрев, резистивный
нагрев и нагрев инфракрасными лучами, либо
их сочетание. Классификация и схемы
реакторов для групповой обработки пластин
приведены на рис. 2.6.7. Для изготовления
реакторов применяется синтетический кварц с
минимальным содержанием примесей (менее
10 %) и гидроксильной группы ОН, что
особенно важно для инфракрасного типа нагрева.
В качестве поддожкодержателя используется
мелкопористый плотный графит с покрытием
из карбида кремния толщиной около 100 мкм.
Уплотнения выполняются из фтористой
резины ИРП-1225, металлические детали реактора
(обечайка, фланцы, механизм вращения)
изготовляются из коррозионно-стойких сталей,
например 12Х18Н10Т.
Газовая система - часть технологической
установки, выполняющая следующие
функции: очистку, смешение, распределение,
транспортирование, измерение и
регулирование параметров газов и парогазовых смесей, а
также нейтрализацию продуктов реакций. Для
осуществления этих функций применяют
аппаратуру различных видов (табл. 2.6.8).
Газовая система эпитаксиальной установки должна
отвечать ряду важнейших технологических
требований. Ее характеризуют: герметичность;
стерильность; отсутствие непродуваемых
участков и застойных зон; всесторонний доступ к
аппаратуре, трубопроводам и разъемам для
осмотра, испытаний на плотность и демонтажа
для очистки; минимальные гидравлические
сопротивления при достаточных пропускных
способностях отдельных участков.
Трубопроводы и аппаратура газовых систем
изготовляются из коррозионно-стойких сталей
08Х17Н13МЗТ, 08Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т.
Уплотнения, прокладки, диафрагмы и
мембраны получают формованием из резиновой
смеси на основе фторкаучука (ИРП-1225,
ИРП-1345) или из фторопласта-4.
На рис. 2.6.8 показана принципиальная
пневмогидравлическая схема установки для
эпитаксии. В установке имеются каналы для
подачи чистого водорода и его смесей с пара-
ПРИЗНАК
КОНСТРУКЦИИ
1.Нагрев
подложки
2.Состояние
стенки
3.Организация
потока ПГС
«РЕАКТОРЫ ОСАЖДЕНИЯ СЛОЕВ ИЗ ГАЗОВОЕ ФАЗЫ!
Односторонний
Двусторонний
Холодная
I
Вдоль
поверхности
подложки
4.Ориентация:
оси
реактора,
подложки
JL
Через

коллектор
Холодная
Отражение
от стенок

Вертикальная

Вертикальная

Вертикальная

Наклонная


Горизонтальная
1
Горячая
Вдодь^
поверхности
подложки

Диффузионный

Вертикальная

Горизонтальная


Наклонная

Горизонтальная

Вертикальная
5 .Профилировав |—L—
ние канала Нет
6.Схема
1
Нет
1
Нет
1
Есть
i
Нет
Рис. 2.6.7. Классификация и схемы реакторов для групповой обрабо

В скруббер 8 реактор
МН9
N.
на
Рис. 2.6.8. Пневмогидравлическая схема установки для эпитаксии кремния:
ВН- вакуумный натекатель; РТ - ротаметр; РРГ- регулятор расхода газа; РРР - регулятор расхода реагента; ME- манометр

188
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
2.6.8. Состав аппаратуры газовых систем
Очистка газов
Фильтры
механические;
фильтры
сорбционные;
установки
для сорбци-
онной
осушки и
очистки;
установки для
диффузионной
очистки и
осушки

Приготовление ПГС
Дозаторы
барботажные;
дозаторы

поверхностного
испарения;
дозаторы
диффузионные;
дозаторы
капельные;
смесители;
устройство
ввода ПГС
Распределение и
регулирование
параметров газов
и ПГС
Регуляторы
давления;
регуляторы
расходов; запорные
краны и
вентили;
регулирующие вентили и
натекатели;

электромагнитные и
пневматические клапаны;

предохранительные и обратные
клапаны
Измерение
параметров газов
Манометры
механические
и жидкостные;
ротаметры;
расходомеры

калориметрические и анемо-
метрические;
измерители
концентрации;
влагомеры;

газоанализаторы; термопары
и термометры
Автоматизация

газораспределения и
управления
параметрами газов и
ПГС

Программаторы

но-временные;
программаторы
аналоговые;
датчики-

преобразователи
расходов,
давлений,
концентраций,
температур,
мощностей и др.
Утилизация
и
нейтрализация
вторичных
газов и
ПГС

Регенераторы;

скрубберы
Рис. 2.6.9. Реактор установки эпитаксии кремния
"Centura":
1 - верхняя часть кварцевого реактора; 2 - средняя
часть кварцевого реактора; 3 - нижняя часть
кварцевого реактора; 4 - вращающаяся опора;
5 - лампа ИК-излучения
ми хлорида кремния и легирующей примеси,
хлористого водорода для травления подложек,
азота и водорода для продувки реактора.
Каждый канал заканчивается клапаном,
открывающимся во время работы канала. Для
настройки каждого канала на заданный расход и
его продувки параллельно основным клапанам
установлены дополнительные, объединенные
каналом отвода реагента в скруббер. Клапаны,
установленные в линии продувки реактора
азотом, являются нормально-открытыми и при
отсутствии электропитания обеспечивают
продуву в аварийных режимах.
В связи с повышением требований к
однородности электрофизических параметров
эпитаксиальных слоев и увеличением диаметра
обрабатываемых пластин до 200 мм и выше
Рис. 2.6.10. Система воздушного охлаждения
реакционной камеры "Centura":
1 - реакционная камера; 2 - узел вращения
подложкодержателя; 3 - вентилятор;
4 - теплообменник; 5 - датчик утечки газов
(Н2 / НС1 / РН3); 6 - блокировочный клапан
наряду с высокопроизводительными
установками с групповой обработкой пластин
были разработаны реакторы с индивидуальной
обработкой пластин. На рис. 2.6.9 показана
схема реактора, в котором подложка вращается
на графитном держателе, покрытым SiC.
Нагрев выполняется галогенными лампами
инфракрасного излучения. Температура
контролируется оптическим пирометром в диапазоне
550 - 1200 °С. Обработка одной пластины
осуществляется примерно в течение 1 ч.
Загрузка и выгрузка пластин производится из
кассеты через шлюзовое устройство
автоматически. Система охлаждения показана на рис.
2.6.10.
Характеристики установок эпитаксии
кремния приведены в табл. 2.6.9.

ЭПИТАКСИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
189
Установка
Серия
7820
Серия
7810
Зпиквар
122
Серия
7700
Эпиквар
121 МТ
Gemini 3
Epsilon-
One
Centura
2.6.9. Основные характеристики установок эпитаксии
Фирма,
страна
АМТ,
США
АМТ,
США
АОНИИТМ,
Россия
АМТ,
США
АОНИИТМ,
Россия
Lam
Research,
США
Asm
Epitaxy, США
АМТ,
США
Загрузка пластин,
шт., диаметром, мм
100
24
24
24
28*2
24
22*2
1*2
I*2
150
10
10
10
15*2
10
8*2
1*2
1*2
200
4
4
_
-
5*2
1*2
1*2
Тип
нагревателя
Инфракра
сный
-

Высокочастотный

Инфракрасный
кремния
Разброс параметров эпи-
таксиального слоя, %
Толщина
±7
±2
Удельное
сопротивление
±10
±4
Тип
реактора

Цилиндрический

Цилиндрический*1

Цилиндрический

Цилиндрический*1

Цилиндрический
Колпако-
вый с
дисковым
подложко-
держателем

Горизонтальный с
дисковым
подложко-
держателем
Колпако-
вый мини-
реактор с
дисковым
положко-
держателем
*1 С нормальным давлением в камере или с давлением 4-Ю3 - 2-Ю4 Па.
*2 Автоматизированная загрузка.
2.6.3. ЭПИТАКСИЯ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ
Эпитаксиальное наращивание слоев ар-
сенида галлия и других полупроводниковых
соединений AmBv имеет важное значение в
реализации предельных параметров
твердотельных микроэлектронных приборов СВЧ-
диапазона.
Из многочисленных технологических
методов получения эпитаксиальных структур
AmBv промышленное применение нашли
процессы газофазной и жидкофазной эпитаксии,
причем первыми были процессы химических
транспортных реакций. В этих процессах в
реакторе создаются две температурные зоны:
высокотемпературная зона источника,
где происходит взаимодействие транпорти-
рующего агента с материалом источника,
например, в иодидном процессе эпитаксии арсе-
нида галлия:
4 GaAs + 2J2 о 4 GaJ + As4;
низкотемпературная зона подложки, где
осуществляется синтез арсенида галлия
— As4 о 2GaAs + GaJ3.
Воспроизводимые результаты наращивания
эпитаксиальных слоев достигаются при
обеспечении равновесия между твердой и газовой
фазами в зоне источника, постоянства
температур в зонах и постоянства газового потока.
При синтезе арсенида галлия в хлорид-
ном процессе в качестве источника
используются галлий или арсенид галлия, а
транспортирующего агента - треххлористый мышьяк.
При этом перенос осуществляется в
соответствии с основными реакциями:
в области источника

190
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
6GaAs + 2ASCI3 -> 6GaCl + 2As4;
6Ga + 2AsCl3 -> 6GaCl + V2AS4;
в области подложки
3GaCl -> 2Ga + GaCl3;
2Ga + V2AS4 -» 2GaAs.
Использование химических
транспортных реакций для наращивания
монокристальных пленок соединений АШВУ получило
широкое применение потому, что многие другие
способы их выращивания сопряжены с
большими трудностями вследствие тугоплавкости
этих соединений, химической активности
составляющих их элементов и самого расплава, а
также высокого равновесного давления паров
элементов пятой группы Периодической
системы.
Пиролитический синтез арсенида галлия
с применением в качестве реагентов триме-
тилгаллия и арсина позволяет выращивать
эпитаксиальные слои в широком диапазоне
толщин от десятых долей до десятков
микрометров и отличается от других газофазных
методов минимальными размерами
переходного слоя подложка - эпитаксиальный
слой (< 0,1 мкм), снижением уровня
автолегирования на порядок по сравнению с хлорид-
ным процессом, низкой температурой эпитак-
сии F00 - 650 °С) и наличием одной
температурной зоны нагрева, отсутствием твердого
источника галлия, возможностью точного
управления составом газовой смеси,
легирования из газовой фазы и быстрой смены
лигатуры, что значительно упрощает создание
необходимого концентрационного профиля.
К недостаткам метода следует отнести
высокую токсичность и воспламеняемость
используемых материалов.
На рис. 2.6.11 показаны схемы установки
для наращивания эпитаксиальных слоев
арсенида галлия.
В связи с применением в технологии
эпитаксии арсенида галлия и других
соединений АШВУ материалов, относящихся к
сильнодействующим ядовитым веществам (арсин,
фосфин, металлоорганические соединения), в
конструкции газораспределительной системы и
реакторе принимаются специальные меры для
обеспечения безопасности:
повышенная надежность соединительных
уплотнений, применение торцовых
уплотнений с прокладкой из фольги, сделанной из
коррозионно-стойкой стали;
специальный герметичный бокс с
продувкой азотом и датчиками утечки гидридов
мышьяка и фосфора для размещения
газораспределительной системы;
Рис. 2.6.11. Схема установки (а) для наращивания
эпитаксиальных слоев арсенида галлия в системе
триметилгаллии (ТМГ) - AsH3-H2 A - реактивный
блок; 2 - вакуумные краны; 3 - ротаметры;
4 - барботер с ТМГ; 5 - барботер с лигатурой МОС
(см. табл. 2.6.10); 6- источник арсина; 7- источник
лигатуры (гидрид); 8- печь дожигания) и внешний вид
(б) реакторного блока A - основание; 2 - верхняя часть
реактора; 3 - верхняя опорная плита; 4 - маховик
подъемного механизма верхней части реактора;
5 - привод механизма вращения подложкодержателя;
6 - нижняя опорная плита; 7- опорная плита
нагревательного элемента; 8 - нагревательный элемент;
9 - заслонка)
герметичный бокс с продувкой азотом
для размещения реакторов и проведения
загрузки и разгрузки реактора в контролируемой
атмосфере вручную или, что предпочтительнее -
автоматически;
системы продувки боксов снабжаются на
выходе фильтрами для улавливания токсичных
веществ в случае аварийной разгерметизации.
Ввиду более высоких требований к
стерильности процесса по сравнению с
процессами осаждения кремния или германия в
установках эпитаксии арсенида галлия и других
соединений АШВУ более широко применяется
специальная электрополировка газовых
трубопроводов и внутренних объемов газовой
аппаратуры и круговая сварка в защитной среде
(продувка аргоном внутри и снаружи
свариваемых деталей); конструкции элементов
газораспределительной системы полностью исключают
застойные зоны и непродуваемые объемы.

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
191
2.6.10. Характеристики
Модель
установки, страна
ЭМОС-500,
Россия
ЭМОС-100,
Россия
AIX-200,
США
Quantax,
США
Диаметр
подложек,
мм
60, 76,
100
60,76
60
60
установок Э1
Давление в
реакторе,
Па
105,
102 - Ю3
105,
102 - 103
Ю2 - 103
105
штаксии арсенид
Тип нагрева
Резистивный

Нетермическое
стимулирование
химических
реакций
ИК-излуче-
ние
Токи
высокой частоты
а галлия и
Загрузка
Ручная


тическая
Автомат
тичес-
кая


тическая
соединений АШВУ, АПВ™
Производи
тельность,
см2/пикл
600
100
50
50
Примечание
МОС*-гидрид-
ный метод
Поштучное
наращивание
гетероэпитак-
сиальных
структур
МОС-гидрид-
ный метод
Двухреактор-
ное осаждение
соединений
AmBv AnBvi.
МОС-гидрид-
ный метод
* МОС - металлоорганическое соединение.
Примечание. Система управления - микропроцессорная.
В табл. 2.6.10 приведены основные
характеристики промышленных установок эпи-
таксии арсенида галлия и соединений АШВ\
дП^уе^ различающихся типом нагрева,
диапазоном используемого давления в реакторе и
производительностью.
Отличительными особенностями
установки AIX-200 являются: применение
быстродействующих (не более 1,5 с) регуляторов
расхода газа и регуляторов давления;
прецизионный контроль температуры источника метал-
лоорганического соединения (не более
0,05 °С); постоянство температуры по подложко-
держателю (погрешность не более 0,4 °С/см);
короткие времена нагрева и охлаждения A0
мин), высокая скорость газа в зоне роста E
м/с); создание в реакторе низкого давления с
помощью роторного насоса с химическим
фильтром для масла.
Из-за большой длительности процесса
осаждения (более 1 ч) кластерные конструкции
в технологии эпитаксии арсенида галлия и
других соединений АШВУ, АРВ^1 не нашли
применения, а достижение высокой
однородности и воспроизводимости
электрофизических параметров эпитаксиальных слоев
осуществляется за счет применения прецизионных,
высокоскоростных средств регулирования
расходов реагентов и температуры и полностью
автоматизированной загрузки подложек в
реактор в контролируемой чистой среде азота.
2.6.4. ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА
КРЕМНИЯ МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ
Термическое окисление - это химической
процесс взаимодействия кремния с
окислителем - кислородом или парами воды,
стимулированный при высоких температурах 700 -
1300 °С, с образованием пленок диоксида
кремния (SiO2):
Si + О2 = SiO2;
Si + Н2О = SiO2 + 2 Н2.
Окисление - базовый процесс технологии
микроэлектроники по созданию
пассивирующих, маскирующих и изолирующих пленок на
поверхности кремниевых пластин (рис. 2.6.12),
являющихся основой планарной технологии
кремниевых микросхем.
I
SiO2
I
Si
SiO2
SiO2
Si
SiO2
Рис. 2.6.12. Схемы использования диоксида кремния в
технологии микросхем:
а - пассивирующий диэлектрик; б - маскирующий
диэлектрик при ионном легировании; в - участки
изолирующего диэлектрика на поверхности пластины

192
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Особенность окисления - формирование
пленок диоксида кремния из материала
пластины с одновременной очистной поверхности
и переводом части кремния в оксид при
утонении пластины.
В зависимости от назначения пленок
диоксида кремния в технологии микросхем
получили распространение разновидности
окисления:
окисление в кислороде ("сухое"
окисление), в том числе с добавками галогенсодер-
жащих (обычно хлористого водорода НС1)
веществ для повышения качества пленок
диоксида кремния;
окисление в парах воды ("влажное"
окисление), в том числе пирогенное, когда пары
воды образуются непосредственно в зоне
окисления из сверхчистых водорода и
кислорода путем их взаимодействия BН2 + 02 =
= 2Н2О), при нормальном или повышенном
(до 5Ю& Па) давлении.
Диоксид кремния представляет собой
соединение кремния с кислородом с ковалент-
ным типом связей, когда каждому атому
кремния с валентностью 4 соответствуют два
атома кислорода с валентностью 2, но каждый
атом кислорода является общим сразу для двух
атомов кремния. В результате каждый атом
кремния связан с четырьмя атомами
кислорода, образуя ячейку в виде тетраэдра, в центре
которого расположен атом кремния, а в
вершинах - атомы кислорода.
В массиве диоксида кремния тетраэдры
связаны друг с другом через атомы кислорода,
находящиеся в вершинах.
Пленки диоксида кремния, полученные в
процессе окисления, представляют собой
аморфную структуру в отличие от
кристаллической структуры кварца.
Если в кристаллической форме диоксида
кремния (кварц) тетраэдры расположены
строго в ориентированной форме, образуя
кристаллическую решетку (рис. 2.6.13), то в
аморфной пленке диоксида кремния
тетраэдры расположены хаотично. В аморфной
структуре возможно существование полостей,
пустот, хаотичное расположение тетраэдров с
неплотной упаковкой, хотя и имеются
упорядоченные области (ближний порядок) с
размером в десятки нанометров. Благодаря этому
образуются вакансии кислорода и примесные
атомы в узлах решетки, определяющих
физико-химические свойства пленок.
Свойства пленок диоксида кремния,
полученных термическим окислением,
приведены в табл. 2.6.11.
Кинетика окисления кремния
описывается моделью Дила и Гроува для температуры
700 - 1300 °С и толщины оксида свыше 20 - 30
нм в атмосфере кислорода и (или) паров воды.
Окисление проводится обычно в
кварцевом реакторе, в который помещаются пласти-
1
о
1
Si-*
1
О
1
Si-О
1
О
О
1
о
1
-Si-О
1
1
О
1
1
-Si-О
1
О
а)
1
О
1
-Si-О
|
О
1
-Si-*
1
О
О
1
о
1
-Si
|
О
1
-Si
1
О
б)
Рис. 2.6.13. Двухмерная модель кристаллического
диоксида кремния:
а - тетраэдр; б - двумерная модель структуры с
вакансиями кислорода (*)
2.6.11. Свойства пленок
Характеристика
Температура окисления, °С
Плотность, г/см3
Коэффициент преломления
Упругие напряжения
(сжимающие), ГПа
Максимальная напряженность
электрического поля,
выдерживаемая пленкой, 2?тах-10~6,
В/см
Скорость травления (Н2О :
HF = 50 : 1), нм/мин
SiO2
Значения
700 - 1250
2,2 - 2,3
1,46 - 1,47
30
10
5,0 - 6,0
ны кремния и подается поток газообразного
кислорода или паров воды (или кислорода с
парами воды).
Изначально на поверхности пластин
практически всегда имеется слой оксида
толщиной 10 - 17 нм, образующийся при
химической очистке или в результате подкисления
даже при кратковременном нахождении на
воздухе при 20 °С.
В реакторе окисляющий элемент О2 или
Н2О переносится из газовой смеси на
поверхность пластины (поток F\), диффундирует
через уже образовавшийся оксид (поток Fj) и
взаимодействует на поверхности пластины с
кремнием (поток F$). В условиях равновесия
jFi = F2 = F^
Поток окислителя

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
193
где h - коэффициент массопереноса, С* -
концентрация окислителя в газовой среде;
Со - концентрация окислителя,
захватываемого поверхностью оксида. На поверхности
оксида происходит диссоциация окислителя и
в оксид захватывается (входит) окислитель в
форме ионов О" или ОН", занимая место
вакансий кислорода (см. рис. 2.6.12, б) и
двигаясь по вакансиям.
Поток окислителя через оксид к
поверхности кремния может быть представлен по
закону Фика
F2 = DdC/ dx.
Здесь D - коэффициент диффузии окислителя
в оксиде по вакансиям кислорода; dC / dx =
= (Со " С/) / do - градиент концентрации
окислителя, где Q - концентрация окислителя,
достигающего поверхности у пластины; d$ -
толщина оксида.
Поток окисшителя, взаимодействующего
с кремнием,
F3 = kCb
где к - константа скорости химической
реакции окисления кремния,
С С*
г 1 + k/h + kdo/ D'
Концентрация окислителя,
захватываемого поверхностью оксида,
{l + kdo/D)C*
0 l
Толщину оксида можно вычислить,
решая квадратное уравнение
Здесь
A=2D(l/k + l/h); ?/
где N = 2,210 см - число молекул
окислителя в единице объема оксидного слоя; / - время
окисления; to = d2 + AdfB - соответствует
времени, необходимому для получения
первоначального слоя оксида толщиной d\.
На практике в основном при
выращивании пленок диоксида кремния толщиной 25 -
103 нм для пассивации, маскирования и
изоляции элементов микросхем (за исключением
слоев для подзатворного диэлектрика
толщиной менее 25 нм), когда t » /о> толщина
оксида
4 = Bt.
При очень малом времени окисления
В этом случае.
do = В/A (t + /0),
где В/А - линейная константа скорости
окисления.
Константы скорости окисления кремния
в сухом кислороде и в парах воды приведены в
табл. 2.6.12 и 2.6.13.
Толщина слоя (мкм) при окислении
где В - см. табл. 2.6.12 и 2.6.13, мкм2/ч; / - в ч.
Сравнение константы скорости
окисления В для сухого окисления в кислороде и
влажного в парах воды показывает, что
скорость окисления в парах воды в десятки и
сотни раз выше, чем в кислороде. Это
объясняется различной равновесной концентрацией
частиц окислителя С*, определяющих скорость
2.6.12. Константы скорости окисления в сухом
Температура окисления, °С
1200
1100
1000
900
800
А, мкм
0,040
0,090
0,165
0,235
0,370
Д мкм2 / ч
0,045
0,027
0,017
0,005
0,001
В1 А, мкм / ч
1,12
0,3
0,071
0,020
0,003
0,027
0,076
0,37
1,4
9,0
2.6.13. Константы скорости окисления в парах Н2О
Температура окисления, °С
1200
1100
1000
900
А, мкм
0,05
0,11
0,225
0,50
Д мкм2 / ч
0,720
0,510
0,287
0,203
В/ А, мкм /ч
14,4
4,64
1,27
0,406
'о, ч
0
0
0
0

194
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
окисления, причем для паров концентрация
окислителя выше на несколько порядков.
В соответствии с этим для получения
толстых пленок пользуются методами
окисления в парах воды, поскольку окисление в
сухом кислороде заняло бы сотни часов.
Для еще большего повышения скорости
окисления в парах воды используется
окисление при повышенном давлении окислителя,
обеспечивающее рост С», а следовательно, и
константы окисления В.
Используется окисление под давлением в
парах воды при давлении E - 10) 10s Па, так
как при окислении в кислороде требуется
давление в сотни раз больше (для увеличения
скорости окисления).
Зависимость скорости окисления в парах
воды от давления и температуры описывается
эмпирическим выражением
v = ¦
т
0
где v - скорость роста, А /мин; р - давление,
атм; Т- температура, К.
Установки окисления под давлением в
парах воды выполняются по принципу
"реактор в реакторе".
Типовой реактор установки окисления
изготовляется из стали и выдерживает
необходимое давление, а внутри металлического
реактора помещается кварцевый реактор с
пластинами. Давление вне кварцевого реактора
поддерживается путем напуска аргона, а
внутри кварцевого реактора - напуском паров воды
до достижения давления, равного давлению
аргона.
Максимальное давление в процессе
окисления в парах воды не превышает
5106 Па, выше него начинается испарение
диоксида кремния и рост оксида
прекращается. Сухое окисление в кислороде используется
для получения тонких высококачественных
пленок диоксида кремния с меньшей
плотностью дефектов структуры, которые могут
ухудшить пассивирующие, маскирующие и
изолирующие свойства пленок.
Учитывая малые толщины пленок, высокая
скорость окисления, обеспечиваемая парами
воды, в данном случае не принципиальна.
Дефекты структуры диоксида кремния
или границы кремний - оксид можно
классифицировать следующим образом:
вакансии кислорода в оксиде (рис.
2.6.12, б), приводящие в появлению
положительного заряда, равного заряду электрона;
ненасыщенные (свободные) связи
кремния на границе кремний - оксид и дефекты
поверхности кремния, имеющие
положительный заряд, равный заряду электрона;
атомы примесей II и V групп
Периодической системы, занимающие места атомов
кремния в центре тетраэдров (рис. 2.6.12, а),
меняющие заряд в оксиде по аналогии с
примесями в кремнии (см. подразд. 2.6.5);
ионы быстродиффундирующих
щелочных металлов Na и К, создающих
положительный заряд, дислокация которого
постоянно меняется, создавая нестабильность
структуры в целом.
Плотность положительного заряда в
оксиде зависит от чистоты применяемых
материалов, скорости окисления, состояния
поверхности пластин и специальных методов
гетгерирования дефектов.
Наиболее эффективным методом
повышения качества структуры является окисление
с галогеносодержащими добавками в виде
хлора, иода и их соединений.
Наибольшее распространение получили
методы сухого окисления с добавками
газообразного хлористого водорода и паров трихло-
рэтилена при повышенных температурах,
когда эффективность применения добавок
возрастает.
Модель стабилизации заключается в
образовании комплексов хлора на вакансиях
кислорода, заряженных отрицательно, с
большим сечением захвата примесных атомов Na и
К:
— Si— Cl —Na
и одновременно уменьшающих концентрацию
и заряд вакансии. Концентрация хлористого
водорода в окислительной смеси составляет
несколько процентов от концентрации
окислителя.
В технологии микроэлектроники
процессы окисления при атмосферном давлении
проводятся в кварцевых или кремниевых
трубах диффузионных установок.
Конструкция реакторов, оборудование
для загрузки пластин и формирования
газового потока в процессе окисления, выбор
скорости нагрева и др. подробно рассмотрены в
подразд. 2.6.5.
2.6.5. ФОРМИРОВАНИЕ В ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ
МАТЕРИАЛЕ ТОНКИХ ЛЕГИРОВАННЫХ ПЛЕНОК
МЕТОДОМ ДИФФУЗИИ
Диффузия - базовый процесс технологии
микроэлектроники по созданию элементов
микросхем, заключающийся во введении (или
перераспределении) примеси в
полупроводниковый материал с целью создания тонких
слоев р- или л-типа проводимости и управления
распределением концентрации примеси в них.
Процесс диффузии описывается с
помощью первого закона Фика для одномерной
диффузии.

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ЛЕГИРОВАННЫХ ПЛЕНОК
195
Второй закон Фика описывает изменение
(перераспределение) концентрации примеси в
процессе диффузии в объеме
полупроводниковой пластины во времени.
Существуют два основных физических
механизма диффузии атомов примесей в
объеме кремния, обладающего кристаллической
структурой, т.е. строго повторяющимся
расположением атомов в решетке кристалла.
Решетка кремния представляет собой кубическую
гранецентрированную решетку алмаза.
Представив решетку в двумерном виде (рис. 2.6.14),
можно показать, что каждый атом кремния
связан с четырьмя соседними атомами
кремния. При отсутствии атома в узле
кристаллической решетки образуется вакансия, которая
может быть занята либо собственным атомом,
ранее перешедшим в междоузлие, либо атомом
примеси, близким по размерам к атомам
кремния.
В соответствии со свойствами примеси
различают два механизма диффузии:
по вакансиям - свободным узлам
кристаллической решетки. Вакансии возникают,
когда атомы кремния в результате
несовершенства кристаллической решетки либо
локальных флюкгуационных увеличений энергии
атома переходят в междоузлия решетки и
свободно блуждают в них (до встречи с
вакансиями, где происходит релаксация вакансии и
собственного примесного атома кремния). В
кремнии всегда существует некоторая
концентрация собственных атомов в междоузлиях и
вакансий, возрастающая при увеличении
температуры.
По вакансионному механизму
диффундируют атомы III и V групп Периодической
системы, имеющие сравнимые размеры атомов
с кремнием. В технологии микроэлектроники
наиболее часто используются бор, алюминий,
галлий, индий (III группа) и фосфор, сурьма,
мышьяк, висмут (V группа). Процесс
диффузии состоит из многочисленных переходов
атомов примеси по свободным узлам.
Требуемая скорость диффузии может быть получена
только при температуре, большей 800 °С,
поскольку коэффициент диффузии при меньшей
температуре пренебрежимо мал и диффузией
можно пренебречь;
по междоузлиям, что характерно для
атомов примеси с малым радиусом атома, от-
I I I I I
— Si — Si — Si — Si — Si —
I I
Si—^ —Si —Si— « —
Вакансия-
— Si — Si — Si — Si — Si —
I I I I I
Рис. 2.6.14. Кристаллическая решетка кремния,
представленная в двумерном виде, с i
узлами •
носящихся к I, II, VI, VII, VIII группам
Периодической системы. В технологии
микроэлектроники наибольший интерес с учетом
влияния на свойства микросхем представляют
натрий, калий, литий, водород (I группа),
медь, золото (II группа), кислород (VI группа),
хлор (VII группа), никель, железо (VII группа).
Диффузия по междоузлиям для многих
примесей имеет требуемую скорость уже при
температуре 300 - 800 °С, при которой
формируют контакты и разводки микросхем и
существует опасность попадания примеси в кремний.
Скорость диффузии для различных
материалов определяется энергией активации Еф
необходимой для перехода примесного атома
из одного узла кристаллической решетки в
другой свободный узел или из одного
междоузлия в другое и температурой, определяющей
число свободных узлов.
Характеристики диффузии для быстро-
диффундирующей примеси (по междоузлиям)
и примеси, диффундирующей по свободным
узлам кристаллической решетки, приведены в
табл. 2.6.14 и 2.6.15 (Dq - фактор диффузии).
Элементы III группы Периодической
системы для кремния являются акцепторами
(рис. 2.6.15), придающими ему свойства
материала />-типа проводимости, где носителями
зарядов являются дырки. Атомы элементов
2.6.14. Характеристики диффузии
междоузельных примесей в кремнии
Элемент
Li
Na
К
Н
Аи
Си
Fe
Д), см2/с
9,410-3
1,65-10-3
1,110-3
9,410-3
1,110-2
4,010
6,210-3
Еа>эВ
0,79
0,72
0,76
0,48
1,12
1,00
0,87
2.6.15. Характеристики диффузии элементов III
и V групп по узлам в кремнии
Элемент
В
А1
Ga
In
Р
As
Sb
Bi
А), см2/с
5,1
8,0
60
16,5
10,5
60
12,9
1030
Ea> эВ
3,70
3,47
3,89
3,91
3,69
4,20
3,98
4,63
7*

196
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
I I I I I
— Si — Si — Si — Si* — Si —
I I I I I
_Si— Si* — Si— В — Si —
I I I I I
— Si — В — Si — Si — Si —
I I I I I
— Si — Si — Si — Si — Si —
I I I I I
a)
I I I I
— Si — Si — Si — Si —
I I I e |
— Si — P —Si— Si —
— Si — Si — P — Si —
I I I I
— Si— Si— Si— Si —
Рис. 2.6Л5. Двухмерная решетка кремния с дырочной
и электронной проводимостью:
а - с примесными атомами бора, образующего дырки
(*); б- с примесными атомами фосфора,
образующими свободные электроны (е)
III группы имеют на внешней орбите три
электрона, позволяющие им сформировать
только три ковалентных связи с кремнием,
однако, внедряясь в решетку кремния, они
могут захватывать дополнительно один
электрон, образуя четырехковалентные связи с
кремнием. При этом атом примеси отбирает
одну связь у атома кремния.
Атомы бора заряжаются отрицательно, а
около атомов кремния на месте потерянной
связи образуются дырки, заряженные
положительно. Дырки могут перемещаться при
приложении электрического поля. В целом же
полупроводник остается нейтральным.
Аналогично при внедрении атомов
элементов V группы, являющихся для кремния
донорами, имеющих на внешней орбите атома
пять электронов, образуются атомы примеси с
четырьмя электронами, заряженные
положительно, а пятый электрон свободно блуждает в
решетке кремния, создавая и-тип
проводимости.
Золото используется для снижения
времени переключения транзисторов в результате
повышенной скорости рекомбинации
неосновных носителей заряда.
Кислород является медленнодиффунди-
рующей примесью в кремнии. Свойства
кислорода образовывать "внутренний" геттер для
захвата и нейтрализации примесных дефектов
структуры в настоящее время все шире
используются в технологии микроэлектроники.
Концентрация примеси в кремнии
определяется степенью ее растворимости в
кремнии, зависящей только от температуры (табл.
2.6.16).
2.6.16. Характеристики растворимости примесей
Элемент
Li
Na
К
Аи
Си
Fe
о2
As
Sb
Р
В
Концентрация, см~3
71018
1018 . 94018
9-Ю17 - 71018
51014 - 8-Ю16
5-Ю16 - МО18
1013 - 54016
1,51017 - 21018
10м
1019 - 61019
Ю20 - 1021
1020 . 51020
Температура,
°С
1200
600 - 1200
600 - 1200
900 - 1300
600 - 1300
900 - 1300
1000 - 1400
1000 - 1300
1000 - 1300 _
950 - 1300
1000 - 1300
Растворимость водорода в кремнии
характеризуется следующей зависимостью
концентрации N (см~3) от температуры: N =
= 2,41021ехр[-1,86 / (?7)], где к - постоянная
Больцмана.
Процессы диффузии широко
используются в производстве полупроводниковых
приборов и интегральных микросхем для создания
локальных областей с разными степенями
концентрации примесей и типом
проводимости в полевых и биполярных транзисторах,
резисторах и других специальных структурах,
формируемых в пластине кремния.
Атомы примеси в широком диапазоне
концентраций (ДО13 - 1022 атомов примеси в
1 см3) могут быть введены в кремний двумя
основными способами:
1) диффузией примеси из внешнего
источника, формируемого на поверхности
кремниевой пластины в виде ангидрида примеси, в
результате протекания химической реакции
ангидрид примеси + Si = примесь + SiC>2.
Атомы примеси диффундируют в глубь
пластины кремния, а диоксид кремния SiO2
смешивается с ангидридом примеси.
Процесс диффузии данным способом
проводится за две стадии. На первой стадии на
поверхности пластины формируется пленка
ангидрида примеси, на второй - ангидрид
взаимодействует с кремнием с образованием
атомарной примеси, диффундирующей внутрь
кремния.
Диффузия может происходить при
постоянной поверхностной концентрации Nq
(диффузия из бесконечного источника) и при
постоянном числе легирующих атомов (диф-

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ЛЕГИРОВАННЫХ ПЛЕНОК
197
фузия из ограниченного источника), когда,
например, на второй стадии с поверхности
удаляется источник диффузии;
2) диффузией из внутреннего источника,
формируемого внутри пластины путем
имплантации (внедрения) ионов примеси в
кремниевую пластину с помощью энергии 10 -
1000 кэВ и выше, с перераспределением
примеси в соответствии с количеством введенной
примеси, температурой и временем диффузии.
Этот вид диффузии является также диффузией
из ограниченного источника.
Диффузия из бесконечного источника,
формируемого на поверхности пластины из
газовой или паровой фазы, при граничных
условиях
Щх >0,/=0)=0и Щх = 0, t > 0) = Щу
где х и / - соответственно глубина и время
диффузии, может быть представлена через
распределение концентрации примеси:
ЯШ'
где N - концентрация примеси на глубине х
спустя время 7 диффузии; erfc - функция
ошибок; D - коэффициент диффузии.
На рис. 2.6.16 приведен профиль
концентрации примеси.
Глубина, на которой концентрация
диффундирующей примеси равна концентрации
исходной Ngb называется металлургическим
переходом.
Диффузия из ограниченного источника,
формируемого на поверхности осаждением
источника примеси по первому способу или внутри
кремниевой пластины с помощью ионной
имплантации примесей по второму способу,
списывается в обоих случаях законом Гаусса.
Af(x)/N0
4\
/И- 1
1
1 1 1 1 1
о 1 г з 4
Рис. 2.6.16. Ра
i NU/NQ
1 >*—
" i i i i
5 6 7Xjf
спределение n
I
1
1
i
1
i
I
1
1
i
Одним из простейших примеров
является диффузия из слоя с равномерной начальной
концентрацией примеси в полубесконечное
тело.
Граничные условия в этом случае можно
представить в виде
N(x, t) = Щ при 0 < х < h,
N(x, 0 = 0 при х > h9
где h - толщина слоя.
Уравнение диффузии с этими
граничными условиями следующее:
На рис. 2.6.17, а, б приведено
распределение примеси по закону Гаусса.
. Оборудование и типовые процессы
диффузии. Процессы диффузии проводятся при
температуре 850 - 1300 °С в пластины кремния
диаметром 100, 150, 200 мм и выше. Перечень
основных источников, которые могут быть
использованы при диффузии бора, фосфора,
мышьяка и сурьмы приведены в табл. 2.6.17.
0 2 4- 6 8 10 X
0 2
6 8 10 11 X
Е^с. 2.6.17. Вид распределения примеси по закону Гаусса из источника:
а - на поверхности пластины; б - внутреннего на определенной глубине

198
Источник
примеси
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ
2.6.17. Основные исто1
Температура
источника, °С
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
шики, используемые для диффузии
Достоинства
Недостатки
РОС13
ВВг3
2
10
-40
- 30
Жидкие источники диффузии
Широкий интервал
концентраций
Тоже
Влияние
системы
.Тоже
формы и размеров
РН3
в2н4
AsH5
20
Газообразные источники диффузии
_ " _
Высокая токсичность
Тоже
- и .
Твердые источники диффузии на базе SiO2 и оксидов тяжелых металлов,
включающих летучие добавки в виде ангидрида примеси
Шайба из
В с В2О3
Шайба из
Р с Р2О5
Шайба из
Sb с Sb2C>3
Шайба из
As с As2O5
Температура
активации
диффузии
Тоже
_ •» _
Контроль за концентрацией
Тоже
_ »• _
Нестабильность источника
примеси
Тоже
_ " _
6) Р0С1э,ВВгэ
Рис. 2.6.18. Схема подачи диффузантов в кварцевый реактор при использовании:
а - газообразных источников диффузии - фосфина, арсина или диборана; б - жидких источников -
РОС1з, ВВгз; в - газа-окислителя Oi\ г - газа-носителя и разбавителя - N2 и Аг;
1 - прибор для измерения потока газа; 2 - вход кварцевого реактора; 3 - выход реактора и отверстие для
загрузки-выгрузки пластин; 4 - барботер для жидких диффузантов; 5 - термостат; 6 - трубчатая печь;
7- пластины кремния с поперечно-вертикальным характером расположения; х - вентили
Диффузия проводится в трубчатых печах
с длиной рабочей зоны 50 - 150 см, в которой
не допускаются колебания температуры более
1°С.
Схема подачи диффузантов в кварцевый
раствор приведена на рис 2.6.18.
Диффузия из жидких источников
проводится за две стадии: первая - формирование
источника на поверхности пластин, вторая -
диффузии атомов примеси в глубь пластины.
Первая стадия диффузии проводится в
такой последовательности:
1) устанавливается начальная температура
в печи, обычно 700 - 800 °С, задается в
программе скорость подъема температуры до
рабочей температуры, согласуемая со скоростью
введения пластин в рабочую камеру;
2) пластины на лодочке с помощью
робота-загрузчика вводятся в камеру с
определенной заданной скоростью. Скорость
загрузки определяет температурные градиенты на
пластине, приводящие к внутренним
напряжениям и даже к деформации пластин (при
больших температурных градиентах). Загрузка
пластин обычно проводится в нейтральной

ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ЛЕГИРОВАННЫХ ПЛЕНОК
199
атмосфере азота либо аргона, иногда в
слабоокислительной с добавками кислорода;
3) в реактор вводится источник примеси
в виде газообразной или парогазовой смеси,
включающей, кроме диффузанта, газ-носитель,
газ-разбавитель (азот или аргон) и
газ-окислитель (кислород). Смешение газов
производится при низких температурах в начале
реактора.
Жидкие диффузанты подаются из барбо-
тера путем испарения или захвата пробульки-
вающим газом-носителем;
4) происходит превращение жидкого
источника примеси в ангидрид примеси на
поверхности пластины в результате
окислительной реакции, например, для хлороксида
фосфора РС1з:
4 РОС13 + 5О2 = 2Р2О5 + 12С12 (газ).
Образующийся фосфорный ангидрид
Р2О5 осаждается на поверхности пластины в
виде пленки. По такой же схеме протекают
реакции и в других источниках диффузии;
5) осуществляется формирование
ангидрида примеси на поверхности пластин с
равномерными свойствами по площади пластины
и в партии пластин.
Требуемые параметры процесса
диффузии обеспечиваются конструкцией системы и
оптимальными режимами процесса.
Вертикальное расположение пластин с
перпендикулярной газовому потоку
ориентацией рабочей поверхности, широко
используемое в настоящее время в диффузионной
технологии, не обеспечивает равномерности
свойств по площади пластин.
При вертикальном расположении
пластин (рис. 2.6.19, 2.6.20) реагенты - хлорокись
фосфора и кислород - должны мигрировать из
потока, огибающего пластины, к месту
реакции в центре на поверхности пластин, что
приводит к неравномерности толщины
осаждаемой пленки ангидрида по площади
пластины тем большей, чем больше радиус пластин
ДГ концентрация хлорокиси в реакторе и
коэффициенты миграции хлорокиси и меньше
расстояние между пластинами L.
POClj
Рис. 2.6Л9. Миграция реагентов в зазоре
между пластинами
Рис. 2.6.20. Схема осаждения пленки ангидрида
примеси на поверхности пластин:
1 - кварцевый реактор; 2,3- реагенты Ог и РОС13,
мигрирующие из потока вдоль трубы в зазор между
пластинами и взаимодействующие на поверхности
пластин с образованием ангидрида Р2О5 и С^;
4- пластины кремния; 5 - пленка Р2О5;
6 - С12, поступающий в поток
Осаждение по пластине становится более
равномерным при продольно-вертикальном
способе расположения пластин в связи с тем,
что доставка диффузанта практически не
зависит от коэффициента миграции примеси, а
определяется для любой точки поверхности
пластины скоростью потока в реакторе. Для
повышения равномерности осаждения
используют реакторы прямоугольного сечения взамен
трубчатых, более сложных лодочек для
размещения пластин.
Для устранения неоднородности состава
пленок ангидрида примеси по толщине на
пластинах в начале и конце трубы из-за
снижения концентрации примеси необходимо
восстановить концентрацию примеси вдоль
реактора (рис. 2.6.21).
Вторая стадия диффузии заключается в
протекании реакции взаимодействия
ангидрида примеси с кремнием с образованием атомов
примеси, диффундирующих в кремний, и
двуокоси кремния, образующей с непрореаги-
ровавшим ангидридом стекло на поверхности:
Р2О5 + Si = Р + SiO2.
Вторая стадия проводится в трубчатых
реакторах в атмосфере нейтрального газа азота
или аргона в такой последовательности:
вводят пластины в рабочую камеру, что
совпадает с пп. 1 и 2 первой стадии процесса;
проводят диффузию в нейтральной
атмосфере;
получают требуемый диффузионный
профиль, который определяется температурой
и временем диффузии, поверхностная
концентрация определяется температурой, при
которой проводится процесс.

200
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Рис. 2.6.21. Расположение пластин в реакторе прямоугольной формы:
а - в сечении реактора; б - вдоль реактора
Равномерность скорости диффузии по
пластине в данном случае не зависит от
конструктивных параметров реактора и скорости
потока диффузанта и определяется
исключительно составом пленки ангидрида примеси.
В ряде случаев для снижения
поверхностной концентрации примеси перед второй
стадией слой ангидрида примеси с
поверхности удаляется и источником является примесь,
диффундировавшая в пластину в процессе
первой стадии. Это аналогично диффузии из
ограниченного источника.
Основным ограничением метода
диффузии с использованием жидких диффузантов
является относительная невоспроизводимость
процесса - влияние формы и размеров
системы и параметров процесса на поверхностную
концентрацию и диффузионный профиль и
равномерность осаждения по площади
пластины. Кроме того, в случае высоких
концентраций бора на поверхности могут образовываться
труднорастворимые соединения бора с
кремнием.
Обычно метод используется для
формирования высоколегированной области
эмиттера в биполярных транзисторах (диффузия
фосфора), легирования поликремния затвора
полевых транзисторов (фосфор),
разделительной диффузии (бор). Метод с удалением
ангидрида с поверхности используется при
диффузии базы (диффузия бора) и для других
высококонцентрационных областей р-типа
проводимости.
Указанные ограничения приводят к
постепенной замене жидких диффузантов на
другие источники.
Большое распространение в
промышленности нашли газообразные и твердые
источники диффузии.
Длительное время основным
ограничением применения газообразных источников
диффузии являлась их высокая токсичность,
требующая высокой герметичности системы и
средств защиты оператора. Для защиты
оператора автоматическую загрузку и выгрузку
пластин выполняют без его участия.
Принципиальным отличием
использования газообразных источников является
непосредственное взаимодействие с поверхностью
пластины с образованием примеси в
атомарном виде, диффундирующей в кремний, и
газообразного водорода, смешивающегося с
потоком:
2РН3 + Н2(Аг)
Т > 800 °С
Si
2Р + ЗН2.
Восстановительная среда в реакторе не
является реагентом, но определяет
повышенную подвижность примеси в газовом потоке.
Водород, обладающий меньшей
относительной молекулярной массой, чем аргон и
азот, обеспечивает большую подвижность
фосфина и, следовательно, равномерность
диффузии по пластине.
Диффузия проводится за одну стадию и
является диффузией из бесконечного
источника. Поверхностную концентрацию регулируют
изменением температуры, а профиль
распределения примеси - времени диффузии.
Метод используют для диффузии
мышьяка и фосфора (области эмиттера биполярного
транзистора, стока и истока полевого
транзистора), бора (базовые области биполярных
транзисторов и стоки и истоки полевых
транзисторов), как альтернативу методу ионной
имплантации при создании сверхтонких
диффузионных слоев с более низким уровнем
деффектов, что не достигается при
имплантации примесей.
Этапы диффузии те же, что и диффузии
из жидкого источника.
Ограничением метода является некоторая
зависимость параметров диффузии от формы
и размеров реактора и затрудненность
получения контролируемых низких концентраций
примеси, необходимых для базовых областей
биполярных транзисторов.
- Для получения низких концентраций
примеси ДО17 - 1019 см3 более приемлемым
является метод диффузии из твердого
источника - шайбы диаметром, равным диаметру
пластины, - содержащего требуемую
концентрацию ангидрида примеси (выделяющегося
при нагреве источника до температуры
диффузии), позволяющую с высокой точностью ре-

ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
201
N(Ar)
Рис. 2.6.22. Схема осаждения пленки ангидрида примеси из твердого источника:
1 - рабочая пластина; 2 - источник примеси
2.6.18. Характеристики диффузии
Элемент
As
В
Р
Фактор диффузии Д),
см2/с
0,63
A,5 - 6I0
-
Энергия Е, эВ
3,9
2,5
-
Коэффициент диффузии D,
см2/с
2,4-10-14
9 1014
7-Ю3
Температура Т,
°С
800
900
1000
гулировать поверхностную концентра1щю
примеси в диффузионном слое.
При этом схема диффузии существенно
упрощается (рис. 2.6.22).
Через реактор пропускается нейтральный
газ с невысокой скоростью. При нагревании
ангидрид примеси испаряется из пластины
источника в зазор между пластинами и
переносится без перемешивания на рабочую
пластину. Поток газа препятствует накоплению
избытка примеси в реакторе.
Данным метод обеспечивается
равномерность осаждения и, главное, - строго
дозированное количество ангидрида примеси по
площади пластины и по длине лодочки для
всей партии.
Для повышения качества изделий
необходимо создать стабильные источники
примеси.
Диффузия примеси из источника,
сформированного на поверхности выполняется в
стандартных установках диффузии или
окисления в потоке инертного газа по аналогии со
второй стадией диффузии из жидких диффу-
зантов.
На качество приборов влияет диффузия
примесей в тонких пленках
поликристаллического кремния, используемых в качестве
электродов к областям базы, эмиттера и
коллектора в биполярных транзисторах, затвора в
полевых транзисторах, резисторов и
поликремниевой разводки.
Для снижения удельного
электросопротивления поликремния его легируют бором,
фосфором или мышьяком. Легированные
пленки поликремния используют как
источник диффузии в кремний. Коэффициент
диффузии примесных атомов, диффундирующих
вдоль межзеренных границ, может почти в
100 раз превышать коэффициенты диффузии в
решетке монокристалла.
В табл. 2.6.18 даны характеристики
диффузии As, В и Р в пленках поликремния,
используемых в технологии микросхем.
2.6.6. ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ
ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Основные принципы и общая
характеристика. Сущность метода химического
осаждения из газовой фазы (в зарубежной литературе
принят термин CVD - Chemical Vapor
Deposition) состоит в том, что в герметичном
рабочем объеме (реакторе) в результате химических
реакций в газовой фазе и (или) на
поверхности нагретых подложек осаждаются слои
твердого продукта, а остатки непрореагировавших
исходных реагентов и газообразные продукты
реакций удаляются из реактора с потоком
газа-носителя или откачиваются вакуумным
насосом. Протекание осаждения слоев
твердого продукта из газовой фазы зависит от ряда
параметров: температуры, давления,
концентрации реагентов в газовой смеси,
соотношения этих реагентов, скорости газового потока.
Знание закономерностей химического
взаимодействия исходных реагентов и подбор
условий проведения процесса позволяют получать
с высокой степенью воспроизводимости слои
различных материалов с требуемыми
свойствами.
Осаждение слоев из газовой фазы -
сложный многостадийный процесс,
включающий перенос исходных реагентов в зону
осаждения к нагретым подложкам, взаимодействие
исходных реагентов и образование
промежуточных продуктов, массоперенос исходных
веществ или промежуточных продуктов к
поверхности подложек, адсорбцию, реакции на
поверхности подложек с образованием слоя
материала, десорбцию газообразных продуктов
реакций с поверхности и их эвакуацию из
зоны осаждения. Механизм протекания
осаждения зависит от условий осаждения и
используемых реагентов. Ключевым моментом,
определяющим однородность осаждения слоев из
газовой фазы, является соотношение
скоростей роста слоя на подложке и массопереноса
реагентов или промежуточных продуктов ре-

202
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
акции к подложке. Если скорость роста
превышает скорость массопереноса или
соизмерима с ней, процесс протекает в
"диффузионной" области и осаждаемые слои имеют
большую неоднородность по толщине. Если же
скорость роста слоя намного меньше скорости
массопереноса, то процесс идет в
"кинетической" области, т.е. рост слоев лимитируется
скоростью химической реакции, а не массопе-
реносом, и достигается высокая однородность
осаждения слоев.
В связи со сложностью химических
процессов, лежащих в основе газофазного
осаждения слоев, одна из основных задач состоит в
выявлении стадий процесса, определяющих
основные особенности осаждения слоев (в
частности, лимитирующих стадий),
достаточных для решения задач управления профилем
скоростей осаждения и нахождения
оптимальных условий проведения процесса.
В связи с развитием электронной
техники и массового производства интегральных
схем повысились требования к качеству
используемых слоев. Именно в этой области
техники метод химического газофазного
осаждения различных слоев продемонстрировал
свои преимущества. Высокие
производительность и воспроизводимость, хорошие
однородность и качество осаждаемых слоев,
коэффициент заполнения рельефа поверхности
подложек, близкий к единице, свойственные
CVD, позволили улучшить экономические
показатели производства интегральных схем,
повысили выход годных приборов и их
надежность.
Для CVD используют два вида реакторов:
реакторы атмосферного давления (РАД) и
реакторы пониженного давления (РПД).
В табл. 2.6.19 приведены обобщенные
характеристики наиболее отработанных
процессов осаждения слоев поликристаллического
кремния, нитрида и диоксида кремния в РАД
и РПД.
В целом РПД намного экономически
эффективнее РАД. Затраты на обработку
одной пластины в РПД примерно в 5 - 10 раз
меньше, чем в РАД, причем разность затрат
возрастает с увеличением диаметра пластин
(рис. 2.6.23).
2.6.19. Обобщенные характеристики процессов осаждения в РАД и РПД
Характеристика
Производительность, пластины / цикл
Уменьшение производительности при увеличении диаметра
подложек
Разброс толщины слоев, ± %:
по пластине
в партии пластин
Скорость осаждения, нм/мин
Расход газа-носителя, м3/ч
РАД
<50
Сильное
5 - 10
10- 15
20 - 100
1,5-5
РОД
<200
Слабое
2
3
5-20
0,05
rA
II!
IV
4
М-
о,в.
0
1
4
а
s
1
1
! 2
1
|
i
III
Г *
а) В>
Рис. 2.6.23.0тносительная стоимость обработки одной пластины диаметром 76 мм (а) и 100 мм (б) в реакторах
атмосферного давления:
/- АМН-6000; II - УНИПАК-1010; реакторах пониженного давления: III- РОД с горизонтальным
расположением пластин; IV - РПД с вертикальным расположением пластин; 1 - трудозатраты; 2- стоимость
оборудования; 3 - стоимость исходных реагентов; 4 - энергозатраты

ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
203
РАД в основном используется для
нанесения толстых слоев, когда требуется высокая
скорость осаждения. Для нанесения тонких
слоев предпочтительнее РИД благодаря их
значительным преимуществам.
Одна из основных проблем технологии
осаждения слоев из газовой фазы - получение
однородных по толщине слоев на пластинах
большого диаметра при высокой
производительности процесса. Высокая
производительность РПД достигается за счет плотной,
вертикальной расстановки пластин
перпендикулярно газовому потоку (рис. 2.6.24). Причинами
возникновения неравномерных по толщине
слоев могут быть формирование газовых
потоков и диффузионные ограничения в зоне
реакции, неравномерный прогрев пластин,
обеднение газовой фазы активными компонентами
по мере их расходования и т.п.
В реакторе пониженного давления
теоретически могут быть устранены все
перечисленные причины, приводящие к неоднородному
распределению скоростей осаждения по
пластине, по следующим причинам: .
при переходе от атмосферного давления
к низкому скорость диффузии возрастает
примерно на три порядка и процесс, как правило,
переходит в кинетическую область;
за счет высокой скорости перемещения
газа создаются условия, при которых
концентрация активных компонентов в газовой фазе
остается практически постоянной по всей
длине реакционной зоны, т. е. не возникает
обеднение и достигается однородный рост
слоев по зоне;
резистивный нагрев обеспечивает
высокую однородность прогрева подложек, газовой
смеси и стабильность температуры.
На практике для некоторых процессов не
удается найти условия равномерного роста
слоев по поверхности пластины только за счет
снижения давления без внесения специальных
изменений в конструкцию реактора. По
наблюдаемым профилям скоростей роста по
поверхности пластины условно эти процессы
можно разделить на две группы.
В первой группе процессов (например,
осаждение диоксида кремния из тетраэтокси-
силана или дихлорсилана и закиси азота;
осаждение нитрида кремния из тетрахлорида
кремния и аммиака или дихлорсилана и
аммиака; поликристаллического кремния - пиро-
Рис. 2.6.24. Вертикальное расположение пластин в
РПД
лизом моносилана) при малых расстояниях
между пластинами (К) наблюдается вогнутый
вид профилей - скорость роста слоя падает от
края пластины к ее центру.
У первой группы процессов
лимитирующей стадией сложных химических реакций
является гетерогенная стадия - реакция на
поверхности подложки. Неравномерные по
толщине пленки в таких процессах могут
возникнуть в условиях, когда скорость
предшествующей стадии - диффузии исходных
реагентов (уд исх) - уменьшается настолько, что
становится сравнимой со скоростью
поверхностной реакции (vreT), т.е. Уд. исх = vreT.
Увеличение расстояния между пластинами облегчает
диффузию исходных реагентов, и профиль
растущего слоя выравнивается. Для выбора
оптимальных условий проведения процесса
следует пользоваться критерием Тиле
Ф = 2rQk/(Dh) , где /*о - радиус пластины; к -
константа скорости гетерогенной реакции; D -
коэффициент диффузии. Профиль
осаждаемого слоя, близкий к плоскому, реализуется
при ФУ2 < 1.
Ко второй группе процессов можно
отнести, например, осаждение слоев диоксида
кремния из моносилана и кислорода и слоев
нитрида кремния из моносилана и аммиака.
Для этих процессов также характерен вогнутый
профиль при малых значениях h. Однако, при
увеличении h профиль принимает выпуклую
форму, которая практически не меняется при
изменении температуры, давления и
концентрации исходных реагентов, а зависит от
соотношения радиусов пластин и реактора (Rq) и
расстояния между пластинами. Для таких
процессов характерны следующие стадии:
диффузия исходных реагентов в зазор
между пластинами (уд> исх);
реакция в газовой фазе с образованием
промежуточного продукта (vr);
диффузия промежуточного продукта к
поверхности пластины (уд п);
гетерогенная реакция, в результате
которой из промежуточного продукта на
поверхности пластины образуется пленка (vreT).
Соотношение характеристических
скоростей всех стадий процесса представляется
схемой (уд. исх » уг « уд п « угет).
Скорость осаждения слоя определяется
лимитирующей стадией vr. Причина наблюдаемого
неоднородного профиля заключается в том,
что уд. п « vrer- При этом профиль слоев,
близкий к плоскому, получается при
реализации условия (Д) - /^) / h = 0,4 ... 0,6
(геометрический критерий).
Реакторы пониженного давления (РПД).
Конструкция любой установки для осаждения

204
Глава 26. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Рис. 2.6.25. Принципиальная схема РПД с "горячими стенками"
слоев при пониженном давлении имеет
несколько узлов: нагреватель (в частности,
электропечь), собственно реактор, вакуумную и
газовую системы. В ряде случаев установки
оснащаются системами очистки выбросов. Для
примера, на рис 2.6.25 изображен вариант
принципиальной схемы РПД с "горячими
стенками".
В связи с тем, что для осаждения слоев
могут использоваться агрессивные реагенты,
газовая, вакуумная системы и шлюзы реактора
выполняются из коррозионно-стойкой стали.
В приведенном варианте РПД газовая система
состоит из четырех независимых газовых
линий для рабочих газов и двух вспомогательных
для продувки вакуумной системы, продувки и
заполнения реактора инертным газом. На
каждой газовой линии установлены регулятор
давления i, измеритель расхода газа 2 с нате-
кателем 3, электромагнитный клапан 4
(возможен газовый клапан или вакуумный вентиль).
В смесителе 5 рабочие газовые потоки
смешиваются и смесь поступает либо в байпасную
линию 6 для сброса или корректировки
расхода газов, либо в реактор 8. Реактор обычно
представляет собой кварцевую трубу (диаметр
зависит от размера рабочих пластин), которая
герметично резиновыми прокладками
закрепляется в охлаждаемых водой вакуумных
шлюзах, расположенных на электропечи 9. Газовая
смесь в реактор подается через шлюз загрузки-
выгрузки пластин 7. В зависимости от того,
какие реагенты используются для конкретного
процесса, конструкция установки может
несколько видоизменяться. Например, при
осаждении слоев нитрида кремния аммонолизом
хлорсодержащих соединений кремния эти
реагенты необходимо подводить к зоне
осаждения реактора раздельно с аммиаком. Это
связано с тем, что реакция химического
взаимодействия указанных реагентов с аммиаком
очень активно идет при 20 °С с образованием
твердого продукта в виде хлористого аммония.
При использовании паров жидкого или
твердого реагента термостатированный барбо-
тер с этим реагентом помещают в газовую
линию и пар реагента подают в реактор с
потоком газа-носителя, проходящего через бар-
ботер. Если для повышения давления паров
реагента температуру барботера приходится
поддерживать на уровне, превышающем 20 °С,
то во избежание конденсации паров участок
газовой линии от барботера до ввода реагента
в рабочую зону реактора необходимо термо-
статировать (температура газовой линии
должна быть несколько выше температуры
барботера).
В откачном шлюзе 10 расположены
датчик давления 11 и блок 12 термопар (обычно
три, введенные в начало, середину и конец
рабочей зоны реактора), позволяющий
контролировать температуру в объеме реактора
при проведении осаждения слоя. Для откачки
реактора обычно используют вакуумные
насосы или агрегаты. В приведенном варианте
использован вакуумный агрегат 18 типа АВР-
150 или АВР-50, состоящий из двухроторного
насоса 17 и форвакуумного насоса 19. Перед
агрегатом в вакуумной системе расположены
ловушка 13 и фильтр 14, с помощью которых

ХИМИНЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
205
удерживаются эвакуируемые из реактора
продукты реакции. Вакуумная система содержит
регулятор скорости откачки 15, позволяющий при
заданных расходах реагентов устанавливать
требуемое давление в реакторе. Вакуумный вентиль 16
отделяет при необходимости реактор от
вакуумного агрегата. Маслоочиститель 20 позволяет
увеличить рабочий ресурс насоса.
Система очистки технологических
выбросов дает возможность уменьшить выброс
вредных продуктов реакций в атмосферу. Она
состоит из маслоотражателя 21, фильтра 22 и
поглотителя 23.
Широкому внедрению CVD
способствовала довольно несложная модернизация
стандартного диффузионного оборудования для
переделки его в РПД. Промышленностью
выпускается гамма серийного оборудования для
химического газофазного осаждения слоев при
пониженном давлении. Из отечественных
установок - это серия установок "Изотрон",
которые имеют несколько модификаций.
Некоторые из них достаточно универсальны, другие
предназначены для более узкого
использования. Аналогичное оборудование с высокими
техническими характеристиками и высокой
степенью автоматизации выпускается рядом
зарубежных фирм (табл. 2.6.20).
Параметры осаждения в РПД. При
осаждении слоев в РПД обычно контролируют
следующие параметры процесса: температуру
осаждения G), общее (рабочее) давление в
реакторе (ро)> газовые потоки реагентов
(бреаг) или парциальные давления реагентов
{pijff общий газовый поток (Среаг)- Важным
параметром является соотношение
используемых реагентов (М). Изменение параметров
процессов в РПД влияет как на абсолютные
значения скорости осаждения, так и на ее
распределение по длине рабочей зоны
реактора.
Влияние параметров процессов
осаждения на абсолютные значения скоростей роста
устанавливается экспериментально по
концентрационным и температурным зависимостям
скорости роста и др. Как правило, эти
зависимости для процессов осаждения в РПД и РАД
близки и многие закономерности могут
соответствовать РПД на основании известной
информации о РАД.
Для обеспечения максимальной
производительности процесса необходимо обеспечить
однородный рост слоев по всей рабочей зоне.
Анализ экспериментальных результатов для
большей части разработанных процессов
позволил обобщить зависимости скоростей
осаждения слоев (v) по длине рабочей зоны
реактора при изменении Ту рц, ph Среаг (рис.
2.6.26).
Согласно приведенным на рисунке
данным при возрастании Т, р$ и pi (величина
Среаг постоянна) происходит увеличение
скорости осаждения в начале рабочей зоны,
считая от входа газового потока. При очень высо-
2.6.20. Фирмы-изготовители
Фирма-изготовитель
оборудования
Advanced Cristal Science
ASM / America
Anicon
BTU Engineering Brace Systems
CVD Systems and Services
Crystal Specialties
PFD Systems
Process Technology
Tempress
Termco
Tylan
Модель
Series
500
-
-
V-CVD
-
419
-
Lotox
150
Series
400
TMK
9000
Tylan
установок и наносимые материалы
Материалы осаждаемых слоев*

Поликремний
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Si3N4
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
SiO2
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ФСС,
БСС
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
+

Силициды
-
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
W
+
+
+
-
-
-
-
-
+
-
-
* Знак "+" означает наличие, знак "-" - отсутствие осаждаемых материалов.

Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
а) «>
Рис. 2.6.26. Обобщенные зависимости скорости роста у по длине реактора L при i
температуры Т(а) и общего газового потока Q ' (б)
(стрелка - направление движения газа по реактору)
2.6.21. Периодичность обработки узлов РПД*
гря
Процесс
Осаждение
поликремния
Осаждение
нитрида
кремния
Осаждение
диоксида
кремния
Реагенты
SiH4
S1H2CI2,
NH3
SiH2Cl2,
N2O
Очистка реактора и
вакуумной системы
25
20
25
Очистка
ловушки
25
15
2
Очистка фильтра
перед насосом
25
15
4
Смена масла
25
4
5
* Цифры означают толщину слоя (мкм), осажденного в реакторе, при достижении
которого необходимо проводить профилактические работы.
ких значениях Т происходит резкое падение
скорости осаждения в пределах рабочей зоны
практически до нуля (штриховая линия).
Выравнивание скорости осаждения по
длине рабочей зоны реактора можно
осуществлять изменением температуры в рабочей
зоне, давления, парциального давления
реагентов и объемного потока газа. Кроме того,
выравнивание профилей скорости осаждения
можно проводить изменением температуры по
длине рабочей зоны, т.е. введением
температурного градиента. Это наиболее простой
способ регулирования профилей скорости
осаждения, поскольку регулировка давлением не
всегда целесообразна, а увеличение объемного
потока газа ведет к его перерасходу. Для
хорошей воспроизводимости скорости
осаждения слоев РПД должен обеспечить:
воспроизводимость температурного
градиента по длине рабочей зоны реактора;
воспроизводимость и регулирование
рабочего давления;
воспроизводимость и регулирование
расхода реагентов и скорости движения газа по
реактору.
Для воспроизводимости качества
осаждаемых слоев важен контроль натекания
воздуха в реактор. Для изменения натекания
проводят откачку реактора до достижения
предельного остаточного давления и с помощью
клапана отсекают рабочий объем от насоса.
Вследствие натекания воздуха давление в
реакторе возрастает. Поток натекания вычисляют
по формуле
и™ = (Др?) /1,
где Ар - изменение давления, Па; V - объем
реактора и вакуумной линии до клапана, м3;
t - время измерения, с.
Необходимо учитывать, что возможное
газоотделение со стенок реактора может
искажать измеряемое значение потока натекания.
Обычно поток натекания, не превышающий
510 - 10 м3Па/с, считается приемлемым
для проведения процессов.
Эксплуатация установок. Опыт работы на
РПД показывает, что в процессе эксплуатации
на установках должны проводиться
периодические профилактические работы. Это связано
с тем, что при достижении определенной
толщины осажденных слоев на реакторе, оснастке
и балластных пластинах эти слои
растрескиваются, засоряя реактор и вакуумную систему.
Кроме того, для конкретных процессов в
зависимости от используемых реагентов и
образующихся продуктов реакций выход реактора
и элементы вакуумной системы могут
забиваться твердыми осадками или вакуумное
масло в насосах подвергается разрушению
газообразными химическими активными отходами.
В табл. 2.6.21 приведена рекомендуемая
периодичность профилактических работ для ус-

ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
207
2.6.22. Перечень материалов, осаждаемых ПХО при
Материал
Кремний аморфный
Кремний
микрокристаллический
Германий аморфный
Германий
микрокристаллический
Бор аморфный
Фосфор аморфный и
микрокристаллический
Мышьяк
Селен, теллур, сурьма, висмут
Молибден, никель
Диоксид кремния
Диоксид германия
Оксид алюминия
Оксид титана
Нитрид кремния
Нитрид алюминия
Нитрид титана
Нитрид бора
Карбид кремния
Карбид титана
Температура
осаждения, К
523 - 573
523 - 673
523 - 673
523 - 673
673
293 - 473
373
373
-
523
523
523 - 773
473 - 673
573 - 773
1273
523 - 1273
673 - 973
473 - 773
673 - 873
Скорость
осаждения, нм/мин
6-60
6-60
6-60
6-60
6-60
?6000
<600
?0 - 600
-
6-600
6-600
6-60
6
6-60
<600
60 - 300
-
6
3-600
изготовлении ИС
Реагенты
SiH4; SiF4 - H2; Si*TBH2
SiH4 - Н2; SiF4 - Н2; SiTBH2
GeH4
GeH4 - H2; Gen, - H2
B2H6; BC13 - H2
Ptb " H2
ASH3; A&tb - H2
Me-H2
M(COL; Ni(COL
Si(OC2H5L; SiH4 - N2O
Ge(OC2H5L; GeH4 - O2,
N2O
AICI3 - O2
TiCLt - O2
Sffl4 - N2; NH3
AICI3 - N2
TiCU - H2 - N2
B2H6 - NH3
SiH4 - C#Hm
Т1СЦ - CH4 - H2
* Индекс "тв" означает твердый.
тановок, предназначенных для реализации
некоторых процессов.
Для процессов, использующих
токсичные, взрыво - и пожароопасные вещества,
необходимо предпринимать меры,
обеспечивающие надежность работы оборудования и
безопасность работающего и обслуживающего
персонала.
Плазмохимическое осаждение слоев в РПД.
Развитие технологии изготовления БИС и
СБИС, а также использование для них
полупроводниковых материалов типа AmBv
потребовали совершенствования технологических
процессов осаждения различных слоев и
снижения температуры получения этих слоев до
300 °С. Поэтому перспективными^ являются
метод плазмохимического осаждения (ПХО)
слоев в РПД и плазмохимические процессы,
дополняющие обычные CVD-процессы
(особенно когда требуется снижение
температуры осаждения слоев). Кроме того, ПХО
позволяет увеличить производительность,
воспроизводимость и улучшить качество
осаждаемых слоев. Разработан ряд конструкций РПД
для ПХО, в которых газовая смесь реагентов
возбуждается до плазменного состояния, что
облегчает протекание стадий химических
реакций в процессе осаждения слоев. В табл. 2.6.22
приведен перечень материалов, осаждаемых
ПХО при изготовлении ИС.
В промышленности используются два
типа реакторов для ПХО слоев при
пониженном давлении: планарный с "холодными"
стенками и трубчатый с "горячими". При ПХО
слоев, как и в обычных РПД, в основном
применяют групповой метод обработки
подложек. Для планарных реакторов характерна
тенденция перехода к конвейерному методу
обработки подложек. Эти реакторы имеют
низкую производительность и ограниченное
применение (главным образом - для получения
диэлектрических слоев). Значительная ВЧ -
мощность отрицательно сказываются на
параметрах изготовляемых приборов.
Трубчатые реакторы с "горячими"
стенками имеют преимущества перед планарными:
они универсальны (пригодны для получения
практически всех материалов); их производи-

208
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
тельность в 2 - 3 раза выше; требуется
значительно меньшая ВЧ - мощность для
одинаковых с планарными системами скоростей
осаждения слоев. Трубчатые реакторы можно
изготовить путем несложной модернизации
обычных РПД. Недостаток реакторов этого типа -
сложность загрузки и выгрузки большого
количества подложек в многоэлектродной
системе возбуждения плазмы.
Для ПХО слоев в промышленных
установках всех типов в основном используются
генераторы с частотой 50 - 450 кГц, реже - с
частотой 13,56 МГц. Разрабатываются
реакторы с СВЧ - активацией плазмы и с
вынесенной за пределы области протекания реакции
зоны горения плазмы.
2.6.7. НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ
МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ И
ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Методы получения тонкопленочных
покрытий испарением и физическим
распылением металлов в вакууме начали развиваться с
появлением полупроводниковой технологии, в
настоящее время во многих отраслях
промышленности тонкопленочные покрытия нашли
широкое применение, например, в качестве:
декоративных покрытий на стекле,
металле, пластмассе и других материалах;
упрочняющих покрытий на инструментах
и деталях машин;
антикоррозионных покрытий;
отражающих, просветляющих и других
слоев в оптических системах;
проводящих, резистивных, изолирующих
слоев для радиоэлектронных приборов
различного назначения.
Их используют также для создания
композиционных материалов, получение которых
другими методами невозможно.
В зависимости от назначения и области
применения к наносимым покрытиям
предъявляются специфические требования.
Существуют общие требования: заданные
парциальное и предельное давление в рабочей
камере, высокие равномерность толщины
наносимых пленок на всей поверхности
обрабатываемого изделия, адгезия слоя, скорость и
воспроизводимость процесса, рациональная
конструкция, обеспечивающая непрерывный и
циклический процесс производства,
оптимизируя которые можно обеспечить
минимальную себестоимость процесса.
При использовании технологических
процессов нанесения тонких пленок методами
вакуумного испарения или распыления,
применяемыми в производстве интегральных
микросхем, предъявляются жесткие
требования к конструкции установки, вакуумным
системам, чистоте используемых материалов,
воспроизводимости и оптимальности режимов
нанесения.
Материалы рабочей камеры. В
большинстве случаев - это коррозионно-стойкая сталь,
которая достаточно хорошо обрабатывается и
позволяет формировать сложные конструкции
с требуемыми геометрическими параметрами
Имеет достаточно низкое газоотделение при
рабочих температурах, достигающих 500 -
700 °С, хорошо полируется, что способствует
уменьшению привносимой дефектности
рабочей поверхности обрабатываемых изделий до
0,03 см при размере частиц 0,3 мкм и более.
Откачные средства. Применяют два
основных типа вакуумных насосов:
1) масляные диффузионные, в которых
в качестве рабочей жидкости используются
вазелиновые масла с давлением собственных
паров при 20 °С около 100 Па, синтетические
кремний органические жидкости с давлением
паров около 100 Па;
2) безмасляные турбомолекулярные и
криогенные.
В современных установках предпочтение
отдается последним, так как они позволяют
исключить в рабочей камере пары
углеводородов (характерные для масляных сред) и
обеспечить предельное разрежение порядка 10"* -
10~7 Па. Эти насосы обладают достаточно
стабильной быстротой откачки при давлении до
1 Па, что позволяет выбрать оптимальный
режим технологического процесса при
использовании различных типов испарителей и
распылительных устройств.
Существует широкая гамма источников,
используемых при нанесении тонких пленок в
вакууме, которые базируются на двух методах
формирования потока наносимого на
обрабатываемое изделие материала:
метод термического испарения,
основанный на нагреве материала до температуры
испарения либо путем прямого резистивного
нагрева с помощью спирали или лодочки из
тугоплавкого материала, либо высокоэнерге-
тичным пучком электронов с применением
электронно-лучевых испарителей (ЭЛИ);
метод ионно-плазменного распыления
отрицательно заряженного материала катода-
мишени за счет бомбардировки его
поверхности положительными ионами плазмообразую-
щего газа (обычно аргона).
Термическое испарение. Существуют
различные конструкции устройств испарения
материалов в вакууме. Испарительные системы
с прямым нагревом материала имеют ряд
недостатков: низкий срок службы испарителя,
малый объем испаряемого материала и, как
следствие, - нестабильность скорости
испарения, взаимодействие испаряемого материала с
материалом испарителя, ограничение
номенклатуры испаряемых материалов из-за
ограниченного температурного режима работы
испарителя. Такие конструкции испарителей
приемлемы для установок циклического действия,

НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ
209
Рис. 2.6.27. Схема электронно-лучевого испарителя:
ЕЛ - электромагнит; F - накаливаемый катод;
FE - пучок электронов; М- испаряемый материал;
РМ - магнитолровод; R - система охлаждения тигля
испарителя
в которых после каждого процесса нанесения
вскрывается рабочая камера и одновременно
со сменой обрабатываемых изделий
производится смена испарителя и испаряемого
материала.
В случае использования ЭЛИ
испаряемый материал, находящийся в водоохлаждае-
мом медном тигле, разогревается ускоренным
до нескольких килоэлекгрон-вольт потоком
электронов.
На рис. 2.6.27 показан ЭЛИ,
встраиваемый в любую вакуумную установку, причем,
используя устройство дозагрузки в тигель
испаряемого материала в виде гранул или
проволоки, можно обеспечить достаточно
длительную его работу без разгерметизации рабочей
камеры. Этот метод достаточно широко
применяется для нанесения однокомпонентных
материалов. При нанесении пленок из сплавов
с различным давлением паров отдельных
компонентов трудно получить в нанесенном слое
тот же стехиометрический состав материала,
что и в исходном продукте. Так как данный
процесс проходит обычно в высоком вакууме
A0~6 Па), загрязнение испаряемого материала
продуктами остаточной вакуумной среды
минимально.
В испаряемом материале создается очень
большой разброс температуры. У границы с
водоохлаждаемым тиглем материал имеет
низкую температуру, а в узкой зоне,
обрабатываемой электронным лучом, - высокую. Это
приводит к тому, что легколетучие примеси в
начальные периоды работы ЭЛИ будут в
большей степени загрязнять пленку, но в
последующие стадии работы ЭЛИ их концентрация
в пленке уменьшится. Примеси с более
высокой температурой испарения, чем у материала
наносимой пленки, в начальные/ моменты
работы ЭЛИ будут меньше загрязнять пленку,
далее их влияние может увеличиться. При
использовании дозагрузки испарителя эти
факторы неизбежно приводят к
неконтролируемым колебаниям содержания примесей в
наносимой пленке.
Вакуумное испарение подчиняется коси-
нусоидальному закону распределения потока
испаряемого материала. Поскольку площадь, с
которой происходит испарение, очень мала,
невозможно получить равномерные по
толщине слои на плоской, а также на рельефной
поверхностях полупроводниковой пластины
без использования сложных систем вращения
и перемещения изделия на больших
расстояниях от испарителя. Это усложняет
конструкцию внугрикамерного устройства что снижает
его надежность, скорость нанесения и, как
следствие, - качество формируемого слоя.
Увеличение скорости испарения за счет
увеличения мощности электронного пучка
нежелательно, так как с ростом мощности
испаренный поток становится более неоднородным и
в потоке испаренного вещества может
появиться капельная фаза, что резко ухудшает
качество формируемого слоя. Для решения
данной проблемы используется сложное
вращение пластин относительно испарителя,
однако при работе с пластинами диаметром
более 150 мм трудно обеспечить равномерность
толщины пленки (± 3 %) и однородное по
пластине покрытие ступенек. Применение
высоких температур нагрева обрабатываемых
изделий, необходимое для повышения
поверхностной миграции атомов конденсирующегося
материала и способствующее росту слоя в
углублениях и на боковых уступах рельефа, еще
больше усложняет конструкцию и снижает
надежность системы, т.е. требуются
специальные нагревательные устройства. Технология
изготовления СБИС базируется на
использовании пластин диаметром 150 - 200 мм (в
перспективе 300 мм) и пленочных материалов из
различных сплавов и композиций, в связи с
чем метод термического испарения
неприемлем и предпочтение отдается методу ионно-
плазменного распыления, или физического
вакуумного нанесения (Physical Vapor
Deposition - PVD).
Метод ионяо-плазменного распыления для
нанесения покрытий в вакууме осуществляется
с помощью плазмы инертного газа при
давлении 102 - 10-3 Па. Этим методом можно
наносить слои практически любых металлов,
сплавов и их композиций, а также
полупроводников и диэлектриков.
Наносимый материал в простейшем
случае представляет собой плоскую пластину
(мишень) толщиной несколько миллиметров с
размерами, несколько превышающими
размеры обрабатываемого изделия (рис. 2.6.28). На
мишень подается напряжение минус C -
5) кВ. Второй электрод (анод), служащий
одновременно и держателем обрабатываемого
изделия, располагается параллельно мишени
на расстоянии 50 - 70 мм. При давлении 1 -
10 Па электрическое поле между
электродами приводит к ионизации газа. При
возникновении разряда газ становится проводником,
содержащим электроны, перемещающиеся к

210
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Рис. 2.6.28. Схема диодной распылительной системы:
А - подложкодержатель - анод;
Аг - плазмообразующий газ (обычно аргон);
С - распыляемый материал - катод;
G - выход к откачной системе
аноду, и положительные ионы, притягиваемые
катодом-мишенью. Через некоторое время на
аноде (или расположенном на нем образце)
появляется пленка из материала катода
Выбивание ионами атомов мишени
напоминает пескоструйную обработку, но на
атомарном уровне. Если в процессе испарения
атомам передастся от внешнего источника
дополнительная тепловая энергия, усиливая
колебания атомов внутри металла, то в случае
распыления энергия атомам наносимого
материала передается механически - путем
передачи импульса падающего на поверхность
мишени иона, ускоряемого приложенным
напряжением.
Атом мишени передает полученный
импульс соседним атомам, и если он достаточно
велик, они могут покинуть поверхность
мишени. Так постепенно происходит распыление
материала катода.
Этот метод имеет следующие
преимущества:
распыление - чисто механическое
явление, мишень остается относительно холодной
и ориентировать в вакуумной камере ее можно
в любом положении, причем форма мишени
может быть любой. Но мишень необходимо
охлаждать водой, так как из-за ионной
бомбардировки она все-таки нагревается (часть
энергии падающих на мишень ионов
превращается в теплоту);
распыление идет с постепенным
удалением материала с поверхности мишени.
Сплавы или композиционные материалы
распыляются без изменения стехиометрического
состава материала мишени в нанесенном слое;
энергия распыленных частиц достигает
10 В, что значительно выше, чем при
испарении, поэтому наносимые покрытия имеют
более высокую адгезию к подложке.
Так как масса ионов распыляемых
материалов различна, для распыления каждого из
них существует своя определенная средняя
энергия падающего она, т.е. порог
распыления. Эта энергия зависит и от массы
падающего иона, но обычно составляет 10 - 30 эВ.
В ^габл. 2.6.23 приведены коэффициенты
распыления различных материалов.
/"
2.6.23. Коэффициент распыления различных
материалов ионами аргона
Материал
Be
А1
Si
Ti
V
Cr
Fe
Co
Ni
Cu
Ge
Zr
Nb
Mo
Ru
Rh
Pb
Ag
Hf
Та
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Th
U
Энергия ионов аргона, эВ
100
0,074
0,11
0,07
0,081
0,11
0,30
0,20
0,15
0,28
0,48
0,22
0,12
0,068
0,13
0,14
0,19
0,42
0,63
0,16
0,10
0,068
0,10
0,057
0,12
0,20
0,32
0,097
0,14
200
0,18
0,35
0,18
0,22
0,31
0,67
0,53
0,57
0,66
1,10
0,50
0,28
0,25
0,40
0,41
0,55
1,00
1,58
0,35
0,28
0,29
0,37
0,36
0,43
0,63
1,07
0,27
0,35
300
0,29
0,65
0,31
0,33
0,41
0,87
0,76
0,81
0,95
1,59
0,74
0,41
0,40
0,58
0,68
0,86
1,41
2,20
0,48
0,41
0,40
0,56
0,56
0,70
0,95
1,65
0,42
0,59
600
0,80
1,24
0,53
0,38
0,70
1,30
1,26
1,36
1,52
2,30
1,22
0,75
0,65
0,93
1,30
1,46
2,39
3,40
0,83
0,62
0,62
0,91
0,95
1,17
1,56
2,43
0,66
0,97
Таким образом, скорость роста слоя при
ионно-плазменном нанесении зависит от
следующих факторов:
типа плазмообразующего газа (чем выше
масса иона, тем больше его импульс);
приложенного к катоду напряжения;
порога распыления;
угла падения иона;
ориентации кристаллической решетки
распыляемого материала (разные плоскости
имеют различные пороги распыления).

НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ
211
Механизм конденсации атомов материала
мишени на подложке примерно тот же, что и
при использовании метода термического
испарения. Так как основная масса
конденсирующегося материала поступает в
перпендикулярном к подложке направлении, пленки имеют
столбчатую структуру, механизм роста которой
зависит в основном от двух параметров:
рабочего давления в камере распыления и
температуры подложки. Чем выше температура, тем
больше сечение столбцов и они плотнее
упакованы. С ростом давления плотность их
упаковки ниже. Газовые включения в пленке при
ионно-плазменном нанесении могут быть
удалены путем принудительной бомбардировки
поверхности растущей пленки теми же ионами
плазмообразующего газа путем подачи на
пластину небольшого (менее -300 В) напряжения
от дополнительного источника питания
(распыление со смещением). Кроме того,
подача такого напряжения увеличивает
однородность покрытий на рельефных поверхностях,
так как при повышении температуры
растущего слоя увеличивается поверхностная
подвижность конденсирующихся атомов.
Типы распылительных систем. Существует
широкая гамма конструкций распылительных
систем. Схема простейшей диодной системы
показана на рис. 2.6.28. Качество пленок из-за
больших рабочих давлений не очень высокое,
а небольшая скорость нанесения не позволяет
обеспечивать высокую производительность.
Благодаря простоте конструкции и
эксплуатации этот метод широко применяется для
изготовления неответственных изделий.
Распылением при постоянном токе
наносят в основном слои проводящих
материалов. Однако путем подачи в плазмообразую-
щий инертный газ небольших добавок
кислорода или азота можно получать пленки
оксидов и нитридов металлов за счет реакции
распыленных атомов с химически активными
компонентами плазмы. При этом в
зависимости от условий распыления (давление и
парциальный состав газа, напряжение на катоде)
качество пленок и скорость роста их могут
существенно изменяться, так как вариацией
режимов можно смещать интенсивную зону
реакции распыляемого материала от
поверхности мишени к поверхности конденсируемого
слоя.
При необходимости распылять
диэлектрические материалы или металлы с высоким
сопротивлением систему питания ^обычной
диодной системы необходимо
модифицировать. Для этого вместо постоянного
напряжения на электроды диодной системы подается
напряжение частотой 13,56 МГц (промыш-
ленно разрешенная частота).
В этом режиме электроны плазмы
колеблются с энергией, достаточной для ионизации
атомов плазмообразующего газа, поэтому раз-
Рис. 2.6.29. Схема диодной ра
на переменном токе высокой частоты:
Cl, C1 - регулируемые емкости;
Q - диэлектрическая мишень; F- ВЧ-фильтр;
Grf - ВЧ-генератор (обычно 13,56 мГц, 50 Ом);
S - дроссель; Su - подложка; V- вольтметр
ряд мало зависит от вторичных электронов,
излучаемых мишенью. Это позволяет создавать
стабильную плазму при меньших
прикладываемых к разрядному промежутку мощностях
и при более низких давлениях, чем при
использовании постоянного тока.
Если электрод смещения (рис 2.6.29)
соединен с ВЧ - генератором через
последовательно подключенную емкость, на
поверхности распыляемого диэлектрика (мишени)
появляется импульсный отрицательный
потенциал, среднее значение которого называется
потенциалом автополяризации. Из-за большой
разницы в подвижности ионов и электронов
вольт - амперная характеристика тлеющего
разряда соответствует рис. 2.6.30. В течение
первого (положительного) полупериода на
электрод поступает поток электронов, а во
втором (отрицательном) полупериоде - поток
положительных ионов. Так как заряд через
емкость не протекает, на поверхности
диэлектрической мишени появляется отрицательный
автопотенциал и таким образом
выравниваются положительные и отрицательные зарядные
токи на мишень, чтобы общий поток в
течение одного периода был равен нулю.
Обычно подводимая удельная мощность
составляет 1-10 Вт/см2. При меньших
значениях разряд зажечь практически невозможно,
а при высоких возможен сильный разогрев
мишени, приводящий к повышенному
газоотделению с поверхностей близлежащих деталей
и к деструкции распыляемого материала.
Основной недостаток диодных систем -
низкая скорость распыления даже при
высоких ускоряющих напряжениях. Для
устранения его необходимо увеличение на мишени
плотности тока ионов плазмообразующего
газа. Реализовать это можно с помощью три-
одной системы с дополнительным источником
ионизации или диодной системы с
продольным магнитным полем, концентрирующим
плазму в центре катода. Однако широкого
применения эти системы не нашли.
Оптимальным является использование магнетрон-
ного эффекта при распылении в диодной
системе.

212
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
1,МА
0,4-
1П Г
L
~т~ w i
^ Ж
\ м (Л В
1,мА
4
г
-ю о ю
Рис 2.6.30. Вольт-амперные характеристики пульсирующего отрицательного автосмещения на
поверхности распыляемого диэлектрического материала при подаче ВЧ-сигнала:
а - поджиг разряда; /- излишек потока электронов; //- ионный поток; ///- ВЧ-сигнал;
б - автополяризация; /- общий нулевой поток; Vc - потенциал автополяризации
перед нанесением слоя играет очень важную
роль для получения слоев с требуемыми и
воспроизводимыми параметрами. Обычно в
зависимости от типа и назначения пластины
перед нанесением слоя отмываются в
специальных растворах от механических и
химических загрязнений, промываются деионизован-
ной водой и просушиваются. Однако
пребывание пластин после отмывки в окружающей
атмосфере (особенно с неконтролируемой
внешней средой) изменяет состояние
поверхности пластины, что может сказаться на
воспроизводимости электрофизических
параметров наносимого слоя и его адгезии к
поверхности пластины. Для снижения влияния этого
явления непосредственно перед нанесением
слоя в вакуумной камере проводится отжиг
пластин, приводящий к дегазации летучих
примесей и воды, сорбировавшихся на
пластине. Это в значительной мере стабилизирует
выходные параметры слоев. Однако в ряде
случаев требуется более глубокая очистка
поверхности. В этом случае чаще всего
применяется ионная очистка для чего в камере
устанавливается дополнительная позиция ВЧ-
распыления, в которой катодом - мишенью
является обрабатываемая пластина. Ионы
плазмы бомбардируют поверхность пластины,
распыляя его материал и удаляя, таким
образом, с поверхности все слои (например
оксиды, появившиеся за время хранения пластин
после отмывки) перед нанесением слоя.
Параметры осаждения и характеристики
наносимых слоев. К наносимым проводящим
слоям и самому процессу предъявляются
следующие требования:
• неравномерность толщины или
сопротивления наносимых слоев - не более ± 2 %;
• степень покрытия боковых стенок
микровыступов - не менее 0,5;
• высокий коэффициент отражения
(около 90 % для А1);
• низкое удельное сопротивление
материала проводника (менее 3 мкОм-см);
Рис 2.6.31. Магнетронное распылительное устройство:
А - атомы распыленного материала; В - заземленный
экран; С - катод; / - изолятор; L - линии магнитного
поля; М- материал мишени; N- северный полюс
магнитов; Р - плотная плазма; S - южный полюс
магнитов
Для увеличения времени жизни
электронов в разрядном промежутке в магнетронных
распылительных устройствах (МРУ),
конструкция одного из которых показана на рис.
2.6.31, применяется дополнительная замкнутая
магнитная система, поле которой направлено
перпендикулярно электрическому полю,
ускоряющему электроны, выбитые из мишени.
Электроны движутся по спирали, которая
локализована внутри разрядного промежутка.
Чем сильнее магнитное поле, тем ниже
допустимое рабочее давление плазмообразующего
газа и тем шире технологические возможности
МРУ. Увеличение времени жизни электронов
в разрядном промежутке приводит к
увеличению частоты их столкновений с атомами
рабочего газа и, как следствие, - к увеличению
плотности тока на мишень и росту скорости
распыления. В реальных конструкциях при
ускоряющих напряжениях 400 - 600 В,
давлении 10-1 Па достигаются скорости роста
пленок более 1 мкм/мин.
Подготовка пластин к нанесевию плевки.
Качество подготовки поверхности пластины

НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
213
• высокая термическая стабильность в
контакте с граничными материалами при
температуре до 450 - 500 °С, а в некоторых
случаях - до 800 - 900 °С;
• низкое контактное сопротивление
метала с кремнием при различном типе
проводимости;
• высокая адгезия наносимого слоя к
подложке, на которой имеются например
участки оксида, нитрида и кремния,
легированные различными элементами;
• совместимость внутренних
механических напряжений с обрабатываемыми
изделиями (обычно механические напряжения в
системе минимизируются).
Так как параметры наносимых слоев
зависят от требований, предъявляемых к кон-*
кретному изделию, типу материала,
конкретной конструкции оборудования,
сформулировать однозначно рекомендации по режимам
нанесения очень трудно. В каждом
конкретном случае выбирают режимы: температуру
пластины в процессе нанесения, скорость
нанесения пленки, рабочее давление и состав
газовой среды. Однако существуют
обязательные рекомендации:
вакуумная система и рабочая камера
должны быть тщательно отмыты перед работой
и откачаны до достижения необходимого
давления;
потоки натекания (герметичность
системы) и газоотделения с поверхности внутрика-
мерных устройств не должны приводить к
повышению допустимых значений общего и
парциального давления газа в камере;
чистота испаряемых и распыляемых
материалов, рабочих газов должна быть такой,
чтобы в процессе нанесения не вносились в
конденсирующийся слой вредные примеси;
точность поддержания рабочих
параметров процесса должна быть выше, чем
допустимый разброс параметров наносимых слоев
(температура, давление, режимы работы
источников и т.п.)
Оптимизация режимов нанесения в
зависимости от назначения проводится в
большинстве случаев по следующим основным
параметрам пленок маталлов:
толщине пленок, ее равномерности по
площади пластины и воспроизводимости от
пластины к пластине (контролируется
оптическими интерферометрами или профилометра-
ми по высоте ступеньки);
поверхностному сопротивлению слоя с
последующим расчетом удельного
сопротивления (контролируется четырехзондовым
методом);
структуре пленки, размеру зерна,
текстуре (контролируется рентгеновскими методами
анализа и электронной микроскопии);
коэффициенту отражения, его
однородности по поверхности изделия
(контролируется оптическими методами);
содержанию примесей в нанесенном слое
(контролируется специальными методами в
зависимости от типа и концентрации
примесей);
скорости травления слоя в каком-либо
конкретном травителе, которая может
косвенно характеризовать воспроизводимость свойств
нанесенного слоя;
внутренним напряжениям в слое,
влияющим, в первую очередь, на адгезию и
термическую стабильность (контролируется
специальными методами в зависимости от
структуры обрабатываемого изделия).
2.6.8. НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И
АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ
Требования к поверхностным и
объемным свойствам деталей машин и инструментов
различны, и в ряде случаев даже
антагонистичны. Объемные свойства обеспечивают
необходимые прочностные характеристики.
Для поверхностей весьма важными являются
трибологические свойства: износостойкость,
противозадирные свойства, антифрикцион-
ность, а также антикоррозионные и
антиокислительные свойства. Для повышения первых
двух свойств обычно стараются повысить
твердость поверхностных слоев. Для достижения
этого разработано большое количество уже
ставших традиционными технологий, к
настоящему времени практически достигших
пределов своих возможностей. Значительные
дополнительные резервы появились в
результате развития вакуумных ионно-плазменных
(ВИП) технологий нанесения покрытий и
модифицирования поверхностных слоев.
Благодаря практически неограниченным
возможностям вакуумные ионно-плазменные
технологии нашли применение в машиностроении
и приборостроении.
Наиболее высокой твердостью из
известных элементов обладают алмаз и бор.
Большинство веществ с высокой твердостью -
химические соединения элементов (рис. 2.6.32):
металлоподобных соединений девяти rf-nepe-
ходных металлов (титан, вольфрам и др.) с
металлоидами (бором, углеродом, азотом,
кремнием); некоторые оксиды (алюминия,
хрома, циркония и др.); неметаллические
соединения (кубическая модификация нитрида
бора, карбиды бора и кремния, нитрид
кремния), нитрид алюминия. Все эти вещества
хрупкие и вследствие этого, а также из-за
сложностей получения компактных материалов
и их обработки для изготовления деталей и
инструментов применяются редко.
Высокими "врожденными"
антифрикционными свойствами обладают материалы со
слоистой структурой: дихалькогениды tf-пе-
реходных металлов (дисульфиды молибдена и
вольфрама, диселенид ниобия и др.), графит,
гексагональная модификация нитрида бора. Из

214
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
III
5
В
13
А1
IV
6
С
14
Si
22
Ti
40
Zr
72
Hf
V
7
N
23
V
41
Nb
73
Та
VI
24
Сг
42
Mo
74
W
8
О
16
s
34
Se
52
Те
Рис. 2.6.32. Элементы Периодической таблицы
Менделеева, перспективные для синтеза
износостойких и антифрикционных покрытий
полимерных материалов низкое трение без
дополнительных смазочных веществ
обеспечивают: политетрафторэтилен (фгоропласт-4) и в
меньшей мере другие фторполимеры и
сверхмолекулярный полиэтилен. Механические
свойства всех этих материалов низкие.
Удовлетворить противоречивым требова-
ям к поверхностным (высокие
износостойкость и твердость, низкие трение и
адгезионная активность) и объемным (высокие
прочность и ударная вязкость) свойствам можно
путем создания композиций с послойным
расположением материалов, выполняющих
различные функции. В связи с тем, что
допустимый износ прецизионных деталей машин и
инструментов мал (обычно менее десятых
долей миллиметра), толщина поверхностного
слоя (или слоев) с заданным комплексом три-
ботехнических свойств может быть очень
небольшой.
Весьма эффективны для создания таких
поверхностных слоев вакуумные ионно-
плазменные технологии. При реализации этих
технологий в образовании покрытий и
модифицированных слоев участвуют нейтральные и
возбужденные частицы (атомы, молекулы и
кластеры) с высокой энергией (превышающей
в десятки и сотни раз энергию тепловых
атомов и молекул) и ионы, энергию которых
можно варьировать в широких пределах
изменением ускоряющего напряжения. При
распылении металлов в активных газовых средах в
результате плазмохимических процессов
образуются химические соединения. Наибольший
интерес для машиностроения представляют
соединения ^-переходных металлов IV - VI
групп Периодической системы элементов с
легкими элементами (бором, углеродом,
азотом, кремнием, кислородом). При этом можно
получать покрытия из металлоподобных
соединений, тугоплавких оксидов и
неметаллических соединений.
Кроме вакуумных ионно-плазменных
методов \нанесения покрытий и
модифицирования поверхностных слоев используются
методы химического осаждения из газовой фазы и
термовакуумные методы нанесения покрытий
(см. подразд. 2.6.6 и 2.6.7).
Методы осаждения из газовой фазы
применяются для нанесения твердых
покрытий (TiC, Ti(C, N) и др.) на инструменты из
твердых сплавов. К их недостаткам относятся
необходимость нагрева изделий до высоких
температур и выброс в атмосферу вредных
продуктов реакций. Последний недостаток
можно устранить применением установок,
работающих по замкнутому циклу.
Для образования качественного
покрытия при низких температурах деталей
необходимо повысить энергию конденсирующихся на
них частиц. При соударении с твердой
поверхностью частиц с достаточно высокой
энергией в микрообъемах происходит
образование химических связей без чрезмерного
объемного нагрева деталей. Это является основой
всех вакуумных ионно-плазменных технологий
нанесения покрытий. На рис. 2.6.33
приведены характерные режимы ионного воздействия
на обрабатываемые поверхности.
В машиностроении применяют четыре
группы вакуумных ионно-плазменных методов
нанесения покрытий и модифицирования
поверхностных слоев: ионно-диффузионные,
осуществляемые в тлеющем разряде;
основанные на катодном распылении в разряде
постоянного тока и в высокочастотном разряде;
ионное осаждение; ионное легирование
(имплантация).
Примером ионно-плазменных методов
является ионное азотирование. Ионы азота,
«р
. 10»
83
. I
-
}
I.S
K \
I1; .
1tf«
FT
^0^
10*
10*
T.K
Рис. 2.6.33. Характерные режимы взаимодействия
плазменных потоков с поверхностью:
/- процессы, имеющие тепловую природу;
1а - низкотемпературные плазменные процессы;
//- ионное осаждение (конденсация ионов);
///, Ша - удаление поверхностного слоя
обрабатываемого изделия (распыление ионами) и
легирование (имплантация) поверхности

НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
215
образующиеся в тлеющем разряде постоянного
тока (в азоте или аммиаке), транспортируются
к поверхности деталей, являющихся катодом,
и, диффундируя вглубь, образуют
азотированный слой. Диффузионные процессы
интенсифицируются вследствие повышения
температуры при бомбардировке поверхности ионами
(обычно до 500 - 600 °С), а также высокой
энергии ударяющихся о поверхность ионов
(ускоряюще^ напряжение - несколько сотен
вольт). Ионное азотирование может
производиться при более низких температурах и со
значительно большей скоростью, чем при
традиционных методах азотирования. Кроме
азотирования, ионно-диффузионные методы
могут быть применены для насыщения
поверхностных слоев углеродом, кремнием и другими
элементами, получения карбонитридных слоев
и т.п.
При использовании методов, основанных
на явлении катодного распыления,
обеспечивается высокие адгезия покрытия к подложке
и качество самого покрытия. В магнетронных
распылительных системах высокая
эффективность ионизации атомов и молекул рабочих
газов (и распыляемых материалов) увеличивает
скорость процесса нанесения покрытий (до
уровня, характерного для установок с
дуговыми испарителями). Термическое воздействие
плазмы на обрабатываемый материал
небольшое, что дает возможность наносить покрытия
на обладающие низкой термостойкостью
материалы (например, на полимерные пленки).
При встречном расположении в камере двух
магнетронов можно наносить практически
равномерные по толщине покрытия на
неподвижно установленные тела вращения. Это
позволяет применять установки магнетронного
распыления в машиностроении для нанесения
покрытий на детали машин и инструменты.
Системы распыления на постоянном
токе используются для нанесения покрытий из
токопроводящих материалов, а системы
высокочастотного распыления - из диэлектриков.
Для повышения качества покрытий их можно
наносить с приложением к деталям
отрицательного потенциала смещения. Благодаря
непрерывной бомбардировке покрытия в
процессе его образования ионами инертного газа
происходит очистка поверхности от
адсорбирующихся атомов и молекул загрязнений.
Применяют методы нанесения покрытий
с использованием автономных ионных
источников (например, типа Кауфмана). N
При применении методов ионного
осаждения частицы наносимого материала,
приведенного в газообразное состояние,
ионизируются и ускоряются в электрическом поле.
Энергия ионов при этом возрастает, благодаря
чему при их соударении с поверхностью
детали, находящейся под отрицательным
потенциалом, происходит образование
высококачественных покрытий (этому способствует
непрерывная самоочистка поверхности
бомбардировкой ионами осаждаемого материала).
Адгезия и служебные характеристики
покрытий повышаются при увеличении (до
определенного значения) энергии частиц, задаваемой
ускоряющим напряжением.
Ионное легирование, или имплантация,
основано на том явлении, что при очень
больших энергиях ионы проникают в
кристаллическую решетку на сравнительно большую
глубину, легируя таким образом
поверхностный слой детали (см. гл. 2.4). Механические
свойства и износостойкость
модифицированных таким методом поверхностных слоев
повышается также и в результате искажений
кристаллической решетки, возникающих при
"вбивании" в нее ионов легирующего
компонента. Общая толщина упрочненного слоя во
много раз больше глубины проникновения
имплантируемых ионов. При бомбардировке
поверхности, на которую предварительно было
нанесено какое-либо тонкое покрытие,
происходит "ионное перемешивание". Этот процесс
позволяет осуществлять легирование
поверхностного слоя практически любым элементом
при сохранении преимуществ собственно
процесса имплантации.
На практике используется
электроннолучевая термообработка, выполняемая обычно
в вакууме (возможно также выведение мощных
электронных пучков в пространство с низким
вакуумом и в атмосферу). Удельная мощность
пучка может меняться в пределах ДО3 -
5108 Вт/см2. КПД электронно-лучевых
установок достигает 0,75, что является их
преимуществом перед лазерными установками для
термообработки (КПД порядка 0,1). Высокая
мощность электронного пучка позволяет
практически мгновенно нагревать поверхностный
слой детали или инструмента (скорость
нагрева до 105 °С/с). Благодаря быстрому отводу
теплоты в тело детали (скорость охлаждения
до 5-Ю5 °С/с) осуществляется эффективная
закалка тонкого поверхностного слоя. Фазовые
и структурные превращения в поверхностных
микрообъемах при этом имеют ряд
существенных отличий от наблюдаемых при
традиционных методах термообработки. Возможно также
осуществлять легирование поверхностного
слоя проплавлением электронным пучком
предварительно нанесенного покрытия из
легирующего компонента.
В результате электронно-лучевой
термообработки существенно улучшаются триботех-
нические характеристики поверхностей:
повышается износостойкость, снижается трение.
Она применяется не только для сталей, но и
для твердых сплавов и цветных металлов. Для
осуществления поверхностной обработки
могут использоваться установки серий ЭЛУ и
А.306.

216
Глава 2.6, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Комбинированные вакуумные ионно-
плазменные технологии нанесения покрытий
и модифицирования поверхностных слоев
совмещают несколько описанных методов.
Все вакуумные ионно-плазменные
методы нанесения покрытий могут включать в себя
как физические (состав наносимого материала
не изменяется), так и химические процессы
(образуются новые соединения). При
использовании методов, называемых реактивными,
происходят плазмохимические реакции с
ионами рабочего газа или специально
вводимыми в камеру добавками. Таким образом можно
получать покрытия из разнообразных
материалов и в различных комбинациях.
Следует учитывать, что образование
покрытий при нанесении реактивными методами
происходит в неравновесных условиях.
Благодаря этому в тонких слоях могут
образовываться химические соединения, по составу,
структуре и свойствам сильно отличающиеся
от характерных для объемных материалов
(получаемых в условиях, близких к
равновесным). При определенных режимах нанесения
можно получать покрытия в аморфном
состоянии.
Покрытия наносимые ионными
методами, имеют следующие отличительные
особенности:
адгезия покрытий к основе высока
благодаря интенсивной очистке поверхностей
(бомбардировке ионами инертного газа или
наносимого материала) и их радиационной
активации, а также высокой энергии
конденсирующихся частиц;
для получения высококачественных
покрытий нет необходимости повышать
температуру основы до высоких значений;
состав и свойства покрытий можно
варьировать в широких пределах, причем можно
получать многослойные покрытия как с
резким, так и плавным изменением состава от
одного слоя к другому;
покрытия не имеют крупных дефектов и
концентраторов напряжений;
покрытия можно наносить на
окончательно обработанные поверхности деталей и
инструментов без существенного изменения
геометрических параметров поверхностей.
Основными направлениями улучшения
трибологических характеристик покрытий
являются: твердо-растворное упрочнение;
создание многофазных покрытий, в том числе с
дисперсионным упрочнением; нанесение
градиентных покрытий с изменением состава и
свойств по толщине; формирование
многослойных покрытий - модулированных
пленочных покрытий, в том числе с периодом
модуляции порядка нескольких нанометров,
соответствующим максимальному упрочнению
покрытий; формирование многослойных
покрытий со слоями различного
функционального назначения (обеспечивающими высокую
износостойкость, низкое трение, защиту от
окисления, декоративность); нанесение твер-
досмазочных покрытий из слоистых веществ,
интеркалированных дополнительными
компонентами для повышения антифрикционных
свойств и долговечности; формирование
композиционных антифрикционных материалов с
включениями слоистых твердых смазок или
мягких металлов.
Для нанесения покрытий на детали
машин и инструменты применяются вакуумно-
дуговые методы: КИБ (конденсация при
ионной бомбардировке) и РЭП (реактивное
электронно-плазменное напыление).
В основе КИБ лежит генерация потока
вещества из катодных пятен вакуумной дуги
сильноточного низковольтного разряда в парах
материала катода. Анодом служит корпус
установки или специальная деталь (в установках с
плазменным ускорителем). Поток частиц
(атомов, ионов и мелких капель)
конденсируется на поверхности детали, образуя при
введении в камеру химически активного газа
соответствующее химическое соединение.
РЭП основано на том, что испаряется
материал анода, нагреваемый электронами,
эмиттируемыми нагретым катодом.
Испаряемый металл частично ионизируется, и ионы
ускоряются по направлению к
обрабатываемым деталям. Капельная фаза отсутствует.
Для реализации КИБ служат установки
семейства "Булат", "Пуск", "Юнион",
"Плазменный котел", ВУ-1Б, ВУ-2Б, ИЭТ-82,
ННВ 6.6-И1 и др.; для реализации РЭП -
ЭПН-3, ЭПН-12.
В табл. 2.6.24 приведена
последовательность этапов технологических процессов
нанесения покрытий и методы их реализации.
Требования к предварительной
подготовке поверхностей и вакуумированию камеры
после помещения в нее деталей одинаковы для
всех указанных методов.
Операции нагрева и очистки
поверхностей в камере различны. При РЭП и магне-
тронном методе нагрев осуществляется с
помощью нагревателей сопротивления. При КИБ
нагрев осуществляется высокоэнергетическими
ионами распыляемого металла (порядка 1 кэВ).
При этом происходит также и очистка
поверхностей от оксидных пленок и загрязнений,
активация поверхности и создание
переходного слоя за счет конденсации ("внедрения")
части ионов металла.
Сам процесс нанесения покрытий
осуществляется при КИБ из потока ионов,
нейтральных атомов и капель металла. Ионы
металла, генерируемые катодными пятнами с
энергией в несколько десятков электронвольт,
ускоряются в электрическом поле в результате
приложения к деталям отрицательного
потенциала смещения (-100 ... -200 В). Молекулы

НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
217
2.6.24. Последовательность операций технологического процесса нанесения покрытий*
(* Операция
1. Предварительная подготовка
поверхностей
2. Вакуумирование камеры с
установленными в ней деталями
3. Подготовка поверхностей в вакууме:
нагрев от нагревателя
сопротивления
нагрев бомбардировкой ионами
металла
очистка и активация поверхности
бомбардировкой ионами
4. Напуск инертного газа
5. Ионизация потока металлического пара
6. Дополнительная бомбардировка ионами
растущего покрытия:
инертного газа
распыляемого металла
7. Нанесение переходного слоя металла
8. Напуск реакционно-способного газа и
нанесение слоя химического соединения
Метод
КИБ
+
+
-
+
+ (ионами
металла)
-
Полная
-
+ (при
приложении
потенциала
смещения)
+
+
РЭП
+
+
+
-
-
-
Частичная
-
' +
+
+
Магнетронный
+
+
-
+(ионами
инертного
газа)
+

Незначительная
+ (при
приложении
потенциала
смещения)
-
+
+ (в смеси с
инертным
газом)
! Знак "+" означает, что операция осуществляется, знак "-" что она отсутствует.
реакционно-способного газа, вводимого в
камеру, частично диссоциируют и
ионизируются. Химическая реакция взаимодействия газа с
металлом происходит на поверхности
конденсации и в пространстве между катодом и
деталью.
При использовании РЭП покрытие
образуется в результате конденсации ускоренных
ионов и нейтральных атомов с тепловой
энергией до 1 эВ. Химическое взаимодействие
с активным газом происходит как на
поверхности конденсации, так и в пролетном
промежутке.
При магнетронном методе
конденсируются распыленные ионами инертного газа
атомы, энергия которых существенно ниже,
чем энергия ионов в процессе КИБ и РЭП, но
превышает (на один - два порядка) энергию
тепловых атомов. В процессе нанесения
покрытий при приложении к деталям
отрицательного потенциала смещения они
непрерывно бомбардируются ионами инертного газа.
Это способствует более полному прохождению
химической реакции с активным газом и
удалению с поверхности образующегося покрытия
адсорбируемых из атмосферы вакуумной
камеры загрязнений.
Для создания износостойких покрытий
реактивными методами наиболее
эффективными базовыми металлами являются титан,
алюминий и хром. Из металлоидов,
образующих с этими металлами твердые химические
соединения, наиболее подходят азот, кислород
и углерод (в виде летучих соединений). В
качестве легирующих элементов могут
применяться ^-переходные металлы: алюминий,
кремний, кобальт и многие другие элементы.
Наиболее широко применяются в
качестве износостойких и декоративных покрытий
системы Ti - N. Их применение позволило в
несколько раз повысить долговечность
режущих инструментов из быстрорежущих сталей и

218
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
деталей штампов. Эти покрытия весьма
эффективны для подвижных контактных
уплотнений. Детали из легированных сталей и
твердых сплавов заменяют деталями из
нелегированных сталей с нитридтитановыми
покрытиями. Широко применяют декоративные
покрытия из нитрида титана. Цветовая гамма
таких покрытий не уступает цвету золота,
износостойкость - значительно выше.
Кроме покрытий из мононитрида титана
(TiN) нашли применение многофазные
покрытия, содержащие также твердый раствор
азота в титане и нитрид другого состава (T12N).
Диапазон свойств расширяется путем
легирования нитридгитановых покрытий
алюминием, ванадием, углеродом и другими
элементами. Легированные покрытия более стабильны
во времени и при высоких температурах.
Рабочие температуры и стойкость против
окисления у покрытий, легированных алюминием,
повышается благодаря образованию на
поверхности плотной пленки оксида алюминия
(AI2O3). Покрытия из нитрида титана,
легированные алюминием (TiAl)N и углеродом
Ti(CN), более эффективны для повышения
стойкости режущего инструмента.
Для нанесения покрытий из нитрида
титана применяют, главным образом, КИБ и
магнетронный метод.
Перспективным материалом для
нанесения реактивным ВИП-методом износостойких
покрытий является хром. Учитывая высокую
упругость его паров и сложность изготовления
больших мишеней (катодов), нанесение
покрытий на его основе производят методом
РЭП, являющимся вариантом активируемого
электронно-лучевого напыления. Покрытия из
карбидов, нитридов, карбонитридов и других
подобных соединений хрома обладают
высокими триботехническими свойствами.
Применяются покрытия из чистого хрома (точнее
легированного незначительным количеством
элементов остаточной атмосферы вакуумной
камеры). В отличие от электролитических
хромовых покрытий вакуумные покрытия не
имеют трещин и в них действуют остаточные
напряжения первого рода сжатия.
Наиболее оптимальным комплексом
свойств при трении в вакууме и на воздухе
при высоких температурах (до 873 К)
обладают покрытия системы Сг - О (рис. 2.6.34).
Существенное влияние на износостойкость
покрытий и на значения и знак остаточных
напряжений оказывают парциальное давление
кислорода и температура подложки в процессе
нанесения покрытия. Наибольшей
износостойкостью обладают покрытия Сг - О,
наносимые при давлении кислорода 1,6 мПа и
температуре подложки 873 К. Увеличение
парциального давления кислорода в процессе
нанесения покрытия приводит к уменьшению
остаточных напряжений сжатия с последую-
г
\
0,6
Ofi
ZT3 373 ?!3 573
673 773 7^, К
Рис. 2.6.34. Зависимости коэффициента трения/от
температуры Тшеа испытаний при трении в воздушной
среде G,1*) и в вакууме B, 2*) покрытий системы
Сг - О при давлении кислорода 1,6 МПа и
температуре 873 К при трехточечном контактировании
образцов (/, 2 - первое испытание; J*, 2* -
последующие испытания). Сплошные линии - нагрев,
штриховые - охлаждение
шим превращением в напряжения растяжения
и увеличением износа. При парциальном
давлении кислорода 4,2 МПа напряжения
растяжения становятся столь большими, что
покрытие, имеющее стехиометрический состав, рас-,
трескивается. Таким образом, имеется
корреляция между режимами нанесения покрытий
системы Сг - О, их фазовым составом и
структурой, значениями и знаком остаточных
напряжений первого рода и триботехническими
свойствами;
Применение покрытий систем А1 - N и
А1 - О, наносимых магнетронным методом,
наиболее перспективно для повышения
износостойкости и эрозионной стойкости деталей0
из алюминиевых сплавов. Одним из наиболее
важных факторов, влияющих на
технологические процессы нанесения покрытий из
соединений алюминия, является парциальное
давление реакционно способного газа При
оптимальном постоянном давлении рабочего газа
(аргона) общие для систем А1 - N и А1 - О
зависимости представлены на рис. 2.6.35.
О 0,05 0,1 0,150,2 0,25 р}Па
Рис. 2.6.35. Зависимость скорости осаждения уос
покрытия (J), микротвердости HV{2) и интенсивности
//линейного C) и массового D) изнашивания
покрытий А1 - N и А1 - О от парциального давления J9
реакционно-способного газа N2 или Ог

НАНЕСЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ И АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ
219
2.6.25. Результаты сравнительных испытаний покрытий систем А1 - N в А1 - О
на износостойкость при абразивном изнашивании по методу Бринелля
Материал
основы
Д16Т
12Х18Н10Т
Р6М5
ВК15-С
ВК6-КС
Д16Т
12Х18Н10Т
Д16Т
12Х18Н10Т
Материал
покрытия
Без покрытия
То же
ч
_ » _
A1-N
A1-N
А1 - О
(квазиаморфный)
А1 - О
(квазиаморфный)
Микротвердость
покрытия, ГПа
0,95
2,7
6,5
17
22
36
36
9
9
Линейная интенсивность
изнашивания /f 10
8,06
1,32
0,37
0,037
0,024
0,023
0,023
0,025
0,025
и ряда материалов
- Хаворта
Относительная
износостойкость
1
6
22
218
336
350
350
322
322
При повышении давления реакционно-
способного газа при незначительном
снижении скорости образования покрытия резко
возрастает микротвердость и снижается
интенсивность изнашивания. Покрытие состоит из
твердого раствора (или псевдораствора)
активного элемента в металле и включений
соответствующего химического соединения. При
определенном давлений активного газа
образуется покрытие, представляющее собой
химическое соединение стехиометрического состава с
максимальными значениями твердости и
износостойкости. Скорость осаждения покрытия
остается еще достаточно высокой.
Превышение определенного значения
парциального давления активного газа
приводит к резкому снижению скорости
образования покрытия (вследствие образования на
поверхности распыляемой мишени слоя
химического соединения алюминия с активным
газом), сопровождающемуся снижением
твердости и износостойкости. Следовательно,
существует область парциальных давлений
реакционно-способного газа, при которых с
достаточно высокой скоростью образуется плотное
покрытие стехиометрического состава с
высокими твердостью и износостойкостью.
Результаты сравнительных испытаний
методом Бринелля - Хаворта покрытий,
нанесенных при оптимальных режимах, и ряда
конструкционных и инструментальных
материалов (табл. 2.6.25) свидетельствуют о
высокой износостойкости покрытий, сопоставимой
с износостойкостью твердых сплавов.
Аналогичные зависимости износа от парциального
давления азота получены для покрытий Тд -
А1 - N (рис. 2.6.36).
Еще одно перспективное направление
ВИП технологий - нанесение слоя основного
антифрикционного сплава (или приработоч-
ного слоя) на рабочие поверхности вкладышей
0,2 0,3 р,По
Рис. 2.6.36. Зависимость интенсивности линейного //
(h 2, 3) и массового Ig (la, 2а, За) изнашивания
i Ti - А! - N от парциального давления азота.'
Кривые 1 - 3 - для образцов, расположенных на
разном расстоянии от центра мишени
подшипников скольжения двигателей
внутреннего сгорания, эта технология позволяет
наносить высококачественные слои
антифрикционных сплавов на стальную основу без
использования мощных прокатных станов или
сложных экологически небезопасных
заливочных агрегатов. Нанесенные магнетронным
методом на стальную основу слои
подшипникового сплава обладают более высокими три-
ботехническими свойствами (рис. 2.6.37), чем
нанесенные применяемым в настоящее время
традиционным методом (совместной
прокаткой стали и сплава). Вакуумные ионно-
плазменные методы позволяют создавать слои
с различным по толщине составом, а также
наносить слои из сплавов (или псевдосплавов),
получение которых традиционными методами
затруднительно или невозможно.

220
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Ь,мкм
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 t, мин
Рис. 2.6.37. Зависимость износа h от длительности t испытаний при трении по стали ШХ15
(вал - плоский образец) в масле И-20:
1 - эталона (промышленный биметалл сталь - сплав; 2, 3, 4- вакуумных ионно-плазменных покрытий,
нанесенных при разных режимах)
2.6.26. Структура покрытий MoS2, нанесенных при различной температуре подложки
Температура
подложки, К
373
423
473
523
723
873
1373
Структура
Квазиаморфная
Поликристаллическая
[юТо]
[юТо]
[1120]
[юТо]
Поликристаллическая
(разложение M0S2)
Размер кристаллитов, нм
вдоль ГТоТо]
2-3,5
7- 12
12- 13
18-22
22-25
25-27
9- 10
вдоль [0001]
4
7
8
9
-
Цвет
покрытия
Серый
Коричневый
Темно-
коричневый
Черный
Черный
Черный
Серый
Вакуумные ионно-плазменные
технологии позволяют наносить антифрикционные
покрытия из дихалькогенидов (M0S2, WS2 и
др.) без использования связующих. Обычно
при нанесении таких покрытий распыляется
ионами инертного газа спрессованная из
соответствующих порошков мишень.
Предварительная очистка поверхности ионами
обеспечивает прочную адгезионную связь покрытия
с основой. Такие покрытия перспективны для
точных подвижных сопряжений машин,
работающих в высоком вакууме, где
газовыделение, обычное для покрытий со
связующими, недопустимо.
Весьма важным фактором при
нанесении покрытий M0S2 является температура
подложки (табл. 2.6.26). При температуре
ниже 373 К образуется покрытие с
квазиаморфной структурой и низкой антифрикци-
онностью. Наиболее высокими триботехниче-
скими свойствами обладают покрытия с
высокой степенью совершенства кристаллической
структуры, наносимые при более высоких
температурах. Однако при температуре
подложки более 923 К наблюдается
прогрессирующая потеря серы, сопровождающаяся
потерей антифрикционных свойств. #
Ионно-плазменная технология позволяет
легировать (интеркалировать) дихалькогенидные
покрытия и наносить их с износостойким
подслоем. Предварительное нанесение
износостойкого подслоя увеличивает несущую
способность и длительность работы покрытия,
а введение в процессе нанесения покрытий
некоторых дополнительных элементов
позволяет снизить значения коэффициента трения
(рис. 2.6.38).
Дополнительными резервами
повышения долговечности дихалькогенидных
покрытий является создание в поверхностном слое
детали (или в предварительно нанесенном
износостойком подслое) ионным травлением
регулярного микрорельефа с последующим
заполнением твердой смазкой, а также
создание композиционных покрытий металл -
твердая смазка.
Низкое трение при высокой
износостойкости обеспечивают алмазоподобные
покрытия. Разработан ряд технологий нанесения
таких покрытий (см. подразд. 2.6.9).

НАНЕСЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
221
Рис. 2.6.38. Зависимости коэффициента
трения/покрытий на основе MoS2 от длительности t
испытаний:
1 - покрытие M0S2; 2 - MoS2iDx; 3 - M0S2 с подслоем
M0N2; 4 - MoS2jDjc c подслоем M0N2
фх - дополнительный элемент)
Значительный интерес для практики
представляют фторорганические
(фторопластовые) покрытия, наносимые или
высокочастотным распылением мишени из фторопласта-
4 (политетрафторэтилена) или тлеющим
разрядом в парах фторорганических соединений
(например, фторкеросина). Такие покрытия
обладают прекрасными антиадгезионными и
антифрикционными свойствами (практически
не уступающим свойствам блочного фторо-
пласта-4).
Вакуумные ионно-плазменные методы
применяются также для прецизионного
снятия материала с обрабатываемой поверхности
(см. гл. 2.2). Эти методы весьма эффективны
для создания канавок на поверхностях трения
газодинамических подшипников и
подпятников, применяемых в гироскопических
устройствах для получения бесконтактных
газодинамических уплотнений, а также поверхностей с
регулярным микрорельефом.
Вакуумные ионно-плазменные
технологии нашли достаточно широкое применение
при нанесении покрытий на режущие и
деформирующие инструменты, для создания
поверхностей трения уплотнений (контактных
и газодинамических) и т.п. В будущем
применение этих технологий создания поверхностей
триботехнического назначения с высокими
антикоррозионными свойствами в точном
машиностроении, приборостроении и
инструментальном производстве будет
расширяться благодаря возможности получения
поверхностных слоев с уникальными свойствами
(недостижимыми при использовании других
методов), экологической чистоте и
незначительному расходу материалов (как правило,
нед ефицитньгх).
2.6.9. НАНЕСЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ
ПЛЕНОК
Тонкие пленки на основе углерода
используются в микроэлектронике, оптике,
машиностроении и других областях техники в
качестве полупроводниковых и теплопрово-
дящих слоев, отражающих, износостойких и
коррозионно-стойких покрытий,
изоляционного и химически нейтрального материала.
Существует несколько разновидностей
пленок на основе углерода: а - С, а - С : Н,
алмазоподобные и полимерные. Критерием
алмазоподобности служит метод получения и
совокупность физических и химических
свойств, которые необходимо рассматривать с
позиции молекулярных материалов.
Под молекулярными материалами
понимают твердые тела, состоящие из отдельных
молекул, которые можно синтезировать
раздельно. Типичными представителями
молекулярных материалов являются полимеры,
молекулярные кристаллы, а также металлоорга-
нические комплексы.
В основном все материалы на основе
углерода, включая пленки а - С : Н, состоят из
макромолекул. Существует связь между
молекулярным строением и надмолекулярной
структурой материала с его свойствами.
Термином "надмолекулярная структура"
определяют способ упаковки макромолекул в
пространственно выделяемых элементах, размер и
форму таких элементов и их взаимное
расположение в пространстве.
Физические свойства таких материалов
можно условно разделить на электронные и
конформационные. Электронные свойства
определяются состояниями электронных
оболочек макромолекул; к ним относятся
оптические свойства, электропроводность и т.д.
Конформационные свойства связаны с
расположением и движением атомов и атомных
групп макромолекул. Эти свойства во многом
определяют механические характеристики
молекулярных материалов.
Существование пространственных
трехмерных, двухмерных и одномерных структур,
в которых электрические и оптические
свойства в значительной мере зависят от степени
локализации и делокализации П-электронов в
системе, позволяет пленки а - С и а - С : Н
разделить на алмазоподобные, графитоподоб-
ные, карбиноподобные.
Анализ углеводородных материалов
показал, что в соединениях углеводородов
(СЛНОТ) существует четкая взаимосвязь между
молекулярным строением, надмолекулярной
структурой и свойствами материала, а
технология формирования пленок обеспечивает
создание покрытий на основе комбинации
рассмотренных выше предельных структуру и,
дает возможность синтеза новых структур и
макромолекул.
Существуют три направления синтеза
пленок на основе углерода:
монокристаллических, имеющих
структуру алмаза (алмазных) - гигантских
макромолекул;
поликристаллических, состоящих из
кристаллов, имеющих структуру алмаза (набор
ч- гигантских макромолекул);

222
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
а)
б)
в)
Рис. 2.6.39. Типы структур на основе углерода, имеющие разный харя
а - алмаз; б - трафит; в - карбин
ер
а - С : Н, включая алмазоподобные.
Перспектива применения пленок на
основе углерода связана с увеличением
коррозионной стойкости, повышением срока службы
элементов лазерной оптики; увеличением
срока службы и улучшением антистатических
свойств элементов дифракционной оптики и
других оптических полимерных изделий;
увеличением коэффициента отражения
селективных отражающих зеркал до 20 % и
поворотных зеркал мягкого рентгеновского излучения
до 60 % при многократном отражении и
другими свойствами.
Основные свойства алмазоподобных пленок:
Толщина, мкм 0,01 - 20
Микротвердость, кг/мм2 3103-104
Плотность, г/см3 1,0 - 3,4
Оптическая ширина
запрещенной зоны, эВ 0,6 - 3,2
Удельное электрическое
сопротивление, Ом-см 1 - ДО*11
Коэффициент преломления 1,6-2,3
К предельным структурам на основе
углерода относятся алмаз, графит и карбин. Их
молекулярное строение, т.е. химический
состав, и способ соединения атомов в молекуле
определяется кристаллохимической формулой
(рис. 2.6.39).
Алмаз представляет собой структуру с
бесконечным трехмерным комплексом, или
каркасную структуру ("гигантская трехмерная
макромолекула). В алмазе все атомы углерода
имеют 8Р3-гибридизацию связи и все
электроны локализованы на этих гибридных орби-
талях.
Графит представляет собой структуру с
бесконечным двухмерным комплексом, или
слоистую структуру (плоские бесконечные
молекулы, слабо связанные между собой).
Графит по структуре близок к полимерным
материалам. В графите существует SP2-
гибридизация связей между атомами углерода,
и появляются П-электроны.
Графит является предельным
представителем всех ароматических полициклических
рядов, в которых степень делокализации П-
электронов максимальна.
Карбин представляет собой структуру с
бесконечным одномерным комплексом, или
цепочечную структуру. В карбине существует
SP-гибридизация связи. Отличительная
особенность данного соединения - наличие
цепочек углерода с чередующимися тройными
связями. Это полупроводниковый материал с
шириной запрещенной зоны около 1-2 эВ,
который по структуре может быть также
отнесен к полимерам.
Кроме этих предельных структур,
образованных на основе SP3-, SP2- и SP-
гибридизированных связей в атомах углерода,
существуют молекулы со смешанным типом
гибридизации. К ним можно отнести фулере-
ны, имеющие SP3- и 5Р2-1ибридизацию связей.
Пленки ос-С:Ниа-С
подразделяются на полимерные и алмазоподобные. Они
характеризуются относительной простотой
синтеза и широкой гаммой потребительских
характеристик.
Алмазоподобные пленки обладают
оптическими, механическими, коррозионными
свойствами, близкими к свойствам алмазов, и
используются для получения пассивирующих,
защитных, антистатических и коррозионно-
стойких покрытий в лазерной, рентгеновской,
традиционной оптике и в электронике. Они
применяются в виде покрытий для защиты от
воздействия механических повреждений и
химической защиты от влияния агрессивных
сред, антифрикционных покрытий, а также
фоторезистов для субмикронной литографии.
Возможность варьирования оптических
свойств алмазоподобных пленок в процессе их
осаждения позволяет использовать их для
просветления оптических элементов ИК-
диапазона из материалов с показателем
преломления 3,4 - 4.
В качестве химически инертного,
непроницаемого материала пленки а - С : Н
используются для защиты хирургических и
биоинженерных устройств от воздействия
биологически активной среды и самой среды от
вредного воздействия, вызванного внесением
этих устройств. Так, они используются в
качестве покрытий при вживлении вставных
суставов и покрытий ортопедических игл.
Кроме того, поскольку пленки ос - С : Н
имеют хорошую адгезию к различным
пластикам, они могут быть использованы в качестве
покрытий для клапанов искусственного сердца
и вен.

НАНЕСЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
223
Массовой областью применения
углеродных пленок и одновременно наиболее
удачным с точки зрения оптимального
сочетания их природных особенностей является
использование твердых углеродных пленок в
качестве покрытий солнцезащитных стекол.
Прозрачность линз, цветовой оттенок и
адгезия могут регулироваться подслоями металла,
а сама углеродная пленка должна иметь
только высокую твердость.
Более широкое использование
углеродных пленок ограничивается следующими
факторами:
ограниченной прозрачностью в видимой
и ультрафиолетовой областях спектра;
высокими внутренними напряжениями,
противодействующими силам сцепления с
подложкой и потому ограничивающими круг
материалов теми, которые могут образовывать
химические связи с углеродом;
сложностью управления типом и
концентрацией заряда путем легирования.
Методы нанесения углеродных алмазопо-
добных пленок. Углеродные алмазоподобные
пленки можно получать практически любым
известным методом нанесения
тонкопленочных покрытий в вакууме. Наиболее
распространенными являются термоионное
осаждение и осаждение ионным (катодным)
распылением, а также комбинированные методы.
Термоионное осаждение заключается в
конденсации тонких углеродных пленок из
плазмы паров твердофазного углерода в
вакууме. Термоионное осаждение
осуществляется путем изменения фазового и
энергетического состояния исходного вещества:
[твердая фаза] -> [пар] -» [ионизированный
пар] -> [ускоренный поток ионов пара или
плазмы] -» [твердая фаза].
Изменение фазового и энергетического
состояния проводится последовательно с
помощью отдельных узлов термоионного
устройства (испарителя, ионизатора и
ускорителя) или параллельно.
Конструктивное решение зависит от
следующих условий: способа нагрева
испаряемого вещества, его температуры испарения и
теплопроводности, массы, общей и удельной
мощностей, передаваемых испаряемому
материалу, режима нагрева (стационарного или
импульсного), степени ионизации пара и
энергии бомбардирующих частиц.
По способу нагрева испарители бывают с
распределенным и локализованным нагревом.
Распределенный стационарный нагрев
испаряемого вещества - графита - достигается
обычно при удельной мощности Руд = 102 -
104 Вт/см2 и осуществляется с помощью рези-
стивного, индукционного, тигельного и
электроразрядного нагревателей. Для
локализованного нагрева обычно используют
высококонцентрированные источники энергии
(Руд = ДО4 - 1011 Вт/см2) в виде электронного
или лазерного луча. В процессе термоионного
осаждения углерод попадает на подложку в
виде двух компонентов - атомов и ионов.
Энергия конденсации атомов 2?а определяется
температурой испарения Ти и равна сумме
энергий испаренных атомов, попавших на
подложку:
Еа = 3/2(?Ги11а),
где к - постоянная Больцмана; Па - число
атомов пара, конденсирующихся на единице
площади в единицу времени.
Энергия, передаваемая подложке
однократно заряженными ионами,
где Пи - число ионов, бомбардирующих
единицу площади в единицу времени (поток
ионов); е - заряд электрона; UCM - потенциал в
пространстве подложка - граница плазмы.
Характеристикой системы термоионного
осаждения является фактор энергетической
активации
Он показывает, во сколько раз энергия
конденсации с участием ионов больше, чем
энергия обычной конденсации. В общем
случае Еа « Ец, поэтому отношение энергий
можно заменить отношением потоков ионов и
частиц пара на поверхности подложки Пи / Па
и средним напряжением, ускоряющим ион:
Фэ=6,3 10-3^!.Пи ,
где иш - в В; Ги - в К.
Средняя энергия частиц пара при
температуре около 2000 К составляет 0,2 эВ,
средняя энергия ионов при термоионном
осаждении 50 - 5000 эВ. В связи с этим при
термическом испарении Фэ = 1, а при
термоионном осаждении фактор энергетической
активации изменяется от 1,2 до 2500. Большое
влияние на величину Фэ оказывает UCM и
особенно отношение ионного потока к потоку
пара. Изменяя отношение потока ионов к
потоку пара Пи / П^ можно изменять Фэ на
несколько порядков. Поэтому для создания
термоионных устройств необходимы
ионизирующие устройства, обеспечивающие большие
отношения Пи / Па.
Схемы устройств термоионного
осаждения приведены на рис. 2.6.40. Устройство
термоионного осаждения углерода в
газоразрядной плазме включает в себя два основных
узла: термический испаритель и разрядную

•V'*
• •••**
• ч
V. •
П
< 10 Ha
U
,{-. « T
у///ЛУ///////////7ЯЯМ,
< 10 Па
Рис. 2.6.40. Схемы устройств термоионного осаждения тонких пленок в вакууме:
А - анод электронно-лучевого испарителя; Т- тигель; К- катод ЭЛИ; ЭМ- электромагнит; П- подложка; КЛ- кластер; в - электронный луч;
Up - напряжение электрического разряда в парах или газе; Um - напряжение смещения; {7ИП - напряжение на ионизаторе пара

НАНЕСЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
225
систему диодного типа. Нагрев испаряемого
вещества - графита - производится резистив-
ным испарителем (рис. 2.6.40, я),
электроннолучевыми испарителями с полым катодом
(рис. 2.6.40, б) и с отклонением пучка на 270°
в секторном магнитном поле (рис. 2.6.40, в).
В устройстве, изображенном на рис.
2.6.40, в, применена разделительная
диафрагма с отверстием для ввода первичного
электронного пучка в зону газового разряда с
давлением рабочего газа около 1 Па.
Конденсация в газоразрядной плазме
осуществляется следующим образом. После
откачки вакуумной камеры до высокого
вакуума, прогрева подложки и обезгаживания
испарителей в камеру напускается рабочий раз
(обычно аргон) до достижения давления,
обеспечивающего зажигание газового разряда
в области подложка - испаряемый материал
A0*1 - 101) Па. На подложку подается
отрицательное относительно испаряемого материала
напряжение Up = -B ... 5) кВ. В результате
бомбардировки поверхности подложки
ионами и быстрыми нейтральными атомами
инертного газа происходит ее очистка от
загрязнений.
После удаления поверхностных
загрязнений без включения напряжения разряда
начинаются прогрев и испарение графита. В
этом случае конденсация пленки проводится
без перерыва во времени после очистки
поверхности подложки, что способствует
повышенной адгезии между подложкой и пленкой.
Методы ионного осаждения в
газоразрядной плазме позволяют достигать высоких
значений тепловой и энергетической
активации за счет изменения внешних характеристик
двухэлектродного разряда (напряжения Up и
плотности тока). Однако эти методы не
обеспечивают необходмого фактора Фэ при
получении конденсатов с наиболее низким
уровнем примесей.
Энергетическая активация конденсации
при осаждении из газоразрядной плазмы
происходит в основном за счет нейтральных
атомов рабочего вещества, образующихся в
темном катодном пространстве тлеющего разряда.
Они передают подложке в 6 раз больше
энергии, чем ионы. При напряжении разряда
4 кВ энергия бомбардирующих подложку
нейтральных атомов газа составляет 100 - 400 эВ.
Нейтральные атомы с энергией 200 - 400 эВ
эффективно внедряются в решетку материала
пленки на поверхности раздела фаз.
Поэтому для получения пленок с
низким содержанием примесей газов в условиях
предварительной откачки камеры до давления
10~4 -10 Па наиболее целесообразно
осаждение пленок производить высоковакуумными
методами ионного осаждения, т.е.
энергетическую активацию поверхности производить не
частицами газа, а частицами испаряемого
материала (рис. 2.6.40, г, ду е, з).
Для повышения фактора энергетической
активации используют дополнительную
ионизацию пара: аксиальные магнитные поля
B.6.40, г), дуговой разряд Пеннинга в парах
металла с применением скрещенных
электрических и магнитных полей (рис. 2.6.40, д)
высокочастотный разряд в парах испаряемого
материала (рис. 2.6.40, ё). В таких устройствах
отношение потоков ионизированного к
общему достигает 50 % и более.
Для ионного осаждения может
применяться и автономный ионный источник.
Сформированный в ионном источнике и
ускоренный до 5 - 10 кэВ пучок может
применяться не только для активации конденсации,
но и для ионного легирования материала
пленки (рис. 2.6.40, ж).
В методе кластерного осаждения
испаряемый материал - графит - нагревается
внутри тигеля, имеющего в верхней крышке
небольшое отверстие (диаметром несколько
миллиметров) (рис. 2.6.40, з). Давление
перегретого пара углерода внутри тигеля
составляет 1 - 10 Па, давление остаточного газа в
зоне осаждения - менее ДО'2 Па. В результате
адиабатического расширения
перенасыщенного пара атомы углерода группируются в
кластеры, состоящие из 102 - 103 атомов.
Кластеры ионизируются электронным пучком,
формируемым накаливаемым катодом К и
анодом А. Ионизированные кластеры
ускоряются потенциалом смещения подложки. При
столкновении с подложкой кластеры
распадаются на отдельные атомы углерода, которые
мигрируют по поверхности подложки до их
закрепления на центрах кристаллизации.
Напряжение смещения составляет 3-10 кэВ, на
один атом приходится энергия 30 - 100 эВ.
Характерной особенностью метода
ионизированных кластеров является малое отношение
заряда к массе, т.е. при осаждении на плохо
проводящие подложки не происходит
накопление поверхностного заряда. Кроме того,
подложка легко экранируется от
теплоизлучения из испарителя, и это снижает ее нагрев.
Широкое распространение при
нанесении тонких пленок на основе углерода
получили методы ионно-плазменного распыления
с использованием тлеющего разряда
постоянного тока, магнетронного разряда в
скрещенных электрическом и магнитных полях, а
также несамостоятельного разряда с
накаливаемым термокатодом. Давление рабочего газа
(Аг) для перечисленных методов составляет
соответственно 10° - ДО1, 10° - ДО, 10'1-
10~2 Па, а электрическое напряжение на
мишени 1-6, 0,3 - 1, 0,3 - 5 кВ.
Принципиальная схема диодной
системы распыления графита приведена на рис.
2.6.41, а. На катоде 1 расположена графитовая
8 За к. 769

Откачка /
S - y J 2 1 S
~~~гкЛ \\k?^ri I/ i г:
Рис. 2.6.41. Схемы формирования пленок за счет процессов ионного распыл
1 - катод; 2 - подложка; 3 - анод (или поддожкодержатель); 4 - термокатод; 5 - нагреватель; 6 - коллектор электронов (дополнительный анод);
7 - магнитная система; 8 - ионный источник; 9 - распыляемая мишень

НАНЕСЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
227
мишень» подложка 2 размещена на аноде 3,
который может быть заземлен или находится
под напряжением смещения (^см). Нанесение
пленки проводят при давлении ДО Па. Для
зажигания тлеющего разряда между катодом и
анодом подается напряжение 1 - 5 кВ.
Для системы диодного распыления без
смещения в целях получения оптимальных
условий выбивания атомов из мишени
подбираются соответствующие соотношения между
тремя величинами: расстоянием между
катодом и анодом, приложенным напряжением и
давлением аргона.
В диодной системе распыления со
смещением можно варьировать еще один
параметр - напряжение смещения на подложке.
Его выбирают таким образом, чтобы скорость
обратного распыления пленки составляла не
более трети скорости ее роста.
При наложении на область
электрического поля магнитного поля давление
рабочего газа может быть снижено до ДО Па.
Триодная система распыления (рис.
2.6.41, 6) позволяет проводить распыление
графита при давлении аргона E - 6)-ДО Па.
Снижение давления достигается введением
термокатода 4 и дополнительного анода б,
между которыми зажигается разряд.
Ленточный поток плазмы, создаваемый в результате
ионизации аргона электронами, эмитгируе-
мыми с термокатода, инжектируется в зону
распыления. Формирование ленточного
потока обеспечивает магнитное поле. Подача
отрицательного смещения на подложку
обеспечивает ее очистку, энергетическую
стимуляцию роста и управление рельефом пленки.
Ионная бомбардировка вызывает
физические изменения в структуре углеродных
пленок - рекристаллизацию, появление или
исчезновение дефектов и т.п. Они приводят к
изменению их свойств. Метод формирования
углеродных пленок при использовании
принципа магнетрона Пеннинга называют магне-
тронным (рис. 2.6.41, в). Катод 1 расположен
в скрещенных электрическом и магнитном
полях. Электрическое поле прикладывается
между катодом 1 и анодом 2. Магнитное поле,
создаваемое магнитной системой 7,
обеспечивает циклоидальное движение электронов у
поверхности катода. В процессе этого
движения электроны претерпевают
многочисленные упругие и неупругие столкновения с
атомами газа, обеспечивая высокую степень
ионизации. Положительные ионы
бомбардируют катод (мишень), выбивая с ее
поверхности атомы наносимого на подложку
материала. Магнетронная система позволяет получать
плотность тока на катоде на порядок больше,
чем в диодных высокочастотных системах
распыления. Благодаря этому скорость
распыления углерода в магнетронных системах в
40 - 50 раз больше, чем в обычных диодных
системах. Достоинством системы является
также то, что подложка находится вне зоны
разряда.
Магнитные поля (рис. 2.6.41, б - г)
способствуют повышению эффективности
ионизации газа, т.е. уменьшению давления
рабочего газа и напряжения разряда, локализуют
плазму вблизи распыляемого объекта
(мишени), а также устраняют бомбардировку
подложки быстрыми электронами. В
устройствах с тлеющим разрядом подложка
располагается обычно на аноде, атомы углерода
диффундируют к ее поверхности через
газовый разряд, претерпевая многократные
столкновения с атомами рабочего газа, и
рассеиваются обратно на катод - мишень. В тлеющем
и магнетронном разрядах ионизатор и
источник пара питаются от одного и того же блока,
в устройствах с накаливаемыми катодами
образование плазмы и распыление выполняются
с помощью самостоятельных узлов и
источников питания.
Еще большее разделение функции узлов
ионизатора и источника пара осуществляется
в установке ионно-лучевого распыления (рис.
2.6.41, д, ё). Здесь область генерации плазмы
и узел мишени разделены диафрагмой.
Напуск рабочего газа производится в камеру
ионного источника, а его откачка
осуществляется через анодную диафрагму малого
сечения, поэтому перепад давлении между
областями формирования плазмы и роста пленки
составляет около полутора порядков.
Установки с автономным ионным
источником сложнее и дороже по сравнению с
оборудованием для распыления в плазме,
однако имеют существенные преимущества по
сравнению с последними: независимую
регулировку угла падения, энергии и потока
распыляющих ионов.
Используют комбинированные методы
получения углеродных пленок из автономных
ионных источников и магаетронным
распылением (рис. 2.6.41, г), что дает возможность
управлять формированием пленок путем
изменения плотности ионного тока и энергии
осаждающихся частиц. При этом можно
получать пленки практически на любых
материалах с большой площадью и с высокой
степенью равномерности толщины, что достигается
организацией движения подложек
относительно источника.
Кроме описанных методов, для синтеза
пленок на основе углерода используют
дуговой метод, микроволновые и радиочастотные
методы осаждения из газовой фазы, все
плазменные методы осаждения из газовой фазы,
включая плазмотронный метод, а также,
методы на основе ЭЦР (электронно-циклотронный
резонанс) - источников плазмы (см. подразд.
2.6.10).

228
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Метод осаждения углеродных пленок из
углеводородной плазмы позволяет при
небольшой модернизации использовать
стандартные вакуумные установки ВЧ-
распыления. Установка для стимулированного
плазмой химического осаждения из газовой
фазы используется для осаждения и
анизотропного травления алмазоподобных пленок,
а также для предварительной очистки
подложек. Осаждение и травление производится в
ВЧ-разряде при подаче постоянного
напряжения смещения (до 1,8 кВ) на подложкодержа-
тель. Установка позволяет производить
осаждение этих пленок со скоростью до 30 мкм/ч
с однородностью по толщине 5 %. Толщина
пленок может варьироваться от 0,02 до
25 мкм. Такая установка предназначена для
получения твердых, химически инертных
покрытий с низким коэффициентом трения,
которые можно использовать для защиты
магнитных дисков и других целей, когда
требуются высокие износостойкость и коррозионная
стойкость.
Несмотря на довольно широкое
распространение, что связано, в первую очередь, с
простотой и достаточно высокой
производительностью, ВЧ-системы имеют ряд
существенных недостатков: ограничение площади
покрытия, что связано с невозможностью до
бесконечности увеличивать мощность ВЧ-
генераторов и проблемой получения
равномерного покрытия на большой площади.
Кроме того, диапазон рабочих давлений ВЧ-
систем A Па и выше) совпадает с областью
давлений, в котором преобладают процессы
плазменной полимеризации. Это вызывает
необходимость изменения условий осаждения
таким образом, чтобы подавить полимериза-
ционные процессы роста углеродных пленок
(это можно сделать, например, повышая
температуру подложки до 150 - 200 °С).
Использование СВЧ-разряда для
осаждения аморфных углеродных пленок в
отличие от его использования для выращивания
алмазных пленок требует применения
значительно более дорогой и экологически более
опасной техники. Кроме того, из-за
небольшой энергии (десятки электронвольт)
осаждающихся частиц (что является
преимуществом при эпитаксиальном выращивании
алмаза) аморфные углеродные пленки могут иметь
плохую адгезию к подложке. То же самое
относится и к выращиванию пленок в электрон-
циклотронном разряде (ЭЦР). Несмотря на
более высокую степень ионизации рабочего
газа, чем в ВЧ- или СВЧ-разряде, скорость
роста пленок в ЭЦР значительно меньше (так
как рабочий диапазон давлений в ЭЦР
составляет 10 - 10 Па, что ниже чем для ВЧ- и
СВЧ-разряда), а площадь покрытия и его
равномерность ограничены областью
равномерности магнитного поля соленоида.
Возможно также одновременное
использование двух типов разряда в процессе
осаждения углеродных пленок, например, ВЧ +
СВЧ, ЭЦР + ВЧ, лазерного испарения и
дугового разряда или двух НЧ-разрядов с
различной частотой. Во многих случаях это
позволяет объединить преимущества каждого из
разрядов в одном технологическом процессе и
дает возможность более гибко управлять
параметрами плазмы (ионной и электронной
температурой, плотностью плазмы) и
энергией ионов, осаждающихся на подложку.
Свойства пленок и их взаимосвязь с
методами получения. Оптические свойства.
Оптические постоянные пленок - коэффициент
преломления п и коэффициент экстинкции
(ослабления) света, - которые определяются с
помощью оптических спектрофотометров
либо эллипсометрии, зависят от способа
получения пленок. Как правило, коэффициент
экстинкции быстро уменьшается с
возрастанием длины волны света в видимой области. В
ИК-диапазоне коэффициент экстинкции
углеродных пленок практически равен нулю как
для гидрогенизированных (а - С : Н), так и
для негидрогенизированных пленок (а - С).
Однако а - С : Н- и а - С-пленки
различаются по прозрачности в видимой и ближней
ИК-областях спектра. По сравнению с
пленками, изготовленными методами ионного
распыления графита, пленки, осажденные из
ВЧ-плазмы при разложении углеводородов,
имеют более низкий показатель преломления
и большую прозрачность в синей области. В
случае а - С-пленок, осажденных испарением,
показатель преломления увеличивается при
увеличении мощности. Это используется при
применении а - С-пленок для ИК- и
лазерной оптики, где требуются твердые защитные
покрытия. В случае а - С : Н-пленок важным
параметром, влияющим на коэффициент
преломления, является концентрация водорода,
включенного в пленку Наибольшее значение
п наблюдается у пленок, в которых
концентрация водорода составляет приблизительно
30 %. При меньшей, чем 26 %, концентрации
связанного водорода коэффициент
преломления уменьшается.
В большинстве случаев показатель
преломления а - С : Н-пленок не имеет
дисперсии в видимой области. Однако в случае
негидрогенизированных углеродных пленок,
нанесенных с помощью испарения графита,
наблюдается уменьшение показателя
преломления в видимой области. Кроме того,
оптические константы, как а - С : Н-, так и а - С-
пленок, изменяются в зависимости от их
толщины при d < 0,2 мкм, что связано с
изменением структуры пленок в процессе роста.

НАНЕСЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
229
В зависимости от оптической Ширины
запрещенной зоны Eg углеродные пленки
имеют различные прозрачность и цвет. Так,
если Eg < 1,5 эВ (ИК-диапазон), то пленки
непрозрачны в видимой области и имеют
черный или серый оттенок. Если значение их
оптической ширины запрещенной зоны лежит
в видимом диапазоне A,5 < Eg <3,1), то
пленки являются полупрозрачными, а их цвет
изменяется от темно-коричневого (при Eg «
» 1,5 эВ) до светло-коричневого или светло-
желтого (при Eg « 2,5 ... 3,1 эВ), что является
следствием слабого поглощения в красной
области спектра и сильного поглощения в
синей. При больших значениях Eg углеродные
пленки становятся полностью прозрачными во
всем видимом диапазоне.
Электрические свойства. Возможность
управления типом и концентрацией носителей
заряда является одним из основных факторов,
определяющих возможность использования
материала в качестве активных слоев в
современной микроэлектронике. Благодаря
возможности управления электропроводностью
аморфный углерод нашел широкое
применения в качестве материала функциональных
слоев в различных микроэлектронных
приборах.
Углеродные пленки относятся к группе
материалов, у которых управлять
электрическими свойствами можно как за счет
изменения их структуры, так и за счет введения
примесей. При этом диапазон изменения
удельного сопротивления только за счет
структурных преобразований чрезвычайно
широк: 1 - ДО13 Ом-см.
Как правило, у а - С : Н-пленок
удельное сопротивление выше, чем у негидрогени-
зированых а - С-пленок, что связано с
большим содержанием 8Р3-состояний и меньшей
концентрацией оборванных связей.
Термическая обработка а - С : Н-пленок при Т> 500 °С
приводит к уменьшению удельного
сопротивления на несколько порядков, что является
следствием выделения водорода из пленки
при отжиге.
Удельное сопротивление а - С :
Н-пленок сильно зависит от условий осаждения:
ВЧ-мощности, давления рабочего газа,
температуры подложки, а также от потенциала
смещения, подаваемого на подложку (Ц^).
Так, удельное сопротивление а - С : Н-пленок
уменьшается с увеличением иш. Это
объяснятся изменением концентрации связанного
водорода, которая сильно уменьшается при
возрастании Ц^ до 700 В. Удельное
сопротивление намного увеличивается при
увеличении содержания водорода потому, что
соотношение атомов с 8Р3-гибридизацией
увеличивается, когда в пленке присутствует больше
водорода.
Основным параметром, определяющим
удельное сопротивление негидрогенизирован-
ных а - С-пленок, полученных из ионных
источников, является энергия осаждающихся
частиц, а при получении пленок путем
распыления графитовой мишени - мощность
разряда. Так, а - С-пленки, изготовленные при
низкой мощности, обладают
полуизоляционными свойствами (р « 104 Ом-см). Увеличение
мощности приводит к уменьшению удельного
электросопротивления.
В большинстве случаев изменения
электропроводности за счет структурных
преобразований вполне достаточно для использования
углеродных пленок в качестве различного вида
пассивирующих и изолирующих покрытий.
Однако с точки зрения создания углеродных
тонкопленочных полупроводниковых
элементов для микроэлектроники нельзя обойтись
без легирования, поскольку оно является
основным технологическим этапом при
формировании полупроводниковых приборов.
Внутренние напряжения и адгезия.
Внутренние напряжения во многом определяют
стабильность системы пленка - подложка и,
следовательно, срок службы этой системы.
Пленка может треснуть, отслоиться и
подвергнуться изгибу.
Суммарное внутреннее напряжение в
пленке складывается из следующих
напряжений:
тех, которые являются результатом
различных значений постоянных решетки
подложки и пленки;
возникающих из-за структурных
изменений в объеме растущей пленки;
вызванных внедрением в пленку
примесей, не входящих в структуру
пространственной решетки (для углеродных пленок такими
примесями являются несвязанный водород и
молекулы инертного газа, используемого при
осаждении);
связанных с различием коэффициентов
теплового расширения пленки и подложки.
Общее напряжение в пленках, которое
можно измерить по изгибу подложки, зависит
от толщины пленки. Тонкие пленки,
имеющие внутренние напряжения, могут держаться
на подложке, если они имеют толщину, при
которой их внутренние напряжения не
превосходят либо силы когезии, либо
адгезионные силы, связывающие пленки с подложкой.
В первом случае происходит растекание слоя,
а во втором - отслаивание пленки.
Возникновение напряжений зависит от
микроструктуры осажденного материала, так
как на основе пористой структуры не могут
возникнуть большие напряжения. Причиной
внутренних напряжений может быть любой
механизм, затрудняющий перегруппировку
атомов. Так, включение в структуру пленки
инородных частиц может играть главную роль

230
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
в сохранении напряжений. На значения и
знак внутренних напряжений в углеродных
пленках влияют технологические факторы,
наиболее важными из которых являются метод
получения, состав газовой смеси, скорость
осаждения, угол падения пучка, присутствие
остаточного газа, а также температура, при
которой производится осаждение.
Технологические факторы можно разделить на две
группы: 1) те, изменение которых влияет на
свойства пленок, но не переводит пленки из
одного класса в другой; 2) те, изменение
которых приводит к изменению типа пленки.
Наиболее важными технологическими
факторами, влияющими на внутренние
напряжения, являются те, которые переводят пленки
из одного класса в другой, поскольку в этом
случае свойства пленок изменяется
скачкообразно. При осаждении из углеводородной
плазмы получают полимероподобные, графи-
топодобные и гидрогенизированные пленки, а
из ионных источников - гидрогенизированные
углеродные пленки. Наиболее важным
технологическим параметром, влияющим на
свойства углеродных пленок и, в частности, на
внутренние напряжения, оказывается энергия
осаждающихся ионов, которая в общем случае
пропорциональна потенциалу смещения на
подложке. Путем изменения энергии ионов
наиболее просто переводить пленки из одного
класса в другой, изменяя концентрацию
содержания водорода в пленке. Регулируя число
ударов бомбардирующих ионов о поверхность
во время осаждения, можно получить пленки
с нулевым внутренним напряжением.
Обычно при низких потенциалах
смещения (меньше чем 100 В) пленки получаются
полимероподобными с высокой
концентрацией связанного водорода. А так как водород
имеет только одну связь, он препятствует
образованию жесткой пространственной
решетки, без которой невозможно сохранение
высокого внутреннего напряжения в пленке.
Увеличение потенциала смещения, а,
следовательно, и энергии ионов приводит к
уменьшению концентрации связанного водорода,
включенного в пленку. При этом
увеличивается степень поперечной сшитости структуры за
счет большего количества С - С связей, что
вместе с высоким значением модуля Юнга для
8Р3-связей способствует сохранению высоких
внутренних напряжений. Чем большей
жесткостью обладает пространственная решетка,
тем более высокие внутренние напряжения в
ней могут возникнуть. При дальнейшем
повышении потенциала смещения внутренние
напряжения начинают уменьшаться, что
связано с графитизацией структуры (модуль
Юнга у графита меньше чем у алмаза). Для
гидрогенизированных аморфных углеродных
пленок, приготовленных методом разложения
метана в ВЧ-плазме, напряжение сжатия о^
является функцией произведения риш> где
р - парциальное давление углеводородного
газа @,13 - 13 Па); UCM - отрицательный
потенциал смещения D00 - 1600 В). Когда
энергия Е осаждающихся частиц
увеличивается, степень крекинга углеводородов в
нарастающих пленках также увеличивается, при
этом содержание водорода в пленке
уменьшается. Зависимость между а^ и pUc^
свидетельствует о том, что охж связано с
гидрогенизацией пленок таким образом, что пленки,
полученные при высокой Д должны иметь
низкое Сеж, и наоборот. Содержание
связанного водорода в пленках играет основную
роль в изменении напряжений сжатия,
которые составляют 0,6 - 2,2 ГПа.
Пленки, испытывающие напряжения
сжатия, прочнее пленок, испытывающих
напряжения растяжения. Напряжения
растяжения могут вызвать появление трещин. Бели в
покрытиях имеются напряжения сжатия, то
трещины не образуются, но могут возникнуть
"морщины" или деформация продольного
изгиба. Напряжение сжатия тесно связано с
увеличением объема покрытия в ходе
процесса его получения. Наиболее вероятной
причиной возникновения напряжений сжатия в
углеродных пленках, полученных в тлеющем
разряде, является включение в пленку
примесей (аргона и водорода). Большие напряжения
сжатия имеют место в углеродных пленках,
приготовленных методом испарения
электронным пучком, дуговым испарением, а
также методом осаждения ионного пучка из
паров бензола. У пленок а - С : Н,
приготовленных в тлеющем разряде на постоянном
токе из ацетилена,, напряжение сжатия
настолько велико, что невозможно получить
пленку толщиной более 1 мкм. Наибольшие
напряжения возникают в углеродных пленках,
которые по своим свойствам относятся к
классу гидрогенизированных. Увеличение
доли графитоподобной и полимерной
составляющих ведет к уменьшению внутренних
напряжений. Напряжения растяжения
развиваются в условиях низкой подвижности
осаждающихся частиц на поверхности растущей
пленки, т.е. в условиях, типичных для
формирования полимерных пленок (небольшой
потенциал смещения и высокое рабочее
давление, а следовательно, отсутствие ионной
обработки растущей поверхности). Сами
напряжения возникают вследствие непрерывного
встраивания частиц из газовой фазы в матрицу
(расклинивания). Этот расклинивающий
эффект является причиной характерного для
полимерных пленок растягивающего
напряжения.
Свойство полученных из углеводородной
плазмы пленок поглощать остаточные и
рабочие газы является одной из основных причин

НАНЕСЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНОК
231
появления в них внутренних напряжений:
добавление Аг к СЕЦ увеличивает напряжение
сжатия в пленках, а добавление Н2 к СЩ
ведет к уменьшению внутренних напряжений.
Более высокое значение а^ у пленок,
приготовленных в ВЧ-разряде, чем у пленок,
полученных в ВЧ + СВЧ-разряде, является
результатом более высокой концентрации
несвязанного водорода в пленках. Эффективность
СВЧ-разряда заключается в более высокой
интенсивности ионного потока на подложку,
увеличивающего подвижность осажденных
частиц, что способствует релаксации
внутренних напряжений.
"Напряжение сжатия "в углеродных
пленках приводит к появлению волнистости с
отчетливой формой и шириной, являющимися
результатом отслаивания пленки от подложки.
На появление волнистости существенное
влияние оказывают равномерность покрытия
по толщгне, а также состав и давление газов.
Существует связь между внутренними
напряжениями и коэффициентом
преломления пленок а - С : Н. Увеличение внутренних
напряжений в пленке приводит к значитель-
ному увеличению коэффициент нре/юмле-
ния, так как напряжения сжатия увеличивают
оптическую плотность покрытия за счет
увеличения плотности упаковки молекул и, как
следствие, - уменьшения количества пор.
Адгезия, т.е. свойство тонкой пленки
оставаться полностью прикрепленной к
подложке при воздействии на нее напряжения сдвига
или растяжения, характеризует прочность ,
поверхности раздела пленка - подложка.
Углеродные пленки имеют хорошую
адгезию к металлам (Al, Ti, Mo) и
полупроводникам (Si, Ge), с которыми они могут
формировать стабильные карбиды. К материалам, не
образующим с углеродом карбиды (например,
GaAs, Си, Аи), алмазоподобные пленки имеют
плохую адгезию. Однако в этом случае ее
можно повысить путем введения
промежуточного подслоя, который имеет хорошую
адгезию как к подложке, так и к пленке. В
качестве подслоя при нанесении углеродных пленок
на медь служит алюминий, для „сульфида
цинка и селинида цинка - кремний и германий,
для хлорида калия - оксид германия.
Углеродные пленки имеют хорошую адгезию к
диэлектрикам (кварц, различные стекла, нитрид
титана, сапфир), которые также могут
формировать промежуточные карбидные слои.
В большинстве случаев адгезионная
прочность углеродного покрытия зависит от
его толщины. Тонкие углеродные пленки
всегда имеют хорошую адгезию к подложке,
однако с ростом толщины происходит
разрушение покрытия вследствие высоких
внутренних напряжений в пленке, которые могут
превышать 109 Па. Критическая толщина, при
которой происходит разрушение покрытия,
зависит от пластичности подложки. Так,
разрушение пленки а - С : Н, растущей на
германии, происходит при толщине порядка 2
мкм, в то время как при осаждении пленки а
- С : Н на алюминиевые подложки при
одинаковых технологических условиях
получаются пленки толщиной до 59 мкм.
Твердость, коэффициент трения,
износостойкость. В случае углеродных пленок,
используемых в качестве защитных покрытий,
твердость является одним из наиболее важных
свойств. В общем случае большая твердость
коротких межатомных связей и высокого
содержания ковалентных связей. Кроме того,
твердость материала может изменяться в
зависимости от микроструктуры (наличия пор,
примесей и др.).
Микротвердость углеродных пленок, в
зависимости от условий получения, может
изменяться от 1 до 90 ГПа. При этом, так же,
как и в случае внутренних напряжений,
основное влияние на твердость оказывает
энергия осаждающихся частиц. Твердость
углеродных пленок увеличивается с увеличением
потенциала подложки.
Углеродные пленки, получаемые из
углеводородной плазмы, становятся тверже в
случае добавления инертного газа к рабочему
газу, что является следствием усиления
ионной обработки поверхности растущей пленки.
В то же время увеличение концентрации
водорода в рабочей смеси ведет к увеличению
полной концентрации водорода в пленке и
уменьшению ее твердости. Твердость имеет
максимальное значение, когда концентрация
Аг в газовой смеси составляет 20 - 40 %, как
для ВЧ-, так и СВЧ-разряда, в то время как
плотность пленок монотонно возрастает с
увеличением доли Аг, что связано как с
увеличением эффективности диссоциации СН4,
так и с травлением 8Р2-компоненты.
Уменьшение твердости при концентрации Аг > 40 %
является следствием графитизации пленок.
Таким образом, между твердостью,
оптическими свойствами и внутренними
напряжениями существует взаимосвязь, которая
приводит к тому, что наилучшей комбинацией
оптических и механических свойств обладают
те пленки, которые имеют наивысшие
внутренние напряжения, что существенно
ограничивает круг материалов подложек и толщину
покрытия.
Углеродные пленки, приготовленные в
тлеющем разряде, имеют чрезвычайно низкий
коэффициент трения, значение которого для
пары а - С : Н-пленка - стальной шарик
сильно зависит от относительной влажности
атмосферы, в которой она работает. При
влажности до 1 % получаются очень низкие

232
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
значения коэффициента трения @,01 - 0,02),
при влажности выше 1 % коэффициент
трения возрастает и при влажности
приблизительно 100 % может превышать 0,2.
Коэффициент трения у графитных пленок
уменьшается при повышении влажности. У алмаза
коэффициент трения не зависит от влажности и
остается меньше 0,07 даже при относительной
влажности около 100 %. Характеристики
трения между углеродными пленками и алмазом ,
или между двумя углеродными пленками
менее чувствительны к влажности.
Скорость изнашивания (как
абразивного, так и адгезионного) покрытия в основном
обратно пропорциональна его твердости.
Износостойкость тонких аморфных пленок,
включая гидрогенизированные и негидрогени-
зированные углеродные пленки, коррелирует с
прочностью межатомных связей этих
материалов и уменьшается в ряду С - а - SiN* - Si -
германий при абразивном изнашивании.
Скорость изнашивания таких пленок зависит от
количества связанного водорода, включенного
в структуру пленки во время осаждения.
2.6.10. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ
ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ
Известно несколько классификаций
методов и средств нанесения тонких пленок в
вакууме: по способу генерации частиц - из твердой,
жидкой и газовой фазы; по типу осаждаемых
частиц - из атомарных, ионных и плазменных
потоков; по энергии и массе частиц,
переносимых от источника к подложке;-по
конструктивным особенностям источников и др.
На основе существующих
классификаций и в соответствии со сведениями,
изложенными в подразд. 2.6.1 - 2.6.9, в табл. 2.6.27
представлен систематизированный перечень
существующих методов нанесения тонких
пленок в вакууме и схемы их реализации. В
таблице приведены также основные
технологические режимы: давление в рабочей камере
(остаточных газов - вакуума); давление
рабочего газа - инертного, химически активного,
смеси газов; температура подложки (изделия);
максимальная скорость осаждения пленки;
энергия осаждающихся атомов, молекул,
ионов и кластеров; доля ионизированных
частиц.
В расчетах процессов нанесения тонких
пленок в вакууме, а также при
проектировании вакуумного технологического
оборудования для получения тонкопленочных покрытий
используют следующие параметры: давление
насыщенного пара; молярная масса
испаряемого материала; температура испарения;
площадь поверхности испарения или распыления;
расстояние от источника до подложки;
плотность осаждаемого материала; плотность
ионного тока; коэффициент распыления;
допустимая плотность потока на поверхность
конденсации; оптимальная энергия
осаждающихся частиц; парциальное давление
осаждающихся из газовой смеси компонентов.
Условные обозначения методов приняты
с целью использования их в базах данных и
автоматизированных экспертных системах,
необходимых для повышения уровня
информационного обеспечения разработок и
исследований в области технологии нанесения
тонких пленок.
Осаждение тонких пленок в вакууме
методом термического испарения D0
осуществляется путем подведения к веществу энергии
резистивным D00 (прямым D000 - D002 и
косвенным D003) и высокочастотным D01
нагревом, электронной бомбардировкой D02,
электронно-лучевым нагревом D03 и нагревом
с помощью лазерного излучения D04. При
температуре вещества, равной либо
превышающей Ticm частицы из испарителя
переносятся в вакууме на подложку и
конденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки
(см. подразд. 2.6.7, гл. 2.1 и 2.5).
Если помимо физических процессов,
происходящих во время осаждения тонкой
пленки, при напуске в рабочую камеру
реактивного газа в пространстве между
источником и подложкой или на поверхности
подложки протекает химическая реакция, то
соответствующий метод называется реактивным
D R, например получение пленок нитрита
титана 2Ti + N2 = 2TiN.
К достоинствам метода осаждения
тонких пленок термическим испарением
относятся высокая чистота осаждаемого материала
(процесс проводится при высоком и
сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят
пленки металлов, сплавов, полупроводников,
диэлектриков) и относительная простота
реализации. Ограничениями метода являются
нерегулируемая скорость осаждения v0,
низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия
осаждаемых частиц Е.
При молекулярно-лучевом методе D05
используются эффузионный источник в виде
ячейки Кнудсена и капиллярный испаритель,
в которых энергия к веществу подводится
благодаря резистивному нагреву (см. подразд.
3.4.2). Наличие тепловых экранов и контроль
температуры обеспечивают одинаковую
энергию испаренных частиц Е и идеальную
диаграмму распределения частиц по
направлениям (косинусоидальный закон Кнудсена).
Сущность метода осаждения тонких
пленок в вакууме ионным распылением D1
заключается в выбивании (распылении) ато-

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ
233
2.6.27. Методы нанесения тонких пленок в вакууме
Физический процесс
Метод нанесения покрытия
Тип конструкции.
Код оборудования
Осаждение термическим
испарением (DO)
О О OOP
Р»1К
1° ••• 10"8 Па;
= 373 ... 973 К;
0,3 эВ;
Резистивный (D00)
Проволочный. D000
Ленточный. D001
Сублимационный. D002
Тигельный. D003
Реактивный. D00 R
ВЧ-нагрев (D01)
Ш
Тигельный. DO 10
Со стартовым элементом. DO И
Реактивный. D01 R
вч
Электронный (D02)
Тигельный. D020
Проволочный. D021
Штабиковый. D022
Реактивный. D02 R
Электронно-лучевой (D03)
С пушкой Пирса. D030
С аксиальной пушкой. D031
Многотиглевый. D032
Реактивный. D03 R
Лазерный (D04)
Твердотелый. D040
Непрерывный СО2-лазер. D041
Реактивный. D04 R
hv
Молекулярно-лучевой
(D05)
Эффузионный (ячейка Кнудсе-
на). D050
Капиллярный. D051

234
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Продолжение табл. 2.6.27
Физический процесс
Метод нанесения покрытия
Тип конструкции.
Код оборудования
Осаждение ионным
распылением (D1)
Ионно-плазменный (D10)
Диодный на постоянном токе.
D100
Диодный ВЧ. D101
Трехэлекгродный. D102
Магаетронный на постоянном
токе. D103
Магаетронный ВЧ. D104
Магаетронный с ЭЦР. D105
Реактивный. D10 R
^ = 10 ... 5-Ю Па;
Тп » 293 ... 693 К;
vmax= 3*-10'*
°
Ионно-лучевой (D11)
= Ю-3 ... 5-Ю-1 мкм/с;
Е= 3 ... 5эВ;
Къ = 0,01
С горячим катодом. D110
С холодным катодом. Dili
Реактивный. Dll R
Осаждение взрывом (D2)
Лазерный (D20)
Импульсный. D200
Рвак =
Г„ =
vmax
Е=\
= 10
293
ОД
3... Ю-5 Па;
К;
1000 эВ;
... 0,5
Электронно-лучевой (D21)
Импульсный. D210
Электроразрядный (D22)
Конденсаторный. D220
\\lf/

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ
235
Продолжение табл. 2.6.27
Физический процесс
Метод нанесения покрытия
Тип конструкции.
Код оборудования
Осаждение дуговым разрядом
(D3)
С холодным катодом (D30)
Дуговой]
В парах катода. D300
В парах катода и анода. D301
Реактивный. D30 R
= Ю-2 ... Ю-5 Па;
Ти = 293 ... 693 К;
vmax<c
С горячим катодом
D3I
01
В парах анода. D310
В парах рабочего газа. D311
Реактивный. D31_R
50 мкм/с;
#=0Д ... 10 эВ;
Къ - 0,2 ... 1
Ионное осаждение (D4)
t t t t t
e ф е е е
/>вак = Ю-3 ... lO Па;
/>рл, = 103 ... Ю-1 Па;
Tu = 293 ... 493 K;
50 мкм/с;
= 0Д ... 1
Термоионный (D40)
Диодный. D400
С потенциалом
D401
Реактивный. D40_R
смещения.
Ионно-плазменный (D41)
Диодный. D410
С потенциалом
D411
смещения.
Рабочий газ
Ионно-лучевой (D42)
Рйбочжгаз!
С горячим катодом. D420
С холодным катодом. D421
Плазмотронный (D43)
Торцевой дуговой с горячим
катодом сильноточный. D430
Торцевой дуговой с горячим
катодом холловский. D431
Торцевой дуговой с холодным
катодом. D432
С замкнутым дрейфом
электронов. D433
Импульсный с эрозией
диэлектриков. D434

236
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Продолжение табл. 2.6.27
Физический процесс
Метод нанесения покрытия
Тип конструкции.
Код оборудования
Химическое осаждение (D5)
J"
При высоком давлении (АР
CVD). D500
При пониженном давлении
(LP CVD). D501
Газофазная эпитаксия. D502
Термическое окисление. D503
= 105 ... 10 Па;
= 293 ... 1793 К;
Плазмохимический (D51)
vmax = 4,38-103 х
х V ?lJEL = ОД ... 1мкм/с;
- смесь газов
тлеющий |
Безэлектродный ВЧ. D510
Диодный на постоянном токе.
D511
Диодный ВЧ. D512
С фотонной стимуляцией.
D513
Обозначения: Р. Г. - рабочий газ; рВак - давление в рабочей камере (остаточных газов);
ppS- - давление рабочего газа (инертного, химически активного, смеси газов), Па; Тп - температура
подложки (изделия), К; Vq121* - максимальная скорость осаждения пленки, мкм/с; Е - энергия
осаждающихся атомов, молекул, ионов и кластеров, эВ; КИ - доля ионизированных частиц; е - поток
электронов; hv - пучок фотонов; /?нас - давление насыщенного пара, Па; М - молекулярная масса
испаряемого материала, кг/кмоль; Т^си - температура испарения, К; d - расстояние от источника до
подложки; м; р - плотность осаждаемого материала, кг/м3; уи - плотность ионного тока, А/м2; S -
коэффициент распыления, атом/ион; qmu - допустимая плотность потока энергии на поверхность
конденсации, Вт/см2; Еот - оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ; р/, р* и М-г -
соответственно парциальное давление (Па), плотность (кг/м3) и молекулярная масса (кг/кмоль) осаждающихся
из газовой смеси /-х компонентов, суммарное количество которых равно п\ Гкомн = 20 °С; Fni Fv -
площадь поверхности соответственно испарения и распыления, м2; ОКГ - оптический квантовый
генератор; ЭОС - электронно-оптическая система
мов вещества из поверхностных слоев мишени
высокоэнергетичными ионами рабочего газа
(обычно инертного Аг). Ионы образуются в
газовом разряде при давлении />рт. = 10 ...
5-Ю'2 Па и ускоряются до энергии 0,7 - 5 кэВ
вследствие приложения к мишени
отрицательного потенциала -@,7 - 5) кВ.
Распыленные из мишени атбмы осаждаются в виде
тонкой пленки на поверхности подложки.
Различают ионно-плазменный D10 и
ионно-лучевой D11 методы, в которых
используются тлеющий (типы D100, D101,
D103, D104 и D105) и несамостоятельный, с
термокатодом (D102) газовый разряды, а
также , автономные источники ионов АИИ
Кауфмана (с горячим катодом - тип D11O) и
Пеннинга (с холодным катодом - тип Dili).
При использовании в качестве рабочего газа
смеси из Аг и химически активного газа @2,
N2 и т.п.) реализуется реактивный метод
осаждения оксидов, нитридов и т.п. (типы -
D10_RmD11_R).
Достоинствами метода осаждения тонких
пленок ионным распылением являются
универсальность (можно наносить металлы,
сплавы, диэлектрики, магнитные композиции),
регулируемая скорость осаждения Vq и
относительно простая конструкция оборудования.
К недостаткам относятся невысокая чистота
осаждаемой пленки (из-за наличия рабочего
газа), низкая и нерегулируемая энергия
осаждаемых частиц Е. Более детально см. в под-
разд. 2.6.7 и в гл. 2.2.
Тонкопленочные покрытия получают и
путем испарения вещества взрывом D2 при
импульсном воздействии на него лазерного
излучения D20 или электронного пучка D21, а
также при пропускании мощного импульса
тока через образец из наносимого материала в
форме тонкой проволоки или фольги D22.
Продукты взрыва с большой скоростью
(энергия частиц Е— 1 ... 10 эВ) переносятся к
подложке (детали) и конденсируются на ее
поверхности в виде тонкой пленки.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 237
Достоинством метода D2 является
высокая скорость осаждения Vo и хорошая адгезия
тонкопленочного покрытия, однако его
применение ограничено сложностью реализации
и большой неравномерностью толщины
пленки.
Осаждение тонких пленок дуговым
разрядом в вакууме D3 происходит за счет
эрозии вещества в сильноточных дуговых
разрядах (с холодным D30 и горячим D31
катодом), образования ионизированной паровой
фазы B0 - 100 % ионов), переноса ее с
большой скоростью (энергия частиц Е < 10 эВ) и
конденсации на поверхности подложки.
К достоинствам метода осаждения
тонких пленок дуговым разрядом в вакууме
относятся: практически неограниченная
электрическая мощность; высокий коэффициент
ионизации испаряемых частиц К^; возможность
получения пленок сплавов, оксидов,
нитридов, карбидов и других соединений, причем
как путем использования мишеней из этих
материалов, так и реактивным методом (типы
D30_R и D31_R); отсутствие необходимости в
дополнительном газе для ионизации; скорость
осаждения Vq - максимально возможная
(ограничивается допустимым потоком энергии
менее ДО5 Вт/см2 на поверхность
конденсации). Недостатками являются наличие в
потоке осаждаемого вещества капельной фазы,
нерегулируемая энергия частиц Е и
относительная сложность конструкции дуговых
источников.
В основе методов ионного осаждения
тонких пленок D4 лежит сочетание двух
процессов: генерации плазмы исходного вещества
с помощью одного из типов электрического
разряда или ВЧ-индуктора и ускорения ионов
или всей квазинейтральной плазмы с
последующей конденсацией на поверхности
подложки (детали). Исходное вещество получают
с помощью одного из методов термического
испарения DO (термо-ионный метод D40); из
газовой смеси, содержащей компоненты
осаждаемой пленки (ионно-плазменный D41 и
ионно-лучевой D42 методы); с помощью
дугового разряда D3, который используется как
первая ступень плазменного ускорителя
(плазмотронный метод D43). Более детально -
см. в. подразд. 2.6.9 и в гл. 2.2 и 2.3.
Основными достоинствами метода
ионного нанесения тонких пленок являются
регулируемая в широких пределах энергия
осаждаемых частиц Е (оптимальной считается
энергия Еош — 100 эВ) и высокая скорость
осаждения Vq, а главными недостатками -
сложность реализации и распыление
конструкционных материалов, а, следовательно, и
загрязнение плазмы и получаемой пленки.
Метод химического осаждения тонких
пленок D5 осуществляется при напуске в
рабочую камеру (реактор) смеси газов,
содержащей компоненты получаемой пленки, и
разделяется на осаждение атомов и молекул
непосредственно из газовой фазы D50 и плазмо-
химическое осаждение электрически
нейтральных атомов, молекул и радикалов D51.
CVD - методы (D500 и D501) подробно
изложены в подразд. 2.6.6, газофазная эпитаксия
(D502) - в подразд. 2.6.2 и 2.6.3, термическое
окисление (D503) - в подразд. 2.6.4, методы
плазмо-химического осаждения (D510 - D513) -
в подразд. 2.6.6. и в гл. 2.2.
Главными достоинствами метода
химического осаждения являются широкий
диапазон скоростей осаждения Vq и возможность
получения заданной кристаллической
структуры пленки (вплоть до монокристаллов), а
основным недостатком - использование
токсичных, экологически небезопасных газовых
смесей.
2.6.11. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА
ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ
МНОГОСЛОЙНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР
В ВАКУУМЕ
Технологические операции,
обеспечивающие получение многослойного
тонкопленочного покрытия, основываются на
закономерностях сбалансированного энергомассопе-
реноса. Так например, плёнка углерода в
процессе осаждения при неизменной толщине
может сформироваться в виде сажи
плотностью 1,8 г/см3, графита плотностью 2,22 г/см3,
алмазоподобной структуры плотностью
3,5 г/см3 либо структуры Cg плотностью
4,0 г/см3. Во всех приведенных случаях состав
остаточной газовой среды, материал подложки
и исходного продукта, температура
поверхности конденсации были одинаковыми.
Неоднозначность полученных результатов
объясняется различным соотношением потоков массы и
энергии, поступающих на поверхность
конденсации.
Одним из важнейших параметров
пленки является ее геометрическая толщина А.
Свойства пленки в зависимости от
геометрической толщины изменяются нелинейно, и,
как это показано на примере пленок углерода,
геометрическая толщина не полно
характеризует состояние вещества пленки. Объясняется
это тем, что пленки из одного и того же
материала при одной и той же геометрической
толщине могут иметь разные морфологию,
структуру и фазовый состав. Конкретный вид
связей, реализующихся в процессе
кристаллизации, определяется энергией, запасенной в
пленочной структуре. Следовательно, свойства
пленки зависят не только от количества

238
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
(потока массы) атомов исходного материала,
сконденсировавшихся на подложке, но и от
количества энергии (потока энергии),
поступающего на поверхность конденсации в
процессе формирования пленки. Геометрическая
толщина коррелирует с массой вещества,
запасённого пленкой, как конечный результат
массопереноса. Мерой баланса энергомассо-
переноса является эффективная толщина,
плёнки Аэф, определяющая интенсивность
проявления того или иного свойства
пленочного материала:
/*эф = <т/*,
где <т - коэффициент эффективной толщины
пленки, который представляет собой функцию
отношения значения какого-то показателя
свойства материала в монолите (ам) к
значению этого же показателя для того же
материала в виде пленки (<тп).
Для оптической пленки с показателем
преломления п эффективная толщина - это
аналог оптической толщины (/*о)
/*0 = nh.
Для омического контакта - это толщина
пленки вещества определенных состава и
плотности с заданным удельным
сопротивлением. Для полупроводникового слоя - это
толщина пленки определенной структуры с
заданными значениями подвижности,
концентрации носителей, удельного сопротивления и
т.д.
Равномерность толщины пленки и
идентичность ее свойств по всей поверхности
конденсации - обычное требование к
конструкции вакуумной технологической камеры, в
которой происходит осаждения плёнки. В
связи с этим выбор конструктивных
характеристик камеры является важным этапом
проектирования оборудования для осаждения
тонких пленок в вакууме.
При разработке нового вакуумного
оборудования и при эксплуатации существующего
необходимо, зная или задавая форму
держателя образцов и поверхности испарения, их
взаимное расположение и закон
относительных перемещений, оценить толщину пленки в
любой точке. Для процессов с низкими
скоростями испарения эта оценка может
осуществляться просто по геометрической толщине.
Изменение толщины распределения
конденсата на поверхности подложек достигается
созданием различных по форме держателей
образцов, например с простым или планетарным
вращением подложек, введением систем
управления потоком энергии, вызывающим
нагрев и испарение исходного материала,
размещением между держателем образцов и
поверхностью испарения диафрагм, корреги-
рующих диаграмму разлета, введением
дополнительных потоков энергии, обеспечивающих
баланс энергомассопереноса.
Распределение конденсата на подвижной
подложке, перемещающейся по приемной
поверхности Q(CDB) = 0 с угловой
скоростью со относительно произвольной оси при
поверхности испарения произвольной формы
G(XYZ) = 0, обусловливается потоком
испаряемого вещества переменной интенсивности
(обозначения даны в соответствии с рис. 2.6.42)
t JJH[XYZ(XY)]x
S(XY)
Здесь / - суммарная величина функции
потока вещества, прошедшего за время t\
через точку Р, перемещающуюся по
поверхности в соответствии с законом С = /i(g)/), &
= ./2М> Q(CDH) = 0, где С, Д Я-
текущие координаты точки Р; S{XY) - уравнение
замкнутой кривой, ограничивающей
проекцию на плоскость XOY поверхности
испарения G(XYZ) = 0;
X, Y, Z - текущие координаты точки
испарения, лежащей на поверхности G{XYZ) = 0; t -
время проведения процесса (текущая
координата); t\ - время осаждения для конкретного
изделия; 2%ХУ) - уравнение поверхности
G(XY2) = 0, решенное относительно Z =f[X?);
j*?
?_ j?
j*?. _ частные производные уравнения Z
Суммарное значение потока вещества,
прошедшего за время t\ через точку Р,
связано с толщиной конденсата А в этой точке
уравнением

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 239
Рис 2.6.42. Схема технологического пространства
оборудования для осаждения тонких пленок
испарением исходного материала в вакууме:
1 - приемная поверхность; 2 - поверхность
испарения; 3 - поверхность конденсации;
dG - элементарная площадка поверхности испарения;
P(CDH)t - точка P(CDH) через промежуток
времени t\\ rit - радиус-вектор ff через промежуток
времени t\\ Hq. - нормаль к поверхности испарения
в центре элементарной площадки d€h, TlQi - нормаль
к приемной поверхности в точке Д CDJ3), в которой
определяется толщина пленки; S(XY) - кривая,
ограничивающая проекцию поверхности испарения
на плоскость XYZ\ X, Y, Z- текущие координаты
точек поверхности испарения; С, Д Н- текущие
координаты точек поверхности конденсации -
приемной поверхности; щ - угол испарения;
8/ - угол конденсации
где т - масса вещества, испаренного за время
t\ с поверхности G(XYZ) = 0; у - плотность
конденсата.
'
Суммарную функцию 1\у потока
вещества, прошедшего за время t\ через точку
подложки Р, перемещающуюся по приемной
поверхности, для распределения конденсата,
пропорционального cosfy, определяют по
формуле
Приведенные выражения справедливы
при следующих допущениях:
расстояние от поверхности испарения до
поверхности конденсации значительно
меньше длины свободного пробега молекул в
вакуумной камере при рабочих давлении и
температуре;
коэффициент конденсации равен
единице;
распределение испаренных атомов с
любой элементарной площадки поверхности
испарителя подчиняется закону Кнудсена
(косинусоидальному);
эмиссионные характеристики любой
элементарной площадки поверхности
испарения G(XYZ) = 0 одинаковы;
поток энергии на поверхность
конденсации определяется тепловыми скоростями
молекул пара осаждаемого материала при
температуре испарения исходного вещества.
На практике закон Кнудсена не всегда
точно описывает распределение испаренных
атомов по направлениям, например, при
испарении вещества с помощью лазерного и
электронного луча. Для этих процессов
распределение конденсата пропорционально
cos*q>, причем Ь = 1 ... 5.
С учетом сказанного приращение
толщины dhi в точке подложки Р с
координатами CDH при испарении элементарной
поверхности dG массы вещества drrii может быть
описано формулой
dht =
cos^- cos 5/
где Ъ - любое действительное число. Это
выражение справедливо также при показателе
степени 1 / Ъ.
Для закона распределения конденсата
cos*q> подынтегральное выражение И —
= H[XYZ(XY)] имеет вид
nb
Ib=\dt IJH
0 S(XY)
dZ
dXdY.

240
Глава 2.6. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Допущение, что эмиссионные
характеристики каждой элементарной площадки dXdY
поверхности испарения G{XYZ) = 0
одинаковы, на практике выполняется не всегда.
Неравномерность нагрева и теплоотвода от
испаряемого материала приводит к изменению
формы поверхности испарения, а это изменяет
диаграмму разлета частиц испаряемого
материала, вследствие чего изменяется
распределение конденсата на поверхности изделия.
Неравномерность свойств исходного материала
по объему, различная температура его
отдельных участков приводят к изменению
эмиссионных характеристик в различных точках
поверхности испарения и к ее искажению во
времени, что в итоге тоже изменяет
распределение конденсата по толщине.
Учесть перечисленные факторы можно
путем введения параметрической зависимости
координат XYZ от времени и функции,
характеризующей эмиссионную способность точек
поверхности испарения m[XYZ(XY)].
Тогда распределение конденсата на
подвижной подложке примет вид
_1_
щ
0 S(XY)
С =f[(®t); D =Л(ЮО;
Q(CDH) = O;X=Mf);Y=Mt);
Основные параметры осаждения тонких
пленок в вакууме - поток энергии Р\,
подводимый к источнику испарения, скорость
испарения vH, температура поверхности испарения
7J,, количество вещества /и, испаренного с
единицы поверхности источника в единицу
времени для стационарных процессов
испарения, - связаны между собой следующим
уравнением:
где Уи - плотность испаряемого материала; Q -
его удельная теплота испарения; X - его
удельная теплота плавления; с - его удельная
теплоемкость. Плотность потока Р\ изменяется в
зависимости от места положения в
пространстве.
Для процессов, у которых суммарный
энергопоток на поверхность конденсации
выше значений, определяемых тепловыми
скоростями молекул исходного материала, а также с
учетом последних выражений для тик
система уравнений, определяющая закон
распределения эффективной толщины по
поверхности конденсации, имеет вид
х ИЬ[ХИ(Х?)] x
I, fdzS2 (dz*
dXdY;
с =/i(<of); D =/2M;
Z=f5(f);G(XYZ) = 0,
где P(CDHi) = 0 - вспомогательный поток -
энергии на подложку, компенсирующий дис-
балланс потоков энергии и массы осаждаемого
на подложку вещества и обеспечивающий на
поверхности конденсации требуемую
эффективную толщину пленки.
Анализ системы уравнений для
определения эффективной толщины пленки кэф в
любой точке поверхности конденсации
показывает, что управление процессом осаждения
тонких пленок в вакууме можно осуществлять
изменением: пространственно-временных
характеристик потока массы т> потока энергии
на поверхность испарения Pi и
вспомогательного потока на поверхность конденсации Р;
функции распределения температуры по
поверхности испарения Ти = 7\XYZ(XY)];
закона сканирования первичным потоком
энергии по поверхности испарения X = ^(/),
Y — Mf), G(XYZ) — 0; закона перемещения
приемной поверхности относительно
поверхности испарения С = f\((df)9 D = fi((oi),
Q(CDH) = 0; размеров приемного свода
(подложкодержателя), поверхности испарения
и их взаимного расположения. Кроме того,
управлять потоком массы можно,
диафрагмируя его на его пути к поверхности
конденсации.
Система уравнений для определения
эффективной толщины пленки Лэф позволяет
применительно к процессу вакуумного
осаждения тонких пленок сформулировать закон
баланса энергомассопереноса: осаждение
пленки заданной эффективной толщины
испарением исходного материала в вакууме
возможно только при вполне определенном
соотношении потоков массы и энергии,
участвующих в формировании конденсата:

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 241
[(Pi + Р) -> т] о /*эф =
Закон баланса энергомассопереноса
справедлив при проведении любого
вакуумного технологического процесса и в самом
общем виде описывается соотношением
[(Рг + Р) -> т] <-> Кэф,
где Р^ф - эффективный объем тонкой пленки,
полученной в результате технологического
процесса, т.е. определенное количество
продукта с заданными свойствами, полученное по
завершении технологического процесса.
На практике управлять суммарным
потоком энергии, участвующим в формировании
конденсата, можно путем сканирования
потока энергии, подводимого к поверхности
испарения, изменения его плотности в процессе
испарения исходного материала либо
целенаправленного воздействия дополнительного
потока энергии, направленного
непосредственно на поверхность конденсации. При этом
может претерпевать значительные изменения и
поток массы. Управлять потоком массы,
поступающим на поверхность конденсации, без
изменения энергетики процесса можно, варьируя
траекторию перемещения подложки в процессе
осаждения пленки (на практике это чаще всего
осуществляется введением планетарного
движения подложек), изменяя форму поверхности
конденсации, расстояние от испарителя до
подложки. В особых случаях, когда диаграмма
разлета испаряемого материала узконаправленна,
применяют стационарные или вращающиеся
корригирующие диафрагмы.
Корригирующая диафрагма представляет
собой либо сплошной экран, либо экран с
отверстием, которые частично перекрывают
поток испаряемого материала. Выбор формы
этого отверстия или кривой, ограничивающей
поверхность экрана, является одной из
основных задач при создании корригирующей
диафрагмы.
Схема системы осаждения тонкой
пленки для поверхности испарителя большой
площади с корригирующей диафрагмой в виде
отверстия представлена на рис. 2.6.43.
Нахождение кривой, ограничивающей отверстие
диафрагмы, сводится к решению численными
методами системы уравнений
тер
О S(XY)
+№ +
=/!(©/); D =f2((ot);
Q(CDB) = 0
Рис. 2.6.43. Система осаждения тонкой пленки с
корригирующей диафрагмой:
P^QDiHj) - точки кривой, ограничивающей
объемную диафрагму; NdUXdYdZj) - точки,
ограничивающие отверстие плоской диафрагмы;
d(XYZ) =» 0 - уравнение кривой, ограничивающей
отверстие плоской диафрагмы; Щ - высота
расположения плоской диафрагмы над плоскостью
XOY(остальные обозначения см. рис. 2.6.42)
при условии, что hn / Jiq — [h]y где /^ -
геометрическая толщина пленки на периферии
подложки; ho - геометрическая толщина
пленки в центре подложки; [h] - допустимая
степень неравномерности пленки по толщине.
Область с допустимой степенью
неравномерности [h] ограничивается кривой, лежащей на
поверхности конденсации Q(CDH) = 0, все
точки которой P^QDiHi) представляют собой
пересечение поверхности конденсации
Q(CDH) = 0 касательными к поверхности
испарения G{XYZ) = 0, проведенными из
периферийных точек этой поверхности
Mi(XiYfZi), для которых область с допустимой
степенью неравномерности [h] еще находится
в открытой зоне. Задача сводится к
определению уравнений прямых, соединяющих точки
Pj и И\ и лежащих в плоскости, касательной к
поверхности испарения G(XYZ) = 0 в точках
и,.
Для определения координат точек
решают систему уравнений
г,-в,
1
1
X
~dX
i-C
x-xt
dy
dY
d\\t
dZ
Z=Zi

242
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
dG
dX
dG
dY
dG
dZ
Z=Zi
G(XYZ) = O,
в которой первое уравнение - уравнение
прямой, соединяющей точки Р/ и Щу лежащие в
плоскости T(XKZ) = 0, касательной к
поверхности G(XYZ) — 0; второе уравнение -
уравнение плоскости ^(XYZ) = 0,
касательной к поверхности G{XYZ) = 0 в точке с
координатами XiYfZf, L - модуль вектора
нормали к плоскости 4f(XYZ) = 0 в точке
Частные производные по X, Y, Z для
G(XYZ) = 0 и T(ZKZ) = 0 при Х= Хь 7 =
= 1/, Z = Zi попарно равны между собой.
Определив значения координат точек Щ
и решив систему уравнений
xd-ct
Xd Yd
Yd
Yt
zd
Dt
Yd
Y(
-Dt
-Dt
Ht
zd
zi
1
1
1
zd-
Zt-
=
Hi
zd
zi
Hi.
Щ'
Ci
xd
xt
1
1
1
находят значения координат X^Y^ для каждого
положения прямой Р^й/ и тем самым вычисляют
координаты точек кривой d {XYZ)= 0,
ограничивающей отверстие коррегирующей
диафрагмы.
В этой системе уравнений первая
формула является уравнением прямой, на которой
лежат три точки с координатами
соответственно XfYiZiy XdYdZd и QZ>/JjT/; вторая формула -
уравнение плоскости корригирующей
диафрагмы, а третья формула является
необходимым и достаточным условием, чтобы три
точки XiYiZb XdY^Zd и CfDiHi лежали на одной
прямой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вакуумное оборудование
тонкопленочной технологии производства изделий
электронной техники: Учебник для студентов
специальности "Электронное машиностроение" /
Н. В. Василенко, Е. Н. Ивашов, Л. К. Ковалев
и др.: Под ред. Л. К. Ковалева, Н. В.
Василенко: В 2 т. Т. 2. Красноярск: Кн. изд-во Сиб.
аэрокосм, акад., 1996. 416 с.
2. Власов В. М. Работоспособность
упрочненных трущихся поверхностей. М.:
Машиностроение, 1987. 304 с.
3. Голод И. А., Девятова С. Ф., Ерков В. Г.
Осаждение силицидов тугоплавких металлов из
газовой фазы, их свойства и состав. // Обзоры
по электронной технике. Сер. 7, вып. 15
A312). М: ЦНИИ "Электроника", 1987. С. 52.
4. Марей А. Р., Семенов А. П. Получение
покрытий системы Ti - А1 - N способом
реактивного магнетронного распыления и их
свойства // Трение и износ, 1994. № 5. С. 838 - 842.
5. Методы и средства упрочнения
поверхностей деталей машин / А. П. Семенов,
И. Б. Ковш, И. М. Петрова и др. М-: Наука,
1992. 404 с.
6. Панфилов Ю. В., Рябов В. Т.,
Цветков Ю. Б. Оборудование производства
интегральных микросхем и промышленные
роботы. М.: Радио и связь, 1988. 320 с.
7. Полевой С. Н., Евдокимов В. Д.
Упрочнение машиностроительных материалов:
Справочник. М.: Машиностроение, 1994. 496 с.
8. Семенов А. П. Применение вакуумных
ионно-плазменных методов нанесения
покрытий и модифицирования поверхностных слоев
для повышения износостойкости и снижения
трения // Проблемы машиностроения и
надежности машин, 1994. № 1. С. 59 - 67.
9. Электроника. Энциклопедический
словарь. М.: Советская энциклопедия, 1991. С. 553 -
554.
10. Mirkarimi P. В., Shinn M. and Barnett
S. A. An ultrahigh vacuum, magnetron sputtering
system for the growth and analysis of nitride su-
perlatetices // J. Vac. Sci. Technol, 1992, Vol 10,
N 1. P. 75 - 81.
11. Singer P. New Interconnect Materials:
Chasing the Promise of Faster Chips.
Semiconductor International, November 1995. P. 52 - 56.
Раздел 3
ОБОРУДОВАНИЕ,
РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
И ИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Глава 3.1
ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
3.1.1. ЭТАПЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ,
КЛАССИФИКАЦИЯ
Вакуумные процессы наряду со
сборочными и контрольно-измерительными
операциями наиболее трудоемки и, как правило, в
значительной степени определяют качество и
параметры изделий электронной техники.
Вакуумное производство отличается
многообразием факторов, воздействующих на

ЭТАПЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ
243
обрабатываемое изделие. Наиболее
существенные из них: общее давление в
технологическом объеме; парциальные давления
отдельных составляющих газовой среды в рабочей
камере; интенсивность потоков заряженных и
нейтральных частиц, бомбардирующих
изделие, и различного рода излучений,
воздействующих на него; структура и состав исходных
материалов; время взаимодействия
воздействующего фактора с изделием.
Важной особенностью вакуумного
процесса является совокупность воздействия на
изделие отдельных параметров
технологического процесса, которые могут приводить как
к ускорению, так и замедлению обработки, а
также к качественному изменению конечного
продукта данной операции. Для вакуумных
процессов характерна чрезвычайная гибкость
воздействия обрабатывающей среды на
изделие, что обусловливает широкий диапазон
изменения свойств изделия в зависимости от
характеристик обрабатывающей среды.
По характеру взаимодействия
обрабатывающей среды с изделием различают локальные,
планарные и объемные технологии (рис. 3.1.1).
Локальный вакуумный технологический
процесс осуществляется физически
сформированной обрабатывающей средой с
ограниченной зоной воздействия на изделие и
возможностью перемещения этой зоны относительно
обрабатываемой поверхности. К таким
процессам относятся: электронно- и ионно-лучевая
размерная обработка; электронная, ионная и
рентгеновская литография; сварка
электронным и лазерным лучом; лазерный отжиг
полупроводниковых материалов; проекционная
ионно-лучевая литография; ионно-лучевое
осаждение материалов; ионно-лучевая
имплантация; электронная, ионная и рентгеновская
микроскопия; электронография; оже-спектро-
скопия и др.
Планарная вакуумная технология
отличается воздействием обрабатывающей среды на
всю рельефную поверхность плоского изделия
без значительного проникновения
воздействующей среды в глубь изделия. Концентрация
или импульс воздействия обрабатывающей
среды в различных точках поверхности
изделия может существенно меняться. Для
выравнивания интенсивности взаимодействия
обрабатывающей среды по всей поверхности
изделие в процессе обработки перемещается. К
этому виду технологических операций
относятся осаждение многослойных плёночных
покрытий путем испарения исходных
материалов в вакууме, травление поверхности
изделия ионной бомбардировкой, плазмохими-
ческое травление, ионная имплантация
широким пучком, фотонная обработка поверхности,
лазерная, молекулярно-лучевая, газофазная и
жидкофазная эпитаксии, электронное и
ионное экспонирование резистов и др.
Объемная вакуумная технология
заключается во взаимодействии обрабатывающей
среды с изделием по всему объему.
Уменьшение градиента уровня воздействия
обрабатывающей среды на изделие обеспечивается
перемещением изделия в процессе его
обработки. К объемной вакуумный технологии
относится вакуумный отжиг обезгаживание в
вакууме, штенгельная и бесштенгельная откачка
вакуумных и газополных приборов, вакуумная
плавка различных материалов, выращивание
монокристаллов, зонная плавка металлов и
полупроводников и др.
В вакуумной технологии прибор
достаточно часто по мере его развития
трансформируется в инструмент (табл. 3.1.1).
Выбранный инструмент и
технологический процесс, требующийся объем
производства, характеристики изделия - основные
критерии, которые определяют тип вакуумной
машины.
Рис. 3.1.1. Схемы технолог!
прс
прс
г)
трс
а - локальное воздействие обрабатывающей среды; б - планарная технология;
в, г - объемное воздействие;
1 - обрабатываемое изделие; 2 - обрабатывающая среда;
3 - направление перемещения обрабатывающей среды и обрабатываемого изделия;
4 - продукты отхода при обработке изделия

244
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
3.1.1. Трансформация некоторых типов приборов в инструмент и оборудование на его основе
Прибор
Электронный
вакуумный
прибор
СВЧ-генератор
Квантовый
генератор
Газоразрядный
прибор
Инструмент
Электронная
пушка
Магнетрон

технологический

Технологический лазер
Ионный
источник
Оборудование
Электронно-оптическая измерительная аппаратура,
электронно-лучевые вакуумные технологические установки,
оборудование электронной литографии
СВЧ-печи, установки осаждения материалов из плазмы с
возбуждением в СВЧ-поле, СВЧ-магнетронное
распылительное оборудование
Лазерное контрольно-измерительное оборудование,
лазерное технологическое оборудование, оборудование
лазерной литографии
Ионноэмиссионное контрольно-измерительное
оборудование, оборудование ионного травления и осаждения,
оборудование ионной литографии
Классификация вакуумного
технологического оборудования для производства изделий
электроники проведена на основе анализа
наиболее сложных и процессоемких машин -
вакуумных установок для осаждения
многослойных тонкопленочных структур (табл.
3.1.2). Обозначения элементов отдельных
узлов, входящих в состав вакуумного
технологического оборудования, приведены в табл. 3.1.3.
Структура вакуумного технологического
оборудования (см. табл. 3.1.2) в своем
развитии изменялась: вначале - универсальная
машина (типы 1 и 4), предназначенная для
выполнения одной - пяти отдельных операций,
допускающих совмещение в едином
технологическом объеме, затем - конвейерные
машины, имеющие общий технологический объем
(тип 5), непрерывные конвейерные машины
(тип 7), рассчитанные на большую
производительность и редкую смену обрабатываемого
изделия и, наконец, - многокамерные машины
с жестким циклом (типы 3 и 6).
Появление многокамерных машин было
вызвано необходимостью обрабатывать
пластины большого диаметра B00 - 300 мм),
причем каждую индивидуально. Поштучная
обработка пластин большого диаметра, стремление
устранить воздействие атмосферы на
поверхность пластины между двумя
последовательными операциями, а также необходимость
сохранить при этом высокую
производительность, соизмеримую с производительностью
групповых методов обработки, явились
причиной возникновения новых структур
вакуумных технологических машин. Многокамерная
структура машин исключила перекрестное
загрязнение слоев, возможное при
выполнении процесса в одном общем технологическом
объеме. Первоначально появились
многокамерные структуры на базе карусельных и
конвейерных систем перемещения обрабатываег
мых изделий. Особенностью таких систем
является жесткий технологический цикл. В
структурах типов 3 и 6 обрабатываемое
изделие последовательно проходит все
предусмотренные конструкцией машины
технологические камеры. В отличие от этого типа машины
со структурой "мини-завод" (кластер)
позволяют объединить в единой многокамерной
машине большое число несовместимых
технологических процессов (тип 8).
Характерные черты оборудования
кластерного типа следующие:
в одной машине реализуются
необходимые по технологическому циклу различные
требования к технологической среде - процесс
может проводиться в атмосфере, вакууме или
контролируемой газовой среде любого состава;
благодаря программному управлению и
использованию для перемещения
обрабатываемого изделия робота-перегрузчика,
действующего в отдельной камере, связанной со
всеми технологическими объемами с помощью
герметичных вакуумных затворов,
обеспечивается гибкий цикл обработки;
структура машины с гибким
технологическим циклом - "мини-завод" позволяет при
условии высокого уровня унификации и
стандартизации конструкции такого типа машин
изменять ее конфигурацию, комплектовать
требующимися технологическими модулями в
зависимости от потребностей производства,
т.е. реализуется принцип "открытой
архитектуры;"
в промышленную технологию можно
ввести сложные физико-аналитические
измерения, основанные на оже-спектроскопии,
дифракции быстрых и медленных электронов,
растровой электронной микроскопии и др.
Структура машины вносит определенные
ограничения по уровню ее автоматизации. Для
современного вакуумного технологического
оборудования характерны пять уровней
автоматизации (см. табл. 3.1.2): 1-й - полуавтомат;
2-й - полуавтомат с программатором; 3-й -
полуавтомат с автоматической системой
управления технологическим процессом; 4-й -
гибкий вакуумный автоматический модуль

3.1.2. Классификация вакуумного технологического оборудования
Тип машины
8
Цикл работы
Периодический
Периодический
Непрерывный
Мини-завод
Шлюзование
Без шлюза
Прямоточное
Прямоточное
Смешанное
Структура:
схема
§
загрузка
Ручная
В шлюз
ручная, в объем
механическая
В шлюз
ручная, в объем
механическая
В шлюз
ручная, в объем
механическая
В шлюз
ручная, в объем
перегрузчик
В шлюз
ручная, в объем
перегрузчик

Автоматическая на
конвейер

Автоматическая кассетная
в шлюз
составляющие
цикла
Уровень
автоматизации:
1
2
3
4
5
о
I

Продолжение табл. 3.1.2
Тип машины
Цикл работы
Шлюзование
Процесс:
обезгажива-
ние
тлеющий
разряд
напыление
ионное
травление
отжиг
анализ
поверхности
литография
ионная
имплантация
Изделие:
диаметр, мм
минимальный
размер
элемента, мкм

Максимальный размер
загрязняющих
частиц, мкм
1
2
3
4
Периодический
Без шлюза
+
125
1
0,5
Возвратное
:
150
1
0,25
+
150
0,7
0,25
Прямоточное
150
0,7
0,25
5
6
Периодический
7
Непрерывный
Прямоточное
150
0,7
0,5
*
250
0,5
ОД
125
1,2
0,8
8
Мини-завод
Смешанное
:
350
0,1
0,06
S
й
В
§
Обозначения: знак "+" означает те технологические операции, которые могут быть реализованы в одной машине для выбранной
структуры, а также уровни автоматизации, характерные для данной структуры; / - число напыленных слоев; t\ - время напыления /-го слоя; tmR - время ваку-
умно-термической обработки изделия (подложки); tox - время охлаждения изделия; tk - время открытия и закрытия технологического объема для
загрузки - выгрузки изделия; 4п - время загрузки подложек в шлюз или рабочую камеру; /п - время перемещения изделия на позицию; tom - время
открытия и закрытия шлюза; tK - время напуска газа в технологический объем перед вскрытием его на атмосферу; /вп - время выгрузки подложек; W - время
вакуумно-термической обработки объема; пж - число изделий, на которые одновременно наносится пленка; пж - число одновременно нагреваемых
изделий; п0 - число одновременно охлаждаемых изделий; к - число изделий одновременно подвергающихся обработке; tp - продолжительность рабочей
операции; tx - продолжительность холостых ходов; ШМ - шлюзовой модуль; ВС - вакуумная система.

ЭТАПЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ
247
3.1.3. Обозначения элементов вакуумного технологического оборудования
Элемент
Наименование
/ЦП
Герметичная технологическая камера с открывающейся вручную
дверью
Ручная загрузка в объем, в шлюз
Обрабатываемое изделие
Осаждаемый на изделие материал (пары, молекулы, ионы, атомы,
частицы исходного материала)
Испаряемый (распыляемый) исходный материал
Воздействующая среда (электронный, ионный, лазерный луч;
молекулярный пучок; магнитное, электростатическое поле; тепловое,
ультрафиолетовое излучение)
Вакуумная система
Перегрузчик
Шаговый конвейер, конвейер с периодическим циклом перемещения
Конвейер с непрерывным циклом перемещения
Шлюзовый модуль
Механический интерфейс
Карусель системы перемещения обрабатываемого изделия
Герметичный технологический модуль (технологическая рабочая
камера, оснащенная автоматической системой ввода обрабатываемого
изделия в герметичный объем)
Рука робота
Узел герметичной стыковки двух элементов
Камера робота-перегрузчика (центральная транспортная камера)
Камера перегрузки обрабатываемого изделия без разгерметизации
(кластер); 5-й - гибкое вакуумное
автоматическое производство (многокластерный
комплекс).
В полуавтоматах автоматизируется цикл
набора вакуума, а управление технологическим
процессом осуществляется дистанционно
оператором по показаниям системы контроля
одной или нескольких характеристик изделия:
для вакуумного осаждения оптических
покрытий - оптической толщины пленки, для
выращивания монокристалла - диаметра растущего
кристалла и т.д. Система питания и
управления машины обеспечивает высокий уровень
стабилизации всех основных параметров
технологического процесса.
Полуавтомат с автоматической системой
управления технологическим процессом
предусматривает автоматизацию набора и поддер-

248
Глава ЗЛ. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
жания вакуума и состава технологической
среды, автоматическое ведение технологическою
процесса с управлением от ЭВМ или
микропроцессора. Система управления машиной
оснащается рядом чувствительных датчиков,
показания которых логически учитываются
ЭВМ или микропроцессором при
осуществлении технологической операции.
Неавтоматизированной остается либо загрузка заготовок и
материалов и выгрузка готовых изделий, либо
смена оснастки при переходе на другой тип
изделия.
Для рассмотренных трех уровней
автоматизации вакуумных машин характерна
сравнительно узкая номенклатура обрабатываемых
изделий. Переход к другим изделиям в лучшем
случае требует изменения только
технологической оснастки, чаще же приводит к
необходимости изменения конструкции шлюза и
механизмов, транспортирующих изделие.
В гибком вакуумном автоматическом
модуле к особенностям машин 3-го уровня
автоматизации добавляется роботизированная или
автоматическая загрузка и выгрузка заготовок
и изделий, а также автоматический переход на
обработку изделия другого наименования из
определенной номенклатуры, характерной для
данного типа машины.
Гибкое вакуумное автоматическое
производство по сравнению с гибким вакуумным
технологическим модулем предусматривает
автоматическое складирование в вакууме или
другой защитной среде готовых изделий или
полуфабрикатов с целью транспортирования
их на склад готовой продукции или передачи с
одного гибкого вакуумного технологического
модуля на другой для проведения ряда
последовательных технологических и контрольных
операций.
"Мини-завод" (кластер) включает в себя
изолированную оснащенную своей вакуумной
системой технологическую камеру, модуль
транспортировки и модуль загрузки и
выгрузки. Кластер является элементарной ячейкой
кластерной производственной системы. Как
правило, все технологические объёмы
кластерной установки имеют свои индивидуальные
вакуумные откачные системы.
Кластерное оборудование является
основой построения вакуумного производства,
представляющего собой систему машин, в
состав которой входят технологические модули
кластерного типа, соединительные модули,
накопительные модули, транспортные модули.
СМИФ-контейнеры (СМИФ - стандартный
механический интерфейс) или вакуумные ро-
бокары. Элементы структуры
производственных систем, выполненные на основе этой
элементной базы, представлены в табл. 3.1.4.
3.1.4. Элементы структуры кластерных машин
Элемент
Структура машины
Кластер (К)
Соединительный модуль (СМ)
Накопительный модуль (НМ)
Последовательное агрегатирование
(родительский (су$класгг?ер)
кластер)
Параллельное агрегатирование
Транспортный модуль (ТрМ)
СМИФ-контейнер (СК)
Технологический модуль (ТМ)
\гм) (гм)
Параллельно-последовательное агрегатирование
Соединение с метрологическим модулем (ММ)

ЭТАПЫ И ТЕНДЕНЦИИ
Элемент
РАЗВИТИЯ,
КЛАССИФИКАЦИЯ
Продолжение табл.
Структура машины
249
3.1.4
Центральная транспортная камера
(ЦТК)
Шлюзовой модуль (ШМ)
~| шм \-
Механический интерфейс
Г—f
Механическая рука или конвейер
Вакуумная система
[вс]
Газовая система
\гс |
Система управления
[су]
Исполнительная система
шс\
Соединение с транспортным модулем
Радиальное соединение
Линейное соединение
\шм\ \шм |
Смешанное соединение

250
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
В России в микроэлектронике
кластерное оборудование впервые появилось в виде
установок молекулярно-лучевой эпитаксии
"Цна" и "Катунь-В". На многокамерных
установках для металлизации 01НИ-7-006 и УВН-
МЭ-100/125-003 была проведена отработка
элементной базы отечественного кластерного
оборудования.
Принцип кластерной структуры
вакуумного производства использован в обрудовании
и для отмывки и последующего отжига в
вакууме и (или) инертной среде корпусов и
оптических деталей кольцевых лазеров (рис.
3.1.2). Возможно создание вакуумного
производства лазерных гироскопов, включающего в
себя установки вакуумного осаждения много-
Рис. 3.1.2. Линия очистки и вакуумно-термической обработки оптических деталей:
а - общий вид; б - технологическая схема
Рис. 3.1.3. Линия автоматизированной сборки осветителя лазерного гир<

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
251
слойных пленочных структур, диффузионной
сварки, сборки, откачки и наполенния
приборов, контроля характеристик уже готового
изделия (рис. 3.1.3).
3.1.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
К изделиям квантовой электроники
относятся приборы, устройства или отдельные
элементы, имеющие самостоятельное
применение, функционирующие в диапазоне длин
волн 0,001 - 700 мкм, от мягкого
рентгеновского до инфракрасного излучения: лазеры,
оптоэлектронные приборы, оптические диски
памяти, зеркала, оптические монокристаллы,
фотодиоды и др.
В табл. 3.1.5 - 3.1.8 приведены
технологические процессы и оборудование для
производства твердотельных лазеров.
3.1.5. Технологические процессы и вакуумное оборудование для производства
твердотельных лазеров
1 - зеркало резонаторной системы со 100 %-ным
отражением; 2 - активный элемент; 3 - лампа
накачки; 4 - отражатель; 5 - охлаждающая
жидкость; 6 - система управления лучом; 7 -
зеркало с 50 %-ным отражением; 8 - излучаемая
энергия; 9 - объектив
Название и основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования.
Схема
Активный элемент B)
Наплавление шихты. Рабочее
давление 7-Ю Па; рабочая температура
450 - 2000 °С D50 °С - обезгажива-
ние; 2000 °С - плавление шихты)
"Киноварь", "Кристалл", "Кристалл-1",
"Донец", "Донец-1" (Россия)
"Кристалл-2",
Выращивание оптического
монокристалла. Рабочее давление от 7-Ю до
3-Ю5 Па (Аг); рабочая температура
до 2000 °С; скорость вытягивания
кристалла 0,1 - 10 мм/ч
"Киноварь", "Кристалл", "Кристалл-1"
"Донец", "Донец-1" (Россия)
"Кристалл-2"
Отжиг були. Рабочее давление от
7-Ю до 3-Ю5 Па (Аг); рабочая
температура до 1500 °С
"Киноварь",
(Россия)
"Кристалл", "Кристалл-1", "Кристалл-2"
Ионная обработка торцев активного
элемента. Рабочее давление 710~2 Па
(Аг); рабочая температура до 450 °С
УНП-2 (Россия)

252
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Продолжение табл. 3,1.5
Название и основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования.
Схема
Нанесение селективных покрытий.
Рабочее давление 7-Ю'2 Па (Аг);
рабочая температура до 450 °С; маг-
нетронное распыление исходного
материала
Модернизированная установка УРМЗ.279.011 с
оптическим контролем толщины (Россия)
Просветление торцев. Рабочее
давление 710 Па; рабочая температура
до 450 °С
Модернизированная установка УРМЗ.279.011 с
оптическим контролем толщины (Россия)
Нанесение металлических полосков.
Рабочее давление 7-Ю Па (Аг);
рабочая температура до 450 °С; маг-
нетронное распыление исходного
материала
Установка УВНМ-6-007
ной системой (Россия)
с магнетронной
испарительНанесение интерференционных
покрытий. Рабочее давление 7-Ю Па;
рабочая температура до 450 °С;
число чередующихся слоев 3 - 101
(рентгеновское зеркало)
Зеркала A, 7)
Установка УРМЗ.279.068 напылительная с оптической
системой контроля толщины и двумя
электроннолучевыми испарителями (Россия)
Система накачки C, 4)
Откачка и наполнение лампы
накачки. Рабочее давление 7-ДО Па;
температура обезгаживания до 150 °С
Откачной пост (Россия)
газ
ваку/м
Нанесение селективных покрытий
на лампу накачки. Рабочее давление
7-ДО Па; температура нагрева
изделия в процессе осаждения
пленочной структуры до 450 °С
Модернизированная установка УРМЗ.279.011 с
оптическим контролем толщины (Россия)

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
253
Продолжение табл. 3.1.5
Название и основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования.
Схема
Нанесение отражающих покрытий
на отражатель. Рабочее давление
7-Ю Па; рабочая температура до
450 °С; число чередующихся слоев
3- 31
Установка УРМЗ.279.068 напылительная с оптической
системой контроля толщины и двумя
электроннолучевыми испарителями (Россия)
Sr
Сборка акустооптического
дефлектора. Рабочее давление 710 Па;
температура обезгаживания до 450 °С;
давление на свариваемые детали до
9105 Па; температура в процессе
сварки до 100 °С; время выдержки
деталей под давлением 15 мин
Система управления лучом (б)
Модернизированная установка УРМЗ.279.011 с
оптическим контролем толщины, оснащенная вакуумным
манипулятором и прессом (Россия)
\|/
3.1.6. Технологические процессы и вакуумное оборудование для производства
полупроводниковых лазеров
1 - токоподвод; 2 - контакт; 3 - р-п-переход; 4 - изолирующий
слой; 5 - исходная подложка; 6 - кристаллодержатель;
7 - крепежный элемент; 8 - зеркало
Название и основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования.
Схема
Активный элемент C)
1. Выращивание монокристалла.
Рабочее давление 7-Ю до 108 Па
(Аг); рабочая температура до 1200 °С
"Скиф-1" (Россия)
2. Формирование р-п -перехода
методом жидкофазной эпитаксии.
Рабочее давление от 7103 до 2-Ю5 Па
(Н2); рабочая температура до 950 °С
"Рост-4", "Рост-4МВ" (Россия), "Сплав-1", "Сплав-2"
(Украина)
3. Формирование р-п -перехода
методом молекулярно-лучевой
эпитаксии. Рабочее давление 7-Ю Па;
рабочая температура до 800 °С
"Цна" (Россия)

254
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Продолжение табл. 3.1.6
Название и основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования.
Схема
4. Формирование p-w-перехода
методом лазерной эпитаксии и создание
металлических контактов к слоям п-
и р-типа. Рабочее давление 7-Ю Па;
рабочая температура до 650 °С
"Контроль-1", "Курган-1" (Россия)
5. Ионное травление мезоструктуры.
Рабочее давление 7-Ю Па (Аг);
рабочая температура до 450 °С
УНП-2 (Россия)
6. Ионное травление скола
мезоструктуры. Рабочее давление
7-Ю Па (Аг); рабочая температура
до 450 °С
Зеркала (Д)
Тоже
7. Нанесение интерференционных
покрытий. Рабочее давление
7-10"* Па; рабочая температура до
450 °С
Установка УРМЗ.279.068 напылительная с оптической
системой контроля толщины и двумя
электроннолучевыми испарителями (Россия)
8. Нанесение металлических
контактов. Рабочее давление 7-10"* Па
Система накачки D)
"Курган-Iй (Россия)
9. Нанесение изолирующих слоев.
Рабочее давление 7-Ю Па
Тоже
3.1.7. Технологические процессы и вакуумное оборудование (Россия) для производства
кольцевых лазеров
1 - сферическое зеркало резонаторной системы со
100 %-ным отражением; 2> 3 - элементы поджига
тлеющего разряда; 4 - ситалловый корпус с
каналами; 5 - полый катод; 6 - диафрагма; 7 - плоское
зеркало со 100 %-ным отражением; 8 - пьезоэле-
мент для подстройки периметра; 9 - геттер; 10 -
штенгель; 11 - втулка; 12 - выходное зеркало; 13 -
фотоприемники; 14 - призма

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
255
Продолжение табл. 3.1.7
Название и схема
технологического процесса и
оборудования
Основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования
Очистка каналов корпуса
trie
Активный элемент D, 9, Щ
Тлеющий разряд в СВЧ-поле;
рабочая среда Ne
Установка СВЧ-очистки
Составление и подготовка
рабочей смеси
Предельное давление 710 Па;
составляющие смеси: Не; Ne20;
Ne22
Откачной пост, оснащенный
системой
масс-спектрометрического анализа и
прецизионной системой напуска
Контроль состава смеси
Предельное давление 7-Ю Па;
составляющие смеси: Не; Ne20;
Ne22
Откачной пост, оснащенный
системой масс-спектрометри-
ческого анализа и
прецизионной системой напуска
Ионное полирование
зеркал (призм)
Зеркала (i, ?, 7, 12)
Рабочее давление 7-Ю Па (Аг);
рабочая температура до 450 °С
УНП-2
Оже-анализ поверхности
Предельное давление ДО"8 Па;
температура прогрева образца
до 450 °С
Установка "Шик"
Нанесение
интерференционных покрытий
Рабочее давление 7-10 Па;
рабочая температура до 450 °С;
число чередующихся слоев -
более трех
Установка УРМЗ.279.068 на-
пытштельная с оптической
системой контроля толщины и
двумя электронно-лучевыми
испарителями
Прессование пьезокера-
мики
Рабочее давление 7-10 Па;
температура обезгаживания до
450 °О; усилие, развиваемое
прессом, 5 - 20 кН
Установка для прессования

256
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Продолжение табл. 3.1.7
Название и схема
технологического процесса и
оборудования
Основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования
Металлизация пьезокера-
мики
Рабочее давление 510 Па (Аг);
температура нагрева изделия в
процессе осаждения пленочной
структуры до 450 °С
Установка УВНМ-6-007 с маг-
нетронной распылительной
системой
Щ
Вакуумный отжиг
корпуса и отдельных деталей
излучателя
Рабочее давление 7-10 Па;
температура нагрева изделия в
процессе отжига до 450 °С;
рабочая среда Аг, Ne, вакуум
Линия очистки и вакуумного
отжига "Карабаш"
Металлизация мест
соединения корпуса и
отдельных деталей
Излучатель A - 14)
Рабочее давление 710 Па (Аг);
температура нагрева изделия в
процессе осаждения пленочной
структуры до 450 °С
Установка УВНМ-6-007 с маг-
нетронной распылительной
системой
Вакуумная пайка деталей
осветителя
Рабочее давление 7-Ю Па;
температура нагрева изделия в
процессе пайки до 450 °С
Линия очистки и вакуумного
отжига "Карабаш"
Вакуумная диффузионная
сварка узлов излучателя
Рабочее давление 7-Ю Па;
температура нагрева изделия до
450 °С
Установка для диффузионной
сварки
Сборка, юстировка,
контроль герметичности
Предельное разрежение до
ДО Па; допустимый поток нате-
кания не более 6-Ю'11 м^Пас1
Откачной пост, оснащенный
прецизионными
манипуляторами

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
257
Продолжение табл. 3.1.7
Название и схема
технологического процесса и
оборудования
Основные характеристики
технологического процесса
Название или марка оборудования
Откачка, наполнение,
герметизация
Предельное давление 7-Ю Па;
составляющие смеси: Не; Ne20;
Ne22
Откачной пост, оснащенный
системой масс-спектрометри-
ческого анализа и
прецизионной системой напуска
3.1.8. Обозначения, принятые в табл. 3.1.5 - 3.1.7
Схема
Обозначения
а - наплавление шихты; б - выращивание
монокристалла; в - отжиг були; 1 - спрессованная
таблетка шихты; 2 - лоток; 3 - индуктор; 4 -
тигель; 5 - затравка; 6 - монокристалл в
процессе роста; 7 - монокристалл в процессе
отжига; 8 - крошка из цирконевой керамики; 9 -
лодочка
4 5 6 7
а - ионное полирование зеркал (призм); б -
ионная обработка торцев активного элемента;
в - ионное травление мезоструктуры; 1 - ионы
аргона; 2 - сетчатые ускоряющие электроды; 3 -
корпус ионного источника; 4 - анод; 5 -
соленоид; 6 - катод; 7 - изолятор; 8 - кассета; 9 -
обрабатываемое изделие - подложка; 10 -
обрабатываемый монокристалл - активный элемент;
11 - карусель; 12 - подложка; 13 - держатель
подложек
а - нанесение селективных покрытий на
активный элемент; б - нанесение селективных
покрытий на лампу накачки; в - нанесение
металлических полосков; г - металлизация мест
соединения корпуса и отдельных деталей; д -
металлизация пьезокерамики; 1 - испаряемый
материал; 2 - цилиндрический магнетрон -
источник распыляемого материала; 3 -
активный элемент - обрабатываемое изделие; 4 -
держатель образцов; 5 - карусель; 6 - лампа
накачки - обрабатываемое изделие; 7 - экран;
8 - корпус кольцевого лазера; 9 - распыляемый
материал; 10 - анод; 11 - магнитная система;
12 - подложка - обрабатываемое изделие; 13 -
мишень - исходный материал
9 За к 769

258
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Продолжение табл. 3.1.8
Схема
Обозначения
а - просветление торцев активного элемента;
б - нанесение отражающих покрытий на
отражатель; в - нанесение интерференционных
покрытий; г - сборка акустооптического
дефлектора (металлизация поверхности и
последующая диффузионная сварка); 1 - карусель; 2 -
активный элемент - обрабатываемое изделие;
3 - держатель образцов; 4 - пары испаряемого
материала; 5 - испаритель; 6 - кассета,
обеспечивающая планетарное вращение образцов -
обрабатываемых подложек; 7 - подложка; 8 -
карусель; 9 - отражатель твердотельного лазера;
10, 11 - обрабатываемые изделия в позиции
напыления; 12 - манипулятор; 13 - свариваемое
изделие
а - формирование p-w-перехода методом жид-
кофазной эпитаксии; б - формирование р-п-
перехода методом молекулярно-лучевой
эпитаксии; 1 - держатель подложек; 2 - подложка
из монокристаллического арсенида галлия; 3 -
кассета с растворами; 4 - 6 - растворы-расплавы
с различной лигатурой; 7 - термопара; 8 -
нагреватель; 9 - испаряемый материал; 10 -
ячейка Кнудсена; 11 - пар; 12 - образец; 13 -
манипулятор
- карусель; 2 - подложка - обрабатываемое
изделие; 3 - луч лазера; 4 - пары осаждаемого
материала; 5 - оптический экран; 6 -
испаряемый материал; 7 - кассета
1 - электроды оже-анализатора; 2 - электронная
пушка; 3 - электронный луч; 4 - исследуемый
образец; 5 - манипулятор
1 -. вакуумный пресс; 2 - пуансон; 3 - матрица;
4 - карусель
1 - электроды, возбуждающие тлеющий СВЧ-
разряд внутри обрабатываемого прибора; 2 -
система прокачки инертного газа; 3 -
обрабатываемый прибор; 4 - СВЧ-генератор

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
259
Продолжение табл. 3.1.8
Схема
Обозначения
а - вакуумный отжиг корпуса и отдельных
деталей излучателя; б - вакуумная диффузионная
сварка узлов излучателя; в - вакуумная пайка
деталей излучателя; 1 - нагреватель; 2 -
обрабатываемая деталь; 3 - карусель; 4 - кассета; 5 -
система шлюзования; 6 - комплект
обрабатываемых деталей; 7 - вакуумные фиксаторы
обрабатываемых деталей
а - составление и подготовка рабочей смеси; б -
контроль состава смеси; 1 - натекатель; 2 -
ресивер; 3 - клапан; 4 - 6 - баллон высокого
давления; 7 - квадропольный фильтр масс; 8 -
мановакууметр; 9 - вакуумный вентиль; 10 -
баллон с готовой смесью газов
а - сборка и юстировка, контроль
герметичности; б - откачка, наполнение, герметизация; 1 -
обрабатываемое изделие - корпус кольцевого
лазера; 2 - вакуумный вентиль; 3 -
квадропольный фильтр масс; 4 - штенгель; 5 - механизм
для перекуса медного штенгеля; 6 -
манипулятор для юстировки зеркал
Формирование активного элемента
твердотельного лазера включает несколько важных
вакуумных операций: наплавление шихты,
выращивание оптического монокристалла,
отжиг були и операции, связанные с доводкой
активного элемента после его механической
обработки - ионную, обработку и просветление
торцев активного элемента, а также нанесение
селективных покрытий на его боковые
поверхности.
Наплавление шихты - одна из
простейших операций вакуумно-термической
обработки. Ее цель - предварительное обезгаживание
и уплотнение шихты, поступающей на
следующую операцию выращивания
монокристалла. При наплавлении шихты и
выращивании оптического монокристалла используется
высокочастотный нагрев иридиевого или
платинового тигля. При этом в системе питания
используется частота 8000 Гц (машинный или
тиристорный преобразователь частоты) или
440 кГц (ламповый преобразователь частоты).
Выращивание оптического
монокристалла, например алюмоитгриевого граната,
проводится в среде аргона с предварительной
вакуумно-термической обработкой
технологического объема. На рис. 3.1.4. представлен
внешний вид установки для выращивания
оптических монокристаллов "Киноварь", а на
рис. 3.1.5 - участок цеха для выращивания
оптических монокристаллов на базе установок
"Кристалл."
Механические системы ростового
оборудования должны работать как в вакууме, так и
в защитной среде при давлении до 3-Ю5 Па и
температуре до 2000 °С. Точность
поддержания температуры на уровне 2000 °С составляет
±0,3 °С. Скорость вытягивания для различных
оптических монокристаллов составляет 0,1 -
20 мм/ч, а угловая скорость штока - от
нескольких мин до 100 мин. Для некоторых
типов кристаллов дополнительно еще вводится
вращение тигля с целью лучшего
перемешивания шихты в процессе роста.
Особенностью механизмов вытягивания
и вращения штока ростовой установки
является высокая стабильность скоростей
вытягивания и вращения (соответственно 0,1 % и 0,5 %),

260
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.1.4. Установка для вы
монокристаллов "Киноварь"
малое осевое биение узла крепления затравки
(менее 0,1 мкм). Вследствие малых скоростей
выращивания оптических монокристаллов
применяют приводы с передаточным
отношением до 1 500 000.
В связи с большой продолжительностью
цикла выращивания оптического
монокристалла (для некоторых типов - до 400 ч) к
надежности всех систем установок выращивания
предъявляются высокие требования.
При создании систем управления машин
для выращивания монокристаллов
используется микропроцессорная и вычислительная
техника, а в качестве электропривода в связи с
этим достаточно часто используются шаговые
двигатели. При этом в системах обратной
связи находят применение различного типа
датчики диаметра растущего кристалла.
Вакуумно-термический отжиг були
проводится в условиях высокого вакуума или
инертной среде. Этот процесс необходим для
снятия внутренних напряжений, возникших в
монокристалле в процессе роста, повышения
его оптической однородности, частичного
исправления дефектов роста.
Ионная обработка торцев активного
элемента проводится с целью повышения его
стойкости к лазерному излучению и
уменьшения интегрального рассеяния. Стойкость
торцев активного элемента к лазерному
излучению после ионной обработки повышается в
1,5 - 2 раза.
Рис. 3.1.5. Участок цеха для
монокристаллов
Нанесение селективных (пропускающих
требуемую длину волны излучения) покрытий,
металлических поясков на боковые
поверхности активных элементов, интерференционных
.просветляющих тонкопленочных структур на
их торцы осуществляется для увеличения КПД
излучателя и повышения его надежности.
Многослойные интерференционные
покрытия на оптические детали лазеров
наносятся с использованием установок для осаждения
многослойных тонкопленочных структур
испарением исходного материала в вакууме. Для этих
целей используют установки УРМЗ.279.011 и
УРМЗ.279.068 (рис. 3.1.6 и 3.1.7.)
В установке УРМЗ.279.011 предельное
давление в рабочей камере 7-Ю Па, она
оснащена одним электронно-лучевым
испарителем с ленточным электронным пучком
мощностью до 4,5 кВт, тремя резистивными
испарителями и системой контроля оптической
толщины пленки в процессе ее конденсации
на подложке (на поверхности оптической
детали).
Установка УРМЗ.279.068 имеет следующие
технические характеристики: предельное
остаточное давление в технологической камере 7-Ю Па;
время достижения рабочего давления 7-Ю Па -
30 мин, число электронно-лучевых испарителей -
2; максимальная мощность электронно-лучевого
испарителя 10 кВт; максимальная сила тока
электронного пучка 1 А; электронная пушка -
аксиальной конструкции с поворотом электронного

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
261
Рис. 3.1.6. Установка для вакуумного
i оптических покрытий
УРМЗ.279.011
луча на 90°; частота сканирования
электронного пучка по двум координатам 0,01 - 50 Гц;
число одновременно загружаемых подложек
диаметром 30 мм на держатель планетарного
вращения - 72; температура нагрева подложек
20 - 300 °С, спектральный диапазон
чувствительности системы оптического контроля на
пропускание и отражение 0,4 - 1,5 мкм;
управление установкой - с помощью
встроенной ЭВМ. Применение этой установки
позволило отказаться от использования
дорогостоящих импортных машин А-700 Q (фирмы
Leybold Hereaus, Германия) и ВАК 760
(фирмы Balzeis, Лихтенштейн).
Для целого ряда изделий разделение
технологического процесса на ряд
последовательных операций, проводимых на различном
оборудовании, сказывается на качестве
конечного продукта. В связи с этим переход к
комплексным видам обработки в едином
технологическом процессе является естественным
развитием вакуумного оборудования для
квантовой электроники.
На рис. 3.1.8 показан вешний вид двух-
лучевой ионной установки, применяемой для
этих целей. Возможность монтажа в камере
источников ионов различного типа расширяет
область применения установки, делает ее
пригодной для проведения различных
процессов для изделий квантовой электроники
твердотельного и полупроводникового
направлений.
На рис. 3.1.9 показан внешний вид более
совершенной, чем предыдущая, установки
этого типа. В отличие от предыдущей она
оснащена тремя ионными источниками
"Радикал."
Рис. 3.1.7. Установка для вакуумного
интерференционных покрытий с
электронно-лучевыми испарителями
УРМЗ.279.068
Рис. 3.1.8. Многофункциональная двухлучевая
установка для ионной обработки
Обе установки ионного травления и
напыления являются многофункциональными и
могут быть использованы в следующих целях:
для ионной обработки поверхностей
полупроводниковых или диэлектрических элементов,
например, вытравливания мезаполосковьгх
структур инжекционных полупроводниковых
лазеров высотой 2-5 мкм, формирования
полостей и канавок в хрупких материалах
(ниобат лития, танталат лития, кварц) на
глубину 1-3 мкм (при этом в едином вакуумном
цикле может быть проведена как ионная, так и
ионно-химическая обработка поверхности);

262
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.1.9. Установка для обрабо
лучами
для напыления металлов, диэлектриков и
элементарных полупроводников (кремний,
германий) нейтрализованным ионным пучком с
предварительной ионной очисткой подложек
перед осаждением пленки. Таким образом,
например, возможно напыление двухслойных
металлических пленок с просветляющими
покрытиями для формирования барьера
Шотгки фотодиодов, проведение ионной
обработки торцев активных элементов
твердотельных лазеров с последующим нанесением
на них просветляющих диэлектрических
покрытий.
В связи со спецификой конструкций
приборов квантовой электроники необходимо
герметично соединять различные по природе
материалы: ситалл - металл, ниобат лития -
кварц, алюмоитгриевый гранат - металл и т.д.
Широкое внедрение в производство
изделий квантовой электроники диффузионной
сварки в вакууме позволяет успешно решать
эти задачи. Для сборки акустооптического
модулятора системы управления лучом
твердотельного лазера используется установка для
диффузионной сварки с предварительным
напылением (рис. 3.1.10). Цель операции -
соединить механически прочно детали из нио-
бата лития и кварца. Держатель образцов такой
машины включает в себя вакуумный
манипулятор и вакуумный пресс, а вся вакуумная
часть и испарительная система выполнены на
базе установки УРМЗ.279.011.
Особенностью производства приборов
квантовой электроники полупроводникового
направления является большое число
операций, заимствованных из микроэлектроники.
Технология производства полупроводниковых
лазеров включает следующие основные
операции: входной контроль поступающих в
производство материалов; механическую обработку,
в том числе ориентированную резку слитка на
Рис 3.1.10. Установка для диффузионной сварки с
пластины; шлифование и полирование
пластин; химическую обработку пластин, в том
числе перед операциями эпитаксиального
роста; собственно выращивание гетероструктуры
полупроводникового лазера; фотолитографию;
нанесение контактов; разделение пластин на
элементы; нанесение оптических покрытий на
торцы резонаторной системы; герметизацию;
измерение параметров и маркировку; сборку
приборов и блока питания; испытания.
В связи с использованием арсенида
галлия в качестве основного материала активного
элемента полупроводникового лазера было
создано специальное оборудование, которое
позволяет вести обработку этого материала.
Сложность работы с арсенидом галлия состоит
в том, что давления насыщенных паров
мышьяка и галлия отличаются в миллион раз. В
связи с этим поддержание или сохранение
заданной стехиометрии в процессе обработки
становится одной из важнейших особенностей
работы с арсенидом галлия. Выращивание
монокристаллов арсенида галлия проводится
при давлении аргона 109 Па на ростовых
установках "Скиф".
Для формирования р-и-перехода
используются метод жидкофазной эпитаксии, МОС-
гидридная технология (осаждение металл-
органических соединений методами газофазной
эпитаксии) и молекулярно-лучевая эпитаксия.
Жидкофазная эпитаксия представляет
собой частный случай кристаллизации из
раствора. Этот метод используется в производстве
полупроводниковых лазеров для наращивания
на подложке из арсенида галлия эпитаксиаль-
ных пленок полупроводниковых структур ге-
теролазеров.
Наибольшее распространение получили
нестационарные методы кристаллизации. При
этом температуру раствора определенной
концентрации и подложки снижают на некоторое

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 263
Рис. 3.1.11. Установка для жидкофазной эпитаксии
"Сплав-Г
Рис. 3.1.12. Установка для осаждения
пленок сложного стехиометрического
состава лазерным испарением
контролируемое значение с заданной
скоростью, что вызывает переохлаждение раствора
и, как следствие, - рост на подложке тонкой
плёнки компоненты раствора. Толщина
пленки зависит от объема расплава, интервала
температуры охлаждения и площади подложки, на
которой происходит рост.
В современных приборах выращивают за
один цикл несколько слоев один за другим. В
полупроводниковых лазерах с
гетеропереходами таких слоев может быть от трех до семи.
Такой многостадийный процесс проводят в
печах, оснащенных многоместными тиглями.
На рис. 3.1.11 представлен внешний вид
установки для жидкофазной эпитаксии на
тепловой трубе "Сплав".
Основные технические характеристики
этой установки следующие: точность
поддержания температуры ±0,05 °С; длина рабочей
зоны 250 мм; температура в рабочей зоне 600 -
900 °С; точность воспроизведения рабочей
температуры ±0,7 °С; предельный вакуум в
реакторе 7-Ю'4 Па.'
Для создания высокоомных пленок арсе-
нида галлия, эпитаксиальных слоев,
многослойных металлических контактов к пленкам
и- и />-типа, слоев повышенной адгезионной
прочности используются вакуумные напыли-
тельные установки с импульсным лазерным
испарителем (рис. 3.1.12). Установка включает
в себя вакуумную технологическую камеру,
оптическую систему, лазерный испаритель,
защитную камеру, систему электропитания и
управления и систему охлаждения.
Основные технические характеристики
этой установки следующие: предельное
давление в технологической камере 10 Па;
плотность потока лазерного излучения на
поверхности испарения 109 Вт/см2; длительность
импульса лазерного излучения 10"8 с; частота
следования импульсов 25, 50, 100 Гц;
максимальное число материалов, осаждаемых в
течение одного цикла на поверхность
обрабатываемой подложки, - 8; температура подложки
в процессе осаждения 20 - 600 °С.
Вакуумная камера имеет форму чечевицы
с максимальным внутренним диаметром
380 мм. Такая форма дает возможность
разместить на крышке и внутри самой камеры
большое число вводов и механизмов. При
открывании камеры обеспечивается легкий
доступ ко всем ее элементам, что облегчает
обслуживание установки. Очистка подложек
перед напылением осуществляется источником
ионов с энергией 100 - 600 эВ при плотности
тока до 0,5 мА/см2.
На установке изготовляют многослойные
омические контакты инжекционного лазера с
удельным контактным сопротивлением менее
5-Ю Ом-см, а также углеродные маски для
глубокого ионного и ионно-химического
травления и высокоомные изолирующие слои ар-
сенида галлия, сохраняющие стехиометрию
исходного материала. На установке для
лазерного напыления получают носители
информации для магнитной записи и волноводы.
Знание морфологии, структуры, состава
(фазового и химического) и свойств
(механических, электрофизических,
оптических или магнитных) тонких пленок,
используемых в качестве покрытий для элементов
изделий в квантовой электронике, необходимо
для эффективного управления
технологическим процессом вакуумного напыления.
Вакуумная технология хорошо сочетается с
различными высокочувствительными методами
исследования характеристик тонкоплёночной
структуры. Эта особенность вакуумной
технологии позволяет проводить исследования

264
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.1.13. Аналитико-технологический комплекс
"Контроль-1"
свойств пленки в динамике непосредственно в
течение технологического процесса. Эти
возможности вакуумной технологии с успехом
использованы в установках молекулярно-
лучевой эпитаксии.
Для отработки технологии осаждения
тонких плёнок с помощью импульсного
лазерного испарителя используют аналитико-
технологический комплекс "Контроль-1" (рис.
3.1.13). Он состоит из следующих основных
функциональных узлов: импульсного
лазерного испарителя, откачного высоковакуумного
агрегата, вакуумной технологической камеры,
вакуумного манипулятора образцов
карусельного типа, шкафа управления вакуумной
системой, стойки вторичного электропитания,
обеспечивающей питание и управление
излучателем импульсного лазерного испарителя,
электронного оже-анализатора с системой
питания и управления, квадрупольного
фильтра масс и шкафа, питания индикаторов.
Операции ионного травления и
нанесения многослойных интерференционных
покрытий проводятся на оборудовании,
аналогичном тому, которое применяется для этих
операций в технологии производства
твердотельных лазеров, с некоторой модернизацией
оснастки.
Технология изготовления кольцевых
лазеров базируется на процессах производства
газонаполненных вакуумных приборов. Более
жесткие требования к составу газовой смеси
потребовали создания специального
оборудования для приготовления необходимого
состава смеси и оснащения откачных постов квад-
рупольными фильтрами масс для контроля
состава смеси непосредственно внутри
прибора перед операцией его герметизации.
Характерной особенностью сборки кольцевого
лазера является использование сварных и паяных
соединений разнородных материалов: ситалл -
кварц, ситалл - металл. Для этого широко
используются вакуумная диффузионная сварка и
пайка в вакууме с промежуточными
многослойными металлическими слоями.
Металлизация поверхностей соединяемых деталей из
кварца и ситалла осуществляется на установках
магнетронного напыления. Для прецизионной
очистки оптических поверхностей в
производстве кольцевых лазеров используется
многопозиционная линия отмывки и последующего
вакуумного отжига и отжига в среде
нейтрального газа с гибким технологическим циклом.
3.1.3. ВИДЫ И ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ШЛЮЗОВЫХ
СИСТЕМ
Вакуумная шлюзовая система - это
совокупность устройств герметизации,
транспортирования и откачки, обеспечивающих перепад
давлений и перемещение изделий между
вакуумными камерами с различным давлением.
В зависимости от степени герметизации
вакуумных камер относительно друг друга
шлюзовые системы разделяют на следующие;
закрытые, имеющие уплотнители и
характеризующиеся полной герметизацией
вакуумных камер относительно друг друга;
открытые, не имеющие уплотнителей и
характеризующиеся отсутствием герметизации
вакуумных камер относительно друг друга;
полуоткрытые (полузакрытые), имеющие
уплотнители и характеризующиеся частичной
герметизацией вакуумных камер относительно
друг друга;
комбинированные, характеризующиеся
сочетанием закрытых, открытых и
полуоткрытых шлюзовых систем.
Закрытые шлюзовые системы. Наиболее
простой вариант закрытой шлюзовой системы
представляет собой вакуумную шлюзовую
камеру с двумя затворами, одним из которых
она герметично отделена от рабочей
(вакуумной) камеры, а другим - от атмосферы
(обычно это загрузочное окно с крышкой). Внутри
шлюзовой камеры имеется устройство для'
передачи изделия в рабочую камеру.
Работу шлюзовой системы осуществляют
в такой последовательности. Сначала
закрывают откачной патрубок 5 (рис. 3.1.14, а)
шлюзовой камеры 4, заполняют ее воздухом до
достижения атмосферного давления, а затем
открывают крышку 2 и устанавливают в
шлюзовую камеру изделие 3, после чего крышку
закрывают. Далее откачивают воздух из
шлюзовой камеры до достижения давления,
равного или близкого к давлению воздуха в
рабочей камере 1. Затем открывают затвор 6 (рис.
3.1.14, б) между шлюзовой и рабочей
камерами и транспортируют изделия в рабочую
камеру. Обработав изделия в рабочей камере, их
выгружают в обратной последовательности.
Более сложные шлюзовые системы
состоят из нескольких шлюзовых камер,
отделенных друг от друга герметичными
затворами. Если шлюзовая 4 (рис. 3.1.14, в) и рабочая
1 камеры соединены узким каналом для
транспортировки изделий 3, то для
герметизации канала часто используют заслонки или
затворы - уплотнительные ролики 6 из резины

ВИДЫ И ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ШЛЮЗОВЫХ СИСТЕМ
265
1Щ-191
Рис. 3.1.14. Закрытые шлюзовые системы:
а, б - с одной неподвижной шлюзовой камерой в закрытом и открытом положениях; в - с двумя
неподвижными шлюзовыми камерами; г - без шлюзовых камер; д, е - с подвижной шлюзовой камерой в
закрытом и открытом положениях; ж, з - с переносной шлюзовой камерой в закрытом и открытом положениях;
и - с передвижной шлюзовой камерой; к, л - с передвижной шлюзовой камерой и скользящим затвором в
закрытом и открытом положениях; 1 - рабочая камера; 2 - съемная крышка; 3 - изделие;
4 - шлюзовая камера; 5 - откачной патрубок; 6 - затвор; 7- цилиндрическое углубление;
8 - источник нанесения покрытия
круглого сечения. Затвор 6 открывает и
закрывает канал, на поверхности которого имеется
углубление 7 цилиндрической формы.
К закрытым шлюзовым системам
относятся также устройства, в которых вакуумные
камеры с различным давлением герметично
разделены жидкостью, образующей
жидкостный затвор 6 (рис. 3.1.14, г).
Изделие 3 (лента или проволока)
поступают в вакуумную рабочую камеру 1 через
жидкостный затвор, который расположен в
канале U-образной формы, где жидкость под
действием атмосферного давления занимает
разные уровни. Жидкость, применяемая для
закрытых шлюзовых систем, должна иметь
малое давление парообразования, высокую
плотность, малую химическую активность и
низкую способность смачиваемости.
Для устранения налипания уплотняющей
жидкости на изделие со стороны вакуумной
камеры помещают жидкость с малым
давлением парообразования, например вакуумное
масло, образующее тонкую пленку на этом
изделии. Со стороны атмосферы помещают
другую защитную жидкость, которая очищает
изделие от пленки масла, следов уплотняющей

266
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
жидкости и образует защитное или
декоративное покрытие на нем. Избыток защитной
жидкости удаляют с изделия скребками,
воздушными или газовыми струями.
Разновидностью закрытых шлюзовых
систем являются устройства, в которых
подвижная шлюзовая камера размещена внутри
вакуумной рабочей камеры (рис. 3.1.14, д9 ё)
или вне ее (рис. 3.1.14, ж - л).
Шлюзовая камера 4 (см. рис. 3.1.14, д)
прижимается открытым отверстием к стенке
рабочей камеры 1. В месте стыковки
шлюзовой и рабочей камер имеется съемная крышка
2 для загрузки и выгрузки изделий 3. После
загрузки изделий откачивают воздух из
шлюзовой камеры и перемещают ее от стенки
рабочей камеры (см. рис. 3.1.14, ё). Далее
начинают наносить пленку на неподвижные
изделия.
Переносная шлюзовая камера 4 (см. рис.
3.1.14, ж), предназначенная для загрузки и
выгрузки изделий, должна находиться в
специальном помещении с обеспыленной
атмосферой, в котором ее герметизируют и
откачивают. После этого шлюзовую камеру 4
переносят и устанавливают на рабочую камеру i, a
затем открывают затворы 6. Далее начинают
наносить покрытие на изделие 3 из источника 8,
Для загрузки крупногабаритных изделий
и изделий с большой массой используют
передвижные шлюзовые камеры 4 (см. рис. 3.1.14,
и). Изделия подъемным механизмом
загружают в шлюзовую камеру, которую
устанавливают под рабочей камерой 1. Затем откачивают
воздух из шлюзовой камеры через патрубок 5
и открывают затвор 6. После этого изделия
перемещают в рабочую камеру 1 с источником
нанесения покрытия 8.
Корпус подвижной шлюзовой камеры 4
используют в качестве затвора рабочей камеры
1 фис. 3.1.14, к). Вначале загружают изделие
3, открывая крышку 2, а затем через патрубок
5 откачивают шлюзовую камеру и перемещают
ее к рабочей камере 1. После соединения
шлюзовой камеры с рабочей изделие 3 переносят к
источнику нанесения покрытия 8 (рис. 3.1.14, л).
Закрытые шлюзовые системы отличаются
простотой конструкции и надежностью в
эксплуатации, благодаря этим качествам они
нашли наибольшее применение в
промышленном и лабораторном вакуумном оборудовании.
Открытые шлюзовые системы. В
открытых шлюзовых системах вакуумные камеры
сообщаются между собой межкамерными
каналами, через которые перемещается
транспортирующее устройство 3 (рис. 3.1.15) с
изделиями 6. Размеры и форма
транспортирующего устройства такой шлюзовой системы
зависят от размеров и формы межкамерных
каналов 1 и 4, которые, в свою очередь,
зависят от размеров и формы изделия.
Межкамерные каналы создают частичное сопротивление
Рис. 3.1.15. Многокамерная открытая шлюзовая
система:
1 - канал в шлюзовую камеру; 2 - шлюзовые камеры;
3 - транспортирующее устройство (шток);
4 - канал в рабочей камере; 5 - рабочая камера;
6 - изделие
поступлению воздуха из атмосферы в
шлюзовые камеры 2 и из них в рабочую камеру 5.
Откачные средства шлюзовых камер
откачивают часть воздуха, поступившего из канала i, и
создают небольшое разрежение. Остальную
часть воздуха, поступившего из межкамерного
канала 4, откачивает откачное средство
рабочей камеры, создавая рабочий вакуум.
Чем меньше зазоры (щели) между
стенками межкамерных каналов и
транспортирующего устройства и чем больше длина этих
каналов, тем больше сопротивление потоку
воздуха, в результате чего можно создать более
низкое давление в шлюзовых и рабочей
камерах. Такое уплотнение шлюзовых камер
называют диффузионно-щелевыми. С помощью
уплотнения такого типа можно обеспечить
транспортирование изделий, имеющих
постоянную форму поперечного сечения (листы,
полосы, проволока, лента, прутки и т.п.), а
также кассет, спутников и других держателей
изделий.
Число шлюзовых камер в открытой
шлюзовой системе, зазоры в межкамерных каналах
и откачные средства выбирают в зависимости
от давления, которое необходимо создать в
рабочей камере. Чтобы достичь в рабочей
камере более низкого давления, применяют
многокамерную (многоступенчатую)
шлюзовую систему, разделенную несколькими
межкамерными каналами, и оснащают ее более
эффективными откачными средствами.
Всасываемый в открытую шлюзовую
систему поток воздуха можно уменьшить, если на
входе первого межкамерного канала создать
встречную воздушную струю кольцевой
формы. Струя сжатого, выходящего с большой
скоростью воздуха способствует уплотнению
шлюзовой системы и обладает откачивающим
действием. Вакуум, образуемый в первой
шлюзовой камере под действием струи
сжатого возДуха, зависит от размеров и формы
сопел, формы выпускной камеры, скорости
истечения воздуха и может достигать 1330 Па.
На рис. 3.1.16 дана схема открытой
шлюзовой системы, которая состоит из шлюзовой
камеры 9 с откачным средством, камеры
высокого давления 6, межкамерных каналов 5, 8 и
10, эжекторного сопла 7, камеры расширения

ВИДЫ И ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ШЛЮЗОВЫХ СИСТЕМ
267
От компрессора
11 10
К насосу
Рис. 3.1.16. Многокамерная открытая шлюзовая
система с дополнительным устройством,
препятствующим натеканию воздуха:
1 - эжекторное сопло; 2 - камера смещения;
3 - диффузор; 4 - транспортирующее устройство;
J, 8, 10 - каналы; 6 - камера высокого давления;
7, 9 - шлюзовые камеры; 11 - рабочая камера
2 и диффузора 3. Транспортирующее
устройство 4 (лента, проволока, блок держателей
изделия и т.п.) вводят через каналы в рабочую
камеру 11.
Для уменьшения потока воздуха,
поступающего в шлюзовую камеру 9 камеру
высокого давления б, подается воздух от
компрессорной установки, из-за чего в эжекторном
сопле образуется высоконапорная струя, при
истечении которой во входном сечении
камеры смешения 2 устанавливается давление,
меньшее атмосферного. Даже при
отключенных откачных средствах камер 9 и 11 воздух из
них через камеру 7 и канал 5 поступает в
камеру смещения 2 и оттуда под действием
высоконапорной струи - к диффузору 3, где
давление воздуха стабилизируется и становится
равным атмосферному.
Пройдя область встречного потока
воздуха, а затем область разрежения в камере 7,
которая является первой ступенью откачки
шлюзовой системы, транспортирующее
устройство через канал 8 поступает во вторую
ступень откачки, т.е. шлюзовую камеру 9 и т.д.
Недостатки открытых шлюзовых систем
следующие:
попадание в межкамерные каналы
(вместе с поступающим воздухом) различных
частиц, которые загрязняют поверхность
изделий, повышают силу трения и приводят к
заклиниванию трущихся поверхностей;
появление задиров на сопряженных
поверхностях межкамерных каналов и устройств
транспортирования; *
коробление и потеря работоспособности
шлюзовой системы при нагреве устройств
транспортирования;
сложность герметизации межкамерных
каналов при выключении откачных средств;
высокая стоимость изготовления
межкамерных каналов и устройств
транспортирования.
Для устранения недостатков открытых
шлюзовых систем на входе первого канала
устанавливают боксы с обеспыленной средой,
увеличивают зазоры между сопряженными
поверхностями, а для обеспечения
необходимого вакуума в шлюзовых камерах используют
более мощные откачные средства. Кроме того,
трущиеся поверхности шлифуют, полируют,
наносят на них хромовое покрытие, а также
смазывают их пастами, например на основе
дисульфида молибдена.
Межкамерные каналы и
транспортирующие устройства изготовляют из материалов с
одинаковым коэффициентом линейного
расширения и интенсивно охлаждают.
Полуоткрытые шлюзовые системы.
Уплотнитель, применяемый в полуоткрытой
шлюзовой системе, позволяет значительно
уменьшить поток воздуха из атмосферы через
межкамерные каналы. В результате этого
уменьшаются габариты шлюзовой системы,
используются менее мощные откачные
средства и могут быть увеличены зазоры в
межкамерных каналах.
В качестве уплотнителей 1 (рис. 3.1.17, а)
в полуоткрытых шлюзовых системах
применяют пластины, выполненные из материалов с
малым коэффициентом трения, например из
различных фторопластов и капрона, которые
закрепляют в межкамерном канале и
поджимают к поверхности изделия (ленты)
резиновыми прокладками. Эластичность резиновых
прокладок позволяет транспортировать ленты
различной толщины (до 2 мм). Износ пластин
из-за постоянного трения ограничивает
применение таких уплотнителей в полуоткрытых
шлюзовых системах.
Большим ресурсом работы обладают
роликовые уплотнители. В многоступенчатой
полуоткрытой шлюзовой системе для ввода
ленты в рабочую камеру и вывода из нее
используют в качестве уплотнителя 1 резиновые
вращающиеся ролики (рис. 3.1.17, б). Оси
роликов устанавливают в цилиндрические
межкамерные каналы, и ролики приводят во
вращение движущейся лентой, при этом
зазоры между лентой и роликом практически
отсутствуют и натекание воздуха в местах стыка
незначительно. Воздух проникает только в
зазоры между роликами и цилиндрическими
межкамерными каналами. Для его откачки
используют двухступенчатую откачную систему
на входе и выходе ленты из рабочей камеры.
Рассмотренные полуоткрытые шлюзовые
системы не позволяют транспортировать ленты
с большим диапазоном толщины, а также
отдельные плоские изделия. В шлюзовых
системах (рис. 3.1.17, в - ё) этот недостаток
отсутствует.
Уплотнитель полуоткрытой шлюзовой
системы (рис. 3.1.17, в) состоит из нескольких
плоских эластичных мембран, которые одним

268
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
е)
Рис. 3.1.17. Полуоткрытые шлюзовые системы с уплотнителем в виде:
а - неподвижных пластин; б - роликов; в - мембран; г - полых роликов; д - гранул; е - подвижных пластин;
1 - уплотнитель; 2 - изделие; 3 - шлюзовая камера; 4 - рабочая камера; 5 - источник нанесения покрытия;
6 - полость со сжатым воздухом
концом закреплены на стенках межкамерного
канала, а другим прижимаются к поверхности
ленты и приводного барабана. При изменении
толщины ленты ^эффективность уплотнителя
не снижается.
В полуоткрытой шлюзовой системе (рис.
3.1.17, г) уплотнитель выполнен в виде полых
роликов, которые не трутся о поверхность
изделий. Внутрь одного из пустотелых
роликов с эластичной поверхностью подают
сжатый воздух. При прохождении, например,
плоских изделий, стыков лент поверхность
этого ролика деформируется, не нарушая
герметичности устройства. Другой пустотелый
эластичный ролик (приводной) имеет внутри
жесткую обечайку, соединенную с приводом.
Полуоткрытая шлюзовая система (рис.
3.1.17, д)9 в которой ушготнителемелутт.
гранулы, размещенные в межкамерных каналах,
отличается простотой конструкции. Гранулы
прижимаются к ленте под действием силы
тяжести, а в горизонтальном канале шлюзовой
системы, кроме того, потоком воздуха,
всасывающимся со стороны входного отверстия.
В полуоткрытых шлюзовых системах
(рис. 3.1.17, ё) подпружиненные подвижные
уплотнители, установленные по торцам
кассеты, уплотняют межкамерный канал. В
кассетах загружают крупногабаритные изделия
различной формы в рабочую камеру. Для
поддержания постоянного рабочего давления в
рабочей камере длина кассет должна быть
меньше длины межкамерного канала.
Недостатки полуоткрытых шлюзовых
систем следующие: быстрое изнашивание
уплотнителей, в особенности работающих на
трении скольжения; повреждение рабочей
поверхности уплотнителей при попадании
твердых частиц и нарушение герметичности
шлюзовой системы; выход из строя
уплотнителей при перегреве транспортирующего
устройства или стенок межкамерного канала.
Если уплотнитель в межкамерном канале
шлюзовой системы практически не создает
сопротивления потоку воздуха, то
эффективность такой системы такая же, как у открытой,
если уплотнитель ограничивает почти весь
поток воздуха, - она такая же, как у закрытой.
Комбинированные шлюзовые системы. В
вакуумном оборудовании широко применяют
комбинированные шлюзовые системы. При
большой разности давления в шлюзовых
камерах между ними применяют закрытые или
полуоткрытые шлюзовые системы, наиболее
рационально и экономично используя откач-
ные средства. При малой разности давления
между этими камерами применяют открытые
шлюзовые системы.
В вакуумной установке с
комбинированной шлюзовой системой (рис, 3.1.18) первую
ступень откачки герметизируют от атмосферы
и последующих ступеней затворами 1 ж 3
(закрытая шлюзовая система), а шлюзовую
камеру откачивают форвакуумным насосам.
Камеру нагрева 4, которая является второй
ступенью откачки, откачивают высоковакуум-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЛЮЗОВЫХ СИСТЕМ В ВАКУУМНОМ ОБОРУДОВАНИИ
269
Рис. 3.1.18. Комбинированная шлюзовая система:
1 - затвор (крышка); 2 - шлюзовая камера загрузки;
3 - затвор (эластичный ролик); 4 - шлюзовая камера
нагрева; 5 - межкамерный канал; 6 - рабочая камера
ным насосом и соединяют с рабочей камерой
6 межкамерным каналом 5 (открытая
шлюзовая система). Канал также обеспечивает
перепад давлений. В рабочей камере в этом случае
давление может достигнуть 10~7 Па, так как на
нее почти не влияет первая ступень откачки
комбинированной шлюзовой системы.
Конструкции комбинированных
шлюзовых систем сочетают конструкции закрытых,
открытых и полуоткрытых систем.
3.1.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЛЮЗОВЫХ СИСТЕМ В
ВАКУУМНОМ ОБОРУДОВАНИИ
Одним из критериев качества вакуумного
оборудования является непрерывность
технологического процесса обработки изделий, при
которой рабочие и вспомогательные операции
совмещены во времени, а непроизводительные
потери рабочего времени отсутствуют.
Рабочее время, затрачиваемое на
выполнение технологической операции нанесения
тонкопленочного покрытия в вакуумном
оборудовании со шлюзовыми системами, состоит
в большинстве случае из времени,
затраченного на рабочие операции, включающие
нанесение покрытий, нагрев, очистку, травление,
охлаждение изделия, а также на
вспомогательные операции: напуск воздуха в камеру;
загрузку и выгрузку изделий, откачку камер,
перемещение изделий между шлюзовыми и
рабочими камерами.
Непрерывность технологического
процесса может быть сохранена при постоянном
взаимодействии с изделием воздействующей
среды. В этом случае требуется непрерывно
или периодически удалять одно или несколько
изделий из зоны групповой обработки и
наполнять ее необработанными.
В вакуумном оборудовании
непрерывность технологического процесса можно
обеспечить только с помощью шлюзовой системы.
Однако не всегда при использовании
шлюзовой системы удается полностью совместить
время рабочих и вспомогательных операций.
По степени совмещения рабочих и
вспомогательных операций различают вакуумные
установки:
периодического действия,
характеризующиеся прерывистостью технологического
процесса, при котором рабочие и
вспомогательные операции не совмещены во времени;
полунепрерывного действия,
характеризующиеся прерывистостью технологического
процесса, при котором рабочие и
вспомогательные операции частично совмещены во
времени;
непрерывного действия,
характеризующиеся непрерывностью технологического
процесса, при котором рабочие и
вспомогательные операции полностью совмещены во
времени.
Установки периодического действия
могут быть двух видов - без шлюзовых и со
шлюзовыми системами.
Для установок полунепрерывного
действия в зависимости от степени совмещения
рабочих и вспомогательных операций
определяют, к какому типу (периодическому или
непрерывному) они относятся.
Шлюзовые системы установок
периодического действия. В установках периодического
действия наибольшее распространение
получили закрытые шлюзовые системы, которые
обычно выполняют в виде одной шлюзовой
камеры, отделяемой от рабочей герметичным
затвором.
При загрузке изделий в шлюзовую
камеру на рабочей камере поддерживается
готовность источника нанесения покрытия и
определенное давление. При нанесении покрытий
в рабочей камере шлюзовая остается пустой
(в ожидании возвращения обработанных
изделий). Откачивают шлюзовую камеру обычно
до достижения давления, равного давлению
рабочей камеры или более низкого, для того
чтобы уменьшить загрязнение газовой среды
рабочей камеры при сообщении ее со
шлюзовой.
Иногда с целью упрощения вакуумной
системы шлюзовую камеру откачивают только
форвакуумным насосом. В этом случае
ограничение вноса загрязнений в рабочую камеру
достигают уменьшением размеров шлюзовой
камеры, несмотря на то, что при этом
уменьшается число загружаемых изделий и
снижается производительность.
Загрязнения в рабочую камеру могут
попадать с обрабатываемых изделий, их
держателей, а также в результате газовыделения
элементов конструкции рабочей и шлюзовой
камер. Поэтому часто обезгаживание (прогрев)
изделий с держателями и самих шлюзовых
камер совмещают. Время охлаждения изделий
после нанесения покрытия уменьшают
напуском в шлюзовые камеры инертных или других
химических неактивных газов.
На рис. 3.1.19 показана установка
периодического действия с закрытой шлюзовой
системой, отличающаяся от установки с одной

270
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.1.19. Установка периодического действия с закрытой шлюзовой системой во время загрузки и выгрузки
изделий (а) и нанесения покрытия @):
1 - рабочая камера; 2 - шлюзовая загрузочно-выгрузочная камера; 3 - крышка шлюзовой камеры;
4 - привод транспортирующего устройства и затворов; 5 - держатель изделий;
6 - откачной патрубок шлюзовой камеры; 7- испаритель; 8 - откачной патрубок рабочей камеры;
9 - привод вращения держателя изделий
шлюзовой камерой исполнением
транспортирующего устройства и шлюзовых затворов,
объединенных общим приводом.
Установка оснащена плоским держателем
5 изделий, который вращается в зоне
покрытия, что способствует равномерному
нанесению пленки. В рабочей камере 1
поддерживают постоянное рабочее давление и готовность
к работе источника нанесения покрытия.
Шлюзовая камера 2 периодически сообщается
с атмосферой для загрузки и выгрузки
изделий. Транспортирующее устройство переносит
держатель изделий из шлюзовой камеры в
рабочую и обратно. Однако установка может
обеспечить лишь периодическую обработку
изделий и не совмещает рабочие и
вспомогательные операции.
Достоинствами установки
периодического действия являются малое изменение
характеристик газовой среды в рабочей камере
и быстрый запуск источника нанесения
покрытия. Повысить производительность
подобных установок можно, увеличив число
одновременно обрабатываемых изделий.
Чтобы повысить производительность
установки периодического действия со
шлюзовой системой, сокращают время откачки
шлюзовых камер, уменьшают объемы этих камер,
оснащают их высокопроизводительными от-
качными средствами. Кроме того, увеличивают
число загружаемых изделий, используя
групповые носители и магазинные устройства, а
также совмещают вспомогательные рабочие
операции с основными, обрабатывая изделия
на нескольких позициях, и ускоряют
охлаждение изделий в шлюзовой камере напуском
инертного газа.
Шлюзовые системы в установках
полунепрерывного действия. В вакуумном
оборудовании применяют различные установки
полунепрерывного действия, в которых так же, как в
установках периодического действия,
используют одну шлюзовую камеру. Для частичного
совмещения рабочих и вспомогательных
операций в шлюзовой камере размещают два и
более держателей изделий. Например, в
установке, приведенной на рис. 3.1.20, я, в
шлюзовой камере 2 можно разместить два
групповых держателя 3 изделий. Одновременно с
нанесением покрытия в рабочей камере 7 в
шлюзовой обезгаживают нагревателем 8 другой
держатель изделий.
Перед выгрузкой держателя изделий из
рабочей камеры обезгаженный держатель
снимают с транспортирующих роликов 1
подъемным устройством 4, установленным на
съемной крышке 5 шлюзовой камеры 2,
освобождая место для транспортирования держателя
изделий из рабочей камеры. Далее
обезгаженный держатель опускают на ролики i,
транспортируют в рабочую камеру 7 и закрывают
затвор 6. Одновременно с нанесением
покрытия в рабочей камере из шлюзовой выгружают
держатель с нанесенным покрытием и затем
загружают и обезгаживают необработанный
держатель изделий. Если время загрузки и вы-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЛЮЗОВЫХ СИСТЕМ В ВАКУУМНОМ ОБОРУДОВАНИИ 271
Рис 3.1.20. Установка полунепрерывного действия с закрытой шлюзовой системой:
а - с двумя групповыми держателями в шлюзовой камере;
б - с одним групповым держателем в шлюзовой камере;
2 - транспортирующие ролики; 2 - шлюзовая камера; 3 - держатель изделий; 4 - подъемное устройство;
5 - съемная крышка; б - затвор; 7- рабочая камера; 8 - нагреватель; 9 - цилиндр; 10 - подвижная плита;
11 - транспортирующее устройство (карусель)
грузки держателей, откачки шлюзовой камеры
и предварительной обработки будет меньше
или равно времени нанесения покрытия в
рабочей камере, производительность
установки значительно повышается. Недостаток
установки заключается в том, что из-за большого
объема шлюзовой камеры увеличивается
непроизводительное время ее вакуумирования.
Увеличения производительности
установок достигают совмещением операций, т.е.
одновременным выполнением рабочих и
вспомогательных операций на нескольких
позициях в рабочих и шлюзовых камерах.
На рис. 3.1.21 приведена схема установки
полунепрерывного действия, состоящая из
одной рабочей и двух шлюзовых камер, одну
из которых используют для загрузки
групповых держателей, а вторую - для выгрузки. В
загрузочной шлюзовой камере 1, кроме того,
производят нагрев изделий, а в выгрузочной 7
- охлаждение. Нанесение покрытия прерывают
лишь во время транспортирования изделий из
загрузочной шлюзовой камеры в рабочую 3 и
из рабочей - в шлюзовую камеру выгрузки 7.
Повышению производительности
установок полунепрерывного действия способствует
дифференцирование операций, а также
использование нескольких шлюзовых загрузоч-
но-выгрузочных камер и разделение процессов
загрузки-выгрузки изделий на отдельные шлю-
Рис. 3.1.21. Установка полунепрерывного действия
линейной компоновки с двумя шлюзовыми камерами:
а - загрузка изделий и нанесение покрытия;
б - откачка загрузочной шлюзовой камеры и
перемещение обработанных изделий;
в - перемещение необработанных и выгрузка
обработанных изделий;
1 - шлюзовая камера загрузки; 2 - заслонка;
3 - рабочая камера; 4 - источник нанесения
покрытия; 5 - держатель изделий; б - затвор;
7 - шлюзовая камера выгрузки

272
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
тгп
Рис. 3.1.22. Установка непрерывного действия с
закрытой шлюзовой системой:
1 - рабочая камера; 2, 5 - соответственно загрузочная
и выгрузочная шлюзовые камеры; 3 - магазин
держателей изделий; 4 - возвратно-поступательный
механизм; 6 - карусель; 7 - источник нанесения
покрытия; 8 - держатель изделия
зовые камеры. В таких установках наибольшее
применение нашли закрытые шлюзовые
системы.
Шлюзовые системы в установках
непрерывного действия. В установках непрерывного
действия, как и в перечисленных выше,
применяют различные шлюзовые системы.
В закрытой шлюзовой квазинепрерывной
системе (рис. 3.1.22) имеются шлюзовые
камеры загрузки 2 и выгрузки 5. Первый магазин 3
с держателями изделий загружают сначала в
шлюзовую камеру загрузки 2. После откачки
этой камеры магазин перемещают в рабочую
камеру 2, последовательно перемещая
держатели изделий 8 к источнику 7 нанесения
покрытия возвратно-поступательным
механизмом 4. На карусели 6 одновременно можно
обрабатывать несколько изделий.
После заполнения изделиями всех
позиций на карусели, при каждом ходе возвратно-
поступательного механизма 4 необработанное
изделие из магазина перемещается на карусель
6, а обработанное - возвращается в ячейку
магазина.
При выходе первого магазина из
загрузочной шлюзовой камеры 2 ее герметизируют
от рабочей камеры, напускают воздух,
загружают второй магазин с необработанными
изделиями и откачивают. Одновременно
первый магазин из рабочей камеры постепенно
перемещают в шлюзовую камеру выгрузки 5.
После откачки загрузочной шлюзовой камеры
2 второй магазин перемещают в рабочую
камеру до совмещения с первым магазином.
Обработав все изделия в первом магазине, его
выгружают через шлюзовую камеру выгрузки 5.
Таким образом обеспечивают
постоянный ритм загрузки и выгрузки изделий на
карусель 6.
Для нанесения покрытия в вакууме
применяют открытые и полуоткрытые шлюзовые
системы с транспортным каналом для
перемещения изделий, который проходит через
несколько рабочих и шлюзовых камер,
соединенных между собой и с атмосферой
межкамерными каналами.
Рис. 3.1.23. Установка непрерывного действия с
открытыми шлюзовыми системами и
транспортирующим устройством:
1,2- шлюзовые загрузочные камеры; 3,5- рабочие
камеры; 4 - высоковакуумная шлюзовая камера;
6 - шлюзовые выгрузочные камеры;
7 - держатель изделий
Зазоры между каналами и элементами
транспортирующего устройства обеспечивают
свободное движение и создают сопротивление
натеканию воздуха из атмосферы. Каждая
камера снабжена средством откачки воздуха,
поступающего через зазоры. Таким образом,
давление в шлюзовых камерах снижается
ступенчато.
В установке непрерывного действия (рис.
3.1.23) для нанесения покрытия на плоские
изделия девять шлюзовых и две рабочие
камеры соединены между собой и атмосферой
каналами, в которых находится одновременно 45
держателей изделий. Зазоры между стенками
каналов и держателями изделий составляют
сотые доли миллиметра.
Четыре шлюзовые камеры на входе и
четыре на выходе обеспечивают откачку рабочих
камер до давления ниже 7-Ю Па, при этом в
крайних шлюзовых камерах поддерживается
давление 5-Ю2 Па. Вакуумная система рабочих
и шлюзовых камер состоит из диффузионных
паромасляных и механических насосов. В
средней шлюзовой (буферной) камере 4,
предназначенной для устранения взаимного
влияния газовых сред двух рабочих камер,
поддерживают более высокий вакуум.
Шлюзовые камеры 2 используют для
предварительного нагрева изделий. В рабочих
камерах 3 и 5 наносят покрытия сначала на
нижнюю, а затем на верхнюю поверхность
изделий. Через камеры 6 изделия выгружают,
одновременно охлаждая их. Концевые отсеки
на входе и выходе установки закрыты
скафандрами с очищенным от пыли воздухом.
В установке квазинепрерывного действия
(рис. 3.1.24 загрузку изделий осуществляют
транспортирующим устройством (ротором),
имеющим один паз для размещения изделия.
Откачивают шлюзовое загрузочное устройство
1 форвакуумным насосом. Внутри установки
имеется замкнутый гибкий конвейер 5,
который транспортирует изделия.
Рабочая 4 и высоковакуумные шлюзовые
хамеры 2 и 6 разделены между собой
перегородками с каналами для прохождения
конвейера. Между камерами установки и в шлюзовых
устройствах применена открытая шлюзовая
система. При работе установки осуществляют

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
273
ЛИШЬ-
Рис. 3.1.24. Установка непрерывного действия со ami
зал
га устройствами:
1 - шлюзовое загрузочное устройство; 2 - высоковакуумная шлюзовая камера нагрева;
3 - межкамерные каналы; 4 - рабочая камера; 5 - конвейер;
б - высоковакуумная шлюзовая камера охлаждения; 7, 8 - затворы
непрерывную высоковакуумную откачку
шлюзовых камер нагрева 2 и охлаждения 6. Для
высоковакуумной откачки рабочей камеры 4
открывают затвор &
Для нанесения пленок в рабочей камере
4 закрывают затвор <?, устанавливают давление
1,3 Па и откачивают поток газа через зазоры
между конвейером 5 и каналами 3. Таким
образом в шлюзовых камерах 2 и 6
поддерживают более высокий вакуум, чем в рабочей 4,
что уменьшает загрязнение ее газовой среды.
При изменении скорости конвейера и режима
работы устройства нанесения покрытия
изменяются толщина пленки и производительность
установки.
В подобных установках со шлюзовыми
загрузочными устройствами используют
открытые и комбинированные шлюзовые
системы. Шлюзовые устройства такого типа
применяют для разделения между собой рабочих и
шлюзовых камер, что позволяет поддерживать
значительный перепад давлений между
камерами и уменьшать взаимное влияние их
газовых сред.
Шлюзовые загрузочные устройства
компактны, конструктивно просты, позволяют
сохранять качество рабочей поверхности
изделия. Кроме того, в таких устройствах не
применяют держатели. Увеличивая количество
вакуумных камер в шлюзовых устройствах,
создают большой перепад давлений между
атмосферой и рабочей камерой. Чем меньше
объем загрузочной полости в шлюзовом
устройстве, тем меньше времени затрачивают на
откачку газовой среды и меньше вносят
загрязнений в газовую среду рабочей камеры.
3.1.5. ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ ЖДЯ ПРОИЗВОДСТВА
ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
В настоящее время существует несколько
групп вакуумного технологического
оборудования, в котором широко используется в
разнообразных вариантах привод для
перемещения объектов внутри камер: в вакуумном на-
пылительном оборудовании используется
привод для перемещения изделий (подложек) в
зоне напыления, подвода и отвода изделий к
инструменту (испарителю). На рис. 3.1.25
показана схема установки УВН-84Ш,
предназначенная для нанесения особо чистых
металлических пленок на плоские подложки.
Установка имеет два привода для вращения системы
карусели подложек и отвода заслонки
(соответственно от двигателей 2 и II). В
электронно-лучевом оборудовании для сварки и
размерной обработки используется привод для
точной рабочей подачи изделия, подвода
изделия в зону обработки. В оборудовании для
выращивания монокристаллов, зонной
очистки, плавки используется привод для плавного
прецизионного перемещения изделия в
соответствии с движением фронта межфазовых
превращений. В оборудовании электронной,
ионной, рентгеновской литографии
используется многокоординатный привод для
прецизионного пошагового позиционирования или
прецизионного непрерывного перемещения
изделия в соответствии со схемой
сканирования экспонирующего электронного, ионного
или рентгеновского пучка.
На рис. 3.1.26 показана схема установки
электронной литографии "Отелло-1" с
гидроприводами 4У 5, обеспечивающими
прецизионное перемещение координатного стола 3 с
подложкой над электронным лучом,
генерируемым пушкой 1. В оборудовании для моле-
кулярно-лучевой эпитаксии, оже-анализа и
других видов контроля поверхности
используется многокоординатный привод или
манипуляторы для точной ориентации исследуемой
или обрабатываемой зоны изделия
относительно рабочего пучка. В сверхвысоковакуум-
ном оборудовании для сборки
электровакуумных приборов (ЭВП) в вакууме используют
манипуляторы и конвейеры для переноса
разнесенных на время раздельной обработки
деталей ЭВП из разных технологических камер в
сборочную камеру, их взаимной ориентации.
Привод сборочных устройств или прессов

274
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
6 7 б 9 70
Рис. 3.1.25. Схема установки вакуумного напыления УВН-84П1:
1 - консоль с монорельсом для передвижения крышек рабочей камеры; 2 - электродвигатель для вращения
карусели подложек; 3 - коническая зубчатая пара; 4 - цилиндрическая зубчатая пара; 5 - сильфонный ввод-
муфта вращения; 6 - передняя крышка камеры; 7 - плоские подложки; 8 - задняя крышка с испарителями;
9 - ввод движения заслонки; 10 - система откачки; 11 - электродвигатель поворота заслонки
10
Рис. 3.1.26.
>графии "Отелло-Г с
модернизированным гидроприводом координатного стола:
1 - электронно-лучевая пушка; 2 - обрабатываемая подложка; 3 - координатный стол; 4 - привод поперечного
перемещения координатного стола; 5 - привод (гидроцилиндр) продольного перемещения координатного
стола; 6, 7 - гидрораспределители для регулировки перемещения координатного стола по двум координатам;
8 - растровая измерительная система; 9 - датчик обратной связи; 10 - вакуумная система; 11 - гидронасос
перемещения координатного стола; 12 - блок управления приводом координатного стола
предназначен для совмещения и соединения
собираемых деталей ЭВП.
Технические характеристики приводов для
установок нанесения тонких пленок в вакууме:

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
275
Рабочее давление, Па До 10
Газовый поток из механизмов
привода, м^Па-с1 До 10~7
Температура обезгаживающего
прогрева, К До 700
Погрешность позиционирования
линейная, мм До 0,1
Погрешность позиционирования
угловая, рад До 0,01
Длина рабочего хода привода, м До 2
Шаг перемещения, мм 100-800
Скорость перемещения, мм/с 10-200
Частота вращения, с 1-300
Быстродействие, с До 0,1
Рабочая сила, Н До 100
Рабочий момент, Нм До 80
Число степеней подвижности До 3
Особые требования предъявляют к
приводу оборудования для выращивания
монокристаллов.
Технические характеристики приводов
установок для выращивания монокристаллов
методом Чохральского
Длина рабочего хода привода,
м До 0,8
Скорость перемещения по всей
длине хода, мм/с До ДО
Плавность, % До 0,1
Технические характеристики приводов
установок для лучевой обработки
Шаг перемещения, мм 1-10
Скорость перемещения, мм/с До 200
Быстродействие, с До 0,05
Погрешность совмещения, мкм До 0,1
Погрешность
позиционирования, мкм До ±0,75
Привод координатных столов для
перемещения подложек должен обеспечить длину
хода 60 - 200 мм по двум координатам.
Технические характеристики приводов
оборудования для сборки в вакууме
Газовый поток из механизма
привода, м^Пас1 До ДО'9
Длина рабочего хода привода,
м До 1
Погрешность линейного
перемещения, мм До 0,2
Упругое отжатие привода в
процессе сборки, мм До 0,2
Рабочая сила, Н 100-1000
Технические характеристики приводов
установок для молекулярно-лучевой эпитаксии
Газовый поток у механизма 100
привода, м3Пас-1
Длина рабочего хода привода,
м До 1
Температура обезгаживающего
прогрева, °С 450
Число степеней подвижности ,
привода До 3
Технические характеристики прецизионных
манипуляторов установок для контроля
состояния поверхности образцов
Давление в камере, Па ДО"9
Число степеней подвижности 5-6
Перемещения по координатам,
мм:
X, Г ±C0-40)
Z ±A2,5-20)
Погрешность отсчета линейных
перемещений, мкм ±@,5-1)
Повторяемость перемещений,
мкм ±E-10)
Угол поворота манипулятора, ° 360
Угол наклона исследуемого
объекта, ° 100
Угол азимутального поворота
объекта, ° 360
Погрешность отсчета угловых
перемещений, ' ±2
Повторяемость угловых
перемещений, ' / ±4
Биение вала ввода вращения,
приведенное к объекту, мкм:
радиальное ±A0-50)
осевое ±@,5-1)
По способу управления, определяющему
как компоновку, так и точность, различают
приводы с разомкнутой или замкнутой
системой управления.
По характеру рабочего вакуума приводы
подразделяются на высоковакуумные и сверх-
высоковакуумные.
Структура вакуумного привода. Она
определяется системой управления и связана с
достигаемыми точностью и быстродействием.
Приводы бывают с разомкнутой, замкнутой
или частично замкнутой системой управления
в зависимости от того, какую часть
кинематической цепи замыкает система обратной связи
(рис. 3.1.27). Управляющее воздействие
(сигнал (ру) воздействует на движитель Му в
качестве которого может использоваться,
например, оператор, электродвигатель, гидро- и
пневмоцилиндр, который отрабатывает
заданное воздействие и через систему передаточных
звеньев J7i, ..., Пп передает воздействие
исполнительному органу О, Система обратной
связи, содержащая датчик положения,
перемещения или скорости, формирует сигнал
обратной связи <р0 с, сравниваемый в
суммирующем элементе с управляющим,
корректируя работу движителя.
Замкнутая зона C3) кинематической
цепи, охватываемая обратной связью, изменяет
параметры привода. Размещение датчика
обратной связи на объекте О или вблизи него,

276
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
РЗ
33
РЗ
б)
Фо.с
33
РЗ
фу
t6?V-
1
д
щ
Фо.с
д.
33
Рис. 3.1.27. Структурные схемы приводов с различной зоной замыкания:
Д- движитель; 77ь ..., Пи Пп - передаточные звенья; О - перемещаемый объект; 33 - замкнутая зона
кинематической цепи; РЗ - разомкнутая зона; (ру - управляющий сигнал; фо.с - сигнал обратной связи
г)
т.е. в вакууме, ухудшает вакуумные
характеристики привода, но повышает его точность.
Быстродействие определяется жесткостью
кинематической цепи привода, быстродействием
двигателя и системы управления.
На рис. 3.1.27, а показана структура
привода с разомкнутой системой управления,
которая широко реализуется в приводах
перемещения заслонок, экранов, поворота
каруселей в напылительных установках и т.п. На рис.
3.1.27, бу в показаны схемы с частичным
замыканием системы управления, используемые
при перемещении образцов в вакууме с
помощью манипуляторов. На рис. 3.1.27, г
показана схема с замкнутой системой управления,
характерная для приводов координатных
столов установок электронной, ионной,
рентгеновской литографии.
Точность вакуумного привода. Она
зависит как от способа управления и структуры,
так и от рабочего давления в технологическом
объеме:
конструкция и кинематика механизмов
вакуумного привода, их основной части -
вакуумных вводов движения - определяется
требуемым рабочим давлением, поэтому
конструкция вакуумного привода обычно
значительно сложнее аналогичного привода,
используемого в атмосфере;
герметизирующие элементы вакуумных
вводов движения (манжеты, сильфоны,
оболочки) не допускают применения жидкой
смазки, что вызывает появление в
кинематических парах нестабильных сил сопротивления,
которые создают дополнительное нелинейное
возмущающее воздействие на привод;
конструкция привода (особенно сверхвы-
соковакуумного), подвергаемого
периодическому обезгаживающему прогреву, имеет
увеличенные зазоры в сопряжениях, необходимые
для компенсации тепловых деформаций, что
ведет к увеличению суммарного зазора;
применение в приводе дополнительных
промежуточных кинематических элементов -

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
277
Рис. 3.1.28. Кинематические схемы приводов вакуумных технологических установок с
различными зонами замыкания:
а - молекулярно-лучевой эпитаксии; б - для анализа поверхности; в - электронно-лучевой сварки;
г, д - электронной литографии; 1 - движитель; 2 - сильфонный ввод вращения; 3 - винтовая пара;
4 - перемещаемый объект; 5 - ручной привод; 6 - сильфонный ввод* поступательного движения; 7- зубчатая
пара; 8 - диск-прерыватель потока света; 9 - оптронная пара; 10 - манжетный ввод вращения;
11 - фрикционный роликовый редуктор; 12 - растровая отсчетная решетка (прерыватель потока света);
13 - трубопровод гидродвигателя; 14 - герметизатор трубопровода; 15 - гидроцилиндр (движитель)
вакуумных вводов движения - снижает
жесткость привода, что приводит к увеличению
собственных сил сопротивления и к
дополнительной потере точности из-за упругого
отжатая элементов.
Погрешность положения выходного
звена в вакууме 5(рд равна разности между
ожидаемым ф0 и действительным (рд положением
перемещаемого объекта:
&Рд = Фд - Фо = 5в + 6н + 6к + 5Л + 8С + 6и,
где Ъъ - погрешность, обусловленная неточным
воспроизведением задающего воздействия;
6н - погрешность, обусловленная
возмущающим воздействием или начальными
условиями; 6к - кинематическая погрешность; бл -
погрешность "мертвого хода" механизма
привода; 8С - погрешность, обусловленная
наличием сил сопротивления в природе и внешних
нагрузок; 6j, - инструментальная погрешность,
обусловленная погрешностью датчика.
В приводах с разомкнутой системой
управления (см. рис. 3.1.27), когда положение
объекта - выходного звена О - не
отслеживается датчиком, погрешность перемещения
формируется в результате суммирования
различных составляющих погрешности во всех
звеньях привода. Так, в схеме привода изделия в
установке молекулярно-лучевой эпитаксии
(рис. 3.1.28, а)у соответствующей структуре на

278
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
рис. 3.1.27, а> погрешности бв, 8н
формируются в двигателе при сбое управляющей ЭВМ,
погрешности 6х и 8Л - в передаточных звеньях
[сильфонном вводе вращения 2 (рис. 3.1.28, а)
и винтовой паре 3], погрешность 8С - в
сильфонном вводе 2 и винтовой паре 3 за счет
увеличения сил трения в вакууме, под
действием атмосферного давления, действующего на
сильфон, и анизотропии упругих свойств
сильфона.
Частичное или полное замыкание
системы управления приводом с помощью датчика
перемещения (положения) и системы
обратной связи (сигнала ф0 с) позволяет частично
или полностью исключить ряд ошибок,
формируемых в замкнутой зоне C3) (см. рис.
3.1.27), но добавляет ошибку 8н,
обусловленную погрешностью используемого датчика.
На рис. 3.1.28, б показана схема ручного
привода поступательного движения карусели
манипулятора с заготовкой 4 установки
анализа поверхности, в которой визуальный
контроль положения ручного привода 5 по лимбу
позволяет исключить ошибку 8^ Погрешность
5в определяется зрением и моторными навыками
оператора, погрешность 8^ - точностью лимба
ручного привода 5. Погрешности Ъ^ 8Л, 8С
формируются в винтовой паре 3 сильфоном ввода 6.
На рис. 3.1.28, в показана
кинематическая схема автоматизированного привода
поступательного перемещения с частичной зоной
замыкания, соответствующая структурной
схеме рис. 3.1.27, ву используемая в установках
электронно-лучевой сварки, ионной
имплантации для транспортировки изделий. Для
контроля положения изделия 4 на каретке
используется диск - прерыватель 8 (рис. 3.1.28, в) с
отверстиями и оптронная пара 9, состоящая из
свето- и фотодиодов. В приводе нет
погрешностей, возникающих в замкнутой зоне, но есть
погрешности && 8Л, 5С, возникающие в
кинематических элементах разомкнутой зоны (РЗ).
Полное замыкание системы управления
(по перемещению объекта - выходного звена
О) позволяет исключить большую часть
составляющих суммарной погрешности привода,
вследствие чего эти системы используются в
приводах координатных столов установок
электронной, ионной, рентгенолитографии,
требующих микрометровой точности
перемещения (рис. 3.1.28, г, д). В таких приводах
датчик положения - растровая решетка 12 (или
зеркало лазерного интерферометра) -
устанавливается на одном столе с перемещаемым
объектом. В качестве датчика положения могут
использоваться реперные знаки самого объекта
(например подложки обрабатываемой
микросхемы), что исключает погрешность
базирования изделия.
Для используемых в вакуумном
оборудовании приводов с замкнутой системой
управления погрешность перемещения
5фд = 8н + 5Л + 5С + бд.
Суммарный зазор и силы сопротивления
(особенно от трения в кинематических парах,
размещенных в вакууме) ограничивают
погрешность такого привода, поэтому
технически оправданны для повышения точности
привода сокращения длины кинематических
цепей, замены механического привода
гидравлическим, устранения из кинематических
цепей вакуумных вводов движения, создания
"автономного" привода, размещенного
целиком в вакууме. Устранение составляющих 5Л и
8н, возможное в прецизионных
гидроприводах, позволяет уменьшить погрешность, она
становится равной
бфд = 5С + 6и
где Кт - коэффициент трансформации
замкнутой системы; F^ - статическая сила
сопротивления в приводе.
Дальнейшее повышение точности
привода (при постоянных значениях Кт) возможно
за счет использования в приводе подвески
объекта на направляющих с малыми
собственными силами сопротивления jFct и
применения измерительных средств с более высокой
чувствительностью.
С другой стороны, повышения точности
привода можно добиться, используя в системе
управления максимальное усиление (что
соответствует минимальному Кт). Гидродвигатели
обладают наибольшим коэффициентом
передачи (усиления), что делает применение их
предпочтительным при создании систем
высокой точности.
Ориентировочные значения
составляющих суммарной погрешности простейших по
конфигурации приводов, включающих только
один промежуточный кинематический элемент -
вакуумный ввод движения, - являющийся
необходимым для вакуумного привода,
приведены в табл. 3.1.9.
Быстродействие вакуумного привода.
Параметры быстродействия вакуумного привода в
оборудовании для производства ИЭТ ниже,
чем у приводов общего машиностроения за
счет появления в кинематической цепи
вакуумного привода герметизирующих элементов в
виде манжет, мембран, сильфонов, гибких
оболочек, уменьшающих суммарную жесткость
привода, создающих дополнительные силы
сопротивления и зазор.
В целом быстродействие приводов
определяется типом выбранного двигателя (рис.
3.1.29). Наименьшей постоянной времени
обладает гидропривод, чем обусловлено его

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
279
3.1.9. Составляющие суммарной погрешности и перемещения (положения) стандартных,
нормализованных или типовых вакуумных вводов движения
Вид вакуумного ввода
Ввод с манжетным
уплотнением
Сильфонные вводы-муфты
ВЭС-5, ВКС-15
Волновой зубчатый ввод
вращения ВГЗП-42
Планетарно-резьбовой ввод
ПРВ-350
Гидропривод с манжетным
уплотнением
Магнитореологический
привод
Погрешность

кинематическая бк
-
25' - 70'
5' - 10'
25-40
мкм
-
-
люфт 5Л
30' - 5°
1°- 2°
-
30-40
мкм
-
-
упругая 8С
30' - 1°
40' - 5°
2'- 1°
40 - 300
мкм
2,5 мкм
0,01 - 0,05
мкм

инструментальная 5И
1°
30'
2'
10 мкм
0,5 мкм
0,01 - 0,05
мкм
суммарная
бфд
Iе-2°
1,5° - 5°
5'- 1°
80 - 400
мкм
3,0 мкм
0,0,5 - 0,1
мкм
ОХ
0,1
X
/
и
/ \
—
\\
—А
0 2 Ь 6 8 10 11 Р,/свг
Рис. 3.1.29. Зависимость постоянной времени
двигателя от мощности для двигателей:
1 - электродвигателей постоянного тока;
2 - пневмодвигателей; 3 - гидродвигателей
применение в различных типах
микролитографии, где требуется быстрое и точное
многократное шаговое перемещение изделия
относительно экспонирующего электронного,
ионного или рентгеновского луча.
Постоянная времени Тд электрически
управляемого дросселя гидросистемы связана с
управляющим напряжением U и силой
рабочего тока управляющего электромагнита I
следующим соотношением:
Здесь t - время срабатывания, с; Кж -
коэффициент передачи привода управляющего
электромагнита; Кд = (Яу + Дэ)'1, где Ry -
выходное сопротивление усилителя, Ом; Дэ -
сопротивление обмотки электромагнита, Ом.
Время переходных процессов при
позиционировании находят по формулам теории
автоматического управления. Так, постоянная
времени вакуумного гидропривода,
изображенного на рис. 3.1.26, зависящая от массы
координатного стола (тп = 50 кг), рабочего
давления (р = ДО'6 Па), жесткости привода,
может быть уменьшена с 31 мс (вариант 4,
рис. 3.1.30) до 9 мс (вариант 1) только за счет
уменьшения жесткости герметизатора гидро-
цилиндра (т.е. замены металлического силь-
фона с жесткостью 4-Ю4 Нм) более
эластичным сильфоном или манжетой с жесткостью
около 102 Нм. Использование гидронасосов
шнекового типа, не создающих пульсации
давления, но обеспечивающих небольшое
рабочее давление (р « 3-Ю5 Па), приводит к
увеличению постоянной времени до 55 мс, а
суммарного времени позиционирования с 9 мс до
230 мс при точности 8срд = 31 мкм.
Использование магнитореологической
жидкости в гидроприводе стола даже
в'сочетании со шнековым гидронасосом обеспечивает
время позиционирования 30 - 40 мс при более
высокой точности позиционирования (8(рд =
= 0,05 ... 0,1 мкм).
Использование электрореологической
жидкости позволяет сократить постоянную
времени дросселя (системы управления) до
10 с и время позиционирования до 10 с.
Реализация электрореологического
управления ограничивается высокими
управляющими напряжениями (до 2 кВ) и на
порядок меньшими рабочими силами, чем в маг-
нитореологическом приводе.

280
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
АХ, мм
f,o
0,8
0,6-
ол
0.2
Щ
чу
\ J-
1
— \ г-о —
щ
5-я
Н
TV
12 16 20
28 J2 S6 +0 t,MC
Рис. 3.1.30. Динамические характеристики переходного процесса вакуумного гидропривода при жесткости
герметизатора гидроцилиндра:
/ - 100 Нм-i; 2 - 2000 Нм; 3 - 3300 Н-м; 4- 4000 Нм'1; Д* - перемещение
1 Z 3 4 5 $ 7 в 9 10 ttc
б)
Рис. 3.1.31. Динамические характеристики вариантов привода карусели подложек установки УВН-84П1:
а - пусковые характеристики двигателей и график моментов сил сопротивления в приводе, привязанный к
изменению частоты вращения привода при пуске; б - график изменения частоты вращения во времени
Вакуумный привод на базе стандартных
электродвигателей (см. рис. 3.1.29) обладает
значительно меньшим быстродействием, чем
гидропривод. Его динамические
характеристики зависят от мощности двигателя,
передаточного отношения, перемещаемых масс,
жесткости системы. Например, при использовании в
приводе вращения блока каруселей (см. рис.
3.1.25) асинхронного электродвигателя время
выхода на стационарный режим вращения
каруселей (время разгона)
dn
где Jz - приведенный (к электродвигателю)
динамический момент инерции вращающихся
деталей, Н-м-с2; л, п^ - соответственно текущая
и номинальная частоты вращения
электродвигателя, с1; пн = 23,3 с1; Мл - текущее
значение крутящего момента электродвигателя,
изменяющееся при пуске от пускового
момента до номинального, соответствующего началу
стационарного режима, Нм; Мс -
приведенный к электродвигателю момент
сопротивления элементов привода, Нм.
На рис. 3.1.31, а приведены
динамические характеристики двигателей АОЛБ-012-4 и
АОЛ-011-4, предназначенных для
использования в приводе вращения каруселей. Они
имеют соответственно следующие характеристики:
мощность 30 и 50 Вт; номинальный момент
0,2 и 0,34 Нм; максимальный момент 0,28 и
0,59 Нм; пусковой момент 0,2 и 0,45 Нм.
Момент сопротивления привода при
пониженном давлении Мс имеет ярко
выраженный случайный характер, он достигает
максимального значения Мстах = 0,182 Нм обычно
в момент пуска из-за "залипания"
кинематических пар. В табл. 3.1.10 приведены расчетные
значения времени разгона привода с
двигателем АОЛБ-012-4 до частоты вращения при
известном для данной частоты крутящем
моменте и динамическом моменте
сопротивления Мс.

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
281
3.1.10. Характеристики электродвигателя и момент сопротивления привода карусели в
процессе разгона электродвигателя
Частота вращения
двигателя, мшг1
0
100
200
300
1400
Крутящий момент
двигателя, Нм
0,200
0,205
0,210
0,220
0,204
Динамический момент
сопротивления привода, Ы м
0,182
0,010
0,030
0Д70
0,01
Текущее время
разгона, с
-
1,6
2,9
4,0
11,6
На рис. 3.1.31, б показан график
изменения частоты вращения во времени.
Увеличение мощности электродвигателя
АОЛ-011-4 в 1,7 раза приводит к сокращению
времени разгона с 11,6 до 1,7 с. С другой
стороны, образующийся запас по крутящему
моменту АМп — Мл - .Метах создает опасность
поломки механизмов привода при их
случайном заклинивании.
Возможная замена сильфонного ввода
вращения 5 (см. рис. 3.1.25) сальниковым
увеличивает момент сопротивления привода до
значения, которое превышает пусковой
момент электродвигателя АОЛБ-012-4 и делает
невозможным его использование. Кроме того,
это резко ухудшает вакуумные характеристики
установки в целом.
Вакуумные характеристики приводов.
Вакуумный привод характеризуется суммарным
потоком газа Qz, выделяющегося внутрь
вакуумной установки, а также зависимостью этого
потока от рабочей температуры 7^ао- и времени /.
Поток Qz определяется типом и
конструкцией используемого ввода движения.
Оценку этого потока целесообразно
производить в соответствии с классификацией вводов
движения в вакуум (табл. 3.1.11).
Вводы всех типов передают движение в
вакуумное пространство двумя основными
способами: через отверствие в стенке
вакуумной камеры, сквозь которое из атмосферы или
области предварительного разрежения
проходит сплошной вал, передающий силу или
крутящий момент, и через сплошную стенку
вакуумной камеры. При этом стенка камеры
должна соответствовать специальным
требованиям, обусловленным этим способом передачи
движения, например, быть достаточно
эластичной, немагнитной и т.п.
Вводы движения через отверстие
характеризуются наличием уплотнителя,
герметизирующего зазор между отверстием и валом
передачи, как правило, имеющего значительное
газовыделение.
Вводы сальникового типа имеют
уплотнитель, размещенный между отверстием и
валом для герметизации. Суммарный поток
газовыделения, вызванный установкой такого
ввода,
& = Свв + Gbc + Qn + Qu + Qt>
где бвв - поток газовыделения из элементов
ввода, обращенных в вакуум, м3-Па-с; обычно
QBB « 2-Ю'8 м3Пас; Q^ - поток
газовыделения из элементов камеры в месте установки
ввода, вызванный, например, невозможностью
хорошо обезгазить камеру в этом месте,
м3Пас1; Си - поток, испаряющийся из
смазки, герметизирующей место уплотнения, и из
подшипников, м^Пас; QH - поток натекания
через уплотнитель, м^Пас, для манжетного
ввода бн w Ю~9 - Ю~8 м^Па-с1 в процессе
периода нормальной работы; QT - поток газа,
диффундирующего через тонкостенные,
проницаемые элементы, м^Па-с, QT « 2- 10~9
м3Пас для стандартных манжет.
Конструкции вводов движения
различаются по виду уплотнителя и способу
уменьшения газовьщеления.
На рис. 3.1.32 показан нормализованный
ввод вращения с манжетным уплотнением,
создающий все компоненты потока
газовыделения. Манжета 2, обращенная в вакуум,
является рабочей. Защитная манжета 7 служит для
предохранения места движущегося контакта
рабочей манжеты от попадания грязи.
Манжеты герметично поджимаются к корпусу с
помощью нажимного кольца 5. Вакуумное
масло, поступающее из фетрового кольца 4,
герметизирует микрозазоры, образующиеся в
месте контактирования рабочей манжеты 1 с
валом 6.
Для такого ввода
Gbb =
где <7у, qK> qB - удельный поток газовыделения
соответственно материала уплотнителя
(полимера, резины), корпуса 2, вала 6, м3-Па-с-м~2;
Fy> FK> FB - площадь соответственно
уплотняющей манжеты, корпуса 2, вала 6,
обращенная в вакуум, м2.

282
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
3.1.11. Классификация вводов движения в вакуум
Способ передачи
движения
Через
отверстие
Через
сплошную стенку
Уплотнение
ТЧятт
JLJ111

Сальникового типа
С
жидкостным
уплотнением
С
газообразным
уплотнением
С
эластичной стенкой
С жесткой
стенкой
Вид
Пластичные
Упругие

Комбинированные

Капиллярные
Сифонные
Импеллер-
ные
Струйные

Диффузионно-щелевые
Струйные
Волновые

Колебательные
Магнитные

Электромагнитные

Электростатические
Па
10-5
ю-4
10-5
ю-7
10-7
10-5
10-3
10-7
<10-5
ю-8
ю-8
10-9
10-7
-ю-9
wmax>
МИН
100
3000
10 000
10
3000
10 000
3000
100
10 000
200
1400
3000
10 000
-
Нм/мм
6,0-8,0
1,0-1,5
1,0-1,5
0,5-0,7
0,1-0,3
6,0-8,6
0,1-0,5
2,5-3,0
-
0,1-0,3
0,004 -
0,2
0,001 -
0,005
0,004
0,0027
Факторы,
увеличивающие давление
в рабочем объеме
Газовыделение,
испарение,
натекание,
Испарение,
растворимость
газа, натекание
Натекание

Газопроницаемость
Обозначения: р
вращения выходного вала ввода;
динительного фланца.
- предельное рабочее давление; /imax - максимальная частота
М$ - передаваемый момент, отнесенный к диаметру
присоеРис. 3.1.32. Нормализованный ввод вращения с
сальниковым (манжетным) уплотнением:
1 - манжета; 2 - корпус; 3 - стенка вакуумной камеры;
4 - фетровое кольцо с запасом уплотняющего масла;
5 - нажимное кольцо; 6 - вал; 7 - защитная манжета
Вакуумную установку с таким вводом
нельзя нагревать выше 150 °С. Поэтому имеет
место дополнительное газовыделение со
стенок камеры в области вакуумного ввода.
Поток газа
где Д#/ - уменьшение удельного потока
газовыделения со стенок, окружающих ввод после
их обезгаживания (прогрева) без ввода,
м^Пас-^м (табл. 3.1.12); Ft - площадь
поверхности, обращенная в вакуум у стенок
камеры, ставших непрогреваемыми, м2.
Поток испаряющейся рабочей жидкости
(смазки) из подшипников и уплотнителей
Си - 4и*и,
где #и - удельный поток испаряющейся
смазки, м^Пас^м; Fa - площадь поверхности
испарения, покрытой смазкой, м2.
Если ввод не имеет антимиграционных
поясков из фторопласта, предотвращающих
миграцию масла по поверхности внутрь
камеры, то площадь "масляного пятна" F^ может
увеличиваться и для парциального давления

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
283
3.1.12. Удельный поток газовыделения материалов, используемых в вводах
в вакуум
Материалы
Коррозионно-стойкая сталь
необработанная
Коррозионно-стойкая сталь после отжига
в вакууме при 400 °С
Медь после травления, промывки в
бензоле и ацетоне
Медь после отжига в вакууме при 400 °С
Латунь после травления, промывки в
бензоле и ацетоне
Никель
Алюминий
Молибден
Вольфрам
Ковар при температуре, °С:
400
600
Фторопласт после нагрева при 60 °С
Витон (резина на основе фторкаучука)
необработанный
Витон после прогрева при 150 °С
Резина из натурального каучука после
прогрева 60 °С
Удельный поток газоотделения
с поверхности, м^Па-с-^м
1,7-Ю
1,910-5
4-Ю0 - 1,2-Ю"8
1,1-Ю
8,5-Ю
1,06-10-10 - 9,3-10-9
1,9510-5
1,53-Ю
F,5 - 8I0
D - 9I0
D,6 - 8,5I0-^
1,3-10-6
5-Ю м3-Па-с"Ум3*
9-Ю-2 м3Пас-1/м3*
2-Ю
1,5-Ю
7,610-8
1,6-Ю
Продолжительность
обезгаживания, ч
1
5
Практически не
изменяется
1
5
Практически не
изменяется
1
5
2
2
2
2
-
20
-
4
20
* Удельный поток газоотделения из объема.
паров масла устанавливается давление, близкое
к давлению насыщенных паров #нас:
~«~~ w Рнас >
где Sq - быстрота откачки вакуумной камеры,
Газопроницаемость ввода обычно
определяется потоком гелия, проникающего через
манжеты,
где Fy - площадь уплотнительной манжеты,
м2; 8 - толщина манжеты, м; Др/ - перепад
давления газа (гелия), диффундирующего через
стенку манжеты, Па; q^ Ад - соответственно
удельный поток и константа проющаемости,
аАгЧг1; Еп - удельная энергия активации
проницаемости, Джмоль; R - 8,3 Джмоль^К-1; Т
- температура манжеты, К; j - число атомов,
на которые диссоциирует молекула газа перед
диффузией (для пары гелий - резинау = 1).
Использование во вводе смазки и
вызванное этим недостаточное обезгаживание
ограничивает применение таких вводов
рабочим давлением не ниже 10 Па.
Манжеты создают нестабильный и
довольно высокий момент сопротивления Мс »
« 0,3 Нм ("залипают" при пуске), что влияет
на точность прецизионного привода. По
конструкции манжеты делятся на упругие,
пластичные, комбинированные.
Модернизация конструкции сальниковых
вводов позволяет исключать отдельные
элементы уплотнителя. На рис. 3.1.33 показан
унифицированный "бесмасляный" ввод
вращения, в котором контактирование с валом уп-
лотнительного кольца 2 происходит по
фторопластовой пленке, покрывающей поверхность
вала 3. Это позволяет сгладить
микронеровности, резко сократить размеры микрозазоров в
контакте и обойтись без вакуумного масла, как

284
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.1.33. Унифицированный "безмасляный"
ввод вращения:
1 - корпус; 2 - уплотнительное кольцо;
3 - вал, покрытый пленкой (толщина 10 - 15 мкм)
фторопласта
Рис. 3.1.34. Ввод вращения с магнитно-жидкостным
уплотнением:
1 - корпус; 2 - вал; 3 - полюсный наконечник;
4 - матнитопроводы; 5 - постоянный магнит;
6 - уплотнительное кольцо
элемента уплотнителя. Таким образом, из Qz
исключается поток би, а поток Qqq может
быть значительно сокращен, так как манжета 2
и фторопластовая пленка допускают прогрев
ввода (и камеры) до +250 °С.
Во вводах с жидкостным уплотнением в
качестве герметизатора используется жидкость
с малым давлением насыщающих паров
(вакуумные масла, ртуть, легкоплавкие
металлические эвтектики). По способу удержания
жидкости в зазоре между корпусом ввода и
валом конструкции делятся на капиллярные,
сифонные, импеллерные, струйные.
Вводы имеют ограничения по прогреву,
вызванные наличием жидкости. На рис. 3.1.34
показан ввод вращения с
магнитно-жидкостным уплотнением, в котором используется
свойство магнитной суспензии образовывать
под действием магнитного поля сетчатую
структуру, в которой уплотняющее зазор
вакуумное масло удерживает атмосферное давление
за счет явления капиллярности.
Рис. 3.1.35. Ввод с диффузионно-щелевым
уплотнением:
1 - вал; 2 - корпус; 3 - вакуумные карманы,
откачиваемые до различных давлений;
4 - рабочий вакуумный объем; 5 - трубопроводы
для откачки карманов
Достоинствами ввода являются малые и
стабильные моменты трогания и момент
сопротивления, позволяющие использовать его в
точных приводах.
Во вводах с газообразным уплотнением
диффузионно-щелевого типа уплотнение
достигается за счет ограничения газового потока,
проходящего (натекающего) сквозь зазор
между отверстием в стенке вакуумной камеры и
валом. Поток газовыделения для такого ввода
где (fa, #2 ~ удельный поток газовыделения
соответственно вала и корпуса, м3Пас-1м;
F\, Fi - площадь поверхности соответственно
вала и корпуса, обращенных в вакуум, м2.
На рис. 3.1.35 показана конструкция
ввода с диффузионно-щелевым уплотнением.
Вал 1 проходит через корпус 2 ввода, который
имеет один или несколько вакуумных
"карманов" 3, откачиваемых через
трубопроводы 5. При этом
РпЛ < Р2 < Pi < Ратм>
гДе Рп-Ъ Р2> Р\ " давление соответственно в
и-1-м, 2-м и 1-м карманах; р&тм - атмосферное
давление.
Поток газа, натекающий в камеру,
где U - проводимость щелевого зазора между
соответствующими карманами, м^с.
Поскольку при молекулярном режиме
течения газа (т.е. в высоком вакууме)
проводимость зазора минимальна, то в последнем
кармане желательно обеспечить высокий
вакуум.

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
285
Вводы с циркуляцией газообразного
уплотнителя вне или внутри зазора представляют
собой эжекторный, диффузионный, ионный,
турбомолекулярный насосы, у которых
элементы, формирующие струю, подвижны
относительно корпуса.
Вводы движения через сплошную стенку
бывают двух разновидностей:
с эластичной гибкой стенкой, у которых
герметизация при передаче движения внутрь
вакуумной камеры осуществляется за счет
деформирования эластичного элемента,
являющегося продолжением стенки;
через жесткую вакуумно-плотную стенку
камеры, обладающую проницаемостью для
определенного вида сил (магнитных,
электростатических).
Для сохранения высокого и
сверхвысокого вакуума вводы движения через сплошную
стенку являются наиболее перспективными.
Они позволяют полностью герметизировать
вакуумную камеру, а достигаемый в ней
вакуум при тщательном обезгаживании
лимитируется лишь газопроницаемостью тонкостенных
участков ввода, газовыделением
кинематических пар и остаточным газовыделением
элементов конструкции бди, которые могут быть
хорошо прогреты и обезгажены.
Поток газозыделения из такого ввода
Qz = а + Qk + бвв + а»
где QK - поток газовыделения из
кинематических пар ввода, работающих в вакууме,
м3Пас; QH - поток газа, натекающего через
неплотности, допущенные при изготовлении
ввода и не определенные течеискателем; QH <
< 101 мЗ-Па-с.
В сверхвысоковакуумных передачах
движения через сплошную стенку при
использовании больших частот вращения (например, в
электромагнитных вводах), когда все
источники газовыделения сокращены до минимума,
поток газовыделения из кинематических пар
может оказаться доминирующим.
Для практического расчета компонентов
потоков газовьщеления используют
зависимости
п т
i=l 7=1
гДе #гр/ - Удельный поток газовыделения с
поверхности контакта трущихся пар, м^Пас^м,
(табл. 3.1.13); / = 1, ..., п - число
кинематических пар в вакууме; q^j - удельный поток
газовыделения со стационарной поверхности
(неконтактирующей поверхности механизмов,
оснастки и т.п.), обращенной в вакуум,
м^Пас^-м*2; j = 1, ..., т - число
поверхностей, обращенных в вакуум; Aif Fj - площади
соответственно контактирующих (табл. 3.1.14)
и стационарных поверхностей, обращенных в
вакуум, м2.
В табл. 3.1.14 приведены формулы для
расчета скорости скольжения vCK и нагрузки
Рк для кинематических пар, наиболее часто
встречающихся в вакуумный вводах, а в табл.
3.1.13 - расчетные зависимости для
определения удельного потока #тр/ с поверхностей
контакта площадью Ai.
Вводы движения через эластичную
стенку характеризуются наличием гибкой упругой
перегородки. В колебательных вводах она
может выполнять роль только деформируемого
разделительного элемента на границе раздела
двух сред "вакуум - атмосфера" и не
участвовать в формировании движения. Здесь в
качестве разделительных элементов используют
сильфоны и мембраны.
3.1.13. Формулы для расчета удельвого потока газовыделения с поверхности контакта
трущихся пар
Узел трения
Опора скольжения
"вал - втулка"
Волновая передача
с зубчатым
зацеплением
Резьбовая несоос-
ная пара
Шариковый
подшипник
Скорость трения VCK,
давление в контакте рк
vCK = @,04 ... 0,83) м/с;
рк = E ... 150) МПа
VCK = @ ... 0,45) м/с;
рк = A ... 14,2) МПа
vCK = @,7 ... 9I0-3 м/с;
рк = G0 ... 400) МПа
vCK = @,01 ... 0,05) м/с;
рк = E00 ... 700) МПа
Формула для расчета удельного потока с
поверхности контакта трущихся пар q^u м^Па-с^м
Ятр/ = A0>6 ~ °>2vck ~ 4&Рк + °>6^к +
qTpi = @,0230k + 53,48vCK + l,07vCKpKI03
Ятрг ~ (II^OVq^ + 0y026pK + OyttVoxp^W'^
q?X>i = D-582,2vCK - 0,007/>K + l,27vCKpKI0"l

286
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
3.1.14. Формулы для расчета скорости скольжения Удо удельной нагрузки Рк и
площади контакта А%
Узел трения
,м/с
, Нм-2
Опора скольжения
"вал - втулка"
v -
N
р -
Здесь sirupo
2 Л2 / sin фо
ха, где «-
8 = i?l - .%
Волновая передача с
зубчатым
зацеплением
У„лг =
где
cosou
р _ »"" вых
К C^BD* cosaw '
где h
т
20
Резьбовая несоосная
пара
cosa,.
Рк = О,564РОС(/К02 х
х rnpcosa х
х cosl arctg
где
где
Ь =
а и ар / 2
Шарикоподшипник
602)
РК - 0478
где
ЛР"
вт =
Обозначения: i^i- радиус втулки, м; jR2 - радиус вала, м; п - частота вращения,
мин*1; N - нагрузка на опору, Н; / - длина контакта, м; Е\, Е^ - модули упругости материалов
соответственно втулки, вала, Па; щ, рз - коэффициенты Пуассона соответственно втулки, вала;
Wq - максимальная деформация зубчатого колеса, м; щ - частота вращения, с1; ф - угол зоны
зацепления волновой передачи; aw - угол зацепления зубчатой пары; А^ых - выходной
(нагружающий) момент, Нм; Cz - доля зубьев, находящихся в зацеплении, от числа зубьев
жесткого колеса; h - относительная глубина захода зубьев, м; т - модуль зубьев, м; Н - полная

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
287
глубина захода зубьев, м; В - длина зубьев (находящаяся в зацеплении), м; 2)^ - делительный
диаметр жесткого колеса, м; %?ж - число зубьев жесткого колеса; voc - скорость осевого
поступательного движения, м/с; ар - угол профиля резьбы ведомого элемента в нормальном сечении;
Рос - осевая нагрузка, Н; 4 - длина контактирующей части винта, м; 9s - упругая постоянная;
ty - шаг резьбы, м; а - половина угла профиля резьбы, м; zv - число заходов резьбы винта; Г\ -
радиус резьбы винта, м; г^ - радиус резьбы гайки, м; р - угол подъема резьбы; D - внешний
диаметр подшипника, м; d - диаметр отверстия (вала), м; Вщ - диаметр шарика, м; р - радиус
пятна («круга») контакта, м; гпр - приведенный радиус кривизны контактирующих
поверхностей, м; рж - радиус желоба кольца, м.
3.1.15. Поток (м3Па'Сш1) атмосферного водорода, диффундирующего через сильфоны
при различных температурах
Температура сильфона, К
323
373
473
573
673
НС 52 х 14 х 0,14
1,3-10-12
2,6-Ю-11
2,4-10-9
5Д-10-8
3,1-Ю-7
НС 63 х 15 х 0,16
1,2-10-12
2,5-Ю-11
2,3-10-9
5,010-*
3,0-Ю
НС 100 х 13 х 0,16
3,7102
5,4k)-11
5,110"9
1,010"8
7,010-7
В волновых вводах движения
разделительная оболочка одновременно играет роль
активного элемента, принимающего участие в
формировании исполнительного движения. В
них чаще используют специальные гибкие
металлические оболочки, газопроницаемость
которых, как правило, меньше
газопроницаемости сильфонов.
Поток газов бп, диффундирующих
внутрь ввода из атмосферы, определяется
потоком атмосферного водорода, проникающего
через металлические герметизирующие
сильфоны и оболочки, или потоком атмосферного
гелия в случае применения резиновых
герметизаторов (см. табл. 3.1.12). Значения потока
атмосферного водорода fit, проникающего
через сильфоны из коррозионно-стойкой
стали, рекомендуемые для использования во
вводах, даны в табл. 3.1.15.
Во вводах колебательных имеются
промежуточный жесткий элемент (герметичная
втулка, стакан и т.п.), герметично
соединенный со стенкой вакуумной камеры с помощью
гибкого элемента (сильфона, тонкостенной
трубки, гибкой оболочки) и совершающий
колебательное движение при передаче
движения внутрь вакуумного объема.
На рис. 3.1.36 показан типовой
нормализованный сверхвысоковакуумный ввод
вращения марки ВЭС-5, с сильфонной
герметизацией, представляющий собой муфту, состоящую
из вращающихся в неподвижных опорах
ведущего 1 и ведомого 2 эксцентриковых (или
кривошипных) валов. Рабочий момент
передается от ведущего вала, находящегося в
атмосфере, ведомому, находящемуся в вакууме, с
помощью промежуточной втулки3. Последняя
Рас. 3.1.36. Сверхвысоковакуумный эксцентриковый
ввод-муфта вращения с сильфонной герметизацией

288
Глава ЗЛ. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
имеет перегородку, отделяющую ведомый вал
от ведущего и герметично соединенную с
неподвижным корпусом 4 ввода с помощью
сильфона 5. При вращении ведущего вала
втулка 3 совершает круговое
плоскопараллельное (или прецессионное) колебательное
движение, передавая вращение ведомому валу.
Корпус 4 герметично присоединяется к
рабочей камере вакуумной установки.
Момент (Нм), передаваемый муфтой
колебательного типа с сильфонной
герметизацией.
где [е] - допустимый эксцентриситет
сильфона, м; [Рк] - допустимая радиальная нагрузка
для наиболее нагруженного (обычно первого
со стороны атмосферы) вакуумного
подшипника, Н.
Ввиду низкой работоспособности
подшипников в вакууме значение допустимой
нагрузки (Н) значительно меньше значения,
определяемого по методике для обычных
подшипников и для заданной долговечности
N Согласно эмпирической формуле
Р
где а б " контактные напряжения,
соответствующие базовой долговечности N& МПа;
(а б = 1860 МПа для подшипников из
коррозионно-стойкой стали со змейковым
сепаратором); JVg - ДО6 - базовая долговечность,
обороты; N - число циклов нагружения; z - число
шариков в подшипнике; с^ - диаметр
шариков, мм.
Для шарикоподшипника серии 200ю,
обеспечивающего долговечность ввода 106
оборотов, согласно эмпирической формуле
Допустимый эксцентриситет для схемы
деформирования сильфона, представленной на
рис. 3.1.36;
пмкт
где ст_1б - предел выносливости материала
сильфона для условной (базовой)
долговечности, МПа, для коррозионно-стойкой стали
1Х18Н10Т а.1б = 380 МПа; N9 Nq -
соответственно заданная и базовая долговечность,
циклы деформации; Кс - интегральный
коэффициент, характеризующий особенности цикла
нагружения сильфона; L - длина рабочей
(гофрированной) части сильфона, мм (табл.
3.1.16); п - число гофр сильфона; D^ -
внутренний диаметр сильфона по гофрам, мм; Е -
модуль упругости, для коррозионно-стойкой
стали Е = 21011 Па; h - толщина стенки
сильфона, мм; Кт - коэффициент, учитывающий
глубину гофрировки сильфона.
Так, для сильфона НС 52 х 14 х 0,14,
использованного во вводе ВЭС-5 (Kq = 1,36),
для долговечности ДО7 циклов согласно
эмпирической формуле
9-1(г • 89 -14 • 33,5 ¦ 1,36
12 • 2 • 1011 • 0,14 • 8
= 4,4 мм.
Таким образом, номинальный крутящий
момент, передаваемый вводом ВЭС-5, при
долговечности самого малонадежного
подшипника 106 оборотов и при 10-кратном
запасе долговечности сильфона составляет:
М= 4,4-206 = 8,8 Нм.
3.1.16.'Характеристики стандартных сильфонов из коррозионно-стойкой стали,
используемых в нормализованных вводах вращения
Типоразмер сильфона
Характеристика
DH9 мм
Z>B, мм
п
L, мм
h, мм
Кт
НС 52 х 14 х 0,14
52
33,5
14
99
0,14
8
НС 63 х 15 х 0,16
63
47,5
15
88,5
0,16
18,2
НС 100 х 13 х 0,16
100
75,5
13
107
0,16
18,3

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
289
Рис. 3.1.37. Колебательный планетарно-резьбовой ввод
поступательного движения ПРВ-350
В отличие от передач движения через
отверстие, когда конструкции вращательных и
поступательных вводов почти идентичны,
колебательные вводы поступательного движения
конструктивно резко отличаются от вводов
вращения.
На рис. 3.1.37 показана
цельнометаллическая конструкция планетарно-резьбового
ввода (ПРВ) поступательного движения с
сильфонной герметизацией. Принцип
действия основан на преобразовании вращения
эксцентриковой обоймы 1 в корпусе 2 на
подшипниках 3 в круговое колебательное
движение гайки 4 (без ее вращения), находящейся
в одностороннем зацеплении с резьбой штока
5, являющегося ведомым элементом.
Герметизация подвижной гайки 4 осуществляется
сильфонами 6, приваренными одной стороной
к гайке, а другой - к корпусу. Резьбовой шток
фиксируется от поворота ползуном 7,
скользящим по шпонке 8.
Преимуществом ввода перед
традиционной винтовой парой является примерно 30-
кратное уменьшение пути трения в резьбовой
паре, что позволяет снизить газовыделение и
увеличить долговечность привода.
Для прецизионных поступательных
приводов с замкнутой системой управления
используют тонкостенные резиновые оболочки
(ТРО), с помощью которых можно
герметизировать любой поступательный механический
привод.
Наиболее перспективно использование
ТРО в качестве герметизатора гидропривода.
Высокая эластичность ТРО, отсутствие
контакта штока с цилиндром позволяют использовать
в качестве рабочих агентов магнитореологиче-
ские жидкости и обеспечивать простоту
управления, высокие быстродействие и точность.
На рис. 3.1.38 показана простейшая
конструкция вакуумного гидродвигателя
одностороннего действия на базе ТРО,
использованного при модернизации установки
электронной литографии (см. рис. 3.1.26). Рабочая
жидкость подается в рабочий гадроцилиндр 1
(см. рис. 3.1.38) или вытесняется из него через
штуцер 2, воздействуя на шток 3, герметично
соединенный с корпусом двигателя (т.е.
стенкой вакуумной камеры) с помощью ТРО 4.
Герметичное соединение торцевой части ТРО
со штоком осуществляется с помощью
нажимной втулки 6, воздействующей на торец уп-
лотнительного кольца 8Ь наружная
поверхность которого прижимает ТРО к бандажному
кольцу 10. Герметичное соединение ТРО с
корпусом осуществляется за счет поджима
уплотнительного кольца 7 к другому концу
ТРО и бандажному кольцу 9.
Волновые вакуумные вводы вначале
имели форму одноступенчатых зубчатых
редукторов и получили среди этого вида передач наи-
6 6 7 5
Рис 3.1.38. Вакуумный гидропривод поступательного
движения с ТРО:
1 - рабочий гидроцилиндр; 2 - штуцер; 3 - шток;
4 - ТРО; 5, 6 - нажимные втулки;
7, 8 - уплотнительные кольца;
9, 10 - бандажные кольца
10 За к 7Ш

290
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.1.39. Сверхвысоковакуумный волновой зубчатый ввод вращения ВГЗП-42
большее распространение. В нормализованной
волновой герметичной зубчатой передаче
ВГЗП-42 (рис. 3.1.39) гибкое колесо 3
выполнено за одно целое с оболочкой-стаканом,
которая герметично приварена к корпусу 6.
Рабочий момент от ведущего эксцентрикового
вала 1> находящегося в атмосфере, передается
генератору волн, состоящему из эксцентрично
установленных дисков 2, которые
деформируют герметичную гибкую оболочку колеса 3>
придавая ее зубчатому венцу эллиптическую
форму. Деформированный зубчатый венец
гибкой оболочки при вращении ведущего вала
обкатывается по зубчатому венцу жесткого
колеса 49 передавая ему и выходному валу 5
вращательное движение. Небольшая разность
числа зубьев гибкого и жесткого колес
обеспечивает получение большого передаточного
отношения
где Zc> Zf - число зубьев соответственно
жесткого и гибкого колес.
Обычно 350 ? U*n 60. Нижнее значение
ограничивается прочностью гибкого колеса,
верхнее - модулем зацепления.
Волновые герметичные зубчатые вводы
вследствие многопарности зацепления могут
передавать значительный крутящий момент
АЬнх = E .- 30I0-6 (</гK[СТк]>
где dT - диаметр делительной окружности
гибкого колеса, м; [сгк] = 5 ... 7 МПа -
допустимые контактные напряжения для зубьев,
работающих с сухой смазкой типа M0S2.
Для использования всех преимуществ
передач движения через гибкую стенку как
сверхвысоковакуумных их целесообразно
выполнять цельнометаллическими с
использованием стандартных металлических уплотнений.
Во вводах движения через жесткую
стенку общим элементом, характеризующим вводы
этого типа, является жесткая стенка,
обладающая малой газопроницаемостью и отделяющая
исполнительный элемент, работающий в
вакууме, от атмосферы. Стенка проницаема для
определенного вида энергии. Известны три
способа передачи энергии через жесткую
стенку, которые могут быть практически
использованы: электромагнитный (индуктивный),
магнитный и электростатический. Толщина
стенки в значительной степени определяет потери
энергии, и поэтому она выполняется обычно
из стекла, коррозионно-стойкой стали,
керамики и других немагнитных материалов в виде
тонкостенного стакана или жесткой мембраны,
герметично соединяемых с вакуумной
камерой.
В технологическом оборудовании
используют лишь электромагнитные и
магнитные вводы вращения, построенные по
принципу асинхронных двигателей и магнитных
муфт. Долговечность вводов через сплошную
стенку ограничена только работоспособностью
подшипников в вакууме.
Электромагнитный вакуумный ввод
вращения выполнен на базе короткозамкнутого
асинхронного двигателя (рис. 3.1.40), у
которого ротор с валом отделены от статора и
атмосферы герметичной стенкой (экраном) с
глухой втулкой, изготовленными из стали
12Х18Н10Т, внутри которых расположены
подшипники. Охлаждение статора
осуществляется водой, протекающей по трубе,
вмонтированной в корпус статора. Герметизация экрана
в месте соединения с вакуумной камерой
достигается резиновым уплотнением. Заменив
резиновое уплотнение металлическим, можно
прогревать ввод для обезгаживания, что
сделает его пригодным для использования в
сверхвысоковакуумных системах. Толщина
герметизирующей стенки h должна быть значительно
меньше глубины проникновения магнитного

ТИПЫ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ОБОРУДОВАНИЯ
291
Рис. 3.1.40. Электромагнитный ввод вращения на базе
асинхронного двигателя:
1 - глухой герметичный стакан; 2 - вал двигателя;
3 - шарикоподшипник; 4 - корпус статора;
5 - рубашка для принудительного охлаждения
статора; 6 - ротор; 7 - герметичная немагнитная
стенка; 8 - обмотка статора; 9 - уплотнение
присоединительного фланца
поля А в материале стенки [т.е. (h / А) « 1],
так как от соотношения этих величин зависит
количество энергии, теряемой на образование
вредных вихревых токов.
В магнитных вводах, так же, как и в
электромагнитных, ротор, вращающийся в
вакуумном объеме, отделяется от атмосферы
герметичной немагнитной стенкой. Вал
приводится во вращение силами притяжения
магнитов разноименных полюсов, один из
которых закреплен на ведущем валу, находящемся
в атмосфере, а другой - на ведомом,
находящемся в вакууме. Внешняя кольцевая система
1 постоянных магнитов (рис: 3.1.41) обычно
вращается с помощью приводного
электродвигателя и увлекает за собой магнитопровод 2
ведомого вала, который приводит в движение
исполнительный механизм. Эти магнитные
системы разделены герметичной стенкой 3 из
стали аустенитного класса, имеющей большое
электрическое сопротивление.
В большинстве случаев h = 0,5 ... 1,5 мм,
/1 = 0... 3000 мин, h I A = 0 ... 0,075. Тогда
КПД магнитной муфты-ввода составляет
около 0,98. При правильном выборе материалов и
параметров заметное снижение КПД будет
происходить при частоте вращения свыше 104
мин. Электромагнитные и магнитные вводы
используются для быстровращающихся
устройств, работающих в вакууме, например в
турбомолекулярньгх насосах.
Рис. 3.1.41. Магнитный ввод вращения:
а - разрез по оси; б - развертка по окружности
Вводы движения через сплошную стенку
позволяют резко уменьшить газовый поток из
ввода внутрь вакуумной камеры по сравнению
с потоками, характерными для движения через
отверстие. Поток газа из вводов с герметичной
немагнитной стенкой определяется лишь
проницаемостью тонкого участка стенки ввода,
через который осуществляется передача
движения, поэтому они пригодны для
использования в статических вакуумных системах или
при высоком вакууме ДО"8 - 100 Па.
Механические характеристики таких передач хуже,
чем передач через отверстие вследствие ра-
зомкнутости вала и определяются суммой
характеристик промежуточных элементов.
Вследствие малого газовыделения такие вводы
в большинстве случаев являются единственно
пригодными для комплектования
сверхвысоко-вакуумного оборудования. Наиболее
эффективное использование вводов через
сплошную стенку достигается тогда, когда
кроме пассивной функции герметизирующего
устройства (вводы-муфты) последнее
используется для трансформации движения (зубчатая
волновая передача); в этом случае
обеспечиваются высокая точность исполнительного
органа и передача больших усилий.
В последнее время появилась тенденция
применения привода, целиком размещаемого
внутри вакуумной камеры, - автономного
вакуумного привода. В таком приводе не
используются вакуумные вводы движения, что
позволяет сделать конструкцию более жесткой,
точной, но требует использования
определенного набора конструктивных материалов,
обладающих малым газовыделением и не
теряющих при обезгаживании своих
функциональных, свойств (например, свойств изоляции
обмоток электродвигателей, свойств магнитов,
подвижных контактов и т.п.).
Гидроцилиндры (рис. 3.1.38) для
перемещения стола в установке электронной
литографии (см. рис. 3.1.26) можно считать
вариантом автономного привода. Как
показывает анализ компонентов газовыделения, из
такого привода только газовыделение резины
ТРО и прилегающих к ней непрогреваемых
10*

292
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
металлических поверхностей определяет
суммарный поток газовыделения (для данного
примера Qz = 10 м^Па-с). Прогреваемый
автономный вакуумный привод позволяет
реализовать конструкции, в которых
газовыделение будет ограничиваться лишь двумя
составляющими
& = Ск + бвв
3.1.6. КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ
УПРАВЛЯЕМОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Применение приводов на основе
управляемой упругой деформации для
формирования перемещений и сил в высоком вакууме
позволяет создать герметичные механизмы
различного назначения с полным
исключением пар трения движения, отсутствием
привносимой дефектности в виде частиц износа и
быстродействием на уровне 0,1 - 0,2 с.
Основой механизмов этого типа являются
тонкостенные герметичные пневматические
пружины с различным законом изменения радиуса
кривизны центральной оси, имеющие
некруглую форму нормального поперечного сечения.
Давление, подаваемое во внутреннюю полость
привода, вызывает его деформирование,
которое не должно выходить за пределы упругой
области.
В зависимости от перемещения и вида
траектории исполнительного движения
применяют три вида приводов: с незамкнутым
контуром, очерченным по постоянному или
переменному радиусу кривизны; с замкнутым
контуром, образованным герметично
соединенными между собой дугами упругодеформи-
руемых элементов, создающих единую
полость; с прямолинейной осью гладкого или
спиралевидного типа.
Приводы открытого типа (рис. 3.1.42)
характеризуются возможностью
моделирования конфигурации центральной оси по
определенному закону для получения требуемого
направления траектории перемещения
свободного конца и последовательно соединенных с
ним элементов механизма. В ряде случаев эта
характеристика очень важна.
Рис. 3.1.42. Схемы приводов на основе управляемой упругой деформации открытого типа

КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ 293
Рис. 3.1.43. Экраниру!
тройства
Наиболее распространенным и
технологичным является привод с постоянным
радиусом кривизны центральной оси (рис. 3.1.42, д),
от которого зависит перемещение X,, которое в
случае необходимости при подсоединении к
его свободному концу прямолинейного
элемента в виде трубки или стрежня позволяет
увеличить перемещение до Х\ (рис.3.1.42, б).
На рис. 3.1.42, в - е показаны приводы,
центральная ось которых изменяется по
различным законам: соответственно по
архимедовой спирали, параболе, синусоиде, гиперболе.
На рис. 3.1.42, ж приведена схема мно-
говиткового привода, позволяющего получить
угловое перемещение при четном числе витков
с траекторией, близкой к окружности.
На рис. 3.1.42, з показана схема
поворотного устройства, в котором через
центральный коллектор 1 давление подается
одновременно в три привода 2 с идентичными
параметрами, которые передают движение на
обойму 3, Возможно формирование с
помощью незамкнутых контуров прямолинейного
перемещения (рис. 3.1.42, и). На рис. 3.1.42, к
приведены наиболее распространенные и
достаточно технологичные формы нормального
поперечного сечения упругодеформируемого
элемента. При одном и том же отношении
полуосей а/в форма сечения оказывает
влияние на чувствительность привода.
На рис. 3.1.42, л, м изображены
варианты замкнутых контуров приводов,
формирующих линейное перемещение. На рис. 3.1.42, я, о
приведены схемы приводов с прямолинейной
осью. Перемещение w (от нескольких мкм до
единиц мм) возникает за счет деформирования
сечения. Привод этого типа используется в
микроманипуляторах и юстировочных
устройствах. Привод на рис. 3.1.42, о при
спиральной деформации исходного линейного
привода позволяет получить угловое перемещение
до 10 - 12°.
При расчете приводов управляемой
упругой деформации используют энергетический
метод (метод Ритца), но для каждого привода
методы расчета имеют свою специфику.
Существуют таблицы параметрических
рядов. Эти таблицы содержат следующие
сведения: исходный диаметр трубки-заготовки, м;
толщину стенки, мм; радиус кривизны
центральной оси, мм; форму нормального
поперечного сечения; соотношение осей сечения
а I Ь\ угловое перемещение, °; линейное
перемещение, мм; силу, Н; допустимое
давление, МПа.
Для приводов с линейной осью
(рис. 3.1.42, н) указана также рекомендуемая
длина, от которой зависит область равных
перемещений ? .
Простейшими механизмами, созданными
на основе приводов открытого типа, является
серия экранирующих устройств, приведенных
на рис. 3.1.43, устройства для очистки
смотровых окон без разгерметизации вакуумных
камер (рис. 3.1.44).
На рис. 3.1.45 приведены схемы схватов
различного типа для удержания изделий с
внутренней и наружной поверхности.
Рас. 3.1.44. Устройство для очистки смотровых окон
Рис. 3.1.45. Схваты

294
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
На рис. 3.1.46, а показана схема, а на давление подается одновременно в три идеи--
рис. 3.1.46, б - внешний вид двухстворчатого тачных привода 2. Крутящий момент через
экранирующего устройства. пружинные компенсаторы 3 передается
На рис. 3.1.47 показана конструкция по- на обойму 1. Угол поворота обоймы 1
воротного устройства, состоящего из цен- ограничивается пазом в диске 4 и винтом-упо-
трального коллектора 5, через который ром 6.
Рис. 3.1.46. Двухстворчатое экранирующее устройство
Рис. 3.1.47. Поворотное устройство

КОНСТРУКЦИИ ПРИВОДОВ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЯЕМОЙ УПРУГОЙ ДЕФОРМАЦИИ 295
На рис. 3.1.48, а показан внешний вид, а
на рис. 3.1.48, б - схема манипулятора-
переставителя, рассчитанного на выполнение
захвата изделий, подъема их на некоторую
высоту, переноса в горизонтальной плоскости
на некоторый угол и возврата в исходное
положение. Для вертикального перемещения
использован сильфонный ввод.
На рис. 3.1.49, а показан внешний вид, а
на рис. 3.1.49, б - схема манипулятора,
который отличается от предыдущего тем, что
перемещение схвата по круговой и
прямолинейной траектории в вертикальной плоскости
формируется только приводами управляемой
упругой деформации незамкнутого контура.
Формирование движения в горизонтальной
плоскости осуществляется приводом 2 (см.
рис. 3.1.49, б)у а в вертикальной плоскости - за
счет суммарного перемещения системы,
состоящей из приводов 3 и 9 и полых рычагов 4
и 6. Захват изделия осуществляется схватом 7.
Каждое из указанных действий осуществляется
независимо друг от друга в результате подачи
рабочей среды под давлением по заданной
программе по трубкам i, 5, 10 и полым
рычагам 4, 6. Положение схвата при повороте
на заданный угол фиксируется упорами 8.
5)
Рис. ЗЛ.48. Манипулятор-переставитель
Рис 3.1.49. Модер!

296
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
На рис. 3.1.50, а показан внешний вид, а
на рис. 3.1.50, б - схема четырехпозиционного
манипулятора для перегрузки
полупроводниковых пластин. Для поворота четырех схватов
использован многовитковый привод 1 (см.
рис. 3.1.50, 6)> нижний конец которого жестко
и герметично соединен с центральной полой
осью 7, через которую подается рабочая среда
под давлением в привод поворота, а верхний
связан с упругой опорой 2, которая
центрирует положение схватов и обеспечивает
необходимую осевую жесткость манипулятора. Все
схваты 4, каждый из которых представляет
собой конструкцию на основе незамкнутого
привода управляемой упругой деформации,
герметично связан с коллектором 3. В
коллектор рабочая среда под давлением поступает
через центральную трубку 6 и спиральные
трубки 5, предназначенные для компенсации
поворотного движения схватов. Подача
пластин происходит при открытом состоянии
схватов с помощью специального подъемного
устройства (см. рис. ЗД.50, а), в котором
использованы приводы замкнутого контура.
Приводы замкнутого контура могут быть
использованы в транспортных системах.
Схема модуля транспортной системы для
дискретного перемещения изделий приведена
на рис. 3.1.51. Приводы 1, 2, расположенные в
двух взаимно перпендикулярных плоскостях,
передают подвижной рамке 3 вертикальное
перемещение от привода 2 и горизонтальное -
от привода 1. При этом осуществляется
движение переноса изделия над неподвижной
рамкой 4. При сбросе давления в приводе
изделие опускается на рамку 4 и приводы 2 и
1 возвращаются в исходное положение. После
этого выполняется столько циклов, сколько
необходимо для требуемого пути
транспортировки.
Рассмотренные приводы изготовляются
из тонкостенных цельнотянутых трубок-
заготовок толщиной 0,15 - 0,20 мм с
последующим профилированием нормального
поперечного сечения и радиуса кривизны
центральной оси.
В качестве конструкционных материалов
по совокупности свойств, включающих
упруго-прочностные, вакуумно-технические и
технологические характеристики рекомендуются
стали 36НХТЮ, 20X13, 12Х18Н10Т,
перечисленные в порядке ухудшения характеристик.
Критерием работоспособности приводов
на основе управляемой упругой деформации,
используемых в условиях раздела сред
"избыточное давление - высокий вакуум",
является допустимый газовый поток,
проникающий через циклически деформируемые
стенки приводов. Натекание через
деформируемую стенку проявляется существенно
раньше усталостного разрушения по критерию
прочности.
Рис. 3.1.50. Четырехпозиционный манипулятор
а) б)
Рис. 3.1.51. Схема модуля транспортной системы (а) и форма цикла его работы (б)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ И КОМПОНОВКА ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 297
Рис. 3.1.52. Кривые усталости трубчатых элементов по критерию герметичности
На рис. 3.1.52 приведены обобщенные
кривые усталости по критерию герметичности
для трех рекомендуемых материалов. Эти
кривые устанавливают связь между величиной
деформации 8, числом циклов нагружения Nn
и газовым потоком Q через циклически
деформируемую стенку.
Наряду с диаграммами для установления
этих связей можно пользоваться
эмпирической формулой
lgQ = 2,375
т
4(аа - ?_!
-4А
где Q - газовый поток; Nn - число циклов
деформирования; Е - модуль упругости; \|/ -
относительное сужение площади поперечного
сечения; <та - амплитудное напряжение; ств -
предел прочности при статическом
растяжении; &_i, m - константы, зависящие от
механических характеристик конструкционных
материалов.
3.1.7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ И
КОМПОНОВКА ЭЛЕМЕНТОВ ВАКУУМНОГО
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО
КРИТЕРИЮ МИНИМУМА ПРИВНОСИМОЙ
ДЕФЕКТНОСТИ
Теория формирования и распределения
потоков микродисперсных частиц (МДЧ) в
вакууме дает представление о различном
характере поведения пылевидных микрочастиц
при атмосферном давлении, при переходе от
атмосферного давления к вакууму и при
высоком вакууме, определяет граничные условия
действия на МДЧ аэродинамических сил при
откачке и напуске газа, а также молекулярного
воздействия остаточных газов. Основные
положения теории заключаются в следующем:
1) по своей физической сущности потоки
микрочастиц делятся на первичные и вторич-

298
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ные. Первичные потоки образуются из
монолитных материалов и сплошных пленок,
характер их взаимодействия с остаточной средой
определяется случайными столкновениями с
молекулами газа. Вторичные потоки
представляют собой оторванные от внутрикамерных
поверхностей первичные частицы,
перемещающиеся вместе с потоком откачиваемого
или напускаемого газа при аэродинамическом
характере взаимодействия;
2) формирование привносимой
дефектности в результате действия первичных
потоков можно разбить на три стадии (рис. 3.1.53):
генерация микрочастиц, их перемещение от
источника до изделия и осаждение на его
поверхность. Генерация МДЧ является
случайным процессом с соответствующими законами
распределения количества и размеров,
направления и скорости вылета, электрического
заряда и магнитного момента.
X стадия
Л стадия
Ж стадия
Рис. 3.1.53. Схема формирования привносимой
дефектности в результате действия
первичных потоков МДЧ:
т - масса частицы; v - скорость частицы;
g - ускорение свободного падения; Fc - сила
сопротивления среды; у(х) - траектория движения
частицы; <pi - угол вылета частицы; щ - частота
вращения генератора частиц; Un - потенциал
подложки; Ец - напряженность электрического поля
у поверхности подложки; Рэ - сила
электростатического притяжения частицы;
FM - молекулярная сила притяжения частицы;
F- сила удара частицы о поверхность подложки;
Fy - сила упругого столкновения частицы с
поверхностью подложки; Р - вес частицы;
А - атмосфера; ВВ - высокий вакуум
О
Рис. 3.1.54. Графики зави
микрочастиц в высоком вакууме от давления
и размеров частицы
При перемещении в высоком вакууме
частица испытывает сопротивление среды,
действие которой направлено противоположно
движению частицы; сила воздействия меняется
во времени и зависит от давления среды.
Осаждение на подложку зависит от
электрического заряда или магнитного момента МДЧ и
потенциала подложки, а также от силы
упругости, возникающей при столкновении
микрочастицы с подложкой.
На рис. 3.1.54 в виде графика
представлены результаты расчета длины х пролета
микрочастиц размером d4y генерируемых
механизмом, размещенным внутри вакуумной
камеры, при различных скоростях уч вылета
частиц и рабочих давлениях р;
3) формирование привносимой
дефектности в результате действия вторичных
потоков МДЧ также можно разделить на три фазы
(рис. 3.1.55, а): отрыв от поверхности,
перемещение вместе с потоком газа и осаждение
на подложку. На интенсивность этих явлений
влияние оказывают: силы адгезионного
взаимодействия микрочастиц с поверхностью
твердого тела; градиент затухания скорости
движения потоков газа в вакуумной камере во время
его откачки при начальном давлении, равном
атмосферному; габариты, форма и размеры
патрубков; эффективная быстрота откачки и
др. Напуск газа с целью разгерметизации
вакуумной камеры C.1.55, б) оказывает большее,
чем откачка, влияние на отрыв МДЧ от стенок
и внутрикамерной оснастки, так как толщина
пограничного слоя газа у поверхности при
высоком вакууме практически равна нулю и
микрочастицы не "защищены" им.
Размеры отрываемых МДЧ (я?ОТр) лежат в
некотором диапазоне, зависящем от
эффективной быстроты откачки Sq (рис. 3.1.56, а)
или напуска <S^. С возрастанием Sq или Su
этот диапазон, а следовательно, и количество
отрываемых микрочастиц Уотр (рис. 3.1.56, 6),
увеличивается, причем нижняя граница
размеров определяется условием превышения силы
адгезии микрочастицы над силой лобового
воздействия потока газа, а верхняя -
превышения веса частицы. Условие перемещения
микрочастицы в пространстве камеры и ее
удаления в вакуумную систему при откачке
заключается в том, что скорость движения потока
газа превышает стационарную скорость
осаждения МДЧ (кривые */уд и ууд на рис. 3.1.56,
а, б). Часть потока оторванных от
внутрикамерных поверхностей и удаляемых с потоком
газа микрочастиц, сталкиваясь с препятствием,
например с полупроводниковой подложкой,
может осесть на ее поверхность либо упруго
отразиться. Более мелким частицам "проще"
осесть на подложку, так как для них больше
вероятность выполнения условия, что сила

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ И КОМПОНОВКА ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 299
| атмосферное давление
А *** Л
вакуум 9
вакуум -> атмосферное давление
б) .
Рис. 3.1.55. Схема взаимодействия микрочастицы с потоком газа при откачке вакуумного объема с быстротой
откачки Sq (а), при напуске газа в вакуумный объем с быстротой напуска <% (б) и график (а) изменения
отношения скоростей Yj/yq потока газа во время его откачки при начальном давлении, равном атмосферному,
при различном сечении откачного патрубка; V* - текущее значение скорости потока газа; Vo - начальная скорость
потока газа; /* - сила адгезии; Fn - сила лобового сопротивления; FT - сила трения; Fn - подъемная сила;
Р - вес частицы; Fy - сила упругого столкновения; Fn - сила инерции
адгезии превысит силу упругости (кривая doc
на рис. 3.1.56, а). О зависимости количества
осаждающихся на препятствие микрочастиц от
эффективной быстроты откачки однозначно
судить нельзя, так как эта зависимость имеет
экстремум (кривая уос на рис. 3.1.56, б).
Уменьшить генерацию микрочастиц
внугрикамерными механизмами можно
следующим образом: путем выбора
антифрикционных и износостойких материалов;
использованием специальных технологических методов
обработки деталей машин; посредством
разработки конструктивных решений механизмов и
устройств с минимальными потоками МДЧ.
Твердосмазочные покрытия (ТСП) -
ВНИИНП различных марок, пДимолит-4и и
другие износостойкие (нитриды, карбиды и
силициды металлов) и антифрикционные
материалы (фторопласт-4, полиимид и др.)
широко используются в электронном
машиностроении в направляющих, подшипниковых
опорах качения и скольжения и т.п. Наиболее
перспективным с точки зрения минимальной
пылегенерации является покрытие на основе
дисульфида молибдена, нанесенное ионно-
плазменным распылением в вакууме. Поток
МДЧ из подшипника качения с таким
покрытием на 2 - 8 порядков (в зависимости от
наработки) меньше, чем у тех же подшипников
без ТСП. С увеличением наработки поток
микрочастиц из подшипников без покрытия
возрастает, а у подшипников с ТСП
уменьшается (до тех пор, пока покрытие полностью не
износится).
Уменьшению потока выделяемых
микрочастиц способствуют такие нетрадиционные
технологические методы обработки деталей
машин, как плазмо-химическая модификация
резин фторопластом, ионно-плазменное
нанесение в вакууме ТСП на подшипники качения
и скольжения, магнитно-импульсная
обработка ферромагнитных порошков для получения
магнитных жидкостей и др.

300
Глава ЗЛ. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
fOO
to
1
/о-1
to'2
*****
>•
0,01 0,02
в:;;
dyd
/
doc
***
0,050,10,2 Q5
I
:^
/ i
" a
*~*
\
N
»
^ ¦
s
5
,. ¦—'
\
10 20 50So,<
0,8
0,7
0,6
0,5
4+
0,3
0,2
0,1
>
foe
>
}
p"
/^
у
У
г
0,010,02 0,050,1 0f2 0,5
2
5)
5 10 20 5OSo,Sh,0H5/c
Рис. ЗЛ.56. Графики зависимости от эффективной быстроты откачки Sq (быстроты напуска 5^):
а - размеров частиц, отрываемых от поверхности (^отр), удаляемых из объема (*/уд) и осаждаемых на
препятствие (doc); I- "мягкая" откачка; //- "жесткая" откачка; б- числа микрочастиц
Кардинальным решением проблемы
являются механизмы без пар трения в вакууме,
например, на основе управляемой упругой
деформации. Однако по другим критериям
(жесткость, точность, габариты и т.п.) они
существенно уступают традиционным
передаточным механизмам. Из унифицированных
вводов движения в вакуум (манжетных, силь-
фонных, волновых и т.п.), а также
оригинальных конструкций на основе жидких
эвтектических сплавов и магнитных композиций
наименьшим потоком МДЧ обладает ввод с маг-
нитожидкостным уплотнением.
Основные рекомендации по
конструированию и эксплуатации вакуумно-технологичес-
кого оборудования с позиции уменьшения
привносимой дефектности обрабатываемых
изделии приведены ниже.
В присутствии подложек в вакуумной
камере (рис. 3.1.57, а) необходимо проводить
"мягкую" откачку или напуск с быстротой
*$0 < <Somin (см* Рис- 3-1-56> а). При этом
лучше использовать патрубки круглого сечения с
введением их внутрь камеры на глубину,
равную 1,5-2 диаметра, и располагать патрубки
как можно дальше от днища камеры. Стенки
камеры для увеличения силы адгезии частиц к
их поверхности необходимо охлаждать до
температуры около 8 - 10° С, а напускать лучше
более легкий, чем воздух, газ, например азот
или гелий.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ И КОМПОНОВКА ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ 301
Рис. 3.1.57. Рекомендации по конструированию и эксплуатации вакуумного технологического оборудования:
Щ - диаметр условного прохода; Фг - фильтр грубой очистки; Фт - фильтр тонкой очистки;
»%угр min ~ минимальная быстрота откачки, при которой происходит отрыв частицы с поверхности;
М- механический привод; ШЗУ - шлюзовое загрузочное устройство; S^ max - максимальная быстрота
откачки, при которой происходит 100%-ный отрыв частиц с поверхности; ОКГ - оптический квантовый
генератор; КТМ-1 - камера телевизионная матричная; СМИФ - стандартный механический интерфейс:
1 - рабочий источник; 2 - вакуумно-транспортная система; 3 - вакуумный затвор; 4 - вакуумный контейнер;
5 - рабочий источник
По мере заполнения стенок, оснастки и
днища вакуумной камеры продуктами износа,
отслоениями конденсата необходимо при
отсутствии подложек (рис. 3.1.57, б) проводить
очистку камер посредством "жесткой" откачки
с быстротой -So > iSomax (см. рис. 3.1.56, а).
Более эффективны патрубки щелевидной
формы с соотношением сторон 1:5 - 1:10,
располагать их следует как можно ближе к днищу
камеры. Стенки камеры для уменьшения силы
адгезии микрочастиц с поверхностью
необходимо нагревать примерно до 70 - 80° С,
напускать надо хорошо осушенный газ и более
тяжелый, чем воздух, например аргон или
криптон.
Расположение внугрикамерных
механизмов и других источников МДЧ должно быть
таким, чтобы не было прямого попадания
микрочастиц на подложку. Для этого должны
быть применены экраны, лабиринты,
магнитные и электростатические улавливатели.
Пространственное расположение подложек пред-

302
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
почтительнее вертикальное (рис. 3.1.57, в),
перемещать их следует только в верхней части
камеры и механизмами с минимальным
количеством пар трения, например, с помощью
механических рук. Непосредственно перед
обработкой, если необходимо, с подложек
могут быть удалены осевшие на них
микрочастицы с помощью механического, химического,
аэродинамического, электро- и магнитно-
разрядного, а также, лазерного воздействия.
Контроль и анализ потоков осаждающихся на
подложку микрочастиц, а также эффективг
ность их удаления можно вести с помощью
оптических устройств, например на основе
телевизионной камеры, установленной на
микроскопе.
При создании вакуумных многокамерных
установок кластерного типа для производства
сверхбольших интегральных схем важное
значение имеет выбор схем расположения
рабочих модулей и межоперационного транспорта,
обеспечивающих уровень дефектности
изделий, не превышающий допустимый. Это
требование может быть выполнено двумя
способами: первый - традиционный,
заимствованный из машиностроения, заключается в
последовательном расположении вакуумных
технологических модулей и транспортных систем;
второй - нетрадиционный, заключается в
использовании стыкуемых вакуумных
контейнеров, снабженных стандартными
механическими интерфейсами (СМИФ).
ЧПП
Если традиционные конструкторские
решения установок позволяют лишь снизить
привносимую дефектность, то использование
вакуумных СМИФ-контейнеров обеспечивает
радикальное уменьшение дефектности, так
как, во-первых, полностью исключает
попадание на изделие вторичных потоков МДЧ
вследствие того, что давление в контейнере и
камере практически одинаково, во-вторых,
такой способ характеризуется минимальными
вспомогательными ходами и достаточно
высокой надежностью функционирования. Кроме
того, контейнер можно использовать и в
качестве межоперационного накопителя с
практически неограниченной вместимостью и в
качестве межоперационного транспортного
средства. При этом значительно снижаются
требования к чистоте производственного помещения,
т.е. "чистую комнату", по существу, можно
уменьшить до размеров контейнера.
Влиять на процесс набора дозы
привносимой дефектности (рис. 3.1.58) можно путем
выбора класса чистоты производственного
помещения, способа транспортирования и
загрузки изделий в оборудование, типа
вакуумной транспортной системы и структуры
машины, отвечающих требованиям по качеству
и выходу годных микросхем различной
сложности, а также с помощью устройств удаления
микрочастиц, попавших на рабочие
поверхности подложек.
Рис. 3.1.58. Схема управления процессом набора критической дозы микродефектности обрабатываемых изделий:
ЧПП - чистое производственное помещение; D - доза привнесенной дефектности; N4 - поток микрочастиц;
64 К; 256 К; 1М; 4 М; 1 М - информационная емкость микросхемы; г)г - коэффициент выхода годных

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧИСЛА И РАЗМЕРОВ МИКРОЧАСТИЦ ИЗНОСА 303
3.1.8. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧИСЛА И
РАЗМЕРОВ МИКРОЧАСТИЦ ИЗНОСА, ГЕНЕРИРУЕМЫХ
ВНУТРИКАМЕРНЫМИ МЕХАНИЗМАМИ
ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
По мере развития вакуумных технологий
в производстве интегральных микросхем
особенно важное значение приобретает снижение
уровня загрязнений микрочастицами
обрабатываемых изделий.
Наиболее существенным источником
загрязнений микрочастицами вакуумной
технологической среды являются узлы трения внут-
рикамерных механизмов.
Среднее количество N микрочастиц
износа, образующихся в результате работы узла
трения внутрикамерного механизма в единицу
времени, определяется по формуле
где Ih - средняя линейная интенсивность
изнашивания; vc - скорость скольжения во
фрикционном контакте; Ан - номинальная
площадь поверхности трения; V - средний
объем микрочастицы износа.
Минимальное число -ЭДщп микрочастиц
износа, образующихся в единицу времени,
можно записать в виде
Nd
где d - средний диаметр микрочастицы
износа; «S* - путь трения.
Максимальный объем микрочастицы
износа определяют по формуле
Значения Ifo Vy d рассчитывают в
соответствии с выбранной моделью
контактирующих поверхностей.
Так, для контактирующих поверхностей,
моделируемых сферическими сегментами
равных радиусов, расположенных на одном
уровне, среднее количество микрочастиц износа
N = 7,5 • 10"
где ан - контактное напряжение, Н/мм2; адоп -
допустимое контактное напряжение, Н/мм2;
/- коэффициент трения скольжения; г -
радиус фрикционного пятна контакта, мм; гм -
радиус скругления микронеровностей, мм; h -
максимальная высота микронеровностей, мм.
Средний диаметр микрочастицы износа:
для случая упругого контактного
взаимодействия
№
(здесь рк - давление в контакте, Н/мм2; Е\9
Ei - модули упругости контактирующих
материалов, Н/мм2),
для случая пластического контактного
взаимодействия
d =
pKhBrM-h)
Н
где Н - микротвердость менее твердого
материала рассматриваемой пары, Н/мм2.
Максимальный диаметр микрочастицы
износа
На рис. 3.1.59 представлены расчетные и
экспериментальные зависимости,
иллюстрирующие изменение скорости v4 образования
микрочастиц износа от скорости скольжения
vc во фрикционном контакте при давлении в
контакте рк = 0,33 Н/мм2 и остаточном
давлении в вакуумной камере р = 10 Па для
различных пар материалов.
Рис. 3.1.59. Зависимость скорости ?ч образования
микрочастиц износа от скорости скольжения ус
во фрикционном контакте для следующих
пар материалов:
1, Г - сталь 40X13 - сталь 40X13; 2, 2 - сталь 45 -
сталь 45; 3, 3 - молибден М4ВП - молибден М4ВП;
штриховые линии - расчетные значения;
сплошные линии - экспериментальные значения

304
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
с^мкм
JO
20
р
10~
10°
Рис. 3.1.60. Зависимость среднего диаметра d
образующихся микрочастиц износа от удельной
нагрузки в контакте Рк для следующих пар материалов:
1, Г - сталь 40X13 - сталь 40X13; 2, 2' - сталь 45 -
сталь 45; 3, 3' - молибден М4ВП - молибден М4ВП;
штриховые линии - расчетные значения;
сплошные линии - экспериментальные значения
Расчетные и экспериментальные кривые,
иллюстрирующие изменение среднего
диаметра d микрочастиц износа от удельной нагрузки
в контакте Рк при скорости скольжения во
фрикционном контакте vc = 157 мм/с и
остаточном давлении в вакуумной камере р —
— 10~4 Па для различных пар материалов,
представлены на рис. 3.1.60.
На основе проведенных расчетов и
экспериментальных исследований разработана
классификация передач и опор внутри-
камерных механизмов по критерию
минимальной генерации микрочастиц износа (рис.
3.1.61).
Наибольшее число микрочастиц износа
образуется при работе передач винт-гайка i,
червячных передач 2, опор скольжения 3,
зубчато-реечных 4 и зубчатых передач 5.
Несколько меньшее число микрочастиц износа
образуется при работе несоосньгх передач
винт-гайка 6 и волновых передач 7,
значительно меньшее - при работе шариковых
передач винт-гайка 8 и передач с гибкой связью 9,
шариковых направляющих 10 и подшипников
качения 11.
Минимальным числом выделяемых
микрочастиц отличаются механизмы без внешнего
трения на основе упругодеформируемых
трубчатых элементов 12, передачи с магнитным
бесконтактным взаимодействием 13, упругие
14 и магнитные 15 опоры.
Снизить число микрочастиц износа,
генерируемых внутрикамерными механизмами,
можно путем применения устройств
локализации последних посредством гравитационного,
электростатического и магнитного полей.
Устройства локализации могут быть встроены в
функциональные устройства и элементы
вакуумного оборудования, например, в
подшипниковый узел или герметичную волновую
зубчатую передачу.
до -10
до 150
до 700
до Ю00
max
Рис. 3.1.61. Виды передач и опор внутрикамерных механизмов вакуумного оборудования по
критерию минимальной генерации микрочастиц

УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ?- КООРДИНАТНЫХ МЕХАНИЗМОВ
305
3.1.9. УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ ?- КООРДИНАТНЫХ
МЕХАНИЗМОВ
Существенное повышение эксплутацион-
ных характеристик оборудования производства
достигается за счет использования ^-коорди-
натных исполнительных устройств (ИУ), так
как по сравнению с традиционными ИУ они
могут одновременно выполнять функции
манипулятора, транспортного устройства и
устройства виброзащиты (рис. 3.1.62, 3.1.63).
Рис. 3.1.62.1-координ
устройство:
1 - неподвижная база; 2 - выходное звено; 3 - привод
Уравнения движения тела в
^-координатах описываются в линейных величинах, в
качестве которых взяты длины шести отрезков,
соединяющих тело с неподвижной базой
таким образом, что при заданных значениях 1\9
1% ..., 4 образуется геометрически
неизменяемая структура, которая характеризует
положение и движение тела в пространстве
непосредственно в абсолютных неподвижных
координатах, в то время как в традиционных ИУ
текущее положение каждого последующего
звена определяется относительно положения
предыдущего звена, т. е. в относительных
координатах.
Устройства на основе ^-координат в
оборудовании электронной техники используются
в качестве как исполнительных, так и
информационных устройств. Как исполнительные
они используются в роботах, манипуляторах,
загрузочно-транспортных устройствах и
устройствах гашения колебаний по всем шести
степеням. При этом в качестве привода
применяются любые: пневмо-, гидро- и
электромеханический, магнитострикционный и на
основе пьезоэффекта. Как информационные I-
координатные устройства используются в
качестве датчиков силового и моментного
очувствления, устройств для определения
положения и перемещения тела в пространстве, в
которых параметры определяются контактным
или бесконтактным методом, например
ультразвуком.
Рис. 3.1.63. Устройства на основе l-координат в оборудовании ЭТ (технологическая компоновка):
1 - шлюзовое устройство; 2 - /-координатный передающий манипулятор; 3 - камера подготовки объектов;
4 - ^-координатный копирующий манипулятор; 5 - ^-координатный магистральный конвейер;
6 - ^-координатный виброзащитный объектодержатель; 7 - камера выращивания полупроводниковых структур
методом молекулярно-лучевой эпитаксии; 8 - ^-координатный прецизионный манипулятор; 9 - камера
фонового легирования; 10 - магнитный секторный анализатор; 11 - ионный источник Фримана; 12 - камера
обработки ионным пучком; 13 - ионно-оптическая колонна; 14 - ^-координатный прецизионный столик;
15 - аналитическая камера; 16 - ^-координатный прецизионный манипулятор; 17 - ^-координатная
виброизолирующая платформа; 18 - транспортная магистраль; 19 - ^-координатная система метрологической
навигации; 20 - управляющая ЭВМ

306
Глава 3.1. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
,* const
Рис. 3.1.64. Схема исполнительного устройства для оборудования нанесения тошшх пленок
Кинематические возможности
^-координатных ИУ на шесть степеней подвижности
позволяют эффективно использовать их в
оборудовании для нанесения тонких пленок (рис.
3.1.64).
Исходные предпосылки для расчета
^-координатного ИУ в таком оборудовании
следующие:
поток испаряемого вещества и связанная
с ним толщина пленки на поверхности
неподвижной подложки подчиняется закону Кнуд-
сена;
временная нестабильность источника
мала и скорость осаждения вещества в любой
точке подложки постоянна;
миграция атомов по поверхности
подложки и вторичное их испарение
незначительны.
Движение ИУ в двухкоордиантной
системе (неподвижной 0^т]3 и подвижной Oixyt)
должно обеспечить заданный закон
перемещения подложки М (точка Oi совпадает с
центром тяжести подложки).
В точке 0И находится испаритель, при
работе которого вещество осаждается на
подложку со скоростью (см/с)
_ iicospcosy
вещества и нормально к поверхности
испарителя; Р - угол между направлением потока
осаждаемого материала и нормалью к
поверхности подложки; р - плотность осаждаемого
вещества, г/см3; X - расстояние от испарителя
до элементарной площадки, см.
Толщина слоя осажденного вещества на
подложке в точке подложки с координатами
Щ> УВ> ZB в зависимости от промежутка
времени А/ определяется по формуле
За время осаждения t\
где \х - скорость испарения вещества, г/с; у -
угол между направлением потока испаренного
| cos ${xbyi7Zi, t) cos y(xt,yi9zt , t) df
Основные функции устройства на основе
^-координат:
захват подложки с передающего
манипулятора;
перенос подложки в зону осаждения
пленки;
выполнение сложного движения с целью
создания равномерного по толщине покрытия.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ВАКУУМА
307
При условии, что толщина осажденного
вещества в любой точке подложки с
координатами х, у, z должна быть величиной
постоянной на ЭВМ получены выражения для
текущих значений длин тяг 1г исходя из того, что
их начальные значения следующие:
Для создания такого сложного движения
используются шаговые двигатели с системой
управления временными интервалами между
шагами.
Таким образом, с помощью
^-координатных исполнительных устройств можно
воспроизводить любой закон движения ИУ с
любой заданной толщиной осажденного слоя,
исходя из заданного закона распределения
толщины этого слоя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ивашов Е. Н., Некрасов М. И., Сте-
шшчиков С. В. Особенности расчетов
шарикоподшипников вакуумного машиностроения //
Вестник машиностроения, 1991, № 12. С. 32 -
34.
2. Ивашов Е. Н., Стешшчиков С. В.
Инженерная методика расчета механических устройств
микроэлектроники на привносимый уровень
загрязнений / Достижения и перспективы
технологической экологии микроэлектроники в чистых
производственных помещениях: Сб. докл. IV
науч.-техн. конф. СНГ и зарубежных стран. М.:
МИЭТ, 1992. С. 121 - 127.
3. Мальгин С. Н., Панфилов Ю. В.
Кластерное оборудование в микроэлектронике //
Обзоры по электронной технике. Сер. 7. ТО-
ПО, Вып. 1 A701), 1994, 120 с.
4. Панфилов Ю. В. Основы теории
формирования и распределения потоков
микродисперсных частиц в вакууме // Вестник
МГТУ. Машиностроение. Вып. 2, 1993.
С. 87 - 94.
5. Панфилов Ю. В. Проектирование -
вакуумного технологического оборудования
для производства СБИС по критерию
минимума привносимой дефектности //
Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника.
Вып. 1 A35), 1990. С. 51 - 59.
6. Повышение кинематической точности
приводов движения в вакуум с
использованием вероятностных методов расчета / Е. А. Де-
улин, С. М. Латышев, И. В. Панкратов,
А. Б. Усов // Электронная техника. Сер. 7.
ТОПО. Вып. 3 A42), 1987. С. S6 - 90.
7. Расчет точности герметичной
волновой зубчатой передачи методом
имитационного моделирования на ЭВМ / Е. А. Деулин,
С. Г. Демидов, Н. С. Вагин, В. В. Ябжанов //
Известия вузов. Машиностроение, 1988, JSfe 8.
С. 38 - 44.
8. Стешшчиков С. В. Критерии
рационального проектирования вакуумного
оборудования с учетом его воздействия на техноэко-
логическую среду // Автоматическое
оборудование и технология производства изделий
электронной техники: Межвузовский сб. науч.
трудов. М.: МИЭМ, 1991. С. 12 - 17.
Глава 3.2
ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ И
ПОДДЕРЖАНИЯ ВАКУУМА
Для создания и поддержания вакуума
используются вакуумные системы (рис. 3.2.1),
состоящие (в простейшем виде) из
герметичной камеры i, датчиков давления 2> крана 3,
трубопровода 4 и насоса 5. При работе насоса
газовый поток ft одинаков в любом сечении
/-й системы:
Qi = Pisi = const.
При этом давление на входе в насос р^
всегда меньше давления р$ на выходе из
откачиваемой камеры, что обусловлено наличием в
системе трубопровода и других элементов,
оказывающих сопротивление прохождению
потока газа.
Рис. 3.2.1. Простейшая вакуумная система

308
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Вакуумные технологические установки
характеризуются предельным остаточным
давлением рп и рабочим давлением pp. Под
предельным остаточным давлением установки
понимают наименьшее давление, полученное в.
чистой и сухой рабочей камере установки. Оно
зависит от следующих факторов:
типа применяемого насоса или
комбинаций насосов, а также дополнительных
конструкционных элементов (например
охлаждаемых или сорбционных ловушек и др.);
вакуумной герметичности установки,
которая в значительной степени определяется
видом, числом и герметичностью разборных
соединений.
Практически общий газовый поток течей
не должен превышать 5 - 10 % быстроты
действия требуемого (для данного конкретного
случая) насоса. Под рабочим давлением
понимают давление, установившееся в рабочей
камере с учетом потока легколетучих
субстанций QT при проведении технологического
процесса. В общем виде изменение рабочего
давления рр во времени описывается
выражением:
На практике измерение рабочего
давления производится только в том месте, где
находится датчик вакуумметра. Если в
откачиваемой камере находятся легколетучие
вещества, давление насыщенных паров которых выше
предельного остаточного давления и поток
которых выше эффективной быстроты
откачки, то в камере до полной откачки этого
вещества давление будет практически равно
давлению насыщенных паров этого вещества.
Следует учитывать следующие
особенности использования вакуумной техники для
создания и поддержания вакуума в различных
диапазонах давлений. В области низкого
вакуума A05 - 102 Па) не предъявляется особых
требований к тщательной очистке
поверхностей, а также к герметичности и
газоотделению. На практике иногда используют запор-
но-регулирующую арматуру, применяемую в
обычных газопроводах. В качестве откачных
средств используют одноступенчатые
механические насосы. При больших потоках
откачиваемой пыли насосы защищают
пылеуловителями, установленными на всасывающем
патрубке. В таких случаях рекомендуется также
использовать водоструйные или водокольце-
вые насосы.
Измерение вакуума производится, как
правило, механическими деформационными
вакуумметрами, использующими в качестве
чувствительного элемента сильфон, мембрану,
трубки Бурдона и др. Показания этих вакуу-
метров не зависят от рода газа или пара.
В области среднего вакуума A02 -10 Па)
газоотделение со стенок незначительно, и им
можно в расчетах пренебречь, однако
конструкционные элементы, поступающие с завода-
изготовителя, следует тщательно обезгаживать
и сушить. Газовый поток в вакуумную систему
не должен превышать 10~4 м3-Па-с, иначе
потребуется применение неэкономично
больших насосов. Уплотнительные прокладки
выполняются из эластомеров.
В области среднего вакуума используется
двухступенчатые механические насосы с
быстродействием до нескольких десятков дм3/с, а также
многоступенчатые пароструйные насосы.
Выпускают вакуумные агрегаты с комбинацией насосов:
с двухступенчатым механическим насосом и
адсорбционной ловушкой; с двухроторным и
механическим насосами; с двухроторным и водоколь-
цевым насосами; с многоступенчатыми
пароводяными струйными насосами.
Измерение давлений в области среднего
вакуума производится тепловыми
вакуумметрами, принцип действия которых основан на
зависимости теплопроводности разреженного
газа от давления (вакуумметры сопротивления
и термопарные).
В области высокого вакуума @,1 - 10 Па)
главную роль при откачке играет
газоотделение со стенок рабочих камер установок, в то
время как газы, находящиеся в объеме рабочих
камер, практически не влияют на длительность
откачки до предельного вакуума. Количество
десорбируемых газов зависит от площади и
чистоты внутренних поверхностей установки.
Необходимо, чтобы суммарный поток
вакуумной установки был не более 10~6 м^Па-с*1.
Разборные соединения уплотняются
эластомерами. Электровводы должны быть метал-
локерамическими или металлостеклянными.
Вентили должны иметь сильфонные
уплотнения. В области высокого вакуума в основном
используются диффузионные и турбомолеку-
лярные насосы, а также криоконденсационные
насосы с азотным охлаждением, так как при
обезгаживании системы с прогревом ее
горячей водой в основном с внутренних стенок
десорбируются пары воды.
Выпускают высоковакуумные агрегаты с
системой автоматического управления. Для
измерения вакуума применяются,
ионизационные (электронные и магнитные
электроразрядные) вакуумметры, действие которых
основано на зависимости ионного тока,
возникающего в результате ионизации молекул
разреженного газа, от измеряемого давления.
В области сверхвысокого вакуума (менее
10 Па) основным требованием к вакуумной
системе является возможность ее прогрева до
600 К в процессе обезгаживания в течение
нескольких часов, поэтому все элементы
вакуумных систем изготовляют преимущественно
из коррозионно-стойкой стали. Для
уплотнения разборных соединений применяются
уплотнительные прокладки из алюминия, меди и
индия.

ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ И ЛОВУШКИ
309
В качестве откачных средств
используются полностью или частично прогреваемые
безмасляные насосы: турбомолекулярные, ионно-
геттерные, криогенные. Часто используются
комбинации сверхвысоковакуумных насосов.
Например, криогенные насосы комбинируют с
титановыми испарительными насосами,
которые эффективно откачивают водород,
являющийся основной компонентой остаточной
среды в этой области вакуума.
В технике сверхвысокого вакуума
получение сверхнизких давлений за короткое
время - не главное. Основной задачей является
отсутствие углеводородов в остаточной среде.
Для измерения давлений в этой области
используются ионизационные вакуумметры.
3,2.2. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ И ЛОВУШКИ
Основным элементом вакуумных систем
являются вакуумные насосы, которые
подразделяются на механические и немеханические.
К механическим относятся: поршневые, жид-
костно-кольцевые (низкого вакуума);
золотниковые, пластинчато-роторные и пластинчато-
статорные, двухроторные (среднего вакуума);
турбомолекулярные (высокого и
сверхвысокого вакуума). Принцип действия
механических насосов основан на перемещении
откачиваемого газа вследствие механического
движения рабочих частей насоса, при котором
происходит периодическое изменение объема
рабочей камеры, или на сообщении молекулам
разреженного газа направленной
дополнительной скорости быстро движущейся рабочей
поверхностью насоса.
К немеханическим насосам относятся
эжекторные и бустерные (низкого и среднего
вакуума); сорбционные (среднего и высокого
вакуума); диффузионные, магниторазрядные,
ионно-гетгерные, криогенные (высокого и
сверхвысокого вакуума). Принцип действия
этих насосов основан на использовании в
качестве откачивающего элемента
высокоскоростной струи или высокоэффективной
сорбирующей поверхности.
Основными параметрами насосов,
которые обычно указаны в паспортных данных,
являются:
предельное остаточное давление рп -
наименьшее давление, которое может быть
создано данным насосом при закрытом
входном патрубке;
быстрота действия SH - объем газа,
проходящий в единицу времени при данном
давлении через сечение входного патрубка. Для
каждого типа насосов существует зависимость
быстроты действия от давления;
наибольшее давление запуска р3 -
наибольшее давление во входном патрубке, при
котором насос начинает нормально работать.
По этому параметру насосы делятся на две
группы: насосы, наибольшее давление запуска
которых равно атмосферному, и насосы,
требующие для работы предварительного
разрежения - форвакуума;
наибольшее выпускное давление рв -
наибольшее давление в выходном патрубке,
при котором насос еще может выполнять
откачку.
Поршневые вакуумные насосы.
Принципиально эти насосы представляют собой
обычные поршневые компрессоры, к которым
предъявляются повышенные требования в
отношении размеров "мертвого" пространства
под поршнем (рис. 3.2.2, а). В корпусе i,
закрепленном на фундаменте 7, смонтирован
кривошипно-шатунный механизм 2,
обеспечивающий возвратно-поступательное движение
поршня 3. В дне цилиндра, в области мертвого
пространства 6 расположены всасывающий 4 и
нагнетающий 5 клапаны.
Эти насосы используются при
номинальном давлении всасывания 20 - 10 кПа с
предельным остаточным давлением 5 -2 кПа.
Типичная откачная характеристика
ступенчатого насоса приведена на рис. 3.2.2, б. На этом
рисунке и других в гл. 3.2 S^ -в % от
номинального значения. Поршневые насосы
применяют в промышленности для откачки сухих
газов, а также газов с примесью капельной
жидкости. Достоинством этих насосов
является высокий КПД, надежность работы,
возможность длительной эксплуатации. К
недостаткам насосов можно отнести значительную
металлоемкость, большие габариты,
потребность в фундаментах.
2Ор,нЛа
Рис 3.2.2. Принципиальная схема (а) и откачная
характеристика (б) поршневого насоса

310
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Водокольцевые насосы. Схема водоколь-
цевого насоса показана на рис. 3.2.3, а. В
цилиндрическом корпусе 2 эксцентрично
расположено рабочее колесо 4 с лопатками 1,
которые при вращении отбрасывают поступающую
воду к стенкам корпуса, образуя вращающееся
водяное кольцо 3. В верхней части внутренняя
поверхность водяного кольца касается ступицы
рабочего колеса. На торцевых крышках
корпуса имеются всасывающее 9 и выхлопное 5
окна (на рисунке зачернены), соединенные
соответственно с патрубками 6 и 8,
На протяжении первого полуоборота
колеса от всасывающего отверстия объем между
ступицей колеса и внутренней поверхностью
водяного кольца увеличивается и туда
поступает газ, который при дальнейшем повороте
сжимается и выбрасывается в выхлопное
отверстие. Излишки циркулирующей через насос
воды выбрасываются через выхлопное
отверстие и собираются в сосуде 7.
Эти насосы обеспечивают быстроту
действия, 5 - 500 дм3/а Основные достоинства
водокольцевых насосов: на их работу не влияет
попадание конденсируемых паров или даже
жидкостей, они способны откачивать газы,
содержащие взвешенные твердые частицы,
просты в обслуживании. Типичная откачная
характеристика представлена на рис. 3.2.3, б.
6 610 20 Wp,H/7a
Рис. 3.2.3. Принципиальная схема (а) и откачная
характеристика (б) водокольцевого насоса
Пластинчато-роторные насосы. Эти
насосы (рис. 3.2.4, а) получили наибольшее
распространение. Рабочая камера 2 насоса
расположена в заполненном маслом вакуумном
корпусе 6. В роторе 1 имеется сквозная
щелевая прорезь, куда вставляются две пластины 4
с разжимной пружиной 3. Впускной патрубок
8 проходит через крышку корпуса 6, масляную
ванну 5 и стенку камеры 2 в ее откачное
пространство, где вращается ротор 1 в
направлении, показанном стрелками. Ось вращения
ротора смещена вверх по отношению к оси
рабочей камеры так, что ротор при вращении
постоянно соприкасается в верхней части с
внутренней стенкой рабочей камеры. При
вращении ротора пластины 4> разжимаемые
пружиной 3 и центробежной силой вращения,
скользят по внутренней цилиндрической
поверхности рабочей камеры вдоль прорезей
сближаясь и удаляясь друг от друга. В
выходном патрубке рабочей камеры расположен
представляющий собой подпружиненную
пластину выхлопной клапан 7.
во
20
«А
I
I
I
/7
h
10'*
6)
fO~f
Рис 3.2.4. Принципиальная схема пластичато-
роторного насоса (а) и откачные характеристика (б)
механических вакуумных насосов с
масляным уплотнением

ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ И ЛОВУШКИ
311
У одноступенчатых насосов остаточное
давление составляет порядка 310 Па, а у
двухступенчатых - 10~3 Па. Они обеспечивают
быстроту действия до 40 дм3/с Типичная от-
качная характеристика механических насосов с
масляным уплотнением представлена на рис.
3.2.4, б, где 1 - одноступенчатый насос; 2 -
двухступенчатый; 3 - одноступенчатый с
газобалластом; 4 - двухступенчатый с
газобалластом. При откачке влажных газов в процессе
сжатия во внутренней полости насоса
образуется конденсат, который, смешиваясь с
рабочим маслом, резко повышает предельное
давление. Поэтому эти насосы снабжают
газобалластными устройствами, которые
осуществляют напуск газа в камеру сжатия для
предотвращения конденсации паров при сжатии.
Пластивчато-статорные насосы. В пла-
стинчато-статорных насосах (рис. 3.2.5)
пластина 3 движется возвратно-поступательно в
пазу корпуса i, прижимается к ротору 2
рычажным механизмом 5 и делит серпообразную
полость между ротором 2 и корпусом 1 на две
рабочие полости. Газ всасывается через
входной патрубок 4, который перекрывается
ротором. Когда входной патрубок 4 открыт, газ
входит в рабочую полость приблизительно в
течение одного оборота ротора. После
перекрытия ротором входного патрубка в рабочей
полости происходит сжатие газа, который
через клапан 6 выталкивается в выходной
патрубок. По вакуумным характеристикам эти
насосы практически подобны пластинчато-
роторным насосам. При откачке влагосодер-
жащих газов эти насосы снабжаются
газобалластными устройствами.
Плунжерные насосы. Конструкция насоса
представлена на рис. 3.2.6. В герметичном
корпусе 1 расположен золотник 2, который
приводится в движение с помощью
эксцентрика 3, расположенного на валу 4. Золотник
совершает поступательно-вращательное
движение, причем его плоский участок двигается
в цилиндрических направляющих 5,
вращающихся вокруг оси.
При вращении ротора в определенные
моменты времени зона всасывания через окно
7 в пластине коробки золотника соединяется с
рабочей полостью и последняя заполняется
откачиваемым газом. Всасывание
заканчивается при разделении указанных полостей, при
этом ротор совершает практически полный
оборот. В течение следующего оборота
замкнутый объем, занимаемый откачиваемым газом
или парогазовой смесью, уменьшается,
происходит сжатие до давления, при котором
открывается выпускной клапан 6 и
осуществляется выхлоп газа через маслоотделитель в
атмосферу.
Эти насосы обеспечивают диапазон
давлений откачиваемой среды для
одноступенчатого варианта ДО4 - 7 Па, для двухступенчатого
104 - 10 Па. Быстрота действия составляет
1 - 500 дм3/с При откачке сред со
значительным содержанием парогазовых смесей
применяются газобалластные устройства.
Для этого типа насосов характерен
малый износ золотника и корпуса насоса, так
как реализуется бесконтактное скольжение
золотника в цилиндре. К недостаткам следует
отнести значительную неуравновешенность
движущихся масс.
Рис. 3.2.5. Схема пластинчато-статорного насоса
Рис. 3.2.6. Схема (а) и
откачная характеристика (<5) плунжерного

312
Глава 3.2. ВАКУУМЙЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Двухроторные насосы. Их иногда
называют насосами Рутса. ОниЪге имеют масляного
уплотнения. Такие насосы состоят из корпуса
3 (рис. 3.2.7, а) с впускным 10 и выпускным 8
патрубками и расположенной в корпусе
камеры 7 с двумя вращающимися роторами 6 и 9,
имеющими конфигурацию в виде восьмерки.
При работе насоса два ротора вращаются
навстречу друг другу в направлениях,
указанных стрелками. Вращение валов 5,
опирающихся на подшипники 2Ь осуществляется
электродвигателем 1 через шестеренчатую
передачу 4. Форма и синхронное вращение
роторов подбираются так, чтобы между самими
роторами, а также между стенками камеры
постоянно сохранялся небольшой зазор @,1 -
0,15 мм), что допускает высокую угловую
скорость роторов (до 3000 мин) и обеспечивает
большую быстроту действия. В процессе
эксплуатации насоса необходимо создавать
предварительное разрежение, для реализации
которого обычно используется пластинчато-
роторный насос, обеспечивающий давление
запуска порядка нескольких сотен паскаль.
Одноступенчатые насосы создают
разрежение порядка 10 Па и быстроту действия до
50 м3/с, двухступенчатые - соответственно
10 Па и 50-10 и 5-Ю м3/с. Типичная от-
качная характеристика представлена на рис.
3.2.7, б. Основными достоинствами этих
насосов являются отсутствие трения в роторном
механизме, хорошая динамическая
балансировка, малые габариты и масса.
Поскольку двухроторные насосы
работают в паре с механическими форвакуумными,
их компонуют в виде агрегата на едином
основании с приводом от одного электродвигателя.
Турбомолекулярные насосы. Эти насосы
относятся к механическим высоковакуумным
средствам откачки и их принцип действия
основан на сообщении молекулам
разреженного газа направленной дополнительной
скорости быстро движущейся твердой
поверхностью. Насос (рис. 3.2.8, а) имеет цилидриче-
ский корпус 2 с впускным 1 и выпускным 6
патрубками, по оси которого расположен
опирающийся на подшипник 5 ротор 4. Внутри
на стенках корпуса установлены неподвижные
статорные диски 3, а в промежутках между
ними расположены закрепленные на роторе
диски 7. Зазор между дисками 3 и 7
приблизительно равен 1 мм. На рис. 3.2.8, б показаны
несколько дисков с направленными под углом
радиальными прорезями. Прорези статорных
дисков 3 являются как бы зеркальным
отражением прорезей роторных дисков 7 и образуют
клинообразные каналы. При быстром
вращении роторных дисков относительно статорных
молекулы газа 8, 9, ударяясь о стенки 10 их
прорезей, преимущественно движутся в
направлении, показанном стрелками. Таким
образом, газ последовательно перемещается от
одной пары дисков к другой, в чем и состоит
откачивающее действие насоса.
Эти насосы обеспечивают предельное
остаточное давление порядка 10 - 10"9 Па и
быстроту действия 510 м3/с. Типичная от-
качная характеристика представлена на рис.
3.2.8, в A - для воздуха, 2 - для водорода).
Турбомолекулярные насосы не могут работать
без предварительного разрежения,
создаваемого механическим форвакуумным насосом.
Попадание твердых инородных частиц и
предметов в полость насосов может привести к
отказу насоса.
100
50
f
f
/
/
/
/
\
\
\
\
\
\
10° 101 1G2 10э
Р. Па
a) 6)
Рис. 3.2.7. Схема (а) и откачная характеристика (б) двухроторного насоса
/
\
а) б) в)
Рис. 3.2.8. Схемы турбомолекулярного насоса (а), направленного движения газа (б) и откачная характеристика (в)

ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ И ЛОВУШКИ
313
Рис. 3.2.9. Схема жидкостно-струйного насоса
Жидкостно-струйные насосы. Принцип
действия насоса (рис. 3.2.9) основан на
использовании откачивающего действия струи
рабочей жидкости (чаще всего водопроводной
воды под давлением 2,5-105 Па), истекающей
из сопла 1 в приемную камеру 2. Здесь
откачиваемый газ (воздух) в зоне действия струи
перемешивается с нею и смесь рабочей
жидкости с газом попадает затем в цилиндрическую
камеру 3, за которой расположен
расширяющийся диффузор 4. В диффузоре статическое
давление смеси рабочей жидкости и газа
повышается за счет уменьшения скорости до
достижения выпускного давления.
Предельное остаточное давление насоса
определяется упругостью паров рабочей
жидкости и увеличивается с повышением
температуры. Так, для водоструйных насосов при
температуре воды 293 К остаточное давление
составляет 2,3 кПа. Производительность насоса
возрастает с повышением давления воды.
Жидкостно-струйные насосы могут
откачивать любые газы, пары и парогазовые смеси.
Пароэжекторные насосы. Принцип
действия насоса (рис. 3.2.10, а) состоит в том, что
пар под давлением истекает через
расширяющееся сопло 1 со сверхзвуковой скоростью в
виде турбулентной или ламинарной струи. В
конфузоре 2 происходят захват и увлечение
молекул газа. В горловине 3 эжектора
завершается выравнивание всех параметров смеси
(давления, плотности, скорости, температуры).
Далее в насадке-диффузоре 4 происходит
переход кинетической энергии смеси в
потенциальную, сопровождающийся уменьшением
скорости и повышением давления смеси до
выпускного.
Обычно одна ступень пароводяного
эжектора сжимает газ в 5 - 10 раз. Для
получения более низкого давления необходимо
устанавливать ряд ступеней последовательно.
Предельное остаточное давление этих насосов
является второстепенной характеристикой, так
как основным назначением их является работа
в области максимальной производительности.
Зависимость быстроты действия насоса
от впускного давления имеет вид кривой с
максимумом, соответствующим рабочей точке
(рис. 3.2.10, б).
Адсорбционные насосы. Принцип
действия этих насосов основан на способности
рабочего вещества - высокопористого сорбента
(цеолита. Активированного угля, силикагеля и
т.п.) - пр ^охлаждении жидким азотом
поглощать при низких давлениях значительное
количество газов.
Адсорбционный насос представляет
собой устройство (рис. 3.2.11), содержащее слой
сорбента 3, засыпанного между сетчатым
цилиндром 4 и наружной стенкой сосуда 5,
заливаемого жидким азотом через трубку 2. В
корпусе 1 насоса имеется фланец для входа
откачиваемого газа 6, Адсорбционные насосы
позволяют получить остаточное давление 10~3 Па
в замкнутых объемах. Для определения
емкостных характеристик насосов используются
графические зависимости сорбционной
емкости от давления откачиваемого газа.
К недостаткам адсорбционных насосов
относятся необходимость периодической
регенерации адсорбента путем его нагрева, а также
значительное время запуска.
W1 W0 р,ла
б)
Рис. 3.2.10. Схема (а) и откачная характеристика (б)
пароэжекторного насоса
Рис. 3.2.11. Схема адсорбционного насоса

314
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Геттерные испарительные насосы.
Принцип действия этих насосов основан на
физическом и химическом связывании газов
поверхностями, которые "обновляются" путем
конденсации на них термически испаряемого
геттера, в основном, титана, который образует
прочные нелетучие, соединения или твердые
растворы почти сскДсеми газами (кроме
инертных газов и углеводородов).
Схема насоса представлена на рис. 3.2.12,
а. Внутри корпуса 1 насоса расположен
электронно-лучевой испаритель 3 титана с запасом
титановой проволоки и механизмом для ее
периодической подачи в зону нагрева. Внутри
корпуса насоса также расположен
цилиндрический экран 6, охлаждаемый жидким азотом
из сосуда Дьюара 2. Испаряемый титан
осаждается на этой охлажденной поверхности, а
небольшой экран 5, установленный перед
испарителем, исключает попадание титана в
откачиваемый объем.
К патрубку 4 подсоединяется
вспомогательный насос для откачки несорбируемых
газов. Такие насосы работают при давлении
10 - 10"8 Па, обеспечивают быстроту
действия по водороду до 30 м3/с Эти насосы имеют
ярко выраженную селективность по
различным газам (рис. 3.2.12, б: кривая 1 - по
водороду; 2 - по азоту, кислороду; 3 - по воздуху).
Испарение геттера осуществляется также
в некоторых насосах резистивным или
электродуговым нагревом.
Диффузионные паромасляные насосы.
Принцип действия этих насосов основан на
откачивающем действии паровой струи, путем
диффузии молекул откачиваемых газов в
струю и унос их в направлении откачки.
Конструкция насоса показана на рис.
3.2.13, а. Он включает в себя цилиндрический
корпус 12, паропроводы 6 - 8 с соплами
9 - 11; кипятильник 5, куда заливается масло,
и электронагреватель 4, Корпус охлаждается
водой, протекающей по змеевику 2. Он в
верхней части имеет патрубок 1 для впуска
откачиваемого газа 13, в нижней части -
выпускной патрубок 3 для подсоединения форваку-
умного насоса.
При включении насоса образовавшиеся
пары поднимаются по паропроводам 6 - 8 и со
сверхзвуковой скоростью выбрасываются к
стенке насоса через сопла 11, 10 и 9.
Молекулы откачиваемого газа последовательно
диффундируют в струи пара первой, второй и
третьей ступеней и выбрасываются через
патрубок 3.
too
80
SO
20
Ю~8 tO~7 Ю~6 W~s W* p.na
6)
Рис. 3.2.12. Схема (а) и откачная характеристика (б) геттерного испарительного насоса
Л 1.11 _
100
50
/
/
/
ч
\
\
>
is
Рис. 3.2.13. Схема (а) и <
4 б 1(Г*2 4 6 1(Гг2 ¦ 6 UF*2 4 6 р,Ла
б)
ка (б) диффузионного паромасляного насоса

ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ И ЛОВУШКИ
315
$„, %
\
\
ч
s
Т(Гг tO~f 10° р,Па
Рис. 3.2.14. Откачная характеристика бустерного паро-
масляного насоса
Эти насосы обеспечивают предельное
остаточное давление 10 Па и ниже, быстроту
действия - от единиц до нескольких десятков
тысяч дм3/с. Типичная откачная
характеристика представлена на рис. 3.2.13, б (кривая 1 -
без маслоотражателя; кривая 2-е
маслоотражателем).
Основным недостатком паромасляных
насосов является обратное проникновение
паров рабочей жидкости из насоса в
откачиваемый объем.
Бустерные паромасляные насосы. Бустер-
ные паромасляные насосы конструктивно
аналогичны диффузионным насосам.
Отличительными особенностями являются: меньший
зазор между соплом и корпусом, т.е. меньшее
входное сечение; повышенная плотность струи
масляного пара за счет применения
легколетучих сортов масла и увеличения мощности
подогревателей; наличие инжекторной входной
ступени, обеспечивающей высокое выпускное
давление.
Наибольшая быстрота действия этих
насосов обеспечивается в диапазоне давления
10 - 10 Па. У этих насосов предусмотрена
быстрота действия от нескольких сотен до
нескольких тысяч дм3/с.
Типичная откачная характеристика
представлена на рис. 3.2.14.
Магнитные электроразрядные насосы.
Принцип действия этих насосов основан на
использовании разряда в скрещенных
электрическом и магнитном полях (разряд Пен-
нинга) для ионизации откачиваемых газов и
распыления геттерного материала катодов.
Схема простейшего диодного насоса
показана на рис. 3.2.15, а. В немагнитном
корпусе 3 насоса размещена электродная система,
состоящая из элекгроизолированного
многоячеистого анода 1 и катодных пластин 2,
покрытых титаном и установленных в магнитном
поле, создаваемом постоянными магнитами 4.
При подаче на электроды разности
потенциалов в несколько киловольт в ячейках
возникает газовый разряд, поддерживающийся в
широком диапазоне давления. Образовавшиеся в
разряде ионы бомбардируют катоды и
вызывают интенсивное распыление материала
катодов и осаждение его в основном на аноде.
Откачка химически активных газов в основном
происходит на аноде с образованием
химических соединений и твердых растворов. Откачка
инертных газов происходит в основном за счет
адсорбции их ионов на покрытых титаном
поверхностях с последующим их
замуровыванием постоянно осаждаемым титаном.
Эти насосы обеспечивают предельное
остаточное давление порядка 10"8 Па и быстроту
действия от единиц до нескольких сотен дм3/с.
Откачная характеристика насоса представлена
на рис. 3.2.15, б. Эти насосы требуют
предварительного разрежения при запуске порядка
Ю-3 Па.
Геттерно-ионные насосы. Принцип
действия этих насосов основан на поглощении газов
периодически или непрерывно наносимой
пленкой активного вещества и улучшении
откачки инертных газов и углеводородов за
счет ионизации и улавливания положительных
ионов отрицательно заряженными элементами
насоса, запыляемыми активным веществом.
На рис. 3.2.16, а представлена схема гет-
терно-ионного насоса. Внутри водоохлаждае-
мого корпуса 4 размещены прямонакальный
вольфрамовый катод i, два испарителя 2 и
анод 3, смонтированные на днище 5. Для
предварительной откачают насоса
предусмотрен патрубок 6. Вода к корпусу насоса
подается через патрубок 7 и сливается через патрубок
8. Испаритель 2 титана представляет собой
молибденовый керн диаметром 1 мм с
нанесенным на него слоем йодидного титана
толщиной 0,5 мм. Ионизация газов
осуществляется электронами, эмиттируемыми катодом 1.
Сетчатый анод 3 находится под напряжением
1000 - 1200 В относительно катода.
Откачная характеристика насоса
представлена на рис. 3.2.16, б (кривая /). При
подключении диффузионного насоса к патрубку 6
скорость откачки увеличивается (кривая 2).
Предельное давление этих насосов достигает
10~7 Па. При запуске насоса требуется прогрев
при температуре 600 К и давлении 10 Па в
течение 4 - 6 ч.
Криогенные насосы. Принцип действия
этих насосов основан на физических явлениях,
происходящих при сверхнизких криогенных
температурах A20 - 4 К): конденсации на
охлажденных металлических поверхностях газов
в твердое состояние и адсорбции их твердыми
охлажденными пористыми адсорбентами (для
откачки неконденсируемых газов).
Конструктивно криогенные насосы
(рис. 3.2.17, а) состоят из четырех составных
элементов: криопанели 49 теплозащитного
экрана 8У корпуса 9 и системы охлаждения,
которая может быть выполнена на базе крио-
генератора 1 либо в заливном варианте с
использованием жидкого криоагента. Криопа-
нель 4, являющаяся откачивающим элементом
насоса, представляет собой охлаждаемую до

316
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
2 1
W'8 Я? «Г* 1Q~S W-* Ю~3 1О'г
Рис 3.2.15. Схема (в) и откачная характеристика (б) магнитного электроразрядного насоса
100
75
50
25
а) б)
Рис. 3.2.16. Схема (а) и откачная характеристика (б) геттерно-ионного насоса
/
О /
л У1
О
75
I I
W'5 «Г* 10"'. 1
а) 6)
Рис. 3.2.17. Схема (а) и откачная характеристика (б) криогенного насоса
р,Пп

ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ И ЛОВУШКИ
317
криогенных температур (около 20 К)
металлическую поверхность, на которой происходит
конденсация в твердое состояние
откачиваемых газов. Неконденсируемые газы
откачиваются адсорбентами J, приклеиваемыми в виде
тонкой пленки к поверхности криопанели.
Теплозащитный экран <?, охлаждаемый
примерно до 100 К, служит для снижения
теплового излучения на криопанель. Корпус 9
имеет фланец 7 для соединения с
откачиваемым объемом 6 через уплотнительную
прокладку 5. От первой ступени 2 криогенератора
1 охлаждается защитный экран #, от второй
ступени 10 охлаждается криопанель 4.
Перед включением крионасоса рабочую
камеру предварительно откачивают
механическим насосом до давления 2-2,5 Па, затем
включают криогенератор, выход которого на
температурный режим составляет
приблизительно 100 - 120 мин. После охлаждения
криопанели работает только крионасос, а
механический насос отключают.
Криогенные насосы могут обеспечивать
предельные остаточные давления до 10 Па.
Типичная откачная характеристика
представлена на рис. 3.2.17, б.
Вакуумные ловушки. Вакуумные ловушки
предназначены для защиты откачиваемых
объемов от проникновения в них паров масел от
диффузионных, бустерных и форвакуумных
механических насосов с масляным
уплотнением.
Основным источником паров рабочей
жидкости из диффузионного насоса является
струя, стекающая с нижнего края сопла.
Поэтому широкое распространение получил кол-
пачковый маслоотражатель 3 (рис. 3.2.18),
охлаждаемый водой через змеевик 2.
Маслоотражатель устанавливается над соплом L
Отражатель позволяет в 20 - 30 раз снизить поток
паров рабочей жидкости из паромасляных
насосов. Вместе с маслоотражателем
применяются ловушки.
Рис. 3.2.18. Колпачковый маслоотражатель
Пример конструкции механической во-
доохлаждаемой ловушки показан на рис.
3.2.19. В корпусе 1 ловушки расположен
центральный экран 3 и периферийные экраны 2,
охлаждаемые водой, идущей по трубке 4.
Экран представляет собой оптически
непрозрачную систему.
Для наиболее полной защиты
откачиваемой системы от паров рабочей жидкости
пароструйных насосов служат низкотемпературные
ловушки, которые одновременно откачивают
конденсируемые пары и газы, имеющиеся в
откачиваемом объеме, снижая общее давление
в нем. Наибольшее распространение получили
жалюзийные ловушки (рис. 3.2.20),
охлаждаемые жидким азотом до температуры 77 К. На
корпусе 2 сверху и снизу имеются фланцы 1 и
7 для подсоединения соответственно к
откачиваемому объему и диффузионному насосу.
Внутри корпуса расположен кольцевой
резервуар, куда через тонкостенную трубку 4
заливается жидкий азот 5 и к которому припаяны
защитные охлаждаемые экраны 3. Для защиты
от прямого пролета молекул газа под
кольцевым резервуаром имеется экран 6.
Адсорбционные форвакуумные ловушки
являются эффективным распространенным
средством защиты откачиваемой системы от
проникновения обратного потока паров масел
и продуктов их разложения из форвакуумных
насосов, который может составлять
2-5 мг/(чсм2).
На рис. 3.2.21 представлена
адсорбционная ловушка, в корпусе 5 которой расположен
сменный пакет 7 из трех слоев сорбентов,
разделенных сетками 6 (активированный уголь,
оксид алюминия, силикагель). Для
предотвращения миграции газов вдоль стенок служит
уплотнение 4Ь к которому винтом 10 через
крышку 9 с уплотнением 1 и пружиной 8
прижимается пакет 7. Ловушка
присоединяется к вакуумной системе фланцами 2 и 3.
Эти ловушки имеют срок службы до
замены сорбентов до 103 ч, при этом обратный
поток паров масел за ловушкой снижается до
10 мг/(ч-см2).
/ Z 3
Рис. 3.2.19. Механическая водоохлаждаемая ловушка Рис. 3.2.20. Жалюзийная низкотемпературная ловушка

318
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Рис. 3.2.21. Адсорб
шуумная ловушка
3.2.3. ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ
ИНАТЕКАТЕЛИ
Вакуумные клапаны и затворы,
составляющие основную часть запорной и
регулирующей вакуумной арматуры, служат для
герметичного перекрытия вакуумных
коммуникаций при давлении ДО5 - 100 Па в зависимости
от конструкции и применяемых материалов.
К запорной и регулирующей вакуумной
арматуре предъявляют следующие основные
технические требования:
высокая герметичность, т.е. допустимые
потоки натекания через узлы герметизации
тарели (заслонки), ввода движения в вакуум,
корпуса не должны превышать ДО - ДО1
Па-м^с1 (по гелию);
высокая вакуумная проводимость;
высокая надежность (средний ресурс не
менее 5-ДО5 циклов "открыто-закрыто", средняя
наработка на отказ не менее 5-Ю4 циклов);
возможность прогрева с целью обезгажи-
вания до 150 - 400°С;
наименьшие масса и габаритные размеры
и энергетические показатели;
соответствие конструкций
международным стандартам ISO;
возможность использования в
автоматизированных системах;
возможность использования отдельных
видов арматуры в вакуумно-технологическом
оборудовании с агрессивными газами.
Классификация. Вакуумную запорную
арматуру по диаметру условного прохода Dy
(мм) подразделяют на клапаны (Dy равно 1,6;
2,5; 4; 6,3; 10, 16, 25, 40, 63, 100 мм) и
затворы (Dy равно 100, 160, 250, 400, 630 мм).
По конструктивному исполнению
различают арматуру с присоединительными
фланцами и патрубками, расположенными либо
напротив друг друга, либо под углом (обычно
90°). В проходных клапанах и затворах
направление газового потока не меняется, а в
угловых меняется.
По типу привода клапаны и затворы
бывают с ручным, электропневматическим,
электромагнитным, электромеханическим (редко с
электрогидравлическим) приводом.
По способу ввода движения в вакуум
арматура разделяется на герметизируемую либо с
помощью сальников, либо с помощью силь-
фонов.
По вакуумному диапазону различают:
низковакуумную (форвакуумную) арматуру с
давлением ДО5 - ДО Па; высоковакуумную
арматуру - 105 - ДО Па; сверхвысоковакуум-
ную арматуру - ДО5 - ДО0 Па.
По типу применяемых уплотнителей
арматура бывает с эластомерными
уплотнителями, включая резиновые термостойкие,
прогреваемые до 150 - 300°С; с металлическими
уплотнителями, прогреваемыми до 400°С.
Способ охлаждения зоны герметизации
заслонки бывает естественный или с
использованием циркулирующей воды.
По способу изготовления корпусов
арматуру делят на литую (как правило, из
алюминиевых сплавов), сварную (в основном из
коррозионно-стойкой стали) или паяную (медным
припоем, когда детали корпуса стальные).
В непрогреваемой арматуре при
давлении ДО5 - ДО Па обычно используются
уплотнители из непрогреваемой резины 9024
("черная" бензостойкая) либо 7889 ("серая").
В прогреваемой арматуре при давлении
ДО - ДО"8 Па используют либо уплотнители из
термостойкой резины 51-1539, ИРП-1345, 51-
1735 (прогрев до 150°С), или ТКР (прогрев до
300°С), либо металлические уплотнители из
меди МБ, Ml (прогрев до 400°С).
В случае использования сильфонных
вводов движения и металлических медных
уплотнителей арматура называется
цельнометаллической и, как правило, прогревается до
400°С с целью максимального снижения
газовыделения. Она применяется в оборудовании,
работающем при давлении до ДО0 Па в
зависимости от средств откачки.
Давления герметизации с
использованием резиновых уплотнителей составляют 1 -
2 МПа, а для металлических пар (медь -
коррозионно-стойкая сталь) - 15 - 30 МПа.
Ведущие зарубежные фирмы в области
создания и выпуска вакуумной арматуры VAT
(Швейцария), VARIAN (США), LEYBOLD
(Германия), BALZERS (Лихтенштейн) и др. в

ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ И НАТЕКАТЕЛИ
319
качестве материала уплотнителей используют
либо термостойкую резину типа витон,
прогреваемую до 150°С, либо металлические
уплотнители из меди (прогрев до 400°С).
Основные эксплуатационные и
конструктивные характеристики клапанов и затворов
следующие:
диаметр условного прохода;
диапазон рабочего давления;
вакуумная проводимость в отрытом
положении, определяемая отношением газового
потока б, проходящего через клапан или
затвор, к разности давлений р\ - р2 во входном
и выходном отверстиях;
допустимый поток натекания через узел
герметизации;
время срабатывания (время полного
открытия или закрытия);
показатели надежности: средняя
наработка на отказ и средний ресурс, выражающиеся
в количестве циклов полных открытий и
закрытий;
температура прогрева;
потребляемая электроэнергия или
необходимое давление в пневмосети;
рабочее положение;
масса-габаритные параметры.
При конструировании клапанов и
затворов обязательно учитываются необходимые
силы для герметизации уплотнительного узла
на седле, на преодоление трения в узлах, на
преодоления воздействия атмосферного
давление на уплотнительный узел и на сильфон
(если имеется).
Клапаны. Клапаны с ручным приводом
типа КВР предназначены для перекрытия
вакуумных систем при давлении 105 -ДО'5 Па.
Угловой клапан (рис. 3.2.22) состоит из
корпуса 5 с двумя присоединительными
фланцами, сильфонного узла 3, изолирующего
вакуумную полость клапана от атмосферы.
Для легкости хода шток 2 установлен на
двух подшипниках. Один конец штока с
трапецеидальной резьбой ввернут в гайку 4, на
другой крепится маховичок 1.
При вращении маховичка гайка
сильфонного узла получает возвратно-
поступательное движение, открывая или
закрывая клапан.
Материал основных деталей: корпуса -
сталь 08ПС, уплотнительного кольца - масло-
стойкая резина марки 9024.
Выпускаются три типоразмера клапанов
с Dyy равным 25, 63, 100 мм.
Основные технические характеристики
клапанов приведены в табл. 3.2.1
Рис. 3.2.22. Клапан угловой КВР с ручным приводом
3.2.1. Технические характеристики клапанов КВР
Характеристика
Диаметр условного прохода Dy, мм
Проводимость, дм3/с
Сила на маховике в момент уплотнения, Н
Масса, кг
Габаритные размеры, мм :
L
Li
Н
КВР = 25
25
16
50
0,65
80
60
110
КВР-63
63
180
70
3,8
150
120
200
КВР =100
100
470
90
6,5
185
150
250
Примечания: 1. Допустимый поток натекания 100
2. Средний ресурс 12- 104 циклов.

320
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Рис. 3.2.23. Клапаны цельнометалические угловые
КРУТ
Цельнометаллические клапаны с ручным
проводом типа КРУТ предназначены для
комплектования сверхвысоковакуумного
оборудования, работающего при давлении 105 -
100 Па. Внешний вид клапанов КРУТ-6,3 и
КРУТ-10 показан на рис. 3.2.23. Главная их
особенность - то, что они являются
прогреваемыми в закрытом положении до
температуры 300°С. Присоединительные размеры
фланцев соответствуют ГОСТ 26526-85.
Основной конструкционный материал -
коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т,
материал уплотнителей - медь МОб, Ml.
Технические характеристики клапанов
приведены в табл. 3.2.2.
3.
Характеристика
Диаметр условного
прохода, мм
Проводимость, дм3/с
Габаритные размеры:
длина
ширина
высота
Масса, кг
2.2. Технические характеристики клапанов КРУТ
КРУТ-6,3
6,3
2,5
70
60
100
0,85
КРУТ-10
10
6,3
70
60
120
1,0
КРУТ-16
16
10
70
80
150
2,0
КРУТ-25
25
16
85
65
215
5,6
КРУТ-40
40
40
115
90
235
7,0
КРУТ-63
63
100
145
115
255
10,0
Примечания: 1. Рабочее давление 105 - 101 Па.
2. Допустимый потокнатекания 5-Ю1 м3-Пас.
3. Наработка на отказ (с прогревом в закрытом состоянии при 300°С)
50 циклов.
Рис. 3.2.24. Клапан угловой КВМ с электромагнитным
приводом
Клапаны КВМ с электромагнитным
приводом являются клапанами углового типа,
нормально-закрытыми, они предназначены
для комплектования непрогреваемого
вакуумного оборудования, работающего при
давлении ДО5 - 10 Па.
Клапан КВМ (рис. 3.2.24) состоит из
корпуса с двумя присоединительными
фланцами, корпуса электромагнита, катушк, якоря,
заслонки и пружины.
Под действием возникающего
магнитного поля при включении катушки якорь
втягивается, преодолевая силу пружины, и
поднимает заслонку. Клапан закрывается
пружиной при прекращении подачи тока в цепь
катушки электромагнита. Присоединительные
фланцы соответствуют ГОСТ 24835-81.
Технические характеристики клапанов
даны в табл. 3.2.3.

ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ И НАТЕКАТЕЛИ
321
3.2.3.
Характеристика
Диаметр условного прохода,
Проводимость, дм3/с
Сила потребляемого тока в
стоянии клапана, А
время срабатывания, с
Масса, кг
Габаритные размеры, мм:
длина
ширина
высота
Технические характеристики клапанов КВМ
мм
открытом со-
КВМ-25
25
14,2
0,35
од
1,9
85
70
185
КВМ-63
63
180
0,6
0,5
8
150
120
310
Примечания: 1. Потокнатеканил 10-7 м3-Па-с"!.
2. Питание электромагнита: напряжение сети 220 В, частота 50 Гц.
3. Средний ресурс 6104 циклов.
4. Материал уплотнителей - резина 9024.
Рис. 3.2.25. Клапаны угловые КВУМ с электромагнитным приводом (Dy равно 16, 25, 40, 63 мм)
с быстроразъемными фланцевыми соединениями "Хомут"
Для питания клапанов имеются
устройства управления клапанов.
Клапаны КВУМ с электромагнитным
приводом, внешний вид которых приведен на
рис. 3.2.25, также предназначены для
комплектования непрогреваемого оборудования,
работающего при давлении 105 - ДО Па.
Особенность клапанов - высокое
быстродействие. Корпуса клапанов - литые из
алюминиевого сплава АЛ 9.
Нормально-закрытый клапан КВУМ
(рис. 3.2.26) состоит из корпуса 4,
соединенного через уплотнительную прокладку 6 с
корпусом 10 электромагнита 5. На якоре //
электромагнита закреплены уплотнительный
узел 13 и уплотнитель 12. Между торцами
корпуса, электромагнита и узлом 13
размещена возвратная пружина 3. В корпусе 4
установлено седло 2, герметично уплотненное
прокладкой 1. Для контроля положения
клапана в электромагните предусмотрен магнито-
управляемый контакт 7.
Рис. 3.2.26. Клапан КВУМ
11 За к. 769

322
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Для открытия клапана на катушку
электромагнита 9 подается импульс пускового
напряжения, и якорь 8 с уплотнительным узлом
13 поднимается, сжимая пружину 3. Затем
пусковое напряжение автоматически
снижается до значения, достаточного для удержания
якоря в открытом положении клапана.
Закрытие происходит при отключении
электромагнита. При этом пружина 3 прижимает якорь с
диском к седлу 2 с силой, необходимой для
герметизации. Технические характеристики
клапанов типа КВУМ приведены в табл. 3.2.4
3.2.4. Технические характеристики клапанов КВУМ
Характеристика
Диаметр условнрго прохода, мм
Проводимость, дм3/с
Время срабатывания, с
Сила тока в электромагните, А :
при пуске
при удержании
Число включений в минуту
Средняя наработка на отказ, циклы
Ресурс, циклы
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
КВУМ-16
16
10
од
4,0
17
3-Ю4
МО5
105x55x160
1,2
КВУМ-25
25
16
од
5,3
15
2,5-104
2,5-105
125x70x190
2,4
КВУМ-40
40
64
0,12
6,8
10
1,5-104
1,5-Ю5
145x90x230
5
КВУМ-63
63
160
0,12
9,5
10
7,5-103
7,5404
185x120x310
13
Примечания: 1. Допустимый поток натекания через узел герметизации тарели
9 з1
2. Материал уплотнителей - резина 9024.
3.2.5. Технические xapai
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Проводимость, дм3/с
Потребляемая мощность, Вт
Время срабатывания, с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
тгеристики клан
КМПН-1,6
1,6
0,25
2
0,02
55x30x125
0,25
[ановКМПН
КМПН-10
10
4
8
0,03
102x40x140
0,75
Примечания: 1. Допустимый поток натекания 10~8
2. Напряжение питания 220 В.
3. Материал уплотнителей - резина 7889.
Рис. 3.2.27. Клапан проходной напускной
КМПН-10 с электромагнитным приводом
Клапаны КВУМ комплектуют
специальными блоками питания и управления.
Для напуска газа в вакуумные системы и
установки служат клапаны КМПН (клапаны
магнитные проходные напускные) с
электромагнитным приводом (рис. 3.2.27). Рабочее
давление ДО5- ДО'4 Па. Эти клапаны являются
проходными и нормально-закрытыми. При отключении
электроэнергии сердечник соленоида клапана
под действием внутренней пружины
возвращается в исходное положение и проходное отверстие
перекрывается.
Технические характеристики клапанов
КМПН-1,6 и КМПН-10 приведены в табл. 3.2.5.

ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ И НАТЕКАТЕЛИ
323
Рис. 3.2.28.
угловые КПУ с электрон
приводом (Dy равно 25, 40, 63 мм)
Широкое распространение, особенно
в зарубежном оборудовании, имеют
угловые клапаны с элекгропневматическим
приводом. Эти клапаны просты по
конструкции, имеют малые габаритные размеры
и надежны в эксплуатации. Для работы
клапанов необходимо наличие пневмосети
или компрессора, обеспечивающих подачу
сжатого воздуха под давлением 0,4 - 0,6
МПа.
На рис. 3.2.28 показаны
электропневматические клапаны КПУ (клапаны
пневматические угловые). Клапаны КПУ-25Л,
КПУ-40Л,КПУ-63Л (рис. 3.2.29)
предназначены для комплектования непрогревае-
мого вакуумного оборудования,
работающего при давлении 105 - ДО Па. Корпуса
клапанов, литые из алюминиевого сплава
АЛ-9, по конструкции аналогичны
корпусам клапанов КВУМ. Материал
уплотнителей - резина 7889.
При подаче напряжения на
золотниковое устройство 9 в пневмоцилиндр
клапана 3 поступает сжатый воздух, который,
воздействуя на поршень 2, поднимает диск
7 с уплотняющей резиновой прокладкой 8.
8 крайнем положении штока 4> герметично
уплотненного сильфоном б, конечный
выключатель 1 сигнализирует об открытии
клапана. Для закрытия клапана отключается
электропитание золотникового устройства,
и шток 4 с диском 7 под воздействием
пружины 5 с помощью поршня 2 вытесняет
воздух и одновременно опускается на
седло, герметично уплотняя его.
В табл. 3.2.6 приведены технические
характеристики клапанов КПУ.
В составе сверхвысоковакуумного
оборудования, прогреваемого с целью
обезгаживания до температуры 250°С,
используются клапаны КПУТ (клапаны
пневматические угловые термостойкие) с
электропневматическими приводами с Dy,
равным 40, 63, 100 мм.
На рис. 3.2.30, а показан внешний вид
прогреваемых клапанов КПУТ-40, КПУТ-63,
КПУТ-100, а на рис. 3.2.30, б - их конструкция.
С целью предохранения механизма привода
от воздействия температуры прогрева привод
удален от корпуса 1 (рис. 3.2.30, б),а наружная
втулка 6 соединительного устройства имеет
отверстия для естественного охлаждения.
Ввод движения сильфонный. Между
сильфоном 3 и штоком 4, перемещающим уплотни-
тельный узел 2 в открытое или закрытое
положение, расположена пружина 5, обеспечивающая
герметизацию клапана при его закрытии.
Шток клапана приводится в движение
поршнем 7 пневмоцилиндра 8; подача сжатого
воздуха под давлением 0,4 - 0,6 МПа
осуществляется через электромагнитный клапан Щ
сигнализация и управление - через
микропереключатель 9.
Рис. 3.2.29. Клапан КПУ

324
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
л :
б)
Рис. 3.2.30. Сверхвысоковакуумные угловые клапаны с электропневматическим приводом КПУТ
(By равно 10, 63, 100 мм), прогреваемые до температуры 300°С:
а - внешний вид; б - конструкция
3.2.6. Технические характеристики клапанов КПУ
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Проводимость, дм3/с
Время срабатывания, с
Габаритные размеры L х В х Н, мм
Масса, кг
КПУ-25Л
25
16
0,2
170x75x210
2,2
КПУ-40Л
40
30
0,3
195x90x260
3,6
КПУ-63Л
63
45
0,5
245x135x355
7,6
Примечания: 1. Допустимый поток натекания 5-10~9
2. Потребляемая мощность 7,2 Вт.
3. Средняя наработка на отказ 104 циклов, средний ресурс 105 циклов.
4. Напряжение питания золотника 24 В.
3.2.7. Технические характернее
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Проводимость, м3/с
Время срабатывания, с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
КПУТ-40
40
40,5
0,3
140x90x270
5,2
ики клапанов КНУТ
КПУТ-63
63
97
0,4
175x134x290
8,2
КПУТ-100
100
302
0,6
200x170x100
9,5
Примечания:1. Рабочее давление ДО5- ДО Па.
2. Допустимый поток натекания через узел герметизации заслонки
6- ДО1 мЗ-Пас.
3. Средняя наработка на отказ 2- ДО4 циклов, средний ресурс 1,2- ДО5
циклов.
4. Температура нагрева 300°С.

ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ И НАТЕКАТЕЛИ
325
Основной конструкционный матерная -
коррозионно-стойкая сталь. В качестве
материала уплотнителей используется
термостойкая вакуумная резина ТКР, допускающая
нагрев до 300°С. Клапаны химически стойкие к
фтор- и хлорсодержащим газам.
Конструкция клапана КПУТ-100
отличается тем, что тарель при открывании клапана
поворачивается на угол 35° для увеличения
проводимости. Кроме того, проводимость
повышается за счет увеличения подъема таре-
ли, для чего шток клапана герметизируется
двумя сильфонами, один из которых
установлен внутри другого.
Технические характеристики клапанов
КПУТ приведены в табл. 3.2.7.
В отечественной практике в отличие от
зарубежной широко распространена запорная
арматура с электромеханическим приводом.
Клапаны КЭУн с электромеханическим
приводом и системой автоматики имеют
комбинированный (прямой и угловой) проход и
предназначены для работы при давлении 105 -
10 Па (рис. 3.2.31).
На больших перемещениях при
открытии или закрытии проходных отверстий для
ускорения срабатывания перемещается уплот-
нительный узел (реализуется механизм с
передаточным числом 1), на малых перемещениях
при герметизации уплотнительной пары для
выигрыша в силе используется механизм с
возможно меньшим передаточным отношением.
В корпус 5, изготовленный из
алюминиевого сплава, с проходными отверстиями а
от вала 1 через ввод вращения 3,
размещенный в крышке 4 с пазом б> герметично
введена ось 7 с кулачком 6, который через ролик
11, связанный с осью 8 и опорой качения 2,
воздействует на уплотнительный диск 10 с
прокладкой Р. При открытии или закрытии
проходного отверстия а ролик 11 находится во
впадине кулачка б, образуя фиксированное
соединение уплотнительного диска с
кулачком. В этом случае при угле поворота 90°,
необходимом для закрытия или открытия
проходного отверстия, привод
непосредственно воздействует на диск.
В табл. 3.2.8 приведены технические
характеристики клапанов КЭУн.
3.2.8. Технн
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Проводимость, дм3/с
Время открытия или закрытия, с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
веские характеристики клапанов КЭУн
КЭУн-25
25
20
5
124x112x181
2,3
КЭУн-40
40
70
5
127x112x186
2,4
КЭУн-бЗ,)
63
190
10
190x225x200
7,5
Примечания: 1. Допустимый потокнатекания 10~4 м3-Па-с1.
2. Средний ресурс 2-Ю4 циклов.
Рис. 3.2.31. R
й (проходной и угловой) КЭУн (без привода)

326
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Рис 3.2.32. Кл
ариЙЕ
ой КМАН-10
(нормально-открытый) с а»
приводом
Клапаны с электромеханическим
приводом типа КВЭ с Dyy равным 25, 63, 100 мм,
по размерам присоединительных фланцев
соответствуют ГОСТ 24835-81. Клапаны КВЭ
унифицированы с клапанами КВР и КВМ,
т.е. для соответствующих условных проходов
полностью взаимозаменяемы корпус, силь-
фонный узел и уплотняющие элементы.
Вакуумные и эксплуатационные характеристики
близки к характеристикам клапанов КВМ.
Для случаев аварийного или програми-
рованного напуска атмосферного воздуха в
вакуумную систему или в форвакуумный
насос при отключении электроэнергии
применяются аварийно-напускные клапаны типа
КМАН-4 и КМАН-10 (рис. 3.2.32). В
обесточенном состоянии клапаны открыты, т.е.
являются нормально-открытыми. Рабочее
давление 105-10 Па. Напряжение питания
соленоидов клапанов 220 В, переменое, частотой
50 Гц.
Затворы. Для перекрытия вакуумных
коммуникаций с Dy > 100 мм используются
вакуумные затворы. В зависимости от
назначения существуют затворы двух типов:
высоковакуумные непрогреваемые и сверхвысоко-
вакуумные прогреваемые.
Из-за эксплуатационных преимуществ
наибольшее распространение получили пря-
мопролетные плоские затворы либо
маятникового типа, либо шиберного типа с
прямоугольными корпусами.
По сравнению с угловыми затворами
плоские прямопролетные затворы обладают
большей вакуумной проводимостью
(примерно в 2 раза).
Плоские затворы особенно удобны при
компоновке вакуумного оборудования с ион-
но-лучевой технологией, в ускорительной
технике, а также для осуществления
автоматического шлюзования образцов при научных
исследованиях и при производстве изделий
электронной техники.
Широкое распространение получили
затворы общепромышленного применения ЗВЭ.
На рис. 3.2.33 представлен плоский
затвор маятникового типа 23ВЭ.
Затвор состоит из корпуса 2,
изготовленного из стали 20, электропривода 7 с
ручным дублером, заслонки 12 и рычажного
механизма, включающего в себя рычаги 1и 5,
шариковый замок с обоймой 4> втулкой 11,
шариками 10 и регулировочным винтом 3.
При движении штока 6 сильфонного
узла рычаг 5, вращаясь вокруг оси 9,
поворачивает обойму. При этом шарики поднимают
заслонку, в результате чего происходит
уплотнение или разуплотнение затвора. При
дальнейшем движении штока в сторону
открывания рычажный механизм поворачивается
вокруг оси 8, освобождая проход.
Технические характеристики затворов
типа 23ВЭ приведены в табл. 3.2.9. Эти
затворы выпускают серийно.
Рис. 3.2.33. Плоский прямопролетный затвор 23ВЭ маятникового типа с электромеханическим приводом

ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ И НАТЕКАТЕЯИ
327
3.2.9. Технические характеристики затворов 23ВЭ
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Проводимость, м3/с
Время открытия или закрытия, с
Потребляемая мощность в
момент открытия (закрытия), Вт
Средний ресурс, циклы
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
23ВЭ-100
100
1,3
3
63
105
630x290x100
17
23ВЭ-160
160
3,3
4
100
105
720x370x100
24
23ВЭ-250
250
13,4
9
200
2,5-104
780x510x140
46
23ВЭ-400
400
46,2
20
200
2,5404
1070x750x160
ПО
Примечания: 1. Рабочее давление 105 - 10 Па,
2. Допустимый поток натекания 10~7
Рис. 3.2.34. Сверхвысоковакуумные плоские прямопролетные затворы ЗЭПШТ и ЗЭШП
В последнее время разработаны модифи- ные из коррозионно-стойкой стали
кации затворов ЗЗВЭ, 43ВЭ, 53ВЭ. 12Х18Н10Т, прогревают с целью обезгажива-
Для комплектования сверхвысоковакуум- ния до температуры 300°С. Затворы являются
ного оборудования, в частности для оборудо- химическистойкими по отношению к фтор-
вания электронной промышленности, разрабо- хлорсодержавдим газам.
таны и серийно выпускаются затворы шибер- Эксплуатационная особенность затворов -
ного типа: возможность разборки и демонтажа внутрен-
ЗЭПШТ с электромеханическим приво- них узлов и механизмов при техобслуживании
дом с Z)y, равным 100, 160, 250 мм и ЗЭПШ- и ремонте через боковой прямоугольный фла-
400 (рис. 3.2.34); нец с сохранением корпуса в составе вакуум-
ЗППШТ с электропневматическим при- ной установки.
водом с Dy, равным 160, 200, 250 мм. Технические характеристики затворов ЗЭПШ
Особенность затворов - высокая степень Рабочее давление, Па 105 - ДО'7
унификации: затворы различаются только Поток натекания, м^Пас1 6-ДО1
приводами, а корпуса и основные механизмы Время открытия или закрытия, с .. Менее 4
и узлы идентичны. Средняя наработка на отказ, циклы 104
Во всех затворах, кроме затвора Средний ресурс, циклы 5-Ю5
ЗЭПШ-400, применяются уплотнители из Затвор ЗЭПШ-400 является непрогревае-
термостойкой резины ТКР на основе фторкау- мым, поэтому его характеристики такие же,
чука. При этом корпуса затворов, изготовлен- как у непрогреваемой арматуры.

3.2.10. Технические характеристики затворов ЗЭПШТ, ЗЭПШ, ЗППШ
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Проводимость, м3/с
Тип привода
Мощность электродвигателя, Вт
(при напряжении сети 220/380 В
и частоте 50 Гц)
Давление в пневмосети, МПа
Температура прогрева, °С
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
ЗЭПШТ-100
100
1,6
25
-
300
345x180x230
15
ЗЭПШТ-160
160
4,0
ЗЭПШТ-250
250
16
Электромеханический
40
-
300
440x250x245
25
40
-
300
582x360x270
43
ЗЭПШ-400
400
40
90
-
70
967x364x518
100
ЗПППГТ-160
100
2,6
ЗППШТ-200
160
10
ЗППШТ-250
250
16
Электропневматический
-
0,4 - 0,6
300
445x255x215
11
-
0,4 - 0,6
300
500x318x205
32
-
0,4 - 0,6
300
575x360x205
41

ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ И НАТЕКАТЕЛИ
329
Для сверхвысоковакуумного
оборудования разработаны цельнометаллические
клапаны и затворы с использованием жидкометал-
лических уплотнителей на основе эвтектики
индий - олово. Однако из-за технологических
и эксплуатационных трудностей этот тип
арматуры не нашел широкого распространения и
не был освоен в серийном производстве.
Среди зарубежных фирм наибольших
успехов в разработке и создании вакуумных
затворов достигла швейцарская фирма VAT,
которая выпускает более десяти серий
различных затворов.
В табл. 3.2.10 приведены технические
характеристики затворов типа ЗЭПШ, ЗЭПШТ,
ЗППШТ.
Наибольший интерес представляют собой
цельнометаллические затворы серии 10 с
диаметром условного прохода до 250 мм.
Отечественные аналоги этих затворов отсутствуют. В
них уплотнение заслонки по седлу
осуществляется металлом, работающим в зоне упругих
деформаций.
Натекатели. Они служат для
дозированного напуска газов или плавного
регулирования давления в вакуумных камерах
электрофизических установок, технологического
оборудования, в ионных источниках, в
аналитических приборах.
Наиболее широкое распространение
получили игольчатые натекатели, принцип
действия которых основан на установлении
определенного потока газа изменением положения
конической иглы по отношению к седлу и
проходному отверстию корпуса натекателя.
На рис. 3.2.35 показан вакуумный нате-
катель НРП-1,6 с ручной подстройкой,
предназначенный для плавного регулирования
потока газа, напускаемого в вакуумную камеру
под давлением 105 - ДО Па.
Основной материал натекателя -
коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т,
уплотнителей - вакуумная резина 7889.
Натекатель состоит из корпуса 1 с
фланцами, верхней втулки 2 с газовыми каналами.
Втулка через уплотнитель 3 с помощью
наружных гаек крепится к корпусу. Под втулкой
2 в середине натекателя размещается седло 4> в
котором перемещается игла 7, соединенная со
штоком 8. Шток 6 перемещается в резьбовой
втулке 5, соединенной с верхней втулкой
посредством штифта 10. Уплотнитель штока
выполнен в виде фигурного сальника,
размещенного под верхней крышкой. Рукоятка 9
связана со штоком фиксирующим винтом.
Натекатель непрогреваемый.
Рис. 3.2.35. Игольчатый натекатель с ручным приводом НРП-1,6

330
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Технические характеристики
натекали НРП-1,6
Привод Ручной
Потокнатекания, Пам^с1 5-10-10~2
Средний ресурс, циклы Не менее 104
Габаритные размеры, мм 60x30x80
Масса, кг 0,2
Натекатель с электромагнитным
приводом НМБ-1 (рис. 3.2.36) работает от
источника постоянного тока напряжением 24 В.
Натекатель состоит из корпуса 5 с
фланцами 6. Микроклапан 2 с резиновым
уплотнителем через спиральную пружину 3 соединен с
подвижным сердечником. Основание
электромагнита 9 через уплотнитель 8 посредством
резьбового соединения крепится к корпусу.
К корпусу через уплотнитель крепится
сменное седло 7 с отверстием диаметром
0,1 мм, 0,3 мм, 0,5 мм (в зависимости от
требуемого газового потока).
Соленоидная катушка 4 с магнитопрово-
дом 1 и наружным магнитным экраном
соединяется с корпусом с помощью гайки 10.
При подаче напряжения сердечник
втягивается, деформируя пружину 3 и открывая
поступление газа через микродиафрагму.
При снятии напряжения сердечник под
действием пружины движется в обратном
направлении и уплотняет калиброванное
отверстие седла.
Если напряжение питания подается от
автоматического электронного устройства-
генератора короткими импульсами
длительностью примерно 50 - 100 мс, то, изменяя
скважность подачи импульсов, можно
изменить усредненный газовый поток. Натекатель
непрогреваемый.
Технические характеристики
натекателя НМБ-1
Газовый поток, м3-Па-с1 1,6-10
Время срабатывания, с ... 5-10-3
Основной
конструкционный материал Сталь 12Х18Н10Т
Материал уплотнителя .... Резина 7889
Габаритные размеры, мм 70x40x80
Масса, кг 0,35
W/ШШ/////////;
Рис. 3.2.36. Быстродействующий натекатель НМБ-1 с электромагнитным приводом

ВАКУУМНЫЕ КЛАПАНЫ, ЗАТВОРЫ И НАТЕКАТЕЛИ
331
При замене марки 7889 резины
уплотнителей маркой 51-1735 или ТКр натекатели
НРП-1,6 и НМБ-1 становятся пригодными
для напуска фтор- и хлорсодержащих газов,
т.е. химическистойкими.
Серийно выпускаются комбинированные
натекатели НВ-1, в конструкции которых
сочетаются и электромагнитный, и игольчатый
варианты. Натекатель снабжен электронным
устройством, обеспечивающим импульсный
режим питания электромагнитной части на-
текателя, а игольчатая часть служит для ручной
настройки уровня рабочего давления.
Натекатель непрогреваемый.
Технические характеристики
натекателя НВ-1
Газовый поток, м^Пас 5-10-1-2-1()-5
Потребляемая мощность, Вт ... 50
Наработка на отказ, циклы 105
Ресурс, циклы 106
Габаритные размеры, мм 148x80x58
В сверхвысоковакуумном автоматическом
оборудовании применяются
цельнометаллические натекатели с электромеханическим и
пьезоэлектрическим приводами, которые
показаны на рис. 3.2.37.
Сверхвысоковакуумный натекатель с
электромеханическим приводом НБИ-1
представляет собой цельнометаллический
игольчатый натекатель углового типа, в котором в
качестве присоединительных фланцев
использованы фланцы с Dy = 10 мм (с
металлическими уплотнителями) типа "Конфлат".
За основу электропривода взят
высокоскоростной микродвигатель ДПР с редуктором.
Технические характеристики
натекателя НБИ-1
Газовый поток, м^Па-с Ю - 10
Температура прогрева натекателя
(в открытом состоянии), °С До 400
Габаритные размеры, мм . # 235х 155х72
Масса, кг 2,1
В натекателе с пьезоэлектрическим
приводом НПШ-1 в качестве уплотняющей пары
применены шарик из коррозионно-стойкой
стали 12Х18Н10Т и седло из стали ХВГ.
Соединение натекателя с газонапускной
камерой - штуцерное.
Технические характеристики
натекателя НПШ-1
Газовый поток, м^Па-с 5-10-2-2-ДО-6
Температура прогрева корпуса,
°С До 300
Напряжение питания, В 500
Время полного открытия или
закрытия, мс 3
Габаритные размеры, мм 210x90x60
На базе электромагнитных натекателей
НМБ-1 М (модернизированных) и игольчатого
натекателя НБИ-1 разработана четырехканаль-
ная газонапускная автоматизированная
система с микропроцессорным управлением.
[Г
Рис. 3.2.37. Натекатели с автоматизированным приводом:
слева направо: натекатель с пьезоэлектрическим приводом НПШ-1; модернизированный натекатель НМБ-1 М;
сверхвысоковакуумный натекатель с электромеханическим приводом НБИ-1

332
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.4. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ВАККУМНЫХ И ГАЗОВЫХ СРЕД
Вакуумметры. Общие положения.
Классификация. Давление в вакуумных
системах измеряют манометрами. Манометры,
предназначенные для измерения давления,
меньшего атмосферного, называют
вакуумметрами.
Вакуумметры классифицируют по
принципу действия и методу измерения давления.
На рис. 3.2.38 приведена зависимость
относительной погрешности от давления,
измеряемого вакуумметрами различных классов.
По методу измерений вакуумметры делят
на две группы: 1) основанные на прямых и 2)
основанные на косвенных измерениях
давления. К первой группе относят вакуумметры,
основанные на непосредственном измерении
давления, как отношения силы к площади
чувствительного элемента. Это жидкостные
грузопоршневые и деформационные
вакуумметры, характеризующиеся независимостью
показаний от рода газа. Наименьшее давление,
которое можно измерить вакуумметрами этой
группы, 10~3 Па. Ко второй группе относят
вакуумметры, принцип действия которых
основан на использовании зависимости
некоторых физических процессов от давления. Такие
вакуумметры измеряют физические величины,
связанные с давлением определенными
функциональными зависимостями (сила тока,
напряжение, ЭДС, частота и др.). Это
ионизационные, вязкостные, радиометрические и
тепловые вакуумметры, их показания зависят от
рода газа.
Основным элементом вакуумметра
является измерительный преобразователь давления.
Вакуумметры косвенного действия, как
правило, включают измерительный блок.
Преобразователь давления - устройство, вакуумно-
гатотно присоединяемое к вакуумной камере,
воспринимающее непосредственно измеряемое
давление и преобразующее его в другую
физическую величину. Измерительный блок ваку-
умметра - устройство, обеспечивающее
требуемый электрический режим работы
преобразователя, усиление, измерение и индикацию
его выходного сигнала. Современные
вакуумметры позволяют автоматизировать управление
технологическим процессом и оборудованием
благодаря наличию в них выходных
аналоговых и (или) цифровых выходных сигналов и
каналов блокировки.
Диапазоны измерения давления и вид
градуировочной характеристики для
большинства вакуумметров устанавливают
экспериментально по результатам их градуировки для
соответствующего газа с использованием
различных методов и образцовых средств
измерений. Метрические характеристики
промышленных вакуумметров обычно приводят для
азота или воздуха.
Деформационные
вакуумметры. В деформационных вакуумметрах
давление определяют по деформации упругого
чувствительного элемента, происходящей под
действием разности давлений. Вакуумметры не
изменяют ни состав, ни давление газовой
среды, и их показания не зависят от рода и
состава газа. По типу чувствительного элемента эти
вакуумметры подразделяют на трубчатые,
сильфонные и мембранные. Деформацию
чувствительного элемента определяют
механическими, оптическими или электрическими
способами.
Трубчатые вакуумметры предназначены
для измерения давления, близкого к
атмосферному. Как правило, они имеют класс
точности 0,16; 0,25 и 0,4 и обеспечивают
измерения в диапазоне ДО3 - 105 Па. Показания
приборов зависят от атмосферного давления.
Вследствие отсутствия электрического
выходного сигнала применение таких вакуумметров
в машиностроении ограничено
вспомогательными функциями.
Среди деформационных приборов
наилучшие характеристики имеют мембранные
вакуумметры. Для непрерывного преобразова-
100
80
60
40
20
0
о, %
¦И—
i
J
Ьаммнш
/
/
/
L
ю-*
10°
104 р. Па
Рис. 3.2.38. Зависимость относительной погрс
i 8 от давления р в промышленных (сплошные j
лабораторных (штриховые линии) ваккумметрах:
1 - магнитных электроразрядных ионизационных; 2 - тепловых; 3 - электронных ионизационных;
4 - вязкостных; 5 - деформационных; 6 - жидкостных; 7 - радиоизотопных ионизационных

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНЫХ И ГАЗОВЫХ СРЕД 333
ния измеряемого давления в
унифицированный токовый сигнал в системах
автоматического контроля, регулирования и управления
технологическими процессами применяются
мембранные измерительные преобразователи,
например, "Сапфир-22" с тензопреобразовате-
лями. Класс точности приборов 0,25 - 1,0,
верхний предел измерений различных моделей
4402 - 105 Па. Вакуумметры имеют на выходе
сигнал постоянного тока 0-5 или 0-20 мА.
Наиболее распространен емкостной
способ определения прогиба мембраны. При этом
мембрана вместе с дополнительным
неподвижным электродом образует обкладки
электрического конденсатора, емкость которого
зависит от измеряемого давления.
Принципиальная схема преобразователя и схема
измерения прогиба мембраны емкостным способом
приведены на рис. 3.2.39. Мембранные
вакуумметры емкостного типа обладают
наивысшей чувствительностью по сравнению с
деформационными вакуумметрами всех типов.
Они позволяют измерять давление 105 - 10
Па, причем одним преобразователем можно
измерять значения давления, различающиеся
на 3 - 4 порядка (табл. 3.2.11).
Тепловые вакуумметры.
Тепловые вакуумметры позволяют измерять
давление различных газов и паров 10 - ДО5 Па с
относительной погрешностью не менее 10%.
Они практически не изменяют состав и
давление измеряемой газовой среды и не выходят
из строя даже при полной разгерметизации
вакуумной системы. Тепловые вакуумметры
являются самыми распространенными и
применяются практически в любом вакуумном
оборудовании; в различных видах
оборудования такие вакуумметры используются для
контроля и поддержания технологических
процессов, а также в качестве датчиков управления
элементами вакуумного оборудования
(открытие или закрытие вакуумных вентилей,
включение или выключение высоковакуумных
насосов и т.п.).
Принцип действия тепловых
вакуумметров основан на зависимости теплопроводности
разреженного газа от давления. Давление
измеряют косвенным методом, т.е. измеряют
Рис. 3.2.39. Принципиальная схема (а) мембранно-
емкостного преобразователя давления и структурная
схема (б) его измерительного устройства:
1 - вакуумированная камера; 2 - обкладки
конденсатора; 3 - мембрана; 4 - измерительная
камера; Г- генератор переменного напряжения
E0 - 100 кГц); СР - устройство сравнения;
УПТ - усилитель постоянного тока;
R - регулятор нелинейности
какую-либо физическую величину (например,
температуру), зависящую от тепловой энергии,
отводимой газом от чувствительного элемента
вследствие теплопроводности. Зависимость
этой физической величины от давления
устанавливают экспериментально градуировкой
вакуумметра по образцовому средству
измерения. Градуировочные характеристики
тепловых вакуумметров нелинейные.
Преобразователь давления теплового
вакуумметра представляет собой баллон, внутри
которого расположен нагреваемый
электрическим током чувствительный элемент (обычно
нить). По конструкции тепловые
преобразователи подразделяются на термопарные и термо-
резисторные. Электрические схемы
термопарного и терморезисторного преобразователей
даны на рис. 3.2.40.
3.2.11. Технические характеристики деформационных мембранно-емкостных вакуумметров
Модель
вакуумметра
ВД-4,
Россия
DM21
Leybold,
Германия
Преобразователь
ПДД-2
ПДЦ-4
ПДД-1-10А
ПДД-5
СМН1
Диапазон измерения
давления, Па
1,3-Ю-2- 13
1,3-Ю-1 -1,3102
1,3 - 1,3-103
13 - 4-Ю4
2-Ю-2 - Ю2
Относительная погрешность
измерения, %
±G,0 - 2,0)
±C,0 - 2,0)
±E,0 - 2,0)
±B,0 - 0,5)
±0,5

334
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
б)
Рис. 3.2.40. Электрические <
ермошф!
терморезисторного (б) преобразователей:
1 - термопарный преобразователь;
2 - нагреваемая нить; 3 - термопара;
4 - терморезисторный преобразователь
Преобразователи могут работать в
режиме постоянной силы тока или в режиме
постоянной температуры нити. Мерой давления
при работе по методу постоянной температуры
являются сила тока нагрева, напряжение или
электрическая мощность, подводимые к нити;
при работе по методу постоянной силы тока -
температура нити, которую определяют по ее
сопротивлению (терморезисторные преобразо-
ватели), с помощью термопары (термопарные
преобразователи), по изменению натяжения
нити (струнные частотные тепловые
манометры), по изменению линейных размеров или
углу изгиба чувствительного элемента
(биметаллические реле).
Нижний предел измерения давления
ограничен влиянием побочного теплообмена,
что приводит к малому отношению мощности,
отводимой от нити газом, к мощности,
отводимой, например, тепловым излучениям.
Верхний предел измерения ограничен
давлением, при котором теплопроводность
газа не зависит от давления (длина свободного
пробега молекул становится меньше
расстояния между нагретым элементом и стенкой).
Зависимость теплопроводности от рода
газа обусловливает зависимость показаний
тепловых вакуумметров от рода газа. Давление
различных газов рт (Па) рассчитывают по
показаниям вакуумметра,отградуированного по
воздуху (азоту):
C.2.1)
где рв - показания вакуумметра; К -
коэффициент относительной чувствительности
вакуумметра, зависящий от рода газа:
Газ
К
Газ
К
Газ
К
Воздух
1
Хе
0,45
С2Н2
1,67
Не
0,89
н2
0,49
С2Н4
1,16
Ne
0,76
СО
1,03
с2н6
1,26
Аг
0,64
со2
1,06
H2S
1,41
Кг
0,43
сн4
1,64
о2
1,3
Основные технические характеристики
тепловых вакуумметров даны в таEл. 3.2.12.
Модель
вакуумметра,
фирма, страна
13ВТЗ-003,
Россия
УКВ-20,
Россия
ВТ-6, Россия
ВТЦ-1, Россия
TPG100,
Balzeis,
Лихтенштейн
ТМ21,
Leybold,
Германия
3.2.12. Техниче
Преобразователь
ПМТ-6-ЗМ-1
ПДТ-24
ПМТ-2
ПДТ-8
ПДТ-9
TPR010
TR211
ские характеристики тепловых вакуумметров
Диапазон измерения
давления,
Па
0,26 - 2,6;
2,6 -3,9-103;
3,9-103 - 10s
7-Ю-2 - l,M03
Ю-1 - 7-Ю2
1,340-2 - 6,7-101
1,3-Ю-3 - 13
10 - 104
Ю-1 - 1;
1- 104
104 - 105
Относительная погрешность
измерения,
%
Не нормируется
-40 ... +60
Не нормируется
Не нормируется
±C0 - 50)
±20
±30
±20
±20
±15
Не нормируется

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТТОВ ВАКУУМНЫХ И ГАЗОВЫХ СРВД 335
Ионизационные вакуумметры.
Ионизационные вакуумметры измеряют
давление 100 - 102 Па. Принцип измерения
основан на зависимости от измеряемого
давления числа положительных ионов (силы
постоянного тока), образованных в результате
ионизации молекул разреженного газа. Ионизация
молекул газа производится в преобразователе
давления. В зависимости от способа
ионизации вакуумметры подразделяются на
следующие типы:
ионизационные, в которых ионизация
газа осуществляется контролируемым потоком
ускоренных электронов, эмитгируемых
катодом (электронные ионизационные);
магнитные электроразрядные, ионизация
гаЗов в которых обеспечивается в газовом
разряде, происходящем в магнитном поле;
радиоизотопные, в которых газ
ионизируется а-частицами или р-частицами,
испускаемыми радиоактивными изотопами.
Влияние окружающей температуры на
показания и работу ионизационных
вакуумметров несущественно.
Главными преимуществами электронных
ионизационных вакуумметров являются
линейность градуировочной характеристики
(зависимость выходного сигнала - ионного
тока - от давления р) и сравнительно высокая
точность. Градуировочной характеристике
соответствует уравнение
где Ii - сила ионного тока, А; 1е - сила
электронного тока, А; К - приведенная
чувствительность, Па-1; S - абсолютная
чувствительность, А/Па; С - постоянная вакуумметра
(преобразователя), Па/А.
Значения S или С определяют для
каждого типа вакуумметра и данного газа
экспериментально по результатам градуировки и
для азота (воздуха) приводят в паспорте.
Верхняя граница диапазона измерения
давления определяется нарушением
линейности градуировочной характеристики и малым
сроком службы катода при высоком давлении.
^Нижняя граница измеряемого давления
определяется не зависящими от давления
фоновыми токами, протекающими в цепи коллектора
ионного тока. Диапазоны измерения давления
(табл. 3.2.13) определяются в основном
конструкцией преобразователя (рис. 3.2.41),
который представляет собой электронную лампу с
тремя (не менее) электродами: катодом,
эмитирующим электроды; анодом, ускоряющим
электроны до энергии, значительно
превышающей энергию ионизации газа;
коллектором образованных при ионизации ионов.
Технические характеристики
ионизационных вакуумметров приведены в табл. 3.2.13.
Рис. 3.2.41. П|
ые схемы электрс
иреобря
ей:
а - прямопролетного (высокого давления); б - с цилиндрическим коллектором; в - с осевым коллектором
(Байарда-Альперта); г - с осевым коллектором и торцевыми сетками; д - с осевым коллектором и модулятором;
е - экстракторного; ж - орбитронного; з - супрессорного;
1 - катод; 2 - анод; 3 - коллектор; 4 - модулятор; 5 - отражатель ионов; 6 - экран; 7 - супрессор

336
Глава 3.2 ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.13.
Модель вакуумметра,
фирма
ВИЦБ 27-002
ВИЦ 90-001
ВИО-1
IMG060, Balzeis
IM520, Leybold
Технические характеристики ионизационных вакуумметров
Диапазон измерения давления,
Па
6,5-10 - 10
7-10-9 - Ю-7
Ю-7 _ 1
7-10"9 - Ю-7
Ю-7 _ ю-1
Ю-7 - Ю2
Ю-9 - Ю-2
ю-8 - ю-1
Относительная погрешность измерения,
%
±C5 - 60)
±55
±25
±30
±10
-
±10
±10
2 J
Рис. 3.2.42. Пршщипиальные схемы магнитных электроразрядных преобразователей давления:
а - Пеннинга; б - магнетронного; в - инверсно-магнетронного;
1 - катод; 2 - анод; 3 - экран; Н - вектор напряженности магнитного поля
При проектировании и эксплуатации
оборудования с электронными
ионизационными вакуумметрами следует учитывать
следующее:
для обеспечения нормальной работы
вакуумметра напряженность внешнего
магнитного поля в месте расположения
преобразователя не должна превышать 1,2 кА/м;
ионизационные вакуумметры могут
незначительно изменять состав и давление газа.
Средняя скорость откачки преобразователя
при силе тока эмиссии 5 мА составляет 5-Ю
м3/с, при 0,5 мА - 5-Ю м3/с;
чувствительность одного и того же
преобразователя в процессе эксплуатации может
изменяться (как правило, уменьшаться)
вследствие изменений межэлектродных расстояний,
провисания витков сетки, загрязнения
электродов, образования на электродах плохо
проводящих покрытий и скопления на них
зарядов и т.п. Изменение чувствительности может
достигать 10 - 15%;
показания ионизационных вакуумметров
зависят от рода газа.
Давление различных газов вычисляют по
показаниям вакуумметров по формуле C.2.1).
Магнитные
электроразрядные вакуумметры. Простейший
магнитный электроразрядный преобразователь
давления представляет собой помещенную в
магнитное поле двухэлектродную систему
(катод и анод). В системе возникает
самостоятельный разряд при высоком напряжении
между ее электродами. Существуют три типа
преобразователей, различающиеся по
взаимному расположению электрического и
магнитного полей (рис. 3.2.42). Наиболее
распространены преобразователи
инверсно-магнетронного типа.
В общем случае их градуировочная
характеристика имеет вид
где / - сила измеряемого тока, A; S -
абсолютная чувствительность, А/Па ; п - показатель
степени (в зависимости от типа
преобразователя п = 0,9 ... 1,7).
Вакуумметры позволяют измерять
давление 10~12 - 102 Па. Верхний предел измерений
определяется балластным сопротивлением,
ограничивающим разрядный ток во избежание
перехода разряда в дуговой. Нижний предел
ограничивается возможностью зажигания и
поддержания разряда, его нестабильностью и
фоновыми токами.
Недостатками вакуумметров являются
нелинейность их градуировочных
характеристик, плохая "зажигаемость" разряда при
низком давлении, нестабильность разряда,
большая погрешность измерения. Однако
вакуумметры получили очень широкое применение в
вакуумном технологическом оборудовании
благодаря высокому сроку службы из-за

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНЫХ И ГАЗОВЫХ СРВД 337
3.2.14. Технические характеристики магнитных электроразрядных вакуумметров
Модель вакуумметра,
фирма
ВМБ-14
ВМБ 1/8-001
РМ 31, Leybold
PKG 100, Balzeis
Диапазон измерения давления,
Па
ю-7 -1
ю-8 - ю-1
10 - 10-1
2-Ю"8 - 540-1
Относительная погрешность измерения,
%
-40 ... +80
-40 ... +80
-50 ... +100
-50 ... +100
отсутствия накаленных электродов и
возможности разборки преобразователей, что
позволяет проводить периодически механическую
очистку электродов. Выделяемая в
преобразователях тепловая энергия (мощность) мала, что
позволяет применять их в криогенных
системах. Быстрота откачки C10 - 3-Ю м3/с)
преобразователя выше, чем ионизационного.
На базе магнитных электроразрядных
преобразователей разработаны специальные
вакуумметры, работающие в среде паров
вакуумных масел (самоочищающиеся
вакуумметры) и вакуумметры-течеискатели.
Давление различных газов рассчитывают
по формуле C.2.1).
Технические характеристики
вакуумметров приведены в табл. 3.2.14.
Анализаторы состава газовых сред.
Масс-спектрометрические
газоанализаторы. В вакуумном оборудовании
состав газовой среды и парциальные давления
отдельных ее компонентов определяют с
помощью масс-спектрометрических
газоанализаторов (МСГ). МСГ представляет собой масс-
спектрометр без собственной вакуумной
системы, состоящий из первичного масс-
спектрометрического преобразователя,
устанавливаемого непосредственно в вакуумную
систему оборудования, и измерительного
комплекса, обеспечивающего требуемый
электрический режим работы преобразователя,
измерение и обработку его выходного сигнала.
Принцип работы МСГ основан на
ионизации молекул анализируемого газа и
последующем разделении (сепарации)
образовавшихся положительных ионов в пространстве
или во времени по массовым числам.
Массовым числом иона М называют отношение
массы иона т к его заряду е и выражают в
атомных единицах массы (а.е.м); 1 а.е.м. =
= 1/12 массы атома углерода. Заряд иона
выражают числом зарядов электрона, поэтому
для однозарядных ионов массовое число
совпадает с молекулярной массой. Ионы
определенной массы, на которую настроен МСГ,
попадают на коллектор ионов и создают в его
цепи ток, сила которого пропорциональна
парциальному давлению газа с данной массой.
Разделение ионов по массовым числам
осуществляется под действием электрических
и (или) магнитных полей. В статических МСГ
разделение ионов происходит под действием
постоянных электрических или магнитных
полей, в динамических - под действием
изменяющихся во времени электрических полей.
МСГ различают по принципу разделения
ионов (табл. 3.2.15). Изменением параметров
полей в преобразователе МСГ перестраивается
на регистрацию ионов других масс. В
результате перестройки на коллектор поочередно
поступают ионы всех массовых чисел, что
обеспечивает регистрацию последовательного
ряда пиков ионного тока, графическое
изображение которого называют масс-спектром
анализируемой смеси газов.
Все современные МСГ работают только
при давлении, меньшем 10 - ДО Па. При
большем давлении происходит падение
чувствительности МСГ вследствие рассеяния ионов
в анализаторе. Максимальным рабочим
давлением считается давление, при котором
отклонение от линейной зависимости между
ионным током и соответствующим парциальным
давлением достигает 10 %. Наименьшее
определяемое парциальное давление
характеризуется порогом чувствительности. Для
большинства МСГ порог чувствительности составляет 10"
7 - 10"9 Па. Основными характеристиками
МСГ являются также разрешающая
способность и диапазон анализируемых масс.
Разрешающая способность р
характеризует возможность МСГ разделять ионы с
близкими молекулярными массами и определяется
как отношение массового числа М = т/е (т -
масса иона) к наименьшему разрешаемому
изменению массового числа AM = Ат/е, т.е.
р = М/АМ.
Основные технические характеристики
МСГ приведены в табл. 3.2.16.
Квадрупольные масс-спектрометры
являются наиболее перспективными для
применения в вакуумном машиностроении, так как
позволяют не только измерять парциальные
давления остаточных сред в широком
диапазоне масс, но и осуществлять контроль, и
управление технологическим процессом.

338
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.15. Классификация масс-спектрометрических газоанализаторов
Тип масс-
спекгрометрических
газоанализаторов
Принцип разделения ионов
Применение
Статические газоанализаторы
Панорамные
(фарвитрон)
С магнитным
отклонением
Омегатронные
Квадрупольные
В продольном электростатическом
поле с параболическим
распределением потенциала
В однородном поперечном
магнитном поле
В высокочастотном электрическом
и постоянном магнитном взаимно
перпендикулярных полях
В высокочастотном поперечном
электрическом поле,
образованном четырьмя цилиндрическими
параллельными электродами
(квадрупольная линза)
Анализ газов
Высокоточный количественный
анализ состава газовой среды в
вакуумных установках
Измерение парциального
давления (преимущественно легких
газов), анализ физико-
химических процессов в
высоком вакууме
Измерение парциального
давления в широком диапазоне масс,
контроль и управление
технологическим процессом
Динамические газоанализаторы
Монополярные
Времяпролетные
(хронотрон)
Радиочастотные
В высокочастотном поперечном
электрическом поле,
образованном цилиндрическим и угловым
заземленным электродами
По времени пролета пространства
дрейфа, свободного от
электрических и магнитных полей
В высокочастотных продольных
электрических полях,
образованных последовательно
расположенными трехсеточными каскадами
Измерение парциального
давления в широком диапазоне масс,
контроль и управление
технологическим процессом
Исследование газовой кинетики
с контролем газовых процессов
ддительностью до нескольких
микросекунд
Газовый анализ в
промышленных установках, анализ
молекулярных потоков в установках
вакуумного нанесения пленок
3.2.16. Технические характеристики масс-спектрометрических газоанализаторов
Масс-спектро-
метрический
газоанализатор
Панорамный
Магнитный
Омегатронный
Квадрупольный
Монополярный
Времяпролетный
Радиочастотный
Максимальное
рабочее давление
Порог
чувствительности
Па
10-3
10-3
Ю-3
10-2
10-2
10-3
10-2
10-7
ю-8
ю-8
10-Ю
10-ю
ю-8
10
Массовое число,
а.е.м.
2-200
2-250
4-900
1 -250
1 -200
2-400
1 -200
1 -600
2- 100
Разрешающая
способность
20
100
800
45
200
400
200
100
50

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
339
Рис. 3.2.43. Принципиальная схема
квадрупольного масс-анализатора:
1 - ионизатор (источник ионов); 2 - диафрагма;
3 - стержни (электроды) анализатора; 4 - коллектор
Квадрупольные масс-спектро-
метрические газоанализаторы.
Разделение ионов по массовым числам проводится
в квадрупольной линзе, состоящей из четырех
параллельно расположенных стержней
круглого сечения (рис. 3.2.43). Противолежащие
стержни попарно соединены между собой, и
на них подается постоянное напряжение CL и
переменное напряжение высокой частоты
Kxosoo/, т.е.: ±{U= + ??.coscg/). Траектория
ионов, поступивших в квадрупольный фильтр
из ионного источника, имеют колебательный
характер с возрастающей по времени
амплитудой. В результате ионы попадают на стержни,
нейтрализуются на них и не достигают
коллектора. Однако ионы, массовое число М
которых связано с параметрами электрического
поля соотношением
где IL - амплитуда высокочастотного
напряжения, В; /- частота, МГц; /*о - радиус поля, м
Bг\) - зазор между противолежащими
стержнями), имеют амплитуду колебаний, меньшую /ft.
Эти ионы достигают коллектора и
создают в его цепи ток, сила которого
пропорциональна парциальному давлению газа с данным
массовым числом.
Развертку масс-спектра можно
осуществлять изменением частоты или амплитуды
высокочастотного напряжения. Как правило,
развертку осуществляют изменением
напряжения (при обеспечении постоянства их
отношения), так как в этом случае шкала масс
линейная. Главными преимуществами квалруполь-
ных МСГ являются: отсутствие магнитов,
высокая разрешающая способность, линейность
шкалы масс и постоянство наименьшего
различаемого изменения массового числа AM
вплоть до верхнего предела диапазона
массовых чисел.
3.2.5. МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ
ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
В большинстве случаев расчет вакуумных
систем сводится к расчету производительности
при требуемом рабочем давлении и расчету
времени откачки установки до заданного
давления.
Разработка вакуумной системы ведется
на основе анализа конкретного
технологического процесса в следующем порядке:
определяют вид и размер рабочей
камеры, позволяющей разместить технологическую
оснастку и управлять ее функционированием;
если не задан поток рабочих газов, то его
определяют и с учетом парциального и
полного давлений выбирают типоразмер насосов,
обеспечивающих откачку рабочей камеры;
определяют эффективную быстроту
откачки Sq и время достижения заданного
давления; •
разрабатывают принципиальную схему
вакуумной системы с входящими в нее
конструкционными элементами: насосами,
ловушками, коммутирующей арматурой,
соединительными коммуникациями и др.
В основу расчета вакуумной системы
берется основное уравнение вакуумной техники
S0=SHU/(SH+U), C.2.2)
где «Sq - эффективная быстрота откачки
объекта, м3/с; «SJh - быстрота действия насоса, м3/с;
U- проводимость трубопровода, м3/с
Анализ уравнения C.2.2) показывает, что
при U » Sh влияние трубопровода
незначительно и «So = iSfc. При U « Sh быстрота
откачки определяется проводимостью
трубопровода и «So = U. На практике «S^ > «So и U> Sq.
При расчетах Sq обычно определяют
исходя из газового потока Q и рабочего
давления />р, а искомой величиной является «S^,
причем проводимость трубопровода U, как
правило, неизвестна. В этом случае «S^
оценивают по формуле
где v - коэффициент использования насосов;
v = 2 - для высоковакуумных насосов;
v = 1,1 ... 1,25 - для механических вакуумных
насосов.
Расчет проводимости вакуумных систем
выполняют в большинстве случаев исходя из
разности давлений р\ - р2 на концах вакуум-
провода и с учетом его размеров и формы, а
также числа Кнудсена Кп = АД где d -
характерный размер вакуумпровода; X - длина
свободного пробега молекулы.
В вакуумной технике практически
выделяют три режима течения газов: вязкостный
(при Кп < 10 вплоть до атмосферного
давления в системе); молекулярный Кп > 0,33;
переходный и молекулярно-вязкостный
10 < Кп < 0,33. Турбулентное течение
практически не учитывается, так как оно
существует в процессе откачки непродолжительное

340
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
время и составляет малую часть суммарной
длительности откачки.
Режим течения воздуха при Т = 293 К
будет молекулярным, если pd <> 0,02 Пам,
вязкостным, если pd > 1,33 Пам и
переходным, если 0,02 > pd > 1,33 Пам, где
р = (pi + p2)/2. Пропускная способность
стандартных элементов вакуумных систем
(ловушки, затворы, клапаны и др.) указывается
в паспортных данных.
Расчет проводимости вакуумных систем
приведен ниже*.
Вязкостный режим течения газа. Течение
газа через диафрагму с тонкой перегородкой
при h « d (рис. 3.2.44) рассматривается для
двух случаев: течение через малую диафрагму
при d « D и течение через большую
диафрагму, когда d соизмеримо с одним из
больших диаметров D.
Проводимость малой диафрагмы
U = А
1 + т
к-\ М
C.2.3)
где А - площадь сечения диафрагмы, м2;
т = Pi I Р\ > ^ " показатель адиабаты; для
двухатомных газов (Н2, О2, N2) к = 1,4; R -
универсальная газовая постоянная.
Для воздуха при 293 К
U =
766т0'714
1-х
200А
А 1
1-х
_т0,28,
при
при
при
S
0,528 < т <
т < 0,528;
х < ОД.
Рис 3.2.44. Диафрагма
Проводимость большой диафрагмы
определяется по формуле C.2.3) с поправочным
коэффициентом А' / [А! - Л), где А' -
площадь поперечного сечения вакуумпровода,
диаметр которого соизмерим с диаметром
диафрагмы.
Для воздуха при 273 К проводимость
большой диафрагмы
U =200-
Проводимость цилиндрического
трубопровода
где г - радиус поперечного сечения
трубопровода, м; р - среднее давление трубопровода,
Па; т] - динамическая вязкость, Пас.
Для воздуха при 293 К
U = 1360d4p 11,
где ? - длина трубопровода, м.
Проводимость длинного трубопровода
прямоугольного сечения с размерами сторон а
и Ь равна
U =
ab*
П п5 a j
где К" - коэффициент, определяемый
графически (рис. 3.2.45).
Для воздуха при 293 К
U =
где к' - коэффициент, который зависит от
а/Ь:
а/Ь 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
к' 1,0 0,99 0,98 0,95 0,9 0,82 0,71 0,58 0,42 0,23
0,3
0,2
0,1
0,002
0 0,2 0,4 0,6 0,8 а/Ь
Рис. 3.2.45. Зависимость коэффициента А от а/Ь
'•ч ч
мулы.
* Здесь и далее в подразд. 3.2.5 для расчета проводимости приведены эмпирические фор-

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
341
Проводимость длинного трубопровода Проводимость короткого трубопровода с
эллиптического сечения с длиной осей а и b сечением произвольной формы
64 ц? а2+Ь2'
Для воздуха при 293 К
Проводимость трубопровода с двумя
коаксиальными цилиндрами с Г\ > ъ (Гь *1 -
соответственно радиусы наружного и
внутреннего цилиндров)
для воздуха при 293 К
Ц1
где UK - проводимость короткого
трубопровода, вычисленная по формуле для длинного
трубопровода; Щ - проводимость входного
отверстия трубопровода.
Молекулярный режим течения газа.
Проводимость малой диафрагмы
U
где А - площадь сечения малой диафрагмы;
М - молекулярная масса.
Проводимость большой диафрагмы
АЛ1
U = 21,67 • 103 SL
Нъ/ъ)
Проводимость короткого трубопровода
круглого сечения (b < 20d)
U =-
+ 4,54 • 1Q~2MQ
для воздуха при 293 К
А'-А'
где А - площадь сечения большой диафрагмы;
А' - площадь поперечного сечения сосуда,
диаметр которого соизмерим с А
Проводимость длинного
цилиндрического трубопровода круглого сечения (I > 20d)
Проводимость трубопровода
прямоугольного сечения со сторонами аи Ь
U = 1360^
1 + 0,030/^'
где к" - коэффициент, зависящий от
отношения Ь/а:
Ыа
к"
1
1,108
0,667
1,126
0,500
1,151
0,333
1,198
0,200
1,297
0,125
1,400
0,100
1,444
Проводимость щели при ? / b > 10
ff = 36,4
Проводимость цилиндрического
трубопровода с коаксиально расположенным
стержнем
где d\ и di - диаметр соответственно внешнего
и внутреннего цилиндров.
Проводимость трубопровода с
эллиптическим сечением с осями а и Ь
U = 53,7
Проводимость трубопровода с сечением в
виде равностороннего треугольника со
стороной а
U = 15,1—JT/M.
Влияние изгиба трубопровода на 90°
(прямое колено) учитывается удлинением
трубопровода на 1,33 диаметра.
Молекулярно-вязкостный режим течения
газа. Проводимость длинного
цилиндрического трубопровода круглого сечения
определяется по эмпирической зависимости

342
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
где UB и UM - проводимость соответственно
при вязкостном и молекулярном режимах; Z -
эмпирический коэффициент,
щади поверхности стенок с учетом
микрогеометрии, от температуры стенок и от времени
предварительного обезгаживания:
1 + BpjM I (ЯТ) I ц
1 + ly24lJpJM I (ЯТ) I ц'
где D - диаметр трубопровода.
Проводимость трубопровода с другими
видами сечений определяется с учетом услов-
где А - площадь
ного диаметра
поперечного сечения трубопровода.
Сложные вакуумные системы.
Проводимость вакуумных систем, включающих в себя
участки с различными поперечными
сечениями, конфигурациями и длинами, определяется
следующим образом.
Рассчитывают значения проводимости
отдельных участков и при их
последовательном соединении общую проводимость
определяют по формуле
1
при параллельном соединении общая
проводимость
При расчете проводимости сложной сис-
' темы следует учитывать эффект
диафрагмирования, имеющий место при переходе от
участков с большим поперечным сечением к
участкам с меньшим поперечным сечением.
Поток газов в вакуумную систему Qz
состоит из потока газа, обусловленного
технологическим процессом обработки QT,
газовыделением со стенок бг, натеканием газов через
неплотности QH:
& = Gt + Qt + Он
Поток QT можно рассчитать по формуле
Q =^Ч
т t '
где G - масса обрабатываемого продукта; qT -
удельное газосодержание в обрабатываемом
продукте; / - длительность обработки;
\ = 1,5 ... 3 - коэффициент неравномерности
газовыделения.
Поток QT в основном оказывает влияние
на давление в вакуумной системе при
молекулярном течении газа и зависит от
предшествующего состояния рабочей камеры, от пло-
где (fr - удельный поток газовыделения; Ав -
площадь поверхности, обращенной в
вакуумную полость.
В случае, если вакуумная полость
ограничивается стенками, изготовленными из
разных материалов, поток газовыделения должен
состоять из потоков газовыделений всех
участков. Натекание газа происходит в основном по
разборным и неразборным соединениям,
которые не могут обеспечить абсолютную
герметичность. Поток газонатекания
Gh = П бгеч,
где п - число соединений; бтеч ~
минимальный поток, регистрируемый течеискателем.
После расчета суммарного газового
потока Qz определяют требуемую быстроту откачки
рабочей камеры по формуле
где р - давление газа в камере.
Некоторые типы насосов
характеризуются разной быстротой действия для различных
газов. Поэтому при выборе вида насоса очень
важно определить парциальный состав
откачиваемого газа.
Одним из методов расчета проводимости
сложных систем при молекулярном течении
газа является статистический метод Монте-
Карло. Сущность его заключается в том, что
прослеживают большое число возможных
траекторий движения молекул от места "старта"
во входном сечении до возвращения к
сечению входа или выхода из вакуумной системы.
Метод основан на моделировании на ЭВМ,
при этом отражение молекул от стенок
принимается соответствующим косинусоидально-
му закону.
Вероятность Р-перехода молекул через
вакуумную систему определяют по формуле
где N1 - число молекул, попавших в выходное
сечение; N - общее число рассматриваемых
молекул. Точность вычисления зависит от
числа N.
Проводимость системы определяется
умножением проводимости входного сечения на
Р. Существует упрощенный вариант этого
метода, называемый методом
графоаналитического моделирования на плоскости.
Здесь число испытаний уменьшено до 150, так
как при этом ошибка не превышает ±10%.
Моделирование также осуществляется с помо-

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
343
щью ЭВМ, но возможно и применение
"ручного" счета.
Проводимость вакуумной системы, а
также распределение молекул по поверхности
вакуумной системы или на отдельных ее
участках можно рассчитывать методом угловых
коэффициентов, используемым для
определения теплообмена излучением. Существование
физических аналогий между
закономерностями молекулярного течения и лучистого
теплообмена позволяет использовать в вакуумных
расчетах детально разработанный
математический аппарат.
Выбор вспомогательного насоса.
Пароструйные, диффузионные, турбомолекулярные
и двухроторные насосы работают со
вспомогательными (форвакуумными) насосами,
включенными последовательно. Поток откачиваемых
газов Q из камеры 1 (рис. 3.2.46) должен быть
одинаков как для основного насоса Д так и для
вспомогательного насоса 4, соединенного с
основным насосом через трубопровод 3, т.е.
Q =
где S0CH, аЗвсп - быстрота действия
соответственно основного и вспомогательного насосов.
Отсюда определяется быстрота действия
вспомогательного насоса SBcn. Однако
давление р2 на входе во вспомогательный насос
должно быть меньше наибольшего выпускного
давления />наиб основного насоса, которое
указано в паспорте этого насоса. Обычно
р2 = @,7 ... 0,75) Рнаиб- Диаметр трубопровода
Зу соединяющего насосы, выбирают равным
или несколько большим диаметра патрубка
вспомогательного насоса. При расчете
проводимости Uc соединительного трубопровода 3
должно соблюдаться условие
Рнжб
1
Р2
Расчет длительности откачки. В
инженерных расчетах реальных вакуумных систем
течение газа принимается квазистационарным,
т.е. таким, при котором разность давлений на
концах трубопровода мала по сравнению со
средним давлением в нем, объем трубопровода
меньше объема откачиваемой рабочей камеры
и в трубопроводе в каждый момент времени
существует только один режим течения газа.
При этих условиях время откачки /
определяют по формуле
t _
S0 />треб ~ Qz I S0 '
где V - объем откачиваемого газа; #нач> /*греб -
давление соответственно начальное и
требуемое.
В общем случае в процессе откачки Qz и
«Sq изменяются. Поэтому весь период откачки
разбивают на отдельные участки по давлению,
внутри каждого из которых суммарный поток
газовыделения и натекания Qz и эффективную
быстроту откачки Sq можно условно
принимать постоянными. Тогда общее время
откачки
где п - число участков; // - длительность
откачки на /-м участке. Иногда пользуются
упрощенными формулами. Так, для давления р >
> 1 Па при «So = const (низкий вакуум)
Рис. 3.2.46. Схема к выбору насосов, работающих
последовательно
где к « 1, 2 - коэффициент запаса; р^ -
рабочее давление газа.
Для давления р < 1 Па при «So = const
(средний и высокий вакуум)
S'
где С - коэффициент, значение которого
зависит от состояния поверхностей, обращенных в
вакуум. При очень чистых и предварительно
обезгаженных поверхностях С « 1, при
неочищенных поверхностях С « 10. При расчетах
коэффициент С выбирается из диапазона
К С< 10.
Газовые системы для дозирования потока
в вакуумную камеру. При проведении таких
технологических процессов, как нанесение в
вакууме оксидных, нитридных и подобных
пленок, а также при испытаниях вакуумной

344
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
аппаратуры необходимо дозировать поток
рабочего газа. Наиболее часто применяются
три метода:
1. Дозирование потока газа менее
10'3 м^Пас осуществляется методом
калиброванного сопротивления (рис. 3.2.47).
Требуемый поток Q% регулируется нате-
кателем 3. Проводимость Лд диафрагмы 1
выбирается такой, чтобы давление за
диафрагмой понизилось на два - три порядка по
сравнению с давлением перед диафрагмой р,
измеряемым датчиком 2. Тогда поток газа
Точность дозирования определяется
погрешностью измерения давления р.
Диафрагмы с проводимостью 10'3 - 10"s дм3/с могут
быть изготовлены на базе пористых стекол или
из тонкой медной фольги с отверстием,
образованным лучом лазера.
2. Для дозирования потока газа 10 - 2
м3-Па-с-1 используется метод бюретки (рис.
3.2.48). Напуск газа в вакуумную ситему
осуществляется натекателем 5, соединенным
шлангом 4 с верхним концом бюретки 2. К
верхнему концу бюретки присоединен
трехходовой кран Зу соединяющий бюретку с
атмосферой. Через кран 3 в систему может
подаваться любой рабочий газ. Нижний конец
бюретки погружается в сосуд 1 с вакуумным
маслом.
Рис. 3.2.47. Схема дозирования потока газа методом
калиброванного сопротивления
С помощью натекателя 5 устанавливают
требуемое давление р в вакуумной системе, и
при закрытии крана 3 масло в бюретке
начинает подниматься. По скорости подъема масла
в бюретке определяют поток Q\ вытесненный
из бюретки:
Здесь к$ - коэффициент,
характеризующий способность бюретки дозировать поток
газа, Пам2;
Рис. 3.2.48. Схема дозирования потока газа
методом бюретки
где Vq - объем градуированной части бюретки,
м3; р - плотность масла, кг/м3; g - ускорение
свободного падения, м/с2; р§ -
барометрическое давление, Па; Vq - начальный объем
бюретки 2 и соединительного шланга 4, м3; h -
высота поднятия масла в бюретке, м; t - время
поднятия столба масла, с.
3. Дозирование потока более 0,2 м3Пас-1
производится с помощью ротаметров, в
которых используется сопротивление движению
потока газа, создаваемого поплавком,
находящимся в вертикальной конической трубе.
3.2.6. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В
ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
В электронном машиностроении в
зависимости от назначения используются
следующие конструкционные материалы: чугун,
углеродистые и легированные стали и сплавы,
жаропрочные, жаростойкие и коррозионно-
стойкие стали и сплавы, цветные металлы и
сплавы, тугоплавкие металаллы и др. Кроме
того, благодаря специфике осуществляемых на
оборудовании в электронном машиностроении
технологических процессов ассортимент
используемых материалов значительно шире. К
ним относятся стекла, керамика, пьезотехни-
ческие материалы, ферромагнитные материалы,
композиционные пластмассы, резины, полиуре-
тановые каучуки, фторопласты, легкоплавкие
сплавы с низкой упругостью пара и др.
Механические свойства материалов
характеризуются следующими показателями:
пределом текучести ат; временным
сопротивлением <тв; пределом прочности при изгибе
аи; относительным удлинением 8;
относительным сужением \|/; твердостью по Бринеллю
НВ; условным пределом текучести сто2-
Физические свойства характеризуются
теплопроводностью X, плотностью у,
температурным коэффициентом линейного
расширения а, удельным электрическим
сопротивлением р, диэлектрической проницаемостью 8,
тангенсом угла диэлектрических потерь tg6.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
345
Чугуны. В электронном машиностроении
чугуны используют для изготовления станин и
корпусных деталей оборудования, не
контактирующих с высоким вакуумом, а, кроме того,
литых корпусов, работающих при низком и
среднем вакууме (р < ДО Па). Их получают
обычно литьем под давлением для
обеспечения вакуумной плотности.
Малонагруженные корпусные детали
отливают из чугунов СЧ15 и СЧ18, нагруженные
детали - из чугунов СЧ20, СЧ25 и СЧЗО. Из
чугуна СЧ35 отливают сложные детали
повышенной плотности. Детали пар трения
изготовляют из антифрикционных чугунов; детали,
работающие в паре с закаленными или
нормализованными стальными валами, - из чугунов
АЧС-1 и АЧС-2; детали, работающие в паре с
термически не обработанными валами, - из
чугуна АЧС-3.
Высокопрочные чугуны ВЧ 45; ВЧ 50 и
ВЧ 60 по механическим свойствам не уступают
литой углеродистой стали: имеют хорошие
литейные свойства, обрабатываемость
резанием, высокую износостойкость, способны
гасить вибрации. Из отливок высокопрочного
чугуна изготовляют корпуса насосов, вентилей,
переходников, изделий, подвергаемых
вибрации, и др.
Механические свойства чугунов
приведены в т. П-2 энциклопедии "Машиностроение".
Углеродистые стали. Углеродистые стали
широко используются для изготовления
элементов и узлов оборудования электронной
техники различного назначения, работающих
при Т* 293 К и давлении не ниже 10~3 -
ДО Па. В последнем случае для исключения
коррозии поверхности стальных деталей,
соприкасающихся с разреженным газом,
хромируют, никелируют или плазменным способом
наносят коррозионно стойкую пленку.
Из углеродистых сталей обыкновенного
качества нашли применение СтЗсп, Ст4сп,
Ст5сп, Стбсп (ГОСТ 380-88). Механические
свойства и химический состав этих сталей
приведены в т. П-2 энциклопедии
"Машиностроение". Качественные низкоуглеродистые
стали 08, 10, 15, 20, 25 применяют для мало-
нагруженных деталей в том случае, когда их
повышенная пластичность необходима для
формообразования. Среднеуглеродистые стали
30, 35, 40, 45, 50 (ГОСТ 1050-88) используют,
как правило, в нормализованном состоянии,
применяя поверхностную закалку.
Легированные стали. Легированные стали
обеспечивают повышенную прочность по
сравнению с углеродистыми и имеют лучшие
технологические свойства при термической
обработке.
Благодаря легированию уменьшаются
критические скорости охлаждения и
термическое улучшение обеспечивается для
толстостенных деталей (толщина стенок до 20 мм).
Закалка в масло, а не в воду уменьшает
коробление, снижает уровень остаточных
напряжений и повышает надежность. Из этого класса
сталей наиболее часто применяют
цементуемые стали 12ХНЗА, 15Х, 18ХГТ, а также
улучшаемые стали 40ХФА, 40ХН, 40ХГТР,
40ХН2МА, 36Х2Н2МФА, 38ХНЗМФА.
Механические свойства цементуемых сталей после
закалки и низкого отпуска характеризуются
следующими показателями: схв = 700 ... 1200
МПа; ао2 = 500 ... 1000 МПа; 6 = 10 ... 13%.
Механические свойства и химический
состав легированных сталей приведены в
т. Н-2 энциклопедии "Машиностроение".
Жаропрочные стали и сплавы.
Жаропрочные стали и сплавы способны работать при
высокой нагрузке и температуре выше 773 К.
Повышение температуры уменьшает модуль
упругости, пределы текучести и прочности.
Нагружение деталей в течение
длительного времени при повышенной температуре
вызывает ползучесть.
В зависимости от значений рабочих
напряжений, температуры и длительности
эксплуатации применяют стали перлитного, мар-
тенситного и аустенитного классов.
Наиболее дешевыми, оцениваемыми по
содержанию легирующих элементов являются
перлитные стали. Они характеризуются
пластичностью, хорошими свариваемостью и
обрабатываемостью. К этим сталям относятся
12ХМ, 12Х1МФ, 25Х1МФ (ГОСТ 20072-74).
Мартенситные жаропрочные стали
(ГОСТ 5632-72) после термической обработки,
закалки и высокого отпуска применяют для
тех же температур, что и перлитные. К этим
сталям относятся 15X11МФ, 18Х11МНФБ,
20Х12ВНМФ.
Из жаропрочных аустенитных сталей
наиболее широко используются стали
12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б и др.
Наивысшая жаропрочность достигается
закалкой, начиная с 1050 до 1493 К, в воду.
Эти стали применяются для длительной
эксплуатации при температуре не выше 923 К.
При более высоких температурах до 973 К
используются аустенитные стали (ГОСТ 5632-
72) с карбидным упрочнением (например
45Х14Н14В2М) и с ишерметаллидным
упрочнением (например 10Х11Н20ТЗР), работающие до
температуры 1023 К. При эксплуатационной
температуре выше 1000К основными
жаропрочными материалами являются никелевые сплавы
ХН78Т, ХН56ВМГЮ (ГОСТ 5632-72).
Механические свойства и химический
состав жаропрочных сталей и сплавов
приведены в т. П-2 энциклопедии
"Машиностроение".
Коррозионно-стойкие стали. Совместное
легирование сталей хромом и никелем при
определенном соотношении между ними
обеспечивает структуру аустенита, устойчивую
при 293 - 298 К. Аустенитные стали по ком-

346
Глава 3.2 ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
плексу механических характеристик и
физических свойств представляют уникальную группу
материалов. Они имеют высокое
сопротивление общей коррозии при взаимодействии с
большинством промышленных агрессивных
сред.
Эти стали хорошо поддаются прокатке в
горячем и холодном состояниях, в холодном
состоянии выдерживают глубокую вытяжку и
профилирование, хорошо свариваются с
образованием вакуумно-плотного соединения.
Термическая обработка коррозионно-стойких
сталей аустенитного класса сравнительно
проста и заключается в закалке, отжиге и отпуске.
Аустенитные коррозионно-стойкие стали в
закаленном состоянии имеют низкие пределы
текучести и прочности и очень высокую
пластичность. Так, для сталей 04Х18Н10,
08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т и 17Х18Н9 временное
сопротивление соответственно сгв = 450; 500;
520 и 580 МПа. Для стали 04Х18Ш0 предел
текучести <тт = 160 МПа, для остальных трех
сталей сгт - 200 МПа. Для сталей всех четырех
марок б = 40 %, \|/ = 55 %.
Металлические материалы,
эксплуатируемые при низких температурах (от 293 К до
температуры кипения жидкого гелия 542 К),
подразделяют на три группы, соответствующие
следующим температурным диапазонам: 293 -
213; 293 - 193; 293 - 13 К.
Основное требование к сталям и сплавам,
предназначенным для работы при низких
температурах, - высокая механическая прочность.
Известно, что при снижении температуры
прочность возрастает, а пластичность и
вязкость уменьшаются. Таким образом, прочность
должна гарантироваться при температуре
293 К. При расчете элементов криогенных
систем и установок на прочность следует
учитывать свойства материалов при нормальной
температуре.
Для работы при низких температурах
наиболее широко используют аустенитные
стали 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 12Х18Н9.
Хромоникелевые аустенитные стали
имеют высокую ударную вязкость при
высокой температуре. По мере снижения
температуры кипения жидкого азота эти стали
сохраняют свою пластичность, а ударная вязкость
хотя и уменьшается, но до Т = 20 К сохраняет
высокие значения. Вследствие относительно
невысокой прочности аустенитных сталей
(стт « 250 МПа) разработаны высокопрочные
стали, например 08Х15Н24В4ТР, 10Х11Н23ТЗ-
МР, 03Х9К14Н6МЗД, 03Х14К14Н4МЗТВ.
Химический состав и механические
свойства коррозионно-стойких сталей
приведены в т. И-2 энциклопедии
"Машиностроение".
Титан и его сплавы. В электронном
машиностроении титан и его сплавы наиболее
эффективно применяют для изготовления не-
распыляемых газопоглотителей, вводимых
непосредственно в объем вакуумных камер.
Титан и его сплавы имеют высокие
прочность, плотность, жаропрочность и
коррозионную стойкость при температуре до
773 К. При более высокой температуре титан
и его сплавы легко окисляются и поглощают
водород, который вызывает охрупчивание.
Технический титан хорошо обрабатывается
давлением, сваривается в среде аргона, но
плохо обрабатывается резанием.
Для получения сплавов титан легируют
алюминием, молибденом, ванадием,
марганцем, хромом, оловом, цирконием, ниобием и
кремнием.
Титан имеет две аллотропические
модификации: аир. Наибольшее промышленное
применение получили а- и а + р-сплавы.
В табл. 3.2.17 приведены химический
состав и механические свойства наиболее
распространенных титановых сплавов,
обрабатываемых давлением.
Высокая пластичность титановых сплавов
при низкой температуре позволяет их
применять в криогенной технике: в криогенных
вакуумных насосах и элементах вакуумного
технологического оборудования.
Титан и ос-сплавы титана не упрочняются
термической обработкой: их подвергают только
рекристаллизационному отжигу. Температура
отжига а + Р-сплавов должна быть выше
температуры рекристаллизации, но не превышать
температуры фазового превращения, так как и
в Р-сплавах происходит сильный рост зерна.
Отжиг а- и а + р-сплавов лучше проводить в
вакууме. Для снятия напряжений неполный
отжиг при Т = 823 ... 873 К; а + Р-сплавы
можно упрочнять закалкой с последующим
старением.
Титановые сплавы имеют низкие
антифрикционные свойства. Титан и его сплавы,
предназначенные для деталей узлов трения,
азотируют при Т = 1123 ...1223 К, в течение
30 - 60 ч в среде азота. После азотирования по
такому режиму толщина диффузионного слоя
титановых сплавов составляет 0,05 - 0,15 мм,
твердость 750 - 900 HV.
В особо ответственном оборудовании
микроэлектроники при наличии узлов тения
следует применять беститановые сплавы.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
347
3.2.17. Химический состав и механические свойства титановых сплавов
Модификация
а
а + р
Модификация
а
а + р
Сплав
ВТ5
ВТ5-1
ОТ4
ВТЗ-1
ВТ9
ВТ14
ВТ22
Сплав
ВТ5
ВТ5-1
ОТ4
ВТЗ-1
ВТ9
ВТ14
ВТ22
Массовая доля *1, %
А1
4,3 - 6,2
4,3 - 6,0
3,5 - 5,0
5,5 - 7,0
5,8 - 7,0
3,5 - 6,3
4,4 - 5,9
Мо
2,0 - 3,0
2,8 - 3,8
2,5 - 3,8
4,0 - 5,5
Механические свойства *2
ств, МПа
750 - 900
800 - 950
700 - 900
1100 A200)
1100 A300)
1000 A300)
1150 A450)
б, %
10- 14
10- 15
10-20
17 A2)
10F)
12(8)
15F)
прочих элементов
B,0 - 3,0)Sn
@,8 - 2,0)Мп
@,2 - 0,7)Fe;
@,8 - 2,3)Сг,
@,15 - 0,04)Si
@,20 - 0,35)Si
@,2 - 2,0)Zn
@,9 - 1,9)V
D,0 - 5,5)V;
@,5 - 2,0)Cr,
@,5 - l,5)Fe
Вид
полуфабриката
Поковки,
штамповки,
прутки
Штамповки,
поковки
Штамповки
Прутки
*1 Остальное - титан.
*2 Механические свойства указаны после отжига, в скобках - после закалки и старения.
Тугоплавкие металлы. К тугоплавким
относятся металлы с температурой плавления,
превышающей 1973 К. В электронном
машиностроении в качестве конструкционных
материалов применяют вольфрам, молибден, их
сплавы, ниобий, тантал. Вольфрам используют
в большинстве случаев в качестве нагревателей
в вакуумно-термическом оборудовании и в
вакуумных насосах. Необходимо особо
отметить, что одним из свойств вольфрама
является его активное взаимодействие с остаточной
газовой средой вакуумного оборудования.
При температуре 573 - 773 К в
присутствии кислорода образуется оксид вольфрама
W4O11, а при более высокой температуре -
триоксид WO3, который легко испаряется в
вакууме.
Вольфрам имеет исключительно высокие
временное сопротивление и модуль упругости:
ав = 114 МПа при температуре 2200 К. Близок
по своим свойствам к вольфраму молибден. В
отличие от вольфрама полуфабрикаты из
молибдена приобретают пластичность после
отжига, что позволяет обрабатывать их методом
пластического деформирования и резанием.
Молибден хорошо сваривается в инертных
газах, а также электронно-лучевым методом.
Применяют чистый бесприсадочный
молибден М4 и вакуумно-плавленый М4ВП. Из
молибдена получают полуфабрикаты в виде
проволоки, прутков и трубок.
В электронном машиностроении их
используют для изготовления вакуумно-плотных
спаев с алюмосиликатными стеклами.
Сплав молибден-цирконий-титан ЦМ-2А
применяют для изготовления деталей, от
которых требуется повышенная жаропрочность. Его
поставляют в виде прутков диаметром
8-60 мм, листов толщиной 0,3 - 20,0 мм и
шириной 100 - 400 мм, а также поковок
диаметром 65 - 18р мм.
Один из самых пластичных тугоплавких
металлов - тантал. Его можно подвергать
практически всем видам механической обработки в
холодном состоянии и сваривать со всеми
металлами, с которыми он образует сплавы
(железом, никелем, цирконием, титаном,
ниобием, вольфрамом). При этом применяют ар-
гонодуговую, ультразвуковую,
электроннолучевую и лазерную сварку.
При температуре 973 - 1473 К тантал
поглощает активные газы, а при температуре
1473 - 1713 К - хорошо обезгаживается.

348
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Тантал ТВЧ и ТВЧ-1 получают методом
вакуумной плавки, поставляют в виде листов
толщиной 0,01 - 10 мм и шириной 30 - 150
мм, проволоки диаметром 0,05 - 3 мм и
прутков диаметром 3-50 мм. Технический тантал
марки Т поставляют в виде прутков, ленты и
проволоки.
Листы тантала ТВЧ и ТВЧ-1 используют
в качестве экранов в вакуумно-термическом
оборудовании.
Сплавы тантал-вольфрам ТВ-5, ТВ-10 и
ТВ-15 поставляют в виде полос толщиной 0,1 -
10 мм и шириной не менее 100 мм и прутков
диаметром 3-80 мм.
Применение ниобия и его сплавов в
высоковакуумных установках и в вакуумной
технике обусловлено его способностью к
газопоглощению, высокой температурой плавления
B088 К), низким давлением пара.
Ниобий используют в качестве припоя
для соединения более тугоплавких металлов.
Его поставляют в виде прутков НбШ и Н6П2
диаметром 3 - 100 мм, фольги и листов Нб-1 и
Нб-2 толщиной 0,1 - 10 мм и шириной 30 -
150 мм.
Физические свойства тугоплавких
металлов приведены в табл. 3.2.18.
3.2.18. Физическве свойства тугоплавких металлов
Металл
Вольфрам
Рений
Тантал
Молибден
Ниобий
Гафний
Ванадий
Хром
Цирконий

рекристаллизации
1838
1673
1273
1403
383
-
-
1073
-
Температура, К
плавления
3653
3443
3269
2898
2688
2248
2173
2163
2128
кипения
6203
6143
6373
5073
3573
5673
3623
2742
3850
Y>
г/см3
19,3
21,0
16,6
10,2
8,6
13,4
6,1
7,2
6,0
К
Вт/(мК)
192
68,0
52,0
140,0
48,0
21,0
29,6
64,0
16,0
а* Л0\
К-1
4,5
6,7
6,6
5,4
7,1
6,0
9,7
6,2
5,8
* При температуре 293 К.
3.2.19. Химический состав и свойства алюминиевых сплавов
Сплав
АМц
АМг2
АМгЗ
АМг5
АМгб
Содержание элементов, %
Мп
1,0 - 1,6
0,2 - 0,6
0,3 - 0,6
0,3 - 0,8
0,5 - 0,8
Mg
-
1,8 - 2,6
3,2 - 3,8
4,8 - 5,8
5,8 - 6,8
МПа
130
190
190
260
300
%
23
23
15
22
18
У,
г/см3
2,73
2,67
2,67
2,65
2,63
К
ВтДм-К)
188,5
142,4
146,6
117,3
293,3
а*.10*,
К-1
24,0
23,8
23,8
24,3
24,0
* При температуре 293 К.
Примечание. Механические свойства - для сплавов в отожженом состоянии.
Цветные металлы и сплавы. В
электронном машиностроении наиболее широко
применяют алюминиевые литейные сплавы АЛ2,
АЛ5, АЛ9, а также сплавы алюминия с
марганцем или магнием, широко используемые в
качестве конструкционных материалов для
изготовления вакуумных камер, корпусов
вакуумной запорной арматуры, вакуумных
трубопроводов и др.
Сплавы, свойства которых приведены в
табл. 3.2.19, легко обрабатываются давлением,
хорошо свариваются и обладают высокой
коррозионной стойкостью. Для аргонодуговой
сварки наиболее приемлемы сплавы АМц и
АМгб.
В высоко- и сверхвысоковакуумном
оборудовании, а также при создании вакуумных
насосов и элементов вакуумных систем
широко применяют медь (М06, Ml, M006).
Благодаря высокой теплопроводности медь широко
используют в охлаждаемых устройствах;
высокая пластичность меди позволяет изготовлять

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
349
из нее уплотнители прогреваемых
высоковакуумных разъемных соединений. Недостатки
меди: склонность к водородной "болезни",
приводящей к образованию мельчайших
трещин и вызывающей хрупкость материала, и
высокая активность по отношению к
кислороду, особенно при повышенных температурах,
что ухудшает свойства медных уплотнителей и
ограничивает их повторное использование.
Несмотря на недостатки, ее высокая
пластичность, низкая газопроницаемость, низкое
давление пара A0"9 Па при Т = 773 К),
соответствие по температурному коэффициенту
линейного расширения коррозионно-стойкой
стали A2Х18Н10Т) являются решающими при
выборе ее в качестве уплотняющего материала
для сверхвысоковакуумных разъемных
соединений, прогреваемых до 723 К.
Основные физико-механические свойства
технической меди Ml, которая может успешно
применяться в менее ответственных случаях,
приведены ниже.
Температура, К:
плавления 1356
кипения 2873
упри Г= 293 К, г/см3 8,96
аЮ6, К, при температуре , К:
273 - 373 16,4
298 - 573 17,7
273 - 873 18,6
273 - 1073 19,3
X, ВтДсмК) 3,95
р-108, при Т= 273 К, Омм 1,67
ств, МПа 220
5, % 60
НВ 36
Латунь имеет ограниченное
применение - в основном для изготовления мелких
деталей, не подвергающихся нагреву в
вакууме, поскольку в этом случае из латуни
начинает вьщеляться цинк, загрязняя вакуумную
систему и постепенно превращая латунь в
пористый металл. Поэтому рекомендуется вместо
латуни применять бронзу, не содержащую
цинк.
Никель применяют главным образом при
получении гальванических покрытий, а также
в качестве переходного металла в сложных
вакуумно-плотных сварных соединениях из
разнородных материалов, например 12Х18Н-
10Т, 36НХТЮ.
Проволоку из алюмеля (НМцАК2-2-1),
хромеля (НХ9,5), копеля (МНМЦ43-05), фер-
ронихрома (Х15Н60), нихрома (Х20Н80), кон-
стантана (МНМц40-1,5) применяют для
изготовления термоэлектродов термоэлектрических
преобразователей (термопар).
Высоковакуумные спаи с тугоплавкими стеклами
изготовляют из ковара (Н28К18), в состав которого
входят никель, кобальт и железо.
Стекло, керамика, ситаллы. Стекло,
керамика и ситаллы являются важными
конструкционными материалами электронного
машиностроения. Стекло широко используют
для вакуумных камер, герметичных металло-
стеклянных спаев, смотровых окон и др.
По химическому составу стекло является
сплавом ряда оксидов. Основная
составляющая стекла - диоксид кремния. Введение в
состав стекла свинца, цинка, магния, кальция
и других веществ придает ему особые свойства.
Важнейшая характеристика стекла -
температурный коэффициент линейного
расширения. В зависимости от его значения стекло
подразделяют на тугоплавкое, или твердое
(а = 5,5-10 К), и легкоплавкое [а = E,5 -
11)-Ю-6 К].
3.2.20. Физические свойства технического стекла
Стекло
С37-2
С39-1
С40-1
С47-1
С49-1
С87-1
С89-5

Кварцевое
прозрачное
а* -107,
33-36
38 - 41
40
47-48
48- 52
86-90
87-91
5,5 - 6,1
Предел прочности, МПа
при разрыве
84
78
70
905
30- 50
40- 60
-
70 - 120
при сжатии
-
1106
1090
1090
-
850
-
1600 - 2000
ВтДмК)
-
1,257
-
0,87
-
0,67
1,382-
2,680

Температура
размягчения, К
863 - 893
903 - 923
893
853 - 873
843 - 863
753 - 773
803
1773

Термостойкость,
К
250
230
240
200
180
100
-

Температура
отжига, К
693 - 823
678 - 823
683 - 803
683 - 838
673 - 823
623 - 733
-
'При Т =293- 573 К.

Керамика
Форстеритовая:
ЛФ-11
Ф-17
КВФ-4
Алюмосиликатная
Алюмооксидная:
22Х
22ХС
М-7
А-994
поликор
На основе
оксида бериллия
(брокерит-9)
Ъ
К
1623
1613
1873
1873
1993
1923
2123
-
г/см3
2,98
2,93
2,95
3,40
3,68
3,75
3,65
3,88
3,98
2,85
3.2.21.
Физические и механические свойства вакуумно-плотной керамики
оИз МПа, при Ту К
293
140
170
170
260
360
380
350
360
290
220
1173
-
-
-
250
70
100
220
230
240
170
<х107, К-1, при Г, К
293 - 473
85
83
80
53
61
61
60
60
57
53
473 - 1173
109
97
100
70
79
79
79
77
75
86
Вт/См-К)
-
-
-
5,44
10,47
13,40
10,05
18,85
27,29
16,70
s*1 при Т, К
293
6,5
6,3
6,8
8,4
9,3
9,4
8,6
9,7
9,8
М
573
-
-
-
8,8
9,5
9,6
8,9
10,0
10,2
7,0
(tg 6I04 *
293
-
10
10
14
8
8
9
1
0,5
3
при Т, К
573
-
-
-
14
8
8
9
1
0,5
6
Р>
Ом-см
1012
-
-
10"
-
-
1013
1012
1013
1013

Электрическая
прочность *2,
МВ/м
-
-
45
33
54
-
-
50
50
-
*1 При частоте 1010 Гц.
*2 При Т= 293 К и постоянном напряжении.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
351
Наиболее тугоплавким является
кварцевое стекло, содержащее 98,8 % SiO2- Оно
обладает высокими прочностными свойствами и
прозрачностью для ультрафиолетовых лучей.
Стекло активно сорбирует газы и поэтому
обладает значительной способностью к
газовыделению. В поверхностном слое стекла
может быть сорбировано более 59
мономолекулярных слоев.' При этом преимущественно
сорбируются пары воды и незначительное
количество диоксида углерода и азота.
При нагреве стекла в вакууме большая
часть адсорбированных газов выделяется в
течение первых 2-3 мин; поверхностная
десорбция газов завершается при нагреве до
Г= 573 К. При Т > 773 К происходит
интенсивное газовыделение из стекла главным
образом паров воды, оксида и диоксида углерода и
в незначительных количествах водорода.
Для формообразования стекла
используют его термопластические свойства,
определяемые характером зависимости вязкости
стекла от температуры.
Основные физические свойства
технического стекла приведены в табл. 3.2.20.
Большая часть свойств керамики
незначительно зависит от температуры в интервале
1073 - 1273 К. Стабильность свойств
керамических материалов обеспечивает длительную
работоспособность изделий при Т = 1673 ...
1873 К. Высокая прочность керамики
позволяет получать жесткие и механически прочные
вакуумные соединения керамических деталей с
различными металлами и сплавами (медью,
никелем, молибденом, вольфрамом, коваром и
др.).
Основные свойства вакуумно-плотной
керамики различных видов приведены в
табл. 3.2.21. Газовыделение из керамики
значительно меньше, чем из стекол. При обезга-
живании керамики преимущественно
выделяются небольшие объемы Н2О, О2, CO, CO2 и
Н2, причем состав газа зависит от
предварительной поверхностной обработки. На
газовыделение керамики наибольшее влияние
оказывают процессы адсорбции и десорбции
поглощенных из атмосферы газов.
Керамические материалы, содержащие
SiO2, интенсивно поглощают влагу, причем
интенсивность поглощения тем больше, чем
больше пористость и шероховатость
поверхности. С увеличением содержания SiC>2
вакуумные свойства керамики ухудшаются -
повышается ее склонность к сорбции газов.
Алюмооксидная керамика 22ХС и 22Х
широко используется в качестве изоляторов
высоковольтных энергетических вводов.
В электронном машиностроении и в
производстве вакуумной аппаратуры широко
применяют стеклокристаллические материалы -
ситаллы и цементы. Ситаллы получают на
основе неорганических стекол полной или
частичной кристаллизацией. По структуре
ситаллы занимают промежуточное положение
между стеклом и керамикой.
В отличие от обычного стекла, свойства
которого определяются в основном его
химическим составом, для ситаллов решающее
значение имеют структура и состав. Ценные
свойства ситаллов - высокая механическая
прочность, сохраняемая вплоть до температуры
нагрева 900 - 1000 К, высокая вакуумная
плотность, теплопроводность, химическая
стойкость и др* - обусловлены их
исключительной мелкозернистостью, почти идеальной
поликристаллической структурой.
Наиболее распространены ситаллы
СТ 32-1; СТ 38-1; СТ 50-1, свойства которых
приведены в табл. 3.2.22. Ситаллы имеют
высокую химическую стойкость к кислотам и
щелочам даже при высоких температурах. Из
ситаллов изготовляют вакуумно-плотные
оболочки, трубы, детали радиоэлектронной
аппаратуры.
Сгеклокристаллические материалы
используют для получения стеклоцементов. Их
разделяют на низкотемпературные
(температуры кристаллизации и склеивания
ниже 823 К) и высокотемпературные
(указанные температуры выше 823 К).
3.2.22. Физические и механические свойства
ситаллов
Показатель
s при
частоте, Гц:
10*
1010
tg 8, не
более, при
частоте, Гц:
10*
1010
р, Ом-м, не
менее, при
температуре,
К:
373
573
у, г/см3
а-107, К,
при
температуре 293 -
573 К
аи, МПа
СТ 32-1
10,0
100,0
20,0
5,0
1015
1012
3,17
32
150
СТ 38-1
7,35
7,25
30
3,0
1017
Ю12
2,90
38
100
СТ 50-1
8,5
8,5
15
35
1017
1013
2,65
52
180

352
Глава 3.2 ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Свойства стеклокристаллического
цемента СЦ 90-1 приведены ниже.
Температура деформирования, К 753
Электрическая прочность, МВ/м 10
р при Г= 373 К, Омм 1013
а при Г= 293 - 573 К, К 95-10
Пластмассы. Пластмассы -
искусственные материалы, получаемые на основе
органических полимерных связующих веществ. В
качестве связующих для пластмасс чаще всего
используют синтетические смолы, реже - эфи-
ры и целлюлозы. Многие пластмассы
(например, полиэтилен, органические стекла)
состоят из одного связующего вещества.
Другой важный компонент пластмасс -
наполнитель. Свойства пластмасс определяются
свойствами компонентов и их количественным
соотношением.
По характеру связующего вещества
пластмассы подразделяют на термопласты и тер-
мореактопласты (на основе синтетических
смол).
Термопласты применяют в качестве
прозрачных органических стекол, высоко- и
низкочастотных диэлектриков и др. Изделия,
выполненные из таких материалов, имеют
ограниченную рабочую температуру.
В электронном машиностроении
используют термопласты типа полиэтилена, фторо-
пласта-4 - политетрафторэтилена (ПТФЭ),
органического стекла, полиуретанов. Из
полиэтилена изготовляют шланги и трубы для
вакуумных трубопроводов, из полиуретана -
герметичные деформируемые камеры, например, в
безмасляных вакуумных насосах, ПТФЭ
используют в качестве уплотнителей в разъемных
и подвижных соединениях, а также в качестве
изоляторов.
Наиболее широко применяют фторо-
пласт-4, обладающий исключительной
химической стойкостью по отношению к
химически активным реагентам. Практически он
разрушается только под действием расплавленных
щелочных металлов и отличается сравнительно
высокой термостабильностью. При
температуре до 523 К его механические свойства почти
не меняются и его можно длительно
эксплуатировать. ПТФЭ негигроскопичен и
практически не смачивается водой. ПТФЭ - один из
лучших диэлектриков (особенно в полях
высоких и сверхвысоких частот). Его
диэлектрические свойства мало изменяются в широком
диапазоне температур. ПТФЭ имеет очень
низкий коэффициент трения по стали
if— 0,04), который не зависит от температуры
в диапазоне, рекомендуемом для эксплуатации
(до 523 К). Недостатки ПТФЭ - хладотекучесть
под нагрузкой и выделение токсичного фтора
при высокой температуре.
Газонаполненные пластмассы (пено-
пласты) широко используют в качестве
теплоизолирующих прокладок в криогенных
системах и установках. Для большей части пенопла-
стов нижний предел рабочей температуры
213 К, верхний 333 - 573 К.
Резины. Резины - наиболее
распространенные вакуумные уплотнители. Вакуумная
резина имеет незначительную пористость и
сравнительно малое газовыделение.
Белая вакуумная резина 7889 наиболее
эластична. Ее используют в качестве
уплотнителей, работающих при температуре 283 -
293 К.
Эту резину выпускают в виде пластин,
шнуров круглого или прямоугольного сечения
и трубок. Черная резина 9024 менее эластична,
чем резина 7889, обладает примерно вдвое
меньшим газосодержанием. Ее выпускают
только в виде пластин.
Физико-механические свойства резин,
применяемых для изготовления пластин,
приведены в табл. 3.2.23.
Применяют пластины следующей
толщины: 3; 3,5; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 12; 15; 20; 25;
30; 40 мм, размеры пластин 250 х 250 и 500 х
х 500 мм.
Из резиновых пластин изготовляют уп-
лотнительные прокладки неподвижных
соединений вакуумных систем. При температуре до
213 К используют резины: ИРП-1118 и
ИРП-1289. Резины ИРП-1345, ИРП-1399 и
51-1433 наиболее термостойки, но
неустойчивы по отношению к растворителям.
Универсальна резина ИРП-2043 на основе фторкаучу-
ка СКФ-26.
Широко используют прокладки из
резиновых шнуров круглого и прямоугольного
сечений.
Для круглых шнуров установлен ряд
диаметров, мм: 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9; 10;
12; 18; 20; 25, 30. Для шнуров прямоугольного
сечения установлены следующие номинальные
размеры (ширина х высота): 3 х 3; 5 х 5; 8 х 7;
8 х 8; 8 х 10; 12 х 12; 12 х 15 мм.
3.2.23. Физические и механические свойства
вакуумной резины
Резина
7889
9024
ИРП-
1015
МПа
17
10
9
5*,%,
не
менее
550
350
400

Температура

хрупкости, К
-
238
248
Рабочая
температура,
К
281 - 343
253 - 363
253 - 343
* При разрыве.

МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
353
3.2.24. Размеры (мм) в сортамент вакуумных
резиновых шлангов
Внутренний
диаметр
3
4
5
6
8
9
10
Толщина
стенки
2
3
4
3
4
5
6
3
4
5
6
7
3
4
5
3
4
5
6
7
8
3
4
5
6
7
8
9
4
5
6
7
8
9
10
12
Внутренний
диаметр
12
15
18
20
25
30
Толщина
стенки
4
5
6
7
8
9
10
12
10
12
13
14
14
15
10
12
13
14
15
16
17
18
10
12
13
14
15
16
17
18
20
10
12
25
35
В качестве форвакуумных трубопроводов
широко используют резиновые толстостенные
шланги. Размеры шлангов приведены в табл.
3.2.24. ,
Легкоплавкие металлы и сплавы.
Легкоплавкие металлы и сплавы используют в
качестве припоев и уплотнителей для разъемных
соединений. В соответствии с этим к их
вакуумным и механическим характеристикам
предъявляют особые требования.
К легкоплавким металлам,
удовлетворяющим этим требованиям, относятся галлий,
висмут, индий, кадмий, олово, свинец, таллий
и цинк.
Из большого числа требований,
предъявляемых к металлам-уплотнителям, основным
является недопустимость нарушения состава
остаточной газовой среды.
Физические свойства легкоплавких
металлов приведены в табл. 3.2.25.
Для сверхвысоковакуумного
оборудования по совокупности свойств в качестве
уплотнителя целесообразно использовать как
чистые металлы (например индий), так и их
многокомпонентные соединения.
В качестве уплотнителя можно
использовать эвтектические сплавы индий-олово,
свинец-олово, серебро-свинец, галлий-индий.
Наиболее широко применяют припои
системы олово-индий, обладающие
достаточными прочностью и коррозионной
стойкостью. Этот сплав с 48,7% олова образует
эвтектику с температурой плавления 390 К; его
можно применять для получения уплотнений,
основанных на адгезионном взаимодействии с
твердой уплотняемой поверхностью.
Наименьшей температурой плавления
обладает сплав на основе индий-галлий-олово,
пребывающий в жидком состоянии при
температуре не менее 281 - 293 К.
Показатель
Температура, К:
плавления
кипения
у, г/см3, для
металла:
в твердом
состоянии
в жидком
состоянии
Давление пара,
Па:
при
температуре плавления
при
температуре 750 К
3.2.25.
Галлий
302,8
2373
5,97
6,09
10-1б
Ю-ю
Физические свойства легкоплавких металлов
Висмут
544
1779
9,8
10,1
Ъ10
5-10
Индий
429,4
2370
7,36
7,03
ю-13
5-Ю
Кадмий
594
940
^ 8,6
8,0
13,3
6403
Олово
504,9
2073
7,3
7,0
2-Ю-12
ю-"
Свинец
601
2013
11,3
10,3
10
5-10
Таллий
576
1830
11,84
11,35
2-10
мо-2
Цинк
692,5
1179
7,1
6,7
-
-
12 За к 769

354
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Продолжение табл. 3.2.25
Показатель
Удельная
теплоемкость при
Г=293К,
фкДкг-К)
Изменение
объема, %
Динамическая
вязкость при
температуре
плавления, Пас
сх-106, К, при
Г= 293 ...373 К
Поверхностное
натяжение, Н/м:
расплава
кристалла на
границе с
расплавом
кристалла
Галлий
336
-3
0,0017
18,3
0,735
-
-
Висмут
126
-3,32
0,0015
12Д
0,380
0,018
0,39
Индий
239
2,5
0,0015
33
0,340
-
Кадмий
321
4,74
0,0023
-
0,560
0,029
0,62
Олово
232
2,6
0,0017
34
0,540
0,011
0,56
Свинец
327
3,6
0,0011
28,3
0,450
0,012
0,49
Таллий
303
-
-
-
-
-
Цинк
419
6,9
0,0028
39,5
0,760
0,057
0,86
3.2.7. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ГАЗОВЫХ СИСТЕМ
Производство изделий
микроэлектроники многих типов осуществляется по планарно-
эпитаксиальной технологии. Основу этой
технологии составляют процессы осаждения из
газовой или жидкой фазы, плазменные
процессы и т.д.
Одной из важнейших составных частей
оборудования для реализации вышеуказанных
процессов являются газовые системы (ГС),
выполняющие подготовку, распределение,
контроль, транспортирование технологических
газов и парогазовых смесей (ПГС) в рабочие
камеры (реакторы) установок. Газовой
системой называется часть технологической
установки, выполняющая следующие функции:
очистку, смешение, распределение,
транспортирование, измерение и регулирование
параметров газов и ПГС, а также нейтрализацию
продуктов реакций. Для осуществления
указанных функций ГС содержат аппаратуру
различных) типов. Включение той или иной
аппаратуры в состав системы зависит от ее
назначения и ее конструктивно-технологических
особенностей. Результаты технологических
процессов существенно зависят от состава
ПГС и точности ее поддержания на заданном
уровне, таким образом ГС в значительной
степени определяют технико-экономические
показатели оборудования в целом. Доля ГС в
общей структуре оборудования (установок)
составляет 35 - 45 %.
ГС состоят из специальных элементов
(клапанов, регуляторов давления, расхода
реагента, расхода газов и т.д.), к которым
предъявляется ряд очень высоких требований.
ГС классифицируют по следующим
основным признакам:
технологическому назначению: для эпи-
таксиальных, окислительных, диффузионных,
плазменных и др. процессов;
агрегатному состоянию реагентов: с
твердыми, жидкими или газообразными
реагентами;
степени автоматизации: с ручным
управлением, автоматизированным управлением, в
том числе программным, с регулированием
параметров газов и параметров процесса, в том
числе программным;
конструктивному исполнению: в виде
отдельных функционально законченных шкафов
или блоков; в виде конструктивных модулей,
встроенных в оборудование.
ГС должны отвечать ряду важных
технологических требований, от выполнения
которых зависит качество получаемых слоев и
пленок. ГС должны быть герметичными.
Конструкция и монтаж должны исключать
проникновение в систему воздуха и влаги из
окружающей среды, а из системы в окружающую
среду - реакционных газов, в особенности
токсичных и взрывоопасных. Материалы ГС
не должны вносить загрязнений и примесей в
вещества, используемые в процессах, и
вступать с ними в реакции. Конструкции систем
не должны содержать непродуваемых участков
и застойных зон, в которых могли бы
скапливаться реагенты и отходы реакций.
Конструкции систем должны обеспечивать всесторон-

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ГАЗОВЫХ СИСТЕМ
355
ний доступ к аппаратуре, трубопроводам и
разъемам для периодического осмотра,
испытаний на герметичность, регламентных работ и
регулярного демонтажа для очистки. Кроме
того, ГС должны обеспечивать:
надежную работу стабилизирующей и за-
порно-распределительной аппаратуры,
особенно при автоматизированном управлении
циклами;
минимальные гидравлические
сопротивления при достаточных пропускных
способностях отдельных участков;
безопасные условия эксплуатации при
нормальной работе и защиту в аварийных
режимах;
минимально возможное потребление
энергоносителей, минимальные габаритные
размеры и стоимость.
В ГС применяются разнообразные
клапаны, вентили, дроссели, посредством
которых ведется распределение газов по каналам.
Эта аппаратура в зависимости от газовых сред,
в которых она применяется, может быть
разделена на две группы. К одной группе
относится аппаратура для технических и
продувочных газов: обеспыленного воздуха, азота,
аргона, водорода. Ко второй группе относится
аппаратура, устанавливаемая в линиях
реакционных газов, чистого водорода, а также линиях
ПГС, содержащих пары жидких реагентов.
И к тем, и к другим группам элементов
предъявляются одинаковые требования по
чистоте (привносимой дефектности),
герметичности, химической стойкости и другим
показателям. Все металлические элементы этих
конструкций должны быть выполнены из
коррозионно-стойких сталей типа 03Х17Н14МЗ, а
магистрали, контактирующие с ПГС и высоко
токсичными и агрессивными средами, - из
фторопласта; трубопроводы, по которым
транспортируются газы, должны иметь
полированную внутреннюю поверхность.
Соединение трубопроводов между собой
желательно обеспечивать через металлические
никелевые уплотнения.
Высококачественное проведение
технологических процессов требует стабилизации
параметров, в том числе расходов и давлений
газов, входящих в состав ПГС. Для этой цели
в ГС применяют регуляторы давлений и
расходов газов. Регулятор давления обеспечивает
поддержание заданного давления в канале ГС
или на входе в регулятор за счет
дросселирования потока газа. Чувствительным элементом
регулятора давления, как правило, является
мембрана, воспринимающая силы,
создаваемые давлением газа. При изменении давления
мембрана деформируется и перемещает
дроссельный регулирующий орган, который
изменяет поток газа в камеру регулятора.
Регуляторы расхода предназначены для
поддержания постоянного во времени
объемного или массового расхода газов.
Необходимость стабилизации расхода связана с
возможными изменениями гидравлических
сопротивлений каналов газовой системы (перегибы
трубопроводов, перекрытие запорных органов
и т.д.).
При равномерно установившемся
движении объемный расход Qy газа, проходящего
через сечение S, равен
Qv =
Здесь ц - коэффициент расхода,
характеризующий неравномерность скорости по
сечению потока; vcp - средняя скорость при малых
перепадах давления газа, м/с;
где Др - перепад давления на исполнительном
органе регулирующего устройства, Па; у -
плотность газа, кг/м3.
Для непрерывного регулирования
расхода газа необходимо (при прочих равных
условиях) изменять либо проходное сечение
исполнительного органа, либо перепад давления.
В технологии микроэлектроники в
системах газораспределения требуются
высокоэффективные и надежные фильтры. Для
сверхбольших интегральных схем (СБИС) с
информационной емкостью 1-64 Мбит размеры
загрязняющих частиц не должны превышать
0,20 - 0,25 мкм для 1 Мбита и 0,03 - 0,05 мкм
для 64 Мбит. При этом число частиц в 1 дм3
технологического объема допускается для
указанных диапазонов в пределах 0,3 - 0,4 для
1 Мбита и 30 - 40 для 64 Мбит.
Размер частиц, проникающих через
волокнистые фильтрующие материалы,
составляет 0,1 - 0,3 мкм, для мембранных - 0,03 -
0,08 мкм, однако на эту характеристику
оказывают влияние, например, параметры
газового потока, плотность частиц и другие
факторы. В связи с этим для правильного
применения мембранных фильтрующих материалов в
диапазоне размеров частиц 0,02 - 1,0 мкм
необходимо располагать данными о зависимости,
характеризующей эффективность фильтрации
в указанном диапазоне размеров при
различных параметрах газового потока, т.е.
изменение эффективности фильтрации в трехмерном
пространстве.
12*

356
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Схема современной газовой системы
технологической установки показана на рис.
3.2.49. Технологические газы G\ - 64 из
баллонов 10 через клапаны 9 и регуляторы
расхода газа 8 поступают в рабочую камеру 5.
Давление в рабочей камере измеряется
датчиком 4> а поддерживается в требуемом
диапазоне регуляторами расхода газа 8 и
дросселирующим клапаном (заслонкой) 7, который
изменяет эффективную быстроту откачки
рабочей камеры вакуумным насосом 6.
Управление напуском газов осуществляется
компьютером 2 с помощью микропроцессорных
контроллеров 1 и 3.
Типовые образцы элементов ГС,
применяемых в электронном машиностроении для
формирования технологических сред,
представлены на рисунках, а их технические
характеристики - в таблицах:
запорные элементы, предназначенные
для коммутации потоков газов и их смесей
(могут работать как при избыточном давлении,
так и при вакуумировании): с ручным
управлением (рис.3.2.50, а и табл. 3.2.26); с
управлением от пневмопривода (рис. 3.2.50, б и
табл. 3.2.27); с управлением от
электромагнитного привода (рис. 3.2.51 и табл. 3.2.28);
предохранительные элементы: аварийные
клапаны (рис. 3.2.52 и табл. 3.2.29),
предназначенные для аварийного перекрытия газовьк
магистралей при увеличении заданного
расхода или при падении заданного давления газов
и их смесей, и обратные клапаны (рис. 3.2.53
и табл. 3.2.30), предназначенные для защиты
газовых магистралей от обратных потоков
газов и их смесей;
регулирующие элементы: регуляторы
расхода газа (рис. 3.2.54 и табл. 3.2.31),
предназначенные для регулирования потоков
напускаемых в рабочую камеру газов.
На рис.3.2.54, а приведена конструкция
типового регулятора расхода газа, основными
узлами которого являются входной 1 и
выходной 4 штуцера,' устройство дросселирования
потока газа 2 и электромагнитный натекатель
3. Грубая регулировка расхода газа
осуществляется дросселирующим устройством, а тонкая
- электромагнитным натекателем (рис. 3.2.54,
б), состоящим из следующих основных
элементов: седла 5; клапана 6 с уплотнительной
прокладкой из резиновой смеси марки ИРП-
1345; упругой мембраны 7; жестко
соединенного с клапаном 6 якоря <?, изготовленного из
магнитного материала, и электромагнитной
катушки 9.
С помощью электромагнитной катушки 9
якорь 8 втягивается в нее на расстояние
I — 0,35 мм и открывает доступ рабочего газа
к отверстию седла 5. Упругая мембрана 7
возвращает клапан 6 в закрытое положение.
Изменением соотношения длительностей
нахождения клапана 6 в положениях "Открыто" и
"Закрыто" регулируют поток рабочего газа,
поступающего в технологическую камеру;
регуляторы расхода реагента (рис. 3.2.55
и табл. 3.2.32), предназначенные для
регулирования расхода паров реагентов независимо от
их температуры и уровня исходного материала
в испарителях;
регуляторы давления (рис. 3.2.56 и табл.
3.2.33), предназначенные для редуцирования и
стабилизации давления газов и их смесей.
На рис. 3.2.56 показана конструкция
типового регулятора давления с чувствительным
элементом в виде диафрагмы 5. Если пружина
8 не сжата, то клапан 3 под действием
пружины 2 прижат к седлу 9 и газ, подводимый к
входному каналу i, не может поступать к
выходному каналу 10. При настройке регулятора
винтом 7 сжимают пружину 8> которая через
шток 4 отжимает клапан 3 от седла Я образуя
кольцевую щель, через которую газ поступает
в камеру 6 и далее к выходному каналу 10.
При изменении давления газа в подводящей
магистрали клапан 3, связанный с мембраной,
перемещается, при этом изменяется проходное
сечение кольцевой щели до наступления
нового положения равновесия;
электронные датчики и регуляторы
давления (рис. 3.2.57 и табл. 3.2;34),
предназначенные для преобразования избыточного
давления технологической среды в
пропорциональный электрический сигнал и поддержания
давления на заданном уровне; вентили (рис.
3.2.58 и табл. 3.2.35), предназначенные для
коммутации и регулирования потоков газов и
их смесей;
элементы контроля давления:
индикаторы давления газа и их смесей (рис. 3.2.59 и
табл. 3.2.36); однопозиционные реле (рис.
3.2.60 и табл. 3.2.37), предназначенные для
сигнализации о наличии заданного
избыточного давления газов и их смесей; двухпозици-
онные реле (рис. 3.2.61 и табл.3.2.38),
предназначенные для сигнализации о наличии
заданного верхнего и нижнего пределов
избыточного давления газов и их смесей;
фильтры: микроочистки газов и их
смесей (рис. 3.2.62 и табл. 3.2.39); микроочистки
и охлаждения отработанных газов и их смесей
(рис. 3.2.63 и табл. 3.2.40);
фильтродержатели (рис. 3.2.64 и табл.
3.2.41), предназначенные для размещения в
них дисковых фильтрующих элементов, в
комплекте с которыми используются для
фильтрации газов и их смесей;
присоединительные элементы: тройники
(рис. 3.2.65 и табл. 3.2.42), крестовины,
угольники, разъемы, ниппели и прокладки,
используемые при монтаже газовых и вакуумных
систем.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ГАЗОВЫХ СИСТЕМ
357
Рис. 3.2.49. Схема современной газовой <
045
2от».М4
б)
Рис. 3.2.50. Вентиль с ручным управлением (а) и клапан с управлением от пневмопривода (б)

358
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
0 70
JL-JL
—ii
,Q25
77
2 отв. М4
Рис. 3.2.51. Электромагнитный клапан
Рис. 3.2.52. Аварийный клапан
3.2.26. Технические характеристики запорных элементов с ручным
Характеристика
Диаметр условного
прохода, мм
Рабочее давление, МПа
Расход газа, дм3/ч
Поток натекания
через затвор, м^Па-с1
Поток натекания в
окружающую среду,
Поток натекания из
окружающей среды во
внутреннюю полость
при ее вакуумирова-
нии, м3Па-с
Наработка на отказ, ч
Материал,
контактирующий с рабочей
средой
Масса, кг
Кран*
4; 6; 8;
12; 16; 20
0,4
1800, 3600,
9000,
18000,
36000
1,3-10"9
1,3-Ю-9
25000
Сталь
12Х18Н10Т,
фторопласт
Ф-4,
резиновые
смеси
ИРП-1345,
51-1481
0,860
Кран*
2
16,0
3600
1,340-8
1,3-Ю-8
_
30000
Сталь
12Х18Н10Т,

фторопласт Ф-4
0,2
Кран*
4; 8
0,6
1800-3600
1,340-"
1,3-Ю-9
1,3-Ю-11
300000
Сталь
12Х18Н10Т,
фторопласт
Ф-40
0,820
Кран*
2; 4
0,6
1800
1,340-"
1,3-Ю-9
1,3.10""
300000
Сталь
03Х17Н14МЗ,
фторопласт
Ф-40
0,2
i управлением
Вентиль
4
4,0
1800
1,310-8
1,3-10"9
1,3-Ю-9
300000
Сталь
12Х18Н10Т,

фторопласт Ф-4
0,35
Вентиль*
4
16,0
18000
1,3-10"9
1,3- Ю-9
1,3.10""
200000
Сталь
12Х18Н10Т,

фторопласт
Ф-40
1,3
* Имеет несколько типов соединений.

Характеристика
Диаметр
условного
прохода, мм
Рабочее
давление, МПа
Управляющее
давление, МПа
Расход газа,
дм3/ч
Поток натека-
ния через
затвор, м3Пас-1
Поток натека-
ния в
окружающую среду,
м^Шс1
Поток натека-
ния из
окружающей среды
во внутреннюю
полость при ее
вакуумирова-
нии, м3Пас
Наработка на
отказ, цикл
Материал,

контактирующий с рабочей
средой
Масса, кг
3.2.
I*
4
0,6
0,3-0,6
3600
1,3-10-9
1,340-9
1,340-9
10*
II*
4
0,6
0,3-0,6
3600
1,340-9
1,340-9
1,340-9
106
Сталь
12Х18Н10Т и
10Х17Н13М2Т,
резиновые смеси
51-1481 и 51-
1578
0,5
0,5
27. Технические характеристики клапанов с
Ш*
6; 8; 12; 16;
20
0,6
0,3-0,6
36000
1,340-7
1,340-9
1,340-9
105
Сталь
12Х18Н10Т и
резиновые
смеси
ИРП-1345,
51-1481
1,4
IV
4
4,0
0,3-0,6
9000
1,340
1,340
1,340-9
5405
управлением от пневмопривода
Клапан исполнения
4
4,0
0,3-0,6
9000
1,340-7
1,340-7
1,340-9
8405
Сталь
10Х17Н13М2Т
и резиновая
смесь 51-1578
0,8
0,95
VI*
4
0,6
0,3-0,6
3600
1,340-5
1,340-5
1,340-5
1,2404

Фторопласт
Ф-10и
Ф-40
0,15
VII*
4; 8
0,6
0,3-0,6
9000
1,340-9
1,340-9
1,340-П
8405
VIII*
4; 8
0,6
0,3-0,6
9000
1,340-9
1,340-9
1,340-П
8405
IX*
4; 8
0,6
0,3-0,6
9000
1,340-9
1,340-9
1,340-п
8405
Сталь 03Х17Н14МЗ
1,0
0,99
1,05
X*
4; 8
0,6
0,3-0,6
9000
1,340-9
1,340-9
1,340-П
8405
XI*
2; 4
0,6
0,3-0,6
3600
1,340-9
1,340-9
1,340-п
8405
, фторопласт Ф-40
1,02
0,4
XII*
2; 4
0,6
0,3-0,6
3600
1,340
1,340-5
1,340-П
8405
0,4
XIII
12
0,1-13,3
0,4-0,6
-
_
1,340-9
-
105
Сталь
12Х18Н10Т
и
резиновая
смесь
Бр-11
-
Имеет несколько типов соединений.

360
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.28. Технические характеристики клапанов с управлением от электромагнитного привода
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Поток натекания через затвор, м3-Па-с
Поток натекания в окружающую среду,
м^Пас1
Наработка на отказ, цикл
Рабочая среда
Потребляемая мощность, Вт
Масса, кг
Клапан исполнения
I
1,6
106
Сжатый воздух
6,5
0,2
II
4
1,мо-8
1,3-Ю-8
1,2-Ю4
Агрессивные
газы, кислоты,
щелочи
6
0,5
Блок
клапанов
1,6
10*
Сжатый воздух
13
0,45
* Имеет несколько типов соединений.
Примечания: 1. Рабочее давление 0,6 МПа.
2. Напряжение питания 24±2,4 В.
3. Относительная продолжительность включения 100%.
3.2.29. Технические характеристики аварийных клапанов
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Рабочее давление, МПа
Перепад давления срабатывания, МПа
Поток натекания из окружающей среды
во внутреннюю полость при ее вакуу-
мировании, м3-Пас
Масса, кг
Клапан исполнения
I
4; 8
0,1 - 10
0,025
"
1,6
П
2; 4
0,1 - 16
0,003
1,3-10-11
1,1
Примечания: 1. Поток натекания в окружающую среду 1,3-:
2. Материал, контактирующий с рабочей средой, - сталь 03Х17Н14МЗ,
резиновая смесь 51-1481 или ИРП-1345.
3. Наработка на отказ 300000 ч.
Рис. 3.2.53. Обратный

Характеристика
Диаметр условного прохода,
мм
Рабочее давление, МПа
Давление открытия, МПа
Расход газа, дм3/ч
Поток натекания в
окружающую среду, м3Пас
Поток натекания из
окружающей среды во
внутреннюю полость при ее вакуу-
мировании, м3Пас-1
Материал, контактирующий с
рабочей средой
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
3.2.30.
Технические характеристики обратных клапанов
БМ465
Клапан исполнения
I*
10; 12; 16; 20
0,5
0,02
36000
II*
4; 6; 8
0,5
0,02
9000
III
4; 8
До 16
0,01
3600
1,3-Ю
1,340-8
Сталь 12X18Н ЮТ,
резиновая смесь 51-1481 и 51-
1578
25000
0,62
0,4
Сталь
12Х18Н10Т,
резиновая
смесь
51-1481 и
ИРП-1345,
фторопласт
Ф-26
250000
0,26
IV
4
0,01
1800
Сталь
03Х17Н14МЗ,
резиновая
смесь 51-1481
и ИРП-1345
300000
0,64
V
8
0,6
0,01
9000
Сталь
12Х18Н10Т,
резиновая
смесь
51-1481 и
51-1578
125000
0,6
VI
2; 4
0,01
1800
1,3-10-9
Сталь
03Х17Н14МЗ,
резиновая
смесь 51-1481
и ИРП-1345
VTI
2; 4
0,6±0,02
0,62
1800
Сталь
03Х17Н14МЗ,
резиновая
смесь 51-1481
и ИРП-1345,
фторопласт
Ф-40
300000
0,3
* Имеет несколько типов соединений.

362
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
а) б)
Рис. 3.2.54. Регулятор расхода газа типа РРГ (д) и электромагнитный натекатель (б)
1в,5
Рис. 3.2.55. Регулятор расхода
реагента типа РРР
Рис. 3.2.56. Регулятор
1РДМ

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ГАЗОВЫХ СИСТЕМ
363
3.2.31. Технические характеристики регуляторов расхода газа
Характеристика
Регулятор
РРГ-3*
РРГ-7*
РРГ-8
РРГ-9
Диаметр условного
прохода, мм
Верхний предел
регулирования и
преобразования расхода газа Cm,
3
Избыточное давление газа
на входе, МПа
Систематическая
составляющая приведенной
основной погрешности
преобразования расхода
газа, % от бш
Систематическая
составляющая приведенной
основной погрешности
регулирования расхода
газа, % от QBn
Линейность функции
преобразования, %
Быстродействие, с
Напряжение питания от
стабилизированных
источников постоянного
тока, В
Потребляемый от
источников напряжения ток, А
Материал,
контактирующий с рабочей средой
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
3,6; 9; 18; 36;
90; 180; 360;
540; 720
0,03 - 0,12
±1,1
±1,1
4; 6; 8; 12; 16
900; 1800;
3600; 9000;
18000; 36000
0,05 - 0,16
±1,5
±0,5
±2
10
±15
0,2
Сталь
12Х18НЮТ,
никель,
фторопласт Ф-26,
резиновые
смеси 51-
1481, ИРП-
1345
5000
2,4
15
±15 (±13; ±3)**
ОД @,2)
Сталь
12Х18Н10Т,
фторопласт
Ф-26,
резиновая смесь
ИРП-1345
3000
4,5
0,36; 0,9
0,03 - 0,01
±1,0
±1,0
2; 4
0,9; 3,6; 9;
18; 36; 90;
180; 360;
720; 900; 1800
0,03 - 0,3
±1,1
±0,25
15
±Ю,5
±15
0,2
Сталь
12Х18Н10Т,
никель,
фторопласт Ф-26,
резиновая
смесь
ИРП-1345
4000
2,1
Сталь
12Х18Н10Т,
никель,
резиновые
смеси
51-1481,
ИРП-1345
15000
1,4
* Имеет несколько типов соединений.
** От нестабилизированных источников.
Примечания: 1. Управляющее напряжение задания 0 - 5 В.
2. Аналоговый сигнал при сопротивлении нагрузки более 2 кОм 0 - 10 В.
3. Поток натекания в окружающую среду при избыточном давлении
0,14 МПа 1,3-10-9 м^Пас1.
4. Поток натекания из окружающей среды во внутреннюю полость при
давлении 10~3 МПа 1,310"9 ^1

364
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.32. Технические характеристики регуляторов расхода реагентов
Характеристика
Верхний предел расхода газа-носителя Йвп,
дм3/ч
Диапазон регулирования расхода реагента в
зависимости от QBa> мг/мин
Входное давление газа-носителя, МПа
Систематическая составляющая
приведенной основной погрешности регулирования
расхода реагента, % от Оцд
Управляющее напряжение задания, В
Рабочая среда
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
РРР-1
540
150 - 1500
0,07 - 0,12
±2
0,5-5
SiCLi, газ-носитель
3000
3,3
Регулятор
н2
РРР-2
9; 36; 90
5 - 50; 20 - 200;
50 - 500
0,03 - 0,12
±4
0- 5
ВВГ4, РОС1з, РС1з,
газ-носитель N2
4000
3,5
Примечания: 1. Диаметр условного прохода 4 мм.
2. Среднеквадратическое отклонение случайной составляющей приведенной основной
погрешности регулирования расхода реагента ±0,5 % от Qg^.
3. Время установления расхода реагента 1 мин.
4. Напряжение на входе при сопротивлении нагрузки более 2 кОм 0 - 10 В.
5. Напряжение питания от источника постоянного тока ±0,15 В.
6. Сила потребляемого тока 0,3 А.
7. Поток натекания в окружающую среду при избыточном давлении 0,2 МПа
1,3-Ю-9 мЗ-Па-с.
8. Поток натекания из окружающей среды во внутреннюю полость при давлении
10 МПа 1,3-10"9 З1
ш
Т 28 А Эв
124 * *
н
Рис. 3.2.57. Электронный регулятор давления

3.2.33. Технические характеристики регуляторов давления газа и газовых смесей
Характеристика
Диаметр
условного прохода, мм
Рабочее давление,
МПа:
на входе
на выходе
Расход газа, дм3/ч
Поток натекания
через затвор,
м^Пас1
Поток натекания
в окружающую
среду, м3'Па-с1
Поток натекания
из окружающей
среды во
внутреннюю полость при
ее вакуумирова-
нии, м^Па-с1
Наработка на
отказ, ч
Материал,
контактирующий с
рабочей средой
Масса, кг
Клапан
пневмо-
управля-
емый
4
0- 16
0-0,4
1800
1,310-9
1,3-10-9
1,3-Ю-11
800000
Сталь
12Х18Н10Т,
фторопласт
ФАФ-066,
резиновые
смеси
51-1481,
51-1578
2,08
Регулятор
давления*
РДМ-1
4
0,06-0,4
0,01-0,1
3600
1,3-10-8
1,3-Ю-7
5-10-8
10000
Сталь
12Х18Н10Т,
резиновые
смеси
51-1481,
51-1578
1,0
Регулятор
давления*
РДМ-4
6; 8; 12;
16; 20
0,16-0,4
0,06-0,3
1800; 3600
9000;
18000;
36000
1,3.10-*
1,3-10-7
5-Ю"8
10000
Сталь
12Х18Н10Т,
резиновые
смеси
51-1481,
ИРП-1225
и фторо-
пласт-4
2,0
Регулятор
давления-
реле
давления
8
0-0,4
0,02-0,1
3600
1,3-10-9
1,310-9
1,3-10-9
10000
Регулятор
давления
РДМ-7
4
1,0-16,0
0,02-0,3
900
1,3-Ю"8
1,3-10-9
1,3-10"8
5000
Регулятор
давления
РДМ-9
4
0,2-1,6
0,02-0,4
900
1,3-10-9
1,3-10-9
1,3-Ю"8
10000
Сталь 12Х18Н10Т,
Регулятор
давления
4
13,0-16,0
0,1 - 4,0
3600
1,3-10-9
1,3-10-9
1,3-10-8
10000
резиновые смеси 51-1481, ИРП-1345
1,85
1,02
0,9
1,75
Регулятор
давления
4
0,06-0,4
0,02-0,1
3600
1,3-10-9
1,310-9
1,3-Ю1
300000
Регулятор
давления
РДМ-10
8; 12
0-0,4
0-0,2
9000;
18000
1,3.10-8
1,310-9
1,310-9
10000
Сталь 12Х18Н10Т,
резиновая смесь
ИРП-1345
2,0
1Д
Регулятор
давления
РДМ-11
4
0,06-0,4
0,02-0,2
3600
1,3-Ю"8
1,3-10-9
1,3-10-8
10000
Сталь
12Х18Н10Т
резиновые
смеси
51-1481,
ИРП-1345
1Д
Регулятор
давления
2; 4
0,06-0,6
0,02-0,1
360;
3600
1,3-10-9
1,3-10-9
1,3-Ю1
10000
Сталь
03Х17Н14МЗ
резиновые
смеси
51-1481,
ИРП-1345
0,75
* Имеет несколько типов соединений.

366
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.34. Технические характ
тронного датчика и регулятора давления
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Рабочее давление, МПа
Электрический выходной сигнал, В
Напряжение питания постоянного тока, В
Погрешность преобразования давления, %
Расход газа, дм3/ч
Поток натекания из окружающей среды во
внутреннюю полость при ее вакуумировании, м3-Па-с1
Материал, контактирующий с рабочей средой
Масса, кг
Датчик
4
0-0,4
0- 10
±15
±1,5
-
1,310-9
Сталь 12Х18Н10Т
0,8
Регулятор
4
0 - 0,4
0- 10
±15
±1,5
1800
1,340-9
i титановый сплав
1
3.2.35. Технические характеристики вентилей
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Рабочее давление, МПа
Расход газа, дм3/ч
Поток натекания через затвор, м^Па-с1
Поток натекания в окружающую среду,
м3*Па*с
Поток натекания из окружающей среды
во внутреннюю полость при ее
вакуумировании, м^Па-с1
Материал, контактирующий с рабочей
средой
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
I*
4; 6; 8
0,5
9000
1,340-9
1,340-9
1,3 10-9
Вентиль исполнения
И*
12; 16; 20
0,5
36000
1,340-8
1,340-8
1,340-8
Сталь 12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т, <
trropoiuiacr Ф-4,
резиновая смесь 51-1481
25000
0,5
25000
0,95
III
2; 4
0,6
1800
1,340-9
1,3-Ю-11
1,340-и
Сталь
03Х17Н14МЗ,
фторопласт
Ф-40
300000
0,25
* Имеет несколько типов соединений.
Рис. 3.2.58. Вентиль, предназначенные для коммутации и регулирования потоков газов и их смесей

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ГАЗОВЫХ СИСТЕМ
367
3.2.36. Технические
Характеристика
Диаметр условного
прохода, мм
Рабочее давление, МПа
Выходной сигнал, В
Поток натекания в
окружающую среду,
Поток натекания из
окружающей среды во
внутреннюю полость
при ее вакуумирова-
нии, м^Па-с
Материал,
контактирующий с рабочей
средой
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
характеристики индикаторов давления газа
Индикатор исполнения
I
-
0,6; 2,5;
16
0- 10
-
Сталь
12Х18Н10Т,
титан,
резиновая
смесь
51-1481 и
ИРП-1345
15000
0,42
II
2; 4
0,1; 0,6;
2,5; 16
-
1,3-10"9
1,3-Ю1
Сталь
03Х17Н14МЗ
30000
0,45
III
4; 8
0,16; 0,4
-
1,3-Ю-11
1,3-Ю1
Сталь
12Х18Н10Т,
резиновая
смесь
51-1481 и
ИРП-1345
30000
1,2
IV
4; 8
0,16
-
1,3-Ю"9
1,340-9
Сталь
12Х18Н10Т,
резиновая
смесь
ИРП-1345
30000
0,99
V
2; 4
0,16
-
1,3-10-9
1,3-Ю-11
Сталь
03Х17Н14МЗ,
никель
300000
1>5
VI
2; 4
0,16
-
1,зю-9
1,3-Ю1
Сталь
12Х18Н10Т,
резиновая
смесь
ИРП-1345
300000
0,3
3.2.37. Технические характеристики однопозиционных реле давления
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Рабочее давление, МПа
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
Реле исполнения
I
4
0,01 - 0,1
10000
0,79
II
2; 4
±од
30000
0,3
Примечания: 1. Поток натекания в окружающую среду 1,3-10~9 м^
2. Поток натекания из окружающей среды во внутреннюю полость при
вакуумировании 1,3-Ю1 м^Па-с.
3. Материал, контактирующий с рабочей средой, - сталь Q3X17H14M3.
Рис. 3.2.59. Индикатор давления
Рис. 3.2.60. Однопозиционное реле давления

368
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
3.2.38. Технические характеристики двухпозиционных реле давления
Характеристика
Диаметр условною
прохода, мм
Рабочее давление, МПа
Материал,
контактирующий с рабочей
средой
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
I
6
0,006 - 0,1
0,035 - 0,6
Сталь
12Х18Н10Т
10000
0,37
II
4
0,006 - 0,1
10000
0,6
Реле исполнения
Ш
4; 8
0,035 - 0,6
IV
2; 4
0,035 - 0,6
Сталь 03Х17Н14МЗ
10000
0,44
30000
0,38
V
2; 4
0,01 - 0,1
10000
0,4
Примечания: 1. Поток натекания в окружающую среду 1,3-10"9 м^
2. Поток натекания из окружающей среды во внутреннюю полость при ее
вакуумировании 1,3-101 ^1
Рис. 3.2.61. Двухпозиционное реле давления

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ГАЗОВЫХ СИСТЕМ
369
29
-.->
152
204
Рис. 3.2.62. Фильтры микроочистки:
а - ФГФ-1000; 6 -патронного типа
3.2.39. Технические характеристики фильтров микроочистки
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Расход газа по воздуху, дм3/ч
Рабочее давление, МПа
Перепад давления, МПа
Поток натекания при контроле
гелиевым течеискателем, м3Па-с
Материал, контактирующий с
рабочей средой
Тип фильтрующего элемента
Фильтры
ФГФ-500
4
500
од
0,025
5-Ю-8
Фторопласт
Дисковые
ФГФ-1000
6
1000
од
0,025
5.10-*
Ф-40, Ф-26
мембраны
Патронный
12
20000
0,6
0,03
1,3-10"9
Патронный
12
20000
0,6
0,03
1,3-10-9
Сталь 03Х17Н13МЗ,
фторопласт Ф-15
-
3.2.40. Технические характеристики фильтров микроочистки и охлаждения (рис. 3.2.63)
Характеристика
Диаметр условного прохода, мм
Присоединительные размеры, мм:
d
А
D
Масса, кг
Фильтр исполнения
I
40; 63
60
63,1
80
5
II
40; 63
40
41,1
55
8
Примечания: 1. Рабочее давление 0,1 - 13,3 МПа.
2. Поток натекания из окружающей среды 1,3-10"9 м3Пас.
3. Материал, контактирующий с окружающей средой, - сталь 12Х18Н10Т.

370
Глава 3.2. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОВЫЕ СИСТЕМЫ
Рис. 3.2.63. Фильтр микроочистки и охлаждения Рис. 3.2.64. Фильтродержатель
3.2.41. Технические характеристики фильтродержателей (рис. 3.2.64)
Характеристика
Диаметр условного
прохода, мм
Диаметр
фильтрующего элемента, мм
Число фильтрующих
элементов, шт.
Поток натекания в
окружающую среду,
м^Па-с1
Поток натекания из
окружающей среды во
внутреннюю полость
при ее вакуумирова-
нии, м^Па-с
Материал,
контактирующий с рабочей
средой
Наработка на отказ, ч
Масса, кг
Фильтродержатель исполнения
I
4
25
1
1,3-Ю-9
1,3-Ю-11
Сталь
12Х18Н10Т,
фторопласт
Ф-26 и Ф-40
300000
0,55
II
4
47
1
1,340-9
1,3-Ю-11
Сталь
12Х18Н10Т,
резина
51-1481
300000
0,55
III
8
142
2
1,з.ю-8
1,3.10-*
Сталь
03Х17Н14МЗ,
фторопласт
Ф-26
-
IV
2; 4
25
2
1,3- Ю-9
1,3-Ю-11
V
2; 4
47
2
1,3-10-9
1,3-Ю1
Сталь 03Х17Н14МЗ,
никель, фторопласт Ф-40
300000
0,6
300000
1,2
Примечание. Рабочее давление 0,6 МПа.
3.2.42. Размеры тройников (рис. 3.2.65)
Исполнение
тройника
I
II
Присоединительные и габаритные размеры
d
4
8
8
4
4
4
4
D
М16 х 1,5
М20 х 1,5
А
М20 х 1,5
М16 х 1,5
#2
М16 х 1,5
М16 х 1,5
L
72
72
Н
36
36

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧИСТЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
371
Рис. 3.2.65. Тройники
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аверина А. П., Лоскутова А. И.
Вакуумные аналитические приборы и
оборудование. М.: Машиностроение, 1986. 76 с.
2. Вакуумная техника: Справочник /
Е. С. Фролов, В. Е. Минайчев, А. Т.
Александрова и др.: Под общ. ред. Е. С. Фролова, В.
Е. Минайчева. М.: Машиностроение, 1992.
480 с.
3. Кузьмин В. В. Градуировка и поверка
вакуумметров. М.: Изд-во стандартов, 1987.
136 с.
4. Львов Б. Г., Шувалов А. С.
Техническое обслуживание новой вакуумной коммута-
ционно-регулирующей аппаратуры. М.:
Высшая школа. 1987. 80 с.
5. Механические вакуумные насосы /
Е. С. Фролов, И. В. Автономова, В. И.
Васильев и др. М.: Машиностроение. 1989. 288 с.
6. Новая запорная и регулирующая
вакуумная арматура / О. К. Курбатов, А. Ф.
Леонтьев и др. // Вакуумная техника и технология,
1993. № 1. С. 32 - 38.
7. Саксаганский Г. Л. Электрофизические
вакуумные насосы. М.: Энергоатомиздат, 1988.
280 с.
8. Уэстон Дж. Техника сверхвысокого
вакуума / Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 366 с.
9. М. Wutz, H. Adam, W. Walcher. Theorie
und Praxis der Vakuumtechnik, Braunschweig:
Friedz, Vieweg und Sohn, 1988. 654 S.
Глава 3.3
ЧИСТЫЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ
ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
3.3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧИСТЫХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Чистое производственное помещение
(ЧПП) - это ограниченное строительными
конструкциями пространство с заданными
характеристиками внутренней среды для
реализации прецизионных технологических
процессов. ЧПП находят применение в различных
высоких технологиях, однако история их
развития в наибольшей степени связана с
микроэлектроникой, так как именно использование
высокочистых сред предопределило успехи
миниатюризации электронной аппаратуры.
На рис. 3.3.1 приведены схемы,
показывающие влияние загрязняющих частиц на
качество интегральных схем. Микрочастицы
являются причиной дефектов, даже если их
размеры гораздо меньше размера элемента.
Критический размер дефекта не должен
превышать 0,1 размера элемента, и, таким
образом, при дальнейшем увеличении уровня
интеграции микросхем до 16 Мбит необходимо
исключить из воздуха помещения и
технологических сред частицы размером более
0,01 мкм. В процессе развития
полупроводниковой технологии ЧПП претерпели
существенную эволюцию - от обычных чистых
комнат до чистых рабочих мест, чистых
коридоров, а затем чистых объектов, чистых
производственных зон.
Основным признаком, по которому
устанавливается уровень чистоты ЧПП, является
массовая концентрация аэрозольных частиц
различного размера. В табл. 3.3.1 приведены
классы чистоты ЧПП в соответствии с
наиболее распространенным в мире Федеральным
стандартом США FS 209E, в котором
граничные значения представляют собой
концентрацию (число частиц в единице объема)
аэрозольных частиц диаметром, который равен или
превышает значения, указанные в табл. 3.3.1.
в-мкм линия и промежуток.
3-мкм лшнля и промежуток
/ / /*/ /7
1-мкм линия и промежуток
Рис. 3.3.1. Схемы, характеризующие влияние
загрязняющих частиц на технологический процес
изготовления полупроводниковых структур

Класс
чистоты
СИ
Ml
М1,5
М2
М2,5
мз
М3,5
М4
М4,5
М5
М5,5
Мб
М6,5
М7
Стандарт США
FS 209E
-
1
-
10
-
100
-
1000
-
10000
-
100000
-
3.3.1.
Классы чистоты ЧПП по аэрозольным частицам
Максимально допустимая концентрация частиц диаметром, мкм
ОД
м-з
350
1240
3500
12400
35000
-
-
-
-
-
-
-
-
фут-з
9,91
35,0
99,1
350
991
-
-
-
-
-
-
-
-
0,2
м-з
75,7
265
757
2650
7570
26500
75700
-
-
-
-
-
-
фут-3
2,14
7,50
21,4
75,0
214
750
2140
-
-
-
-
-
-
0,3
м-з
30,9
106
309
1060
3090
10600
30900
-
-
-
-
-
-
фут-3
0,875
3,00
8,75
30,0
87,5
300
875
-
-
-
-
-
-
0,5
м-з
10,0
35,3
100
353
1000
3530
10000
35300
100000
353000
1000000
3530000
10000000
фут-з
0,283
1,00
2,83
10,0
28,3
100
283
1000
2830
10000
28300
100000
283000
5
м-з
-
-
-
-
-
-
-
247
618
2470
6180
24700
161800
фут-3
-
-
-
-
-
-
-
7,00
17,5
70,0
175
700
1750

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧИСТЫХ ПРИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
373
Для оценки максимально допустимой
концентрации сверхмалых частиц (размером
более 0,02 мкм) в 1 м3 воздуха используется
понятие V-идентификатор в качестве
доверительной границы или верхней границы для
средних значений концентрации в месте
отбора проб или в качестве того и другого.
V-идентификаторы независимы от классов
чистоты и могут определяться сами по себе
или совместно с одним или несколькими
классами чистоты воздуха по аэрозольным
частицами.
Измерения концентрации частиц могут
проводиться для одного или нескольких разг
меров частиц. Стандартные размеры 0,1; 0,2;
0,3; 0,5; и 5,0 мкм, возможны и другие
размеры частиц.
Определение концентрации частиц
производится независимо от объема пробы и
выражается числом частиц в единице объема
воздуха.
В обозначении класса чистоты
конкретного чистого помещения указывается, при
каких размерах частиц проведена аттестация
помещения. Например, формулировка "класс
М2,5 (при 0,3 мкм и 0,5 мкм)" относится к
воздуху, содержащему не более 1060 частиц/м3
размером 0,3 мкм и выше, не более
353 частиц/м3 размером 0,5 мкм и выше.
Температуру и относительную влажность
воздуха в ЧПП регламентируют в зависимости
от класса чистоты, который определяется
параметрами интегральных схем. Помимо этого,
требуется обеспечить определенные
требования по аэродинамике и ионизованности
воздуха, уровню вибраций и статического
электричества (табл. 3.3.2).
Чистая среда вокруг полупроводниковой
пластины формируется вертикальным или
горизонтальным воздушным потоком (табл.
3.3.3).
Сформировалось семь основных типов
ЧПП (табл. 3.3.4), по мере ужесточения
требований к чистоте технологических сред
разрабатывают новые типы.
3.3.2. Параметры среды ЧПП для различного уровня интеграции микросхем
Показатели
производства
Параметры
ИС

Характеристики
ЧПП

Минимальный
топологический
размер, мкм
Диаметр
пластин, мм
Критический
размер
дефекта, мкм
Класс
чистоты
Размер
частиц, мкм и
более
Уровень

мостабилизации, °С
Уровень вла-
гостабили-
зации, %
Уровень
вибраций, мкм
Уровень интеграции микросхем
16 К
5 - 10
75
0,7
М4,5 -
М3,5
0,5
±0,2
±5
64 К
3- 5
75 - 100
0,4
М2,5
0,5
±0,2
±2
На всех частотах
5 - 6
3- 4
256 К
2 - 4
100 - 150
0,3
М2,5 -
Ml,5
0,3
±0,1
±2
1 М
1
125-150
0,1
М2,5 -
Ml,5
од
±0,1
±1
4М
0,8
125-150
0,08
М2,5 -
М1,5
0,05
±0,05
±1
16 М
0,5
150-200
0,05
М1,5
0,01
±0,01
±0,5
На частотах ниже 30 Гц
1 - 2
1
0,5
0,25
Примечания: 1. Скорость воздуха 0,45 м/с.
2. Концентрация аэроионов 1500 - 1300 см (положительные), 3000
5000 см (отрицательные).
3. Время устранения статического заряда не более 1 с.

3.3.3. Сравнительные характеристики режимов течения воздуха в ЧПП
Поток

Ламинарный
нисходящий

Ламинарный

горизонтальный
Класс
чистоты
помещения
М3,5
М3,5
М4,5
Скорость
потока
воздуха, м/с
0,25 - 0,40
0,45 - 50
0,45 - 50
Кратность

воздухообмена, ч
200 - 600
200 - 600
100 - 200
Схема
движения
воздуха
]щ?
ft
Приток и вытяжка
Приток: более
80 % через
потолок.
Вытяжка: более
40 % через пол,
допустима через
панели
Приток: более
80 % через стены
Вытяжка: более
40 % через
стены, допустима
через потолок
Достоинства
Наибольшая
эффективность. Слабое
воздействие на
технологический
процесс и персонал в
помещении.
Быстрое достижение
стационарного
режима. Минимальное
количество
вторичной пыли. Простота
контроля
Быстрое
достижение стационарного
режима
Простота
конструкции
Недостатки
Необходим
тщательный контроль
и устранение
застойных зон у
потолка
(предотвращение турбулиза-
ции воздушных
потоков).
Сложность смены
фильтров. Высокая
стоимость
оборудования
Взаимное влияние
верхних и нижних
потоков
Необходимы
тщательная
планировка и
макетирование размещения
оборудования и
обслуживающего
персонала.
Относительно высокая
стоимость
оборудования.
Сложность
переоборудования
помещения
Относительная
стоимость,
%
100
50 - 60*
30 - 50*

Продолжение табл. 3.3.3
Поток
Класс
чистоты
помещения
Скорость
потока
воздуха, м/с
Кратность

воздухообмена, ч
Схема
движения
воздуха
Приток и вытяжка
Достоинства
Недостатки
Относительная
стоимость,
М5,5
0,45 - 50
30-60
Приток: лучше
через фильтры
Простота
конструкции
Периодическое
удаление из
помещения пыли
25 - 30*

Турбулентный
М6,5
0,45 - 50
20- 30
Вытяжка: через
стены вблизи
пола
Низкая стоимость
оборудования.
Относительная
легкость
переоборудования помещения.
Высокая чистота
среды при
использовании чистых
боксов
Относительно дли
тельное достижение
стационарных
условий.
Необходимость тщательной
планировки у
макетирования
размещения
оборудования и
обслуживающего персонала
20 - 25*
* Для оценки относительной стоимости за 100 % принята стоимость системы с ламинарной вертикальной циркуляцией.

376
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
3.3.4. Основные типы ЧПП
Схема
Реально достижимый класс чистоты. Характерные особенности
Мб,5. Широкий диапазон практического применения.
Простота конструкции. Необходим контроль
воздуховодов, соединяющих финишный фильтр с приточным и
вытяжным отверстиями. Необходим контроль внутри
помещения
М4,5 - Мб,5. Стандартная чистая комната. Необходим
контроль внутри помещения для поддержания чистоты
В пределах чистого коридора - М3,5. Основной тип
ЧПП, применяющийся в производстве ИС и БИС.
Разделение на технологическую зону и зону
обслуживания позволяет легко создавать сверхчистые помещения
Внутри пылезащитной камеры - М3,5. Используется в
автоматизированных производственных линиях.
Автоматизация процессов - необходимое условие
применения. Применение в производстве СБИС, которое в
будущем станет необходимостью
М3,5 - М4,5. Чистая комната с двумя уровнями
фильтрации. Высокая степень чистоты создается только в
технологической зоне. Внутри чистой комнаты обычно
поддерживается турбулентный режим циркуляции
ив
М3,5. Заданная степень чистоты создается во всем
объеме, расположенном выше источников загрязнения.
Контроль чистоты вокруг помещения сравнительно
прост
М3,5 - М5,5. Заданная степень чистоты достигается во
всем объеме, расположенном выше источников
загрязнения. Значительное различие в чистоте верхних и
нижних потоков
Обозначения: НВ - вход наружного воздуха; В - вентилятор с встроенным
предварительным фильтром; Bi - вентилятор рециркуляции; ПФ - промежуточный фильтр; ФФ -
финишный фильтр.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧИСТЫХ ПРИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
377
Ламинарный воздушный поток может
быть реализован во всем объеме ЧПП или на
отдельных рабочих местах (чистый коридор)
(рис. 3.3.2). Особенности Зтих конструктивных
решений приведены в табл. 3.3.5.
Использование локальных чистых
объемов (ЛЧО) позволяет понизить класс
остального помещения на 1 - 2 порядка при
значительном понижении энергопотребления. ЛЧО
реализуется в виде пылезащитных камер или
стандартных механических интерфейсов.
Финишный
Многоступенчатая очистка воздуха и
поддержание постоянства параметров
микроклимата в ЧПП ведут к 10 - 20-кратному росту
энергопотребления по сравнению с обычными
помещениями, причем до 50 % общего
потребления энергии приходится на систему
кондиционирования и фильтрации воздуха
(СКФВ). Основные методы снижения
энергозатрат приведены в табл. 3.3.6.
Вентилятор
Финишный
фильтр
Предфильтр
.Задняя
панель
Фальшпол
Технологи- Зона
пер-Технологическая зона сонала ческая зона
а) б)
Рис. 3.3.2. Схемы ЧПП:
а - с вертикальным ламинарным потоком; б - с чистым коридором
3.3.5. Особенности ЧПП с ламинарным воздушным потоком во всем объеме и
на отдельных рабочих местах
Характеристики
Ламинарный вертикальный поток
во всем объеме
Чистый коридор
Степень
чистоты
Максимальная чистота внутри
помещения (без учета пылевыделения
во время работы). Во время работы
степень чистоты определяется
количеством оборудования и
обслуживающего персонала, способом
размещения оборудования
(необходимо отметить существенное
влияние типа и формы
оборудования на степень турбулизации
воздушного потока)
Максимальная чистота в коридоре.
Учитывая возможность загрязнения
чистого коридора в результате
втягивания во время работы воздуха из
технологической зоны,
целесообразно объединять и состыковывать
отдельные установки и элементы
(например, нижнюю часть передней
панели, вентиляционное отверстие
задней панели). При турбулентном
режиме в технологической зоне
степень чистоты отвечает классу М4,5
(необходимо следить, чтобы в
коридоре не было турбулизации)

378
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Продолжение табл. 3.3.5
Характеристики
Перестраива-
емость

Технологичность,
техническое
обслуживание
Химически
активные газы
и коррозия
Вибрации,
допустимые
нагрузки

Эксплуатационные расходы
Капитальные
затраты
Ламинарный вертикальный поток
во всем объеме
Перемещение и замена
оборудования, пересоединение и замена
трубопроводов легко осуществимы (в
частности, при перестройке сначала
вносят изменения в
вентиляционную систему, а затем - в
размещение оборудования)
Возможны некоторые отступления
от технического регламента.
Поскольку перегородок нет, движения
и проведение технологических
операций не ограничены. Просторное
помещение не угнетает психику
персонала. Техническое
обслуживание при достаточной высоте
потолка не вызывает затруднений.
Удобно для автоматизированной
транспортировки
Поскольку такие операции, как
промывка и травление, проводятся
в одном помещении, не
разделенном перегородками, нельзя
устранить полностью коррозию
оборудования парами химически активных
веществ
Снижается прочность пола, в
результате чего появляются сложность
устранения вибрации и повышение
удельных нагрузок на пол
Большое сечение воздушного
потока ведет к увеличению расхода
воздуха и очень большим
эксплуатационным расходам на вентиляцию.
Обычно слабый ламинарный поток
поддерживается круглосуточно, что
ведет к увеличению энергозатрат
Очень высокие
Чистый коридор
Замена и перестановка оборудования
лимитируются его габаритами и
формой. Перемещение и изменение
размеров оборудования затруднены
тем, что задняя панель и зона
обслуживания связаны с
трубопроводами
При продуманной планировке и
оптимальном размещении
персонала, приборов и приспособлений
проблем в работе не возникает.
Техническое обслуживание не вызывает
затруднений при достаточно
большом объеме зоны обслуживания.
Возможна автоматизированная
транспортировка
Возможно выделение обособленных
секций для проведения работ с
химически активными газами
Поскольку возможно применение
усиленных конструкций, проблема
легко разрешима. Возможна
установка фундамента, изолированного
от здания и коммуникаций
Ламинарный поток поддерживается
только в чистом коридоре, что
снижает энергозатраты на вентиляцию.
Возможны прекращение вентиляции
коридора и снижение расхода
воздуха, что снижает энергозатраты
Относительно высокие (умеренные
по сравнению с методом
ламинарного потока)
Источник
снижения затрат
Снижение
тепловых
затрат
3.3.6. Методы
Метод
Уменьшение тепловых
нагрузок
Применение теплооб-
менных систем
утилизации тепла
снижения затрат в ЧПП
Мероприятие
Минимизация притока атмосферного воздуха -
снижение подсосов атмосферного воздуха и
уменьшение притока в нерабочее время.
Усиление теплоизоляции здания - снижение
тепловых нагрузок внутри помещения.
Использование производственного оборудования с
пониженным выделением теплоты.
Охлаждение кондиционеров приточным воздухом
в зимнее время
Утилизация теплоты, выделяющейся от печей,
силовых электротехнических установок,
компьютеров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧИСТЫХ ПРИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
379
Продолжение табл. 3.3.6
Источник
снижения затрат
Снижение
энергозатрат на
вентиляцию
Метод
Уменьшение объема
вентилируемого
воздуха
Снижение
аэродинамического
сопротивления трубопровода
Усовершенствование
конструкций
вентиляторов и
кондиционеров
Мероприятие
Снижение количества выделяющейся пыли за счет
использования новых облицовочных материалов,
герметиков.
Предельно низкая вентиляция в нерабочее время.
Оптимизация количества подаваемого в
помещение воздуха.
Уменьшение объема вентиляции путем внедрения
чистых рабочих мест и чистых коридоров
Упрощение формы и сокращение длины
воздуховодов.
Уменьшение удельных (на единицу длины) потерь
давления в трубопроводах путем увеличения
площади их сечения.
Использование высокопроизводительных
фильтров с малым аэродинамическим сопротивлением
Замена вентиляторов с заведомо большей
мощностью.
Использование вентиляторов с максимальным
кпд
В общем случае в ЧПП существуют
ламинарные и турбулентные потоки воздуха,
однако в помещениях с чистотой класса выше
М3,5 допустим только ламинарный поток. Это
связано, в первую очередь, с необходимостью
минимизировать вероятное осаждение
аэрозольных частиц на полупроводниковую
пластину.
Режим течения воздуха В ЧПП
определяется числом Рейнольдса (Re), которое
должно находиться в допустимых пределах.
Превышение заданного значения Re ведет к турбу-
лизации потока, а при уменьшении Re
возрастает время восстановления ламинарности
потока в случае его нарушения.
Макроскопическое движение воздуха
описывается фундаментальными уравнениями
Навье - Стокса, а движение микрочастиц в
воздушном потоке - уравнением трехмерной
диффузии. Уравнения эти решаются
численными методами, поэтому необходимо
компьютерное моделирование для оптимизации
условий формирования чистых пространств.
Главная цель создания ЧПП - изоляция
полупроводниковой пластины от влияния
окружающей среды - достигается за счет
реализации комплекса процессов в системе
жизнеобеспечения ЧПП. При этом необходима
координация работы энерготехнологического и
вспомогательного оборудования, учет
климатологических факторов,
психофизиологических аспектов, требований к культуре
производства, а также необходим контроль
множества характеристик (табл. 3.3.7).
3.3.7. Контролируемые характеристики технологической экологии
Процессы технологической экологии
Фильтрация воздуха до и после ЧПП
Охлаждение и нагревание в СКФВ
Осушение и увлажнение воздуха в СКФВ
Обеспечение аэродинамики потока воздуха
Контроль пылегенерации оборудования
Ионизация воздуха
Статическая электризация
Вибрации и их контроль
Шум и контроль его уровня
Специальное облучение
Характеристики
Концентрация аэрозольных частиц, дм*3;
концентрация вредных примесей, мг/м3
Температура, °С
Относительная влажность, %
Скорость воздуха, м/с; давление воздуха, Па
Интенсивность пылегенерации, мг/с
Концентрация ионов, см
Плотность зарядов, Кл/м2
Амплитуда, мкм; частота, Гц
Уровень звука, дБА
Плотность потока, Вт/м2

380
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
СКВ
Из атмосферы ,
^ Y'
ВЗУ
1
СПКФВ
Иэ ВЗУ
спт
спх
кц
ч щ
кд
I.
/УЛ7\
\лл
WW\ ФФ\7
ФТО
1ЛЛЛУ
¦гт
то
ПФП
01
В СОУВ
/// // 07 jr W W '//
Рис. З.З.З. Структурная схема СКФВ ЧПП:
СКВ - система кондиционирования воздуха; СФ - стартовые фильтры; ВЗУ- воздухозаборное устройство;
СПТ- система подготовки теплоносителей; СПХ- система подготовки хладоагентов; КЦ- центральный
кондиционер; СПКФВ - система подготовки кондиционирования и фильтрации воздуха; БО - буферный объем;
ФФ - финишный фильтр; КД- кондиционер-доводчик; ФТО - фильтр технологического оборудования;
ТО - технологическое оборудование; ФП- фальшпол; ПФП- подфалышюл; СОУВ - система очистки
удаляемого воздуха; /- технологическая зона; II- зона отработанного воздуха
При создании ЧПП требуемого качества
основное внимание уделяется системам
кондиционирования и фильтрации воздуха
(СКФВ), в которой происходят процессы
очистки, изменения аэродинамических и
ионизационных характеристик воздуха (рис. 3.3.3).
Отличительной чертой таких систем
является наличие многоступенчатой фильтрации
воздуха и использование непосредственно в
ЧПП специальных рециркуляционных
контуров, обеспечивающих рациональную
аэродинамику, тонкую фильтрацию и прецизионную
доводку тепловлажностных характеристик
воздуха в соответствии с уровнем классности
ЧПП. В этой схеме воздух из атмосферы
поступает в стартовые фильтры (СФ), затем в
центральный кондиционер (КЦ), где
подвергается первичной тепловлажностной обработке,
после чего направляется в рециркуляционный
контур для вторичной обработки. До 90 %
объема отработанного в ЧПП воздуха
направляется через кондиционер-доводчик (КД)
снова в ЧПП, а остальная часть - в систему
очистки удаляемого воздуха (СОУВ).
В электронной промышленности для
первичной обработки воздуха используют в
основном типовые центральные
кондиционеры общего назначения. Кондиционеры состоят
из рабочих секций, посредством которых
можно осуществлять нагревание в холодный
период года через систему подготовки
теплоносителей (СПТ), охлаждение от системы
подготовки хладоносителей (СПХ) в теплый
период года, осушение, увлажнение, очистку
воздуха от крупнодисперсной пыли, и
вспомогательных секций для соединения и
обслуживания рабочих секций, регулирования
расхода воздуха и выравнивания его потока.
Секции соединяются в определенной
последовательности в зависимости от назначения и
требуемой обработки воздуха.
Центральный кондиционер обычно
размещают в отдельных подвальных помещениях
вблизи стен со встроенными воздухозаборны-
ми устройствами, причем длина всасывающих
воздухопроводов достигает 25 - 30 м. Воздухо-
заборные устройства могут находиться и на
более значительных расстояниях от
центрального кондиционера, что связано с
необходимостью исключить доступ в СКФВ
загрязненного воздуха из приземного слоя атмосферы в
пределах промышленной площадки.
В связи с высокими требованиями к
качеству воздуха невозможно использование для

МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЧИСТЫХ ПРИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
381
ЧПП только первичной обработки воздуха и
возникает необходимость введения в СКФВ
дополнительных устройств для доводки его
параметров. Комплекс таких устройств в виде
системы прецизионного кондиционирования и
фильтрации воздуха (СПКФВ) является
развитием систем кондиционирования воздуха и
представляет собой рециркуляционный
контур, включающий в себя, как правило, само
ЧПП с промежуточным и финишным
фильтром, буферным объемом (БО), фальшполом
(ФП), подфалынпольным пространством
(ПФП) и технологическим оборудованием
(ТО), кондиционеры-доводчики (КД) с
рециркуляционным или обводным воздуховодом. В
зависимости от требований производства в
рециркуляционный контур могут добавляться
элементы различного назначения.
3.3.2. МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЧИСТЫХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Материалы, применяемые для интерьера
ЧПП, должны быть долговечными,
влагостойкими и влагонепроницаемыми, химически
инертными, исключать возможность
загрязнений и возгорания, выделения токсичных
веществ и накопления статического
электричества, не иметь запаха и не сорбировать сильно-
пахнущие вещества. В качестве облицовочных
материалов с такими свойствами используются
алюминиевые и стальные листы, окрашенные
термореактивными смолами или покрытые
слоем фторопласта.

Теплоизоляция*
Конструкция ЧПП должна быть
прочной, герметичной, удобной при монтаже,
эксплуатации и уборке, по возможности
недорогой, обеспечивать необходимый воздухообмен,
обладать теплоизолирующими свойствами и
гибкостью к перепланировке.
В наибольшей степени поставленным
требованиям соответствуют ЧПП с
вертикальным ламинарным потоком на базе системы
цельных унифицированных по размерам
панелей, изготовляемых на специальных
предприятиях. Панели подразделяются на
теплоизолирующие, наполненные жестким
пенополиуретаном с добавками асбеста и углекислого
кальция (рис. 3.3.4). ЧПП на базе панелей
представляет собой строительную конструкцию,
соединенную в одно целое с потолком (рис.
3.3.5). Запотолочное пространство
используется в качестве дополнительного служебного
помещения, а также для обслуживания
встроенного в потолок оборудования. Панели
состоят из стандартных модулей и почти не
требуют сложных крепежных элементов.
Отверстия для вентиляционных каналов,
светильников, оконные и дверные проемы
предусматриваются заранее или вырезаются по месту.
Специально сконструированные из алюминия
рамы для дверей и окон должны быть
герметичными и находиться на одном уровне с
панелью для исключения турбулизации воздуха и
накопления пыли. В панели монтируются
выключатели, розетки, переговорные
устройства и другие приспособления и приборы,
которые также не должны выступать из стены.
Теплоизоляция. 'J
Облицовка
Окрашенный алюминиевый или стальной лист
Твердый пенополиуретан
Вставка
соединительная
\
Вспененный мате*
риал на основе асбеста
и углекислого кальция
а) 6)
Рис. 3.3.4. Теплоизолируюпще (я) и трудносгораемые (б) панели

382
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.3.5. Поперечный разрез элементов ЧПП с вертикальным потоком на базе системы панелей:
1 - отделочная планка (А1); 2 - силиконовый герметик; 3 - крепежный болт; 4 - финишный фильтр;
5 - панельная стенка; 6 - мягкий плинтус; 7- направляющие (А1); 8 - фальшпол; 9 - опорная ножка;
10 - анкерный болт; 11 - панель перекрытия; 12 - герметизирующая канавка; 13 - светильник; 14 - стекло
одиночное или двойное (кроме акрилового); 15 - оконный блок; 16 - арматурный стержень; 17- шайба;
18 - облицовочный стальной лист с неопреновой прокладкой; 19 - соединительный болт;
20 - соединительная муфта; 21 - крепление потолка; /- поперечный разрез окна;
//- поперечный разрез крепления на полу; III- место крепления
Панели перекрытия обычно монтируют в
пролетах длиной ? = 1,8 ... 3,0 м и
испытывают при проведении людьми монтажных работ
с кратковременной нагрузкой около 1 кН.
Поэтому прогиб панели в целях безопасности
регламентируется в пределах -?/150.
Аналогичное требование предъявляют к панелям стен.
Давление воздуха в ЧПП обычно превышает
атмосферное примерно на 50 - 70 Па.
Поэтому испытания ЧПП проводят при избыточном
давлении около 100 Па, и в случае
необходимости панели укрепляют различными
каркасами. Типичное ЧПП с вертикальным
ламинарным потоком воздуха, построенное на базе
системы панелей, представлено на рис. 3.3.6.
Не существует ограничений по
расширению площади ЧПП с помощью панелей, и,
таким образом, можно построить весь завод,
включая помещения управленческого
персонала и другого назначения. Однако вследствие
высокой стоимости тонкой очистки больших
объемов воздуха приходится искать более
экономичные способы сохранения чистоты
помещения.
В коридорных системах необходимая
чистота воздуха поддерживается только на
рабочих местах. В этом случае структура
фиксированных панелей заменяется системой с
передвижными панелями, что позволяет гибко
изменять планировку помещения по мере
развития технологии. На месте
демонтированного рабочего места устанавливается
перегородка из панелей, а на месте вновь
организуемого чистого пространства панель убирается
(рис. 3.3.7).
Чистый коридор включает
технологическую зону, зону персонала и сервисную зону,
имеющие различные классы чистоты.
Требуемые характеристики воздуха технологической
зоны обеспечиваются с помощью
дополнительного финишного фильтра и
кондиционера-доводчика, входящих в модуль очистки
(рис. 3.3.8), представляющий собой чистое
рабочее место с необходимым оснащением.
Класс чистоты воздуха в зоне персонала,
как правило, ниже, чем в технологической
зоне за счет меньшего числа ступеней
фильтрации. Подача воздуха в эту зону
осуществляется через фильтры, закрепленные на потолке,
что уменьшает его высоту, создавая
определенные неудобства для персонала.

МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЧИСТЫХ ПРИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
383
Рис. 3.3.6. Поперечный разрез ЧПП:
1 - канал для рециркуляционного потока воздуха; 2 - панель перекрытия; 3 - люк; 4 - окно;
5 - вытяжной вентилятор; 6 - светильник; 7- панельная стенка; 8 - фальшпол;
9 - жалюзи для рециркуляционного потока воздуха; 10 - модуль очистки; 11 - перегородка; 12 - фильтр;
13 - чистое рабочее место; 14 - нагнетающий вентилятор; 15 - панельная перегородка; 16 - подвеска;
17 - передвижная панель; 18 - канал для рециркуляционного потока воздуха; / - проход
В«лиосф«ру
Рис. 3.3.7. Чистый коридор с передвижными панелями

384
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Передний
щиток .
Светильник
Защитный
козырек
Вентилятор
Финишный
фильтр
Доводчик
Перфорированная
панель
Рис. 3.3.8. Схема модуля очистки

Технологическая зона , —
а) б)
Рис. 3.3.9. Линия движения воздуха при правильной (а) и неправильной (б) расстановке оборудования
Полы в технологической зоне и зоне
персонала необходимо выполнять
перфорированными (фальшполы), что способствует
быстрому удалению пыли из рабочего пространства
вытяжной вентиляцией.
Сервисная зона служит для размещения
систем подачи воды, технологических газов и
жидкостей, устройств подачи электроэнергии
и других вспомогательных устройств. Для
предотвращения попадания загрязнений из
сервисной зоны в технологическую между ними
предусматривается перегородка. Это связано с
дополнительными расходами и усложнениями
коммуникаций, однако оправдано с точки
зрения повышения чистоты рабочей зоны.
Минимизация загрязнения рабочей зоны
является важной задачей при размещении
технологического оборудования. Рабочие
столы и оборудование устанавливаются так, чтобы
линия разделения находящего воздушного
потока находилась на расстоянии, примерно
равном 2/3 ширины технологической зоны
(рис. 3.3.9, а). В противном случае основная
масса загрязнений от рук оператора
распределяется воздушным потоком по всей
поверхности стола (рис. 3.3.9, б).
При создании оптимального воздушного
потока важно учитывать следующие
соображения. Основную роль в обеспечении воздуха
необходимой чистоты играют финишные

МАТЕРИАЛЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЧИСТЫХ ПРИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
385
фильтры (рис. 3.3.10). Наиболее
распространена конструкция, в которой фильтрующие
прокладки разделены гофрированными
сепараторами (рис. 3.3.10, а). В конструкции на
рис. 3.3.10, б фильтрующие перегородки
разделены сепараторной нитью или лентой и
образуют мини-плиссировку. Это позволяет
при одинаковой общей площади
фильтрующих прокладок увеличить плотность их
упаковки в 2 - 2,5 раза и уменьшить толщину
фильтра в 2 раза. Бессепараторные фильтры
(рис. 3.3.10, в) также позволяют увеличить
площади фильтрующих перегородок. Толщина
фильтров с сепараторами составляет 150 мм, а
с мини-плиссировкой и бессепараторных - до
60 мм при одинаковых технических
характеристиках.
Финишные фильтры состоят из рамки,
уплотняющей прокладки, клеящего вещества,
сепаратора и фильтрующей ткани.
Рамки изготовляются из металлических
(оцинкованная коррозионно-стойкая сталь,
алюминий) пластин толщиной более 1,6 мм
или клееной фанеры толщиной более 19 мм.
Рамка должна охватывать при монтаже
не более 20% рабочей поверхности фильтра.
Уплотняющая прокладка из маслостойкой или
силиконовой резины приклеивается к рамке.
Лучшая герметизация достигается при
использовании жидкого герметика (рис. 3.3.11)
Клеи на основе уретанов, эпоксидных и
силиконовых соединений служат для
крепления фильтровальной ткани к рамке. Они
играют важную роль в предотвращении утечек и
должны сохранять герметичность независимо
от погодных условий при продолжительных
циклических нагрузках.
Сепараторы фильтров обычно
изготовляют из гофрированной алюминиевой фольги
толщиной более 0,04 мм.
Рис. 3.3.10. Финишные фильтры:
/ - воздушный поток; 1 - сепаратор; 2 - фильтрующий элемент; 3 - рамка; 4 - уплотняющая прокладка;
5 - сепараторный жгут или лента; 6 - гофрированный фильтрующий элемент
Утечка
Рис. 3.3.11. Схемы герметизации финишных фильтров уплотняющей прокладкой (слева) i
жидким герметикой (справа)
\'Л 3 si к 769

386
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Фильтровальный материал является
самым важным элементом фильтров,
непосредственно влияющим на их эффективность, срок
службы и гидравлическое сопротивление.
Ткань должна быть прочной, химически
стойкой, влагостойкой, влагонепроницаемой и
негорючей. Структура ткани представляет
собой мелкие спутанные в клубок стеклянные
волокна диаметром до 0,37 мм, связанные
между собой компаундом. Промежутки между
волокнами занимают около 95 % всего объема
фильтрующей ткани. Аэрозольные частицы,
попадающие в эти промежутки, в результате
броуновского движения сталкиваются с
молекулами воздуха, прилипают к поверхности
волокон и таким образом задерживаются.
Наличие значительных промежутков между
волокнами снижает гидравлическое
сопротивление фильтра и увеличивает срок его службы.
Основные характеристики отечественных и
зарубежных фильтровальных материалов
представлены в табл. 3.3.8.
После сборки фильтров производится
контроль их внешнего вида и размеров, а
также проверяются эффективность и
гидравлическое сопротивление.
Концентрация частиц до (С\) и после
фильтра (Cj) регистрируется
фотоэлектрическим анализатором, что позволяет определить
эффективность фильтрации по формуле
Ц — (С\ - С2)/С\. Одновременно с этим
производится измерение гидравлического
сопротивления. Для измерения эффективности
фильтрация частиц размером 0,1 мкм
применяется лазерный тест. Концентрация частиц до
и после фильтра измеряется с помощью ла-
3.3.8. Ochobi
арактер!
зерного анализатора, а эффективность
определяется по приведенной выше формуле.
Иногда в качестве критерия
эффективности фильтра используется коэффициент
проскока К = CilC\ = 1-11, определяемый
методом сканирования обратной поверхности
фильтра зондовой головкой анализатора
аэрозольных частиц.
Доминирующим источником различных
загрязнений является персонал ЧПП, на долю
которого по данным разных исследований
приходится до 50% оседающих на пластину
микрочастиц. Для защиты изделий от
микрочастиц, генерируемых человеком, служит
технологическая одежда, выполненная в виде
комбинезона, костюма или халата и
включающая головные уборы, бахилы, маски,
перчатки. Назначение технологической одежды
состоит также в защите человека от вредных
воздействий.
Ткань для технологической одежды
должна быть легкой, эластичной, удобной для
кройки и шитья, влаго- и
пыленепроницаемой, химически и термостойкой, не
мнущейся, пылеотталкивающей и антистатической.
В одежде не допускаются петли,
искривления строчки, обрывы нитей, выходы наружу
срезанных краев ткани.
Эксплуатация технологической одежды
включает контроль-приемку новой одежды и
после чистки, раздачу ее персоналу, контроль
за правильным ношением и хранением,
ремонтом и стиркой.
Контроль состояния технологической
одежды осуществляется с помощью
микроскопии или счетчиками аэрозольных частиц по
специальным методикам.
и фильтровальных материалов
Марка
материала
(страна)
ФСв-А
(Россия)
ФСв-У
(Россия)
ФСв-П
(Россия)
ФП-15-1,5
(Россия)
НЕРА
(Япония)
ULPA
(Япония)
Диаметр
волокна,
мкм
0,5
0,18
0,8
1,5 - 1,7
0,63
0,37
Эффективность
фильтрации частиц
диаметром ОД мкм,
%
99,99
99,97
99,96
99,997
99,97
99,99
Скорость
фильтрации,
см/с
10
1
-
1
5
5
Гидравлическое
сопротивление,
Па
50
100
10-20
15
250
-

Термостойкость,
°С
-
-
-
До 500
До 400
-

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МИКРОКЛИМАТ ЧПП И ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЕ
387
3.3.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МИКРОКЛИМАТ ЧИСТЫХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ И
ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Процесс субмикронной технологии
зависит не только от чистоты воздуха в рабочей
зоне, но и от целого ряда других
характеристик внутрипроизводственной среды.
Необходимость термо- и влагостабилиза-
ции среды связана, в первую очередь, с
невозможностью обеспечения требуемой точности
микроклиматических характеристик во всем
объеме ЧПП и на отдельных операциях только
за счет центрального кондиционирования. Для
подготовки и раздачи воздуха с
характеристиками, предусмотренными технологией
интегральных схем, применяют кондиционеры-
доводчики автономного и неавтономного
типов (табл. 3.3.9). Автономные кондиционеры
встраиваются в чистые объемы и используются
при необходимости создания различных
температурных режимов на сравнительно
небольшом числе рабочих мест в производственной
линии, а неавтономные более эффективны при
значительном числе обслуживаемых чистых
мест.
3.3.9. Характеристики систем доводки
сравнения
Система с отдельно встроенным
компрессором
Система централизованной подачи
охлаждающей воды
Обозначения

Структурная схема
системы
чистая камера с
гатир
чистая камера с
термостатирование!
Размещается
отдельно
Вода для

Эксплуатационные

характеристики
Точность контроля
температуры ±0,1 °С. Независимо
от количества теплоты,
выделяемого на рабочем
участке Q\, нагрузка
охлаждающего устройства
остается постоянной.
Охлаждающий змеевик ОЗ может
иметь минимальные
габариты, но емкость
вторичного нагревателя Н2
должна быть большой. Большое
потребление энергии
компрессором и вторичным
нагревателем. Увеличение
габаритных размеров
камеры с термостатированием.
Мало подвержена влиянию
внешних условий
Точность контроля
температуры ±0,1 °С. Возможно
управление производительностью
охлаждения в соответствии с
изменением Q\. Размеры
охлаждающего змеевика больше.
При малых габаритах Н2
можно снизить потребление
энергии. Возможно снижение
централизованного потребления
энергии, требуемого для
охлаждения. Можно уменьшить
габариты камеры с
термостатированием. Существует
ограничение температурных условий
подаваемой холодной воды
Установка,

обслуживание
Разнообразие способов
установки. Сложность
обслуживания компрессора
Метод установки позволяет
сэкономить рабочее
пространство. Сравнительно простое
обслуживание охлаждающих
устройств

Применение
Эффективна в случае
малого числа установок
Эффективна при большом
числе установок
Q\ - тепловая
нагрузка
рабочего
участка; Qi -
тепловая нагрузка
подаваемого
воздуха; ОЗ -
охлаждающий
змеевик; Н2 -
вторичный
нагреватель;
ФФ -
финишный
фильтр;
УКТ -
устройство контроля
температуры;
УРН -
устройство
регулировки
мощности
нагревателя; Dt -
датчик
температуры; ТО -

теплообменник; УРВ -
устройство
контроля
охлаждающей
воды; ОУ -
охлаждающее
устройство; В -
вентилятор;
Н2 -
нагреватель
13*

388
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Отверстие в потомке ддя подачи воздуха
Пстолок
Светильник
Поя
Точка замера
чистой среди
\
Вытяжное отверстие
в полу
Технологическое
оборудовеике
Рис 3.3.12. Пример формирования воздушного потока в ЧПП коридорного типа:
В качестве датчиков температуры находят
применение термопары» термометры
сопротивления, термисторы, полупроводниковые
приборы. Контроль влажности осуществляется
психрометрами, гигрометрами,
полупроводниковыми датчиками.
Важнейшим фактором, определяющим
уровень чистоты, а также термо- и влагостаби-
лизации среды чистого помещения, является
формирование воздушного потока.
Необходимо при температурной однородности потока
минимизировать время удаления загрязнений
из рабочей зоны (РЗ), что обеспечивается
соблюдением следующих условий (рис. 3.3.12):
коэффициент заполнения финишного
фильтра S = Ffy/F^ > 0,8, где Рф - площадь
фильтра, для очистки зоны; F^ - площадь
рабочей зоны;
коэффициент затухания К = 1 - v/vq <
< 0,15, где Vq и v - скорость воздуха
соответственно в 100 - 150 мм от поверхности фильтра
и в точке измерения на расстоянии 2/ЗД где
Н - высота рабочей зоны;
неравномерность скорости воздуха под
фильтром Av = ±15 %;
высота направляющих стенок h\ = 300 ...
500 мм;
высота расположения вытяжного окна в
задней панели Л2 = A/4 ... 1/6)Н;
поток воздуха через вытяжное окно в
задней стенке Qq = @,75 ... 0,8)Q; поток
воздуха через пол Qn = @Д5 ... 0,25)Q, где 0 -
поток воздуха через фильтр;
расстояние между оборудованием и
задней панелью d\ > 1/10A, где А - ширина
технологической зоны; расстояние между рабочей
зоной и проходом di» 150 мм.
Для определения характера воздушных
потоков в ЧПП широко применяется метод
визуализации с помощью пучка волокон
малого диаметра, в которые введен люминофор.
Ориентация люминесцирующего волокна в
потоке отражает характер последнего, на
основании чего можно строить двух- или
трехмерные модели, позволяющие оптимизировать
расположение оборудования и приточных и
вытяжных отверстий. Отклонение скорости

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МИКРОКЛИМАТ ЧПП И ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЕ
389
потока в различных точках пространства не
должно превышать 20 % среднего значения.
При изменении скорости воздушных
потоков в ЧПП международными стандартами
рекомендуется использовать тепловые
анемометры с точностью измерения ±2 %
максимальной скорости потока, что составляет
примерно 3 см/с.
Вибрации, возникающие в ЧПП, в
значительной степени определяют точность
работы оптико-механического и контрольно-
измерительного оборудования и в конечном
счете отражаются на качестве ИС.
Основными источниками вибраций в
ЧПП являются внешние источники
(транспорт, другие предприятия),
вспомогательное оборудование, кондиционеры,
вентиляторы, лифты, электродвигатели и другое
технологическое оборудование, перемещения в
процессе работы (ходьба людей,
транспортировка деталей и т.д.).
Внешние источники исследуются в
основном при решении задачи создания
производственной среды с низким уровнем
вибраций (при строительстве новых
производственных зданий). В этом случае следует определить
фоновые вибрации, оценить характер грунта,
динамическое воздействие фоновых вибраций
на здание, и, если его характеристики при
вибрации находятся в допустимых пределах,
проект принимается. В противном случае
изменяется расчетная схема здания и
производится перерасчет.
В случае реконструкции здания вначале
исследуется вибрация основания
реконструируемого участка с целью определения его
пригодности по этому параметру и далее
выбирается способ виброзащиты.
Снижение влияния вспомогательного и
технологического оборудования на уровень
вибраций в ЧПП достигается за счет его
виброизоляции и рационального размещения,
балансировки неуравновешенных масс, а также
ряда специальных мероприятий по
проектированию и сооружению полов.
Влияние внутрицехового транспорта и
действий персонала на виброфон устраняется
или уменьшается с помощью некоторых
организационных и режимных мероприятий.
Основными источниками
электромагнитных полей являются различные
электрические разряды, изменения контактного
сопротивления, паразитные колебания
электрических схем, переходные процессы. Различного
рода радиоэлектронные компоненты,
содержащиеся в оборудовании, а также готовые
изделия, с одной стороны, сами вызывают
электромагнитные воздействия, а, с другой, -
сами чувствительны к внешним излучениям.
Поэтому необходимо исключить оба эти
явления. Достигается это как экранированием
оборудования, так и экранированием ЧПП, в
котором оно установлено.
ЧПП могут быть сборными из
стандартных экранированных панелей с
эффективностью экранирования до 100 дБ, а также
стационарными с эффективностью
экранирования до 140 дБ. Виды экранирующих стенок
представлены на рис. 3.3.13. Соединение
экранирующих листов друг с другом
осуществляется сваркой, пайкой или вальцовкой. Для
экранирования различного рода проемов
используется заземленная металлическая сетка.
11 3
У1
Рис. 3.3.13. Виды экраниру]
с ЧПП:
а - одномерный трехслойный экран; б - двойной экран;
1 - цинк; 2 - железо; 3 - медь; 4 - каркас; 5 - металлический экран; 6 - заземление

390
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
3.3.10.
Характеристики
Однородность потока
Поток утечки фильтров
Параллельность потока
Восстановление ламинарности
Число частиц
Скорость осаждения частиц
Поток привнесенных частиц
Давление в помещении
Количество подаваемого воздуха
Освещенность
Уровень шума
Температура
Влажность
Уровень вибрации
Виды тестов при испыт;
шняхЧПП
Поток
ляминарикгй
1
1
1,2
1,2
1, 2, 3
0
1,2
1,2,3
1
1
1,2
1,2,3
0
0
турбулентный
_
1
-
1,2,3
1,2,3
0
1,2
1,2,3
1
1
1,2
1,2,3
0
0
смешанный
0
1
0
1,2
1,2,3
0
1,2
1,2,3
1
1
1,2
1,2,3
0
0
Обозначения: 0 - тест проводится при необходимости; 1 - тест перед началом
эксплуатации чистой комнаты; 2 - тест при выключенном состоянии оборудования; 3 - тест
проводится в процессе эксплуатации.
Возникновение статического
электричества в процессе полупроводникового
производства ухудшает состояние среды в ЧПП, что
приводит к снижению выхода годных.
Наиболее существенные отрицательные явления при
этом заключаются в прилипании пыли к
поверхности пластин и кристаллов, а также в
пробое изоляции и нарушении работы
электронных приборов.
Предотвращение накопления
электростатических зарядов обеспечивается за счет
подбора контактирующих материалов в
соответствии с их положением в ряду
электростатических потенциалов, а также устройством
заземления с сопротивлением не более 1 кОм.
Важно также повышать разными методами
электропроводность объектов.
Для борьбы со статическим
электричеством его устраняют с одежды персонала, когда
заряд возникает при трении одежды и обуви
во время движения. Отекание зарядов
обеспечивается применением антистатической
одежды и обуви, устройством токопроводящих
полов, обеспечением персонала
заземляющими браслетами. Борьба со статическим
электричеством в ЧПП не должна ограничиваться
выбором материалов и оборудования,
необходимо также учитывать роль человека.
Контрольные испытания ЧПП после их
изготовления проводятся 3 раза: до монтажа
оборудования, до первого включения
оборудования и при работающем оборудовании.
Основные виды тестов при испытаниях
различных типов ЧПП представлены в табл. 3.3.10.
3.3.4. ПОДГОТОВКА И КОНТРОЛЬ ЧИСТЫХ
ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРВД
Кроме воздуха в ЧПП на участке
технологической обработки полупроводниковых
пластин необходимо подавать чистые газы,
применяемые в качестве рабочей среды, газов-
носителей или уравновешивающих газов
(табл. 3.3.11).
Влияние возможных примесей в
технологических газах на характеристики ИС очень
велико (табл. 3.3.12), поэтому их
концентрация строго регламентируется (табл. 3.3.13).
Типовые методы и системы очистки
технологических газов от примесей представлены
в табл. 3.3.14.
Методы анализа примесей в
технологических газах представлены в табл. 3.3.15.
В табл. 3.3.16 указана минимально
обнаруживаемая концентрация различных
компонентов с помощью приборов, приведенных в
табл. 3.3.15.

ПОДГОТОВКА И КОНТРОЛЬ ЧИСТЫХ ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
391
3.3.11. Применение технологических газов
Газ
N2
о2
н2
Аг
Не
Применение
Газ-носитель (процессы эпитаксиального наращивания и др.); рабочая среда
(диффузия); рабочая среда (химическое осаждение из газовой фазы);
уравновешивающий газ41
Рабочая среда (диффузия); реагент (пленкообразование методом окисления)
Рабочая среда (диффузия); рабочая среда (химическое осаждение из газовой
фазы); уравновешивающий газ*
Рабочая среда (диффузия); рабочая среда (химическое осаждение из газовой
фазы); рабочая среда (получение монокристаллического кремния)
Уравновешивающий газ*
¦ Используется для уменьшения концентрации газов, применяемых для формирования
полупроводниковых структур (подается из баллонов).
3.3.12. Влияние примесей, содержащихся в технологических газах,
на характеристики полупроводниковых приборов
Газ
N2,Ar
о2
н2
Примесь
о2
н2о
со2
со
НС
со2
со
НС
Н2О
Н2О
со2
НС
Масляные
пары
о2
н2
Влияние на полупроводниковые приборы
Снижение качества из-за образования тонкой оксидной пленки
Тоже
Появление тока утечки
Тоже
••
Появление тока утечки
Тоже
Появление тока утечки, ухудшение электрической прочности
вследствие образования кристаллических дефектов
Появление тока утечки
Тоже
-
Появление тока утечки вследствие образования
кристаллических дефектов
Тоже
3.3.13. Требуемая чистота технологических газов для полупроводникового производства
Технологический
газ
N2
о2
н2
Аг
Не
Чистота,
? 99,9997
>99,8
> 99,99
> 99,999
:> 99,995
Концентрация примеси С ¦ 106, %
о2
? 1
-
<2
<1
?5
N2
-
<90
?20
н2
-
СО
< 1
<1
?1
?2
со2
< 1
? 10
< 1
< 1
<5
СН4
^
?50
< 1
< 1
? 1
Н2О
?3
(точка росы-70 °С)
<3(-70°С)
<5(-65°С)
<3(-70°С)
?5(-65°С)

392
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕЬШЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Методы
очистки

Адсорбция при
Г>0°С

Адсорбция при
Г<0 "С*1
С
применением
паллади-
евых
мембран*2
3.3.14.
Очищаемые
газы
N2, Аг, Не
о2
н2
Н2,Не
н2
Методы и системы очистки технологически?
Материал
трубопроводов и их
характеристики
Каталитический
трубопровод (на
основе Ni, Си,
20 - 350 °С);
адсорбционный
трубопровод
(синтетический
цеолит, 20 °С)
Каталитический
трубопровод (на
основе Pt, Pd,
температура
350 - 500 °С);
адсорбционный
трубопровод
(синтетический
цеолит,
нормальная
температура)
Каталитический
трубопровод (на
основе Pd);
адсорбционный
трубопровод
(синтетический
цеолит, 20 °С)
Адсорбционный
трубопровод

(активированный уголь или
синтетический
цеолит, -196 °С)
Проницаемая
мембрана
(палладиевая
мембрана,
300 - 500 °С)
Удаляемые
компоненты
О2> СО2,
н2о
НС, СО,
со2, н2о
о2, со2,
Н2О
О2, N2,
СО, НС,
СО2> Н2О
О2, N2,
СО, НС,
СО2> Н2О
i газов
Концентрация примеси
С •
на входе
О2 - 50,
СО2-2
(точка
росы
-30 °С)
НС-60,
СО2-2
(точка
росы
-30 °С)
О2-100,
СО2-2
(точка
росы
-30 °С)
О2-2,
N2 - 50,
СО2-1
(точка
росы
-60 °С)
Точка
росы
-60 °С
на выходе
о2 - од,
СО2 - 0,1
(точка
росы
-76 °С)
НС - 0,1,
СО2 - 0,1
(точка
росы
-76 °С)
/
о2 - од,
со2 - од
(точка
росы
-76 °С)
О2 - 0,05,
N2 - 0,05,
СО2-0,05
(точка
росы
-76 °С)
О2 - 0,05,
N2 - 0,05,
СО2-0,05
(точка
росы
-76 °С)

Производительность,
м3/ч
3-200
0,4 - 50
1 -60
20 - 300
0,09 - 70
*х Достигается наиболее высокая степень очистки. Возможна обработка большого
количества газа. Для охлаждения необходим жидкий азот.
*2 Достигается наиболее высокая степень очистки. Необходимо повышенное давление.
Очищенный газ находится под нормальным давлением. Регенерация не требуется. При
больших объемах обрабатываемого газа метод адсорбции при низкой температуре более
экономичен.

ПОДГОТОВКА И КОНТРОЛЬ ЧИСТЫХ ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
393
3.3.15. Методы анализа примесей в технологических газах
Метод
измерения
Газовая
хромото-
графия
Масс-
спекгро-
метричес-
кий


метрический

Гальванический

Циркониевый

Люминесцентный
Прибор
Датчик

теплопроводности
Датчик
ионизации
в пламени
водорода
Датчик
ионизации в
пламени
водорода с

предварительным метано-
образованием

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр,

оборудованный
средствами
газовой хромо-
тографии
ИК-спек-
трометр

Микроанализатор
кислорода
Принцип действия
Обнаружение разности
теплопроводностей
компонентов,
разделенных в адсорбционной
колонне
Обнаружение тока
ионов при введении
компонентов, разделенных
в адсорбционной
колонне, в пламя
водорода
Превращение угарного
и углекислого газов с
помощью катализатора
в метан и измерение
датчиком ионизации в
пламени водорода
Разделение
положительных ионов,
образовавшихся при
ионизации пробы, по массе и
заряду
Объединение средств
газовой хромотографии
и масс-спектроскопии
ИК-облучение пробы и
анализ по длинам волн
спектра поглощения и
интенсивности линий
Протекание
анализируемого газа через
гальванический элемент,
реакция с кислородом,
детектирование
электрического тока
Протекание
анализируемого газа через
циркониевую трубку и
детектирование эдс,
создаваемой
концентрационным
гальваническим элементом на
ионах кислорода
Обнаружение света,
излучаемого в процессе
реакции желтого
фосфора И 02
Особенности
Применение обычной
газовой
хроматографии. Пригоден во
всех случаях, кроме
газов-носителей
Высокая
чувствительность к органическим
компонентам
Высокая
чувствительность к
микрокомпонентам угарного и
углекислого газов
Возможен
многокомпонентный анализ
(вещество: газ, твердое
тело, жидкость - с
давлением паров
более 26,6 Па).
Возможен анализ небольших
проб. Высокая
стоимость
Хорошая
разрешающая способность.
Пригоден для анализа
микрокомпонентов
Невозможен анализ
молекул, содержащих
одинаковые атомы, и
одноатомных молекул
(N2, O2, Н2, Не)
Диапазон
измерения
концентрации
примесей, %*
2-10 - 100
10"8 - 10
5-Ю-8 - 1
1-Ю - 100
ю-8 - юо
10 - 10
5-10-8 - Ю-4

394
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Продолжение табл. 3.3.15
Метод
измерения

Микроизмерение
Прибор

Микроизмеритель
влагосо-
держания
Принцип действия
Проникновение влаги в
пленку из пористого
AI2O3, обнаружение
изменения
электростатической емкости
Особенности
Простота
эксплуатации
Диапазон
измерения
концентрации
примесей, %*
Точка росы
-80 до 0 °С
* Диапазон измерения зависит от вида газа и может несколько изменяться.
3.3.16. Минимально обнаруживаемая концентрация примесей в технологических газах
Примесь
о2
N2
н2
СО
со
со2
со2
сн4
сн4
н2о
Концентрация С • 106, %
0,05
0,05
0,1
0,05
0,5
0,05
од
0,01
0,1
0,5 (точка росы -80 °С)
Измерительный прибор
Микроанализатор кислорода
Масс-спектрометр, оборудованный средствами
газовой хромотографии
Тоже
Датчик ионизации в пламени водорода с
предварительным образованием метана
ИК-спектрометр
Датчик ионизации в пламени водорода с
предварительным образованием метана
ИК-спектрометр
Датчик ионизации в пламени водорода
ИК-спектрометр.
Измеритель точки росы
Рис. 3.3.14. Типичная схем» подачи технологических газов:
LN2 - жидкий азот; LOi - жидкий кислород

ЧИСТАЯ ВОДА И ЖИДКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДЫ
395
При проектировании систем подачи
технологических газов (рис. 3.3.14) необходимо
предусматривать рациональное размещение
оборудования, решать вопросы выбора
фильтров, очистки внутренних поверхностей
трубопроводов и арматуры, выполнения сварочных
работ.
В ЧПП используются бесшовные трубы
малого диаметра из коррозионно-стойкой
стали, за технологией изготовления, упаковкой
и транспортировкой которых необходим
жесткий контроль. Для очистки труб необходимо
оптимальное сочетание различных способов в
зависимости от вида и степени загрязнения,
размеров и формы обрабатываемых
поверхностей, требуемой степени очитки (рис. 3.3.15).
Для соединения труб в ЧПП обычно
используется сварка в среде инертных газов,
возможно образование загрязнений, поэтому
необходимы уборка. помещений, сокращение
числа мест сварки, продувка труб инертным
газом.
Фильтрация газов осуществляется в
несколько ступеней, последняя из которых
находится перед технологическим оборудованием
(финишные фильтры). Фильтрующие
элементы обычно изготовляются из полимерных
мембран, при выборе которых необходимо
учитывать нагрузку, требуемую степень
чистоты, пылегенерацию оборудования (табл.
3.3.17). Для измерения концентрации пыли в
газах используются, как правило, приборы,
работающие на эффекте рассеяния света.
Обезжиривание:
погружение в растворитель, физико-
механическое воздействие
(ультразвук и др.)
Химическая обработка:
погружение в растворитель, физико-
механическое воздействие, например,
обработка щетками и др.
Промывка в воде:
в зависимости от конфигурации в
проточной воде или водяными струями
I Сушка путем продувки чистым N2 j
L
Измерение числа частиц
I Герметизация концов труб, упаковка |
Рис. 3.3.15. Последовательность очистки труб
3.3.17. Xi
Характеристика
Минимальный
размер задерживаемых
частиц, мкм
Показатель
эффективности, %
Максимальное
рабочее давление, МПа
Расход газа, дм3/мин
Давление газа, МПа
фактеристшш фин
А
0,09
> 99,999
0,98
40
0,5
ишных фильтров для газов
Финишные фильтры
В
0,02
Абсолютный
1,75
170
0,5
С
0,05
99,999999999
1,75
200
0,5
3.3.5. ЧИСТАЯ ВОДА И ЖИДКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
СРЕДЫ
Повышение степени интеграции СБИС
требует использования чистой воды, динамика
изменения качества которой представлена в
табл. 3.3.18.
Методы, используемые для удаления
примесей из воды, оцененные по
четырехбалльной шкале, приведены в табл. 3.3.19.

396
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
3.3.18. Ли
i и изменения качества сверхчистой воды для полупроводникового производства
Характеристика
Удельное электрическое
сопротивление, МОмсмB5°С)
Число микрочастиц в 1 см3
Размер микрочастиц, мкм
Общая концентрация углерода в
органических соединениях C-1Q9, %
Концентрация растворенного
кислорода СЛО9, %
Концентрация диоксида кремния
С109, %
Годы
1973
13- 15
500 - 1000
0,45 - 0,5
1000
8
-
1979
16- 18
<200
0,2
500 - 1000
0,3-8
-
1984
17 - 18
<20
>0,2
< 100
<0,1
< 10
1993
18- 19
<2
>0,1
50
-
5
Рис. 3.3.16. Схема полу*
[ воды для производства СБИС:
1 - предварительная обработка; 2 - емкость для исходной воды; 3 - теплообменник; 4 - установка обратного
осмоса; 5 - колонна для вакуумного обезгаживания; 6 - емкость для воды после обратного осмоса; 7- колонна
с ионнообменными смолами; 8 - емкость для соляной кислоты; 9 - емкость для едкого натра; 10 - мембранный
фильтр; И - емкость для чистой воды; 12 - установка для уничтожения микробов; 13 - колонна для доводки
ионнообменными смолами; 14 - установка ультрафильтрации; 15 - место использования

3.3.19. Методы обработки, используемые для удаления примесей из воды
Метод обработки
Осаждение
Фильтрация через песок
Адсорбция в активных
углях
Патронные фильтры
A-5 мкм)
Обратный осмос
Обезгаживание при
нормальном давлении A05 Па)
Обезгаживание в вакууме
Обмен ионами
УФ-облучение
УФ-окисление
Микрофильтрация
Ультрафильтрация
Объект удаления
Взвеси
Ионы
¦—
Микрочастицы
Микроорганизмы
(стерилизация)
Органические
вещества
(разложение)
Углекислый
газ
Кислород
Пирогены
Обозначения: + незначительный результат, ++ заметный результат, +++ неполный результат, ++++ удовлетворительный результат.

398
Глава 3.3. ЧИСТЫЕ ПРИЗВОДСТВЕННЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Выбор методов определяется исходными
свойствами воды и требуемыми
характеристиками чистой воды. Некоторые методы
используются на первичной стадии обработки
исходной воды, другие - для получения ее
окончательных характеристик.
Схема получения чистой воды для ЧПП
показана на рис. 3.3.16. Первичная стадия
обработки исходной воды включает
предварительную обработку (отстой, фильтрацию,
адсорбцию) в зависимости от содержания в
исходной воде примесей, обратный осмос,
ионообменную очистку, вакуумное обезгаживание,
фильтрацию через мембранный фильтр с
размером пор 0,2 мкм и хранение в емкости для
чистой воды, в которой воздух заменен
азотом. В процессе удаляется большая часть
микрочастиц и микроорганизмов, а удельное
электрическое сопротивление воды достигает 10 -
15 МОм-см при температуре 25 °С.
На второй стадии вода обеззараживается
УФ - излучением, освобождается от ионов
высокочистыми ионообменными смолами,
подвергается ультрафильтрации и подается на
рабочие участки. Удельное сопротивление
воды в результате такой обработки составляет
18 МОм-см.
В процессе эксплуатации ЧПП
необходимо соблюдать постоянную циркуляцию
чистой воды между емкостью для ее хранения и
технологическими участками, что позволяет
избежать увеличения в ней числа
микроорганизмов (рис. 3.3.17.).
Трубопроводы для чистой воды должны
обладать механической прочностью, термо- и
коррозионной стойкостью, хорошей
обрабатываемостью, низкой эрозионной способностью
и гладкой внутренней поверхностью при
невысокой стоимости. В качестве материалов
трубопроводов находят применение поливи-
нилхлорид, полипропилен, коррозионно-
стойкая сталь, фторопласт, титан. В процессе
эксплуатации трубопроводы должны
подвергаться периодической стерилизации перекисью
водорода или формалином.
Кислоты
Щелочи
хоо .
10
Содержание
микроорганизмов,
Август
Сентябрь
Охтябрь
Продолжительность циркуляции
Рис. 3.3.17. Содержание микроорганизмов в
сверхчистой воде при непрерывной и периодической
циркуляции в системе доводки
Чистая
вода
Фоторезисты Растворители
Рис. 3.3.18. Схема защитной фильтрации
3.3.20. Кондевтрацвя микрочастиц диаметром
менее 2 мкм в технологических жидкостях
Реактив
Н2О2 C0%)
NH4F D0%)
HF D9%)
Концентрация
микрочастиц, мг/дм3
Со
1
3
2
Fe
2
6
9
Mg
7
2
18
Mn
1
1
180
На многих этапах полупроводникового
производства используются различные
химические реактивы, концентрация примесей в
которых зависит от вида жидкости, технологии
ее изготовления и условий транспортировки
(табл. 3.3.20).
Источниками загрязнений химических
реактивов могут быть исходные продукты,
емкости, персонал, технологическое
оборудование, а также некоторые реакции,
сопровождающие травление и очистку.
Большинство химических реактивов
независимо от их чистоты в состоянии поставки
предварительно фильтруются перед вводом в
ЧПП (рис. 3.3.18.), а непосредственно перед
применением подвергаются повторной очистке
с помощью тонких фильтров, которые должны
быть многофункциональными, химически
стойкими и экономичными.
Концентрация примесей в жидких средах
определяется с помощью микроскопов,
оптических или ультразвуковых счетчиков
микрочастиц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Чистые помещения. Под ред. И. Хаяка-
вы / Пер. с японск. М.: Мир, 1990. 456 с.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
399
3.4
СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ
ФИЗИКО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ И
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
3.4.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА
ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА МЕТОДАМИ
ЭЛЕКТРОННОЙ И ИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Атомы поверхностных слоев,
обращенных в вакуум, газообразную или жидкую
среду, находятся в особых условиях по сравнению
с атомами в объеме твердого тела из-за резкой
асимметрии межатомных сил взаимодействия
в перпендикулярном к поверхности
направлении. У кристаллического твердого тела эта
асимметрия связана с обрывом
трансляционной симметрии в расположении
атомов. Асимметрия межатомных взаимодействий
в поверхностных слоях приводит к изменению
энергетического спектра электронов
(валентной зоны и зоны проводимости) по
сравнению с объемным спектром, что обусловливает
специфику свойств атомных поверхностных
слоев, и поэтому их характеристики
отличаются от характеристик слоев, размещенных в
объеме твердого тела. Микроскопическая
поверхность (толщина около 1-10 атомных
слоев) определяется как особое состояние
вещества в конденсированном состоянии, в котором
межатомные потенциалы взаимодействия
непостоянны.
Представления о поверхности как о
приграничном слое с особыми свойствами
распространяются и на межфазные границы в
твердом теле, и на границы раздела между
двумя веществами (например, полупроводник-
диэлектрик, диэлектрик-металл и т.д.). Если
переход между двумя материалами нерезкий,
граница раздела характеризуется некоторой
переходной областью конечной толщины от
одного материала к другому.
Основные микроскопические
характеристики поверхности следующие:
элементный (химический) состав,
распределение химических элементов по глубине;
кристаллогеометрическая структура
дальнего и близкого порядка, дефектность
структуры;
электронное строение (энергетический
спектр состояний валентных электронов и
пространственная локализация их заряда);
локальные магнитные характеристики;
данные о тепловых колебаниях
поверхности.
Эти характеристики взаимосвязаны и
взаимообусловлены. Большинство из них
определяется химической природой атомов.
Решающее влияние на основные свойства
поверхности оказывает ее электронное строение,
т.е. состояние валентных электронов. В основе
закономерностей, которым подчиняются
многие явления на поверхности, лежат
элементарные взаимодействия валентных элек-
-тронов.
Поскольку любые взаимодействия между
твердыми телами и с окружающей средой
осуществляются через поверхность, она имеет
исключительно большое значение для
практики. С поверхностью связаны, в частности,
атомные процессы - адсорбция и десорбция,
миграция и диффузия, диссоциация молекул,
химические реакции, коррозия и т.п.
Технологические процессы производства
различных изделий электронной техники
связаны с формированием поверхности (очистка
подложки, формирование гомо- или гетеро-
эпитаксиальной пленки, нанесение различных
покрытий и т.д.). Физические свойства,
например кристаллической структуры
(содержание в ней дефектов, характер распределения
различных примесей) определяются условиями
на поверхности при нанесении элементарных
(атомных) слоев; любая структура состоит из
совокупности таких слоев.
Определение основных
микроскопических характеристик поверхности и контроль за
их изменением в результате каких-либо возт
действий осуществляются с помощью
специальных аналитических методов, из которых
наибольшее распространение получили методы
электронной и ионной спектроскопии. Эти
методы основываются на регистрации
определенных изменений, происходящих в атомных
слоях вещества в результате взаимодействия с
каким-либо воздействующим агентом в виде
зонда. Регистрируются также изменения,
претерпеваемые зондом в результате
взаимодействия с веществом. Соответствующий
пространственно-энергетический анализ возбужденных
спектров или анализ масс-спектров позволяет
получить информацию практически о всех
основных микроскопических характеристиках
поверхности.
Основным достоинством методов
электронной и ионной спектроскопии является
исключительно высокая трехмерная
локальность анализа твердого тела; толщина
примерно от 1 нм до нескольких микрометров,
окружность диаметром около 0,5 - 10 мкм при
высокой чувствительности (предел
обнаружения примесей может составлять около 1014 см).
Физические причины, позволяющие
получать высокую локальность по глубине,
связаны с малой эффективной глубиной выхода
электронов без потерь энергии, малой длиной
каскада атомных взаимодействий при
бомбардировке поверхности ионами, явлениями
дифракции электронов и упругим рассеянием
ионов на атомах поверхности.
Постепенное (послойное) распыление
материала исследуемого образца с помощью
ионной бомбардировки позволяет обнажать
более глубоко лежащие атомные слои и таким
образом анализировать элементный состав
микрообъемов.

400
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Воздействия зондов на поверхность
проявляются в испускании вторичных потоков
частиц и излучения.
В зависимости от характера первичных и
вторичных потоков методы анализа
энергетических спектров и масс-спектров
классифицируют по двум основным признакам: природе
возбуждающего (первичного) зонда; природе
эмитгируемых вторичных частиц или
вторичного излучения.
Методы электрон-электронной
спектроскопии (или вторично-электронной
спектроскопии) реализуются с помощью первичного
электронного зонда и анализа энергетических
(и угловых) распределений вторичных
электронов, упруго или неупруго отраженных от
поверхности. При использовании первичного
ионного зонда и анализа энергетических
спектров электронов реализуются методы ионно-
электронной спектроскопии и т.д.
На рис. 3.4.1 и 3.4.2 приведена
упрощенная классификация методов электронной
и ионной спектроскопии.
Оборудование, предназначенное для
практической реализации методов
электронной и ионной спектроскопии, должно
удовлетворять определенным требованиям и
включает следующие основные элементы:
рабочую камеру с системой сверхвысоко-
вакуумной откачки;
устройства, формирующие первичные
зонды;
устройства для анализа распределения
вторичной эмиссии (или упруго отраженной
компоненты) по энергиям или массам.
Аппаратуру, питающую,
регистрирующую и обрабатывающую спектроскопическую
информацию.
Давление остаточных активных газов в
камере должно быть не более 10 - 10~8 Па во
избежание адсорбции газов на поверхности.
Устройства формирования первичных
зондов должны обеспечивать определенные
параметры последних (площадь поперечного
сечения, плотность тока, энергия и т.д.)-
Вторично-электронная спектроскопия
I
Спектроскопия возбужденных
электронов
Электронная
оже-спектроскопия (ЭОС)
Спектроскопия упруго.-'^
неупруго*отраженных
электронов
Дифрация
медленных
электронов
(ДМЭ)
Дифрация
быстрых
электронов
(ДБЭ)

Спектроскопия потерь
энергии

Колебательная
спектроскопия
Фотоэлектронная спектроскопия
JL
Рентгеноэлектронная
спектроскопия
Ул ьтрафиолетовая
спектроскопия
Ионно-электронная спектроскопия
Ионная
оже -спектроскопия
Рис. 3.4.1. Классификация методов электронной спектроскопии

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
401
Масс-спехтроскопхя
вторичных частиц
Вторичяо-иовяая
масс-спектроскопия
(ВИМС)
Мае с-спектроскопия
выбитых нейтральных
частиц
Спектроскопия
рассеянных ионов
Спектроскопия обратно-
рассеянных ионов
низких энергий
(СОРИНЭ)
Спектроскопия рассеянных
ионов высоких, энергий
(по Резерфорду)
Рис. 3.4.2. Классификация методов ионной спектроскопии
При анализе поверхности активных
материалов, не допускающих контакта с
воздушной атмосферой, а также при изучении
адсорбции и связанных с ней явлений
(например, начальных стадий роста пленок) в
оборудование могут встраиваться системы для
нанесения адсорбата. Эти системы, а также
системы для очистки поверхностей
анализируемых объектов можно вынести во
вспомогательную камеру, соединенную с основной
через шлюзовое устройство. Для перемещения
объектов из одной камеры в другую,
юстировки поверхностей относительно первичных
пучков и анализаторов вторичной эмиссии,
смены образцов, перемещения их с позиции
на позицию необходима передача в вакуум
механических перемещений. Эти перемещения
осуществляются с помощью вакуумных
манипуляторов. Для быстрой смены объектов в
камерах без нарушения вакуумных условий
используются загрузочно-шлюзовые
устройства.
Наиболее важным условием приборной
реализации методов электронной и ионной
спектроскопии является компоновка основных
элементов внутри камеры. Компоновку можно
считать рациональной, если она удовлетворяет
следующим требованиям:
угол падения первичного зонда
(относительно нормали к поверхности объекта)
обеспечивает максимальную эмиссию вторичных
частиц;
полностью используется входной
телесный угол анализатора для сбора вторичных
частиц;
область расположения объекта легко
доступна для его быстрой замены.
Однако некоторые требования
противоречат перечисленным выше. Например, для
получения максимального разрешения
первичный зонд должен быть направлен по
отношению к поверхности перпендикулярно, что
уменьшает эмиссию вторичных частиц по
сравнению с эмиссией при наклонном
падении и, следовательно, ухудшаются условия
обнаружения примесей.
На практике выбирают компоновки,
удовлетворяющие либо компромиссным
требованиям, либо требованиям по пределу
обнаружения, скорости распыления материала при
ионном травлении, пространственному
разрешению и т.д.
Примеры типовых компоновок основных
элементов электронных и ионных
спектроскопов приведены на рис. 3.4.3.
Для определения элементного состава
атомных поверхностных слоев необходимо
выявить какую-либо присущую отдельным
атомам характеристику, которая сохраняется
при переходе атомов в конденсированное
состояние. Такой характеристикой является
совокупность энергий связи Е( электронов
внутренних оболочек (уровней), положение
которых на энергетической шкале изменяется мало
при объединении атомов в твердое тело. Для
каждого атомного номера Z эта совокупность
энергий представляет собой систему
дискретных энергетических уровней Ег =/B).
Для определения Е\ атомов
поверхностных слоев возбуждают их внутренние
оболочки. На рис. 3.4.4 приведена энергетическая
диаграмма, поясняющая сущность рентгено-
электронной спектроскопии (РЭС),
основанного на непосредственной регистрации
возбужденных электронов внутренних оболочек.
Электрону передается некоторая строго
фиксированная энергия рентгеновского кванта
Е = hv и измеряется кинетическая энергия
Дщн возбужденного электрона после его
выхода из твердого тела. Энергия
hv - ЕА- еср.

402
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
на
\
ЭА
\
Л
V
А
Рис. 3.4.3. Типовые компоновки основных элементов электронных и ионных спектрометров:
ЭА - энергетический анализатор; ЭП - электронная пушка; ИП - ионный пучок; hv - пучок фотонов;
h - нормаль к поверхности; L - фокусное расстояние пушки анализатора; МС - масс-спектрометр;
а - рентгено-электронная и оже-спектроскопия; б - растровый электронный оже-спектрометр;
в - ионный оже-спектрометр; г - спектрометр обратно рассеянных ионов низких энергий;
д - вторично-ионный масс-спектрометр; е - дифрактометр медленных электронов; а - угол наклона оси
анализатора к исследуемой поверхности; р - угол наклона оси анализатора к направлению выхода
обращенных частиц; 6 - угол, образованный осью пучка первичных частиц (зонда) и нормалью к исследуемой
поверхности; ж - установка растрового электронного оже-спектрометра с послойным анализом;
1 - исследуемый образец на обьектодержателе; 2 - шток манипулятора юстировки образца; 3 - юстировочный
манипулятор; 4 - электронная пушка; 5 - энергетический анализатор; 6 - манипулятор регулировки
относительного энергетического разрешения анализатора; 7- ионная пушка; 8 - патрубок системы газового
напуска; 9 - патрубок системы дифференциальной откачки; 10 - иллюминатор; 11 - аналитическая камера;
12 - патрубок системы откачки камеры; 13 - камера загрузки; 14 - манипулятор загрузки;
15 - патрубок системы откачки камеры загрузки; 16 - шиберные затворы

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
403
Рис. 3.4.4. Эв
ергетическая диаграмма, поясняющая
сущность рентгеноэлектронной спектроскопии
Здесь h - постоянная Планка; v - частота
фотона; Ед - энергия связи электрона на
уровне А; ар - работа выхода, где е - заряд
электрона, ф - его потенциал. Сравнивая экс-
перементально полученные значения Ед с
табличными значениями энергии связи
химических элементов, определяют Z атома, из
которого эмиттировался вторичный электрон.
При возбуждении электронов с разных
уровней атомов с различными Z их
энергетический спектр образует систему дискретных
линий - спектр вторичных электронов,
распределенных по энергиям: N = /{Е)у где N -
число электронов с энергией Е (слева наверху
на рис. 3.4.4). Такой спектр отражает
энергетическую структуру электронов внутренних
оболочек и поэтому позволяет
идентифицировать всю совокупность Z атомов, электроны
которых приняли участие в его
формировании.
Интенсивность дискретных линий (их
амплитуда или площадь, охватываемая
линией) пропорциональна числу атомов с
номерами Z, из которых эмитгированы электроны.
На этом основано количественное
определение концентраций химических элементов в
приповерхностных атомных слоях.
Возбужденные электроны находятся в
окружении других атомов, и они должны
выйти из твердого тела в вакуум, чтобы быть
зарегистрированными. При движении в твердом
теле они могут претерпевать различные
неупругие взаимодействия, (в основном электрон-
электронные), что приводит к изменению их
энергии и искажению искомой информации.
Носителями информации остаются лишь те
электроны, которые не испытали неупругого
рассеяния. Без потери энергии в вакуум могут
выйти только те электроны, которые были
возбуждены на глубинах, не превышающих
среднюю длину А, свободного пробега для
неупругого рассеяния. Эта длина и определяет
10° W1
Рис. 3.4.5. Зависимость эффективной глубины выхода
электронов от их характеристической энергии.
Точками обозначены экспериментально
полученные данные для разных материалов
толщину анализируемого приповерхностного
слоя, т.е. неупругие взаимодействия
"отсеивают" информацию, идущую из объема
твердого тела, формируя важнейшую
характеристику РЭС - высокую локальность по глубине
(локальность - величина, обратная глубине).
Величина X зависит от кинетической
энергии Екян электронов (рис. 3.4.5).
Важнейшими элементами установок РЭС
являются рентгеновский источник
возбуждения и энергетический анализатор.
Рентгеновский источник обычно
выполняется с двойным анодом - из алюминия и
магния, характеристические излучения
которых составляют соответственно 1486,6 и
1253,6 эВ (рис. 3.4.6). Для задержки главным
образом тормозного излучения используется
фильтр в виде алюминиевой фольги толщиной
5-10 мкм. Немонохроматичность фотонов
таких источников составляет около 1 эВ.
Специальная монохроматизация излучения
позволяет уменьшить Ahv примерно до 0,2 эВ.
Типичный диаметр пучка фотонов на
поверхности исследуемого образца составляет
3-5 мм, т.е. локальность метода РЭС по
поверхности невелика, если пучок не
диафрагмировать.
Мощность, рассеиваемая анодом при
ускоряющем напряжении 15 кэВ, составляет
около 1 кВт, поэтому в таких источниках
используют жидкостное охлаждение.
Регистрация распределения электронов
по энергиям осуществляется с помощью
энергоанализаторов. Принцип их действия
основан на взаимодействии вторичных
электронов с электростатическим или магнитным
полем. В настоящее время наибольшее
распространение в РЭС получили
электростатические энергоанализаторы.
Основным элементом
электростатического энергоанализатора является конденсатор
(плоский, сферический, цилиндрический) с
определенным образом выбранной конфигура-

404
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.4.6. Источник вакуумного рентгеновского излучения:
1 - анод двойной; Aа - алюминий; 16 - магний); 2 - катод; 3 - разделительный экран; 4 - окно;
5 - монохроматизирующая фольга (алюминий); 6 - прижимное кольцо; 7 - катодная стойка;
8 - полуконический экран; 9 - защитный экран; 10 - юстировочная керамическая втулка; 11 - корпус;
12 - присоединительный водоохлаждаемый фланец (Цу-63); 13 - катодный токоввод;
14 - фланец дифференциальной откачки (Ду-25); 75 - анодный гермоввод; 16 - высоковольтный изолятор;
17 - трубопровод охлаждения; 18 - защитный кожух; 19 - штуцер охлаждения жидкости;
20 - штуцер входа охлаждающей жидкости; 21 - гнездо; 22 - анодный фланец
цией электродов. Анализирующее поле,
которое создается приложенной к электродам
разностью потенциалов U, пропускает сквозь
конденсатор на коллектор электроны, которые
имеют энергии Ддш в малом интервале
AjEkhh- Изменяя Z7, можно зарегистрировать
всю кривую распределения электронов по
энергиям N — f(E). Чувствительность таких
энергоанализаторов пропорциональна
кинетической энергии анализируемых электронов
Екин> относительное энергетическое разреше-
ние (%) R = (АДаш/ДашI00.
Важной характеристикой энегроанализа-
тора является светосила - доля входного
телесного угла от 4 ср. Светосила определяет силу
тока, проходящего через энергоанализатор и,
следовательно, определяет и отношение
сигнал/шум выходного сигнала.
Наибольшей светосилой обладает
энергоанализатор с отклоняющим полем типа
цилиндрического зеркала (светосила около 10%
при R « 0,3%). Он нашел наиболее широкое
применение.
Схема одного из вариантов
цилиндрического зеркального энергоанализатора
приведена на рис. 3.4.7. Энергоанализу подвергаются
вторичные электроны, входящие в
цилиндрический конденсатор под средним углом
а = 42 °20 ' к оси симметрии. Входные и
выходные щели внутреннего цилиндра
ограничивают траектории электронов в телесном угле
2Да « 10 °. Большое значение входного угла
определяется тем, что в этом типе
энергоанализатора осуществляется угловая фокусировка
второго порядка.
Рис. 3.4.7. Схема цилиндрического зеркального
энергоанализатора:
1 - электронная пушка, дающая ток первичного
пучка 1р, 2 - вторично-электронный умножитель
(ВЭУ), регистрирующий долю вторичного тока /,
проходящего через анализатор;
V - потенциал анализирующего поля
В РЭС применяются двухступенчатые
цилиндрические зеркальные
энергоанализаторы (два анализатора последовательно) с
предварительным замедлением электронов, что
позволяет получать абсолютное разрешение
1эВ.
Типовая компоновка РЭС приведена на
рис. 3.4.3, ж.
Получение информации о химической
природе атомов возможно при регистрации не
только возбужденных электронов с внутренних
оболочек, но и результата релаксационных
процессов, протекающих в атомах после
создания на внутренних оболочках вакансий
(дырочных состояний). Методы электронной
спектроскопии, в которых используется это
явление, основаны на измерении спектров
оже-электронов.
Дырочные состояния в системе
внутренних электронных оболочек неустойчивы и

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
405
заполняются электроном с более высоких
энергетических уровней. Выделяющаяся
энергия либо испускается в виде кванта
характеристического излучения, либо посредством
безызлучательного оже-процесса передается
другому электрону, который и эмиттируется.
Этот электрон называется оже-электроном.
При энергиях переходов примерно 2,5 кэВ
преобладает оже-процесс (рис. 3.4.8, а).
Энергия оже-электрона Еддс прямо зависит
от энергии связи электронов на трех
энергетических уровнях А, В и С, т.е. определяется
химической природой атома, в котором
создана вакансия и Е^с = A&A>Eb>Ec) = А?)-
Это позволяет по экспериментально
найденным значениям энергии оже-элекгронов путем
сравнения их с табличными данными
определить природу атомов. Интенсивности пиков
оже-электронов пропорциональны числу
атомов, из которых эмитгировались оже-
электроны, что позволяет осуществлять
количественный химический анализ.
Для создания вакансии во внутренних
электронных оболочках используют
электронные, фотонные и ионные зонды, т.е.
существует три разновидности оже-спектроскопии -
электронная, рентгеновская и ионная.
Наиболее широкое распространение получила
электронная оже-спектроскопия (ЭОС). Это
связано прежде всего с тем, что первичный пучок
электронов можно сделать достаточно малого
диаметра, чем достигается высокая
локальность в плоскости.
На рис. 3.4.8, б приведен пример оже-
спектра при электронном возбуждении.
Для формирования первичных пучков
электронов используются электронные пушки
с электростатической или магнитной
фокусировкой. Особо компактной является
конструкция спектрометра, в которой электронная
пушка встроена во внутренний цилиндр
цилиндрического зеркального анализатора.
Если первичный пучок разворачивать в
растр по поверхности в пределах фокальной
области энергоанализатора, а энергоанализатор
настраивать на определенные спектральные
пики, соответствующие определенным
химическим элементам, то выходной сигнал
энергоанализатора можно использовать для
модуляции яркости пучка электронной пушки
дисплея (развертка по строкам и кадрам пучка
пушки дисплея синхронизируется с растром
первичного пучка). В этом случае на экране
дисплея отображается картина распределения
выбранного химического элемента по
поверхности. Такой режим реализуется в растровых
электронных оже-спектрометрах.
Пространственное разрешение в этом случае практически
полностью определяется диаметром
первичного пучка.
о гоо ш 600 воо е,9в
9)
Рис. 3.4.8. Характеристики оже-спектроскопии:
а - диаграмма энергетических уровней,
иллюстрирующая механизм эмиссии оже-электронов:
/ - уровень вакуума;
// - уровень возбужденного оже-электрона;
б - оже-спектр серебра, записанный в двух режимах
регистрации - N(E) и dN(E)/dE
Предел обнаружения примесей методами
электронной спектроскопии (РЭС и ЭОС) для
различных материалов составляет примерно
0,1 - 0,01 моноатомного слоя A019 - 1020 см)
при достаточно интенсивных пучках (сила
тока около 1 мкА). При малых диаметрах
электронных пучков высокие силы тока в
пучке недостижимы и поэтому предел
обнаружения примесей у таких спектрометров более
0,1 моноатомного слоя.
При энергии ионов первичного пучка
Е\ « 5 кэВ их взаимодействие с атомами
поверхности носит преимущественно парный
характер и такие соударения являются
упругими, т.е. не происходит возбуждение
электронных оболочек сталкивающихся частиц.
Энергия рассеянных первичных частиц
E2 = El{l + (M/m)}-2
f(M / тJ - sin2
,1/212> <3'4Л>
где М - масса атома на поверхности; т - масса
первичного иона; 0 - угол рассеяния. Поэто-

406
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
му, определяя энергии рассеянных частиц Е^
покидающих облучаемую поверхность под
некоторым углом в к первичному пучку,
можно совершенно однозначно определить массу
М атомов, от которых произошло рассеяние
на поверхности, и, следовательно, элементный
состав поверхностного слоя.
Поскольку упругое рассеяние происходит
главным образом на внешнем атомном слое
твердого тела, локальность этого метода по
глубине соответствует примерно
моноатомному слою.
Разрешение по поверхности определяется
площадью поперечного сечения первичного
пучка и углом падения.
Предел обнаружения метода низких
энергий (СОРИНЭ), который называют
спектроскопией обратно-рассеянных ионов,
составляет около 0,1 - 0,01 монооатомного слоя.
Для определения кристаллогеометрии
поверхности твердого тела используется метод
дифракции медленных электронов (ДМЭ).
Условие дифракции, т.е. формирования
дифракционных пучков на двумерной
решетке, соответствует формуле Брэгга для
нормального падения первичного пучка с длиной
волны к. Длина волны де Бройля электрона
зависит от его энергии Ер.
= (l50,4
где X - в см; Ер - в В.
Таким образом, система пучков
представляет собой отображение узлов двумерной
кристаллической решетки.
Локальность по поверхности метода
ДМЭ определяется размером, на котором
формируется дифракционное изображение.
Этот размер определяется угловой
расходимостью траекторий электоронов первичного
пучка. Типичное значение угловой расходимости
составляет около 10 рад, что соответствует
зоне когерентности около 10-6 см.
На рис. 3.4.3, е приведена компоновка
широко применяемого на практике дифракто-
метра медленных электронов, с помощью
которого возможно визуальное наблюдение
дифракционных картин. Электронная пушка
формирует пучок электронов диаметром около
1 мм и силой тока примерно 1 мкА в
диапазоне энергий примерно 10 - 500 эВ. Этот пучок
направлен перпендикулярно к исследуемой
поверхности, которая располагается в центре
сферически симметрично расположенных
мелкоструктурных сеток и экрана-коллектора,
покрытого с внутренней стороны
люминофором. Сетки вместе с коллектором
представляют собой анализатор электронов по энергиям
тормозящего типа. Образец и первая сетка
заземлены, так что в пространстве между ними
нет электрического поля. Поэтому как упруго
отраженные, так и неупруго отраженные
первичные электроны движутся по траекториям с
радиусами, близкими к радиусам сферически
симметричной системы электродов. Ко второй
и третьей сеткам, расположенным между
первой сеткой и коллектором, прикладывается
потенциал, несколько больший потенциала
катода пушки. Таким образом осуществляется
торможение неупруго отраженных электронов,
в результате которого эти две сетки проходят
лишь упруго отраженные электроны.
К экрану-коллектору приложено
напряжение +5 кВ, прошедшие сетки электроны
ускоряются и высвечивают люминофорное
покрытие в местах, соответствующих
расположению дифракционных пучков. Ставшие в
результате ускорения видимыми,
дифракционные рефлексы в виде светящейся картины
могут наблюдаться, фотометрироваться и
фотографироваться либо со стороны образца
сквозь сетки, либо с тыльной стороны экрана,
если он оптически прозрачен.
Тормозящие анализаторы для ДМЭ
описанной выше конструкции, смонтированные
на фланце, выпускаются многими
зарубежными фирмами (например, мод 981-0127, фирма
Varian, США). Выпускаются также
аналогичные анализаторы с подвижным коллекторным
узлом с малой диафрагмой для
непосредственного измерения силы тока дифракционных
пучков мод. 981-0137 (фирма Varian, США).
В сверхвысоковакуумную камеру
помещают тормозящий анализатор и манипулятор,
позволяющий в некоторых пределах
перемещать объектодержатель, совмещая поверхность
образца с фокусной точкой. Объектодержатель
обычно снабжают косвенным подогревателем,
позволяющим нагревать образец примерно до
температуры 1500 °С.
В камере дифрактометра, как правило,
находится ионная пушка, формирующая пучок
ионов инертного газа для очистки поверхности
образца с помощью ионной бомбардировки, а
также цилиндрический зеркальный анализатор
со встроенной электронной пушкой для
контроля степени чистоты поверхности с
помощью ЭОС. Для этой цели манипулятор
позволяет вводить поверхность образца в фокальную
область зеркального анализатора, как,
например, в дифрактометре мод. LAS - 600 фирмы
Riber (Франция).
Для анализа кристаллической структуры
и фазового состава широкое распространение
получил метод дифракции быстрых электронов
на отражение (ДБЭ) (энергия 10 - 100 кэВ).
Этим методом можно исследовать слои
толщиной около 0,1 - 10 нм. Нижний предел
этого интервала толщин перекрывается
толщинами слоев, доступных исследованию с
помощью ДМЭ, а верхний предел - с
толщинами слоев, анализируемых рентгеновскими
методами.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
407
71Г
Рис. 3.4.9. Схема дифрактометра быстрых электронов:
1 - пушка быстрых электронов; 2 - образец;
3 - прозрачный люминесцирующий экран;
4 - визуальный контроль
При использовании этого метода
электронный пучок с углом расходимости
1(И - 10-5 рад и диаметром 1 - 103 мкм
направляется на поверхность под углом
примерно 1 - 2 ° к ее плоскости. Электронная пушка,
формирующая этот пучок, и люминесцентный
экран располагаются достаточно далеко от
образца - на расстояниях, равных нескольким
десяткам сантиметров (рис. 3.4.9). Такое
расположение элементов электронографа в
вакуумной камере позволяет размещать перед
поверхностью образца различные устройства как
для воздействия на поверхность (молекулярно-
лучевые источники и т.п.), так и для ее
исследования другими методами (например ЭОС).
При реализации метода ДБЭ
энергетический анализ не требуется: составляющая
неупруго отраженных электронов практически не
влияет на контраст дифракционных картин.
Растровая туннельная микроскопия
(РТМ) по физической сущности близка к
методам электронной и ионной спектроскопии.
В основе РТМ лежит явление квантовомехани-
ческого туннелирования электронов между
исследуемой поверхностью и подводимым к
ней на расстояние около 2 нм зондирующим
проводящим острием (иглой) малого радиуса
закругления. Высокое разрешение РТМ -
примерно 0,01 нм по нормали к исследуемой
поверхности и около 2 нм вдоль нее -
достигается из-за экспоненциальной зависимости силы
туннельного тока 1Т от расстояния z от острия
до поверхности:
где UT - разность потенциалов между острием
и образцом; В - постоянная; (р - средняя
работа выхода.
Для типичных значений q) Z«B ... 4I0~9
эВм сила тока 1Т изменяется на порядок при
изменении z всего примерно на 0,1 нм.
Рельеф поверхности z — Ах> У) воспроизводится
на экране дисплея по значениям / = fix, у) и
Ф ' « д In /т / dz , которые измеряются при
растровом перемещении острия над
поверхностью. Таким образом в РТМ на изображениях
достигается атомарное и субатомарное
разрешение, т,е. возможно наблюдение не только
атомарно-молекулярного "мотива" строения
поверхности, но и отдельных атомов и
молекул. Поэтому РТМ является принципиально
новым аналитическим методом по сравнению,
например, с просвечивающей или растровой
электронной микроскопией. Важно отметить,
что туннельный ток может протекать как от
острия к поверхности, так и от поверхности к
острию.
Большим преимуществом РТМ по
сравнению, например, с ДМЭ является
возможность работы микроскопа не только в вакууме,
но и в газах и жидкостях, поскольку
туннельный ток мало чувствителен к среде, в которой
он протекает. Это позволяет контролировать
атомарную топографию, например, в
процессах жидкостного химического воздействия на
поверхность, при полимеризации и т.п.
Благодаря свойственной РТМ высокой
локализации положения острия относительно
атомов поверхности возможны
локализованные на отдельных атомах поверхности
воздействия: электрическим полем, джоулевым
нагревом, осаждением одиночных атомов и
групп атомов, формирование регулярных
"возвышенностей" и "впадин" (нанотехноло-
гия), что принципиально позволяет создавать
запоминающие устройства сверхбольшей
емкости (ДО10 бит-мм).
Схема растрового пьезопривода РТМ
приведена на рис. 3.4.10.
Пьезоэлементы - двигатели Д 7-
перемещают острие 1 вдоль поверхности образца 2
посредством подачи на их обкладки
напряжений 1/хи Uyy формирующих растр синхронно
с перемещением электронного луча в трубке
дисплея. Туннельный ток "острие-
поверхность" поддерживается постоянным с
Z
Рис. 3.4.10. Схема растрового пьезопривода РТМ
(противоположные острию концы пьезоэлементов,
а также образец жестко прикреплены
к основанию микроскопа):
1 - острие; 2 - образец; z - зазор

408
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
помощью пьезоэлемента Z, на обкладки
которого подается напряжение Uz. Изменение
этого напряжения, возникающего вследствие
изменений туннельного зазора,
обусловленного атомным рельефом, с помощью
усилителя обратной связи используется для
модуляции яркости электронного луча на дисплее.
Чувствительность пьезоприводов составляет
около 5-10 нм/В. сг
Основной трудностью практической
реализации РТМ, объясняющейся чрезвычайно
малым рабочим зазором между острием и
поверхностью, является защита от механических
и акустических вибраций. Эти вибрации в
основном определяют практически
достижимое предельное разрешение микроскопа.
На рис. 3.4.11 приведена схема одного из
вариантов РТМ. Шаговый пьезопривод
("паучок") предназначен для грубого
(предварительного) приближения поверхности
образца к острию.
Туннельные микроскопы серийно
выпускаются рядом зарубежных фирм (Vacuum
Generators Microscopies Ltd, Англия; Park
Scientific Instr., США и др.).
При* бомбардировке поверхности
твердого тела пучком ускоренных ионов
происходят процессы, приводящие к образованию
эмиссии вторичных частиц различных типов.
Бомбардирующий положительный или
отрицательный ион при соударении с
поверхностью может испытать упругое или неупругое
рассеяние, перезарядиться, адсорбироваться на
поверхности или проникнуть в глубь твердого
тела. Внедрившийся ион в -результате
многократных каскадных столкновений с атомами
мишени теряет энергию, нейтрализуется и
имплантируется в кристаллическую решетку.
Одновременно с этим в результате передачи
энергии первичными ионами атомам решетки
часть атомов распыляется в виде
положительных и отрицательных ионов, а также в виде
нейтральных частиц, т.е. возникает вторичная
эмиссия. В результате распыления твердого
тела (ионного травления) обнажаются новые
атомные слои. Атомный состав этих слоев
определяется с помощью методов РЭС, ЭОС,
СОРИНЭ, и таким образом анализируется
химический состав микрообъемов на толщинах
до нескольких микрометров. Необходимо
знать скорость распыления материала
исследуемого образца, которую, как правило,
приходится измерять независимыми способами.
Режим работы, при котором определяется
химический состав каждого слоя, называют
режимом послойного анализа, для реализации
которого в вакуумной камере предусматривают
ионную пушку.
На рис. 3.4.12 приведены результаты
послойного анализа с помощью ЭОС системы
Au-Mo-Si.
Одной из наиболее информативных для
аналитических целей является вторичная
ионная эмиссия.
Во вторично-ионной масс-спектроско-
пии (ВИМС) собираются, фокусируются и
анализируются по отношению массы к заряду
с помощью масс-спектрометра вторичные
положительные или отрицательные ионы.
Основной целью является определение
концентрации /-го элемента с массой /И/ по
измеренному току его вторичных ионов в зависимости
от времени ионного травления. Поэтому для
практической реализации ВИМС необходима
ионная пушка, формирующая пучок
однократно заряженных ионов заданной
химической природы, максимально очищенный от
многократно заряженных ионов, быстрых
нейтральных частиц и ионов другой химической
природы. Для масс-анализа вторичных частиц
необходим масс-спектрометр с достаточно
высоким разрешением по массовым числам.
Аи
Рис. 3.4.11. Схема одного из вариантов РТМ:
/ - острие; 2 - образец; 3 - демпфер;
4 - винтовая пружина
Рис. 3.4.12. Результаты послойного анализа
содержания Аи, Мо и Si по глубине
для системы Au-Mo-Si:
а - после напыления; б - после прогрева;
t - время распыления

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
409
В качестве первичных бомбардирующих
частиц наиболее часто используют
положительные ионы инертных газов (чаще ионы
аргона) либо ионы кислорода и цезия.
При анализе тонких слоев, исследовании
органических соединений, процессов
адсорбции, сегрегации сила первичного тока
1\ < 10-9 ... ДО1 А. В этом случае скорость
распыления твердого тела составляет примерно
10 - 10 нм/с, что обеспечивает высокую
локальность по глубине около 1 нм. Такой
режим ВИМС называется статическим. К его
недостаткам следует отнести плохой предел
обнаружения загрязнений.
Кроме статического режима используется
динамический режим ВИМС, при котором
плотность первичного ионного тока достигает
примерно 1мА/см2 по всей площади
сканирования. Развертка пучка в растр по поверхности
образца с ограничением площади сбора
вторичных ионов в центральной части области
сканирования необходима для достижения
максимального динамического диапазона
измерения истинного вторичного ионного тока
при исследовании профилей распределения
примесей в микрообъемах. В этом случае из
вторичного тока исключается ток, связанный
со стенками формируемого ионным пучком
кратера в материале образца.
Основной областью применения
динамического режима ВИМС является анализ
распределения легирующих элементов по
глубине при ионной имплантации, диффузии и
других технологических процессах
производства изделий микроэлектроники, поиск
микроколичеств (следов) нежелательных загрязнений
малых объемов. Максимальная скорость
распыления в динамическом режиме достигает
примерно 5-10 мкм/ч.
В общем случае в состав масс-
анализатора вторичных ионов входит ионно-
оптическая система сбора ионов -
вытягивающая линза или ионный объектив,
энергетический фильтр, транспортирующая и
согласующая оптическая система и собственно масс-
анализатор с коллектором.
Назначение вытягивающей линзы -
увеличение при необходимости коэффициента
сбора вторичных ионов. Назначение
энергетического фильтра - ограничение максимального
разброса энергии ионов, допускаемого на
входе масс-анализатора. Для квадрупольного
фильтра масс этот разброс составляет около
1 - 6 эВ.
Одной из наиболее важных
характеристик установок для ВИМС является
возможность анализа распределения химических
элементов по поверхности с разрешением
примерно 1 мкм. В соответствии с этим
спектрометры для ВИМС делят на три класса:
определяющие химический состав
микрообъемов и не осуществляющие анализ
распределения элементов по поверхности;
осуществляющие анализ распределения
элементов по поверхности с помощью
разворачивания первичного пучка в растр
(растровые ионные микрозонды);
осуществляющие анализ распределения
элементов по поверхности путем прямого
переноса изображения (ионные микроскопы).
Спектрометры последних двух классов
часто называют ионными
микроанализаторами, они являются универсальными
установками, позволяющими проводить анализ
распределения примесей как по поверхности, так и
по глубине образца.
В установках ВИМС первичный ионный
пучок разворачивается в растр по поверхности
исследуемого объекта. Диаметр ионного пучка
определяет разрешение масс-спектрометра по
поверхности. Использование техники
сканирования первичного пучка синхронно с
электронным лучом трубки дисплея, яркость
которого модулируется выходным сигналом масс-
анализатора, позволяет получать увеличенное
изображение поверхности образца в ионах
выбранной химической природы.
Наряду с изображением поверхности во
вторичных ионах растровые ионные
микрозонды позволяют получать изображение во
вторичных электронах. Из-за достаточно
большого коэффициента
вторично-электронной эмиссии металлов и полупроводников при
бомбардировке ионами с энергией Е\ — 10 ...
15 кэВ время получения изображения может
быть уменьшено до нескольких секунд.
Конструкция установки растрового
ионного микрозонда в режиме получения
изображения должна обеспечивать
виброустойчивость оптики первичного пучка и всей
установки в целом. Для этого используются
различные вибродемпфирующие устройства, на
которые монтируется вся установка.
В качестве масс-сепараторов первичных
ионных пучков в основном используются
фильтры Вина, в которых разделение ионов
происходит в скрещенных электрическом и
магнитном полях. В этом случае создается
удобная прямопролетная компоновка пушки
первичных ионов, что облегчает ее юстировку
и позволяет при необходимости работать без
масс-сепарации ионов при отключенном
питании фильтра.
Удаление нейтральных частиц из
первичного пучка обеспечивается небольшим
изгибом на 1 - 3 ° оптической оси пушки на
участке низкого давления с последующим
отклонением ионов внутри оптической системы.
В растровых ионных микрозондах наряду
с магнитными масс-анализаторами
используются квадрупольные фильтры масс.

410
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 3.4.13. Ск
A-DID А-300-30 (фирма Atomica, Германия):
1 - ионный источник; 2 - система формирования
ионного пучка; 3 - патрубок системы
дифференциальной откачки; 4 - фильтр Вина;
5 - вакуумный клапан; 6 - выходная диафрагма;
7 - линза-объектив; 8 - энергетический фильтр;
9 - квадрупольный масс-анализатор; 10 - вторичный
электронный умножитель (ВЭУ); 11 - манипулятор
образца; 12, 14 - смотровые окна; 13 - ионный пучок
На рис. 3.4.13 приведена схема
сканирующего ионного микрозонда A-DID А-300-30
(фирма Atomica, Германия).
В ионных микроскопах вторичные ионы,
распыленные с поверхности исследуемого
образца первичным ионным пучком, ускоряются
и фокусируются линзой, формирующей
увеличенное ионное изображение заданного участка
поверхности (рис. 3.4.14). Это изображение
затем подвергается сепарации по энергии и по
массе стигматическим масс-спектрометром с
двойной фокусировкой. Затем выделенное
спектрометром ионное изображение,
состоящее из ионов с определенным отношением
массы к заряду, преобразуется сначала в
электронное изображение, а затем - в оптическое,
которое наблюдается на люминесцентном
экране или регистрируется на фотопленке.
В ионных микроскопах разрешение по
поверхности не зависит от диаметра
первичного ионного пучка: оно определяется
геометрическими и хроматическими аберрациями
оптической системы анализатора вторичных
ионов.
п 13 Ш 15 1Ъ 17 9 18 19
11 - -
Рис. 3.4.14. Схема ионного микрозонда IMS-4F:
1 - источник ионов цезия; 2 - дуоплазматронный
источник ионов; 3 - магнитный масс-сепаратор
первичного ионного пучка; 4 - иммерсионная линза;
5 - исследуемый образец; 6 - камера образцов;
7- передающая оптика; 8 - входная щель масс-
анализатора; 9 - электростатический анализатор;
10 - выходная диафрагма анализатора, определяющая
разрешение по энергии; 11 - линза переноса
изображения; 12 - масс-анализатор;
13 - электромагнит; 14 - выходная щель
масс-анализатора; 75 - проекционные линзы;
16 - система детектирования и получения
изображения; 17, 20 - отклоняющие системы;
18 - микроканальная пластина; 19 - флуоресцентный
экран; 21 - дистанционно-управляемый цилиндр
Фарадея; 22 - ВЭУ; 23 - система регистрации
Использование квадрупольного фильтра
масс в ионных микроскопах невозможно, так
как в них отсутствуют пространственная и
временная корреляция между координатами
входа и выхода ионов.
Основные технические характеристики
одного из лучших в настоящее время ионных
микроскопов Сатеса IMS-4F (Франция)
приведены ниже.
Технические характеристики ионных
микрозондов и микроскопов могут быть
улучшены посредством ионизации нейтрального
компонента потока распыленных частиц
(например, с помощью лазерных пучков),
увеличения коэффициента сбора и
пропускания вторичных ионов, использования
источников первичных частиц с повышенной
яркостью и малым энергетическим разбросом.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И МИКРООБЪЕМОВ ТЕЛА 411
Технические характеристики микроскопа
Cameca IMS-4F
Первичные ионы С>2+, Аг+,
О", Cs+
Ускоряющее напряжение, кВ 5 - 17,5
Диаметр ионного зонда, мкм 3 - 200
Плотность ионного тока на
образце, мА/см2:
диаметр зонда d$ = 50 мкм, С>2+... 50
диаметр зонда do = 50 мкм, О" 5
Максимальная площадь
сканирования, мкм2 500 х 500
Анализируемые массовые числа,
а.е.м 1 - 280
Максимальная разрешающая
способность по массам Ю4
Максимальная энергия вторичных
ионов, кэВ 5
Максимальная исследуемая
площадь, мм2 20 х 20
Разрешение в плоскости, мкм 0,5
Динамический диапазон
измерений Ю9
Предел обнаружения водорода,
имплантированного в кремний,
ат./см3 4101*
Предел обнаружения хрома в ар-
сениде галлия, ат./см3 5-Ю12
Метод рассеяния быстрых ионов
(рассеяние по Резерфорду) основан на упругом
однократном (парном) рассеянии легких
ионов (Н, Не) с энергией 1-3 МэВ на ядрах
атомов твердого тела. Основная зависимость
энергии упруго рассеянного иона от энергии
первичного пучка следует из законов
сохранения энергии и импульса [см. формулу C.4.1)].
Из этой формулы следует, что значение
энергии частицы, рассеянной под углом 0,
содержит информацию о массе атома, с которым
произошло столкновение.
Для получения моноэнергетического
пучка ионов с энергией 1-3 МэВ обычно
используют линейные ускорители с
соответствующими устройствами, позволяющими кол-
лимировать и фокусировать пучок, а также
разделять ионы по удельному заряду.
Для регистрации энергетического
распределения рассеянных атомных частиц
используют как электростатические (реже
магнитные) анализаторы, так и поверхностно-
барьерные детекторы. Разрешение по энергии
последних составляет примерно 100 эВ.
В отличие от СОРИНЭ метод рассеяния
быстрых ионов позволяет определять как
элементный состав микрообъемов, так и толщину
слоя, в котором распределены атомы данной
массы.
На рис. 3.4.15 приведен типичный
энергетический спектр рассеянных ионов гелия.
16
12
*
Ш
nSL
Цв 1,0 1,1 1,4 1,6 1f8f2fMs6
Рис. 3.4.15. Энергетический спектр кремниевой
подложки со слоем PtSi толщиной 0,09 мкм
Метод позволяет определять химическую
природу атомов, их число и распределение по
глубине в слоях толщиной около 1 мкм без
распыления материала образца.
Предел обнаружения по объемной
концентрации - около 1018 ат./см3, разрешение по
глубине - до 5-Ю см.
Метод не является разрушающим в
отличии от ВИМС. Однако при больших
экспозициях под пучком образуются радиационные
повреждения.
3.4.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ
ПОВЕРХНОСТИ И МИКРООБЪЕМОВ ТВЕРДОГО ТЕЛА
3.4.2.1. ОСОБЕННОСТИ
Общей особенностью методов сверхвы-
соковакуумного выращивания кристаллов
(молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-
лучевое осаждение, лазерно-термическое
напыление) является низкая @,1 - 1 нм/с)
скорость роста кристаллов. Она обусловливает
основные требования к давлению остаточных
газов, к качеству поверхности подложек,
применяемых для эпитаксии: отсутствие
поверхностных загрязнений и совершенство
кристаллической структуры приповерхностных
областей. Даже незначительные (около одного
монослоя, т.е. примерно 1015 молекул/см2)
поверхностные загрязнения способны в том
случае, когда они растворяются в выращиваемой
пленке, обеспечить при толщине пленки 1
мкм концентрацию загрязнений 1019 см, что
на два-три порядка выше концентрации
электрически активных примесей, вводимых в
полупроводящие слои большинства изделий
электронной техники.
Вследствие малых скоростей роста не
удается "оторвать" фронт кристаллизации от
диффузионного фронта, затруднительно также
выращивать толстые буферные слои, поэтому
единственная возможность избежать влияния
поверхностных загрязнений - это очистка
поверхности.

412
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Существуют следующие основные
методы препарирования чистых поверхностей
кристаллов:
скол кристаллов по плоскостям
спайности;
бомбардировка ("травление") поверхности
ионами инертных газов;
термическая десорбция загрязнений;
проведение химических реакций,
сопровождающихся образованием более летучего
продукта, чем исходные загрязнения.
Контроль чистоты поверхности обычно
осуществляется методом ЭОС.
После очистки поверхности кристалла
возможно формирование его новой
поверхности, например, посредством нанесения
тонкого слоя материала кристалла с помощью
молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ).
Молекулярно-лучевая эпитаксия - метод
выращивания кристаллов путем реакции паров
компонентов этих кристаллов на поверхности
подложки в вакууме. МЛЭ является
разновидностью вакуумного испарения. Рост пленок
при МЛЭ определяется в основном кинетикой
взаимодействия пучков с поверхностью
кристалла в отличие от роста пленок при жидко-
и газофазной эпитаксиях, условия проведения
которых близки к равновесным.
При МЛЭ скорости поступления на
подложку атомов как основных компонентов
пленки, так и легирующих примесей можно
вычислить, зная давление паров. Легирующие
примеси, имеющие обычно меньшее давление
паров, чем основные компоненты пленки,
обладают единичными коэффициентами
прилипания. Для контроля скорости роста часто
применяют ионный манометр,
непосредственно вводимый в молекулярные потоки
основных компонентов вблизи поверхности
подложки.
Наиболее важная информация о
процессах роста может быть получена путем анализа
поведения картин, получаемых при
дифракции быстрых электронов (ДБЭ). В частности,
по периодическому изменению интенсивности
рефлексов можно определить толщину
нанесенных слоев.
Специфические особенности МЛЭ
следующие:
выращивание структур, содержащих
тонкие (до одного монослоя) пленки с резким
изменением состава на границах - за счет
относительно низкой температуры роста,
препятствующей взаимной диффузии, при
соблюдении условий, обеспечивающих слоевой рост;
получение гладких совершенных границ
раздела при слоевом росте в отсутствие
образования зародышей на ступенях;
прецизионный контроль толщины слоев
вследствие малой скорости роста;
создание структур со сложными
профилями состава по основным компонентам или
электрически активным примесям;
получение монокристаллов высокой
чистоты.
В развитии МЛЭ можно выделить три
основных периода. В первый период A970 -
1976 гг.) проводились исследования главным
образом на системе галлий-алюминий-
мышьяк. Были получены эпитаксиальные слои
арсенида галлия, арсенида галлия-алюминия
толщиной несколько десятых долей нанометра
и многослойные периодические структуры
(сверхрешетки).
Во втором периоде A977 - 1979 гг.)
велись работы, направленные на повышение
чистоты и совершенства выращиваемых слоев
и рассматривалась целесообразность
использования метода МЛЭ с учетом стоимости и
производительности оборудования. За счет
получения вакуума порядка 10"8 Па, введения
шлюзовых методов загрузки и выгрузки
подложек, применения вращения подложек в
процессе эпитаксии, автоматизации
технологического процесса значительно повысилась
эффективность МЛЭ.
В третий период с 1980 г. метод начали
использовать для изготовления
полупроводниковых лазеров и быстродействующих
микросхем с использованием полевых транзисторов
с барьером Шотгки на основе селективно
легированных гетеропереходов с высокой
подвижностью электронов. Появилась
возможность создания новых приборов на основе
использования сверхрешеток.
3.4.2.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ
ЭПИТАКСИИ
Современное сверхвысоковакуумное
(СВВ) оборудование для МЛЭ конструируется
в многокамерном и модульном исполнениях.
Число технологических модулей (камер) в
одной установке 2-4. Наблюдается тенденция
к увеличению числа модулей в связи с ростом
числа технологических операций, проводимых
в течение одного вакуумного цикла и
повышением производительности оборудования.
Каждый модуль предназначен для
выполнения определенных операций - очистки
поверхности подложки, выращивания
структуры, анализа подложки и готовой структуры,
нанесения металлических и диэлектрических
покрытий. Модуль является функционально
законченной единицей оборудования,
содержащей собственную сверхвысоковакуумную
систему, необходимый набор технологических
и аналитических устройств, механизм для
перемещения и юстировки подложек в камере и
систему питания и управления.
Для осуществления операций по
введению подложек в вакуумный объем,
транспортированию и передаче их из одной вакуумной

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И МИКРООБЪЕМОВ ТЕЛА 413
камеры в другую и выгрузке готовых структур
из оборудования применяют вакуумные загру-
зочно-транспортные устройства и системы со
шлюзованием.
Получение сверхвысокого вакуума в
рабочих камерах обеспечивается посредством
применения безмасляных средств откачки
путем комбинации различных насосов
(сорбционных, турбомолекулярных, ионных,
сублимационных и криогенных) с
проведением обезгаживания вакуумных камер при
температуре 200 - 300 °С в течение 20 - 48 ч.
Предельное остаточное давление в рабочих
камерах - не более ДО'8 Па, а в транспортных
устройствах - ДО - ДО Па.
Современное оборудование для МЛЭ
рассчитано на использование подложек
диаметром до 200 мм.
В большинстве типов оборудования
обеспечивается высокий уровень
автоматизации операций выращивания структур; на
отдельных установках автоматизированы
операции загрузки и транспортирования подложек.
Оборудование для МЛЭ по компоновке
и структуре подразделяют на три основных
варианта:
установки с линейным расположением
технологических модулей и последовательным
перемещением подложек на проход через
камеры с помощью передающих манипуляторов;
установки и комплексы с линейным
расположением технологических модулей и загру-
зочно-транспортной системой в виде
вакуумного конвейера;
установки с радиальным расположением
технологических модулей вокруг карусельной
загрузочно-транспортной системы.
К первому варианту относятся установки
многих зарубежных фирм и отечественные,
разработанные в конце 70-х и начале 80-х
годов. В этих установках камеры загрузки и
выгрузки, очистки, анализа и эпитаксиального
роста соединены последовательно между собой
вакуумными каналами с шиберными
затворами для их перекрытия; транспортирование
подложек производится по этим каналам через
вакуумные камеры с помощью передающих
манипуляторов.
Компоновка оборудования с вакуумным
конвейером (второй вариант) реализована в
установках МВЕ-2300 Р, МВЕ-32 фирмы Riber
(Франция), МВЕ-80 и МВЕ-80Н фирмы
Vacuum Generators (Англия), установке фирмы
Anelva (Япония) и в отечественном магист-
рально-модульном комплексе для МЛЭ.
В этом варианте компоновки
технологические камеры и загрузочно-транспортные
механизмы выполнены в виде отдельных
модулей, что дает возможность
доукомплектовывать • установки различными устройствами в
зависимости от числа технологических
операций и требуемой производительности.
Радиальное расположение рабочих
модулей вокруг карусельной загрузочно-
транспортной системы осуществлено в
установке типа МВЕ-360 фирмы Varian (США).
Радиальная компоновка оборудования
для МЛЭ является более компактной, чем
компоновка по первому и второму вариантам,
так как обеспечивает значительное сокращение
и упрощение устройств загрузочно-
транспортной системы, облегчает полную
автоматизацию операций по загрузке и
транспортированию подложек.
Разработан ряд однокамерных и
многокамерных установок и комплексов для МЛЭ:
установки, предназначенные для научных
исследований и отработки технологии молеку-
лярно-лучевой эпитаксии;
магистрально-модульный комплекс;
вакуумный робот для выполнения загру-
зочно-транспортных операций в сверхвысоко-
вакуумном оборудовании.
Для научных исследований и отработки
технологии МЛЭ используются
преимущественно однокамерные установки со шлюзовыми
устройствами для загрузки и выгрузки
подложек. В рабочей камере такой установки
скомпонованы технологические и аналитические
устройства для выполнения операций очистки
подложек, анализа поверхности подложек и
готовых пленок, эпитаксиального
выращивания структур.
На базе отечественной однокамерной
установки для молекулярно-лучевой эпитаксии
02ЭМ-40-001 разработана серийная исследова-
тельско-технологическая установка "Штат"
(УЭПМА-12,5-001), предназначенная для
выращивания структур методом МЛЭ на основе
соединений Аш - Bv, A™ - В^.
Анализ поверхности подложек и
выращенных пленок в установке производится
методом ЭОС с выводом получаемой
информации на экран дисплея. Исследование
структуры поверхности обеспечивается с помощью
дифрактометра быстрых электронов (ДБЭ).
Установка оснащена квадрупольным
фильтром масс (КФМ), предназначенным для
анализа спектра газового состава в объеме
рабочей камеры. Предусмотрено использование
ионной пушки и датчика для анализа
исследуемой поверхности методом ВИМС.
Конструктивно установка представляет
собой вертикально расположенный цилиндр, в
нижней части которого находится рабочая
камера с блоком молекулярных источников
(БМИ), ионной пушкой, энергоанализатором
со встроенной электронной пушкой для Э^С,
кавдрупольным фильтром масс (КФМ),
пушкой (ДБЭ) и прецизионным манипулятором.

414
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Рабочая камера соединена через
шиберный затвор с камерой загрузки. На верхнем
фланце рабочей камеры расположен сверхвы-
соковакуумный блок, состоящий из четырех
магаиторазрядных насосов НМДИ-0,25 и
одного сублимационного насоса. Внутри этого
блока может быть установлена гелиевая крио-
панель. Для предварительной откачки
используются три цеолитовых насоса и магнитораз-
рядный насос НМДИ-0,25. С помощью этих
средств откачки обеспечивается предельное
остаточное давление в рабочей камере не более
3-Ю"8 Па, а в камере загрузки - не более
10 Па.
Блок молекулярных источников
расположен вертикально и содержит восемь
источников для формирования молекулярных
потоков: Ga, As, Al.
Прецизионный манипулятор имеет пять
степеней подвижности, включая азимутальный
поворот, используемый при исследовании
структуры методом ДБЭ. Диаметр подложки
до 40 мм, температура ее нагрева 300 - 850 °С.
Температура нагрева молекулярных
источников 300 - 1250 °С. Точность регулирования
температуры ±0,5 °С.
Передача подложки из камеры загрузки в
рабочую камеру и обратно осуществляется с
помощью магнитного манипулятора. В камере
загрузки имеется устройство для обезгажива-
ния и хранения 1-2 подложек.
Однокамерная исследовательско-техноло-
гическая установка "Цна-9" для молекулярно-
лучевой эпитаксии на подложках диаметром
до 76 мм предназначена для проведения
научных исследований и производства
полупроводниковых структур на основе соединений
Аш - Bv (рис. 3.4.16).
Рис. 3.4.16. Компоновка однокамерной
шсследовательско-технологической установки "Цна-9":
1 - вакуумная камера; 2 - технологический
манипулятор; 3 - КФМ; 4 - шибер; 5 - ЗШУ;
6- передающий манипулятор; 7- насос НВГМ-5-1;
8 - пушка ДБЭ; 9 - ионный манометр; 10 - БМИ;
11 - азотная криопанель
Предварительный вакуум обеспечивается
за счет передвижного агрегата вакуумной
откачки (АВО) турбомолекулярным насосом
ТМН-450. Получение сверхвысокого вакуума
осуществляется с помощью кольцевого
комбинированного насоса НВГМ-5-1 (ионный насос
+ 77 сублиматор) с быстротой откачки 5 м3/с,
при этом достигается предельное остаточное
давление в рабочей камере 10~8 Па, в рабочей
зоне B - 3I0"8 Па.
Загрузка и выгрузка производятся
кассетой (в которой размещается 10 подложек) с
помощью загрузочно-шлюзового устройства
(ЗШУ). Давление в камере загрузки 5-Ю Па
создается магниторазрядным насосом
НМД-0,16. В ЗШУ имеется нагреватель для
предварительного обезгаживания подложек.
Перегрузка подложек на ЗШУ в камеру роста
производится передающим манипулятором
поштучно.
Блок молекулярных источников (БМИ)
расположен в камере роста по оси, которая
наклонена к горизонтали под углом 20 °, что
снижает загрязнение молекулярных
источников (МИ) продуктами испарения. В БМИ
устанавливается восемь МИ в два ряда по
четыре штуки. Нагрев МИ резистивный,
температура 200 - 1400°С.
Управление температурой МИ и
подложки, а также работой заслонок
автоматизировано. Плотность молекулярных потоков
измеряется ионным манометром.
Прецизионный манипулятор для
перемещения и нагрева подложки обеспечивает
угловую скорость ее азимутального вращения
5-60 мин.
Установка оснащена дифрактометром
быстрых электронов, квадрупольным
фильтром масс, ионным манометром (ИМ).
3.4.2.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ
Отечественный магистрально-модульный
комплекс для МЛЭ (УЭ.ПМ-12,5-002)
является базовым для создания различных
модификаций систем МЛЭ в зависимости от
технологического процесса и требуемой
производительности.
Компоновка магистрально-модульного
комплекса приведена на рис. 3.4.17.
Рис. 3.4.17. Компоновка магистрально-модульного
комплекса для МЛЭ:
1 - загрузочно-транспортная система; 2 - кассеты для
загрузки и выгрузки; 3 - модуль очистки;
4 - модули роста; 5 - модуль металлизации;
6 - передающий манипулятор

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И МИКРООБЪЕМОВ ТЕЛА 415
Комплекс состоит из технологических
вакуумных модулей, загрузочно-транспортной
системы, агрегатов вакуумной откачки и
системы управления на основе микропроцессора.
Основные технические характеристики
комплекса УЭ.ПМ-12,5-002
Остаточное давление, Па:
в технологических камерах не более ДО"8
в вакуумном канале
конвейера не более ДО
Температура нагрева, °С:
подложки 200 - 850
молекулярных источников 200 - 1250
Число одновременно
загружаемых подложек 10
Диаметр подложки, мм 76
Технологические сверхвыеоковакуумные
модули выполнены по единой схеме и
различаются компоновкой вакуумных камер и
составом устройств, входящих в них.
На рис. 3.4.18 представлена компоновка
модуля роста. Предусмотрена возможность
использования ионизационного манометра и
лазерного атомного флуоресцентного
спектрометра (ЛАФС) для контроля плотности
молекулярных потоков.
Вакуумная камера выполнена в виде
цилиндра диаметром 400 мм. На верхнем фланце
камеры установлен насос НВГМ-5. Нижний
фланец камеры предназначен для
присоединения блока с электронно-лучевым испарителем
(ЭЛИ). Внутри камеры расположена азотная
криопанель.
Фланец для БМИ расположен на
цилиндрической поверхности камеры под утлом 27 °
к горизонтали.
Прецизионный манипулятор имеет пять
степеней подвижности: перемещение по осям
X? Y - 10 мм, по оси Z - 20 мм, поворот
вокруг оси Z на 330 °, азимутальное вращение
подложки с угловой скоростью 5-60 мин.
На прецизионном манипуляторе
установлен держатель подложки с устройством ее
нагрева. БМИ имеет шесть молекулярных
источников, окруженных криопанелью,
охлаждаемой водой и жидким азотом. Каждый
молекулярный источник перекрывается
заслонкой, приводимой в движение шаговыми
двигателями. Для перекрытия всех потоков
одновременно предусмотрена общая заслонка с
ручным управлением.
Объем молекулярного источника 40 см3.
В качестве КФМ используется серийно
выпускаемый прибор 09ИОС-200-008,
рассчитанный на измерение масс 2 - 200 а.е.м.
Для ДБЭ применяется пушка с
диаметром электронного пучка 0,7 мм, сила тока не
менее ДО"9 А при ускоряющем напряжении
40 кВ.
Система подачи жидкого азота
представляет собой трубопровод с распределителями, в
которой централизованно подается жидкий
азот от станции.
Обезгаживание вакуумного объема и
внутрикамерных устройств при получении
сверхвысокого вакуума производится с
помощью нагревателей, закрепляемых на внешней
поверхности камеры.
Управление работой вакуумной системы,
БМИ, нагревом подложек и аналитическими
приборами осуществляется электронной
аппаратурой, размещенной в отдельных стойках.
Рис. 3.4.18. Компоновка модуля роста комплекса для МЛЭ:
1 - вакуумная камера; 2 - пушка ДБЭ; 3 - КФМ; 4 - передающий манипулятор; 5 - вакуумный конвейер;
6 - шиберный затвор; 7 - вакуумный магниторазрядный насос; 8 - сублимационный насос; 9 - клапан;
10 - криопанель; 11 - экран; 12 - прецизионный манипулятор; 13 - БМИ

416
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Модуль очистки подложек отличается от
модуля роста конструкцией камеры и набором
аналитических устройств. В его состав входят:
вакуумная камера диаметром 300 мм, насос
НВГМ-2, прецизионный манипулятор, КФМ,
ЭОС и ионная пушка. В качестве оже-
спектрометра используется серийно
выпускаемый прибор 09ИОС-3.
Модуль очистки предназначен для
термической обработки поверхности подложки и
анализа ее элементного состава методом ЭОС.
Модуль металлизации отличается от
модуля роста лишь наличием молекулярных
источников с электронно-лучевым нагревом,
расположенных на нижнем фланце камеры.
Загрузочно-транспортная система состоит
из вакуумного конвейера, устройств для
загрузки и выгрузки подложек, передающих
манипуляторов, агрегата вакуумного откачного
(АВО) и системы питания и управления.
Вакуумный конвейер (см. рис. 3.4.17)
выполнен из отдельных цилиндрических
секций (одна секция на модуль). Каждая секция
снабжена насосом НМДИ-0,25 и приводом
для перемещения каретки. В секции
предусмотрены датчики контроля положения
каретки и датчики контроля вакуума, а также окна
для наблюдения. Внутри секций расположены
направляющие для каретки, которая может
передвигаться по всей длине конвейера. На
каретке имеются две позиции,
обеспечивающие загрузку и выгрузку подложек при одном
подходе каретки к модулю. В начале и конце
конвейера установлено по одной кассете с 10
подложками каждая. Кассеты соединяются с
вакуумным конвейером через шиберный
затвор. На каждой из секций расположены
передающие манипуляторы для перемещения
подложек в конвейер и обратно.
Предварительная откачка всего конвейера, а также
откачка кассет при их установке на конвейер
производятся с помощью АВО.
Магистрально-модульный комплекс для
МЛЭ обеспечивает параллельное выполнение
технологических операций в отдельных
модулях и может доукомплектовываться, например,
модулем металлизации, модулем
диэлектрических покрытий, вторым модулем роста и т.д.
Модификация комплекса для МЛЭ с двумя
модулями роста представлена на рис. 3.4.17.
Для организации массового производства
изделий электронной техники при
использовании сверхвысоковакуумной технологии
целесообразно создание поточных линий на
основе роботизированных сверхвысоковакуум-
ных установок (агрегатов или "кластеров") с
передачей изделий между ними в вакуумиро-
ванных кассетах-накопителях (рис. 3.4.19).
Такая структура сверхвысоковакуумного
оборудования позволяет варьировать
технологический процесс в широких пределах,
обеспечивая высокий коэффициент
использования всех технологических модулей за счет
возможности дублирования их работы.
Более высокий уровень автоматизации
может быть обеспечен в роботизированных
комплексах (рис. 3.4.20), в которых
загрузочно-транспортная система выполнена из
последовательно расположенных вакуумных
роботов, соединенных между собой герметичными
каналами, в каждом из которых в зоне
действия соседних вакуумных роботов расположена
позиция передачи подложек.
Такое решение позволяет сочетать
поштучный и кассетный способы передачи
подложек в вакууме по всему комплексу без
выноса их "на атмосферу".
При поштучном методе передачи
подложки транспортируются из одного агрегата в
другой с помощью вакуумных роботов, минуя
кассеты-накопители.
Вакуумный канал, соединяющий роботы,
может герметично перекрываться с каждой
стороны позиции передачи, что позволяет
выключать любой агрегат без остановки всего
комплекса.
Рис. 3.4.19. Схема роботизированной линии для МЛЭ:
1 - модули очистки; 2 - модули роста; 3 - модули металлизации; 4 - модули диэлектрических покрытий;
5 - модуль аналитический; 6 - вакуумные роботы; 7- транспортные кассеты-накопители;
8 -система управления

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И МИКРООБЪЕМОВ ТЕЛА 417
Рис. 3.4.20. Схема роботизированного комплекса для МЛЭ:
1 - модули очистки; 2 - модули роста; 3 - модули металлизации; 4 - модули диэлектрических покрытия;
5 - модули аналитические; 6 - вакуумные роботы; 7 - 31ПУ для загрузки; 8 - ЗШУ для выгрузки;
9 - вакуумные каналы; 10 - позиция передачи; 11 - шиберные затворы; 12 - роботизированная тележка;
13 -система управления
В процессе работы комплекса
поштучный метод передачи подложек обеспечивает
минимальное время транспортирования их из
одной камеры в другую по всему
технологическому маршруту, что в значительной мере
сокращает длительность полного цикла
изготовления структуры.
3.4.2.4 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОСАВДВНИЯ СЛОЕВ
Основные схемы йонно-лучевой
технологии (ИЛТ) представлены на рис. 3.4.21.
Типы ионных пучков - ионизированные потоки
собственно материала пленки» инертные и
активные газы. Используются
моноэнергетические и масс-сепарированные потоки, а
диапазон энергии - от единиц электронвольт до
2 - 3 кэВ, в редких случаях - десятки
килоэлектронвольт. В связи с высокой степенью
контролируемости ИЛТ применяют
разветвленные средства автоматизации. В обычном
термическом осаждении испаренные атомы
имеют анергию 0,01 - 1 эВ. Распыленные
ионным пучком атомы мишени имеют
энергию 1-20 эВ с максимальным числом атомов в
диапазоне 5 - 10 эВ. Таким образом»
конденсирующиеся атомы приносят энергию,
значительно превышающую тепловую, что и
определяет специфику гетерогенных процессов.
При осаждении с использованием
плазмы ВЧ-разреда (рис. 3.4.21, а) на подложку
подается постоянное напряжение смещения,
так что ионы из плазмы бомбардируют
подложку в течение всего процесса роста. При
магнетронном распылении (рис. 3.4.21, б)
аномальный тлеющий разряд происходит в
скрещенных электрическом и магнитном
полях. Электроны, эмитгируемые из мишени под
действием ионной бомбардировки,
захватываются магнитным полем и совершают сложное
циклоидальное движение по замкнутым
траекториям вблизи поверхности мишени. В
результате многократных столкновений
электронов с атомами рабочего газа (обычно аргона)
резко увеличивается степень ионизации
плазмы и возрастает плотность ионного тока, что
приводит к существенному увеличению
скорости распыления материала.
Основные достоинства магнетронного
распыления - универсальность процесса,
высокая скорость осаждения, сохранение
соотношения основных компонентов при
распылении веществ сложного состава, высокая
чистота пленок, высокая адгезия.
К недостаткам относятся сравнительно
невысокий коэффициент использования
материала мишени, высокая неравномерность
осаждаемой пленки по толщине, появление
сильноточных дуг на поверхности мишени,
наличие потока высокоэнергетичных электронов,
высокое рабочее давление в камере.
Электронно-лучевые методы испарения
(рис. 3.4.21, в> д) не универсальны и трудно
совместимы с процессами получения оксидов,
фторидов, нитридов.
Наиболее универсальными методами
ионно-лучевого осаждения являются методы,
основанные на ионно-лучевом распылении
мишени (рис. 3.4.21, г, ё). В этих методах
используются автономные источники ионов, что
позволяет создать в технологическом
пространстве установки сравнительно высокий
вакуум и не подвергать подложку воздействию
плазмы разряда. Энергия ионов, плотность
тока и угол падения так же, как общее
давление в камере и состав газа в источнике, могут
изменяться в течение технологического
процесса в широком диапазоне в зависимости от
свойств испаряемого материала, состава
остаточной газовой среды, температуры.
14 За к. 7(>9

418
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
U--4-'
СО
Рис. 3.4.21. Основные схемы ионно-лучевой технологии:
а - высокочастотное распыление; б - магнетронное распыление; в - термоионное осаждение;
г - ионно-лучевое осаждение распылением; д - ионно-стимулированное осаждение испарением;
е - двухлучевое ионное осаждение; ж - прямое ионно-лучевое осаждение; з - ионно-кластерное осаждение;
и - ионно-лучевое осаждение из масс-сепарированного пучка; 1 - плазма; 2 - ВЧ-генератор; 3 - мишень;
4 - электронный пучок; 5 - подложка; 6 - источник смещения; 7- электронная пушка; 8 - ионный источник;
9 - ионный пучок; 10 - ионно-молекулярный поток; 11 - источник кластеров; 12 - масс-сепаратор;
13 - система торможения ионов
В процессе реактивного распыления
соединения синтезируются или на мишени, или
на подложке, или в пространстве между ними.
При ионно-лучевом распылении возможность
синтеза соединений в пространстве мишень-
подложка можно полностью исключить, так
как средняя длина свободного пробега частиц
больше внутренних размеров вакуумной
камеры.
Прямое осаждение пленок из ионных
или частично ионизированных пучков
(рис. 3.4.21, з, и) является весьма
перспективным методом, так как появляется возможность
управлять пучком с помощью
электромагнитных полей. Но при этом не обеспечивается
универсальность соединений ввиду того, что
получение многокомпонентных ионных
потоков с сохранением необходимого соотношения
элементов - исключительно трудная
техническая задача, которая может решаться только в
технически и экономически обоснованных
случаях.
Для создания перспективных устройств
микроэлектроники на основе соединений
AmBv разработана установка двухлучевого
ионного осаждения распылением ЦНА-6.
Установка может работать как автономно, так и в
комплексе МЛЭ.
Конструктивно установка (рис. 3.4.22)
представляет собой вертикально
расположенный цилиндр, в нижней части которого
находится рабочая камера с двумя ионными
источниками, манипулятором для держателя
подложки, манипулятором держателя четырех
вращающихся мишеней, КФМ. В камере
достигается остаточное давление не более
3-Ю"8 Па, а при работе ионных источников
Ю-2 - Ю-3 Па.
Ионные источники на основе
несамостоятельного разряда с полым катодом по
конструкции идентичны, их располагают так,
чтобы ионные потоки были направлены на
подложку и на противоположную по отношению
к подложке мишень. Мишени могут меняться
непосредственно в процессе работы. Смена
подложек синхронизирована с движением
специальной заслонки.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И МИКРООБЪЕМОВ ТЕЛА 419
Рис. 3.4.22. Схема установки двухлучевого i
осаждения:
I - квадрупольный масс-спектрометр; 2 - источник
ионов для очистки и модификации поверхности
подложки; 3 - поток ионов; 4 - загрузка подложки;
5 - распыляемое вещество; б - откачка; 7- вакуумная
камера роста; 8 - подложка; 9 - источник ионов для
распыления мишени; 10 - поток ионов;
II - мишень D шт.); 12 - ввод вращения мишени;
13 - откачка
Один ионный источник, направленный
на мишень, генерирует ионный ток аргона
силой примерно 5 мА при энергии около
3 кэВ. Такой режим работы обеспечивает
скорость роста пленки около ОД нм/с. Угол
наклона источника выбирают таким образом,
чтобы первичные и упруго отраженные ионы
не бомбардировали подложку при любых
режимах работы. Этот источник формирует
поток осаждаемого материала на подложку.
Второй ионный источник с параметрами,
аналогичными параметрам предыдущего,
обеспечивает очистку поверхности подложки,
травление, стимулирование гетерогенных реакций
синтеза.
Установка позволяет реализовать три
различных метода реактивного ионно-лучевого
распыления:
распыление материала мишени
инертными или реактивными ионами различных
газов (кроме кислорода);
распыление твердого компонента
бинарного соединения ионами летучего компонента;
распыление твердого компонента
бинарного соединения лучом инертных ионов и
бомбардировку растущей пленки реактивными
ионами второго компонента.
На установке выращивают многослойные
пленочные структуры на различных
подложках, в частности капсулирующие покрытия
типа A1N, а также пленки силицидов
вольфрама, нитридов переходных металлов.
Осаждение многокомпонентных пленок
может осуществляться путем как распыления
сложных мишеней, так и смены мишеней.
Рис 3.4.23. Схема установки лазерного напыления:
/ - лазер; 2 - излучение; 3 - зеркало;
4 - оптическая система; 5 - подложка; 6 - мишень;
7- механизм сканирования мишени;
8 - вакуумная камера
Лазерное напыление для создания
тонкопленочных структур начали разрабатывать в
связи с появлением лазеров, обеспечивающих
плотность мощности, достаточную для
испарения вещества. Основными параметрами,
влияющими на процессы образования пленок,
являются интенсивность и распределение
частиц в потоке, а также энергетический и ориен-
тационный спектры частиц, поступающих на
поверхность подложки. Для напыления
используются лазеры непрерывного и
импульсного действия с широким диапазоном длины
волн, длительности импульсов, частоты
следования и средней мощности излучения.
Простейшая схема установки лазерного напыления
представлена на рис. 3.4.23.
Установка включает в себя вакуумную
камеру 8 с окном ввода лазерного излучения,
оптическую систему 4> держатель мишени 6 на
специальном манипуляторе, обеспечивающие
различные виды движения мишени под лучом,
прогреваемый держатель подложки 5,
устройство защиты окна от осаждения распыляемого
материала, системы контроля за режимами
напыления и мощностью излучения.
Существуют два основных режима
лазерного напыления - с образованием лазерной
плазмы в области эрозионного кратера и без
образования плазмы. Режим с образованием
плазмы характерен для импульсных лазеров с
длительностью импульса около 10 - 10~8 с,
второй режим - для лазеров непрерывного
действия или импульсных, работающих в
режиме свободной генерации с длительностью
импульса около ДО с.
Лазерно-термическое напыление (ЛТН) в
вакууме применяется для выращивания
тонкопленочных структур на основе сложных
кислород- или фторсодержащих диэлектриков.
Так как мишени выполняются из материала
14=»

420
Глава 3.4. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
выращиваемой пленки и являются
прозрачными для излучения с длиной волны,
меньшей единиц микрометра, то для испарения
таких материалов наиболее подходящими
являются лазеры с длиной волны излучения
10,6 мкм. К пленкам в микроэлектронике,
кроме многих других требований,
предъявляются весьма жесткие требования по
морфологии поверхности. Неравномерность толщины
пленки по диаметру подложки обычно должна
быть не более ±B - 3)%. Обеспечить эти
требования импульсным лазерно-плазменным
методом не всегда возможно.
В лазерно-термическом осаждении
удельная мощность лазерного излучения на
мишени составляет 104 - 10s Вт/см2, прогрев
мишени в области испарения является
достаточно однородным и не сопровождается
выбросом капель. Кроме получения достаточно
однородного по составу потока частиц при
лазерно-термическом осаждении за счет того, что в
потоке испаряемого вещества отсутствуют
заряженные частицы и имеется большой процент не
диссоциированных молевдл, можно изменять
траекторию молекул и комплексов путем
воздействия на их дипольный момент неоднородным
электрическим полем. Для этою пятно
испарения, размеры которого составляют около ОД -
0,5 мм, помещают в область воздействия
неоднородного электрического паля.
Влияние электрического поля
проявляется в повышении равномерности толщины
пленки.
Конструктивно установка (рис. 3,4.24)
состоит из цилиндрической камеры,
расположенной вертикально. Остаточное давление в
камере составляет примерно 10*8 Па.
Подложка находится на держателе и может
нагреваться до температуры около 850 °С, Вращение и
трехкоординатное перемещение подложки
осуществляются манипулятором с алеюроме-
ханическими приводами. Держатель мишени,
расположенный на противоположной по
отношению к подложке стороне, перемещает
мишень под лучом лазера по координатам X,
Кна расстояние около 50 мм для достижения
равномерного испарения материала по всей
поверхности мишени и исключения влияния
формы кратера на распределение испаряемого
вещества. Непрерывное лазерное излучение
мощностью до 100 Вт и длиной волны
10,6 мкм генерируется лазером ИЛГН*709 и
вводится с помощью оптической системы в
вакуумную камеру через германиевое окно,
Фокусирующая линза размещена в вакуумной
камере и защищена от попадания
распыляемого материала мишени экранами. Излучение
проходит до мишени через систему
полированных металлических прогреваемых зеркал.
Рис, 3.4.24. Схема установки лазерно-термического
/ • ДБЭ; 2 - загрузка; 3 - датчик масс-спектрометра;
4 - манипулятор подложки F0 мюг1); 5 - экран ДБЭ;
6 - манипулятор мишени; 7- СОг-лаэер G0 Вт);
8 - шибер; 9 - высоковакуумный насос
Контроль состава остаточной атмосферы
камеры производится КФМ, кристаллическая
структура растущей пленки контролируется
встроенным ДБЭ. Электроды поляризатора
расположены между подложкой и мишенью и
электрически изолированы от последних.
Загрузка подложки происходит через за-
грузочно-шлюзовое устройство» аналогичное
такому устройству для МЛЭ.
Для лазерного стимулирования
процессов роста пленки, очистюн поверхности под-
лржки используют излучение дополнительного
лазера, которое направлено на подложку.
Сверхвысоковакуумный комплекс МЛЭ-
200 (рис. 3,4.25) предназначен для получения
многослойных структур, включающих
полупроводниковые, диэлектрические и
металлические слои. Комплекс представляет
совокупность модулей, выполняющих отдельные
технологические операции, объединенных сверх-
высоковакуумной транспортной магистралью.
Отдельные технологические модули
унифицированы, состав комплекса может быть
разным в зависимости от технологических
задач. В состав комплекса входят загрузочно-
транспортная система, модуль подготовки
подложек, модуль молекулярно-лучевой эпи-
таксии, модуль электронно-лучевого
испарения, модуль ионно-лучевого осаждения.
Транспортная магистраль (вакуумный робот)
выделена в отдельный модуль, что позволяет
проводить параллельно операции в различных
модулях и в значительной степени
предотвращает загрязнение модулей продуктами разно-
родных технологических операций при
передаче подложек.
Комплекс позволяет обрабатывать одну
пластину диаметром 200 или 150 мм, две
пластины диаметром 100 мм, пять пластин
диаметром 76 мм и 19 пластин диаметром 40 мм.

ФУНКЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
421
а
Рис. 3.4.25. Комплекс МЛЭ-200:
1 - вакуумная камера; 2 « технологический манипулятор; 3 - молекулярный источник; 4 - насос НВГМ-5;
5 - криопанель; 6 - шибер; 7- вакуумный робот; 8 - передающий манипулятор; 9 - оже-анализатор;
70-КФМ; Л ~ насос НВК-3
Основные средства откачки -
комбинированный кольцевой насос НВГМ-5 и
криогенный насос типа НВК-3. Комплекс оснащен
аналитическими средствами: КФМ, ДБЭ, оже-
анализатором, ИМ.
Основные технические характеристики
комплекса: производительность до 2000
см2/сут, давление в зоне роста Ш"8 Па,
неравномерность толщины пленки ±1,5 %,
концентрация поверхностных дефектов 30 - 50 см*3.
Комплекс обеспечивает дозагрузку
молекулярных источников в процессе роста пленок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бехштендт Ф., Эндерлайн Р,
Поверхности и границы раздела полупроводников /
Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 484 с.
2. Комплекс для высоковакуумной
лучевой технологии / В. И. Кратенко, В. М.
Лялин, И. Е. Махов и др. // Электронная
промышленность, 1990, вып. 10. С. 58 - 61,
3. Коненков Н. В., Кратенко В. И.
Аппаратура тандемной квадрупольной масс-
спектрометрии // Обзоры по электронной
технике, 1991, сер. 7, выл, 4 A603), 32 с.
4. Кратенко В. И. Перспективы развития
физико-аналитического оборудования //
Электронная промышленность, 1989, вып. 7.
С. 40 - 46.
Раздел 4
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ
ОБОРУДОВАНИЕМ
Глава 4.1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
4.1,1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАТЕРИАЛЬНЫХ,
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ
ПРИ ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ, ФУНКЦИИ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Современное технологическое
оборудование электронной техники (ЭТ)
характеризуется большим разнообразием технологических
процессов и сложным
структурно-компоновочным построением. В процессе создания
оборудования ЭТ принимают участие, как
правило, разработчики трех специальностей:
инженеры-механики, инженеры-электрики
(электронщики) и инженеры-программисты.
Это связано с тем, что в состав
технологической машины ЭТ входят механические,
электронные и программные компоненты.
Под механическими компонентами
понимают двигательные, передаточные и
исполнительные механизмы рабочих и
вспомогательных ходов. В действительности такие ме
ханизмы могут и не совершать механических

422
Глава 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
движений, например, магнетроны напыли-
тельных установок, нагревательные устройства,
магниторазрядные насосы, однако обычно эти
компоненты причисляют к механическим.
Исходя из заданной технологии в
большинстве случаев первоначально создаются
механические компоненты машины, затем
система управления и, наконец, ее
программное обеспечение. Таким образом сложилась
цепочка: технология - механические
компоненты - аппаратная часть системы управления
- программное обеспечение. Обратные связи в
этой последовательности, как правило,
реализуются слабо. Если разработчик аппаратной
части системы управления может повлиять на
концепцию построения механических
компонент машины, конструкцию отдельных
механизмов, то влияние программиста практически
отсутствует. Для успешной реализации такой
цепочки обычно закладывают избыточность в
механизмы, а затем и в аппаратную часть
системы управления. Программы же, созданные
для практически готовой машины, не бывают
оптимальными, теряют в надежности и
быстродействии, поэтому требуется избыточность
аппаратной части.
Одновременное согласованное
проектирование механических, электронных и
программных компонентов, исходя из заложенных
в оборудование процессов, устраняет их
избыточность, не реализованную в параметрах
машины, а также позволяет сократить сроки
разработки. Появляется возможность
обоснованно выбрать и распределить функции
компонентов машины, ввести помимо ее
основной функции - реализации заданной
технологии - ряд дополнительных, обеспечивающих
ее безотказность, ремонтопригодность,
надлежащую гибкость. Кроме того, исходя из
процессов, намеченных для реализации
выбранных целей, можно разделить машину на
функционально законченные автономные элементы
с единым механическим, энергетическим и
информационным интерфейсом, что дает
возможность отлаживать и проверять их
отдельно, т.е. ускорять разработку.
Различные компоненты технологического
оборудования ведут обработку и
преобразование материальных, энергетических и
информационных потоков. В состав машины входят
также система исполнительных механизмов,
система энергообеспечения и система
управления (рис. 4.1.1).
Материальный поток - это
обрабатываемые полуфабрикаты, технологические газы,
охлаждающие среды и т.п. Преобразование
материальных потоков, определяющих
назначение технологической машины, осуществляют
его исполнительные механизмы,
подразделяемые на механизмы рабочих ходов,
непосредственно изменяющие физико-химические и
геометрические параметры полуфабрикатов, и
исполнительные механизмы вспомогательных
ходов, создающие необходимые условия для
работы исполнительных механизмов рабочих
ходов.
Преобразование энергетических потоков
необходимо для обеспечения исполнительных
механизмов требуемым видом энергии с
заданными параметрами (напряжение, сила
тока, давление, расход, температура и т.п.). Для
преобразования и обработки энергетических
потоков служит система энергообеспечения
машины.
Система автоматического управления
(САУ) обрабатывает информационные потоки,
обеспечивая предписанное согласованное
взаимодействие всех компонентов
технологической машины.
Система исполнительных механизмов
рабочих и вспомогательных ходов, система
энергообеспечения и система управления активно
связаны между собой перечисленными выше
потоками, а для согласованной работы имеют
одинаковый информационный,
энергетический и механический интерфейсы,
определяющие протоколы требуемых
взаимодействий.
Так же, как и машину в целом, любой
развитый исполнительный механизм можно
разделить на три группы элементов в
зависимости от того, для обработки какого вида
потока (материального, энергетического или
информационного) этот элемент используется
по своему функциональному назначению
(рис. 4.1.1).
Таким образом, система автоматического
управления технологической машины
оказывается разделенной на ряд иерархических
уровней и обрабатывает информационные потоки
как между отдельными исполнительными
механизмами, так и внутри них.
Для построения САУ широкого класса
оборудования достаточно иметь три типа
микроконтроллеров (МК) в соответствии с тремя
уровнями иерархии:
верхнего уровня - центральные МК или
управляющие вычислительные машины
(УВМ). Это контроллеры для управления
отдельными машинами, производственными
участками^ цехами, имеющие развитые
сервисные возможности (вычислительные,
графические, накопления информации, встраивания
в локальные вычислительные сети и др.).
Конструктивно такой контроллер выполняется на
платформе какого-либо персонального
компьютера и содержит блок обработки
информации и блок связи с объектом, ведущий
информационный обмен с отдельными
элементами машины;

ФУНКЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
423
...К
Системо
ЭНЕРГО-
ИсПОЛНИТЕЛЬНЫЕ
мехонизмы
ОБЕСПЕМЕНИЯ
СистЕма
УПРОВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ МАШИНА
Рис. 4.1.1. Структурная схема технологической машины:
М, Э, И - потоки соответственно материальный, энергетический и информационный
среднего уровня - узловые МК. Это МК
для управления как машинами, так и
отдельными сложными механизмами, когда
разместить на одной плате устройство, совмещающее
функции управления и энергообеспечения, не
удается. Конструктивно такой контроллер
выполняется как многоплатный и содержит плату
обработки информации (собственно
микроконтроллер) и платы связи с объектом,
согласующие информационные потоки между
контроллером и объектом управления в удобный
для обмена и управления вид. От центрального
такой контроллер отличается меньшими
вычислительными и сервисными возможностями
(отсутствие дисплея и клавиатуры, меньшие
объем памяти и быстродействие и, как
следствие, - меньшая стоимость);
низшего уровня - локальные МК. Это
контроллеры, встраиваемые и располагаемые в
непосредственной близости от управляемого
устройства; как правило, - это одноплатная
конструкция, совмещающая функции
преобразования энергии и информации.
В реальном оборудовании наличие МК
всех трех уровней не обязательно, и одни могут
успешно заменять другие. Узловые и
центральные (блочные) МК достаточно
универсальны и могут управлять широким классом
технологического оборудования, поэтому
выпускаются серийно; локальные контроллеры,
как правило, узко специализированны.
Блочные промышленные контроллеры,
построенные на базе микропроцессорных
комплектов 1801, 1802, 1810, 580 (УТК-5;
УТК-6; УТК-7; "Орион-3"; "Орион-4" и
"Орион-5"; Ремиконт, Ломиконт и им
подобные), морально устарели. Центральные
контроллеры целесообразно строить на платформе
персональных компьютеров семейства IBM PC
и Pentium. Их преимущество - развитое
программное обеспечение, высокая надежность,
развитый интерфейс, многообразие семейства

424
Глава 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
компьютеров, совместимых как по
горизонтали, так и по вертикали. Имеется множество
примеров успешного использования IBM PC в
качестве УВМ в оборудовании. Использование
таких компьютеров также в качестве
инструментальных значительно упрощает процессы
разработки и отладки как программного
обеспечения, так и всей САУ.
Из отечественных в качестве узловых МК
могут использоваться и блочные контроллеры,
указанные выше, особенно их малые
модификации, однако эти контроллеры не
приспособлены для поддержки внешней параллельной
шины (например магистрали STD), удобной
для подключения плат связи с объектом. Из
зарубежных в качестве узловых могут
эффективно применяться свободно
программируемые блочные контроллеры фирм Siemens,
Festo и др.
Большие возможности дня
проектирования САУ на уровне локальных МК появились
в связи с разработкой однокристальных мик-
роЗВМ или микроконтроллеров семейства
MCS-48, MCS-51 или MCS-96 фирмы Intel, a
также семейств МС68НС11 и др. фирмы
Motorola. Микроконтроллеры 8748 и 8751
(К1816ВЕ48 и К1816ВЕ51) имеют в одном
кристалле, кроме законченной архитектуры
микроЭВМ, внутреннее репрограммируемое
постоянное запоминающее устройство (РПЗУ).
Они дешевы и надежны, обладают хорошим
быстродействием (до 1 млн. операций/с) и
развитой системой команд (96 или 111
команд, булевый процессор). Многие из них, в
частности микроконтроллеры семейства
МС68НС11, кроме того имеют на кристалле
восьмиканалъный аналого-цифровой
преобразователь.
Все функции САУ можно разделить на
основные целевые, сервисные и функции
коррекции цели.
Основные целевые функции. Целевой
функцией САУ называют автоматическое
управление 'технологическим процессом в
соответствии с директивной технологией. Эта
технология может быть задана и описана в
системе на разных уровнях: от жесткого
описания поведения объекта в пространстве
состояний его параметров до указания цели
функционирования, когда система сама
выбирает оптимальную траекторию за счет
заложенных в нее правил (алгоритма) или даже
оптимизирует зги правила за счет накопления
опыта и его анализа. Для реализации этой
функции система должна принимать от
объекта информацию для расчета управляющих
воздействий, рассчитывать и вьщавать ему
управляющие сигналы. Информация,
снимаемая с датчиков, характеризующих состояние
объекта и ход технологического процесса,
может быть представлена в дискретном (чаще
всего двоичном) и аналоговом видах,
аналогично и представление управляющей
информации. В соответствии с этим для связи с
объектом управления необходимо иметь четыре
вида сигналов: дискретное управление,
дискретный контроль, аналоговое управление и
аналоговый контроль. Кроме того, для обмена
сигналами , между микроконтроллерами как
внутри объекта, так и для внешнего обмена с
цеховыми системами управления и иными
информационными системами необходим
обмен по последовательным каналам связи.
Сервисные функции ориентированы на
оптимизацию выполнения целевых функций
за счет поддержания безотказности,
ремонтопригодности и долговечности машины.
Микропроцессорные САУ имеют очень широкие
возможности по реализации сервисных
функций и именно это определяет эффективность
их применения. Известны следующие
сервисные функции: автоматическое резервирование;
предотвращение катастрофических
последствий отказов и повышение
ремонтопригодности; диагностика и предсказание отказов,
отслеживание остаточного ресурса механизмов;
защита от программных и аппаратных сбоев
САУ и др.
Сервисные функции бывают особенно
эффективны в оборудовании с длительным
технологическим циклом, когда отказы, кроме
затрат времени на их устранение и выход
оборудования на режим, вызывают и потери
времени цикла, часто очень большие. Например,
в сверхвысоковакуумном откачном
оборудовании автоматически переходят на
альтернативные источники информации о давлении в
системе (по току разряда магаиторазрядного
насоса) при отказе основного и резервного
вакуумметров. Для защиты от аппаратных
сбоев по питанию, если напряжение на линии
питания контроллера падает ниже определен-
ного предела, генерируется системное
прерывание, по которому содержимое резидентной
памяти МК копируется в специальную зону
энергонезависимого оперативного
запоминающего устройства (ОЗУ). При дальнейшем
падении напряжения генерируется системный
сброс, предотвращающий неизбежные сбои в
МК, и он переводится в режим пониженного
энергопотребления, сохраняя при этом свою
внутреннюю информацию; при повторном
включении питания система способна
восстановить свое состояние и продолжить
выполнение управляющей программы, если это
необходимо. Для защиты от программных сбоев
часто используют систему watchdog (WD).
Система управления при правильной работе
должна периодически генерировать сигнал
WDI (WDinput), фронтом или срезом которого
сбрасывается WD-таЙмер супервизорной
схемы, защищающей микроконтроллер от
программных и аппаратных сбоев. Если система
потеряет управление и сигналов WDI не будет,

ЭТАПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
425
генерируется сброс микроконтроллера и
программа возвращается в диспетчер.
Функции коррекций цели предназначены
для изменения алгоритма работы САУ на
уровне программиста или оператора и должны
иметь логичный и дружественный интерфейс,
поскольку во многом определяют возможности
модернизации машины и адаптации ее к
условиям конкретного пользователя и удобства
работы операторов на ней. Подробно эти
функции и их реализация описаны в
подразделе 4.2,5,
4.1,2. ЭТАПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО
МАШИНОСТРОЕНИЯ
Электронное машиностроение
развивалось параллельно разработкам новых типов
электронных приборов и новых технологий. В
своем развитии оно прошло путь от
производства оборудования для выполнения отдельных
операций технологического процесса
изготовления изделий электронной техники до
производства сложнейших автоматизированных
комплексов, на базе которых формировались и
создавались гибкие автоматизированные
производственные системы самого различного
назначения.
Особенность развития электронного
машиностроения заключается в том, что
создание современного технологического
оборудования и гибких автоматизированных
производственных систем осуществляется
параллельно с внедрением новых технологических
процессов, а в отдельных случаях именно это
оборудование определяет дальнейшую
разработку технологии.
Конкретное решение проблемы
автоматизации в электронной промышленности
имело свои особенности, не позволявшие во
многих случаях использовать опыт,
накопленный в других отраслях, в первую очередь,
машиностроении.
Развитие автоматизации
производственных систем электронной промышленности
включало несколько этапов.
Первый этап. - создание и применение
агрегатированных автоматов, поточных и
автоматических линий.
На этом этапе были созданы
многопозиционные карусельные машины для
формообразования изделий из стекла, автомат горячего
литья керамических деталей приборов,
автоматические линии вакуумной откачки массовых
электровакуумных приборов,
автоматизированные поточные линии диффузии в
полупроводниковом производстве, линии
комплексной обработки пластин в производстве
интегральных микросхем, линии фотолитографии,
линии сборки транзисторов,
высокопроизводительные автоматы для производства
радиодеталей и радиокомпонентов,
Особое внимание на этом этапе
уделялось увеличению выпуска электровакуумных
приборов. Массовость выпуска, относительно
малые размеры и их высокая точность
потребовали механизации и автоматизации
практически всех операций технологического
процесса производства электровакуумных приборов
(электронных ламп, магнетронов, клистронов,
электронно-лучевых приборов и др.).
5 качестве примера на рис. 4.1.2
показана компоновка типовой полуавтоматической
линии изготовления колб
приемно-усилительных ламп, На линии производятся следующие
технологические операции: изготовление колб,
калибровка, штенгелевка, маркировка, обжиг
колб, а также визуальный контроль качества
готовых колб.
Эта линия имеет жесткую межагрегатную
связь, так как в ней все функциональные
исполнительные узлы на позициях и межпози-
, ционные устройства работают в едином цикле
с жесткой последовательностью всех элементов
цикла, т.е. каждый следующий этап обработки
может начаться лишь после того, как
выполнен предыдущий. Высокая степень
механизации основных и вспомогательных операций
позволяет повысить производительность при
использовании линии в 2 - 3 раза, и решает
проблемы массового выпуска изделий.
Рис. 4Л.2. Компоновка полуавтоматической поточной линии изготовления колб приемно-усилительных ламп:
1 - бункер автомата изготовления колб; 2 - приемное устройство механизма загрузки; 3 - автомат калибровки; 4
- конвейер; 5 - стол оператора; б - полуавтомат штангелевки; 7- стол визуального контроля; 8 - автомат
маркировки; 9 - стол окончательного контроля; Р - ручная загрузка-выгрузка

426
Глава 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Автоматизация управления
оборудованием на этом этапе в основном осуществлялась
путем использования в конструкциях машин
жестких программ в виде распределительных
валов, мальтийских и храповых механизмов и
т.д.
Узкая специализация по выполнению
конкретных операций для отдельных видов
приборов дала возможность достичь предельно
возможной производительности оборудования
за счет оптимизации технологических
процессов. Но именно эта особенность явилась
препятствием к распространению такого
оборудования в условиях среднесерийного и
мелкосерийного производства в связи с тем, что было
принципиально невозможно переналадить
созданное автоматическое оборудование на
выпуск нового типа изделий.
Второй этап - создание и использование
оборудования с программным управлением,
способного достаточно быстро перестраиваться
на выпуск новых изделий. В качестве
программоносителей вместо жестких программ
(распределительных валов) использовались
перфокарты, перфоленты, магнитные
барабаны, магнитные ленты, фотопленки.
Этот этап характеризовался резким
увеличением потребности в радиодеталях:
резисторах, конденсаторах, дросселях,
трансформаторах и катушках индуктивности. Массовый
выпуск этих изделий потребовал создания
поточных и автоматизированных линий. Так, в
производство трансформаторов, дросселей и
катушек индуктивности внедрялись
высокопроизводительные комплексы для холодной
штамповки, сборки и контроля.
На рис. 4.1.3 представлена компоновка
гибкого производственного модуля сборки
трансформаторов ШЛ-20 и ШЛ-25 на магни-
топроводах. Модуль состоит из шести единиц
технологического оборудования и оснастки,
двух манипуляторов и системы
автоматизированного управления на базе ЭВМ.
Унификация конструкции монолитных
керамических конденсаторов позволила
создать карусельные и роторные машины для
металлизации конденсаторов ЛАМ и поточные
линии для сборки конденсаторов ЛАС,
выполняющие все необходимые технологические
операции. Производительность цехов,
оснащенных такими линиями, достигала 400 млн.
приборов в год.
Сборочное производство углеродистых
резисторов оснащалось механизированными
поточными линиями производительностью
10-15 млн. приборов в год.
На рис. 4.1.4 показана компоновка
автоматизированной переналаживаемой линии для
производства непроволочных углеродистых
резисторов С1-4 на 0,125 Вт, 0,25 Вт, 0,5 Вт.
При поточном производстве рабочие позиции
на линии располагаются последовательно по
ходу технологического процесса, а движение
изделий происходит по прямой линии. На
линии осуществляется поштучное
прохождение заготовкой технологических операций.
Линия обеспечивает ритмичность выпуска
продукции.
Применение систем программного
управления отдельными единицами
оборудования и автоматическими линиями позволило
значительно увеличить мобильность
автоматического оборудования, сделать эффективным
массовое и мелкосерийное производство ИЭТ.
КонЗейер
и и
Рис. 4.1.3. Компоновка гибкого производственного модуля сборки трансформ
1 - зажим; 2 - устройство нанесения клея; 3 - механизм фиксации; 4, 8 - промышленные роботы;
5 - питатель; 6 - стол маркировки; 7- механизм подачи прокладки; 9 - система управления;
10 - накопитель обойм

ЭТАПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
427
1—1
1l I
Рис. 4.1.4. Компоновка автоматизированной поточной линии для производства непроволочных
углеродистых резисторов Cl-4-0,125:
углеродистых резисторов С1-4-0,125:
1 - автомат армирования; 2 - автомат лакировки и сушки; 3 - накопитель; 4 - автомат раскалибровки
на группы; 5 - автомат нарезки канавок; 6 - автомат электротренировки; 7 - автомат приварки вы
8 - конвейер; 9 - автомат окраски; 10 - автомат сушки; 11 - автомат раскалибровки по классам то*
12 - автомат маркировки; 13 - автомат упаковки; Р - ручная загрузка-выгрузка
, тлг заготовок
автомат приварки выводов;
Однако автоматическое оборудование
имело высокую стоимость и низкий
коэффициент использования» так как при переходе на
другой вид изделия требовало больших затрат
на переработку отдельных узлов, их наладку, а
также на отладку управляющих программ.
Кроме того, оператор во многих случаях
выполнял вручную загрузку и выгрузку изделий,
а также межоперационное и внутрицеховое
транспортирование их.
Третий этап - использование комплексов
оборудования и создание на их основе
участков и линий, управляемых от ЭВМ.
Создание комплексов оборудования
проходило не путем механического соединения
разрозненных, ранее эксплуатирующихся
установок, а отрасль переоснащалась новым
оборудованием в связи с освоением новых типов
изделий электронной техники и
принципиально новых технологических процессов
(плазмохимических, ионно-лучевых, лазерных,
плазменных и др.).
При разработке высокопроизводительных
комплексов оборудования самым важным
является вопрос межопёрационных заделов
деталей для обеспечения равномерной загрузки
оборудования с целью повышения
коэффициента его использования. При этом необходимо
было решить ряд противоречивых задач
(особенно в микроэлектронном производстве),
связанных с выполнением требований элек-
тронновакуумной и полупроводниковой
гигиены и особых условий хранения деталей и
полуфабрикатов в межоперационных заделах.
Применение на этом этапе
микропроцессорных систем управления оборудованием
позволило значительно увеличить надежность
его работы, осуществить выполнение
большинства логических и измерительных
операций в автоматическом режиме.
Характерным для этого этапа является
разработка новейшего оборудования для
выращивания монокристаллов, откачки
электровакуумных приборов, осаждения пленок,
диффузии и окисления, ионного легирования
и других операций, которое объединялось в
производственные комплексы для оснащения
участков и линий, управляемых от ЭВМ.
Примером этого является комплекс
оборудования для сборки интегральных
микросхем в планарном исполнении (рис. 4.1.5).
Комплекс выполняет следующие
операции: присоединение кристаллов,
присоединение выводов и нанесение защитных покрытий.
Оборудование комплекса имеет линейную
компоновку. На каждой операции число
единиц однотипного оборудования установлено
исходя из сбалансированности
производительности, а также из необходимости
резервирования в случае переналадки, обслуживания и
ремонта одной из единиц оборудования.
Оборудование в составе комплекса связано единой
транспортной системой, на основе которой
выполняется непрерывная безоператорная
работа. Система управления комплексом
обеспечивает три основных режима работы:
рабочий, диагностический и наладочный.

428
Глава 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Рис. 4.1.5. Компоновка комплекса оборудования дм автоматизированной сборки интегральных макросхем:
1 - пост управления; 2 - накопители отрезков лент; 3,4,5- модуль соответственно монтажа кристаллов,
присоединения выводов и нанесения защитных покрытий
Создание оборудования и линий с
программным управлением явилось базой для
внедрения новых принципов организации
производства - групповой технологии.
Четвертый этап - создание и
использование перепрограммируемых промышленных
роботов (ПР) для выполнения
многочисленных операций по перемещению в
пространстве производимых изделий» исходных
материалов, технологической оснастки, инструмента и
ДР.
Это дало возможность за счет
использования роботизированных технологических
комплексов (РКТ) обойтись без участия
человека в зоне непосредственной обработки
изделий» а за счет применения транспортных ПР и
создания на их основе автоматических траис-
портно-накопительных и транспортно-пере-
грузочных систем с автоматизированными
складами связать все РТК в единый
технологический комплекс.
На рис. 4Л .6 представлена компоновка
автоматизированной сборки мегаллокерамиче»
ских корпусов интегральных микросхем под
пайку. Участок включает в себя три РТК»
каждый из которых скомпонован из шести
технологических модулей (машин), оснащенных
автономными устройствами управления и
различной технологической оснасткой.
Специально разработанные транспортные спутники-
приспособления позволили создать
универсальную транспортную систему. РТК участка
сборки металлокерамических корпусов под
пайку обеспечивает автоматическое
выполнение следующих операций: выгрузку из
накопителя планарных кассет (модуль i), установку
технологических спутников с корпусами
(после пайки) в транспортный спутник на
конвейере возврата (модуль 2), подкол и
снятие готового корпуса с раскладкой в планар-
ную кассету (модуль J), подачу всех элементов
корпуса на позиции сборки (модуль 4),
контроль и укладку их с отбраковкой в отстойник
брака (модуль 5), выгрузку на поддон
технологического спутника(модуль б) и возврат
транспортного спутника для повторного
цикла, После окончательной сборки робот модуля
6 выгружает и штабелирует собранные в
технологические спутники корпуса на стальные
поддоны, которые подаются манипулятором в
рабочую зону водородной конвейерной печи
для пайки. После пайки и выгрузки из печи
поддон с корпусами перемещается на вход
модуля 1 для автоматической выгрузки в
транспортный спутник. Затем цикл повторяется.
Автоматизированное производство такого
типа может быть использовано для сборки до
30 типономиналов корпусов, имеющих 16 - 64
планарных выводов. Внедрение комплексного
участка сборки металлокерамических корпусов
под пайку снижает трудоемкость изготовления
в 4,3 раза и повышает производительность
труда в 8-10 раз, уровень механизации
достигает 90 %.
Пятый этап - развитие всех видов систем
автоматического управления САУ, создание
мощного программного аппарата и
прикладных программ.
Бурное развитие вычислительной
техники (мини-ЭВМ и микроЭВМ), создание сетей
ЭВМ позволило объединить в единую систему
все микроЭВМ, управляющие разнообразным
технологическим оборудованием, ПР,
измерительными устройствами, а также средствами
автоматизации транспортных и транспортно-
складских РТК. Эти микроЭВМ, соединенные
с центральной ЭВМ, Ъбеспечили выполнение
функции координации всех технологических и
производственных процессов, а также
функции планирования й диспетчеризации, что
позволило приступить к созданию гибких
производственных систем (ГПС).

ЭТАПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
429
Pttc. 4.1.6. Компоновка участка автоматизированной сборке металлокерамических корпусов
интегральных микросхем под пайку:
) - технологические модули; 7 - сборка кассет в пакеты; Я, 9 - микроЭВМ; 10 - дисплеи; 11 - конвейер;
12 - промышленные роботы; 13 - конвейерные печи пайки; 14 - механизмы разборки кассет;
15 - передвижные накопители; 16 - загрузчики ободка и прокладки из припоя;
17" загрузчик керамических плат
IV уровень
III уровень
II уровень
ЭВМ управления
предприятием (АСУП)
МиниЭВМ
СУ ГПК
МиниЭВМ
СУ ГПК
МикроЭВМ
управления
ГПМ
МикроЭВМ
управления
АСС
МикроЭВМ
управления
АТС
I уровень
Устройство
ЧПУ
Устройство
управления ПР
Рис. 4.1.7. Схема многоуровневой иерархической системы управления для гибких автоматизированных
производственных систем:
СУШК* система управления гибким производственным комплексом
В системах управления ГПС применяется
большое число вычислительных машин»
выполняющих функции сбора, хранения,
передачи, обработки и выдачи информации. Для
координации взаимодействия работы
элементов ГПС используется многоуровневая
иерархическая система (рис. 4.1.7).
К уровню 1 такой системы относятся
устройство с числовым программным
управлением (ЧПУ) для технологического
оборудования и, как правило» - микропроцессорное
устройство управления промышленным
роботом.
К уровню II относится система
управления гибким производственным модулем
(ГПМ). На уровне управления ГПМ с
помощью средств локальной автоматики и
автономной микроЭВМ реализуются следующие
функции:
информационные - контроль технологи-
ческих параметров выполнения операций,
проверка работы технологическою оборудова-

430
Глава 4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ния и транспортных систем в составе модуля,
подготовка и передача информации на
вышестоящий уровень управления;
управляющие - управление режимами
работы оборудования и транспортных систем
внутри модуля, диагностика неисправностей.
Управляющая микроЭВМ уровня II
формирует информацию для передачи на
вышестоящий уровень.
Обработанная и сформированная с
помощью микроЭВМ технологического модуля
информация передается на третий уровень
управления группой модулей,
автоматическими транспортными системами (АТС) и
автоматическими складскими системами (АСС).
Информационными функциями уровня
III являются: контроль движения изделий по
технологическому маршруту обработки,
пооперационный учет обработанных изделий,
учет годных и бракованных изделий,
диагностика функционирования транспортных и
складских систем, а также технологических
модулей, контроль уровня запасов предметов
обработки, обеспечивающих бесперебойность
процесса.
К управляющим функциям этого уровня
относятся: задание технологических режимов
обработки изделий, управление поиском
предметов обработки на складах и
накопителях, а также их загрузкой, транспортировкой,
выгрузкой и установкой на приемные
устройства с требуемой точностью; сигнализация о
достижении критических ситуаций по уровню
материальных запасов на складах и
накопителях; автоматическая остановка
технологического комплекса при аварийных ситуациях и
сигнализация об этом.
Управляющие сигналы передаются на
микроЭВМ технологических модулей, а общая
информация о работе технологического
комплекса поступает на уровень IV управления
предприятием.
ГПС с использованием современных
средств вычислительной техники не
исключают участия человека в управлении процессом
производства. Современная ГПС в самом
общем виде представляет собой систему
"человек-машина", включает в себя рабочие
места диспетчеров и операторов, построена с
учетом задач и условий деятельности человека
по управлению и обслуживанию ГПС и систем
управления ГПС в нормальных условиях
функционирования и аварийных ситуациях.
Рабочим местом диспетчера ГПС
является пульт, на котором располагаются средства
отображения информации и органы
управления.
К основным функциям диспетчера
относятся: контроль работы средств
автоматического управления ГПС, контроль технологии
производства и состояния оборудования;
оперативное вмешательство в процесс управления
при неисправности системы или отдельных
устройств автоматического управления в
нестандартных ситуациях; связь с другими
службами и регистрация нестандартной ситуации;
обеспечение продолжения производственного
процесса при полном или частичном отказе
основной системы автоматического или
автоматизированного управления.
Шестой этап - создание и применение
автоматизированных систем технологической
подготовки производства (АСТПП) и систем
автоматизированного проектирования (САПР).
Значительное увеличение
производительности оборудования и расширение
номенклатуры выпускаемых изделий невозможно
без технического и технологического
обеспечения, т.е. без создания и внедрения АСТПП
и САПР.
Предыдущие этапы, реализованные в
электронном машиностроении, создали
предпосылки и материальную базу для
осуществления реальных ГПС, т.е. сквозного
производственного цикла от проектирования деталей
(изделий) до их изготовления на
автоматическом программно-управляемом
технологическом оборудовании.
ГПС взаимодействует с рядом, других
систем. На рис. 4.1.8 представлена схема
взаимодействия этих систем. Координированная
работа и взаимодействие всех составляющих
как единого организма осуществляется
центральной ЭВМ с помощью
автоматизированного банка данных (АБД). На основе
проектного задания (ПЗ) работают в тесном
взаимодействии САПР и АСТПП, образуя
фактически единую систему, которая использует
геометрические параметрами деталей для анализа
вариантов конструкций и синтеза
комплексной модели, данные о системе материально-
технического обеспечения (МТО) и типовых
технологических процессах, нормативно-
справочную информацию. От этих систем
необходимые данные вводятся в
автоматизированную систему управления предприятием
(АСУП) и автоматизированную систему
управления технологическими процессами
(АСУТП), которые вырабатывают
непосредственно управляющую информацию для
выполнения технологических процессов
изготовления изделий (деталей). Помимо
автоматического оперативного управления системы
АСУП и АСУТП представляют для ГПС
информацию по производственным программам
и календарным планам, данные по учету,
контролю и регулированию процесса обеспечения
материалами, инструментом и оснасткой.
Важнейшей системой ГПС является
автоматизированная система диагностики (АСД)
технологических средств и технологических
процессов, имеющая распределенную сеть датчиков
для анализа состояния и нормального
функционирования ГПС на всех уровнях
производства и управления.
АДС и автоматизированная система
контроля и испытаний (АСКИ) должны иметь
соответствующее метрологическое
обеспечение, включающее необходимые средства
измерения и контроля.

ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ЭМ И САУ
431
Готовая
продукция
Рис. 4.1.8. Схема взаимодействия основных систем, входящих в ГПС
4.1.3. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ
ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ
И СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Развитие систем автоматического
управления технологическим оборудованием и
процессами тесно связано с этапами развития
электронного машиностроения, с одной
стороны, и развитием микропроцессорных
средств управления - с другой. При
управлении технологическим оборудованием
решаются, как правило, следующие задачи:
создание условий для выполнения
операций;
управление рабочими режимами;
обслуживание технологической операции.
Решение этих задач на ранних этапах
заключалось в создании систем стабилизации и
программного управления отдельными
параметрами, например, температурой в реакторе,
расходом парогазовой смеси, совмещением
топологических слоев т.п. Техническими
средствами автоматизации этих этапов были
локальные системы управления, построенные на
аналоговых устройствах, программаторы для
надлежащего переключения механизмов и
устройств оборудования на основе применения
контактных и бесконтактных логических
элементов.
Затем задачи автоматизации
расширились, и объектом управления стал
технологический процесс или его отдельная стадия,
выполняемая совокупностью технологического и
контрольно-измерительного оборудования,
объединенного в участок или поточную
линию. Поэтому возникли задачи координации
работы сложной системой машин,
оптимизации многостадийного процесса, контроля и
управления качеством продукции. Технические
средства, решающие эти задачи, составили на
уровне оборудования микропроцессорные
системы, а на уровне участка или линии -
мини-ЭВМ и микроЭВМ.
Такие системы обладают большой
гибкостью, живучестью и позволяют эффективно
управлять объектами, имеющими существенно
разные динамические свойства. Они имеют,
как правило, иерархическую структуру, что
обеспечивает удобное проведение
модернизации при изменении организации работы
комплекса оборудования или изменении
требований к системе управления им.
На последующих этапах развития
оборудования было создано интегрированное
автоматизированное производство, в состав
которого входят АСТПП, АСУТП, САПР, системы
автоматизации транспортно-накопительной
системы (АСУТН) и автоматизированные
системы научных исследований (АСНИ). Таким
образом, сложилась стратегия построения
единого процесса: замысел (потребность) -
разработка - реализация - испытание - развитие,
т.е. одновременная автоматизация инженерных
и производственных процессов. Техническими
средствами для этого послужили локальные
вычислительные системы.
В состав различных типов оборудования,
применяемого в производстве интегральных
микросхем (ИС), входят функциональные
подсистемы, которые по назначению делят на
три группы:
технологические - результаты которых
непосредственно влияют на свойства ИС,
например подсистемы формирования нужных
свойств в локальных областях легированием,
осаждения тонких пленок, позиционирования,
экспонирования и т.п. Процессы, происходя-

432
Глава 4.2, ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
щие при этом, носят, как правило,
необратимый характер;
обеспечивающие - создающие условия
для эффективного процесса обработки,
Результаты работы этих систем сказываются на
качестве ИС опосредованно, Необходимо
соблюдать режимы нагрева и охлаждения, причем
управление ими осуществляют по программе.
Технологические и обеспечивающие
функции могут совмещаться в одной
операции, как, например, при травлении, очистке
поверхности, термостатировании;
вспомогательные - которые сопутствуют
выполнению операций. К ним относятся
подсистемы безопасности, транспортирования
предметов труда, удаления и нейтрализации
отходов и побочных продуктов реакций,
экологической защиты и т.п.
Типичные задачи технологических и
обеспечивающих функциональных подсистем
следующие:
программирование подготовительно-
заключительного и рабочего циклов
оборудования, позволяющее технологу устанавливать
последовательность переходов и условий их
выполнения;
контроль и оценка качества выполнения
операций, проводимые по изменению
состояния оборудования, объекта труда или
косвенным показателям;
обмен информацией с системами другого
уровня, т.е. извещение их о происходящих
изменениях и получение сведений о
состоянии связанных систем.
Функциональные подсистемы работают с
различным представлением информации:
битовой при оценке состояния механизмов
оборудования; аналоговой или числовой при
измерении параметров, характеризующих
режимы; лингвистической при описании
взаимодействия подсистем и стадий технологического
процесса.
Вспомогательные подсистемы решают
следующие задачи:
подсистема энергообеспечения снабжает
оборудование электроэнергией, сжатым
воздухом, горячей и холодной водой и другими
технологическими средами. Задача управления
заключается в обеспечении требуемых
характеристик энергоносителя: напряжения
электропитания, напора в трубопроводе, состава
подаваемых сред и т.п.;
подсистема безопасности защищает
человека, предотвращая несанкционированный
доступ к опасным для жизни токопроводящим
частям, среде, движущимся частям путем
применения различных видов защиты.
Обеспечивает экологическую безопасность за счет
систем нейтрализации опасных для окружающей
среды продуктов реакции. Аварийная защита
обеспечивает остановку оборудования при
внезапных нарушениях процесса, спасая
обслуживающий персонал, предметы труда,
защищая окружающую среду;
подсистема диагностики и контроля
выполняет функции самодиагностики микро-
ЭВМ и средств автоматизации, механизмов и
устройств оборудования, а также
метрологическое обслуживание средств измерения;
подсистема управления транспортными
операциями выполняет манипуляции
непосредственно в оборудовании, шлюзе,
перемещает заготовки в рабочей камере, управляет
загрузкой-выгрузкой (эту функцию часто
осуществляют промышленные роботы);
управление перемещением предметов труда,
инструментов и приспособлений в цехе
(перемещение приспособления выполняют с помощью
конвейеров, робокаров и других транспортных
средств).
Взаимодействие разработчиков систем
управления и производителей ИС дало
возможность применять в средствах измерения и
автоматизации новейшие достижения
микроэлектроники и решать задачи создания
оборудования для прогрессивных технологических
процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Автоматические линии в
машиностроении (проектирование и эксплуатация):
Справочник. В 3-х т.: Под ред, Л. И. Волчкевича.
М.: Машиностроение, 1984. Т. 1, 312 с, Т 2,
408 с. Т. 3, 480 с.
Глава 4.2
ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
4.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ
Современное производство ИЭТ, в
особенности полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем, представляет собой
многономенклатурное, быстроперенастраивае-
мое автоматизированное производство -
гибкие производственные системы (ГПС).
Основной технический компонент,
обеспечивающий гибкость производства, - это
системы управления (СУ) на базе
микропроцессорной техники, а также системное и при-
кдадное программное обеспечение,
объединенные в единую интегральную систему с
помощью сети передачи данных (рис. 4,2.1).
Классификация систем автоматического
управления основана на принципах иерархии
технолого-организационного управления про-
изводством и структуры технических средств.
Интегрированная система управления
(СУ) гибким автоматизированным
производством имеет пять уровней:

КЛАССИФИКАЦИЯ
433
/ - микропроцессорные системы
управления (МПСУ) автономным технологическим
оборудованием, роботами, механизмами
загрузки-выгрузки, складами, транспортными
тележками и т.п.;
II - СУ гибким производственным
модулем (ГПМ) и сложным многокамерным
технологическим оборудованием, включая системы
загрузки-выгрузки, накопители заготовок и
изделий;
/// - СУ гибкими автоматическими
линиями (ГАЛ) и участками (ГАУ),
включающими как однокамерные, так и многокамерные
технологические установки, объединенные
транспортной системой и имеющие
накопительные склады;
/К- СУ гибким автоматизированным
цехом (ГАЦ), комплексом оборудования,
включая цеховую транспортно-складскую систему и
автоматизированные рабочие места (АРМ)
экономистов, технологической службы и
технического контроля;
V - СУ проектированием, качеством из-
деошй, предприятием и АРМ функциональных
служб конструкторов и разработчиков на базе
персональных ЭВМ.
Системы управления I и II уровней
взаимодействуют непосредственно с
технологическим оборудованием, а системы
управления III уровня и выше используют
обобщенную информацию, поступающую от систем
управления I и II уровней.
Структуры микропроцессорных систем
управления специальным технологическим
оборудованием (СТО) многообразны.
Сложность создания оптимальной системы
управления для СТО производства ИЭТ, особенно
изделий микроэлектроники, объясняется
многообразием видов технологических
процессов, их постоянным усложнением и связанным
с этим увеличением числа исполнительных
органов, датчиков и управляющих устройств в
каждой единице СТО. Постоянно
расширяющаяся номенклатура изделий, многообразие и
прецизионность параметров технологических
процессов предъявляют к СУ технологическим
оборудованием повышенные требования в
отношении объема функций, как
традиционных (управления механизмами), так и ряда
новых.
Основные функции СУ СТО следующие:
1) диагностика и контроль:
диагностика устройств оборудования
(контроль работоспособности механизмов и
параметров процесса);
метрологическая диагностика;
прогнозирование состояния
оборудования;
отображение результатов контроля на
дисплее, передача их на следующий уровень
управления;
2) программирование:
задание программы процесса в режиме
диалога при автономном использовании СТО;
возможность перепрограммирования в
процессе цикла;
расчет параметров процесса по
математической модели;
загрузка программ процессов по каналу
связи с высшим уровнем управления;
архивация типовых технологических
программ;
3) исполнение программ управления:
управление последовательностью
технологического цикла;
управление параметрами процесса;
адаптивное управление при изменении
параметров процесса;
самонастройка системы при изменении
параметров объекта управления;
коррекция погрешностей трактов
измерения и градуировочных характеристик
датчиков;
коррекция параметров процесса по
результатам межоперационного контроля;
многосвязное регулирование (например,
профилирование температурных полей в
диффузионном СТО);
ситуационное управление;
4) отображение и документирование:
параметров программирования;
результатов диагностики;
текущих параметров и отклонения от
заданных значений;
5) связь с системами высшего уровня;
6) реализация процесса в аварийных
ситуациях.
Возможность реализации этих функций в
значительной степени определяется структурой
системы управления.
Специальное технологическое
оборудование является сложным объектом управления
и содержит большое число
взаимодействующих узлов и агрегатов. Структура СУ
представляет совокупность агрегатов и узлов
объекта управления (ОУ), а также технических
средств управления со всеми взаимосвязями
между ними.
Задача определения структуры СУ не
имеет однозначного решения, что обусловлено
многообразными и часто противоречивыми
требованиями (объем функций управления,
стоимость, надежность и др.) и состоит в
разбиении СУ на подсистемы и обеспечении
взаимодействия этих подсистем.
Использование в СУ микроЭВМ, персональных
компьютеров (ПК), микропроцессорных
программируемых контроллеров позволяет реализовать
различные варианты СУ, различающиеся
составом и взаимодействием ее компонентов,
направлением передачи информации и местом
обработки ее.
Системы управления автономным
технологическим оборудованием в зависимости от
состава и структуры технических средств
можно разделить на централизованные и
децентрализованные (распределенные).

434 Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
ВИДЫ ГПС ПО УРОВНЯМ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ЦЕХИ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ
ГИБКИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЦЕХ
ГИБКАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ЛИНИЯ
ГИБКИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ УЧАСТОК
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
ГИБКИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ
МОДУЛЬ

ЛОКАЛЬНЫЕ
СЕТИ


приятия
V
УРОВЕНЬ
IV
УРОВЕНЬ
ш
УРОВЕНЬ
п
УРОВЕНЬ
УРОВЕНЬ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
(АВТОНОМНОЕ)
МПСУ
ЦЕХОВАЯ

ЛОКАЛЬНАЯ
СЕТЬ
УСТРОЙСТВО
(РОБОТ)
ЗАГРУЗКИ-
ВЫГРУЗКИ
МПСУ

НАКОПИТЕЛЬ
ИЗДЕЛИЙ
МПСУ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ

ОБОРУДОВАНИЕ В-ГПМ
МПСУ
посты

УПРАВЛЕНИЯ
ЛИНИЕЙ
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ МОДУЛЕМ
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХПРОЦЕССОМ
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНО ДИСПЕТЧЕРСКОГО
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ
Рис 4.2.1. Структур!
грнрс
иой

КЛАССИФИКАЦИЯ
435
ОРГАНИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ ПРОИЗВОДСТВА
СЛУЖБЫ ПРЕДПРИЯТИЯ
СЛУЖБА ЦЕХА
ТРАНСПОРТ

(ВНУТРИЦЕХОВОЙ)
МПСУ
пост
УПРАВЛЕНИЯ
СКЛАДОМ
АРМ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
СЛУЖБ ЦЕХА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ
ЦЕНТР ПРЕДПРИЯТИЯ
АРМ

ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ
СЛУЖБ

ИНФОРМАЦИОННО-
УПРАВЛЯЮЩИЙ
КОМПЛЕКС
АРМ
ПРОГРАММИСТА
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ
ЦЕНТР НИИ
АРМ
КОНСТРУКТОРА
АРМ
ТЕХНОЛОГА
АРМ
РАЗРАБОТЧИКА
АРМ
СЛУЖБЫ
ТЕХНИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ
АРМ
ПРОГРАММИСТА
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ТРАНСПОРТНО-СКЛАДСКАЯ СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ
СУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
СУ КАЧЕСТВОМ
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГПС
системы управления ГПС

436
Глава 4.2 ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
В системах централизованного
управления прием, обработка информации, расчет и
вьщача управляющих воздействий производят-
ся только микропроцессорным блоком
управления.
Микропроцессорный блок управления
(БУ) - устройство, содержащее процессор (П),
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ),
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ),
устройства связи с объектом (модули приема и
выдачи дискретных и аналоговых сигналов -
соответственно МПД, МВД, МПА, МВА),
функциональные модули (например,
управление приводом), модули связи (МС) с
вышестоящими СУ.
На рис. 4.2,2 приведена функциональная
схема централизованной СУ. Датчики и
исполнительные устройства располагаются в
технологическом объекте управления.
К модулям приема МПД и МПА блока
управления (БУ) подключены дискретные (X)
и аналоговые (V) датчики СУ. Управляющие
сигналы БУ через модули выдачи МВД к МВА
подаются на дискретные (Y) и аналоговые (Р)
исполнительные устройства. Для связи с
оператором, а также с системой управления более
высокого уровня в БУ используются модуль
связи (МС) и дисплей (Д).
Достоинством СУ централизованного
типа являются возможность управления
различными устройствами ОУ с помощью
ограниченного комплекта аппаратных средств только
за счет изменения числа модулей, а также
относительная простота структуры.
Вместе с тем, так как в подобных
системах выполнение любой функции
осуществляется только через центральный процессор,
отказ последнего не гарантирует безопасность
работы оператора и качество технологического
процесса. Усложнение СТО, увеличение
реализуемых функций, возрастание числа
датчиков и исполнительных устройств приводит к
росту объема памяти и замедлению реакции
СУ на управляющие воздействия и
возмущения. При прямом цифровом управлении
параметрами СТО цикл обращения к каналу
регулирования при общем числе каналов до
5-6 может составить несколько секунд. Для
малоинерционных объектов типа испарителей
материалов при таком цикле обращения не
может быть обеспечено требуемое качество
регулирования.
Значительные сложности при
централизованной структуре СУ представляет
программирование цикла управления, а также
внесение необходимых в процессе эксплуатации
изменений.
Системы децентрализованного
управления имеют распределенную техническую и
программную структуру и сетевую
организацию обмена информацией. Эти типы систем
не имеют основных недостатков
централизованных систем.
Рис. 4.2.2.
СУ

КЛАССИФИКАЦИЯ
437
Функциональная схема
децентрализованной СУ приведена на рис. 4.2.3. В составе
объекта управления могут быть
технологические агрегаты A%t ..., А&% в каждом из которых
имеются дискретные и аналоговые датчики и
исполнительные устройства. Отдельными
агрегатами СТО могут быть шлюзовые,
загрузочные, накопительные системы и т.п. В
децентрализованных СУ управление
осуществляется с помощью группы локальных
контроллеров, которые выполняют отдельные функции
по управлению технологическим процессом.
Контроллеры могут быть как
микропроцессорными, так и построенными на основе
"жесткой логики.
Из сравнения рис. 4.2.2 и 4.2,3 видно,
что в системе децентрализованного управления
имеется несколько центров обработки
информации. При слабом взаимодействии между
агрегатами А\ большая часть информации
может обрабатываться контроллерами А}, каждый
из которых выдает сигналы на
исполнительные элемент агрегатов в зависимости от
состояния датчиков и команд управления,
поступающих с БУ. Блок управления
осуществляет как информационную связь между
контроллерами, так и координацию ведения
технологического процесса, контроль его
параметров и связь с системой высшего уровня.
В связи с тем, что каждое из вычислительных
устройств СУ выполняет в распределенной
системе меньшее число функций, чем в
централизованной СУ, можно выполнить
значительно более сложные операции, например:
преобразование данных;
цифровую фильтрацию измеряемых
сигналов;
вычисление параметров, которые не
могут быть измерены непосредственно.
ОУ
¦СР-
Рае. 4.2.3. Фу
ей СУ

438
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
Современный этап развития
микропроцессорных систем управления характеризуется
широкой номенклатурой аппаратных средств.
Все большее число измерительных
преобразователей, регуляторов и других элементов
локального управления строят на базе
микропроцессорных контроллеров или
однокристальных ЭВМ.
Усложнение СТО, увеличение и
усложнение функций управления и контроля
обусловливают дальнейшее развитие
децентрализованных систем управления. Однако это не
означает, что системы централизованного
управления не могут найти применения. Так,
СУ отдельных агрегатов СТО (например,
шлюзовых систем) строят, как правило, по
принципу централизованного управления.
Системы децентрализованного
управления являются по существу многоуровневыми с
распределением функций управления между
уровнями. В современном СТО можно
выделить три уровня управления. В классификации
систем управления, приведенной на рис. 4.2.1,
рассматриваемые уровни управления СТО
являются как бы подуровнями I уровня
управления ГПС.
Устройства первого подуровня
обеспечивают преобразование информации датчиков и
исполнительных устройств (нормирующих
преобразователей, усилителей мощности и
др.),а также защиту устройств и агрегатов СТО*
и безопасность обслуживающего персонала.
Устройства защиты анализируют сигналы,
поступающие со II уровня, и сигналы
состояния агрегата СТО и выполняют команды лишь
тогда, когда обеспечиваются необходимые
требования безопасности. Устройство защиты
представляет собой логический контроллер,
который может быть реализован на
программируемой логической матрице. При этом
обеспечивается выполнение только заранее
заложенных разрешенных к реализации
состояний агрегата. В случае поступления со
II уровня управления команд, не
предусмотренных в устройстве защиты, реализация их не
производится, тем самым исключаются
аварийные состояния в агрегате при выходе из
строя устройств II и III уровней.
Устройства второго подуровня
выполняют отдельную автономную функцию
управления агрегатами СТО (открывают - закрывают
шлюз, загружают - выгружают кассету с
пластинами или отдельную пластину и т.п.). На
этом уровне управления обычно используются
микроконтроллеры, каждый из которых
реализует определенную циклограмму работы
агрегата, обеспечивает регулирование аналоговых
параметров, а также производит диагностику
управляемого агрегата СТО. Результаты
измерения параметров и результаты диагностики
передаются на III уровень.
Устройства третьего подуровня
управляют работой всего СТО, выдают команды на
контроллеры агрегатов, принимают
информацию о состоянии устройств и агрегатов СТО и
параметрах технологического процесса,
осуществляют связь с системой управления гибким
производственным модулем (II уровень
управления ГПС).
Успешное функционирование
многоуровневых систем управления возможно при
соблюдении следующих требований к их
построению:
распределение функций управления
между отдельными техническими средствами;
возможность гибкого изменения этих
функций;
обеспечение иерархии управления;
стандартизация входных и выходных
сигналов устройств;
обеспечение диагностики всех
технических средств распределенной СУ и передача
диагностической информации на центральное
управляющее устройство;
обеспечение безопасности
обслуживающего персонала и механизмов СТО при
выходе из строя микропроцессорных систем;
организация совместного
функционирования технических средств управления с
использованием систем передачи данных,
построенных по радиальной или магистральной
структуре;
обеспечение единства интерфейсов и
протоколов обмена информацией;
конструктивное единство технических
средств распределенной СУ;
обеспечение лингвистического единства
за счет создания специального
формализованного языка, который должен быстро
восприниматься человеком и обеспечивать
безошибочное задание и контроль работы
технических средств управления;
наличие метрологического обеспечения;
единство функциональных задач и
организационной структуры. Это требование
особенно важно в СУ автоматическими линиями,
транспортно-складскими системами,
участками и цехами.
4.2.2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Устройства микропроцессорного
управления СТО делят на две группы:
программируемые контроллеры (ПК);
микропроцессорные блоки управления
(БУ) с устройствами связи с объектом
управления (УСО).
Программируемые контроллеры - это
устройства локального управления,
работающие в реальном масштабе времени под
управлением рабочих программ, которые, как
правило, размещаются в ПЗУ. Существуют три
типа контроллеров: •

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
439
программируемые логические (ПЛК),
реализующие логические функции и
предназначенные для управления
последовательностью технологического цикла;
программируемые регулирующие (ПРК),
реализующие алгоритмы автоматического
управления и предназначенные для
управления параметрами технологического процесса;
специализированные, реализующие
специальные функции управления и
предназначенные для управления специальными
устройствами СТО или периферийным
оборудованием (накопителями на гибких магнитных
дисках, перфоратором и т.п.).
На практике применяются контроллеры
смешанного типа.
Основные достоинства программируемых
контроллеров заключаются в их высокой
надежности, универсальности и гибкости.
Универсальность контроллера обеспечивается либо
программированию контроллера под
определенный технологический процесс с помощью
специально встроенного устройства, либо
путем замены схем программируемых
постоянных запоминающих устройств (ППЗУ), в
каждое из которых занесена рабочая программа
управления определенным технологическим
процессом, либо перепрограммированием схем
репрограммируемого ПЗУ под конкретный
технологический процесс с помощью
автономного устройства - программатора.
Возможность быстрого внесения различных
изменений в СУ с помощью программы без
изменения аппаратной части обеспечивает
большую гибкость и значительно сокращает время
проектирования системы управления.
Программируемые логические
контроллеры (ПЛК) по степени сложности
разделяются на три класса. ПЛК первого класса
работают по фиксированной программе. Они имеют
небольшое число E - 20) входов и выходов и
ПЗУ малой емкости. Такого типа ПЛК
применяются для управления несложными
механизмами.
ПЛК второго класса имеют до 150 входов
и выходов, обладают внешним языком задания
алгоритмов управления. Используются для
управления СТО типа сборочных автоматов,
конвейеров и т.п.
ПЛК третьего класса служат для
управления сложными объектами, имеющими до 1000
дискретных входов и выходов. Имеют
развитый язык задания алгоритмов управления,
периферийные устройства. Кроме управления,
ПЛК выполняют вычислительные функции и
передают собранную информацию на ЭВМ
верхнего уровня. К ним относятся устройства
числового программного управления УЧПУ
"Электроника", применяемые для управления
станками.
Программируемые регулирующие
контроллеры (ПРК) предназначены для замены
групп обычных пропорционально-'интеграль-
ных (ПИ) и пропорционально-интегрально-
дифференциальных (ПИД) регуляторов,
используемых в СУ параметрами
технологических процессов, и реализации более сложных
алгоритмов. В состав ПРК, кроме процессора,
входят многоканальные аналого-цифровые
(АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП)
преобразователи, а также ПЗУ, в котором записаны
программы различных алгоритмов управления.
Программируемым регулирующим
контроллером является, например, "Ремиконт Р-100" и
его последующие модификации.
Микропроцессорные блоки управления с
УСО - это технические средства СУ, входящие
в состав блока управления, построенного по
магистрально-модульному принципу. УСО
обеспечивают прием и выдачу аналоговых и
дискретных сигналов с гибким изменением их
объема за счет набора необходимого числа
соответствующих модулей.
Номенклатура модулей УСО может
включать, кроме модулей приема и выдачи
аналоговых и дискретных сигналов, различные
специализированные модули (адаптеры
локальных сетей, модули управления приводом и
др.). Модули могут быть построены на базе
однокристальных ЭВМ (так называемые
"интеллектуальные" модули). Структурная
схема микропроцессорного блока управления
"Орион", широко применяемого в СТО с
модулями УСО, представлена на рис. 4.2.4.
К магистрали межмодульного
параллельного интерфейса (МПИ) подключены
центральный процессор 7, ОЗУ 2, ПЗУ 3, модуль
4 связи с устройствами ввода с магнитной
ленты или перфоленты 13, панель 5 и плата
управления 6, модуль 7 связи с другими
устройствами СУ по каналам связи с
интерфейсом радиально-последовательным (ИРПС) и
МПИ, модули приема дискретных сигналов
(МПД) <?, модули выдачи дискретных сигналов
(МВД) 9, модули обмена с оптронной
развязкой (МОО) 10, модули приема аналоговых
сигналов (МПА) 11 и модули выдачи
аналоговых сигналов (МВА) 12.
Центральный процессор обменивается
информацией и командами с модулями через
МПИ. Данные и адреса (ДА) передаются по
16-разрядной шине. Команды "Требование
прерывания"(ТПР), "Представление
прерывания" (ППР), "Синхронизация работы
пассивного устройства (СНП) и синхронизация
работы активного устройства" (СНА), СБРОС,
ВЫВОД, ВВОД, "Внешнее устройство" (ВУ)
передаются по шине команд.
Модуль обмена с оптронной развязкой
(МОО) предназначен для приема и выдачи
дискретных сигналов. Входными сигналами
являются сигналы постоянного тока, а
выходными - состояния "замкнут - разомкнут"
выходных электронных ключей.
На рис. 4.2.5 представлена
функциональная схема МОО.

440
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
ИРПС
НИИ
МинроЭбМ "ЭЛВКТРОНИКА-60М
—'-I Г"
111 211 3
1 1« 1 16 1 32 1 32 1 16 1 в
Дискретны* Дискретные Дискратны» Аналоговые Аналоговые
сигналы команды сигналы сигналы сигналы
команды
Рис. 4.2.4, Структур»
i модульного микропроцессорного бл
i "Орион"
с
МАГИСТРАЛЬ МП И
КАНАЛЬНЫЙ
передАтчик
КАНАЛЬНЫЕ
ЗАДАНИЕ
АДРЕСА
МОДУЛЯ
2р
V W V V V
ДЕШИФРАТОРЫ
АДРБСА И УПРАвЛЯЮЩИХ
СИГНАЛОВ
МУЛЬТИПЛЕКСОР
I
ОПТРОННЫЕ ПРИЕМНИКИ
ВХОДНОЙ
СОЕДИНИТЕЛЬ
входной
СОЕДИНИТЕЛЬ
, КАНАЛЬНЫЕ
ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКИ
регистр
ДАННЫХ
РгД1
I
регистр
ДАННЫХ
рдг
U
1
олтронньш
( ]
выходной
СОЕДИНИТЕЛЬ
ключи
J
выходной
соединитель
Рис. 4.2.5. Функциональная схема МОО

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРВДСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ
441
Основные технические характеристики МОО
Число линий приема
дискретных сигналов 32
Входное напряжение, В:
в состоянии НГ
(наличие входного сигнала)
по типу:
входа 1 24
входа 2 4-5
в состоянии "(Г
(отсутствие входного сигнала)
то типу:
входа 1 Не более 3
входа 2 Не более 0,8
Число выходных каналов 32
Максимальное
коммутируемое ключом напряжение, В 32
Максимальный ток нагрузки
в состоянии "Г, мА 25
Максимальная частота
переключения, кГц , 10
Возможны три режима работы модуля:
прием входных сигналов; выдача управляющих
воздействий; контроль*
Прием входных сигналов и выдача
управляющих воздействий (коммутация
ключей) осуществляются в режиме стандартного
обращения центрального процессора ЭВМ
"Электроника 60М" к внешним устройствам с
соответствующей выдачей управляющих
сигналов: обращения к внешнему устройству К ВУ Н,
ввода информации К ВВОД Н, вывода К
ВЫВОД Н, сброса предыдущих команд К СБРОС
Н, требования прерывания К ТПР Н,
предоставления прерывания К ППР Н,
синхронизации активного устройства К СНА Н,
пассивного устройства К СНП Н. Информация о
данных и адресах устройств от нулевого до
пятнадцатого разряда К ДА 00 Н, ..., К ДА 15
Н подается на МПИ в режиме
мультиплицирования.
В режиме приема на шины ДА @0 - 15)
микроЭВМ через мультиплексор выводятся
последовательно два 16-разрядных слова,
содержащих информацию по входным сигналам.
При выдаче управляющих воздействий
информация через канальные
приемопередатчики шины ДА @0 - 15) поступает на регистры
данных РгД1, РгД2 и затем на оптронные
ключи. Запоминание информации в регистрах
проводится по командам "Запись Iй и
"Запись 2", которые выдаются дешифратором
адреса и управляющих сигналов. Прием»
выдача и контроль информации производятся в
модуле МОО за два стандартных обращения к
каналу микроЭВМ.
Модуль приема аналоговых сигналов
(МПА) служит для преобразования
гальванически развязанных от канала ЭВМ аналоговых
сигналов, поступающих от внешних устройств
в цифровой код.
Основные технические характеристики МПА
Число входных сигналов 16
Пределы изменения входного
напряжения, В 0 - 10
Основная погрешность
преобразования, мВ ± 10
Максимальное время
преобразования, мс 1
Функциональная схема МПА приведена
на рис. 4.2.6. Узлы МПА выполняют
следующие функции:
канальные приемопередатчики,
дешифраторы адреса и управляющих сигналов,
логика прерываний реализуют функции,
аналогичные соответствующим устройствам МОО;
регистр состояний (РгС) хранит адреса
одного из 16 входных каналов, а также адреса
контрольных напряжений;
аналоговый мультиплексор обеспечивает
подключение к входу компаратора
напряжений каждого из 16 аналоговых сигналов и
контрольных напряжений. Управление
мультиплексором производится от микроЭВМ;
двенадцатиразрядный ЦАП, компаратор
напряжений, регистр последовательных
приближений РПП, а также источник опорного
напряжения и преобразователь постоянного
напряжения образуют АЦП с
последовательным уравновешиванием. Цифровой код с
выхода РПП после окончания преобразования
поступает через канальные приемопередатчики
в микроЭВМ;
формирователь контрольных напряжений
предназначен для выдачи контрольных
напряжений с целью точной настройки выходного
напряжения ЦАП;
оптронная развязка обеспечивает
гальваническую развязку микроЭВМ от внешних
цепей.
Модуль МПА работает в двух режимах:
приема аналоговой информации и контроля
содержания регистра состояний РгС.
Режим приема информации начинается
со стандартного обращения микроЭВМ к
модулю через магистраль МПИ выдачей сигналов
ВУ, СИА, ВВОД. По цепям ДА @0 - 15) в
модуль выдается адрес модуля с указанием адреса
РгС. Дешифратор адреса и управляющих
сигналов формирует сигнал "Запись РгС",
который подается на РгС. По цепям ДА @0 - 15)
микроЭВМ выдает данные о коммутации
аналогового мультиплексора, которые
запоминаются в РгС. При каждом обращении к РгС в
дешифраторе формируется сигнал "Запуск АЦП"
(начало преобразования), который подается на
РПП.
Дальнейшая работа с модулем на МПА
может производиться в двух режимах:
ожидания сигналов "Готовность АЦП" и
"Разрешение прерывания". При работе в первом
режиме микроЭВМ при обращении к РгС будет

442
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
ДЕШИФРАТОР АДРЕСА
И УПРАВЛЯЮЩИХ
СИГНАЛОВ
РЕГИСТР ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ
ПРИБЛИЖЕНИЙ РПП
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ПОСТОЯННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
15В
-15В
-15В
ИСТОЧНИК
ОПОРНОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
i
Uk
К
1
ОПТРОННАЯ РА
3 ВЯ ЗК А 1
¦ и и
ОМПАРАТОР
АПРЯЖЕНИЯ
\
U on
ЦАП
t UUan I
I
J входа 1-16. Uk
КОНТРОЛЬНЫ
HAl BTWlCl Иг
\
E
| АНАЛОГОВЫЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР
J
t i
ВХОД !
ВХОДНОЙ РАЗЬЕИ XT 1
U on
Рис. 4.2.6. Функциональная схема МПА
следить за информацией в седьмом разряде
слова регистра состояний. При появлении в
этом разряде единицы, что говорит об
окончании режима преобразования в АЦП, микро-
ЭВМ, выдавая сигналы ВУ, ВВОД, СИА,
обращается к модулю МПА по адресу РПП. При
формировании сигнала "Чтение" содержимое
РПП поступает на канальные
приемопередатчики цепей ДА @0 - 15). В этом режиме мик-
роЭВМ должна постоянно работать с
модулями МПА, ожидая сигнала "Готовность АЦП".
В режиме работы по прерыванию мик-
роЭВМ, записав в РгС адрес канала, по
которому необходимо считать информацию, и
единицу в шестом разряде ("Разрешение
прерывания"), может перейти на работу по другой
программе, ожидая сигнала ТПР ( требования
прерывания) от модуля МПА. По сигналу ТПР

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МИКРОПРОЦЕССОРНОГС УПРАВЛЕНИЯ
443
С
МАГИСТРАЛЬ МПИ
КАНАЛЬНЫЕ
ПЕРЕДАТЧИКИ
ЗАДАНИЕ
МОДУЛЯ
5 В
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ПОСТОЯННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
15В
-15В
-15 В
ИСТОЧНИК
ОПОРНОГО
ПИТАНИЯ
( Uon
КАНАЛЬНЫЕ
ПРИЕМНИКИ
If \
ЧТЕНИЕ
КАНАЛЬНЫЕ
ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКИ
ДЕШИФРАТОРЫ АДРЕСА И
УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ
/\
\/ XX
РЕГИСТР ПАМЯТИ
ДАННЫХ ЦАП
I ОПТРОННА ЯР А 3 В Я 3 К А |
V V \
\z
Ц А П 1
V \
VQ
r \
\z
Ц А П 8
и» и,
КОНТРОЛЬНЫЙ РАЗЬЕМ ХТ2
ВЫХОДНОЙ РАЗЬЕМ XT 1
Рис. 4.2.7. Функциональная схема МВА

444
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
микроЭВМ прерывает программу и вщдает
сигнал предоставления прерывания ППР1* по
которому из схемы логики прерывания в
канал микроЭВМ через цепи "адрес - данные"
выдается адрес вектора прерывания. В
соответствии с этим вектором микроЭВМ переходит
на программу обслуживания модуля МПА,
считывая из РгД цифровую информацию
преобразованного входного сигнала. По
окончании цикла считывания информации
микроэвм выдает сигнал "СБРОС", по которому
все узлы модуля МПА приходят в исходное
состояние.
Модуль выдачи аналоговых сигналов
МВА предназначен для передачи внешним
устройствам гальванически развязанных от
канала микроЭВМ аналоговых сигналов.
Основные технические характеристики МВА
Число выходных сигналов 8
Пределы изменения выходного
напряжения, В 0-10
Основная погрешность
преобразования, мВ ...... ± 10
Частота выдачи сигнала по
каждому выходу, кГц 10
Функциональная схема МВА приведена
на рис. 4,2,7.
Функции канальных
приемопередатчиков, дешифраторов адреса и управляющих
сигналов, источника опорного напряжения и
преобразователя постоянного напряжения
МВА аналогичны соответствующим
устройствам МПА. Регистр памяти данных ЦАП
предназначен для запоминания 12-разрядных
кодов данных.
Модуль работает в двух режимах: выдачи
аналоговых сигналов и контроля выдаваемой
информации. В режиме вьщачи аналоговых
сигналов микроЭВМ выдает на шину ДА@0 -
15) адрес модуля, в котором указывается и
адрес выбранного канала ЦАП. После
дешифрации адреса и его запоминания по команде
"ВЫВОД" выдается информация в РгД,
сигналы "Запись Ргд" и один из сигналов "Запись
1 - 8". Через оптронную развязку эти сигналы
и информация поступают на соответствующий
ЦАП, а затем после преобразования - на
выходной соединитель. При контроле
информации, записанной в РгД, микроЭВМ в режиме
"ВВОД" производит считывание этой
информации, контролируя тем самым исправность
МВА.
Рассмотренные модули УСО не
исчерпывают многообразия этих средств, Для
конкретных микропроцессорных СУ разработаны
различные устройства УСО: управления
приводом, тиристорами и т.п. Управляющими
микроэвм могут быть различные машины,
например серийно выпускаемые IBM PC, а
также построенные на базе однокристальных
ЭВМ.
4.2.3. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
ДИСКРЕТНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
УСТАНОВКАМИ И ГИБКИМИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ
ЛИНИЯМИ
Такие технологические процессы
производства изделий электронной техники, как вакуум-
но-ллазменное травление, магнетронное
распыление, лазерная обработка» диффузия, осаждение
из газовой фазы при пониженном давлении и
другие реализуются на соответствующем
технологическом оборудовании, различающемся
видами рабочих камер, устройствами обработки
изделий, транспортными системами,
вспомогательными механизмами. Однако СУ этим
оборудованием строятся по принципиально одинаковым
структурным схемам. Поэтому принципы
реализации СУ дискретными технологическими
установками целесообразно рассмотреть на примере
одного из самых сложных видов оборудования -
диффузионном.
Диффузионное оборудование. Этот вид
оборудования является наиболее
распространенным в производстве полупроводниковых
приборов и интегральных микросхем и
используется при создании в подложках
диффузионных областей, легированных примесями,
наращивании изолирующих слоев оксида и
нитрида кремния и т.п. (см. подразд. 2.6.5).
Диффузионное оборудование имеет
следующие особенности:
одновременно обрабатываются 50 -
150 пластин;
обработка производится при температуре
350 - 1300 °С;
реагенты подаются в зону обработки в
газообразном виде (кислород, фосфин, силан и
др.) или в виде паров (вода).
В диффузионном оборудовании можно
выделить два вида, различающихся
конструктивным исполнением:
с горизонтальным расположением
нагревательных камер и компоновкой в модули по
3-4 камеры с общей системой загрузки -
выгрузки;
с вертикальным расположением
отдельных нагревательных камер, обслуживаемых
единой транспортной системой.
В основном применяют первый вид
диффузионного оборудования.
Воспроизводимость процесса обработки
из-за отсутствия способов получения
информации о результатах обработки во время
проведения процесса обеспечивается только за
счет стабилизации таких параметров, как
время, температура @,25 - 3 вС), расход реагентов
A - 2 %), Кроме того , для обеспечения
минимального разброса параметров слоев эти
требования должны выполняться по
отношению ко всей зоне обработки. Например,
отклонение температуры в любых точках рабочей
зоны не должно превышать ± @,25 - 3) °С.
Это приводит к существенному усложнению

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
445
СУ температурой в диффузионном
оборудовании.
Подсистема управления температурными
режимами. В современных электропечах длина
рабочей зоны составляет 600 - 800 мм. При
этом для обеспечения малого разброса
параметров обрабатываемых пластин отклонение
температуры в пределах рабочей тепловой
зоны не должно превышать ± 0,5 °С для
процессов диффузии и ± 1 - 3 °С для процессов
наращивания эпитаксиалъных слоев.
На рис. 4.2.8 приведена схема
подсистемы регулирования температуры в рабочей зоне
электропечи. Сложность этой подсистемы
обусловлена многосвязностью и
инерционностью объектов управления» особенно при
использовании металлических реакторов, В этом
случае система управления для обеспечения
устойчивости и высокой точности
регулирования выполняется двухконтурной.
Внешний контур образуют
термоэлектрические преобразователи (ТЭП) ВК1-2, ,,.,
ВК-3-2, установленные вблизи
соответствующих секций нагревателя #1, ..,, /73, вторичные
измерительные преобразователи А1-2, ..., АЗ-
2, автономные регуляторы Р1, ,.., РЗ и блок
управления ВУ} который задает уставки U\, .,.,
щ.
Температура в каждой рабочей секции
устанавливается регуляторами Л, ,.., РЗ, для
чего к первому входу каждого регулятора через
вторичные измерительные преобразователи
А1-2, ..., АЗ-2 подключены ТЭП ВК1-2, ...,
ВКЗ-2. Для обеспечения одинаковых
температурных режимов в разных точках тепловой
рабочей зоны при изменении среднего уровня
температуры распределение температуры вдоль
тепловой зоны должно сохраняться. Для этого
вторые входы регуляторов крайних секций
подключены к выходу вторичного измеритель*
ного преобразователя А2-2 ТЭП центральной
секции. В этом случае напряжение с этого
преобразователя является заданием для
крайних регуляторов. Поэтому при изменении
температуры в центральной секции
нагревателя регуляторы его крайних секций на столько
же изменят температуру в этих секциях, а
распределение температуры вдоль рабочей
тепловой зоны останется неизменным.
БУ
Электропечь
и2
и,
нэсор
Реактор
А2-2
АЗ-3
ВК1-1
ВК2-1
>2
ВКЗ-1
>3
ВК1-2Л HI
^W^ WV\ W\A
ВН2-2Л H2
Г
А1-2
ЙН2|ВКЗ-2Л
1. JJil
А2-2
АЗ-2
Р2
РЗ
Рис. 4.2.8. Функциональная схема подсистемы регулирования температуры
в рабочей зоне диффузионной электропечи

446
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
Таким образом, внешний контур
обеспечивает управление распределением
температуры нагревателя вдоль тепловой рабочей зоны.
Вместе с тем, температура внутри реактора
отличается от температуры вблизи
соответствующих точек нагревателя. Поэтому внутри
реактора вводятся дополнительные ТЭП ВК1-
1, ..., ВКЗ-1, горячие спаи которых
располагаются в центре и по краям рабочей тепловой
зоны реактора. Сигналы щ9 Щ, Щ с этих ТЭП
через вторичные измерительные
преобразователи А1-1, ..., АЗ-1 подаются на входы БУ, где
преобразуются в код температуры,
сравниваются с заданным значением и формируются
уставки U\, ..., Щ на внешний контур
регулирования для поддержания требуемой
температуры в центре и по краям рабочей тепловой
зоны. Диапазон изменения уставок U\ и Щ -
О ... 1 В, a Ui - 0 ... 10 В. Различие в
диапазонах изменения установок обусловлено тем, что
уставка Ui задает значение температуры на
всех секциях нагревателя, а уставки U\> Щ
задают превышение температуры крайних
секций нагревателя по отношению к центральной.
Для создания одинаковой температуры во всех
точках тепловой рабочей зоны крайние секции
нагревателя должны иметь большую
температуру, чем центральная секция, для
компенсации дополнительного отвода теплоты через
торцовые поверхности реактора.
Распределение температуры нагревателя и реактора вдоль
тепловой рабочей зоны показано на рис. 4.2.9,
где Г, 2', У - точки установки ТЭП ВК1-2, ...,
ВКЗ-2; 1, ..., 3 - точки установки ТЭП ВК1-1,
..., ВКЗ-1.
Закон управления имеет особенность по
сравнению с широко распространенным
пропорционально-интегрально-дифференциальным
(ПИД) законом: интегральная составляющая
включается только при определенном
уменьшении погрешности регулирования.
u.Uj
У
Ч
2'
2 '
"г
н
Р
'Л
V
: ^
Рис. 4.2.9. Распределение температуры нагревателя A)
и реактора B) вдоль тепловой рабочей зоны
Подсистемы управления газовыми
потоками. Большинство технологических процессов
микроэлектроники использует реагенты в га-
зоообразном состоянии. При решении задачи
управления газовыми потоками необходимо
учитывать следующие особенности:
объект управления является
малоинерционным;
управление производится как
дискретными исполнительными органами, так и
автономными регуляторами;
газовая система современного СТО
обычно включает элементы вакуумной
подсистемы, что усложняет СУ.
Эти особенности накладывают ряд
ограничений на выбор структуры СУ. Так, из-за
малой инерционности объекта управления
практически исключается применение систем
централизованного управления. Поэтому во
всех подсистемах управления газовыми
потоками заданное значение расхода реагентов
поддерживается с помощью автономных
регуляторов расхода (см. подразд. 3.2.7).
На рис. 4.2.10 приведена
функциональная схема подсистемы управления газовыми
потоками установки осаждения легированных
слоев оксида кремния при пониженном
давлении. В рабочей зоне реактора ?п - 1^
расположены кремниевые пластины. Газ из реактора
откачивается вакуумным насосом через затвор
Yj. Давление в реакторе измеряется
вакуумметром Ж и регулируется регулятором Рв в
соответствии с заданием US, поступающим от
блока управления.
Газообразные реагенты продаются в
рабочую зону реактора через систему клапанов
Y\, ..., 1б и аналоговые регуляторы Р1, ...,
Р5, /7, Р%. Задание щ, ..., Щ на регуляторы
Ply ..., Р5 и команды Y\> ...9Y$ на клапаны
поступает от микропроцессорного блока
управления, а на регуляторы Р7 и PS - от
регулятора Р9. Кислород и азот подаются по
одной форсунке, а силан SiH4> фосфин РНз и
диборан ВгНб предварительно смешиваются в
коллекторе и подаются в реактор по
нескольким форсункам разной длины. Регуляторами
/7, ..., F9 поддерживается заданное отношение
расходов газовой смеси форсунок к расходу
через самую длинную форсунку. Это позволяет
управлять распределением концентрации
реагентов вдоль рабочей зоны реактора.
Аналоговые регуляторы работают
совместно с дискретными исполнительными
элементами (клапанами), которые подключают их
к источникам соответствующих реагентов. При
проведении технологического процесса в
подсистеме могут возникнуть отказы некоторых
элементов, обеспечивающих нормальное
проведение процесса (прекращение подачи
воды, отключение нагрева в скруббере,
отсутствие вытяжной вентиляции, разгерметизация

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
447
*¦ Р4
Y5
Y6
U6 01 U6
P6
1N
РЬ
х2
Ug щ
И1
Скруббер
Насос
П?Л=±
У1
SiH,
L и'
Yl
P1
ж,
Y2
1
—
Р2
Y3
Шп
-SI.
П
P7
P8
U7
РЕАКТОР
lH ПЛАСТИНЫ
¦3.:
И2
КОЛЛЕКТОР
Рис. 4.2Л0. Функциональная схема подсистемы управления газовыми потоками установки осаждения
легированных слоев оксида кремния при пониженном давлении
реактора и др.). В этом случае некоторые из
состояний подсистемы могут стать опасными
для обслуживающего персонала, привести к
аварии на оборудовании и другим
нежелательным последствиям. Для их предотвращения
подсистема снабжается дополнительными
датчиками xi, X2, Хз и устройствами защиты,
встраиваемыми в подсистему. Устройство
защиты из-за высоких требований к надежности
выполняются на элементах "жесткой" логики
(контроллерах на ПЗУ или на
программируемых логических матрицах).
Подсистемы управления транспортными
механизмами. Транспортные механизмы
бывают двух типов: 1) для перемещения
обрабатываемых пластин в пределах одной единицы
СТО (например, из зоны складирования в
зону обработки; 2) для перемещения пластин
между разными единицами СТО. Эти два типа
транспортных механизмов имеют
существенные различия. Первый из них является
принадлежностью СТО и имеет специфичные
конструкции. Транспортные механизмы
второго типа являются более универсальными,
отличаются большим диапазоном
перемещения изделий (например, вакуумно-транспорт-
ные устройства, построенные по
конвейерному принципу). Специфика транспортных
механизмов обусловливает особенности
построения их систем управления: транспортные
механизмы первого типа являются подсистемой
установки, а транспортные механизмы второго
типа имеют свою собственную и достаточно
сложную СУ.
Диффузионное оборудование оснащается
устройствами загрузки - выгрузки, каждая из
которых обслуживает один реактор
диффузионной электропечи. Система выполняет
следующие операции:
загрузку и выгрузку лодочек с
пластинами из реактора;
перегрузку лодочек с пластинами из
реактора в реактор;

448
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
транспортирование лодочек с пластинами
из реактора в зону складирования и обратно;
перегрузку пластин из кассеты в лодочку
и обратно;
регулирование скорости перемещения
загрузки - выгрузки.
СУ строятся в основном на базе
устройств "жесткой логики" (программируемых
логических контроллерах). В СУ скорости
используются аналоговые или цифровые
(микропроцессорные) регуляторы.
Системы управления гибкими
производственными линиями. СУ комплектами
оборудования вначале были простыми системами
сбора и регистрации информации, затем стали
управлять технологическими процессами, а в
настоящее время управляют гибкими
производственными линиями, участками и
системами с автоматизацией транспортных и
складских операций, оперативно-диспетчерской
системой управления и САПР.
В связи с современными
производственно-технологическими условиями изготовления
таких сложных ИЭТ, как БИС и СВИС к СТО
предъявляют новые системные и
конструктивные требования:
модульность построения оборудования;
приспособляемость конструкции
оборудования и его систем к автоматическому
управлению;
максимальная автоматизация функций
управления;
использование унифицированных
микропроцессорных средств и элементной базы
СУ, стандартного программного обеспечения;
встраиваемость в технологические
комплексы линии благодаря взаимодействию <со
смежным оборудованием, транспортными и
роботизированными технологическими
комплексами,
Первые гибкие производственные
участки и линии были созданы как на
отечественных предприятиях электронной
промышленности, так и за рубежом.
СУ одной из первых отечественных
гибких автоматических линий была
трехуровневой.
На первом уровне управления
производится управление технологическим
оборудованием, транспортными, накопительными
устройствами.
Второй уровень управления реализует
совместную работу СТО и вакуумо-транспорт-
ной системы.
На третьем уровне управления
осуществляется управление движением пластин от
накопителей длительного хранения к линии и
участкам СТО (фотолитографии,
диффузионному оборудованию и контроля).
СУ гибкой автоматической линии
выполняет следующие функции:
ввод и хранение маршрутов движения
пластин;
диспетчеризацию движения пластин;
управление движением пластин по
транспортной системе к технологическому
оборудованию и системе загрузки - выгрузки;
управление загрузкой пластин в
технологическое оборудование;
связь с СУ технологическим
оборудованием по каналу связи;
контроль за правильностью
функционирования технических средств и параметрами
технологических процессов.
4.2.4. ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
В производстве ИЭТ около 40 % затрат
приходится на измерительные и контрольные
операции. В состав технологических установок
входят информационно*измерительные
системы (ИИ С), обеспечивающие необходимое
качество измерения, контроля и
регулирования параметров технологических процессов.
Основным элементом любой
информационно-измерительной системы являются
датчики различных физических величин. От
их метрологических и эксплуатационных
параметров в значительной мере зависит
точность контроля и поддержания на заданном
уровне всей совокупности технологических
параметров, влияющих на качество
выпускаемых изделий.
Распределение объема измерений,
проводимых в процессе производства ИЭТ, по
различным параметрам приведено в табл.4.2.1.
К "прочим11 (п. 15) относятся такие
физические величины, как параметры пучков
заряженных частиц в различных системах электронной и
ионной оптики, концентрация механических
примесей в технологических средах, степень
адгезионной способности поверхностей элементов
конструкций обрабатываемых изделий,
оптические свойства материалов и временная
стабильность этих свойств и т.п.
Из данных, приведенных в табл. 4.2.1,
следует, что большая часть объема измерений
приходится на электрические и магнитные
измерения. Они выполняются на этапах
изготовления и выходного приемочного контроля
выпускаемых ИЭТ.
Измерение параметров, указанных в
п. 2 - 15 табл. 4.2.1, осуществляется на
технологическом оборудовании, применяемом для
изготовления ИЗТ. От качества измерений,
контроля и регулирования этих величин
зависит качество ИЭТ и воспроизводимость
параметров ИЭТ от партии к партии (стабильность
технологического процесса).

ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
449
4.2.1 Распределение объема измерений по различным параметрам
№
по
пор.
1
2
3
4
5
6
7
8
Определяемые
параметры
Электрические и
магнитные

Линейно-угловые
Химический
состав
Разрежение
газовых сред
Расход жидких и
газообразных
сред
Избыточное
давление
Температура
Параметры
механических
вибраций
Доля от общего
объема измерений,
%
70
10
5
5
3
2
2
0,8
№
по
пор.
9
10
11
12
13
14
15
Определяемые
параметры
Перепад
давления
Малые силы
(< 1000 Н)
Напряжения в
материалах
Относительная
влажность
Линейные
ускорения
Большие силы
(> 1000 Н)
Прочие
Доля от общего
объема измерений,
%
0,6
0,5
0,2
0,2
ОД
0,1
0,5
Основные требования к датчикам.
Датчик - средство измерений, предназначенное
для выработки сигнала измерительной
информации в форме, удобной для передачи,
дальнейшего преобразования, обработки и (или)
хранения, но не поддающейся
непосредственному восприятию наблюдателем.
В табл. 4.2.2 приведен перечень
показателей качества датчиков.
Основные показатели качества датчиков,
представленные в табл. 4.2.2, следующие:
диапазон измерения - область значений
измеряемой величины, для которой
нормированы допустимые погрешности средства
измерения;
предел измерения - наибольшее или
наименьшее значение диапазона измерения;
чувствительность - отношение изменения
сигнала на выходе датчика к вызывающему его
изменению измеряемой величины;
порог чувствительности - значение
входной измеряемой величины, при котором
относительная погрешность измерения равна
100 %;
погрешность измерения - отклонение
значения измеряемой величины от ее
истинного значения;
абсолютная погрешность измерения -
погрешность измерения, выраженная в
единицах измеряемой величины;
относительная погрешность измерения -
отношение абсолютной погрешности
измерения к истинному значению измеряемой
величины. Относительная погрешность может быть
выражена в процентах;
приведенная погрешность - отношение
абсолютной погрешности к нормирующему
значению, под которым понимается верхний
предел измерения или диапазон измерения;
основная погрешность средства
измерений - погрешность средства измерения;
применяемого в нормальных условиях;
дополнительная погрешность -
изменение погрешности средства измерения,
вызванное отклонением одной из влияющих величин
от ее номинального значения;
рабочие условия применения средств
измерений - условия, при которых значения
влияющих величин находятся в пределах
рабочих (оговоренных в ТУ на средство
измерений) областей;
влияющая физическая величина -
величина, не являющаяся измеряемой данным
средством измерений, но оказывающая
влияние на результаты измерений, полученных с
применением этого средства;
вероятность безотказной работы P(J) —
— N(f)/ny где N(t) - число изделий,
оставшихся работоспособными до наработки ty n -
число изделий, первоначально поставленных на
испытания;
15 За к. 7(i9

450
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
4.2.2. Показатели качества датчиков
Показатели
1. Метрологические показатели:
1.1. Диапазон измерения
1.2. Верхний предел измерений
1.3. Нижний предел измерений
1.4. Порог чувствительности
1.5. Чувствительность
1.6. Погрешность измерений
абсолютная
относительная
приведенная
1.7. Дополнительная погрешность,
обусловленная воздействием влияющих
факторов (температура, относительная
влажность, давление, вибрационные и ударные
перегрузки)
2. Вид функции преобразования
3. Вид выходного сигнала
4. Габаритные размеры
5. Масса
6. Показатели надежности:
6.1. Вероятность безотказной работы
6.2. Сохраняемость
6.3. Средняя наработка на отказ
6.4. Время между калибровками
6.5. Взаимозаменяемость
7. Уровень освоения промышленного
производства датчика
8. Стоимость
Количественная или качественная оценка
От -A^nin Д° ^тах № - текущее значение
измеряемой величины)
Дтах
До - абсолютное значение
S = dy/dx, где у - выходная измеряемая
величина; х - входная измеряемая величина
А
Y = A/JT;
уп = ДАпах;
(у и Уп обычно в %)
yg - в % приведенной погрешности на
единицу воздействующего факгорова
Линейная, нелинейная
Аналоговый (/, U),
частотно-модулированный, цифровой
L х Ь х h или L х 0,
(X, Z>, Л, 0 - длина, ширина, высота,
диаметр, мм)
/и, кг
p(t),[O<p(t)<l]
/, год
Тк> год
Полная; полная с необходимостью
регулировки; индивидуальная
Серийный выпуск, мелкие партии,
единичные образцы
С, руб.

О gonr
Рис 4.2.11. Графики зависимости между
(С.),
погрешностью средства измерений, и суммарной
стоимостью затрат (Се) при i
конкретного датчика с нормнрс
ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПТОЦЕССАМИ
сохраняемость - свойство изделия
сохранять обусловленные эксплуатационные
показатели в течение и после срока хранения и
транспортирования, установленного в
технической документации;
средняя наработка на отказ - среднее
значение наработки изделий в партии до первого
отказа;
время между калибровками - временной
интервал, обычно исчисляемый в месяцах или
годах, в пределах которого с заданной
доверительной вероятностью гарантируется, что
метрологические характеристики средства измерения
останутся в нормируемых и заранее оговоренных
в технической документации пределах;
полная взаимозаменяемость -
возможность замены отказавшего средства измерения
другим такого же типа без последующих
операций регулировок его выходного сигнала.
При выборе типов датчиков, которые
предполагается использовать в системах
измерения, контроля и регулирования параметров
технологического процесса необходимо
интегрально оценить всю совокупность
показателей, приведенных в табл. 4.2.2 в стоимостном
выражении. В этом случае выбор конкретного
типа датчика осуществляют исходя из
минимальной стоимости при соблюдении условий
нахождения каждого из показателей качества
датчика в заданных допустимых пределах.
Установление точных аналитических
зависимостей между каждым из показателей качества
датчиков и его суммарной стоимостью требует
проведения большого объема исследований и
не всегда осуществимо. В связи с этим на
практике используется обобщенная
математическая модель "стоимость-точность":
С = А + В/ур,
где Ау 2?, Р - постоянные, которые для
каждого типа датчиков имеют свои значения; у -
основная приведенная погрешность датчика, и
модель зависимости потерь Q, в условных
единицах или денежном выражении,
обусловленных производством измерений или
контроля с погрешностью у вида
где Ку N, R - постоянные, обусловленные
рядом технологических факторов.
Графическая интерпретация нахождения
функции Cs = С + Сп представлена на
рис. 4.2.11 в виде графиков зависимости
между составляющими суммарной стоимости
затрат.
Аналогичным образом можно построить
зависимости "стоимость получения требуемого
уровня надежности датчика - показатель
надежности (например 7^) - стоимость потерь,
обусловленных отказом датчика в процессе
функционирования оборудования".
451
основной приведенной погрешности у
Задача нахождения глобального
минимума стоимости с учетом всех показателей
качества датчика достаточно сложна из-за
отсутствия точной информации о числовых
значениях постоянных типа А, В, Р, К, N, R
В связи с этим выбор типа датчика из
ряда удовлетворяющих требованиям
разработчика практически осуществляется на основе
критерия "стоимость-точность", а учет всех
остальных показателей качества производится
на основе опыта и интуиции разработчика
систем измерения, контроля и регулирования.
Общие схемы построения датчиков. Для
получения информации о значении
неэлектрических величин используют различные
физические принципы преобразования.
Датчик для измерения конкретной
неэлектрической величины состоит из ряда
измерительных преобразователей, соединенных
по схемам последовательного, параллельного
или уравновешивающего преобразования.
В датчиках, построенных по схеме
последовательного преобразования, измеряемая
физическая величина поступает на вход
первого измерительного преобразователя,
называемого первичным; выходной сигнал
первичного преобразователя является входным для
второго измерительного преобразователя, и
т.д. В каждом измерительном преобразователе
используется какая-либо конкретная физическая
закономерность, связывающая входную и
выходную величину строгой функциональной
зависимостью. Чувствительность Этакого датчика
определяется произведением чувствительности всех
входящих в него преобразователей:
п
S = SiS2...Si...Sn_1Sn =
15*

452 Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
а) б) в)
Рис 4.2.12. Функциональная (в), электрическая (б) и структурам (в) схемы тензометрвче
Но
—>
Р
—>
Рис. 4.2.13. Структурная схема датчика уравновешивающего преобразования
Типичным .датчиком с параллельным
включением преобразователей является датчик
сил (веса), состоящий из упругого
чувствительного элемента в виде балки консольного
типа 1 (рис. 4.2.12, а), на верхнюю и нижнюю
поверхности которой наклеены идентичные по
параметрам тензорезисторы 2-5,
соединенные в мостовую измерительную схему.
Тензорезисторы скоммутированы таким образом
(рис. 4.2.12, б), что выходной сигнал моста
С^зых, обусловленный воздействием входной
измеряемой силы JF9 будет в 4 раза больше
сигнала с конструкции, где на балке
расположен лишь один тензорезистор. Измеряемая
сила /'воздействует на первичный
преобразователь датчика - балку 1 (рис. 4.2.12, в). При
изгибе балки в области наклейки тензорези-
сторов появляется упругая деформация,
имеющая разные знаки на верхней и нижней
плоскостях. При этом у тензорезисторов 2-5
получают приращение сопротивления разных
знаков, а в измерительной мостовой схеме 6
происходит суммирование эффектов от
изменения сопротивлений всех четырех
тензорезисторов.
В тех случаях, когда допустимая
погрешность измерения неэлектрической величины
не должна превосходить 0,05 - 0,25 %,
применяют датчики уравновешивающего
преобразования (рис. 4.2.13). В отличие от ранее
рассмотренных схем в схеме этого датчика
имеются две цепи преобразования: 1) прямого
преобразования, куда входят последовательно
включенные преобразователи с чувствительно-
стями S\9 «S2, ..., Sj; 2) обратного
преобразования, которая включает в себя обратный
преобразователь с чувствительностью Р и может
состоять из нескольких измерительных
преобразователей, охватывая любое число
преобразователей, находящихся в цепи прямого
преобразования.
Функция преобразования датчика с
уравновешивающим преобразованием имеет вид
где 7и Х- координаты;
- чувствительность цепи прямого
преобразования, не охваченной цепью обратного
преобразования; So = «S2 ... «S/_i«S/ -
чувствительность цепи прямого преобразования,
охваченной цепью обратного преобразования.
Погрешность такого датчика можно
представить в виде
где у - погрешность цепи прямого
преобразования; уо - погрешность цепи обратного
преобразования.
При 5ор > 1 уд « у0, т.е. погрешность
измерения определяется в основном
погрешностью цепи обратного преобразования.
Выпускают датчики сил и давлений с
уравновешивающим преобразованием, в которых в

ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
45*
качестве обратного преобразователя
используется магнитоэлектрический механизм. Лучшие
типы таких датчиков имеют основную
приведенную погрешность порядка 0,01 % - 0,05 %.
Физические принципы преобразования
измеряемых неэлектрических величин. Несмотря
на широкую номенклатуру датчиков,
выпускаемых промышленностью для измерения
неэлектрических величин, число физических
принципов преобразования, положенных в
основу их работы, значительно меньше общего
числа измеряемых неэлектрических величин.
В датчиках линейных перемещений
используются электромагнитные
преобразователи, в которых измеряемое перемещение
преобразуется в индуктивность или
взаимоиндуктивность обмоток; такие преобразователи
называют индуктивными, или
трансформаторными. Измеряемое перемещение может
преобразовываться в соответствующее значение
емкости путем изменения зазора между
обкладками конденсатора. Такие
преобразователи называют емкостными.
Реостатные преобразователи позволяют
получить функциональную зависимость между
сопротивлением реостата и входным
перемещением, воздействующим на его движок.
Частым случаем реостатных преобразователей
являются контактные преобразователи,
имеющие релейную характеристику.
Оптоэлектронные преобразователи
линейных перемещений реализуются на
различных физических принципах: интерференции,
модуляции светового потока, идущего от
источника излучения к приемнику, с
использованием точных оптических шкал, кодовых
линеек или дисков, различных световодов.
Принцип действия резонаторных
датчиков линейных перемещений основан на
изменении одного из параметров электрического
или электромеханического резонатора при
воздействии измеряемого перемещения,
например на изменении емкости конденсатора
резонансного LC-контура, включенного в
качестве частотозадающего элемента в схему
электронного автогенератора. В этом случае
измеряемое перемещение приводит к
изменению емкости LC-контура, а, следовательно, и
к изменению частоты выходного
электрического сигнала автогенератора.
В датчиках избыточного давления
измеряемое давление воздействует на упругий
измерительный преобразователь, выполненный в
виде плоской или гофрированной мембраны,
витой пружины или сильфона. Измеряемое
давление преобразуется в линейное или
угловое перемещение упругого элемента, которое
затем преобразуется в электрический сигнал с
применением одного из преобразователей,
используемых в датчиках линейных
перемещений.
Для получения информации о значениях
виброускорений, виброскоростей, ударных
ускорений широко применяются
пьезоэлектрические и индукционные преобразователи.
В большинстве датчиков температуры
используются термоэлектрический и терморе-
зистивный эффекты.
В табл. 4.2.3. приведены параметры
датчиков неэлектрических величин, полученные в
результате обобщенного анализа.
Номенклатура выпускаемых датчиков
многих неэлектрических величин позволяет
охватить достаточно широкий диапазон
измерений.
Однако для измерения ряда параметров,
специфических для производства ИЭТ,
приходится разрабатывать уникальные датчики и
измерительные приборы, например для
определения толщины осажденной в вакууме на
поверхность изделия тонкой пленки, глубины
залегания диффузионного слоя, качества
адгезии материала, нанесенного на поверхность,
малых расходов газов, концентрации
примесных элементов в газе-носителе, уровня
запыленности технологической среды, наличия
течей в вакуумных системах и в ИЭТ,
параметров ионных пучков, используемых для
легирования и т.п.
4.2.3. Параметры серийно выпускаемых датчиков неэле
Определяемые
параметры
Линейные
перемещения
Угловые
перемещения
Химический состав
Диапазон
измерений
От 0,06 мкм
до 30 м
От 10'
до 360° х /1,
где п - любое
целое число
0 - 100 %
Основная приведенная
погрешность измерений
0,01 - 2 %
2'-2°
1-10%
ктрических величин
Тип датчика или
вид преобразования
Оптический, емкостной,
индуктивный, резонаторный
Оптический, индуктивный,
трансформаторный
Масс-спектрометрический,
терморезистивный

454
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
Определяемые
параметры
Давление
Расход жидких и
газообразных сред
Избыточное
давление
Температура
Параметры
вибраций (амплитуда,
виброускорение,
виброскорость)
Перепады давления
Малые силы
Механические
напряжения в
материалах
Относительная
влажность
Линейные
ускорения
Большие силы
Диапазон
измерений
10"9 - 105 Па
От 1 см3/мин
до 103дм3/мин
105 - 107 Па
73 - 3000 К
От 0,1?
до 10 OOOg,
где ?="9,81 м/с2
0,1 - 106 Па
0,01 - 1000 Н
Для длины
от 10'Ч0
до Ю-^о,
где ?q - база
измерения
0 - 100 %
0,01 - Ю15 м/с2
103 - 105 Н
Основная приведенная
погрешность измерений
15-
0,5-
0,15
0,05
5-
0,25
0,06
0,2-
5-
од-
0,2
60%
2,5%
-2,5%
-6%
20%
-2,5%
-2%
- 15%
20%
¦ 10%
-2%
Продолжение табл. 4.2.3
Тип датчика или
вид преобразования
Деформационный,
тепловой, ионизационный,
магнитно-разрядный
Ротаметрический, термо-
анемометрический,
тепловой, тахометрический,
перепад давлений на дросселе
Деформация механических
упругих элементов
Терморезисторный,
термоэлектрический, оптический
Пьезоэлектрический,
индукционный, элекгретный
Деформация механических
упругих элементов
Деформация упругих
элементов
Пьезорезистивный,
оптический
Сорбция молекул воды,
точка росы, терморезистив-
ный
Деформация упругих
элементов
Магнитоупругий,
деформация упругих элементов
Перспективы совершенствования
датчиков. Одним из путей повышения
эффективности производства ИЭТ является применение
высокоточных и надежных датчиков,
позволяющих существенно уменьшить отклонения
параметров технологических процессов от
заданных.
В связи с этим требования к точностным
характеристикам датчиков многих не^электри-
ческих величин непрерывно возрастают. В то
же время точностные характеристики
датчиков, серийно выпускаемых промышленностью,
за последнее десятилетие в среднем
улучшились на 10 - 20 %. Это объясняется тем, что
совершенствование метрологических
характеристик в основном происходит за счет
совершенствования материалов и некоторых
конструктивных элементов датчиков, использования
нетрадиционных для приборостроения
физических принципов преобразования.
Примером являются высокоточные
полупроводниковые датчики, изготовляемые с
использованием технологии и материалов
микроэлектроники (см. подразд. 5.2.3).
Одним из перспективных направлений
является создание интеллектуальных датчиков
для измерения неэлектрических величин со
встроенным устройством самокалибровки.
Принцип их действия поясняется на примере
мембранного датчика давления (рис. 4.2.14).

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
455
Гофрированная мембрана 1 закреплена в
корпусе 2 датчика. Внутрь корпуса подается
измеряемое давление р. Прогиб мембраны
преобразуется в индуктивное сопротивление
обмотки 3, внутри которой перемещается сердечник
4. Для проверки чувствительности датчика груз
5 массой т опускается в коническое седло 6,
жестко соединенное с центром мембраны.
Опускание груза на седло осуществляется за
счет прогиба пьезоэлемента 7 после подачи на
его электроды управляющего напряжения. Ход
конца пьезоэлемента достаточен для того,
чтобы груз 5 лег на седло, а гибкая нить 8 имела
при этом прогиб. Тогда на центр мембраны
будет воздействовать сила F = mg, где g -
ускорение силы тяжести. При этом центр
мембраны прогибается на определенное
расстояние, что приведет к изменению
индуктивности обмотки 3. Бели параметры мембраны
изменились (например уменьшилась ее
эффективная толщина вследствие окислительных
процессов), прогиб ее центра под действием
силы F будет другим, что можно определить
по величине выходного сигнала индуктивного
датчика. Микропроцессор (МП) такого
интеллектуального датчика вычисляет отклонение
чувствительности датчика от номинального
значения и автоматически осуществляет
коррекцию выходного сигнала датчика.
Перспективным направлением является
создание датчиков неэлектрических величин
на основе микромеханических резонаторов,
получаемых с использованием технологии
микроэлектроники, так как они имеют весьма
малые погрешности измерения, низкую
стоимость и широкую область применения.
МП
Рис. 4.2.14. Функциональная схема датчика с
автоматической коррекцией чувствительности:
1 - гофрированная мембрана; 2 - корпус датчика;
3 - обмотка индуктивного преобразователя
перемещений; 4 - ферромагнитный сердечник;
5 - груз; 6 - седло; 7 - пъезоэлемент; 8 - гибкая нить;
9 - механический арретир груза J;
УС - электронный усилитель; МП - микропроцессор
4.2.5. ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Программное обеспечение (ПО)
развитых микропроцессорных систем
автоматического управления (МП САУ) должно быть
хорошо структурировано и строиться как ряд
взаимно охватывающих оболочек. Это
облегчает написание и отладку отдельных элементов
управляющей программы, обеспечивает
переносимость программ и позволяет
распараллеливать работы по созданию ПО, что в итоге
сокращает сроки разработки и повышает
качество работ.
Методы и средства программирования
контроллеров различны для сложных
центральных контроллеров, занимающих третий -
пятый иерархический уровень в системе
управления гибким производством и
специальных локальных контроллеров первого
уровня, управляющих отдельным достаточно
автономным устройством. Центральные
контроллеры третьего - пятого уровня должны
иметь развитый и сложный человеко-
машинный интерфейс (Man Machine Interface
MMI) и предназначены в основном для
выполнения супервизорных функций АСУ ТП.
Такие контроллеры могут работать в "мягком"
реальном времени, они непосредственно не
определяют параметры конкретной
технологии, а лишь переопределяют уставки
(заданные параметры) процессов. Для
программирования и поддержки выполнения
управляющих программ таких контроллеров
применяют универсальные (C++, Delphi и др.)
или специализированные объектно-
ориентированные языки среды (Genesis, Genie
и др.) и универсальные (UNIX, OS/2, Windows
NT) либо специализированные (QNX, OS-9000
и др.) операционные системы.
Ядром ПО являются машинные коды,
организующие элементарные операции
взаимодействия с объектом. На этом уровне
реализуются операции дискретного (ДК) и
аналогового (АК) контроля и управления
(соответственно ДУ и АУ). Это контроль,
установка и сброс отдельных битов,
непосредственно связанных с объектом управления,
проведение аналогово-цифрового и цифро-
аналогового преобразования и ряд других
неизменных утилит, которые обычно зашиваются
в постоянное или репрограммируемое
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или
РПЗУ). Аналогом такого ядра является система
BIOS персональных компьютеров клона PC.
На втором уровне находится слой
базовой операционной системы (БОС). Такой слой
бывает явно выражен и развит у
универсальных и специализированных контроллеров,
выпускаемых серийно, таких, как семейства
ОРИОН, РЕМИКОНТ, ЛОМИКОНТ, УТК и
др. Из зарубежных в качестве примера можно
привести свободно программируемые
контроллеры фирмы Simens или семейство SPS
Festo фирмы Festo и др.

456
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
Для блочных контроллеров клона IBM
PC такой слой создается автоматически при
разработке программ пользователя в какой-
либо специализированной системе
программирования.
В этом слое реализуются следующие
функции:
1) поддержка выполнения программ
пользователя. Система в современных
развитых контроллерах реализует процессный
подход к программированию и поддерживает
многозадачность при выполнении программ
пользователя.
Многозадачность реализуется за счет
согласованного параллельного или
квазипараллельного, при наличии единственного
микропроцессора в контроллере, выполнения
программ. Управляющая программа состоит из
отдельных процессов, объединенных единой
физико-химической природой и,
следовательно, едиными переменными. Процесс
разделяется на отдельные кванты - непрерывно
выполняющиеся части программы.
Различают исключающую
многозадачность, когда отдельные кванты процесса
запускаются принудительно диспетчером
системы, и корпоративную многозадачность, когда
кванты сами передают управление диспетчеру,
а он анализирует очередь квантов и запускает
тот, условия запуска которого выполнены.
Корпоративная многозадачность связана с
уменьшением потерь времени и памяти на
переключение и используется в системах
управления отдельными технологическими
машинами чаще.
В сложных системах автоматического
управления, когда обрабатываются большие
массивы информации, применяют обычно
какие-либо операционные системы реального
времени общего назначения (UNIX, OS2,
Windows, NT), либо специализированные
операционные системы и среды реального
времени, в которых используется исключающая
многозадачность. Такие системы и среды
защищают отдельные задачи от взаимного
несанкционированного изменения данных.
Кроме поддержки многозадачности слой
БОС содержит и подключает библиотеку
стандартных процедур и функций (БСП), которая
включает унифицированные, наиболее
употребляемые подпрограммы: арифметических
операций; обработки условий; регулирования
и т.п. Подразумевается, что состав БСП
должен развиваться, дополняться новыми
программами;
2) защита от программных и аппаратных
сбоев. Если напряжение на линии питания
контроллера падает ниже некоторого
допустимого значения, генерируется системное
прерывание, по которому содержимое
резидентной памяти микроконтроллера копируется в
специальную зону энергонезависимого ОЗУ.
При дальнейшем падении генерируется
системный сброс, и при повторном включении
питания система способна восстановить свое
состояние и продолжить выполнение
управляющей программы, если это необходимо.
Для защиты от программных сбоев обычно
предусматривают систему WD (Watch Dog). При
правильной работе система периодически
генерирует сигнал WDI, фронтом или срезом
которого сбрасывается WD-таймер супервизорной
схемы, защищающей микроконтроллер от
программных и аппаратных сбоев. Если система
потеряет управление и сигналов WDI не будет,
генерируется сброс микроконтроллера и
программа возвращается в БОС;
3) поэтапная отладка программного
обеспечения. БОС поддерживает ввод
программ в ОЗУ, их пошаговое исполнение,
вывод содержимого регистров и трассировку
переменных на каждом шаге, ввод точек
останова.
На третьем уровне находится слой
программ пользователя (ПП), который содержит
набор программ для реализации основных
целевых функций САУ, функций коррекции
цели и сервисных функций. Основные целевые
функции поддерживают управление
технологическим процессом, функции коррекции
цели - перепрограммирование цикла,
сервисные функции обеспечивают условия для
оптимального протекания технологии,
поддерживают безотказность, ремонтопригодность и
долговечность технологической машины.
В четвертом уровне содержатся
параметры настройки программ пользователя,
обеспечивающие реализацию конкретных
технологических режимов обработки. Этот слой
создается при реализации функций коррекции цели и
существует, когда такие функции
предусмотрены.
Для создания каждого слоя служат
конкретные языки и способы программирования.
Это языки системного программиста,
создающие ядра и слой БОС, языки прикладного
программиста, создающие слой прикладных
программ и языки оператора технологической
машины, создающие слой параметров
настройки управляющей программы.
Языки системного программиста. Ядро и
слой базовой операционной системы пишется
обычно на ассемблере конкретного
микропроцессора или однокристального
микроконтроллера или, если имеется соответствующий
компилятор, используется язык С. Этим
занимаются системные программисты, в прикладных
работах эти слои обычно не разрабатываются, а
используются готовыми. Они либо поставляются в
составе базового программного обеспечения
универсальных или специализированных
контроллеров широкого применения, либо в основе этих
слоев используются базовые операционные
системы соответствующих микроконтроллеров,
например RMX-51 микроконтроллеров семейства
MCS-51 или ЖМХ-96 микроконтроллеров
семейства MCS-96 фирмы Intel.

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ
457
Языки прикладного программиста. Для
создания слоя прикладных программ
пользователя (третьего слоя программного
обеспечения САУ) используют обычно языки,
ориентированные на программирование
контроллеров конкретных семейств. Эти языки можно
разделить на три группы: универсальные,
специализированные и специальные языки
программирования контроллеров.
Универсальные языки. Ассемблер, как
язык, реализующий все возможности
микропроцессора, позволяет создавать слой
прикладных программ, но ввиду высокой
трудоемкости его применяют обычно для
разработки программного обеспечения специальных
контроллеров, программируя обычно сразу
ядро, слои БОС и ПП. Часто используется
ассемблер с диспетчером времени, т.е.
ассемблер, дополненный процедурами переключения
квантов рабочей программы, позволяющий
легко реализовать квазипараллельность
выполнения отдельных процессов (участков
программы). Если имеется соответствующий
компилятор, используется язык С.
Специализированные языки. За основу
берется какой-либо язык высокого уровня
общего применения, например Бейсик, Паскаль
или С, который дополняется рядом
специальных функций. Вводятся операторы,
позволяющие реализовать связь с объектом и
осуществлять аналоговый и дискретный контроль
и управление, процедуры, позволяющие
организовать квазипараллельное выполнение
отдельных процессов и ряд библиотечных
процедур, обеспечивающих типовые законы
управления. Пример описания типового
процесса подъема температуры с заданной
скоростью в технологической печи для языка
Паскаль-квант с неявным квантованием приведен
ниже.
Temp, Nagr: Channel;
Process NAGREV;
Var T, Tmax, dT, Tf, Up, Tint, Tdif: real; {T, Tmax - заданная, максимальная и}
{приращение температуры, Tf - фактическая температура,}
{Up - управление, Tint, Tdif - постоянные времени}
{Аппаратные переменные, связанные с}
{измерителем температуры и регулятором напряжения}
begin
while T < Tmax do
begin
T := T + dT; {Рассчитать заданную температуру}
Tf := control (Temp); {Измерить фактическую по каналу}
Up := PID (TF, Tint, Tdif); {Рассчитать управление}
regular (Up, nagr); {и выдать значение по каналу nagr}
wait_T B0,1) {Ждать 20 секунд с приоритетом 1}
{Пока заданная температура меньше максимальной}
end;
end.
stop
{Окончить процесс, когда температура достигнута}
Здесь квант процесса получает доступ к
обработке в течение каждых 20 с приоритетом
1 и включает в себя набор действий,
ограниченных системными операторами wait (ждать).
После достижения максимальной температуры
процесс прекращается (stop). Особенно удобны
компилирующие языки, генерирующие
промежуточный код на ассемблере. Создав таким
образом хорошо структурированную основу,
программист оптимизирует программу, что
избавляет его от рутинной работы и позволяет
создавать программы, по эффективности
близкие к созданным на ассемблере.
Для контроллеров клона IBM PC
разработаны эффективные системы
программирования при поддержке DOS, например RTK
(Real Time Kernel) или Windows (Genie).
Специализированные языки. Их
используют обычно разработчики САУ, желающие
использовать свои знания и опыт, накопленные
при разработке систем, не содержащих
микропроцессорных контроллеров, и не имеющие
опыта программирования на алгоритмических
языках общего применения.
Графический язык контактно-релейных
схем предназначен для разработчиков МП
САУ, имеющих большой опыт разработки
контактно-релейных систем. Программа на
этом языке изображается в виде электрической
схемы, состоящей из набора цепей,
включающих реле, кнопки и контакты. Эти цепи
подают питание на исполнительные механизмы.
Все цепи в процессе работы программы
поочередно моделируются, и, если состояния
элементов схемы и внешние условия
позволяют исполнительному механизму срабатывать,
он включается. Таким образом реализуется
типовое отношение "условие - действие",
положенное в основу управляющей программы.
Вся управляющая программа разбивается на ряд
шагов, описывающих отношение "условие -
действие", после окончания очередного действия
система переходит к следующему шагу, и так
до завершения цикла.

458
Глава 4.2. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ
Графический язык логических схем
изображает управляющую программу как
автоматный граф. Каждый шаг программы
изображается в виде прямоугольника, в котором
приводятся название шага и его номер. Сверху
к прямоугольнику подводятся стрелки
(сигналы), формирующие связи с
предыдущими шагами. Приводятся условия срабатывания
шага, описываемые логическими (или
другими) выражениями. В сторону отводятся
стрелки, характеризующие действия, выполняемые
на данном шаге.
Язык AWL представляет собой
алгоритмический язык логического
программирования. Основной структурной единицей языка
является блок, содержащий служебные слова
ЕСЛИ - ТОГДА - ИНАЧЕ, разделенные
соответственно описаниями условий и действий.
Условия описываются
арифметико-логическими выражениями. Имеются безусловные и
условные переходы и вызовы модулей,
программируемые задержки времени с
дискретностью 0,01 с, средства переключения блоков для
организации многозадачности при исполнении
управляющей программы.
Способы программирования. Работы по
созданию слоя параметров настройки
технологической машины должен проводить
основной ее пользователь - оператор, хорошо
знающий технологический процесс,
реализуемый на ней, но не обязанный знать
технологию программирования. Языки и способы
программирования здесь прежде всего должны
быть ориентированы на знания и умение
оператора. Различают следующие виды
программирования: централизованное; с внешнего
носителя информации; диалоговое; в режиме
ручного управления; в режиме ручной
проводки; со специального пульта.
Централизованное автоматическое
программирование. Здесь параметры настройки
либо вся управляющая программа передается в
оперативную память контроллера по каким-
либо телекоммуникационным каналам. Чаще
всего используют последовательный канал
контроллера, либо локальную цеховую сеть.
Программирование с внешнего носителя
информации. Параметры настройки
управляющей программы загружаются с какого-либо
внешнего носителя информации: перфоленты
(используется только в старом оборудовании),
магнитной ленты, гибких магнитных дисков,
магнитных карточек и других носителей
информации, сопровождающих партии
полуфабрикатов. Основные проблемы заключаются в
автоматизации записи информации на
носитель. Используют специальные драйверы для
записи технологической настроечной
информации с технологической документации,
разработанной в ACAD, PCAD и других
универсальных и специальных пакетах программ
разработки изделий машиностроения и
электронной техники.
Диалоговое программирование. Задание
параметров настройки ведется в диалоге
оператора и системы управления. Для организации,
диалога чаще всего используется дисплей и
клавиатура. Система последовательно задает
серию вопросов, а оператор отвечает на них,
вводя настроечные параметры, при этом
система проверяет их значения на допустимость.
Часто для поддержания технологической
дисциплины диалог ведется на двух уровнях:
диалог технолога и диалог оператора. Первый
определяет набор операций и уровень
варьирования параметров, второй уточняет
параметры настройки в заданных границах
варьирования.
Программирование в режиме ручного
управления. Оператор вручную управляет
установкой, при этом программа обучения следит и
запоминает действия машины, создавая
параметры настройки технологии. Например,
оператор вручную разваривает кристалл
микросхемы на установке автоматической разварки.
Сначала он указывает на реперные точки
кристалла, и система запоминает их эталонные
координаты, затем поочередно приваривает
контактные площадки кристалла к выводам, и
система запоминает координаты и режимы
сварки в каждой точке. Затем в режиме
автоматической сварки САУ сама определяет
координаты реперных точек кристалла, находит
смещение и разворот развариваемого
кристалла относительно эталонного, корректирует
координаты точек разварки и производит
сварку, компенсируя погрешности
базирования выводной рамки и кристалла.
Программирование в режиме ручной
проводки. Оператор не управляет* установкой с
пульта, а вручную перемещает ее рабочие
органы, например, краскопульт покрасочного
робота» Система фиксирует все параметры
траектории и затем воспроизводит их в
автоматическом режиме.
Программирование со специального пульта.
Параметры настройки технологии
устанавливаются оператором на пульте управления.
Дискретные и целые величины
устанавливаются многопозиционными переключателями,
реальные - потенциометрами. Перед началом
очередного технологического цикла состояния
органов управления на пульте считываются
системой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматизация технологического
оборудования микроэлектроники: Под ред.
А. А. Сазонова. М.: Высшая школа, 1991. 334 с.
2. Корнилов Р. В., Сандеров В. Л. Расчет
комплексов оборудования микроэлектроники.
М.: Энергия, 1979. 104 с.
3. Микропроцессорное управление
технологическим оборудованием
микроэлектроники: Учеб. пособие: Под ред. А. А. Сазонова.
М.: Радио и связь, 1988. 264 с.

Часть II
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Раздел 5
ТЕХНОЛОГИЯ И
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Глава 5.1
ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
5.1.1. ВИДЫ И РЕЖИМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ПАРАМЕТРЫ ОБОРУДОВАНИЯ
В микроэлектронике монокристаллы
элементарных полупроводников, в частности
кремния, т также полупроводниковых
соединений Аш-Ву и АИ-В^ чаще всего
используются в качестве подложек для последующего
создания на них различных
полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Переход к субмикронным (десятым и
сотым долям микрометра) размерам элементов
делает исключительно важной проблему как
качества исходных монокристаллов, так и
совершенствования технологических процессов
механической обработки монокристаллов.
Задача состоит не только в сохранении после
всех этапов механической обработки качества
материала в объеме полупроводниковой
пластины, соответствующего качеству исходного
монокристалла, но и в получении такого
качества поверхности пластин, которое отвечало
бы современным требованиям
микроэлектроники как по их геометрическим параметрам,
так и по степени чистоты.
Требования к качеству
полупроводниковых подложек по геометрическим параметрам,
в первую очередь, к пластинам кремния,
определяются условиями фокусировки
изображения в процессах прецизионной
микролитографии субмикронных размеров,
используемой для создания интегральных схем (ИС). В
табл. 5.1.1 приведены требования к пластинам
кремния, предназначенным для изготовления
динамических оперативных запоминающих
устройств.
Терминология и определения основных
параметров пластин соответствует стандарту
SEMI MI-96.
С точки зрения структурных и
химических характеристик в пластинах диаметром 200
мм концентрация кислорода должна быть
порядка 24 - 33 ррта A ррта - это одна часть на
миллион или ДО N& где Na - число атомов в
1 см3 кремния « 5-Ю22 ат/см3) и
контролироваться с точностью ± 2 ррта. При этом
радиальный разброс концентрации кислорода
должен быть не более 5 %. Дислокации должны
отсутствовать. Плотность окислительных
дефектов упаковки (ОДУ) не должна превышать
20 см после окисления пластин при 1000 °С
в стандартном процессе. Объемная
концентрация железа не должна превышать 10п ат/см3,
чтобы обеспечить в создаваемых приборах
рекомбинационное время жизни порядка 150
мкс, а*генерационное время жизни - 500 мкс.
Механические характеристики пластин
диаметром 200 мм должны отвечать требованиям
прецизионной микролитографии. Отклонение
от локальной плоскостности должно
составлять не более 2/3 минимального размера
элемента в пределах площади кристалла. Это
составляет 0,23 мкм на кристалле размером 22 х
22 мм при минимальном размере элемента
0,35 мкм и степени интеграции 64 М. Микро-
шероховатость поверхности не должна при
этом превышать 2 нм.
Высокопрецизионные методы
микролитографии накладывают определенные
ограничения и по размеру и числу посторонних
частиц на поверхности пластины. Размер этих
частиц не должен превышать 1/3
минимального размера элемента, что составляет
0,12 мкм для пластин диаметром 200 мм. Это
означает, что изготовление пластин кремния
диаметром 200 мм должно заканчиваться в
чистых помещениях класса 1 (см. гл. 3.3), в
отличие от пластин диаметром 150 мм,
которое может быть завершено в чистых
помещениях класса 10. Высокие требования
выдвигаются и по концентрации тяжелых металлов на
поверхности кремниевой пластины. Чтобы не
ухудшить рекомбинационное и генерационное
время жизни носителей зарядов в создаваемых
приборах, суммарная концентрация тяжелых
металлов не должна превышать 5-Ю10 ат/см2
для пластин диаметром 200 мм.

460
Глава 5.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
5.1.1. Требования к пластинам кремния, предназначенным для изготовления
динамических оперативных запоминающих устройств
Характеристики интегральных схем,
монокристаллов и пластин
Интегральные схемы:
минимальный размер элемента, мкм
степень интеграции, бит
Структурные и химические
характеристики монокристалла:
концентрация кислорода, ррта
плотность окислительных
дефектов упаковки, см
объемная концентрация железа,
ат/см3
Механические характеристики
пластины:
толщина, мкм
изменение толщины, мкм
прогиб, мкм
коробление, мкм
локальное отклонение от
плоскостности, мкм, на участке
площадью, мм х мм:
15 х 15
22x22
32x32
микрошероховатость, нм
Чистота поверхности пластины:
поверхностная концентрация
металлов (Fe, Ni, Cu, Zn), ат/см2
число частиц на поверхности
пластины
размер частиц, мкм
Диаметр пластины, мм
150
0,8
16 М
?26 ±2
?50
5 • 10"
675
10
60
60
0,5
0,3
5 • ЮН
<50
?0,3
200
0,35
64 М
>24±2
<20
юн
725
10
65
75
0,23
0,2
5 • 101°
< 10
>0,12
300
0,18
256 М - 1 Г
>23±2
?5
2 • 101°
775
25
75
75
ОД
я0,1
2 • 101°
< 1
>0,05
Механическая обработка
полупроводниковых материалов на любом из этапов,
начиная с резки монокристаллического слитка на
пластины и заканчивая финишным
полированием пластин, заключается во взаимодействии
абразивных частиц с приповерхностными
слоями материала и отводе образующихся
продуктов взаимодействия из активной зоны.
В отличие от металлов
полупроводниковые материалы имеют преимущественно кова-
лентный тип связи, пластичны при
температуре, большей 2/3 температуры плавления, а при
20 ° С характеризуются повышенными
твердостью и хрупкостью. Поэтому в качестве
абразивных материалов в инструментах для их
обработки - резания, шлифования и
полирования - используют твердые и сверхтвердые
материалы (алмаз, карбид кремния, оксид
алюминия, оксид циркония, диоксид кремния
и др.). Абразивные частицы при обработке
либо закрепляют на поверхности или в объеме
специального инструмента, либо они
находятся в свободном (незакрепленном) состоянии.
Концентрация одновременно контактирующих
с обрабатываемой поверхностью
полупроводникового материала абразивных частиц может
составлять 104 - 10б см. Следовательно, в
процессе механической обработки
полупроводниковый материал подвержен
одновременному воздействию большого числа локальных
центров деформации.
Абразивное изнашивание представляет
собой соединение боковых трещин,
возникающих под действием множества единичных
инденторов, скользящих по поверхности
обрабатываемого материала (рис. 5.1.1). Объем,
характеризующий скорость съема материала
1
E.1.1)

ВИДЫ И РЕЖИМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 461
где К\с - коэффициент интенсивности
напряжений в вершине трещины (вязкость
разрушения); Н - микротвердость; N - концентрация
частиц абразива; р - среднее давление; I -
средний путь, проходимый частицей за время
обработки. Из формулы EЛ.1) следует, что
износ или скорость съема материала при
постоянных времени обработки, давлении и
концентрации абразивных частиц определяется
характеристиками материала - К\с и Н
Коэффициент К\с рассчитывают по
эмпирической формуле
Klc = @,15kHa I b)(c I а)
E.1.2)
Здесь к — 3,2 - коэффициент, учитывающий
влияние наклонных трещин; Н -
микротвердость; при вдавливании пирамиды Виккерса
Н = 0,47Р/ а2, где Р - приложенная нагрузка;
а - полудиагональ отпечатка; Ъ -
коэффициент, учитывающий поперечное сжатие при
микровдавливании; b = 1,93 для решетки
сфалерита; с - усредненная длина трещины.
Рис. 5.1.1. Схема генерации радиальных и боковых
трещин в материале по действием индентора:
1 - медианная (радиальная) трещина;
2 - пластически деформированная зона;
3 - поверхность; 4 - индентор; 5 - боковая трещина;
6 - отпечаток индентора; 7 - след радиальной
трещины на поверхности; Р - нагрузка на индентор
С учетом значений величин формула
E.1.2) принимает вид
К1с =0Д15Р/с3/2. E.1.3)
На рис. 5.1.2 приведена зависимость
Р = f(c') . Тангенс угла наклона линии
пропорционален Kic. Соотношение E.1.3)
можно использовать для большинства
полупроводниковых и диэлектрических
материалов.
В табл. 5.1.2 приведены свойства
полупроводников IV группы Периодической
системы и некоторых наиболее часто
применяемых в полупроводниковых приборах
соединений AmBv: модуль Юнга Е9 микротвердость Н
(сопротивление деформации), коэффициент
К\с , отношение Н / К\с, отношение Н/Е и
относительная скорость съема материала
уотн.изн. ПРИ абразивной обработке.
Вязкость разрушения определяет
сопротивление материала образованию и
распространению трещин. Чем больше К\с, тем
больше сопротивление материала разрушению
и тем меньше вероятность образования
трещин при механической обработке материала.
Чем больше Н / Kj , тем больше прочность
материала. Отношение Н/Е характеризует
склонность либо к упругой, либо к
пластической деформации. Для чисто упругой
деформации Н/Е = 0,15, для совершенно
пластичного материала Н/Е = 0. Таким образом, чем
меньше Н/Е, тем более пластичен материал.
Р,сН
г-
НГ7 Z J 4 J б 789W-* С*м*
Рис. 5.1.2. Зависимость между длиной с трещин и
нагрузкой на индентор Рдля кремния

462
Глава 5.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
5.1.2. Свойства полупроводников IV группы Периодической системы и
полупроводниковых соединений АШВУ
Материал
пластин
С
SiC
Si
Ge
GaP
GaAs
InP
InAs
эВ
5,30
3,20
1,12
0,75
2,26
1,43
1,35
0,35
n
2
2,5
3
4
3,5
4
4
4,5
/i
-
-
-
-
0,327
0,310
0,427
0,357
E,
ГПа
1200
440
160
130
103
85
61
52
H,
ГПа
96
33
12,0
7,0
8,5
6y6
4,2
3,1
МПа-м1/2
5,60
2,70
1,03
0,64
0,57
0,51
0,41
0,36
H/Klc,
mkm-V2
17,15
12,20
11,65
10,90
14,90
12,95
10,25
8,60
H1E
0,080
0,075
0,075
0,054
0,082
0,078
0,069
0,060
V0TH.H3H
1
3
10
18,5
18,9
23,2
34,3
43,9
5.1.3. Свойства основных абразивных материалов,
Абразивный
материал
С
SiC
А12О3
ZrO2
SiO2
#,ГПа
1200
440
365
210
87
Я, ГПа
94
33
24
15
9,5
jrIc,MIIa.MV2
5,60
2,70
4,00
2,60
0,92
используемых при обработке щ
H/KIc, mkm-V2
17,15
12,20
6,00
5,80
10,30
Н1 Е
0,080
0,075
0,065
0,071
0,109
вемния
VOTH.HBH
1
3
2,6
4,6
12,5
В табл. 5.1.2 переменными параметрами
являются ширина запрещенной зоны Е33,
характеризующая прочность связей в
полупроводниковом материале, степень ионности
связи /j и степень металлизации связи л,
выраженная через среднее значение главных
квантовых чисел валентных оболочек атомов А и В
по Пирсону: п = (лд + «g) / 2 . В пределах
групп полупроводниковых материалов (IV
группы и группы соединений Аш- Bv)
существует корреляция между механическими
свойствами, шириной запрещенной зоны и
степенью металлизации сил связи. Корреляция со
степенью ионности в силах связи существует
лишь в пределах изокатионных (GaP, GaAs) и
(InP, InAs) рядов. С увеличением степени
металлизации связи модуль Юнга и
микротвердость уменьшаются, а скорость съема увеличи-
•вается.
В табл. 5.1.3 представлены показатели
механических свойств основных абразивных
материалов, используемых в базовом
технологическом процессе изготовления пластин
кремния. Так как модуль Юнга, твердость,
коэффициент интенсивности напряжения
алмаза, карбида кремния, оксида алюминия,
оксида циркония больше, чем у кремния, то
эти материалы служат основой для
абразивного инструмента, предназначенного для
калибрования, формирования срезов, резки
монокристалла, шлифования пластин и создания
закруглений (фаски) на краях пластины.
Диоксид кремния по твердости, коэффициенту
интенсивности напряжении и скорости съема близок к
кремнию, а модуль упругости его достаточно
высок, поэтому он широко используется для
создания коллоидно-дисперсных сред для
окончательного химико-механического полирования
поверхности пластин кремния.
Базовый процесс изготовления
кремниевых пластин включает химико-механическое
полирование, очистку поверхности и контроль
качества пластин, которые проводят в
помещениях с классом чистоты 100, а для
начальной части технологического процесса не
требуется помещений высокого класса чистоты
(как правило, приемлемы классы 10 000 и
1000).
Механическую обработку монокристалла
и пластин можно условно разделить на два
этапа:
обработку монокристалла и пластин
инструментом со связанным абразивом;
обработку поверхности пластин
свободным абразивом.

ВИДЫ И РЕЖИМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 463
Первый этап включает: калибровку
слитка, формирование основного и
дополнительного срезов, резку слитка на пластины и
формирование закругления по краю пластины
(фаски).
На втором этапе выполняются операции
двухстороннего шлифования.
Калибровку монокристаллических
слитков до требуемого диаметра проводят на
специальных станках.
Круглое шлифование методом врезания
осуществляют алмазными чашечными кругами
(АЧК) с размером зерна абразива 40 - 60 мкм
на механической или органической связке.
Частота вращения слитка 350 мин, а круга -
2500 мин. Съем материала осуществляют за
несколько рабочих ходов. За несколько первых
черновых рабочих ходов со скоростью
перемещения стола 2-3 м/мин удаляется основная
масса материала. При дальнейшей чистовой
обработке толщина снимаемого за один
рабочий ход слоя уменьшается. В конце операции
при достижении требуемого диаметра с целью
уменьшения нарушенного слоя проводят
выглаживание кристалла за один - два рабочих
хода.
Ориентация монокристаллических
слитков служит для определения отклонения
плоскости торца слитка от заданной
кристаллографической плоскости. Ее выполняют
оптическим или рентгеновским методом,
основанным на измерении углов отражения
падающего излучения от идентифицируемой
плоскости.
Преимущественно используется
рентгеновский метод, имеющий высокую точность
(до 3 - 5') определения углов рассогласования.
В этом случае слитки устанавливают на столик
установки (типа ДРОН-3 или УРС-50И) и
направляют рентгеновские монохроматические
лучи под углом, соответствующим условию
Брэгга-Вульфа, на торцевой срез
монокристалла. Поворачивая столик со слитком в двух
взаимно перпендикулярных направлениях,
определяют углы рассогласования, добиваясь
максимальной интенсивности отраженного
пучка. После ориентации на торце слитка
делают метку, указывающую расположение
основного среза, а углы рассогласования
фиксируют в паспорте слитка.
Формирование основного и
дополнительного срезов осуществляют на
плоскошлифовальном станке алмазными абразивными
кругами прямого профиля с размером зерна
абразива 40 - 50 мкм. Продольная скорость
перемещения стола 3-4 м/мин. Вертикальная
подача 0,1 - 0,2 мм на двойной ход стола.
Срезы выполняются для визуального
определения ориентации, типа электрической
проводимости и удельного сопротивления
кремниевых пластин. Кроме того, основной
срез служит для базирования пластин на
установках микролитографии.
Резку полупроводниковых слитков на
пластины производят полотнами, проволокой,
дисками с наружной и внутренней режущей
кромкой. Наибольшее распространение в
настоящее время получила резка монокристаллов
на автоматизированных станках резки STC
или "Алмаз- 12М" с применением алмазных
кругов с внутренней режущей кромкой
(АКВР). Для разрезания слитка диаметром
150 мм применяют АКВР наружным
диаметром 597 мм и внутренним 203 мм, а также
690 и 235 мм соответственно и размером зерна
абразива 40 - 50 мкм. Соответственно толщина
режущей кромки составляет 0,45 и 0,50 мм.
Схема резки слитка с помощью АКВР
показана на рис. 5.1.3. Разрезание
монокристаллов кремния диаметром 150 мм на станках
"Алмаз-12М" проводят при следующих
режимах: радиальная подача круга 14 - 17 мм/мин;
частота вращения шпинделя 1500 - 1700 мин,
что соответствует линейной скорости резания
16-21 м/с. Толщина отрезаемых пластин
850 мкм. В качестве смазочно-охлаждающей
жидкости (СОЖ) применяют воду с добавками
поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Используют следующие растворы .ПАВ: жидкое
мыло + глицерин; неонол + глицерин.
"Расход СОЖ составляет 0,8 - 1,0 дм3/мин.
на один станок. Современные системы резки
пластин полупроводниковых материалов
практически все автоматизированы. Они включают
в себя следующие автоматические системы:
Рис. 5.1.3. Схема резки слитка дисками
с внутренней режущей кромкой:
1 - режущий диск; 2 - слиток;
3 - шлифовальная головка; / - движение подачи

464
Глава 5.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Рис. 5.1.4. Схема автоматической системы контроля
натяжения круга
подшлифования поверхности отрезаемой
пластины (рис. 5.1.3);
контроля натяжения круга (рис. 5.1.4);
измерения прогиба отрезаемых пластин
(рис. 5.1.5);
заточки и правки режущей кромки диска
(рис. 5.1.6).
Метод подшлифовывания (рис. 5.1.7)
основан на том, что на отрезаемую пластину
действуют две основные силы:
сила F (вдоль оси слитка), действующая
на площадке, равной ширине режущей кромке
диска и создающая изгибающий момент;
сила, действующая вдоль поверхности
отрезаемой пластины под небольшим углом к
ней (практически вдоль направления подачи
диска) вследствие расклинивающего действия
погружающегося в материал диска.
—*-j |«~ прогиб
опора
датчик
Рис. 5.1.5. Автоматическая система измерения прогиба:
а - компоновка; б, в - измерение соответственно в направлении X, Y\ I - движение подачи
крут
заточный инструмент
Рис. 5.1.6. Схема автоматических заточки и правки режущей кромки круга:
а - заточка режущей кромки; б - правка фронтальной стороны режущей кромки (выпуклый прогиб);
в - правка обратной стороны режущей кромки (вогнутый прогиб); /- движение подачи инструмента

ВИДЫ И РЕЖИМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 465
Рис. 5.1.7. Схема движения режущего инструмента
относительна основного и дополнительного срезов в
монокристалле кремния в процессе полирования:
/ - движение подачи; // - направление вращения
диска; Ш- следы реза; IV- вход;
V - выход; 1 - слиток
Обе эти силы дают составляющие по
плоскостям спайности {111} для элементарных
полупроводников и {110} для соединений Аш -
Bv. Под действием изгибающего момента (по
направлению совпадает с F) пластина
изгибается так, как это изображено на рис. 5.1.7, а
под действием скалывающих напряжений -
растрескивается. Эффект растрескивания
выражен сильнее для стороны Д а сторона А,
прилегающая к торцу слитка, подшлифбвыва-
ется режущей кромкой диска. Это приводит к
различному характеру нарушений на сторонах
А и Д что фиксируется на секционных
рентгеновских топограммах. На стороне А
формируется сплошной нарушенный слой, глубина
которого меньше или равна размеру зерна
абразива в режущей кромке диска. На стороне
В нарушенный слой представляет собой
дискретные, глубоко проникающие в глубь
пластины трещины, периодичность которых
близка к отношению скорости подачи к угловой
скорости диска.
Если скомпенсировать действие силы F9
то произойдет выравнивание напряжений на
сторонах А и В отрезаемых пластин. Система
подшлифования способствует этому
выравниванию и, как следствие, ведет к выравниванию
глубины нарушенных слоев на сторонах Аи В.
При подшлифовании снимается слой
толщиной около 2 мкм с внешней стороны
отрезаемой пластины. В итоге это способствует
уменьшению коробления пластин.
Цель системы контроля натяжения круга -
минимизация его прогиба во время резки.
Прогиб круга измеряется двумя датчиками,
смонтированными с внешней стороны круга
(см. рис. 5.1.4) и установленными рядом с
воздушным соплом. Прогиб круга
регулируется путем изменения давления воздуха в сопле
на каждой из сторон круга. Система
осуществляет автоматический контроль натяжения
круга, что позволяет уменьшить коробление и
отклонение от плоскостности пластин.
Однако система контроля натяжения
круга не избавляет от необходимости
коррекции формы режущей кромки круга (правки).
Эта необходимость возникает тогда, когда
первоначально отрезанные пластины по своей
форме (глубине прогиба и его знаку -
выпуклый или вогнутый) не соответствуют
требуемым.
Автоматическая система контактного
измерения прогиба (см. рис. 5.1.5) позволяет
оценить профиль поверхности торца слитка
после отрезания контрольной пластины.
Полученная информация сопоставляется со
значениями прогиба круга во время резки, и
вносится корректирующая информация на
отрезание следующей пластины в автоматическую
систему правки режущей кромки круга (см.
рис. 5.1.6).
Если необходима правка режущей
кромки круга, то включается система
автоматической правки. С помощью компьютера
определяется, какая сторона режущей кромки круга
требует правки - фронтальная или обратная,
или требуется заточка режущей кромки.
Автоматические системы
подшлифования, контроля натяжения круга, измерения
прогиба и правки режущей кромки круга
созданы с целью уменьшения влияния
субъективного фактора (вмешательства оператора) в
процесс резки. Эти системы способствуют
повышению воспроизводимости и
уменьшению прогиба, коробления и отклонения от
плоскостности пластин, направляемых после
резки на шлифование.
После разрезания, очистки и сушки
пластины поступают на операцию формирования
закругления по краю пластины (фаски). Цель
создания фаски - удаление повреждений,
внесенных на краю пластин при калибровке
слитка и уменьшение вероятности появления
краевых сколов на последующей операции
двухстороннего шлифования.
Формирование фаски повышает
прочность пластин , уменьшает вероятность
образования линий скольжения на последующих
термических операциях процесса создания
микроструктур ИС, уменьшает высоту дефекта
типа "корона" по краю эпитаксиальных
структур.

466
Глава 5.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
Рис. 5.1.8. Схема формирования фаски с помощью
трехручьевого инструмента:
а - симметричная фаска; б - асимметричная фаска;
1 - пластина; 2 - вакуумное прижимное устройство
Формирование фаски осуществляются с
помощью одноручьевого или трехручьевого
абразивного инструмента (рис. 5.1.8).
Предпочтительнее вариант с
асимметричной фаской, когда геометрические
параметры фаски (радиус закругления, площадь
поверхности фаски и др.) последовательно
приближаются к эталонным размерам,
задаваемым стандартами. Типичные материалы и
режимы обработки: абразив (связанный) -
АСМ 60/50 или АСМ 50/40; частота вращения
шпинделя - 8000 - 9000 мин; частота
вращения стола с пластиной 10 мин;
продолжительность операции 7 - 8 с; тип СОЖ -
Аквол-И, расход СОЖ-1 дм3/мин.
Контроль профиля фаски проводится в
соответствии со стандартом ASTM F928 - 93
на проекторах-компараторах. После
формирования фаски, очистки, маркировки пластин и
термообработки для аннигиляции
термодоноров пластины поступают на шлифование.
Шлифование, как правило, проводят в
несколько этапов с последовательным
применением более мелких зерен абразива. В
зависимости от вида используемого абразива
различают шлифование свободным и связанным
абразивом, а в зависимости от способа
удаления припуска - одностороннее и двустороннее
шлифование. Наиболее часто используется
двустороннее шлифование свободным
абразивом.
Двустороннее шлифование (ДСШ)
свободным абразивом предназначено для
удаления с поверхности пластин повреждений,
вызванных резкой, и обеспечения отклонения по
толщине пластин и от плоскостности не более
3 мкм, например для кремниевых пластин
диаметром 150 мм.
Типичные режимы ДСШ кремниевых
пластин приведены в табл. 5.1.4. Станок ДСШ
включает в себя два стола диаметром 1,4 -
1,6 м, соосно вращающиеся навстречу друг
другу и между которыми расположены
обрабатываемые пластины, а в пространство между
столами подается рабочая суспензия.
Основные требования к оборудованию
для ДСШ следующие:
отклонение от плоскостности
поверхности нижнего и верхнего столов должно быть
не более 5 мкм на расстоянии 1,4 - 1,6 м,
чтобы обеспечить отклонение от плоскостности
3 мкм у пластин диаметром 150 мм ;
равенство скоростей удаления материала с
обеих сторон обрабатываемой пластины; это
достигается тем, что угловая скорость верхнего стола
составляет 1/3 угловой скорости нижнего стола
(план-шайбы); этим достигается выравнивание
угловых скоростей столов по отношению к
верхней и нижней поверхностям обрабатываемой
кремниевой пластины, которые составляют
2/3 угловой скорости нижнего стола;
во время процесса ДСШ приложенное
давление должно изменяться плавно от 2,5 до
15 ГПа и измеряться с погрешностью не более
± 1 %.
При соблюдении перечисленных
требований и режимов обработки результаты ДСШ
кремниевых пластин диаметром 150 мм
соответствуют данным, приведенным в табл. 5Л.5.
Скорость съема материала, а ,
следовательно, и производительность могут быть
увеличены в несколько раз при использовании
шлифовальных кругов с прорезями без
ухудшения геометрических параметров пластин.
Так, при использовании AI2O3 в качестве
абразива скорость съема шлифовальным кругом с
прорезями увеличивается в 3 ?аза, а при
использовании смеси AI2O3 и ZrC>2 - в 6 раз.
После операции ДСШ и очистки
пластины подвергаются щелочному травлению для
снятия нарушений на обеих сторонах
пластины, а также с боковой поверхности. После
контроля толщины, отклонения от
плоскостности, прогиба, коробления и качества
поверхности в соответствии со стандартами
ASTM F-533, ASTM F-534, ASTM F-657,
ASTM F-1390, ASTM F-523 и сортировки по
перечисленным параметрам пластины
передаются в чистые помещения на химико-
механическое полирование (ХМП).
5.1.4. Типичные режимы ДСШ кремниевых
Характеристика
Абразив:
материал
размер зерен, мкм
форма зерен
Концентрация
Давление, кПа
Угловая скорость
нижней планшайбы,
МИН
Значение
Корунд
10 ± 0,8
Круглая
250 г абразива на
1 дм3 жидкости
5- 10
40

ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ 467
5.1.5. Скорость съема материала, микрошероховатость поверхности и глубина нарушенного
слоя в пластинах кремния при ДСШ
Абразив
А12О3
А12О3 (ZrO2)
Размер частиц
образива, мкм
8
7
Скорость съема,
мкм/мин
6,2
0,7
Микрошероховатость,
мкм
0,35
0,19
Глубина нарушенного
слоя, мкм
13,5
7,0
5.1.2. ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель химико-механической обработки -
достижение геометрических параметров
пластин и чистоты поверхности, приведенных в
табл. 5.1.1. Это обеспечивается полированием.
Полирование проводится в несколько
этапов. Различают механическое (алмазное) и
химико-механическое полирование (ХМП).
Первое применяют на начальных, второе - на
заключительных этапах обработки.
Преимущественно применяется ХМП поверхности
полупроводниковых пластин, основные этапы
которого применительно к пластинам большого
диаметра приведены в подразд. 5.1.1.
В отличие от механической обработки
связанным или свободным абразивом, где съем
материала осуществляется исключительно за
счет абразивного изнашивания, в процессе
ХМП присутствуют две компоненты -
механическая и химическая. Это является следствием
того, что в качестве полирующего состава
используется коллоидно-дисперсная система
частиц SiC>2 в щелочном растворе' КОН или
NH4OH в воде. Скорость съема материала
определяется его объемом [см. E.1.1)] и для
конкретного материала пропорциональна
приложенному давлению. Составляющая скорости
съема материала при химическом травлении
зависит от рН среды.
Существует двухстороннее и
одностороннее полирование. Вследствие более широкого
использования пластин кремния с шлифован-
но-травленной обратной стороной пластины
предпочтение отдается одностороннему
полированию с приклеиванием пластин обратной
стороной на полировальные блоки - головки.
Принципиальная схема одностороннего
полирования приведена на рис. 5.1.9, а
типичные режимы ХМП - в табл.5.1.6. Различают
групповую и индивидуальную обработку
пластин, соответственно этому различаются и
режимы полирования.
ХМП представляет собой
контактирование множества точек на поверхности пластины
с материалом полировального круга,
осуществляемое в полирующей дисперсной среде.
Модуль Юнга, модуль сдвига, сжимаемость,
твердость, коэффициент интенсивности
напряжений оказывают наибольшее влияние на
скорость съема материала и достигаемую
плоскостность. Поверхность обрабатываемой
пластины твердая и хрупкая (см. табл. 5.1.2), а
полировального круга, обычно изготовляемого
из материала на основе полиуретана,
значительно мягче. Поверхность полировального
круга выполнена так, что ее поры
способствуют перемещению частиц полирующей
дисперсной среды по поверхности
обрабатываемой пластины, а полимерная пенистая
структура стенок ячеек полировального круга
обеспечивает удаление продуктов реакции с
поверхности пластины. Таким образом,
полировальный круг оказывает влияние как на
механическую, так и на химическую составляющие
ХМП.
Во время полирования под действием
приложенного давления полировальный круг
деформируется. Скорость съема быстро
уменьшается (рис. 5.1.10), что характеризуется
коэффициентом т.
бОнин
Рис. 5.1.9. Схема полирования:
/- подача суспензии; //- направление перемещения;
1 - полировальный круг из полиуретана;
2 - канавка; 3 - стол; 4 - кремниевая пластина;
5 - полировальник
f80
/SO
t20
too
ao
нм/мин
\
\
\\
-^
i t
2
i
3 ' "" —^_
fill »^^^^^^-i
О
/5 2O 25 JO
Рис. 5.1.10. Влияние времени t полирования на
скорость съема Ус материала при различных значениях
относительного давления/^ на полировальный круг:
1 -Рот = 315; v = 207 нм/мин; т = 8 нм/мин;
2 - Рта ~ 225; v = 181 нм/мин; т = 60 нм/мин;
3 - Рот " 135; V = 120 нм/мин; т = 43 нм/мин

468
Глава 5.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
5.1.6. Типичные режимы химико-механического
полирования пластин кремния
Характеристика
Толщина удаляемого слоя,
мкм
Скорость съема материала,
мкм/мин, при обработке:
групповой
индивидуальной
Оборудование
Число одновременно
обрабатываемых пластин при
обработке:
групповой
индивидуальной
Давление, кПа, при
обработке:
групповой
индивидуальной
Угловая скорость
полировального круга, мин,
при обработке:
групповой
индивидуальной
Температура
полирования, °С
Полирующий состав
рН дисперсной среды при
обработке:
групповой
индивидуальной
Расход полирующего
состава, см3/мин на пластину
Очистка полировального
круга при обработке:
групповой
индивидуальной
Значение
10- 30
0,60 - 1,20
более 3,00
Вращающийся
стол с
полировальным кругом
и вращающиеся
блочки с
наклеенными
пластинами
12-24
1
20-40
70 - 100
40-65
30- 50
30-60
Коллоидно-
дисперсная
система SiC>2 в
КОН или
NH4OH с водой
с диаметром
частиц
дисперсной фазы
0,02 - 0,12 мкм
10 - 11
не менее 12
50 - 500
Щетками
Химически
Зависимости, приведенные на рис.
5.1.11, аппроксимируются прямыми,
характеризуемыми соотношением
vc = vo + mint,
где vc - скорость съема материала, Vq -
начальная скорость съема материала, т -
коэффициент; / - время полирования.
На рис. 5.1.11 представлены зависимости
Vq и т от относительного давления р^^ на
полировальный круг. Начальная скорость
съема материала описывается эмпирическим
соотношением
v0 = Кр V,
где К - константа; р - давление; v - скорость
полировального круга.
Уменьшение начальной скорости съема
материала обусловлено деформированием
полировального круга в процессе полирования
под действием сдвиговых сил со стороны
обрабатываемой пластины. Деформирование
уменьшает микрошероховатость поверхности
полировального круга и увеличивает площадь
контакта между полировальным кругом и
пластиной, что ведет к уменьшению эффектив-
vc,hm/muh
300 Рогм
т, нм/мин
70
6О
МО 130
2ОО 230 300 par*
б)
Рис. 5.1.11. Влияние относительного давления />oth
на полировальный круг на начальную скорость vc
съема материала (а) и изменение коэффициента т
уменьшения начальной скорости съема материала
(б)

ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
469
ного давления при постоянной действующей
силе. Деформирование также уменьшает
возможность доступа полирующего состава к
центральной части полируемой пластины, что
приводит к неоднородности скорости съема
материала по поверхности пластины. Для ее
уменьшения периодически регенерируют
поверхность полировального круга, поддерживая
постоянной скорость съема материала.
Регенерация поверхности полировального круга
состоит в периодическом удалении
деформированного слоя подвергнутого эррозии материала
и способствует уменьшению срока службы
полировального круга. Уменьшение градиента
скорости съема материала по поверхности
пластины достигается путем использования
полировального круга, в котором
комбинируются полосы с различной твердостью.
При ХМП используют щелочные
дисперсные среды частиц SiO2 - нанометрового
размера.
На рис. 5.1.12 показано, что увеличение
размера частиц, их концентрации, рН среды
увеличивает скорость съема материала. Однако
размер частиц и их концентрация в
полирующем составе должны быть тщательно
сбалансированы, чтобы не допустить возникновения
дефектов типа царапин.
Усгнм/ман
Рис. 5.1.12. Влияние рН среды и концентрации С {%)
частиц SiO2 размером 30 нм (а) и 7 нм (б) дисперсной
среды на скорость съема ус материала
Из рис. 5.1.12 также следует, что влияние
химической составляющей в процессе ХМП
(рост скорости съема материала с увеличением
рН) сравнимо с влиянием механической
составляющей процесса (влияние размера и
концентрации частиц SiC>2 в дисперсной среде).
ХМП начинается сщ приклеивания
пластин нерабочей стороной на полировальные
блоки (носители). Для этого клеевой состав
наносится на нерабочую поверхность пластин
равномерным слоем. Пластина с клеевым
составом помещается на нагретый носитель и
выдерживается под прессом. Давление пресса
должно равномерно распределяться по
поверхности носителя. В качестве носителей
используются плоскопараллельные блоки из
керамики, алюминия, стекла. Время службы
таких блоков без переполирования
соответственно составляет 1 год, 1 мес и 1 нед. После
завершения приклейки блоки вместе с
пластинами помещаются в станок для групповой
обработки, где в зависимости от диаметра
пластин и типа станка может одновременно
обрабатываться от 12 до 24 пластин (см.
табл. 5.1.6).
В станках для групповой химико-
механической обработки важно, чтобы
давление равномерно распределялось на все
полировальные головки. Поэтому все станки
оснащают системой контроля и регулировки
давления. Контроль температуры на поверхности
полировального круга осуществляется с
помощью инфракрасных датчиков температуры.
Точность поддержания температуры составляет
± 1 °С, что необходимо для обеспечения
допустимого отклонения от плоскостности и
микрошероховатости на каждом из этапов ХМП.
Все детали станков должны обладать высокой
коррозионной стойкостью, так как ХМП
проводится в щелочной среде. Запыленность
окружающей среды определяется требованиями к
пластинами и соответственно - к классу
чистых комнат, где производится ХМП.
Применяется трехстадийная ХМП. На
первой стадии обеспечивается съем слоя
материала толщиной 15-25 мкм и достигаются
требуемые геометрические параметры.
Используют плотные полировальные круги из
нетканого материала.
В процессе полирования поддерживают
повышенное давление, требуемые угловую
скорость полировального круга и температуру,
что обеспечивает высокую скорость съема
материала @,8 - 1,0 мкм/мин). Недостатками
этой стадии процесса являются большая
шероховатость поверхности (Яа = 0,55 нм),
наличие матовости и царапин.
На второй стадии ХМП удаляются
царапины, оставшиеся после первой стадии. Для
этого в качестве материала полировального
круга используют мягкие полотна с пористым

470
Глава 5.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
полиуретановым покрытием. Давление на
полировальный круг снижается, температура
полирования несколько ниже. В результате
скорость съема материала уменьшается до 0,4 -
0,5 мкм/мин, толщина удаляемого слоя
составляет 3-5 мкм.
Задачей третьей стадии ХМП является
удаление частиц полирующего состава,
продуктов полирования и снижение
микрошероховатости поверхности. Как и на второй
стадии, в качестве материала для полировального
круга используют мягкие полотна с пористым
полиуретановым покрытием. Давление на
полировальный круг и температура полирования
еще больше снижаются, полирующий состав
используется одноразово,; скорость съема
материала составляет 0,1 - 0,2 мкм/мин, толщина
удаляемого слоя 0,2 - 0,3 мкм. Скорость съема
материала на третьей стадии ХМП очень
зависит от рН дисперсной среды. Скорость съема
материала имеет ярко выраженный максимум
при рН « 11,5 (рис. 5.1.13, а). В этой же
области максимален и угол смачивания
(рис. 5.1.13, б), что свидетельствует о
гидрофобном характере поверхности пластин
кремния, формируемой на третьей стадии ХМП.
60
20
10 f2
65
55
45
35
25
12
КрН
Рис. 5.1.13. Зависимость скорости съема Vc материала
на третьей стадии химико-механического
полирования (а) и угла смачивания а поверхности
кремния (б) от рН дисперсной среды
После отклеивания пластин, удаления
органических загрязнений и химической обработки
пластин ХМП заканчивается. Однако
гидрофобный характер поверхности пластины после
ХМП, а также характер строения ее
поверхности (рис. 5.1.14) не позволяют признать ее
пригодной для дальнейшего использования в
технологическом процессе изготовления
интегральных схем. Требуется очистка
поверхности пластины от органических, металлических
загрязнений и посторонних частиц на
поверхности, чтобы удовлетворить требованиям к
пластинам, приведенным в табл. 5.1.1.
Целью очистки поверхности пластины
является удаление с ее поверхности атомарных
и ионных поверхностных загрязнений, а также
посторонних частиц без нарушения или
необратимого изменения свойств самой
поверхности.
Операции очистки подразделяют по
состоянию реактивов на жидкостные и сухие, а по
механизму процессов - на физические и
химические; К физическим операциям относится
очистка ультразвуковая, с помощью щеток и кистей,
струей жидкости или газа, ионными и
электронными пучками, прогревом в вакууме и инертном
газе, а к химическим - очистка растворителями,
кислотами, щелочами и т.д.
Традиционный подход к очистке
полупроводниковых пластин основан на
применении жидкостных методов,
предусматривающих, как правило, применение растворов
перекиси водорода. При их применении
расходуется сравнительно много реагентов,
требуется утилизация отходов. Они малопригодны для
современных интегрированных процессов.
Независимо от методики очистки -
последовательная отмывка в ваннах с различными
растворами или использование системы
распыления химических реагентов под действием
потока чистого азота при высоком давлении в
замкнутом объеме установки - растворы для
очистки остаются одинаковыми:
SPM + DHF + АРМ + НРМ,
I IL III IV
где SPM - H2SO4/H2O2, DHF - разбавленный
1%-ный раствор HF в деионизованной воде,
АРМ - NH4OH/H2O2 и НРМ - НС1/Н2О2.
На I этапе удаляется тонкая полимерная
пленка, на II этапе - естественный оксид и
мелкодисперсные частицы (МДЧ), на III
этапе - МДЧ, на IV этапе - металлы, а
поверхность становится гидрофильной.
Операции очистки многократно
повторяются в технологическом процессе
изготовления ИС как на этапах обработки подложек,
так и при создании микроструктур. Выбор
конкретных методов физико-химической
обработки определяется типом загрязнений,
которые необходимо удалить с поверхности
полупроводниковой пластины.

ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
471
падающее V
излучение лазера *-
угол захвата - /, / аеркальяо
.собирающей ливзы ;Г *71Отт»женнн* пучок
шероховатость
шероховатость\
Рис. 5.1.14. Структура поверхности обработанной i
частицы на
поверхности
№1 и схема рассеяния света
труктур!
Рост монокристалла
Калибровка слитка
Ориентация слитка
X
Формирование основного и
дополнительного срезов
Приклеивание слитка
X
Резка на пластины
X
Очистка пластин
Формирование фаски
Очистка
Лазерная маркировка
X
Считывание и сортировка
Термообработка для аннигиляции
термодоноров
Шлифование
Очистка
X
Щелочное травление
Контроль толщины, клина и
коробления
100%-ный визуальный контроль
поверхности
юродностями поверхности
Чистые комнаты
Нанесение клеевого состава
| Приклеивание пластин
| Полирование A-й этап)
| Полирование B-й этап)
X
Финишное полирование
Отклеивание пластин
Удаление органических загрязнений I
Химическая обработка
| Гидромеханическая очистка
100%-ный визуальный контроль
поверхности
Выходной контроль в соответствии
с планом
Химическая очистка и очистка от
частиц
Контроль частиц, ионных загрязнений
и микрошероховатости поверхности
X
Подготовка тары
X
Упаковка
Рис. 5.1.15. Технологический маршрут изготовления кремниевых пластин

472 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Методы контроля качества пластины
должны соответствовать требованиям,
приведенным в табл. 5.1.1.
После проведения контроля по
методикам ASTM при условии соответствия
измеренных параметров требованиям потребителя
пластины упаковываются в специальную тару. На
этом заканчивается процесс изготовления
полупроводниковых пластин, на поверхности
которых в дальнейшем формируются
микроструктуры полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем.
Технологический маршрут изготовления
кремниевых пластин показан на рис. 5.1.15.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Готра 3. Ю. Технология
микроэлектронных устройств: Справочник. М: Радио и
связь, 1991. 528 с.
2. Запорожский В. П. Лапшинов Б. А.
Обработка полупроводниковых материалов:
Учебное пособие. М.: Высшая школа, 1988.
184 с.
3. Никифорова-Денисова С. Н.
Механическая и химическая обработка. Технология
полупроводниковых приборов и изделий
микроэлектроники: Учебное пособие: М.: Высшая
школа, 1989. 95с.
Глава 5.2
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
5.2.1. МИКРОЛИТОГРАФИЯ
Развитие электронных технологий,
требующих формирования элементов сложной
конфигурации (топологии) на структурных
слоях, в значительной степени определяется
уровнем литографических процессов.
Литографический процесс обеспечивает
перенос рисунка (топологии) с фотошаблона
на актиночувствительный слой, формирование
в этом слое защитной маски, с высокой
точностью соответствующей рисунку шаблона, и
травление нижележащего технологического
слоя через сформированную маску для
создания в технологическом слое структурных
топологических элементов.
Актиночувствительным называется слой,
который изменяет свои свойства
(растворимость, химическую стойкость) под действием
актиничного излучения (например,
ультрафиолетового излучения или потока
электронов).
При создании полупроводниковых
приборов, интегральных микросхем, плоских
экранов, дисплеев и других ИЭТ
литографические процессы позволяют:
получать на поверхности окисленных
полупроводниковых подложек свободные от слоя
оксида области, задающие конфигурацию
полупроводниковых приборов и элементов ИС, в
которые проводится локальная диффузия
примесей для созданий />г.л-переходов;
формировать межсоединения элементов;
создавать технологические маски из ре-
зистов, обеспечивающие избирательное
маскирование при ионном легировании;
перфорировать тонкие пленки и
создавать плоские конструктивные элементы
произвольной конфигурации;
протравливать глубокий рельеф в
технологических слоях и подложках.
Широкое применение микролитографии
обусловлено следующими достоинствами:
высокой воспроизводимостью результатов и
гибкостью, что позволяем легко переходить от
одной топологии структур к другой сменой
шаблонов; высокой разрешающей
способностью актиночувствительных резистов;
универсальностью процессов, обеспечивающей их
применение для самых разнообразных целей
(травления, легирования, осаждения); высокой
производительностью, обусловленной
групповыми методами обработки.
Микролитография состоит из двух
основных стадий:
формирования необходимого рисунка
элементов в слое актиночувствительного
вещества (резиста) путем его экспонирования и
проявления;
травления нижележащего технологического
слоя (диэлектрика, металла) через
сформированную топологическую маску или
непосредственного использования слоя резиста в качестве
топологической маски при ионном легировании или
для других технологических целей.
В качестве диэлектрических слоев
обычно применяют пленки диоксида (SiC>2) и
нитрида (Si3N4) кремния, а межсоединений -
пленки металлов (Al, Ti, W, Аи и др.). Все эти
пленки называются технологическим слоем.
В зависимости от длины волны
используемого излучения применяют следующие
методы микролитографии:
фотолитографию (длина волны
актиничного ультрафиолетового излучения 250
440 нм);
рентгенолитографию (длина волны
рентгеновского излучения 0,5-2 нм);
электронолитографию (поток электронов,
имеющих энергию 10 - 100 КэВ или длину
волны 0,05 нм);
ионолитографию (длина волны
излучения ионов 0,05 - 0,1 нм).
В зависимости от метода преноса
изображения методы микролитографии могут
быть контактными и проекционными, а также
осуществляющими непосредственную
генерацию всего изображения или мультипликации
единичного изображения. Проекционные
методы могут быть без изменения, масштаба
переносимого изображения (Ml : 1) и с
уменьшением масштаба (М10:1; М5 :1).
Классификация методов микролитографии приведена на
рис. 5.2.1.

Метод
, изготовления
| шаблона
Метод
| литографии
| Метод
получения
! топологии на
; подложке
Мультипликация
Фотошаблон
Фотолитография
Контактный
Ml : 1
Экспонирования
с микрозазором
Ml : 1
Проекционный
без изменения
масштаба
Ml : 1
Микрофотонабор
Промежуточный
шаблон
f
Мультипликация с
совмещением
Проекционный
помодульный
М10: 1
Проекционный
помодульный
М5: 1
Проекционный
помодульный
МA, 4 : 1)
Электроно-
литография
Электроно-
литография
]

Непосредственного
экспонирования Ml : 1
Рентгеношаблон
:::::::
Рентгено-
литография
Экспонирования
с микрозазором
Ml : 1
Ионош
аблон ,
Ионолитография •
Проекционный !
без изменения |
масштаба Ml : 1 •
Непосред- \
ственного j
экспонирования !
I
Рис. 5.2.1. Классификация методов микролитографии

474 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
л >
Рис. 5.2.2. Формирование рельефа изображения
элементов {а - в) при использовании негативного (I)
и позитивного (II) фоторезистов:
1 - ультрафиолетовое излучение;
2, 3 - соответственно стеклянный фотошаблон и
нанесенная на него маска; 4 - слой фоторезиста на
кремниевой подложке; 5 - технологический слой для
формирования рельефа рисунка;
6 - кремниевая подложка
В зависимости от типа используемого ре-
зиста (негативный и позитивный) методы
микролитографии по характеру переноса
изображения делятся на негативные и позитивные
(рис. 5.2.2).
Микролитография является
прецизионным процессом: разрешение (размер
минимального передаваемого элемента
изображения) определяется предельными размерами
рисунка для фотолитографии 0,2 - 0,3 мкм,
для электронно- и ионолитографии - 10 -
100 нм, а погрешность размеров создаваемых
рисунков элементов может быть 0,05 -
0,1 мкм. Кроме того, различные методы
микролитографии должны обеспечивать получение
изображений необходимых размеров, любой
геометрической формы, высокую
воспроизводимость изображений в пределах
полупроводниковых кристаллов и по рабочему полю
подложек, а также низкий уровень дефектности
слоя сформированных масок. В противном
случае значительно снижается выход годных
изделий.
Для выполнения этих требований
необходимы:
применение машинных методов
проектирования и автоматизации процессов
изготовления шаблонов;
повышение воспроизведения размеров
элементов, точности совмещения и
использование низкодефектных методов формирования
масок;
использование оптико-механического,
химического и контрольного оборудования,
обеспечивающего создание рисунков
элементов с заданными точностью и разрешающей
способностью;
применение технологических процессов
генерации и переноса изображения с
использованием контактных, проекционных методов
фотолитографии, голографии,
электроннолучевой и лазерной технологии;
разработка технологических процессов
прямого получения рисунка элементов
микросхем без применения защитных покрытий,
развитие элионных процессов.
Литографические процессы непрерывно
совершенствуются: повышаются их
прецизионность и разрешающая способность,
снижается уровень дефектности и увеличивается
производительность.
Фотолитография - это технологический
процесс, основанный на использовании
необратимых фотохимических явлений,
происходящих в нанесенном на подложку слое
фоторезиста при его обработке ультрафиолетовым
излучением через маску (фотошаблон), и
последующей операции формирования маски в
слое фоторезиста и травлении
технологического слоя через маску в фоторезисте.
Технологический процесс
фотолитографии можно разделить на три стадии:
формирование фоторезистивного слоя
(обработка подложек с целью их очистки и
повышения адгезионной способности,
нанесение фоторезиста и его сушка);
формирование защитного рельефа в слое
фоторезиста (совмещение, экспонирование,
проявление и сушка слоя фоторезиста, т .е. его
задубливание);
создание рельефного изображения на
подложке (травление технологического слоя -
пленки SiO2, Si3N4, металла, удаление слоя
фоторезиста, контроль).
Поверхность подложек предварительно
очищают, чтобы обеспечить их высокую
смачиваемость и адгезию фоторезиста, а также
удалить посторонние включения. Затем на
подложки тонким слоем наносят слой
фоторезиста (светочувствительную полимерную
композицию) и сушат его для удаления
растворителя.
Совмещение фотошаблона с подложкой
и экспонирование выполняются на одной
установке. Цель операции - совмещение
рисунка фотошаблона с нанесенным на
предыдущей операции на подложку рисунком. Это
совмещение осуществляется с помощью
специальных фигур совмещения и обеспечивает
последовательное наложение одних топологи-

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
475
ческих фигур на другие при формировании
микроструктуры полупроводникового прибора
или микросхемы. Далее слой фоторезиста
экспонируют - подвергают воздействию
ультрафиолетового излучения через шаблон. В
результате этого рисунок с фотошаблона
переносится на слой фоторезиста.
При проявлении слоя фоторезиста
отдельные его участки вымываются и на
подложке при использовании позитивного
фоторезиста остаются неэкспонированные
(незасвеченные) участки, а если применяется
негативный фоторезист, - то
экспонированные. Затем слой фоторезиста термообрабаты-
вают при повышенной температуре A00 -
200 °С), т.е. задубливают, вследствие чего
происходит его частичная полимеризация и
повышается стойкость к травителю.
Заканчивается фотолитография
травлением незащищенных фоторезистом участков
подложки, созданием реального рисунка на
технологическом слое и удалением остатков
фоторезиста. Таким образом, слой фоторезиста
служит для передачи рисунка с фотошаблона
на технологический слой.
Фоторезисты - это светочувствительные
материалы с изменяющейся под действием
света растворимостью, устойчивые к
воздействию травителей и применяемые для переноса
изображения на подложку.
Фоторезисты являются
многокомпонентными мономерно-полимерными материалами,
в состав которых входят: светочувствительные
и пленкообразующие вещества (поливинил-
циннаматы - в негативные фоторезисты и наф-
тохинондиазиды - в позитивные, различные
фенолформальдегидные смолы, резельные и
новолачные смолы, а также растворители -
кетоны, ароматические углеводороды, спирты,
диоксан, циклогексан, диметилформамид и
ДР)-
В процессе фотолитографии фоторезисты
выполняют две функции: 1) являясь
светочувствительными материалами, они позволяют
создавать рельеф рисунка элементов; 2)
обладая резистивными свойствами, они защищают
технологический слой при травлении.
Для большинства фоторезистов актинич-
ным является ультрафиолетовое облучение.
В основе создания рельефа в пленке
негативных фоторезистов лежит использование
фотохимической реакции фотоприсоединения
- фотополимеризации, а в пленке позитивных
фоторезистов - реакции фоторазложения -
фотолиза.
При фотополимеризации происходит
поперечное соединение молекул полимера, в
результате чего они укрупняются. После
экспонирования под действием акгиничного
излучения изменяется структура молекул
полимера, они становятся трехмерными и их
химическая стойкость увеличивается.
При фотолизе в фоторезисте под
действием актиничного излучения у молекул
полимера происходит обрыв слабых связей и
образуются молекулы менее сложной структуры.
Таким образом, фотолиз является процессом,
противоположным фотополимеризации.
Получающийся в результате фотолиза полимер
обладает пониженной химической стойкостью.
Многие полимерные вещества, из
которых изготовляют фоторезисты, содержат
функциональные группы, поглощающие свет в
ультрафиолетовой области спектра.
Собственная светочувствительность полимера при
введении в него специальных добавок -
стабилизаторов и сенсибилизаторов - может
изменяться в широких пределах.
Основными параметрами фоторезистов
являются светочувствительность, разрешающая
способность, кислотостойкость, адгезия к
подложке и технологичность.
Светочувствительность - это величина,
обратная экспозиции, необходимой для
облучения фоторезиста, чтобы перевести его в
нерастворимое (негативный) иди растворимое
(позитивный) состояние.
Точную характеристику
светочувствительности можно получить, учитывая не
только процесс экспонирования, но и проявления.
Так как проявитель химически
взаимодействует с экспонированными и
неэкспонированными участками слоя фоторезиста, процесс
проявления оказывает прямое влияние на его
светочувствительность. В прямой зависимости
от процесса проявления, а следовательно, и
светочувствительности фоторезиста находится
качество формируемого в его слое при
проявлении рисунка элементов.
Таким образом, критерием
светочувствительности фоторезиста служит четкость
рельефа рисунка в его слое после проведения
экспонирования и проявления. При этом рельеф
рисунка должен иметь резко очерченную
границу между областями удаленного и
оставшегося на поверхности подложки слоя
фоторезистов.
Критерием светочувствительности
негативных фоторезистов является образование
после экспонирования и проявления на
поверхности подложки локальных полимеризо-
ванных участков - рельефа рисунка, т.е.
полнота прохождения фотохимической реакции
полимеризации молекул основы фоторезиста.
Критерием светочувствительности
позитивных фоторезистов является полнота
разрушения и удаления (реакция фотолиза) с
поверхности подложки локальных участков слоя
фоторезиста после экспонирования и
проявления и образование рельефного рисунка.
Фоторезисты характеризуются также
пороговой светочувствительностью,
определяемой началом фотохимической реакции.

476 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Светочувствительность и пороговая све-
точувсвительность фоторезиста зависят от
толщины его слоя, а также состава и
концентрации проявителя. Поэтому, говоря о
светочувствительности и пороговой
светочувствительности, учитывают конкретные условия
проведения фотолитографии. Находят
светочувствительность экспериментально,
определяя скорость проявления фоторезиста, которая
зависит от степени его облучения.
Спектральные характеристики резистов
определяют его назначение для конкретных
видов микролитографии:
субмикронные литографии с
использованием глубокого ультрафиолета A90- 300 нм),
фотолитографии C60 - 450 нм).
Фотолитография характеризуется строгой
последовательностью технологических
операций, качество выполнения которых важно для
получения положительных результатов.
Основными параметрами, которые
определяют технологический уровень
фотолитографии, являются:
минимальный элемент изображения и
точность его воспроизведения в фоторезисте
по полю изображения, по пластине и в партии
обрабатываемых пластин;
погрешность совмещения
топологических слоев;
воспроизводимость формы (рельефа)
элементов, протравленных в технологическом
слое через маску в фоторезисте;
плотность дефектов в технологическом
слое, внесенных в процессе литографии.
Качество процесса микролитографии
обеспечивается на его отдельных операциях,
приведенных ниже.
Обработка поверхности
подложек. Качество процесса
фотолитографии во многом определяется
механическим и физико-химическим состоянием
поверхности подложек.
Механическое состояние поверхности
подложек влияет на точность получения
элементов рисунка, поэтому любые неровности,
микробугорки, впадины, царапины и риски
приводят к их искажению. Кроме того, при
нанесении слоя фоторезиста эти дефекты
вызывают появление пузырьков или проколов в
слое фоторезиста.
Необходимое качество поверхности
подложек обеспечивается на начальных стадиях их
изготовления механической обработкой -
резкой слитков на пластины, шлифованием и
полированием пластин, - в результате которой
их поверхность доводится до зеркального
блеска и приобретает идеальную плоскостность и
плоскопараллельность.
Физико-химическое состояние
поверхности подложек влияет на ее смачиваемость и
адгезию фоторезиста. Поэтому на рабочих
поверхностях подложек не должно быть
инородных частиц, а также адсорбированных
атомов и ионов жидкостей и газов. Так как
большинство фоторезистов содержит в своей
основе полимеры, обладающие гидрофобными
свойствами, то и поверхность подложек
должна быть гидрофобной.
Критерием оценки состояния
поверхности подложки может служить краевой угол ее
смачивания каплей деионизованной воды.
Если капля воды растекается по поверхности
подложки, т.е. угол смачивания менее 40 °,
такую поверхность называют гидрофильной.
Поверхность, на которой капля воды не
растекается и образует угол смачивания более 90 °,
называют гидрофобной.
При фотолитографии необходимо, чтобы
поверхность подложек была гидрофильна и
обладала сродством к фоторезисту и гидро-
фобна к травителю. Тогда вытравленный
рисунок будет точно повторять рисунок
фотошаблона.
Перед нанесением слоя фоторезиста или
какой-либо пленки полупроводниковые
подложки для удаления органических загрязнений
обрабатывают в химических реактивах, а затем
подвергают гидромеханической отмывке (рис.
5.2.3).
Для формирования полупроводниковых
структур используют пленки полупроводников
(Si, Ge, GaAs), диэлектриков (оксида SK>2 и
нитрида Si3N4 кремния, примесно-силикатных
стекол) и металлов (AI, V, W, Ti, Аи), а также
силицидов и оксидов тугоплавких металлов.
Поверхность подложек с выращенными
термическим окислением пленками SiO2 сразу
после образования пленки гидрофобия.
Поэтому рекомендуется непосредственно после
окисления, не превышая межоперационное
время более чем на 1 ч, передать подложки на
фотолитографию. Через несколько часов
поверхность подложек с пленкой SiO2 становится
гидрофильной, на ней адсорбируются
молекулы воды из атмосферы, угол смачивания
уменьшается до 20 - 30 ° и адгезия фоторезиста
падает, что приводит к браку. Для придания
поверхности таких подложек гидрофобных
свойств их термообрабатывают при 700 -
800 °С в сухом инертном газе или вакууме.
1
Рис. 5.2.3. Схемы гидромеханической отмывки
подложек цилиндрической (а) и конической (<5) щетками:
1 - форсунка; 2 - щетки; 3 - подложка

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
477
Если слой фоторезиста наносят на
пленку примесно-силикатного стекла, следует
иметь в виду, что поверхность боросиликат-
ного стекла гидрофобна, так же, как пленка
S1O2, а также, что поверхность фосфоросили-
катного стекла гидрофильна (угол смачивания
не превышает 15 ° градусов). Гидрофобные
свойства поверхности фосфоросиликатного
стекла придают термообработкой при 100 -
500 °С в течение 1 ч в сухом инертном газе
или вакууме. Режим термообработки выбирают
в зависимости от технологии изготовления и
конструкции микроэлектронного изделия.
Гидрофобность силикатных стекол повышают
также обработкой их в трихлорэтилене или
ксилоле.
Характеристики поверхности
металлических пленок, наносимых вакуумным
распылением, зависят от режима проведения процесса,
в некоторых случаях допускается нанесение
без дополнительной очистки.
Эффективным методом повышения
адгезии фоторезиста является обработка подложки
в парах специальных веществ - адгезивов,
придающих поверхности гидрофобные
свойства. Наиболее распространенным адгезивом
является гексаметилдисилазан.
Нанесение и сушка
фоторезиста. Нанесение слоя фоторезиста.
Нанесенный на предварительно
подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста
должен быть однородным по толщине по
всему их полю, без проколов, царапин (т.е. быть
сплошным) и иметь хорошую адгезию.
Наносят слой фоторезиста на подложки в
обеспыленной среде. Перед употреблением его
необходимо профильтровать через
специальные фильтры, а в особо ответственных случаях
(при производстве БИС) обработать на
центрифуге при частоте вращения 10 -
20 тыс. мин в течение нескольких часов для
того, чтобы удалить из фоторезиста инородные
частицы размером менее 0,3 мкм, которые
могут привести к браку фоторезистивного
слоя.
Для нанесения слоя фоторезиста на
подложки используют центрифугирование,
пульверизацию, электростатический метод,
окунание и полив. При литографической обработке
больших площадей с достаточно большими
размерами элементов B0 мкм и более)
применяют накатку пленки сухого фоторезиста.
Центрифугирование (рис. 5.2.4) наиболее
широко используется в полупроводниковой
технологии. На несложном оборудовании
наносят слои фоторезиста, погрешность
толщины которых составляет ± 5 %. На подложку 2,
которая устанавливается на столике 3
центрифуги и удерживается на нем вакуумным
присосом, фоторезист подается капельницей-
дозатором 1. Когда столик приводится во
вращение, фоторезист растекается тонким слоем
по поверхности подложки, а его излишки
сбрасываются с нее и стекают по кожуху 4.
При вращении центрифуги с большой
частотой происходит испарение растворителя и
вязкость фоторезиста быстро возрастает.
Толщина нанесенного слоя h^ зависит
от вязкости v фоторезиста и частоты вращения
со столика центрифуги в соответствии с
эмпирической зависимостью, т.е. h^ = Av/oo (где
А - коэффициент пропорциональности,
определяемый опытным путем). Зависимости
толщины наносимого слоя от частоты вращения
столика центрифуги при различных
коэффициентах вязкости фоторезиста показаны на
рис. 5.2.5.
Рис 5.2.4. Установка для нанесения слоя фоторезиста
центрифугированием:
/ - дозатор (капельница); 2 - подложка; 3 - столик;
4 - кожух для сбора избытка фоторезиста;
5 - вакуумные уплотнители; 6 - электродвигатель;
7- трубопровод к вакуумному насосу
"ел
V
1,0
0,9
МНИ
2000 4000 6000 S000 <У, мим*9
Рис. 5.2.5. Зависимость толщины слоя Лсл
фоторезиста от частоты вращения <о центрифуги при
различных значениях его кинематической вязкости:
1 - V = 12-10-2 см2/с; 2 - v = 10-10-2 см2/с;
3- v = 5-10-2 см2/с

478 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Изменяя частоту вращения центрифуги
от 1500 до 8000 мин, можно в зависимости
от вязкости фоторезиста регулировать толщину
его слоя от 0,4 до 3,5 мкм. При малых
частотах вращения центрифуги слой фоторезиста
получается неровным и происходит его
утолщение по краям подложки.
Выбирая толщину слоя фоторезиста,
необходимо учитывать, что он должен обладать
высокой разрешающей способностью (чем
меньше толщина, тем выше разрешающая
способность) и не терять стойкости к травите-
лю. Кроме того, слой фоторезиста не должен
иметь дефектов в виде проколов, число
которых с уменьшением толщины увеличивается.
Следовательно, толщина слоя фоторезиста
должна быть минимально возможной, но
достаточной для обеспечения его стойкости к
травителю и малой дефектности (плотности
проколов).
Наносимые центрифугированием слои
фоторезиста могут иметь дефекты в виде
"комет", образующиеся, если на поверхности
подложек имелись остаточные загрязнения
или фоторезист был плохо отфильтрован.
Такие дефекты выглядят как направленные от
центра локальные утолщения или разрывы
слоя фоторезиста.
Полуавтомат для нанесения слоя
фоторезиста центрифугированием состоит из блоков
центрифуг и дозаторов, блока управления, а
также блока подачи и приема подложек и
обычно выполнен в виде двух треков. В блоке
центрифуг имеется электродвигатель малой
инерционности, частота вращения которого
контролируется специальным электронным
блоком. Подложки удерживаются на столиках
центрифуг вакуумным присосом, создаваемым
системой вакуумной откачки.
Блок дозаторов укреплен на задней
стенке полуавтомата. Дозирование фоторезиста
ведется с помощью электропневмоклапанов, а
подача осуществляется под давлением азота.
Блок управления обеспечивает согласование
работы всех блоков полуавтомата.
Полуавтомат предназначен для
одновременного нанесения слоя фоторезиста по двум
трекам, на которые загружаются стандартные
кассеты с 25 подложками. После нанесения
фоторезиста подложки поступают в
разгрузочную кассету или проходят по треку на сушку в
конвейерную печь.
Достоинствами центрифугирования
являются его простота, отработанность и
достаточная производительность оборудования, а
также возможность нанесения тонких слоев
фоторезиста с небольшим разбросом по
толщине. Недостатки этого метода - трудность
нанесения толстых слоев фоторезиста (более
3 мкм), необходимость тщательного контроля
его вязкости и режимов работы центрифуги.
Ряс. 5.2.6. Сх
фоторезист»
1 - область разрежения; 2 - сопло; 3 - форсунка;
4 - регулирующая игла; 5 - распыляющий газ;
6 - подача фоторезиста
Пульверизация, называемая также
дисперсионным методом (рис. 5.2.6), основана на
нанесении слоя фоторезиста в виде аэрозоля с
помощью форсунки, действующей под
давлением инертного газа. Подложки располагаются
на расстоянии в несколько сантиметров от
форсунки, и фоторезист, осаждаясь в виде
капель, покрывает их сплошным слоем.
Пульверизация позволяет в автоматическом режиме
вести групповую обработку подложек.
Толщина слоя фоторезиста составляет 0,3 - 20 мкм с
погрешностью не более 10 %.
Достоинства пульверизации следующие:
возможность изменения толщины слоя
фоторезиста в широких пределах; однородность
слоев по толщине; отсутствие утолщений по
краям подложек; нанесение фоторезиста на
профилированные подложки (в малейшие
углубления и отверстия); возможность
нанесения фоторезистов на поверхности большой
площади.
Недостатком метода является сложность
получения равномерного покрытия.
Основными элементами установки для
нанесения слоя фоторезиста пульверизацией
являются форсунка-пульверизатор и стол, на
котором закрепляют подложки. Для
равномерного покрытия подложек слоем
фоторезиста стол и форсунка перемещаются в двух
взаимно перпендикулярных направлениях.
При электростатическом методе (рис.
5.2.7) слой фоторезиста наносят на подложки
в электрическом поле напряженностью 1-5
кВ/см. Для создания такого поля между
подложкой 3 и специальным кольцевым
электродом 2 подают постоянное напряжение около
20 кВ. При впрыскивании фоторезиста
форсункой 1 в пространство между электродом и
подложкой капельки фоторезиста диаметром в
несколько микрометров заряжаются и летят
под действием электрического поля к
подложке.

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
479
Рис 5.2.7. Схема нанесения фоторезиста в электро-
1 - форсунка; 2 - кольцевой электрод;
3 - подложка; 4 - столик
Этот метод имеет высокую прозводи-
тельность и позволяет наносить слой
фоторезиста на подложки большой площади.
Недостаток его - трудность стабилизации процесса и
усложнение оборудования.
Окунание и полив являются
простейшими из всех методов нанесения слоя
фоторезиста.
При окунании подложки погружают на
несколько секунд в ванну с фоторезистом, а
затем с постоянной скоростью вытягивают из
нее в вертикальном положении специальными
подъемными устройствами и сушат, установив
вертикально или наклонно. .
Полив фоторезиста на горизонтально
расположенные подложки обеспечивает
большую, чем при окунании, однородность слоя
по толщине. Однако неизбежны утолщения
слоя фоторезиста по краям.
Окунание и полив применяют для
нанесения слоя фоторезиста на подложки больших
размеров, а также его толстых слоев (до
20 мкм) на обе стороны подложек. Недостаток
этих методов - неоднородность слоя
фоторезиста по толщине.
Общей особенностью нанесения жидких
фоторезистов является трудность получения
сплошных слоев заданной толщины и влияние
краевых эффектов.
Накатка пленки сухого фоторезиста
значительно упрощает процесс получения слоя и
обеспечивает получение равномерного
покрытия на подложках большой площади.
Пленочный фоторезист представляет собой
трехслойную ленту, в которой слой фоторезиста
заключен между двумя полимерными пленками:
одна (более прочная) является несущей, а
другая - защитной.
Предварительно защитную пленку
удаляют, а фоторезист вместе с несущей пленкой
накатывают валиком на подложки, нагретые до
100 °С. Под действием нагревания и давления
фоторезист приклеивается к подножке.
Экспонированные участки теряют адгезию к
подложке и удаляются при снятии несущей
пленки.
Недостатки метода - большая толщина
A0 - 20 мкм) и низкая разрешающая
способность слоя сухого фоторезиста. Поэтому
накатку пленки сухого фоторезиста используют
только при больших размерах элементов
передаваемого изображения.
Сушка слоя фоторезиста. Для
окончательного удаления растворителя из слоя
фоторезиста его просушивают. При этом
происходит уплотнение слоя, уменьшаются
внутренние напряжения и повышается адгезия к
подложке. Неполное удаление растворителя из
слоя фоторезиста снижает его кислотостой-
кость. Для удаления растворителя подложки
нагревают до температуры, примерно равной
100 °С. Время сушки выбирают для
конкретных типов фоторезистов.
Температура и время сушки значительно
влияют на такие важные параметры
фоторезистов, как время их экспонирования и точность
передачи размеров элементов после
проявления. Большое значение при сушке имеет
механизм подвода теплоты. Существуют три
метода сушки фоторезиста: конвективный,
инфракрасный и в СВЧ-поле.
При конвективной сушке подложки
выдерживают в термокамере при 90 - 100 °С в
течение 15-30 мин. Недостаток метода -
низкое качество фоторезистивного слоя.
При инфракрасной сушке источником
теплоты является сама полупроводниковая
подложка, поглощающая ИК-излучение от
специальной лампы или спирали накаливания.
Окружающая среда (очищенный и осушенный
инертный газ или воздух) при этом сохраняет
благодаря непрерывной продувке температуру,
близкую к 20 °С. Так как "фронт сушки"
перемещается от подложки к поверхности слоя
фоторезиста, качество сушки по сравнению с
качеством конвективной сушки существенно
выше, а время сокращается до 5 - 10 мин.
В электронном машиностроении широко
используются установки ИК-сушки и
конвейерные печи с инфракрасными нагревателями.
Система измерения и стабилизации
температуры в них основана на определении
температуры эталонных подложек, закрепленных на
рамке внутри рабочей камеры. Время и
температура сушки поддерживаются автоматически.
Наиболее прогрессивным методом сушки
в планарной технологии является метод
горячей плиты. Пластины с помощью
транспортирующего устройства помещают на плоскую
поверхность нагревательного элемента и фик-

480 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
сируют на ней вакуумным прижимом.
Плотный контакт обеспечивает равномерную
передачу теплоты, нагрев пластины и ускоренную
конвективную сушку слоя фоторезиста. Время
сушки может составлять до 50 - 60 с, что дает
возможность использования однопозицион-
ного автомата сушки в составе трековой линии
обработки.
При СВЧ-сушке подложки нагреваются,
поглощая электромагнитную энергию СВЧ-г
поля. Такая сушка производится в печах
мощностью 200 - 400 Вт при рабочей частоте
2,45 ГГц. Время сушки - несколько секунд.
Достоинством метода является высокая
производительность, а недостатками - сложность
оборудования и необходимость тщательного
экранирования рабочего объема во избежание
облучения оператора, а также неравномерность
сушки слоя фоторезиста на различных по
электрическим характеристикам участках
подложек. Поэтому СВЧ-сушке подвергают
только однородные подложки.
При любом методе сушки ее режимы
(время, температура) должны исключать
появление структурных изменений в слое
фоторезиста. Высушенный слой необходимо
экспонировать не позднее чем через 10 ч. Сушку
подложек следует выполнять в тщательно
обеспыленной среде 10-го и 1-го классов
чистоты производственного помещения.
Контролируют качество сушки визуально или под
микроскопом.
При нанесении слоя фоторезиста могут
появиться различные виды брака.
Плохая адгезия фоторезиста к подложке
вызывает при последующем травлении
растравливание и искажение рисунков элементов.
Причиной плохой адгезии является
некачественная подготовка поверхности подложек.
Локальные неоднородности рельефа слоя
фоторезиста, имеющие вид капелек,
обусловлены попаданием пылинок на подложки или
присутствием посторонних частиц в фоторезисте.
Микродефекты (проколы) слоя
фоторезиста объясняются теми же причинами, что и
локальные неоднородности рельефа.
Неоднородности рельефа слоя
фоторезиста в виде радиально расходящихся длинных
лучей вызываются нарушением режима
центрифугирования в процессе нанесения слоя
(вибрацией столика при вращении).
Неоднородность толщины слоя
фоторезиста на подложках и разброс ее на разных
подложках являются результатами перекоса
столика, уменьшения частоты его вращения и
увеличения времени разгона центрифуги.
Отклонение толщины слоя фоторезиста от
заданной может быть также связано с изменением
вязкости фоторезиста.
Совмещение и
экспонирование. Точность полученного в процессе
фотолитографии топологического рисунка, в
первую очередь, определяется прецизионностью
процесса совмещения.
Погрешность изображения с
фотошаблона на подложку не должна превышать десятых
долей минимального размера элемента, что
обычно составляет 0,1 - 0,5 мкм (технология
изготовления фотошаблонов представлена в
подразд. 6.1.4).
Совмещение и экспонирование являются
наиболее ответственными операциями
фотолитографии.
Перед экспонированием слоя
фоторезиста фотошаблон следует правильно
сориентировать относительно подложки и рисунка
предыдущего слоя. Для полного формирования
структуры полупроводникового прибора или
ИС необходим комплект фотошаблонов со
строго согласованными топологическими
рисунками элементов.
При первой фотолитографии, когда
поверхность подложек еще однородна,
фотошаблон ориентируют относительно базового среза
подложки. При последующих
фотолитографиях, когда на подложках сформированы
топологические слои, рисунок фотошаблона
ориентируют относительно рисунка предьщущего слоя.
Совмещают рисунки фотошаблона и
подложки в два этапа. На первом этапе с
помощью реперных модулей - "пустых
кристаллов" выполняют грубое совмещение в пределах
всего поля подложки. На втором этапе с
помощью микроскопа в пределах единичного
модуля по специальным знакам-фигурам
совмещения, предусмотренным в рисунке
каждого топологического слоя, выполняют точное
совмещение. Форму фигур совмещения
(кресты, круги, квадраты) выбирают в
зависимости от типа используемого при
фотолитографии фоторезиста (рис. 5.2.8).
Сложность совмещения состоит в том,
что приходится с высокой точностью
совмещать элементы малых размеров на большой
площади. Для этого увеличение микроскопа
должно быть не менее 200х. У современных
установок погрешность совмещения не
превышает 0,25 - 1 мкм при ручном совмещении,
0,03 - 0,25 мкм при автоматическом
совмещении. Погрешность совмещения
последовательных рисунков зависит от следующих факторов:
точности совмещения фотошаблонов в
комплекте;
точности воспроизведения форм и
размеров элементов рисунков в процессе
фотолитографии;
качества подложек и слоев фоторезиста;
способа автоматического совмещения,
качества и сохраняемости в технологическом
процессе фигур автоматического совмещения;
разрешающей способности микроскопа;
соблюдения температурного режима;
совершенства механизма совмещения
установки.

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
481
UtSJLJU
D
т
Hi
1 ?
1 -
QQfli
ooi§
Q00§
ooo|
Рис. 5.2.8. Фигуры совмещения на фотошаблонах G) и
подложках после второй (/7) и четвертой (///)
фотолитографии:
а - концентрические окружности;
б - вложенные квадраты; в - биссекторные знаки
Существуют два метода совмещения
фотошаблонов с подложками:
визуальный, при котором, выполняя
совмещение, наблюдают в микроскоп за метками
совмещения одновременно на пластине и
шаблоне; погрешность совмещения составляет
0,25 - 1 мкм и зависит от возможностей
установки и навыков оператора;
автоматизированный
(фотоэлектрический) с помощью фотоэлектронного
микроскопа, обеспечивающего погрешность
совмещения не более 0,03 - 0,3 мкм.
При контактной фотолитографии
операцию совмещения выполняют с помощью
специального механизма совмещения (рис. 5.2.9),
основными элементами которого являются
предметный шаровой столик 1 со сферическим
основанием-гнездом 2, рамка 16 для
закрепления фотошаблона 15 и устройство
перемещения рамки и поворота предметного столика.
Предварительно подложку размещают на
предметном столике так, чтобы слой
фоторезиста был сверху, и закрепляют фотошаблон в
подвижной рамке над поверхностью подложки
14. Между подложками и фотошаблоном
должен быть зазор для свободного перемещения
рамки. Для совмещения рисунков на
фотошаблоне и подложке передвигают рамку с
фотошаблоном в двух взаимно
перпендикулярных направлениях в плоскости подложки и
поворачивают предметный столик с
подложкой вокруг вертикальной оси.
Рис. 5.2.9. Схема совмещения микроизображений
фотошаблона и подложки при контактной
фотолитографии:
1, 2 - предметный столик и его гнездо;
3 - направляющие; 4 - микрозазор; 5 - штифт;
6 - регулировочный винт; 7, 10 - диафрагмы;
8, 11 - камеры; 9 - фиксатор; 22, 13 - трубопроводы;
14 - подложка; 15 - фотошаблон; 16 - рамка
Современные установки совмещения и
экспонирования представляют собой сложные
оптико-механические комплексы.
Погрешность совмещения и производительность
зависят от выбранного метода совмещения -
визуального или фотоэлектрического.
В отечественных установках контактного
совмещения и экспонирования (ЭМ-576,
ЭМ-5006) используется принцип контактной
печати с наложением фотошаблона на
подложку. При идеальной плоскостности
фотошаблона и подложки передача изображения
осуществляется с минимальными
искажениями при большой производительности.
После выполнения совмещения
(рис. 5.2.10, а) подложку прижимают к
фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста
(рис. 5.2.10, б). Основной целью
экспонирования является высокоточное воспроизведение
слоем фоторезиста всех элементов топологии
полупроводниковых приборов или ИС.
Правильность экспонирования влияет на качество
переноса изображения с фотошаблона на слой
фоторезиста.
Результаты экспонирования зависят от
качества фотошаблона, свойств фоторезиста и
подложки, оптических явлений, происходящих
в системе подложка-фотошаблон и
погрешности их совмещения.
При контактном экспонировании
ультрафиолетовое излучение проходит через
фотошаблон и попадает на слой фоторезиста.
Следовательно, передача элементов рисунка на
слое фоторезиста зависит от оптической
плотности темных и светлых участков рисунка
фотошаблона, резкости и ровности их краев и
коэффициента отражения металлизированного
слоя фотошаблона.
16 За к 769

482 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Рис. 5.2.10. Схемы совмещения (а) и экспонирования @):
1 - предметный столик; 2 - подложка; 3 - слой фоторезиста; 4 - фотошаблон; 5 - микроскоп; 6 -. затвор; 7-
конденсор; 8 - источник света; Z- зазор между фотошаблоном и подложкой
Рис. 5.2.11. Установка для совмещения и контактного экспонирования
Важной частью установки совмещения и
экспонирования является микроскоп.
Отечественные установки оснащены двупольным
микроскопом с увеличением до 300х, в который
одновременно можно наблюдать изображение
двух модулей в разных точках подложки. Этот
микроскоп позволяет плавно изменять
увеличение сменой объективов.
Совмещение и экспонирование
выполняют на одной установке (рис. 5.2.11), что
позволяет исключить влияние систематических
ошибок, при этом подложка 9 с помощью
кассеты 1 перемещается по конвейеру 2 в
устройство совмещения 3, где ориентируется
относительно фотошаблона 4 при наблюдении в
микроскоп 5. После совмещения микроскоп
автоматически отводится в сторону, на его
место устанавливается осветитель 6 и
проводится экспонирование. Затем подложка
подается в приемную кассету 8 и по конвейеру 7
перемещается на проявление.
Осветитель состоит из источника света,
оптического устройства для создания
равномерного светового потока и затвора-дозатора
актиничного излучения.
В качестве источника света обычно
применяют ртутно-кварцевые лампы высокого
давления (ДРШ-350, ДРШ-500). Излучение
такой лампы имеет линейчатый спектр и
лежит в основном в ультрафиолетовой области
C30 - 440 нм).
Оптическое устройство создает поток
параллельных лучей, равномерно освещающих
подложку. Разброс освещенности в пределах
рабочего поля подложки не должен превышать
5 % для установок контактной литографии и
1,5 - 2 % для проекционных.
У системы затвор-дозатор погрешность
дозы при экспонировании не более 5 %.
Режимы проявления слоя фоторезиста
зависят от времени экспонирования.
Необходимую экспозицию устанавливают, учитывая
тип и светочувствительность фоторезиста, а
также толщину его слоя. Оптимальную дозу
излучения, обеспечивающую наилучшую
четкость изображения, получаемого после
проявления, определяют экспериментально.
Качество изображения оценивают
визуально по наиболее мелким элементам
топологии или специальным контрольным знакам-

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
483
элементам. Поскольку зазор между шаблоном
и подложкой, а также освещенность
распределены по рабочему полю неравномерно и носят
случайный характер, качество изображения
контролируют на разных участках подложки.
Наличие зазора между фотошаблоном и
подложкой вызывает дифракционные явления,
что приводит к искажению формы и размеров
элементов и обусловлено проникновением
света в область геометрической тени. Чтобы
уменьшить влияние дифракции при
экспонировании, необходимо фотошаблон плотно
прижимать к подложке для исключения зазора
между ними или сведения его к минимуму.
Важным оптическим эффектом при
экспонировании является прохождение
ультрафиолетового излучения через пленку
фоторезиста. Световой поток, проходя через слой
фоторезиста, рассеивается в нем, а, достигая
подложки, отражается от нее и возвращается
обратно в слой фоторезиста. Дойдя до
поверхности фотошаблона, световой поток
отражается под углом от его металлизированных
непрозрачных участков и через прозрачные
участки попадает в слой фоторезиста на подложке.
Эти отражения светового потока
приводят к нежелательному дополнительному
экспонированию участка слоя фоторезиста,
находящегося под непрозрачными участками
фотошаблона. Интенсивность отраженного
потока света зависит от коэффициентов отражения
подложки и фотошаблона. Для снижения
эффекта отражения при контактной
фотолитографии используют цветные оксидные
фотошаблоны, имеющие малый коэффициент
отражения.
Фотошаблоны с хромовым маскирующим
покрытием имеют коэффициент отражения
ультрафиолетового излучения C50 - 450 нм)
0,65, при использовании специальных низко-
отражающих оксидных слоев он снижается до
0,04 - 0,08; у фотошаблонов с железооксидным
слоем коэффициент отражения 0,15 - 0,35.
Проявление слоя
фоторезиста. Сушка проявленного
рельефа. Проявление заключается в удалении в
зависимости от использованного типа
фоторезиста экспонированных или
неэкспонированных участков, в результате чего на
поверхности подложек остается защитный рельеф -
фоторезистивная маска требуемой
конфигурации.
Проявителями для негативных
фоторезистов служат органические растворители:
толуол, бензол, уайт-спирит, трихлорэтилен,
хлорбензол и др. Для проявления позитивных
фоторезистов используют слабые
водно-глицериновые растворы щелочей: 0,3 - 0,6 %-ный
раствор КОН, 1-2 %-ный раствор тринатрий-
фосфата. При проявлении негативных
фоторезистов основными факторами,
определяющими качество изображения, являются полнота
реакции полимеризации фоторезиста при
экспонировании и тип проявителя, а позитивных
- концентрация проявителя и время
проявления.
Кроме того, важным фактором при
проявлении позитивных фоторезистов являются
значение рН и температура проявителя. При
изменении рН на десятую долю процента
размер элемента рельефного рисунка может
измениться на 10 %. С ростом температуры
скорость проявления (скорость растворения
фоторезиста в проявителе) растет и размеры
проявленных участков увеличиваются.
На рис. 5.2.12 показаны зависимости
ширины Ъ проявленных элементов в слое
фоторезиста ФП-383 толщиной 0,6 мкм от
температуры Т проявителя @,5 %-ный раствор
КОН) и времени ^р проявления.
Концентрация проявителя должна быть
минимальна и обеспечивать необходимую
производительность проявления. Уменьшение
концентрации щелочного проявителя
увеличивает контраст проявления, стабилизирует
перенос изображения и снижает его дефектность.
Для каждого фоторезиста существуют
оптимальные сочетания экспозиции (времени
экспонирования) и времени проявления,
обеспечивающие наилучшую
воспроизводимость размеров проявленных элементов
рисунка. Увеличение экспозиции уменьшает
время проявления. При этом размеры
проявленных в позитивных фоторезистах элементов
рисунков увеличиваются, а в негативных -
уменьшаются. При увеличении времени
проявления растет число точечных дефектов в
слое фоторезиста и растравливание границ
рисунка по контуру окон.
Наиболее благоприятное время
проявления фоторезистов должно подбираться в
интервале 30 - 40 с, что позволяет согласовывать
работу отдельных блоков линий
фотолитографии и контролировать проявление с большой
точностью.
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
10 20 30 40 50 Т,°С
Рис. 5.2.12. Зависимости ширины проявленных
сунка от температуры проявителя G) и
времени проявления B)

484 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
30
20
10
т* с
10
20 30 40 50
Рис. 5.2.13. Зависимость между временем
яия *эк<а ¦ временем проявления /нр,
размеров прояв
icyi
i, 3 - области неустойчивых режимов;
2 - область устойчивых режимов
Зависимость между временем
экспонирования /экс и временем проявления tnp,
обеспечивающими наилучшую воспроизводимость
проявленных элементов рисунка, показана на
рис. 5.2.13. На участке 2 кривой,
соответствующем устойчивому воспроизведению
размеров проявленного рисунка, при небольшом
изменении одного из параметров, например
/Экс» происходят небольшие изменения другого
параметра ^р. Участки 1 и 3 соответствуют
неустойчивым режимам, так как
незначительные изменения одного параметра вызывают
большие изменения другого.
Фоторезисты проявляют пульверизацией
или поливом. Эти методы обеспечивают
необходимую чистоту процесса, достаточно полное
удаление продуктов реакции и высокую
производительность, а также возможность
объединения в едином цикле на одной установке
операций проявления, промывки и сушки на
центрифуге.
Пульверизация обеспечивает
качественное проявление слоя фоторезиста при
изготовлении ИС с элементами малых размеров
(менее 5 мкм). При дисперсионном
проявлении фоторезиста (рис. 5.2.14) подложки
подаются на столик центрифуги и удерживаются на
нем при вращении вакуумным присосом. При
включении центрифуги на подложки подается
под давлением мелкодисперсионная струя
проявителя. После проявления слоя
фоторезиста подложки промывают водой и сушат.
Проявление должно обеспечивать точное
воспроизведение элементов рисунка
фотошаблона, полное удаление растворенных участков
фоторезиста и отсутствие пор, проколов и
других неудаляемых дефектов.
Сушка - задубпивание проявленных
участков слоя фоторезиста (сформированного
рельефа рисунка) - обеспечивает изменение в
результате полимеризации его структуры.
Вследствие этого повышается стойкость слоя
фоторезиста к действию травителей и
улучшается его адгезия к подложке.
К насосу
Рас. 5.2.14. Полуавтомат ППФ-2 дисперсионного
проявления фоторезиста:
1 - форсунка сушки; 2 - пневматические форсунки
проявления и отмывки; 3 - платформа;
4 - съемная крышка; 5 - ротор
Задубливание слоя фоторезиста является
второй сушкой и отличается от первой,
выполняемой после его нанесения, более
высокой температурой. При повышенных
температурах происходит пластическое
деформирование слоя фоторезиста: в зависимости от
термопластичности входящей в его состав
полимерной основы фоторезист затекает в мелкие
отверстия, поры и дефекты.
С ростом температуры сушки улучшается
адгезия фоторезистов к подложке и ускоряется
пластическое деформирование.
Режим задубливания и характер
изменения температуры заметно влияют на точность
передачи размеров элементов рисунка. Так как
резкий нагрев вызывает оплывание границ
рисунка, для точного формирования
элементов малых размеров A-2 мкм) повышать
температуру следует плавно и ступенчато.
Задубливание слоя фоторезиста
выполняют на том же оборудовании и теми же
методами, что и первую сушку.
У сформированной в слое фоторезиста
маски проверяют:
размеры элементов;
погрешность совмещения;
качество края элемента и его форму
(заплывание, клин проявления);
дефектность.
Травление технологического
слоя. Травление технологического слоя через
маску в слое фоторезиста бывает двух видов:
жидкостное; сухое (плазменное или ионно-
плазменное).
Так как пленка фоторезиста не является
щелочестойкой, но имеет значительную
стойкость к кислотам, жидкостное травление
осуществляют в кислотных водных травителях.

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
485
Для травления слоев двуокиси кремния и
диффузионных стекол используют водные
растворы плавиковой кислоты, в которые
добавляют фтористый аммоний для буферирова-
ния травителя, смещения реакции в сторону
образования водорастворимых продуктов и
исключения газообразования.
Применение травителей, ведущих к
образованию газообразных продуктов реакции,
нежелательно, так как образующиеся пузырьки
газа приводят либо к локальному
маскированию травления технологических слоев, либо к
отрыву пленки фоторезиста.
Для травления слоев металлов
используют растворы азотной, соляной, ортофосфор-
ной и серной кислот.
Основными параметрами режима
травления, от которых зависят как его скорость, так
и воспроизводимость размеров получаемых
рельефов, являются температура,
концентрация травителя и время травления. Так, с
повышением концентрации травильной смеси и
температуры скорость травления растет.
Увеличение времени травления приводит к
боковому подтравливанию рисунка, причиной
которого может быть также рост температуры
травителя.
Для получения устойчивых результатов
необходимо в процессе жидкостного травления
обеспечить термостатирование травильного
раствора с отклонением не более ±A ... 2) °С и
перемешивание раствора для исключения
концентрационных и маскирующих эффектов. С
целью уменьшения этих эффектов пластины в
травильных ваннах помещают в вертикальном
положении и осуществляют их возвратно-
поступательное движение в вертикальной
плоскости.
Несмотря на широкое использование,
химические жидкостные методы обработки
(травление технологических слоев и удаление
фоторезиста) имеют ряд недостатков,
основными из которых являются невысокая
разрешающая способность и изотропность
травления, трудность их автоматизации и появление
загрязнений на поверхности подложек, что
ограничивает возможности фотолитографии.
При изготовлении ИС высокой степени
интеграции, размеры элементов которых
достигают долей микрометра, жидкостные методы
травления не могут быть использованы из-за
их недостатков. Более эффективны при этом
"сухие" методы обработки, основанные на
взаимодействии газоразрядной плазмы с
поверхностным слоем подложек (см. гл. 2.2).
При "сухих" методах существенно
уменьшено боковое подтравливание,
характерное для химического жидкостного травления
(рис. 5.2.15, а), поэтому клин травления
уменьшается и вертикальный профиль
рельефного рисунка элементов приближается к
идеальному (рис. 5.2.15, б - г). Кроме того,
X,
у, ,/>'/ ,/ '/
Рис. 5.2.15. Профили элементов рельефного рисунка
после травления:
а - жидкостного; 6 - ионно-химического;
в, г - плазмохимического;
1 - слой фоторезиста; 2 - технологический слой
"сухое" травление слабо зависит от адгезии
защитной маски фоторезиста к подложкам,
которые после обработки не требуют
последующих операций промывки и сушки.
В микролитографии используются три
метода "сухого" травления: ионное, ионно-
химическое и плазмохимическое, подробно
рассмотренные в гл. 2.2.
Ионным травлением обрабатывают
пленки диэлектриков SiO2, Si3N4, AI2O3, металлов
(Al, Au, Pt, Ti, Ni и др.), а также фоторези-
стивные маски. Так как скорость ионного
травления большинства пленок соизмерима со
скоростью травления фоторезистивных масок,
толщина последних должна быть 1,3 - 1,7 мкм
(при химической жидкостной обработке она
равна 0,5 - 0,8 мкм). Увеличение толщины
слоя фоторезиста снижает разрешающую
способность процесса фотолитографии. Поэтому в
качестве масок рекомендуется использовать
пленки металлов, имеющих малые скорости
травления (например, пленки Ti, V, Сг, Та, А1)
и легко удаляемые в слабых кислотных
растворах.
Схема ионно-лучевого травления с
применением металлической маски показана на
рис. 5.2.16. ,
На первой стадии выполняют
фотолитографию через маску фоторезиста по пленке
металла, в которой химическим травлением
формируют рельефную металлическую маску
(рис. 5.2.16, а - в). На второй стадии через
полученную металлического маску проводят
ионно-лучевое травление технологического
слоя диэлектрика (рис. 5.2.16, г), формируя
необходимые структуры (рис. 5.2.16, д).
Основными недостатками ионного
травления являются низкая селективность, высокое
радиационное и тепловое воздействия, при
которых в формируемые микроструктуры
вносят дефекты, а также загрязнение подложек
частицами удаляемого материала.

486 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Рис. 5.2.16. Схема
равления с металлической маской:
а - экспонирование; б - проявление фоторезиста; в - формирование металлической маски химическим
травлением; г - ионно-лучевое травление диэлектрика; д - сформированная структура;
1 - ультрафиолетовое излучение; 2 - фотошаблон; 3 - позитивный фоторезист; 4 - металлическая маска;
5 - диэлектрик; 6 - подложка; 7- поток ионов
Рис 5.2.17. Схемы реактивного ионно-лучевого (а) и ионно-плазменного (б) высокочастотного травле»
1 - подложкодержатель; 2 - эмиттер электронов (нейтрализатор); 3 - источник ионов; 4 - анод;
5 - ионы активного газа; 6 - темное пространство; 7- подложка; 8 - катод
Рис 5.2.18. Схемы плазменного травления поверхности при хаотическом воздействии
активных частиц (а) и анизотропном процессе (б):
1 -ионы; 2 - радикалы; 3 - электроны; 4 - маска; 5 - подложка
Схемы реактивного ионно-лучевого и
ионно-плазменного высокочастотного
травления показаны на рис. 5.2.17.
Плазмохимическое травление, может
протекать при хаотическом воздействии активных
частиц (рис. 5.2.18, а), но лучше, чтобы они
имели направленное движение, при котором
процесс становится анизотропным (рис. 5.2.18, б)
и практически не возникает клин травления.
Чтобы происходило анизотропное травление,
давление в реакторе должно быть не более 10
Па. При этом в рабочий газ добавляют
небольшое количество водорода.
Недостатком плазмохимического
травления является трудность контроля клина
травления.

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
487
Iff* ** У fff .. *Y... '"У *Y ff 'У ГР ~tt
f "^* ~" m~~ """ "" К насосу
о)
трабитель
К банду мной системе
)
Рис. 5.2.19. Схемы ус
>го (а) и низкого (б)
- кварцевая труба; 2 - ищукгор; 3 - перфорированный цилиндр; 4 - подложкодержатель;
5 - ВЧ-электрод; 6 - подложки
Преимуществом ионно-химического и
плазмохимического травления по сравнению с
ионным является большая скорость обработки,
обусловленная сочетанием физического
(бомбардировка) и химического (активный газ)
воздействий. Создание в реакторах магнитного
поля увеличивает скорость и селективность
любого из этих методов травления в результате
повышения ионизации молекул рабочего газа.
Плазмохимическое прецизионное травление
выполняют на установках высокого и низкого
давления (рис. 5.2.19).
Основными преимуществами "сухих"
методов обработки при фотолитографии
являются возможности удаления фоторезистовой
маски после травления в едином
технологическом цикле, а также очистки подложек от
остатков фоторезиста и других загрязнений.
Для удаления фоторезиста используют
низкотемпературную плазму кислорода при
давлении A - 5I02 Па и мощности
ВЧ-разряда 0,7 - 1 кВт. При этом ионы
кислорода активно окисляют слой фоторезиста, в
результате чего образуются летучие соединения
СО2, NO2, H2O и др. Скорость удаления
фоторезиста зависит от давления кислорода,
ВЧ-мощности и составляет 0,05 - 0,3
мкм/мин. Длительность обработки подложек
обычно 1 - 1,5 мин.
Достоинством "сухой" обработки
фоторезиста является также слабая зависимость
процесса его удаления от предшествующих
режимов термообработки (задубливания). Кроме
того "сухие" методы обеспечивают высокую
чистоту подложек и нетоксичны.
Проекционная фотолитография. При
проекционной фотолитографии изображение с
фотошаблона переносится (проецируется) на
полупроводниковую подложку с помощью
оптических систем - проекционных
объективов. Разрешающая способность проекционной
фотолитографии составляет 0,6 - 0,8 мкм без
изменения масштаба и 0,2 - 0,3 мкм для
проекции с уменьшением.
Проекционная фотолитография
используется в нескольких вариантах, которые
различаются масштабами переноса изображения и
способами заполнения рабочего поля
подложки. Так, при масштабе 1 : 1 изображение с
фотошаблона переносится с помощью
проекционной системы на подложку без изменения
размеров элементов (рис. 5.2.20).
Экспонирование может осуществляться сразу по всему
рабочему полю подложки или его
последовательным сканированием.
При проекционной фотолитографии с
уменьшением масштаба (обычно 10 : 1 или
5 : 1) единичное изображение переносится с
фотошаблона на рабочее поле подложки
последовательной мультипликацией.
При проекционной фотолитографии, как
и при контактной, необходимо точно
совмещать фотошаблон с подложкой, для чего
служат специальные фигуры - метки совмещения.
В проекционных системах совмещение,
как правило, выполняется автоматически с
помощью фотоэлектрического микроскопа,
который регистрирует сигнал, поступающий от
метки совмещения на подложке, и сравнивает
его с сигналом, поступающим от такой же
метки на фотошаблоне. Для совмещения меток
координат система совмещения перемещает
подложку и фотошаблон относительно оси
проекции.
При совмещении меток сигналы равны, а
при их смещении возникает разностный
сигнал, который поступает в исполнительный
механизм системы совмещения,
обеспечивающий взаимные перемещения фотошаблона и
подложки.

488 Глава 5.2 ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Загрузка подмжек
Рис. 5.2.20. Схема установки проекционной
фотолитографии без изменения масштаба переноса
изображения:
1, 15 - метки координат х, у и углового разворота на
подложке; 2 - проекционный объектив;
3 - фотошаблон; 4, 12 - метки углового разворота и
координат х, у на фотошаблоне; 5, 11 - приводы
углового разворота и перемещения фотошаблона;
6, 10 - фотоэлектрические микроскопы углового
разворота и координат х, у фотошаблона;
7 - блок программного управления;
8 - источник освещения для экспонирования;
9 - высокоскоростной затвор; 13 - полупроводниковая
подложка; 14 - предметный столик
Для совмещения элементов изображений
на подложку наносят две группы меток
совмещения (рис. 5.2.21), одна из которых х и
У1 определяет взаимное положение
фотошаблона и подложки по координатам, а вторая У2
служит для коррекции угловой ошибки
разворота ф фотошаблона относительно
координатных осей подложки. Метки на подложке
"рассматриваются" фотоэлектрическим
микроскопом через соответствующие окна в
фотошаблоне. Положению точного совмещения
соответствует симметричное расположение
всех меток на подложке относительно окон на
фотошаблоне.
Совмещение начинается с "захвата" меток
системой наблюдения фотоэлектрического
микроскопа, при котором их изображение на
подложке попадает в окна фотошаблона и
возникает сигнал отклонения в каналах
совмещения. При этом система совмещения
предварительно совмещает фотошаблон и
подложку по координатам в соответствии с
метками, а затем, выполняя угловую коррекцию
по метке У2У поворачивает фотошаблон
относительно меток хиу\.
Наиболее совершенным и
перспективным вариантом проекционной
фотолитографии является помодульный перенос
изображения на подложки с промежуточных
фотошаблонов (рис. 5.2.22). Совмещение модулей
проводится по меткам, предварительно
нанесенным на подложку, что обеспечивает
высокую точность (погрешность совмещения не
превышает 0,05 - 0,2 мкм). При помодульном
совмещении уменьшается влияние
температуры и геометрических искажений подложки на
точность передаваемого изображения.
1
*
Рис. 5.2.21. Метки автоматического
1,4,6- метки х, у\ и уг на подложке; 2,3,5- считывающие окна

МИКРОЛИТОГРАФИЯ
489
Рис. 5.2.22. Схема установки мультипликации
с совмещением:
1, 15 - приводы стола по осям х, у\ 2, 14 - лазерные
интерферометры по осям х, у; 3 - координатный стол;
4, 5 - полупроводниковая подложка и упоры для ее
ориентации; 6 - система фокусировки;
7 - проекционный объектив; 8 - столик с
промежуточным фотошаблоном; 9 - источник света;
10 - затвор; 11 - актиничное излучение;
12 - устройство совмещения меток промежуточного
фотошаблона и подложки; 13 - управляющая ЭВМ
Помодульный перенос изображения
наряду с повышением точности передаваемого
рисунка элементов обеспечивает снижение
плотности дефектов, вносимых в
формируемую на слое фоторезиста маску. Это, в первую
очередь, обусловлено тем, что исключается
контакт фотошаблона с подложкой. Кроме
того, дефекты и загрязнения, значительно
меньшие элементов изображения, не
переносятся с промежуточного фотошаблона на слой
фоторезиста, как это происходит при переносе
изображения с сохранением масштаба.
В современной проекционной
фотолитографии используются оптические системы,
работающие в условиях дифракционных
ограничений. Это означает, что конструкция и
технология изготовления проекционных
объективов оптимальны и их характеристики
(разрешающая способность, точность
воспроизведения размеров элементов) в основном
определяются дифракционными эффектами,
обусловленными значениями апертур, а не
аберрациями.
Для устранения хроматической
аберрации используют мощный источник
монохроматического излучения на основе ламп
сверхвысокого давления и монохроматических
полосовых фильтров или лазерных источников.
В качестве лазерных источников
используют эксимерные лазеры с длиной волны 198
и 248 нм.
В условиях монохроматического и
когерентного освещения разрешающая
способность проекционной системы повышается при
уменьшении длины волны актиничного
излучения и увеличении числовой апертуры
объектива.
Проекционная система характеризуется
глубиной резкости. Для компенсации
аберраций оптической системы, искривления
поверхности полупроводниковых подложек и
изменения толщины слоя фоторезиста на их
поверхности из-за сформированного
технологического рельефа необходима вполне
определенная (по возможности наибольшая) глубина
резкости, которая уменьшается с увеличением
числовой апертуры (это необходимо для
увеличения разрешающей способности
проекционной системы).
Неправильная фокусировка может
существенно влиять на качество передачи
изображения проекционным методом. Поэтому
проекционные установки снабжают
высокоточными устройствами автофокусировки с
погрешностью установки фокусного расстояния не
более ±0,2 мкм.
Правильная фокусировка, а также точная
доза экспозиции - обязательные условия
прецизионного переноса изображения на слой
фоторезиста при проекционной
фотолитографии.
Таким образом, необходим компромисс
между разрешающей способностью, глубиной
резкости, полем изображения и выбором
числовой апертуры объектива.
Характеристики проекционного
объектива установки проекционной фотолитографии
приведены в табл. 5.2.1.
Результаты при использовании
проекционных систем во многом определяются
технологическими факторами, к которым, в первую
очередь, относятся толщина слоя фоторезиста,
равномерность его нанесения по рабочему
полю полупроводниковых подложек и их
отклонение от плоскостности.
Проекционная фотолитография является
одним из наиболее технологичных и
перспективных методов переноса изображения.
Использование для экспонирования лазерных
источников актиничного излучения позволяет
получать элементы рисунков, имеющие
наибольшие размеры 0,2 - 0,3 мкм.
В настоящее время созданы полностью
автоматизированные установки проекционной
фотолитографии, которые можно встраивать в
автоматизированные линии, что устраняет
влияние окружающей среды и оператора, т.е.
резко снижает уровень вносимых дефектов, в
результате чего повышается эффективность
производства ИС.

490 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
5.2.1. Характеристики проекционного объектива установки проекционной фотолитографии
Характеристика
Предельная разрешающая способность
при X, = 436 нм, мкм:
теоретическая
реальная на слое фоторезиста
толщиной 1 мкм
Глубина резкости, мкм
Площадь поля модуля, мм
Числовая апертура
0,35
0,62
1,2
2,1
20x20
0,4
0,5
0,8 - 1,0
1,4
16 х 16
0,55 (X = 248 нм)
0,25
0,35
0,7
14 х 14
5.2.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ
ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Технологические маршруты изготовления
интегральных микросхем (ИС) включают
большое число операций (до нескольких
сотен) и представляют совокупность различных
методов обработки: механических,
химических, термических, оптических, плазменных и
др. Технологический маршрут можно
разделить на три этапа, объединяющие входящие в
них операции в самостоятельные
технологические процессы.
Первый этап - заготовительные
операции: ориентация монокристаллических
слитков, резка их, шлифование, полирование и
очистка пластин. Второй этап объединяет
операции, обеспечивающие формирование
микроструктур ИС: эпитаксию, диффузию,
окисление, имплантацию, литографию, осаждение
слоев из газовой фазы и в вакууме.
Большинство из этих операций повторяется по
несколько раз в технологическом процессе
изготовления ИС.
Третий этап - монтажно-сборочные
операции: разделение пластин на кристаллы,
установка в корпус, монтаж выводов,
герметизация, испытания, маркировка и упаковка.
Каждый из этих этапов включает, кроме
указанных, различные контрольные операции,
обеспечивающие отбраковку изделий,
контроль за ходом технологического процесса и
проверку на функционирование.
Основная часть производственного
цикла - формирование микроструктур ИС -
наиболее полно характеризует особенности
методов обработки в электронном
машиностроении. Несмотря на многообразие различных по
своей природе операций этого этапа, они
имеют ряд общих особенностей. Первой,
наиболее важной особенностью является принцип
групповой обработки, когда одновременной
обработке подвергаются несколько подложек
(десятки, сотни), на каждой из которых
находится большое число (до несколько сотен)
микросхем. Обработка партий изделий в
одинаковых условиях позволяет повысить
воспроизводимость их параметров, увеличить
производительность операций и снизить стоимость
продукции. Второй особенностью
интегральной технологии, вытекающей из принципа
групповой обработки, является
универсальность методов. Она заключается в том, что для
создания различных элементов ИС
применяются одинаковые по физической природе и
режимам процессы. Третья особенность
производства ИС - совместимость операций -
связана с наличием в технологическом
процессе многократно повторяющихся комплексов
операций. Неизменность уже созданных
структур при последующих технологических
операциях должна обеспечить согласованность
методов и режимов обработки на всем маршруте
создания микроструктуры.
Основными технологическими
направлениями, позволяющими формировать
микроструктуры ИС, являются гибриднопленочное и
полупроводниковое. В гибриднопленочных
ИС на диэлектрической подложке путем
нанесения различных пленок создаются пассивные
элементы схем (в основном резисторы R и
конденсаторы С)и соединения между ними, а
активные элементы АЭ (диоды, транзисторы,
полупроводниковые ИС) устанавливаются
посредством навесного монтажа (рис. 5.2.23).
Гибриднопленочная технология может быть
реализована а двух вариантах: тонкопленочном
и толстопленочном.
Рис. 5.2.23. Фрагмент гнбриднопленочной ИС:
R - резистор; С - конденсатор;
АЭ- активный элемент

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ФОРМИЮВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
491
Подготовка
и контроль
подложек
Нанесение
диэлектрика
конденсатора
Нанесение
резистивно-
го слоя
Нанесение
верхних
обкладок
конденсатора
Нанесение

коммутирующего слоя
Нанесение
защитного
слоя
Нанесение
нижних
обкладок
конденсатора
Контроль и
подгонка
элементов
Подготовка
и контроль
подложек
Нанесение
через свободную
маску нижних
обкладок
конденсатора
—*
Нанесение
резистивного
и
проводящего слоя
Нанесение
через
свободную маску
диэлектрика
конденсатора
—»»
—».

Фотолитография
проводящего слоя
Нанесение
через свобод-
маску
верхних
обкладок
конденсатора
—

Фотолитография
резистивного слоя
Контроль и
подгонка
элементов
Подготовка
и контроль
подложек
Нанесение
материала
контактной
маски

Фотолитография
контактной маски
Нанесение
резистивного
слоя
Удаление
контактной
маски
—»
Нанесение
через свободную
маску
коммутирующего
слоя
—„
Контроль
элементов
в)
Рис. 5.2.24. Технологический маршрут формирования микроструктуры гибридной тонкопленочной ИС:
а - свободной маской; б - фотолитографией и свободной маской; в - контактной и свободной масками
В тонкопленочной технологии пассивные
элементы схем обычно получают путем
нанесения слоев в вакууме: либо с помощью
термовакуумного испарения, либо ионным
распылением материалов. Технологический
маршрут изготовления гибридных
тонкопленочных ИС определяется методикой
формирования рисунка функциональных слоев.
Конфигурация резистивных, проводящих и
диэлектрических слоев может быть получена с
применением свободной и контактной масок или
фотолитографией.
Наиболее простым является метод
свободной маски, когда рисунок слоя
формируется при его осаждении путем напыления
соответствующего материала через съемную
маску - трафарет. В этом случае технологический
маршрут - это последовательное осаждение на
подложку с помощью термовакуумного
испарения различных функциональных слоев
(рис. 5.2.24, а). Нередко в одном
технологическом процессе используются различные
методы осаждения слоев и формирования их
рисунка. Так, при изготовлении резисторов, тре-

492 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
бующих высокой точности получения
конфигурации элементов, используют селективную
фотолитографию, а при изготовлении
конденсаторов - метод свободной маски (рис. 5,2.24, б).
В производстве ИС используют и
модификации описанных маршрутов: так, может
отсутствовать подгонка элементов, могут
совмещаться операции нанесения контактных
площадок, проводящих слоев и обкладок
конденсаторов.
Применяют технологические маршруты,
где в виде тонкопленочных структур
изготовляются резисторы, а конденсаторы, если они
предусмотрены схемой, устанавливаются
навесными. Как правило, такой вариант
реализуется при больших значениях емкости
конденсатора, так как тонкопленочная структура в
этом случае будет занимать слишком большую
площадь. Контактная маска для получения
рисунка элементов тонкопленочных ИС
используется нечасто и, прежде всего, когда
сложно обеспечить непосредственным
травлением высокую точность рисунка
функционального слоя (рис. 5.2.24, в) Для получения
отдельных слоев со специальными свойствами
(диэлектрик с высокой удельной емкостью,
толстый проводящий слой и др.) наряду с
осаждением в вакууме применяют
электрохимический, химический и другие методы
получения слоев.
В гибридных толстопленочных ИС
пассивные элементы схем и межсоединения
получают путем последовательного нанесения на
поверхность подложек различных
функциональных паст, затем проводят их сушку и
вжигание для придания необходимых
электрофизических свойств и закрепления на
подложке. Рисунок элементов ИС обычно
получают путем нанесения паст через сетчатые
трафареты, хотя и в толстопленочной
технологии для повышения точности иногда
применяют фотолитографию. Основой
технологического маршрута изготовления
толстопленочных ИС является повторение комплекса трех
операций: нанесения пасты, сушки и вжига-
ния (рис. 5.2.25). Последовательность
нанесения слоев определяется температурой вжига-
ния, как правило, последним наносится рези-
стивный слой, имеющий наименьшую
температуру вжигания.
Подготовка
подложки
Нанесение
пасты
Сушка
<
Вжигание
Контроль и
подгонка элементов
Рис. 5.2.25. Технологический маршрут формирования микроструктуры габридной толстопленочной ИС
Подготовка
и контроль
подложек
Окисление
пластины
1-я
литография
(SiO2)
Диффузия
л+-примеси
U
Снятие
оксида
Эпитаксия
л-слоя
Окисление
2-я
литография
(SiO2)

Разделительная диффузия
/>-примеси
Окисление
3-я
литография
(SiO2)
Базовая
диффузия
/^-примеси
Окисление
4-я
литография
(SiO2)
Эмиттерная
диффузия
я-примеси
Окисление
U
5-я
литография
(SiO2)

Металлизация
6-я
литография
(Me)
Вжигание
контактов
Рис. 5.2.26. Технологический маршрут формирования микроструктуры биполярной полупровод
ИС по планарно-эпитаксиальной технологии

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
493
В полупроводниковых ИС реализуются и
активные и пассивные элементы, они
создаются как в объеме подложки - полупроводника,
так и на ее поверхности. Основными
процессами при создании элементов являются эпи-
таксия, диффузия, имплантация, пассивация,
осаждение слоев в вакууме и литография.
Полупроводниковые ИС имеют более высокую
по сравнению с гибридными ИС степень
интеграции и меньшие размеры элементов,
конфигурацию которых выполняют
фотолитографией, рентгено-, электроно- и ионолитогра-
фией, обеспечивающими получение
субмикронных размеров.
По типу активных элементов
(транзисторов) полупроводниковые ИС подразделяются
на биполярные и полевые на МДП-структурах
(металл-диэлектрик-полупроводник). В
отличие от гибридных в полупроводниковых ИС
серьезной проблемой является создание
изоляции элементов, которая может быть
выполнена т*-л-переходами, смещенными в
обратном направлении, с помощью воздушных
промежутков и диэлектрических материалов.
Тип активного прибора и метод изоляции
являются определяющими факторами для
разработки технологического маршрута
формирования полупроводниковых микроструктур.
Одним из наиболее распространенных в
настоящее время вариантов создания
биполярных ИС является планарно-эпитаксиальная
технология с изоляцией ^-«-переходами
(рис. 5.2.26). Исходную кремниевую (р-типа)
пластину локально легируют для получения
скрытого /1+-слоя (рис. 5.2.27), затем осаждают
эпитаксиальный слой л-типа и, несколько раз
повторив комплекс операций - окисление,
литография, легирование, - создают в объеме
полупроводника изолирующую (р+-типа),
базовую и эмиттерную области; завершают
формирование микроструктуры образованием
межсоединений. Легирование при создании
полупроводниковых микроструктур
осуществляется либо высокотемпературной диффузией,
либо имплантацией.
Для уменьшения дефектности и
повышения качества получаемых микроструктур в
технологический процесс иногда вводят гетте-
рирование. Суть этой операции заключается в
формировании на поверхности подложки
(чаще с нерабочей стороны) нарушенного слоя,
который бы являлся стоком для дефектов и
геттером нежелательных примесей. В качестве
геттера можно использовать слой пористого
или поликристаллического кремния, в
который при термообработке переходят дефекты и
примеси из рабочих областей подложки.
ГХЛЛ
7
Л/У V УХ ЛЛУУУ Л ЛУУ Y Л ЛЛ/УУУY X
К^. X УЛ. у Ч УЛ1 ^X V VrV<rS^.Afc>.y>>>
/7
\7 ^1Р- Л
Л .— ~J
Рис. 5.2.27. Основные этапы формирования планарно-эпитаксиальной структуры с изоляцией />-Я-переходом

494 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
// /У // 1 I
Рис. 5.2.28. Основные этапы формирования микроструктур КНС
t I I I I I I I I ' > I ? i I " » I t t I I I I I I ¦ I I ' I t ! I I I I I I
Рис 5.2.29. Основные этапы формирования изоляции декаль-методом:
/- стекло
Однако изоляция с помощью обратно-
смещенных p-w-переходов имеет ряд
существенных недостатков: большие токи утечки,
емкости, малое быстродействие и т.д.
Наиболее простым способом изоляции воздушными
промежутками является создание структуры
кремнии на сапфире (КНС) (рис. 5.2.28).
Неоднородность и дефектность гетероэпитакси-
альной пленки кремния мешает широкому
распространению структур КНС. Более
сложным является декаль-метод. Изоляция
элементов здесь происходит после их реализации в
объеме полупроводника. Сущность этого
метода заключается в присоединении лицевой
стороной кремниевой подложки к
диэлектрической пластине, шлифовании кремния до
достижения толщины около 20 мкм и
последующем разделении микроструктур сквозным
травлением полупроводника (рис. 5.2.29).
Одновременно с изоляцией в этом
технологическом процессе осуществляется и бескорпусная
герметизация элементов. Недостатками этого
метода являются сложность литографии из-за
большой глубины рельефа и воздействие
высоких температур при присоединении
стеклянной пластины к подложке на уже
созданные микроструктуры.
Наилучшую электрическую развязку
структур обеспечивает изоляция
диэлектрическими материалами, но при этом
технологический маршрут усложняется. Изоляция может
осуществляться, как тонкой пленкой
диэлектрика (эпик-процесс), так и объемными
диэлектрическими материалами. Сущность эпик-
процесса (Epitaxial Passivated Integrated Circuits)
заключается в замене />-л-перехода тонкой
диэлектрической пленкой, подложка же
остается полупроводниковой (рис. 5.2.30).

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
495
i я^уА^хA/yi *<» 4?JP52253Z2
Рис. 5.2.30. Основные этапы формирования изоляции методом эпик-процесса:
/ - поликремний
При изоляции объемными
диэлектриками наибольший интерес представляют метод
горячего прессования и ДИАК-метод
(диэлектрическая изоляция активных
компонентов). Методом горячего пресования
(рис. 5.2.31) создание изолированных
диэлектриком карманов может быть осуществлено
как до, так и после создания микроструктур. В
ДИАК-методе изоляция выполняется до
изготовления микроструктур ИС (рис.5.2.32).
Островки полупроводника, в которых
создаются элементы, погружены в
стеклокерамику (см. рис. 5.2.31) или ситалл (см.
рис. 5.2.32). Серьезной проблемой при
реализации этих методов является создание
диэлектрических материалов, температурный
коэффициент линейного расширения которых
приблизительно такой, как у полупроводника, что
дает возможность уменьшить механические
напряжения и прогиб подложек, а это снижает
погрешности микролитографии.
Изоляция элементов ИС выполняется и
комбинированными методами, где сочетаются
смещенные в обратном направлении
/>-я-переходы и диэлектрические материалы.
Изопланарная технология по существу
представляет модернизацию эпитаксиально-
планарной технологии, в которой
разделительная диффузия заменена сквозным
окислением эпитаксиального слоя (рис. 5.2.33). В
полипланарной технологии устранен основной
недостаток изопланара - длительность
окисления. Осуществляется это анизотропным
сквозным травлением V-образных канавок, их
окислением и заполнением
поликристаллическим кремнием (рис. 5.2.34).
Простота конструкции ИС на МДП-
транзисторах позволяет значительно
уменьшить число операций при создании
соответствующих микроструктур (рис. 5.2.35) и тем
-самым снизить сложность технологического
маршрута (рис. 5.2.36). Одной из серьезных
технологических проблем при создании МДП-
транзисторов является совмещение каналов с
затворами. Диффузионно-ионная технология
позволяет обеспечить изготовление МДП-
транзистора с самосовмещенным затвором
(рис. 5.2.37). Длина затвора при создании
областей стока и истока формируется меньше
длины канала; затем осуществляется ионное
легирование той же примесью, которая
создала области истока и стока, маской при этом
служит уже созданный затвор и слой оксида
кремния на остальной поверхности кристалла.
Более сложным является
технологический маршрут изготовления комплементарных
микросхем (КМДП ИС), здесь число
литографий доходит до шести (рис. 5.2.38).
Технологические процессы изготовления
гибриднопленочных, и особенно
полупроводниковых, ИС отличаются большей сложностью
и многооперационностью. Поэтому их
изготовление иногда реализуется в нескольких
производственных Структурах. Такие
возможности, например, представляет технология
полузаказных ИС, которая предусматривает
разделение технологического процесса на два
этапа. На первом этапе изготовляют базовые
матричные кристаллы (БМК), которые
представляют собой сочетание матриц
транзисторов, соединительных проводников и
контактных площадок. На втором этапе -
разрабатывают топологию коммутации и реализуют ее
на БМК.

496 Глава 5.1 ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
'Si 0г
<
V////
г7
1 hr
/ n +
I 7 / f$
! / ft*
V.: V "
/7*-
/
Л__/"
л г
Zi ?1
^^
PS
i
Л V
s
: lj
Рис. 5.2.31. Основные этапы формирования изоляции
методом горячего прессования:
/- кремний; //- стеклокерамика
/ТПГП IN i 11 \'\ I н 'lli H . 11 ii. I ;'»/ Г> ibtK
i n 1
\\ N \ ^_y
N
^ ;, .' '• <.г .'. •,• Л
Рис. 5.2.32. Основные этапы формирования изоляции
ДИАК-методом:
/- ситалл
е
п
Рис. 5.2.33. Основные этапы изопланарной технологии
Рис. 5.2.34. Основные этапы полипланарной
технологии:
/ - поликремний

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
497
id я
\ *>+ /
Рис. 5.2.35. Основные этапы формирования
микроструктур МДП ИС:
И - исток; С - сток; 3 - затвор
Повышение степени интеграции и
переход к БИС и СБИС обусловливают увеличение
размеров кристаллов, числа элементов и числа
межсоединений и их пересечений. В связи с
последним обстоятельством создают
многоуровневую разводку (рис. 5.2.39). Это
вызывает усложнение технологического маршрута, так
как для каждого уровня добавляется комплекс
операций: получение межуровневого
диэлектрического слоя, литография по нему для
создания контактных окон, металлизация и
получение рисунка разводки.
Следующим этапом развития технологии
полупроводниковых ИС является создание
трехмерных ИС, позволяющих рационально
использовать полупроводниковый материал и
повысить степень интеграции (рис. 5.2.40).
Изготовление трехмерных ИС
выполняется по следующему технологическому
маршруту: изготовление с помощью комплекса
рассмотренных выше операций микроструктур
на нижнем уровне; нанесение толстого слоя
диэлектрика (например, фосфоросиликатного
стекла (ФСС), являющегося основанием для
элементов второго уровня, нанесение слоя
поликристалического кремния (толщиной
около 0,5 мкм); рекристаллизация последнего
и образование монокристаллического слоя,
создание в нем элементов второго уровня и
т.д. Безусловно, технологический процесс
изготовления трехмерных ИС значительно
сложнее, чем обычных двухмерных, так как
создание элементов на двух уровнях требует более
десяти операций микролитографии.
Подготовка
и контроль
подложек
Окисление
1-я
литография
Диффузия
/>-примеси
исток, сток
2-я
литография
Получение
подзатвор-
ного оксида
3-я
литография
(SiQz)

Металлизация
4-я
литография
(Me)
Рис. 5.2.36. Технологический маршрут формирования микроструктуры МДП ИС
Рис. 5.2.37. Основные этапы формирования диффузионно-ионной МДП ИС с самосовмещенным затвором:
И - исток; С - сток; 3 - затвор; 1 - ионы

498 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
1
SlO2 ;>>>>>>, ,щ;
1
Г
Т
Me
Рис. 5.2.38. Основные этапы формированы макроструктур КМДП ИС
He
Рис. 5.2.39. Двухуровневая разводка в
полупроводниковых ИС
5.2.3. ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОМЕХАНИКИ
В развитии современной техники
наблюдается тенденция к миниатюризации, наиболее
ярко проявившаяся в развитии
микроэлектроники. Успех этой отрасли техники стал
возможным благодаря четырем основным
факторам:
1) активный полупроводниковый
материал - кремний - доступен и относительно
дешев. Технология его обработки
предусматривает получение монокристаллов
исключительно высокой чистоты, содержащих не более
10~8 % примесей;
2) технология изготовления кремниевых
приборов основана на использовании очень
тонких (менее 1 мкм) осаждаемых пленок,
удобных для целей микроминиатюризации;
3) форма и размеры элементов приборов
воспроизводятся с помощью
микролитографии, высокая точность которой позволяет
довести процесс микроминиатюризации до
субмикронного уровня;
4) кремниевые микроэлектронные схемы
изготовляются по групповой технологии.
Производственная единица в технологии ИС -
полупроводниковая пластина - содержит сотни
Рис. 5.2.40. Трехмерная ИС
идентичных кристаллов, каждый из которых
после разделения превращается в отдельную
ИС. Это чрезвычайно важно с экономической
точки зрения, поскольку групповая
(одновременная) обработка на одной пластине
множества кристаллов позволяет резко
уменьшить их себестоимость.
Эти факторы, которые определили
развитие кремниевой микроэлектроники, могут
быть использованы также при разработке и
изготовлении широкого спектра миниатюрных
механических устройств и компонентов.
Высокая чистота и совершенство
кристаллической структуры монокристаллического
кремния позволяют оптимизировать механические
свойства приборов, изготовляемых из него, так
же, как оптимизируются их электронные
свойства. В результате улучшаются характеристики,
повышаются надежность и воспроизводимость
параметров изделий.
Тонкоплёночная технология и методы
фотолитографии позволяют создавать
разнообразные миниатюрные и высокоточные
механические структуры с помощью тех процессов,
которые были разработаны для электронных
схем.

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОМЕХАНИКИ
499
Высокопроизводительная групповая
технология, применяемая в полупроводниковом
производстве, используется при изготовлении
сложных миниатюрных механических
компонентов, которые нельзя изготовить другими
методами, т.е. появилась уникальная
возможность интеграции механических и
электронных приборов и изготовления их в едином
кристалле кремния.
Все это стало базой для бурного развития
рада новых областей современной техники,
объединенных единым понятием микромеханика. В
основе микромеханики лежит то, что кремний,
применяемый для изготовления
микроэлектронных устройств, может также использоваться как
прецизионный, высоконадежный и прочный
конструкционный материал.
С одной стороны, все материалы и
технологические методы микромеханики
заимствуются из электронной промышленности, с
другой, - микромеханика применяется в
техническом конструировании. Широкое
использование микромеханики требует тесного
сотрудничества специалистов, работающих в
различных областях механики, интегральной
электроники и технологии микроэлектроники.
Механические свойства кремния. В
табл. 5.2.2 приведены механические свойства
материалов микро- и макромеханики.
Монокристаллический кремний (МКК) - хрупкий
материал, который при перегрузке
разрушается аналогично стеклу, а не деформируется
пластически, как большинство металлов.
По значению модуля Юнга A,9 МПа)
кремний приближается к коррозионно-
стойкой стали и никелю и намного
превосходит кварц (SiC>2) и большинство марок стекол.
Монокристалл кремния имеет предел
текучести 70 кПа, который более чем в 3 раза
выше, чем у проволоки из коррозионно-
стойкой стали. На практике напряжения
растяжения, которым подвергаются затравочные
кристаллы в процессе выращивания больших
слитков МКК, могут составлять более
1,25 кПа, например, когда слиток массой 40 кг
висит на затравочном кристалле 0 2 мм.
Заготовками МКК обычно являются
большие пластины диаметром 75 - 200 мм и
толщиной 350 - 600 мкм. Даже сталь при
таких размерах образцов легко деформируется.
Кремниевые кристаллы с размерами 3x3-
6x6 мм достаточно прочны, если на них нет
надрезов и глубоких царапин. Будучи
монокристаллическим материалом кремний
ломается и раскалывается вдоль
кристаллографических плоскостей, особенно если имеются
краевые, поверхностные или объемные нарушения
структуры. Именно они приводят к
концентрации и ориентации напряжений вдоль
плоскостей скола. Для предотвращения этих
явлений в полупроводниковой промышленности
используют снятие фаски по контуру пластин,
что уменьшает эффект концентрации
напряжений. Кроме того, технологи стремятся
снизить температуру и уменьшить число циклов
высокотемпературной обработки и операций
нанесения тонких пленок, которые являются
причиной внутренних напряжений в кремнии.
Таким образом, прочность МКК в
реальных условиях зависит от
кристаллографической ориентации и
конфигурации детали из кремния, числа и размеров
краевых, поверхностных и объемных
нарушений, а также от напряжений накопленных во
время роста монокристаллов, их резки и
механической обработки, высокотемпературных
операций диффузии, оксидирования, эпитак-
сии, осаждения слоев.
Материал
Алмаз
SiO2
TiC
А12О3
Si3N4
Fe
SiO2
Si
W
Сталь
Mo
Al
5.2.2. Механические свойства материалов микро- i
Предел
прочности,
с-10-9, Па
53
21
20
15,4
14
12,6
8,4
7,0
4,0
2,1
2,1
0,17
HV
70
24,8
24,7
21
34,86
4
8,2
8,5
4,85
6,6
2,75
1,3
Модуль
Юнга #10-5,
МПа
10,35
7,0
4,97
5,3
3,85
1,96
0,73
1,9
4,1
2,0
3,43
0,70
Плотность,
г/см3
3,5
3,2
4,9
4,0
3,1
7,8
2,5
2,3
19,3
7,9
10,3
2,7
¦ макромеханики
Теплопроводность,
Вт/(см°С)
20
3,5
3,3
0,5
0,19
0,803
0,014
1,57
1,78
0,33
1,38
2,36
а-106,
(OQ-1
1,0
3,3
6,4
5,4
0,8
12
0,55
2,2 - 4,2
4,5
17,3
5,0
25

500 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Технологические методы, разработанные
в пленарной кремниевой технологии
микроэлектроники, позволяют существенно
уменьшить нарушения кристаллической структуры
кремниевых пластин, а также снизить в них
внутренние напряжения. Используя эти
методы, можно получать микромеханические
детали из кремния весьма высокой прочности.
Кроме хороших прочностных
характеристик, кремний обладает уникальным
сочетанием ряда механических и электрических
свойств.
В применяемом в промышленности
МКК практически полностью исключены
дислокация и другие несовершенства
кристаллической решетки. Поэтому зависимость
напряжений от деформаций кремния имеет
линейный характер вплоть до точки разрушения,
или гистерезис отсутствует. При 20 °С в
кремнии невозможно пластическое
деформирование, поэтому даже после значительных
перегрузок заметного изменения характеристик не
происходит.
Исключительно важны для
микромеханики также полупроводниковые свойства
кремния, особенно те, которые не очень
важны в микроэлектронике, например, пьезорези-
стивные свойства. У ненагруженных пластин
кремния электрическая проводимость не
зависит от направления. Однако при
деформировании кремния его электропроводность в
некоторых направлениях становится значительно
больше, чем в других. Зависимость
сопротивления проводника R от его деформации 8
характеризуется тензочувствительностью К:
K = (AR/R)/z.
У традиционных проволочных тензорези-
сторов К — 2 ... 4. При оптимальном
сочетании вида нагружения, кристаллографической
ориентации и типа проводимости кремния у
него К> 100.
Таким образом, кремний во-первых,
обладает хорошими прочностными и упругими
характеристиками, а, во-вторых, относится к
числу пьезоэлектрических материалов. Первые
позволяют использовать тонкие кремниевые
мембраны и балки в качестве упругих
элементов микроустройств, а вторые -
преобразовывать деформации тензорезисторов, встроенных
в эти упругие элементы, в сигналы.
Кремниевые микродатчики давления.
Выпуск кремниевых микродатчиков давления
составляет до 40 % общего выпуска
микродатчиков. По своей структуре эти датчики могут
быть пьезорезиствными или емкостными. В
обоих видах датчиков тонкие кремниевые
диафрагмы, вытравленные в исходной
кремниевой пластине, являются упругими
элементами, чувствительными к давлению.
В пьезорезистивном датчике
используются четыре диффузионных резистора,
внедренных в упругую кремниевую диафрагму (рис.
5.2.41, а) методами планарной технологии и
соединенных между собой в мостовую или
полумостовую схему (рис. 5.2.41, б> в). При
приложении давления диафрагма изгибается и
на ее верхней поверхности возникают
напряжения. В результате пьезоэлектрического
эффекта сопротивления резисторов R\ - R4
изменяются и они начинают действовать как
тензодатчики. При подаче постоянного
напряжения Vn выходной сигнал мостовой
схемы
= V
Рис. 5.2.41. Пьезорезистивный датчик давления:
а - конструкция; 1 - пассивация; 2 - металлизация; 3 - слой S1O2; 4 - тензорезистор; 5 - диафрагма;
6 - кремниевый кристалл; 7- стеклянная опора; 8 - соединение с корпусом; 9 - корпус;
б - топология; 1 - 4 - пьезорезисторы; 5 - диафрагма; 6 - металлизация; 7- контактные площадки;
в - электрическая схема

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОМЕХАНИКИ
501
Максимальный выходной сигнал
получается в том случае, когда изменения
сопротивлений резисторов R\, Ri и R$9 R4
противоположны по знаку.
Кристалл с диафрагмой прикрепляется к
стеклянной опоре, которая выполняет три
функции. Во-первых, она усиливает кристалл,
что особенно важно для датчиков высокого
давления, в которых диафрагма имеет почти
такую же толщину, что и кристалл. Во-вторых,
эта опора является соединительной
поверхностью для монтажа в корпус. В-третьих,
опорная плита поглощает напряжения,
возникающие в месте соединения кремниевого
кристалла с корпусом. В датчиках относительного
давления в опорной плите выполняется
отверстие для передачи давления к задней
поверхности диафрагмы. В датчиках абсолютного
давления отверстия нет, а полость под
диафрагмой вакуумируется.
Корпус для закрепления кристалла
играет весьма важную роль, определяя надежность
и эффективность датчика. В ряде случаев
давление должно прикладываться к рабочей
стороне диафрагмы - со стороны диффузионных
резисторов. При этом внешняя среда, которая
может вызывать коррозию и загрязнение, не
должна воздействовать на проволочные
соединения контактов резисторов с внешними
выводам. Для исключения контакта диафрагмы и
токоподводов с внешней средой используют
герметизирующие полости, ограниченные
металлической диафрагмой и заполненные
силиконовым маслом.
В емкостном датчике давления
(рис. 5.2.42) упругая диафрагма используется
как подвижная обкладка плоского
конденсатора, перемещающаяся под давлением.
Неподвижная обкладка конденсатора обычно
представляет собой тонкую металлическую пленку,
напыленную на изолирующую стеклянную
пластину. Под действием давления р емкость
Сдатчика изменяется.
7.
Обозначив через w прогиб диафрагмы в
точке с координатами х, у, можно записать в
общем виде
с?
6'
а
Рис. 5.2.42. Емкостной датчик давления:
1 - стеклянная пластина; 2 - интегральный
преобразователь; 3 - кремниевый кристалл;
4 - мембрана; 5 - неподвижная металлическая
обкладка; 6 - соединение кристалла со стеклянной
пластиной; 7 - диффузионный токоподвод
где 80 - проводимость свободного пространства;
? - расстояние между пластинами щ>ир = 0.
Толщина упругой мембраны составляет
от одного до нескольких микрометров,
площадь - несколько квадратных миллиметров,
расстояние I обычно превышает 1 мкм.
Емкостные датчики более чувствительны
к давлению, чем пьезорезистивные. Емкость
измерительной ячейки такого датчика обычно
составляет всего лишь несколько десятков
пикофарад. При этом провода, соединяющие
ячейку преобразователя емкости в напряжение
или частоту с измерительным прибором,
обладают рассеянной емкостью, достигающей
1 пФ/см2. Поэтому для повышения
чувствительности емкостного датчика и уменьшения
влияния на него внешних электромагнитных
полей необходимо размещать преобразователь
как можно ближе от измерительной ячейки,
предпочтительно на одном кристалле с ней.
Очевидно, что именно по такому принципу
будут строиться емкостные датчики давления
следующего поколения.
Кремниевый акселерометр. Одна из
конструкций кремниевого акселерометра массой
0,02 г и размерами 2 х 3 х 0,6 мм показана на
рис. 5.2.43. Прибор может измерять ускорения
в диапазоне 0,01 - 50g с полосой пропускания
более 100 Гц.
Рис. 5.2.43. Кремниевый акселерометр:
1 - резисторы; 2 - зазор; 3 - груз на упругой балке;
4 - углубление в стеклянной крышке; J - кремниевый
кристалл; 6 - диффузионные области ряр+ типа;
7- стеклянные крышки; 8 - контактные площадки;
9 - проволочные токоподводы

502 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Акселерометр представляет собой
слоистую структуру кремний-стекло-кремний.
Основным элементом прибора является
выполненная из кремния тонкая упругая балка,
окруженная кремниевой рамой толщиной 200
мкм. Рама жестко соединена с концами балки,
торцы рамки служат для соединения со
стеклянными крышками. Свободный конец
упругой балки расширен и образует опору для
инертной массы, формируемой из кремния
или золота.
Два диффузионных резистора ^-типа
(один на упругой балке, второй - на жесткой
раме) включены в полумостовую схему,
контакты к которой выполнены в виде областей
/*?гипа на кремниевой раме. Резистор,
размещенный на упругой балке, изменяет свое
сопротивление при вибрациях из-за
возникающих напряжений, второй резистор
используется для компенсации погрешностей,
возникающих вследствие нагревания.
Верхняя и нижняя крышки
акселерометра выполнены из стеклянных пластин,
соединенных с кремнием. На верхней стеклянной
пластине напылены металлические контактные
площадки, узкие выступы которых
контактируют с выводами /*±гипа диффузионных
резисторов. К контактным площадкам
припаиваются выводы, соединяющие полумостовую
схему с усилителем.
Датчик потока. Основными элементами
датчика потока (рис. 5.2.44, а) являются
тонкопленочный нагреватель 1 и расположенные
с двух сторон от него тонкопленочные
терморезисторы 2 к 3. Температура нагревателя на
200 °С превышает температуру окружающей
среды, необходимая для этого мощность не
превышает 0,01 Вт.
При отсутствии потока теплота от
нагревателя одинаково распространяется через
окружающую его воздушную или газовую среду к
обоим терморезисторам, при этом их
температура составляет около 140 °С. Планарная
технология позволяет выполнить оба
термодатчика с предельно близкими параметрами и
расположить строго симметрично относительно
нагревателя. Поэтому они имеют одинаковую
электропроводность и при отсутствии
движения воздуха их выходные напряжения равны
между собой.
160
140 L
120 i
Температура
термореэисторов, * С
ХТермо-
рсзистор 3'
Термо-
.; резистор 2
100 I
0 150 300 450 600
^J Скорость
потока, м/мнн
Положение
Рис. 5.2.44. Kp

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОМЕХАНИКИ
503
При появлении воздушного потока
первый по ходу потока терморезистор 2 начинает
охлаждаться за счет того, что теплота от него
уносится потоком в сторону нагревателя. В то
же время терморезистор 3 начинает
нагреваться теплотой, переносимой к нему от
нагревателя (рис. 5.2.44, б9 в). Возникающая в
результате разность температур и соответственно
проводимостей двух терморезисторов
приводит к изменению их выходных напряжений. В
результате появляется разность напряжений
0,1 В при скорости потока около 600 м/мин.
Для поддержания стабильной относительно
внешней среды температуры нагревателя
используется дополнительный терморезистор 49
контролирующий температуру кремниевого
кристалла.
Точность измерения датчика потока во
многом определяется тем, насколько
теплоизолированы друг от друга его элементы.
Поскольку теплопроводность кремния очень
велика, для теплоизоляции нагреватель и
терморезисторы размещаются внутри пленки из
нитрида кремния толщиной не более 0,8 мкм.
Кремний под этой пленкой вытравливается на
глубину около 125 мкм, при этом пленка
нитрида кремния находится во взвешенном
состоянии над углублением в виде мостика или
консоли.
Для кремниевого датчика потока
характерны малые размеры, низкий уровень
потребляемой энергии, высокий, легко
линеаризуемый выходной сигнал. При массовом
производстве таких датчиков методами
электронных технологий его стоимость может быть
существенно ниже, чем традиционных.
Технология изготовления изделий
микромеханики базируется на общей технологии
интегральных микросхем (фотолитография,
диффузия или ионная Имплантация,
металлизация и т.д.), однако, кроме этого,
предусмотрено использование ряда специфических
технологических операций: формирования
упругого чувствительного элемента, точного
размещения и совмещения между собой
элементов на обеих сторонах кремниевого кристалла,
взаимного соединения между собой элементов
микроустройств. К этим операциям
предъявляются те же требования, что и к основным
операциям микроэлектронного производства:
групповой способ проведения операций,
возможность автоматизации, точность,
возможность текущего контроля, низкая стоимость.
В общем виде последовательность
технологических операций для изготовления
различных изделий микромеханики можно
представить в виде схемы, показанной на
рис. 5.2.45.
ПОДГОТОВКА ПЛАСТИН
J
| НАНЕСЕНИЕ МАСКИРУЮЩИХ ПОКРЫТИЙ |
ДВУХСТОРОННЯЯ ФОТОЛИТОГРАФИЯ
J
I ИЗГОТОВЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ТЕНЗОСХЕМЫ |
МИКРОПРОФИЛИРОВАНИЕ ПЛАСТИН
I ГРУППОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ
ДЕТАЛЕЙ В МИКРОКОНСТРУКЦИЮ
РАЗДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИН
НА КРИСТАЛЛЫ
L
РАЗДЕЛЕНИЕ ПЛАСТИН
НА КРИСТАЛЛЫ
J L
ГРУППОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ
ДЕТАЛЕЙ В МИКРОКОНСТРУКЦИЮ
МОНТАЖ МИКРОКОНСТРУКЦИЙ В КОРПУС
РАЗВАРКА ВЫВОДОВ
ГЕРМЕТИЗАЦИЯ КОРПУСА
ИСПЫТАНИЯ И КОНТРОЛЬ
Рис. 5.2.45. Этапы изготовления езде

504 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
Подготовка пластин. В технологии
микромеханики используются стандартные
кремниевые пластины, применяемые в технологии
микроэлектроники. Их диаметр составляет
76 - 150 мм, толщина - соответственно 300 -
600 мкм. На поверхности пластин создаются
слои заданного типа проводимости, для чего
используются разработанные для
микроэлектроники методы эпитаксии. В отличие от
стандартного планарного процесса в
технологии микромеханики используются обе стороны
пластины. В связи с необходимостью
проведения на обратной стороне пластины
фотолитографии, а также использования этой стороны
для соединения с опорными элементами
следует полировать эту сторону до достижения
требуемой шероховатости рабочей
поверхности.
Нанесение маскирующего покрытия. По
сравнению со стандартной технологией этот
процесс имеет особенности. Как и в
технологии микроэлектроники, в технологии
микромеханики чаще всего используют в качестве
маскирующего покрытия диоксид кремния.
Однако в данном случае диоксид должен
наноситься на обе стороны пластины. Кроме
того, толщина диоксида определяется
необходимостью защиты поверхности кремния при
микропрофилировании пластины методом
анизотропного химического травления.
В тех случаях, когда для защиты
поверхности пластины используются другие
защитные покрытия, например нитрид кремния или
слои Cr-Au, к слою диоксида кремния
предъявляются обычные требования.
Двусторонняя фотолитография. Этот
процесс в технологии микромеханики
необходим, так как тензочувствительные элементы
изготовляются на одной стороне пластины, а
микропрофилирование происходит на другой.
Так как в планарной технологии двусторонняя
литография применяется крайне редко,
промышленная реализация этого этапа имеет
ограничения.
Изготовление интегральной тензосхемы.
Это стандартный этап планарного процесса
изготовления интегральных
полупроводниковых микросхем. Применительно к изделиям
микромеханики могут использоваться любые
модификации планарного процесса,
разработанные для изготовления микросхем как на
биполярных, так и на МДП-транзисторах
(металл-диэлектрик-полупроводник). Этот
этап включает в себя несколько операций
фотолитографии, одну или несколько операций
диффузии или ионной имплантации
примесей, напыление металлических соединений и
контактных площадок. С помощью
планарного процесса можно изготовить почти все
тензочувствительные компоненты: тензорези-
сторы, диоды и биполярные тензотранзисто-
ры, тензодиоды Шотгки, МДП-тензотран-
зисторы и даже целые тензочувствительные
схемы.
Микропрофилирование пластин является
основным специфическим этапом
изготовления изделий микромеханики. Несмотря на то,
что химическое микропрофилирование, в
частности анизотропное травление кремния,
довольно широко используется в технологии
интегральных микросхем, применительно к
технологии микромеханики этот процесс
становится во многом определяющим. Это
объясняется сочетанием требований к точности и
воспроизводимости, во-первых, формы
упругих элементов в плане, а во-вторых, что еще
более важно, - толщины этих элементов.
Соединение деталей в микроконструкцию.
В изделиях микромеханики, содержащих
упругие чувствительные элементы, необходимо
минимизировать передачу на них напряжений,
возникающих в процессе эксплуатации
изделия. Поэтому после изготовления упругого
чувствительного элемента он, как правило,
закрепляется на промежуточной опоре,
которая в последующем должна воспринимать и
компенсировать напряжения от корпуса
прибора. Соединение чувствительного элемента и
опоры должно быть прочным, часто вакуумно-
плотным и при этом в процессе соединения не
должно возникать напряжений в кремниевых
чувствительных элементах. Для того, чтобы
удовлетворить совокупности этих требований,
для сборки используют различные способы:
приклеивание, пайку низкотемпературными
припоями, посадку на эвтектику, соединение
низкоплавкими стеклами, электростатическое
соединение. Последний способ наиболее
полно удовлетворяет требованиям к сборке,
поэтому он наиболее широко применяется в
современной технологии микромеханики.
Соединение кремниевых чувствительных
элементов и промежуточных опорных
элементов может проводиться как индивидуально для
каждой пары, так и для всей кремниевой
пластины. Второй вариант предпочтительнее, так
как он позволяет полностью реализовать
преимущества групповой технологии, однако он
применим при высоком уровне отработки
процесса, когда на каждой кремниевой
пластине выход годных чувствительных элементов
достаточно высок.
Последующие заключительные
операции - монтаж микроконструкции в корпус,
разварка выводов, герметизация корпуса,
испытания и контроль - имеют много общего с
технологией микроэлектроники и могут
базироваться на промышленном оборудовании.
Диапазон технологических операций,
применяемых в технологии ИС и в
производстве кремниевых микроустройств, весьма
широк. Пример технологического маршрута
изготовления датчика давления показан на рис.
5.2.46.

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОМЕХАНИКИ
505
б)
в)
Г)
Д)
е)
ж)
з)
и)
Рис. 5.2.46. Этапы изготовления кремниевого
датчика давления
Технология изготовления кремниевого
микродатчика давления основана на
максимальном использовании заготовок, материалов
и технологических процессов, применяемых в
технологии микроэлектроники.
В рассматриваемом примере
изготовления пьезорезистивного датчика давления
заготовкой служит пластина кремния /J-типа
ориентации A00) с эпитаксиальным слоем л-типа,
толщина которого не превышает 5-20 мкм. В
таком виде заготовки могут быть поставлены
предприятием-изготовителем (рис. 5.2.46, а).
Первой операцией по обработке пластин
является их двустороннее оксидирование.
Получаемая пленка SiO2 толщиной 0,4 - 1 мкм
будет служить маскирующим покрытием при
формировании чувствительного элемента
датчика (рис. 5.2.46, б).
Первая двусторонняя фотолитография
проводится для получения на обеих сторонах
пластины совмещенных между собой наборов
реперных знаков. По этим знакам впоследст-
вии будут совмещаться конфигурации тензоре-
зисторов с одной стороны пластины и
диафрагма - с другой. Реперные знаки
формируются травлением соответствующих рисунков в
пленке SiC>2 (рис. 5.2.46, в).
Вторая фотолитография предназначена
для вскрытия окон на верхней поверхности
пластины, в которые далее проводится
диффузия легирующих примесей />-типа для
создания диффузионных резисторов (рис. 5.2.46, г).
После диффузии проводится третья
фотолитография для создания контактных окон к
тензорезисторам. Напыление алюминия и его
вжигание позволяют сформировать планарные
металлические токоподводы к тензорезисторам
(рис. 5.2.46, ду ё).
Третья фотолитография проводится по
слою алюминия для придания требуемой
конфигурации токоподводам и контактным
площадкам (рис. 5.2.46, ж).
Четвертая фотолитография выполняется
на обратной стороне пластины. -Задача этой
операции - вскрыть в SiC>2 окна, через
которые будет вестись глубинное травление
кремния для создания мембраны. Чаще всего
травление ведется анизотропными травителями,
дающими характерный профиль сечения с
наклонными стенками s(pHc. 5.2.46, з, и).
После формирования мембран пластина
кремния соединяется своей нижней стороной
с пластиной из боросиликатного стекла
"Пирекс" толщиной 1-2 мм. Соединение
должно быть вакуумно-плотным, неразъемным
и не приводить к деформациям мембраны.
Далее проводятся разделение
соединяемых пластин на отдельные кристаллы и их
монтаж в корпус датчика. Закрепление
кристаллов проводится пайкой с применением
ряда промежуточных слоев.
Контактные площадки кристалла
соединяются с внешними выводами посредством
ультразвуковой сварки с использованием
алюминиевой или золотой проволоки диаметром
30 - 60 мкм.
Герметизация корпуса может
выполняться способами, известными в технологии ИС:
сваркой, пайкой, склеиванием. В ряде случаев
создают дополнительные камеры, заполненные
инертной жидкостью, предохраняющей
рабочую поверхность кристалла и соединительные
провода от агрессивной внешней среды.
Технологические маршруты изготовления
кремниевых микродатчиков и ИС наряду с
целым рядом общих черт имеют несколько
существенных различий.
Прежде всего технология изготовления
ИС является планарной (плоскостной), она
предназначена для модификации физических
свойств используемых материалов на глубину
всего несколько микрометров. При
изготовлении же изделий микромеханики, кроме
планарной технологии, для воздействия на рабо-

506 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
чую сторону кремниевой заготовки
используется также трехмерная (объемная) обработка с
обратной стороны пластины.
Кроме того, необходимость обработки
кремниевой пластины с обеих сторон требует
применения при изготовлении изделий
микромеханики двусторонней литографии, очень
редко используемой в технологии ИС.
Наличие в кремниевых микродатчиках
сверхтонких кремниевых деталей вынуждает
применять при их сборке методы,
минимизирующие внутренние напряжения в
чувствительных элементах.
Таким образом, основные
технологические операции при изготовлении изделий
кремниевой микромеханики следующие:
трехмерное профилирование кремниевых пластин;
двусторонняя фотолитография; сборка
кремниевых чувствительных элементов.
Микропрофилирование кремниевых
пластин. Типовая заготовка микромеханики -
кремниевая пластина - обычно имеет толщину
300 - 600 мкм. Толщина диафрагм или
упругих консольных балок, применяемых в
микромеханике, - 3 - 20 мкм. Допуск на этот
размер обычно не превышает 10 %, допуск на
продольные размеры мембраны составляют
около 10 мкм. Поэтому при изготовлении
микроструктур необходимо решить две задачи.
Во-первых, необходимо получить
продольные размеры мембраны в пределах
заданного допуска, а, во вторых, - обеспечить
остановку обработки пластины при достижении
заданной толщины мембраны. Необходимо
учесть, что в зависимости от конструкции
микромеханического изделия кремниевая
пластина и выполненная в ней диафрагма могут
быть одного и того же или разных типов
проводимости, на мембране могут быть
сформированы р-п-переходы или иные структуры.
В отличие от планарной технологии,
формирующей преимущественно двумерные
микроэлектронные структуры,
микропрофилирование позволяет создавать трехмерные
микроустройства, которые имеют по всем трем
направлениям размеры одного порядка или,
по крайней мере, часть их элементов
размещается на некотором расстоянии от плоскости
кремниевой пластины.
Для создания кремниевых трехмерных
устройств используются различные методы
микропрофилирования, к которым
предъявляются следующие требования: возможность
групповой обработки изделий; малые
производственные затраты; миниатюрность изделий;
точный контроль параметров отдельных
компонентов и изделия в целом.
Наиболее полно этим требованиям
удовлетворяют изотропное и анизотропное
травление кремния.
Изотропное травление. Традиционные
изотропные травители для кремния включают
смесь плавиковой кислоты HF, азотной
кислоты HNO3 и уксусной кислоты СН3СООН.
Варьирование концентрации этих
компонентов, а также введение в травящий раствор
различных добавок позволяют изменять скорость
травления, шероховатость обрабатываемой
поверхности, степень анизотропности
травления. Такие травители широко используются
практически без изменений начиная с 60-х
годов, они обеспечивают при 20 °С скорость
травления 2-20 мкм/с. При травлении
пластин с ориентацией <100> изотропные
травители обеспечивают зеркальную протравленную
поверхность с анизотропией формы не более 1
%. Однако применительно к
микропрофилированию кремния изотропное травление имеет
ряд недостатков. При глубинном травлении
трудно выполнить точное маскирование
формируемых углублений. Это объясняется тем,
что наиболее часто применяемые для
маскирования слои диоксида кремния SiC>2 травятся в
изотропных травителях со скоростью,
составляющей 2 - 3 % скорости травления кремния.
Поэтому без перехода на другие, более
стойкие, но менее технологичные маскирующие
покрытия глубинное травление изотропными
травителями невозможно.
Во-вторых, даже при использовании
более стойких покрытий типа Сг-Au размерная
точность миниатюрных элементов, получаемых
в кремнии изотропным травлением, невелика.
Это объясняется особенностями
формирования профиля в кремнии при движении фронта
травления (рис. 5.2.47).
При толщине кремниевой пластины Ту
текущем радиусе фронта травления г,
координату х пересечения фронта травления с
ограничительной плоскостью можно найти из
уравнения
rdr
dx TdT
r2-T2
-Т2'
E.2.1)
Из рис. 5.2.47 следует, что
г = V/ и dr = \dt + tdv.
где v - скорость травления; / - время травления.
Поэтому в идеальном случае, когда
контроль времени травления ведется точно
(dt = 0) и изменения скорости травления dv
равны нулю, drv уравнении E.2.1) становится
равным нулю и уравнение может быть
записано в форме
TdT
г1 -Г
E.2.2)

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОМЕХАНИКИ
507
Рис 5.2.47. Формирование углублений в кремниевой i
а, б - этапы; в - зависимость скорости травления от глубины
Выражение E.2.2) описывает
относительное приращение координаты х профиля
травления и , по существу, характеризует
степень неопределенности границы фронта
травления на ограничивающей плоскости. Для
получения заданного размера мембраны
желательно, чтобы величина dx/x была мала.
Однако в момент соприкасания фронта
травления с ограничивающей плоскостью значение г
примерно равно Т и левая часть в E.2.2)
стремится к бесконечности. Из графика на
рис. 5.2.47, в видно, что погрешность
положения границы формируемой мембраны
становится стабильной лишь при диаметре
мембраны, значительно превышающем толщину
пластины. Это неприемлемо для широкого круга
микроизделий, в которых размеры мембран
@,5 - 1 мм) соизмеримы с толщиной
кремниевых пластин. Выше не учитывались
значение dT9 которые представляют собой разно-
толщинность пластин и могут составлять
5-10 мкм. Этот фактор еще более затрудняет
контроль скорости перемещения границы
фронта травления в горизонтальной плоскости
при одновременной обработке партии пластин.
Необходимо учитывать, что скорость
изотропного травления зависит от
температуры и обычно лимитирована
транспортированием плавиковой кислоты к обрабатываемой,
поверхности и определяется интенсивностью
перемешивания раствора. Это приводит к
увеличению dr и еще более затрудняет контроль
вертикальной и горизонтальной составляющих
глубинного изотропного травления.
Для преодоления этих проблем в конце
60-х годов были разработаны методы
анизотропного травления.
Анизотропное травление кремния.
Применение анизотропных травителей позволяет
обеспечить точные габаритные размеры
прямоугольных мембран и балок. Это объясняется
тем, что анизотропные травители воздействуют
на плоскости <111> со скоростью, примерно в
50 раз меньшей, чем на плоскости <100> и
Типовой заготовкой в технологии
микроэлектроники является кремниевая пластина
ориентации <100>. Если в маскирующей
пленке на такой пластине вскрыть окно и
начать травление, то его фронт будет смещаться
вниз параллельно поверхности пластины.
Боковые стенки профиля травления будут
образовываться плоскостями <111>, скорость
травления которых мала по сравнению со
скоростью травления плоскости <100>. Плоскости
<110> будут травиться со скоростью,
соизмеримой со скоростью травления плоскостей
<100>. Поэтому при анизотропном травлении
пластин ориентации <100> образуются
углубления, стенки которых определены
плоскостями <111> и сходятся под поверхностью
пластины под углом а = 54°45', образуя
углубления с характерным V-образным профилем
(рис. 5.2.48).
1 \ / T
\ V Tsi.
X
a)
Рис. 5.2.48. Профили углублений в пластине кремния

508 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
В зависимости от размеров окна в
маскирующем покрытии стенки углубления могут
пересекаться между собой на глубине d (рис.
5.2.48, а) или доходить до ограничивающей
плоскости (рис. 5.2.48, б). В последнем случае
образуется отверстие или тонкая мембрана с
размером W. Этот размер зависит от размера
окна в маскирующем покрытии И^кс, подтра-
ва под оксид 1/и толщины кремния 7&:
Размеры элементов маскирующего
покрытия на поверхности пластины могут быть
получены с помощью фотолитографии с
допуском около 0,5-1 мкм.
Подграв v = V<lll>t/sm а, где v<lll>
и / - соответственно скорость и время
травления плоскости <111>, представляет собой
разность между размерами окна в оксиде и
размерами получаемого отверстия на поверхности
кремния Ж^. Он образуется из-за того, что
скорость v<lll> хоть и мала, но при
длительном времени воздействие травителя все же
сказывается.
Разнотолщинность пластин, как и при
изотропном травлении, также влияет на
размеры в плане получаемого элемента. Однако
при анизотропном травлении образование
профиля происходит за счет смещения вниз
основания углубления со скоростью, равной
v<100>. Это позволяет устранить неопреде
ленность границ формируемого углубления
при касании фронта травления и
ограничивающей плоскости.
Таким образом, при анизотропном
травлении в кремнии образуются углубления с V-
образным профилем, достаточно точно
определяющим продольные размеры получаемых
отверстий и диафрагм. Анизотропное
травление позволяет с достаточной точностью
формировать прямоугольные углубления и
выступы в кремниевых пластинах, и поэтому оно
широко используется в технологии
микромеханики.
Имеются некоторые особенности и
ограничения применения анизотропных травите-
лей, например, они имеют значительно
меньшую скорость травления, чем изотропные, и
даже в направлении плоскости <100> скорость
травления обычно не превышает 1-2
мкм/мин. Для достижения такой скорости
травители должны быть разогреты до
температуры 85 - 115 °С, что затрудняет
использование таких традиционных для технологии
травления маскирующих материалов, как воск.
Как и у изотропных травителей, скорость
травления в данном случае также существенно
зависит от температуры. Достоинством
анизотропных травителей является то, что они мало
чувствительны к перемешиванию.
Существует три основных анизотропных
травителя для кремния (табл. 5.2.3): едкий
кали, раствор этилендиамина и пирокатехина
в воде, гидразин.
5.2.3. Характеристики анизотропных травителей
Травитель
Раствор N2H4 в
Н2О
Раствор КОН в
Н2О
Раствор
NH2(CH2)NH2
и С6Н4(ОНJ в
Н2О
Состав
N2H4 - 50 %,
Н2О - 50 %
КОН - 44 г,
Н2О - 100 мл
NH2(CH2)NH2 -
750 мл,
С6Н4(ОНJ -
120 г,
Н2О - 240 мл
°С
90 - 118
85
115
Скорость
травления,
мкм/мин
3
1,4
1,25
К =
- R<№>/R<1U>
16
400
35-50
Скорость
травления
маскирующих покрытий
SiO2, A1 -
пренебрежимо
мала
SiO2-
1,4 нм/мин,
Si23N24,Cr+Au -
пренебрежимо
мала
SiO2 - 0,2
нм/мйн,
Si3N4 -
0,1 нм/мин,
Cr+Au -
пренебрежимо мала

ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОМЕХАНИКИ
509
В общем случае химическое травление
кремния включает следующие этапы:
инжектирование дырок к границе
полупроводник-раствор и приведение кремния в
более высокое энергетическое состояние Si+;
соединение Si + с гидрооксидными
группами ОН~, имеющимися в растворе. Исходная
поверхность кремния покрывается его гидра-
тированным оксидом, образующимся за счет
хемосорбции ионов ОН";
реакцию гидратированного кремния с
комплексообразующими компонентами
раствора. Малая энергия связи Si - Si облегчает
диссоциацию и придает молекулам высокую
химическую активность:
I I
-Si— Si—+H2O-
I I
I I
— Si—H+—Si—OH.
I I
Связи Si - H также химически активны и
разрушаются ионами ОН":
i
—Si—H +ОН-
— Si—О" +Н21
I
В результате совместного действия Н2О и
ОН" образуется легкорастворимый силикат
Si(OH"J(O">2 и происходит выделение Н2;
растворение образующихся соединений в
травящем растворе.
Таким образом, химическое
взаимодействие кремния с щелочным анизотропным
травителем можно рассматривать как
одновременный процесс оксидирования кремния и
растворения образующегося оксида. Как
скорость оксидирования, так и скорость
растворения оксида могут быть изменены за счет
приложения электрического поля. Это
составляет сущность электрохимического травления
кремния.
Электрохимическое травление образцов
кремния различного типа проводимости (л, р)
позволило установить зависимость скорости
травления от потенциала на образце, а также
выявить потенциалы, при которых скорость
травления максимальна и при которых
травление прекращается и начинается интенсивное
оксидирование образца (рис. 5.2.49). С учетом
этого разработаны схемы травления кремния с
электрохимической остановкой процесса в
момент, когда травление доходит до эпитакси-
ального слоя я-типа (рис. 5.2.50).
Перспективна подача на пластину />-типа
соответствующего потенциала, обеспечивающего
максимальную скорость травления подложки.
кремния в травящем растворе
Рис. 5.2.50. Схема установки для электрохимической
остановки травления мебран:
1 - эпитаксиальный слой л-кремния; 2 - пластина р-
кремния; 3 - измерительный прибор; 4 - электрод
сравнения; 5 - катод; 6 - источник
Электростатическое соединение кремния
со стеклом. Электростатическое соединение
ЭС (используются также термины анодная
сварка, сварка в электрическом поле,
электроадгезионное соединение) исключительно
важно в тех областях технологии, где необходимо
обеспечить прочное, вакуумно плотное
соединение металла или полупроводника со
стеклом.
ЭС заключается в следующем: пару
•материалов соединяют, нагревают до температуры,
существенно меньшей, чем температура их
плавления или размягчения, и затем в течение
некоторого времени к ней прикладывают
электрическое напряжение. Принципиальная схема
ЭС показана на рис. 5.2.51. Наличие давления
необязательно, достаточно только
электрического контакта, поскольку прижим
обеспечивается электростатическими силами
притяжения, возникающими после приложения к
образцу электрического напряжения Vs.
Температура процесса при соединении
кремния со стеклом составляет 623 - 723 К,
что значительно ниже температуры отжига и

510 Глава 5.2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУР
п
т,-с
У,
;с?^
спасло
- кремний
- НАГРЕВАТЕЛЬ
Рис 5.2.51. Схема эл
статического соединения
размягчения большинства стекол. Однако уже
при такой температуре приложение к
соединяемым деталям высокого электрического
напряжения (отрицательным полюсом к
стеклу) приводит к образованию вдоль границы
раздела двух соединяемых материалов
обедненного слоя. Подвижные щелочные ионы в
стекле покидают границу раздела, а
оставшиеся малоподвижные ионы кислорода химически
связываются с кремнием с образованием слоя
оксида. Толщина образующегося переходного
слоя не' превышает 2-20 нм.
Основным критерием при выборе пары
соединяемых материалов является их
согласование по значению температурного
коэффициента линейного расширения (ТКЛР). При
Т = 293 ... 673 К ТКЛР кремния составляет
около B6 - 40)-10 К. Из стекол, близких по
ТКЛР к кремнию, применяются боросиликат-
ные стекла "Пирекс" и электровакуумные
стекла С37-1. Относительная разность ТКЛР не
должна превышать 10 - 25 %. Прочное
соединение при ЭС достигается, если хорошо
обработаны поверхности соединяемых деталей.
Параметр шероховатости поверхности для
получения прочного соединения должен быть
не более Ra = 0,04 мкм. При большем
параметре шероховатости необходимо повышать
температуру нагрева, электрическое
напряжение и время выдержки.
Температура выбирается в пределах Т —
= 420 ... 1170 К. Нижний предел определяется
началом ионной проводимости и
возникновением поляризационных процессов в материале
катода, а верхний - точкой размягчения
стекла. Понижения температуры ЭС можно
достичь уменьшением параметра шероховатости
соединяемых деталей, увеличением времени
процесса и прикладываемого напряжения, а
также применением легкоплавких стекол с
повышенным содержанием оксида натрия.
Прикладываемое электрическое
напряжение для ЭС стекла с кремнием обычно
составляет около 1 кВ. Время процесса t = 60 ...
1800 с. Хотя ЭС осуществляется в течение
времени t = 60 ... 120 с, увеличенная выдержка
повышает прочность соединения.
2М
Рис 5.2.52. Из
электростал
«pi
По результатам наблюдения за силой
электрического тока, проходящего через
систему, можно сделать вывод о наличии или
отсутствии соединения: в момент соединения
сила проходящего тока начинает падать. Это
можно объяснить тем, что в первый период
(при нарастании силы тока) происходит
ускоренное окисление поверхности кремния
(анода). Затем по мере образования и роста
толщины оксидной пленки увеличение силы
тока прекращается и образуется связанный
объемный заряд в зоне соединения. Этот заряд
препятствует дальнейшему протеканию тока
через границу раздела материалов.
Температура, напряжение и текущая
плотность тока в течение процесса соединения
изменяются (рис. 5.2.52). Цри соединении
температуру и прикладываемое напряжение
поддерживают постоянными. Импульс тока
появляется, когда подается напряжение,
приводящее к дрейфу натриевых ионов, после
этого создается область объемного заряда и
происходит соединение. При наблюдении
сквозь стекло видно, что соединенная область
становится темно-серой; когда эта область
расширяется по всей подложке, соединение
заканчивается. Хотя соединение необратимо,
обычно напряжение поддерживают до тех пор,
пока соединенные образцы охлаждаются.
После охлаждения до температуры, близкой к
20 °С, прекращают подачу напряжения.

РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ
511
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Базовые матричные кристаллы и
матричные БИС / В. Г. Домрачев, П. П. Мальцев,
И. В. Новаченко и др. М.: Энергоатомиздат,
1992. 224 с.
2. Березив А. С, Мочалквва О. Р.
Технология и коснтруирование интегральных
микросхем. М.: Радио и связь, 1992. 320 с.
3. Коледов Л. А. Технология и
конструкции микросхем, микропроцессоров и
микросборок. М.: Радио и связь, 1989. 400 с.
4. Малышева И. А. Технология
производства интегральных микросхем. М.: Радио и
связь, 1991. 343 с.
5. Парфенов О. Д. Технология
микросхем. М.: Высшая школа, Г986. 320 с.
6. Рудаков В. И., Горбунов Ю. И.,
Коледов Л. А. Трехмерные интегральные схемы.
М.: ЦНИИ "Электроника", 1987. 48 с.
Глава 5.3
СБОРКА МИКРОСХЕМ
5.3.1. РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ
Кристаллом (чипом) называют часть
полупроводниковой пластины, на поверхности
которой сформированы элементы
интегральной микросхемы отдельного электронного
прибора или сборочного комплекта, а также
межэлементные соединения и контактные
площадки. Применяют следующие методы
разделения полупроводниковых пластин на
кристаллы:
диском с наружной режущей кромкой;
стальными полотнами и проволокой с
применением абразива;
скрайбирование пластин с последующим
надламыванием на кристаллы;
резку ультразвуком.
Резка диском с наружной режущей
кромкой - наиболее простой и часто
используемый в производственных условиях метод.
Для резки используется диск, наружная
поверхность которого покрыта алмазными
зернами (рис. 5.3.1), выполняющими роль
микрорезцов. Операция производится при высоких
частотах вращения диска (около 5000 мин),
что требует применения охлаждающих
жидкостей.
Разрезаемая пластина закрепляется
клеящей мастикой на подложке,
установленной на рабочем столе станка. Для увеличения
производительности процесса можно
использовать несколько дисков, устанавливаемых
через прокладки.
Применяют диски, у которых отношение
толщины к диаметру составляют 1/150 - 1/300,
а режущая кромка выступает за края
прокладок не более чем на 1,5 толщины разрезаемого
материала.
В большинстве случаев диски имеют
толщину около 0,1 мм, а ширина получаемой
прорези составляет 0,15 мм. Такие
соотношения размеров обеспечивают требуемую
жесткость дисков и высокое качество реза.
Для разделения полупроводниковых
пластин на кристаллы используют полуавтомат
ПРП-2 или установку для ориентированной
резки.
Характерной особенностью полуавтомата
ПРП-2 (рис. 5.3.2) является наличие шпинделя
на аэростатических направляющих (частота
вращения шпинделя до 9000 мин), пневмо-
гидравлического привода, позволяющего
бесступенчато регулировать скорость подачи стола
20 - 120 мм/мин, и проектора с увеличением
20х.
Рис. 5.3.1. Схема резки диском с наружной алмазной
режущей кромкой:
1 - диск; 2 - фланец; 3 - охлаждающая жидкость;
4 - полупроводниковый материал;
J - клеящая мастика; 6 - подложка
Рис. 5.3.2. Полуавтомат ПРП для резки
полупроводниковых пластин на кристаллы:
1 - проектор; 2 - шпиндель; 3 - оправка;
4 - алмазный диск; 5 - стол

512
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
Оптимальными для ПРП-2 являются
следующие режимы резки: скорость 20 м/с,
подача 20 - 30 мм/мин. В качестве
охлаждающей жидкости применяют 3 - 5%-ный водный
раствор кальцинированной соды, мыльный
раствор или жидкость НИИАЛМАЗ, которая
состоит из 0,6 % тринатрийфосфата, 0,3 %
буры, 0,25 % кальцинированной соды 0,1 %
нитрида натрия, остальное - вода.
Рекомендуемый расход охлаждающей жидкости 5 -
10 дм3/мин.
Применяют также резку диском с
абразивом, подаваемым в виде абразивной
суспензии в зону резания. Пластина разрушается под
действием абразивных частиц, отбрасываемых
диском, и частиц, зажатых между диском и
обрабатываемым материалом. Контакт диска с
пластиной отсутствует, специального
охлаждения дисков не требуется.
На установке ОРД-ЗК для
ориентированной резки полупроводниковых пластин на
кристаллы (рис. 5.3.3) предусмотрена резка
набором дисков как с алмазной режущей
кромкой, так и с применением абразивной
суспензии. Станок содержит два рабочих
шпинделя с оправками и инструментом, что
позволяет осуществлять резку при прямом и
обратном ходах. При настройке станка
используется прозрачная стеклянная подложка с
сеткой рисок, к рабочей стороне которой
приклеивают полупроводниковую пластину. Такое
приспособление позволяет уменьшить размер
сколов по краям кристаллов до 10 - 20 мкм.
Резка стальными полотнами и
проволокой с применением абразива используется
относительно редко и исключительно для
разделения полупроводниковых пластин на
кристаллы.
Применяют стальные полотна толщиной
0,05 - 1 мм, шириной 5-10 мм и
разделительные прокладки, собранные в пакет и
закрепленные в кассете (рис. 5.3.4). Кассета
совершает возвратно-поступательные движение
со скоростью 400 - 600 дв. ходов/мин.
Полотна предварительно натянуты, а в процессе
резки к ним прикладывается давление 7-Ю3 -
9-Ю3 Па, обеспечивающее шлифование
свободным абразивом, а не резание.
Достоинства метода - узкий рез,
отсутствие сколов, трещин и царапин на пластине.
Недостатки - относительно низкие точность и
производительность из-за неравномерного
натяжения и изнашивания полотен.
Проволока в отличие от полотна в
процессе резки быстро изнашивается, поэтому
режущее устройство снабжается приемной и
передающей перематывающими катушками
(рис. 5.3.5). скорость резки проволокой из
стали, вольфрама, нихрома и сплава MB-50
выше, чем резки полотном, и составляет 80 -
100 м/мин (800 дв. ходов/мин). Применяют
проволоку диаметром 0,1 - 0,15 мм, при
которой ширина реза составляет 0,12 - 0,2 мм
(опытные образцы проволоки диаметром 0,05
мм позволяют получать ширину реза 0,08 мм).
Резка проволокой имеет те же
недостатки, что и резка полотнами, кроме того при
резке проволокой происходят ее обрывы,
приводящие к сколам на рабочих кромках
кристаллов, и также разламывание кристаллов и
пластин.
Скрайбирование пластин с последующим
разламыванием на кристаллы заключается в
нанесении на поверхность пластины резцом,
лучом лазера и другим методом рисок,
"ослабляющих" материал (рис. 5.3.6).
Рис. 5.3.3. Установка ОРД-ЗК для ориентированной
резки пластин на кристаллы:
1 - оправка; 2 - инструмент; 3 - пластина;
4 - стеклянная подложка; 5 - стол
Рис. 5.3.4. Схема резки полупровод
вого материала
набором полотен:
1 - кассета; 2 - прокладка; 3 - полотна;
4 - заготовка; 5 - подложка

РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ
513
Рис. 5.3.5. Схема резки полупроводникового материала
проволокой:
1 - приемная катушка; 2 -подающая катушка;
3 - проволока; 4 - кассета; 5 - ролики; 6 - канавки;
7 - груз; 8 - подающий рычаг; 9 - стол;
10 - подложка; 11 - заготовка
Рис. 5.3.6. Схема скрайбирования {а) и
i (б) полупроводниковых пластин:
1 - пластина; 2 - резец; 3 - скрайберная риска
Достоинства метода - малая ширина реза
и высокая производительность. Недостаток -
относительно большая (до 50 мкм) ширина
сколов.
При скрайбировании алмазный резец
надавливает на пластину с силой, назначаемой в
зависимости от тхшщины пластины: 0,4 - 0,6 Н -
для пластин из кремния толщиной 200 мкм и
0,8 - 1,2 Н - для пластин толщиной 300 -
400 мкм. Скорость резки составляет
2-3 м/мин, а глубина - 50 - 100 мкм.
Для скрайбирования применяют
установку "Алмаз-М", в которой установлены два
резца, производящих поочередное скрайбиро-
вание при прямом и обратном ходах резцовой
головки.
Алмазные резцы для скрайбирования
имеют форму трехгранной или
четырехгранною усеченной пирамиды, режущими
кромками которых являются ребра пирамид.
Стойкость одной режущей кромки резца может
достигать 3500 резов на пластинах диаметром
40 мм.
При скрайбировании лучом лазера
материал испаряется с поверхности пластины, что
исключает образование сколов и
микротрещин. Скорость резки в 5 раз выше, чем при
скрайбировании алмазным резцом. Ширина
реза достигает 30 мкм при глубине не менее
50 мкм, зона термического влияния достигает
75 мкм. Недостатки лазерного
скрайбирования - сложная конструкция и высокая
стоимость оборудования, а также необходимость
специальной -защиты рабочей поверхности
пластины от продуктов скрайбирования.
Разламывание пластин на кристаллы
после скрайбирования осуществляют чаще всего
механически, иногда с помощью ультразвука
или термоудара.
При механическом разламывании
используют валик, клин или сферическую опору.
При разламывании валиком пластину
помещают лицевой поверхностью на гибкую опору
из резины, прокатывают по ней в двух
взаимно перпендикулярных направлениях стальной
или резиновый валик.
Механическое разламывание пластин с
помощью гибкой опоры происходит за счет
деформирования пластины, помещенной
между резиновой лентой и этой опорой в момент
прохождения пластины над опорой.
Разламывание происходит последовательно в двух
взаимно перпендикулярных направлениях.
Разламывание на сферической опоре
осуществляется путем обжатия пластины
эластичной диафрагмой по поверхности сферы
или цилиндра. Поскольку этот метод прост и
высокопроизводителен, он находит наиболее
широкое применение. Сферическая опора
используется для разламывания пластины на
квадратные кристаллы, цилиндрическая - на
прямоугольные.
Для ультразвуковой резки пластин
используют ножевой, а также сплошной и
пустотелый инструмент (рис. 5.3.7). Сплошной
инструмент используют для получения глухих
отверстий и пазов, пустотелый - для вырезки
круглых кристаллов, а ножевой - для
нанесения тонких рисок.
е)
г)
Ряс. 5.3.7. Инструмент для ультразвуковой резки:
а - сплошной; б и в - пустотелый; г - ножевой
17 За к. 769

514
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
При вырезке кристаллов рекомендуются
следующие силы подачи: для пластин
толщиной 0,15 - 0,4 мм - до 10 Н, для пластин
толщиной 0,4 - 1,0 мм до 15 Н.
Основные преимущества резки
ультразвуком: высокая производительность,
возможность копирования сложной формы
инструмента сразу по всей поверхности заготовки,
простая кинематическая схема установки
(имеется только продольная подача).
Недостатки метода: небольшая глубина
обработки, относительно низкое качество
обработки боковой поверхности кристаллов, а
также необходимость индивидуальной
акустической подгонки каждого инструмента и
периодической подстройки генератора. Поэтому
в большинстве случаев этот метод
используется для получения круглых кристаллов и глухих
отверстий.
Основным направлением развития
оборудования является поиск более эффективных
и экономичных методов разделения пластин
алмазно-абразивными кругами. Оборудование
должно обеспечивать сквозную резку пластин
толщиной 0,6 - 1 мм, большую скорость про-
резания (до 150 мм/с на глубину до 300 мкм),
возможность применения широкой
номенклатуры алмазных кругов.
В установках широко используют
телевизионные двупольные системы сближения,
направляющие для перемещения по трем
линейным и одной угловой координатам, шпиндели
на аэростатических опорах, алмазные круги
высокой долговечности, а также
микропроцессорные системы управления.
В настоящее время осваивают сквозную
резку пластин, закрепленных на адгезионном
носителе. Она позволяет получать кристаллы
высокого качества без разламывания.
При разработке оборудования для резки
существенное внимание уделяется созданию
электрошпинделей с высокой частотой
вращения на аэростатических подшипниках,
обеспечивающих стабильность угловой скорости,
точность и долговечность, виброустойчивость
и жесткость.
Применение газов, вязкость которых в
4000 раз меньше вязкости машинного масла,
позволяет достигать частоты вращения более
5 • 105 мин. Используют подшипники с
внешним наддувом, устраняющим попадание в
зазоры инородных частиц и позволяющим
воспринимать переменные динамические
нагрузки.
Расширение и усложнение
функциональных возможностей исполнительных
механизмов обеспечивают микропроцессорные
системы управления. Микропроцессор
отечественной установки УПР-150 М выполняет:
автоматическое выведение круга на
эксплуатационный режим;
корректировку глубины резки в
зависимости от радиального износа алмазного круга;
одно- и многоуровневую резку при
встречном и встречно-попутном режимах
резания.
Установки для резки УПР-150 М и
ОЧПП-150 характеризуются следующими
особенностями:
наличием двупольной системы
ориентации с выводом информации на телеэкран;
автоматическим поворотом стола на 90 °;
скоростью подачи 350 мм/с;
системой компенсации износа кругов;
автоматической правкой кругов;
наличием микропроцессорной системы
управления с 10 программами;
возможностью резки набором из двух -
трех кругов.
Для резки применяют корпусной и
бескорпусной алмазный инструмент.
Корпусной инструмент состоит из
режущей части в виде шайбы, жестко
закрепленный непосредственно на корпусе, и
предназначен для одноразового использования.
Бескорпусной инструмент изготовляют
из алмазосодержащего материала, он
представляет собой кольцо постоянной толщины.
Инструмент закрепляется на шпинделе станка с
помощью фланцев, при замене которых может
быть использован многократно.
Перед использованием круги
подвергаются правке на блоке из карбида кремния или
материала обрабатываемой пластины. Глубина
правки должна быть на 30 - 50 мкм больше
глубины реза.
Некоторые характеристики алмазных
отрезных кругов приведены в табл. 5.3Л.
Применяют следующие технологические
маршруты разделения полупроводниковых
пластин на кристаллы:
надрезание пластины на глубину, равную
до 2/3 толщины, очистка, сушка, закрепление
на спутнике с агдезионным носителем, ломка-
растяжка, снятие кристалла с подколом;
закрепление на спутнике с агдезионным
носителем, глубокое надрезание, очистка,
сушка, снятие кристаллов с подколом;
закрепление на жестком или эластичном
спутнике, сквозная резка, очистка, сушка,
снятие кристаллов.
Режимы резки некоторых материалов
приведены в табл. 5.3.2 - 5.3.4.

РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ
515
5.3.1.
Фирма,
страна
Disco
Abrasive
Systems,
Япония
Тоже
Tempiess,
США
SAK,

Великобритания
Kulicke and
Sofia
Industries,
США
Scomac
Inc., США
Aeiolix
Technical
Components
Corp.*
США
Ernst Winler
and Son
Jnc, ФРГ
Uthe
Technology
International
Co., США
Основные характеристики
Тип круга

Бескорпусной
Корпусной

Бескорпусной
Корпусной

Бескорпусной
Толщина
режущего
лезвия,
мкм
20 - 150
-
25-64
25-75
20-76
130 - 760
?76
20 - 200
в области применения алмазных
Высота
режущего
лезвия,
мкм
300 - 3000
-
250 - 1300
250 - 1100
-
Область
применения
Резка
кремния
Резка арсени-
да и фосфида
галлия
Надрезание
или сквозная
резка пластин
толщиной
254 мкм
Резка
кремния
—
Резка
кремния, оксида
алюминия,
стекла,
германия, нио-
бата лития,
феррита
Резка
пластин кремния
Резка
кремния,
керамики, сапфира,
кварца,
стекла, феррита,
гранатов,
арсенида
галлия,
фосфита галлия
отрезных кругов
Характеристики,
особенности
Стойкость более 200
тыс. резов. Высокие
прочность и ударная
вязкость
Резка на скоростях
подачи до 60 мм/с
Зернистость алмаза
3-6 мкм
Высокая прочность,
большой срок
службы
Из ленты,
полученной методом
порошковой металлургии,
изготовляют круги,
штрипсы, кольцевые
сверла и т.д.
Стойкость 127 м при
резке AL2O3
толщиной 0,635 мм
-
Ширина реза на
13 мкм больше
толщины круга. Связкой
служит
термоактивная смола

516
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
Продолжение табл. 5.3.1
Фирма,
страна
Dynatex,
США
Texas
Instruments,
США
Polyohm
Corp.,
США
American
Coldset
Corp.,
США
Aremco
Products
Inc., США
Tanaka
Systems
Jnc, Asahi,
Япония
Micro
Automation,
США
Diamond
Uniral
Prod.,

ликобритания
Electroglas,
США
Тип круга
Корпусной

Бескорпусной
Корпусной

Бескорпусной
Корпусной
Толщина
режущего
лезвия,
мкм
20 - 200
25- 30
20 - 152
35-76
20 - 200
20-84
25-75
Высота
режущего
лезвия,
мкм
254 - 762
254 - 1143
300 - 1500
300 - 3000
250 - 890
-
Область
применения
Резка
кремния,
керамики, ниобата
лития,
сапфира
Резка
кремния
Резка
кремния и других
твердых
материалов
Резка
кремния,
керамики, ниобата
лития, арсе-
нида галлия,
сапфира,
кварца
Резка
полупроводниковых
материалов,
сапфира,
керамики
Резка
кремния
Тоже
-
Характеристики,
особенности
Ширина реза около
36 мкм кругом
толщиной 25,4 мкм при
глубине надрезания
254 мкм и скорости
резки 254 мм/с
Возможна сквозная
резка пластин
толщиной 0,25 мм.
Скорость подачи до
100 мм/с. Стойкость
100 м A5 тыс. резов).
Используется
синтетический алмаз
зернистостью 3-6 мкм
Зернистость алмаза
5, 9, 20 и 70 мкм.
Ширина реза на
8 мкм больше
толщины круга
Зернистость алмаза
5, 17, 30, 45 и
70 мкм
Высокие стойкость и
качество
-
Применен
синтетический алмаз
удлиненной формы трех
зернистостей.
Стойкость на 40 % выше
стойкости обычных
кругов
-

РАЗДЕЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ
517
5.3.2 Рекомец
Материал
пластины

Кремний
Арсенид
галлия
Фосфид
галлия

Сапфир
Поли-
кор
Метод
резки

Надрезание

Сквозная
резка
дуемые рея
Глубина
резки,
мкм
До 150
150-250
250-400
450-500
100-250
120
250
500
1000
кимы резки
Толщина
круга,
мкм
36
45
36
45
36
45
36
45
25
36
25
36
45-75
110
110-180
110
110-180
пластин из твердых е

Зернистость
алмаза,
мкм
7/5
10/7
7/5
10/7
7/5
10/7
7/5
20/14 -
40/28
метал-
лизи-
рован-
ный
40/28 -
63/50
метал-
лизи-
рован-
ный
63/50 -
100/80


лизирован-
ный
63/50
метал-
лизи-
рован-
ный
Частота
вращения
круга
п • 10-4,
МИН'1
5
3
A-2)
i хрупких материалов i
Скорость подачи при
резании, мм/с

попутном
110-120
150-170
170-210
90-100
110-150
150-170
60-70
90 -110
130-140
70-80
100-120
20- 30
1,5-1,8
0,8-1,0
0,5-0,8
встречно-
попутном
90-110
110-150
150-170
70-80
90-100
130-140
50-60
70-90
110-120
50-70
80-90
-
кругами
Ширина
дефектной
зоны, мкм
60-65
70-75
80-85
58-65
75-80
85-90
65-70
75- 80
90-95
80- 85
95 - 100
70-75
80-85
60-70
70- 85
85 - 150
140 - 200
190.- 250
100 - 200
180 - 230

518
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
5.3.3. Режимы*резки твердых материалов
Материал
Алюмооксидная
керамика
Ферриты
Арсенид и
фосфид галлия
Оптическое
стекло
Гранаты
Сапфир и КНС-
структуры
Размер алмазного
зерна., мкм
70
2-5
2-5
20-70
20
20
Частота вращения
шпинделя,
п • 10 мин'1
12- 18
30-40
30-40
12- 18
12- 18
20-40
Скорость
подачи, мм/с
6-40
4-40
6-20
2-5
2- 12
2- 12
Метод резки
Сквозная
Надрезание
Сквозная
Сквозная
Сквозная,
надрезание
Надрезание кругом
толщиной 40 - 90
мкм
5.3.4. Режимы резки некоторых материалов
Материал
Кремний
Кремний с оксидным слоем
Кремний, пассивированный стеклом
Фосфид галлия
Феррит
Глубина резки, мкм
300
150
-
300
100
Максимальная скорость подачи, мм/с
150
50
8
3,5
3
5.3.2. МОНТАЖ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
Разработка и производство надежных
полупроводниковых приборов и интегральных
микросхем невозможны без обоснованного
выбора конструкционных материалов и
технологии их переработки, а также без
совершенствования методов их сборки. При этом
следует учитывать взаимодействие
герметизированных изделий не только с внешней средой, но
и их элементной базы с окружающими
твердыми ( в монолитных конструкциях) или
газообразными ( в полых корпусах) средами.
В монолитных конструкциях
определяющее значение, особенно при герметизации
полупроводниковых структур, имеет
химическая структура герметика, а взаимодействие
полимера с поверхностью изделия определяет
прочность клеевых соединений и
влагостойкость герметизированных изделий. При
производстве ИС и других ИЭТ в полых корпусах
основными проблемами являются
стабилизация микроклимата внутри корпуса и
обеспечение требуемой влагостойкости изделий. Их
решение невозможно без совокупного
рассмотрения конструкторских и технологичеких
вопросов. Практика показывает, что без
соблюдения определенных правил
приготовления материалов и последующей их
термообработки невозможно гарантировать выпуск
высококачественных изделий.
Материалы. В современных приборах
используется широкая номенклатура
неорганических и органических полимерных
материалов, принципиально различающихся по
своим технологическим и эксплуатационным
свойствам (табл. 5.3.5).
Эксплуатационные свойства полимерных
материалов (лаков, эмалей, компаундов,
пластмасс) и конструкций на их основе (клеевых
соединений, печатных плат, герметизирующих
покрытий и т.д.) зависят от соблюдения
технологических режимов их термообработки
(рис. 5.3.8). Несоблюдение режима
термообработки приводит к несогласованности между
фактическими свойствами материалов и
справочными данными.

МОНТАЖ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
519
5.3.5.
Технологиче
O|ii шшчеишл
Материалы
Неорганические:
металлы
стекла, ситаллы
радиокерамика
полупроводники
Органические
полимерные:
жесткие

высокоэластичные
ТКЛР106,
4,4 - 30,0
4- 10
1,5 - 10,0
3,5 - 8,0
22-90
500-1000
ские и эксплуатационные свойства неорганических и
полимерных материалов (усредненные данные)
Модуль
Юнга
Е • 10-4,
МПа
1- 10
0,1 - 1,0
1,4 - 5,0
0,5 - 1,7
0,001-0,1
< 0,00001
Температура
стеклования
тс,°с
Точки

стеклования
отсутствуют
40 - 170
(-80)-(-10)

Относительное влаго-
поглощение,
Отсутствует
0,05 - 3,0*1
0,1 - 8,0*1

Теплостойкость, °С
Для
электроники
не
ограничена
>200

Относительное
газовыделение,

Отсутствует
*1 Влагопоглощение обратимое.
*2 Зависит от теплостойкости материала и температуры воздействия;
газовыделение повышает концентрацию ионогенных примесей в материале
7UU ^~~ ^^ ~~~^
Рис. 5.3.8. Изменение во времени свойств полимерных материалов:
а - степени отверждения у;
б - удельного электросопротивления р, диэлектрической проницаемости s, тангенса угла потерь tg 8
Только у полимерных материалов наблю- эластомеров и каучуков температура Тс значи-
дается высокоэластичное состояние при нагре- тельно ниже чем у реактопластов, что широко
ве их выше температуры стеклования Тс, у используется при сборке ИЭТ.

520
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
Сборка. Основой сборочных работ
является фиксация компонентов перед
электрическим монтажом и их прочное механическое
крепление для надежной эксплуатации.
Сборка производится ручным и
автоматизированным методами. При ручной сборке
нет ограничений на размеры сборочных
единиц, даются большие допуски на размеры
выводов, диаметры отверстий и размеры
контактных площадок. Однако такая сборка
требует большого времени, и ей присуще большее
число ошибок, особенно в производстве
сложных ИЭТ. Широкое развитие приобретает
программированная ручная сборка на свето-
монтажных столах, когда световой луч
указывает место расположения и фиксации
сборочной единицы на плате; сборочные единицы
поступают на сборку в определенной
последовательности.
При использовании сборочных автоматов
большое значение имеет предварительная
подготовка компонентов: формовка и рихтовка
выводов с соблюдением жестких допусков для
гарантированного их совмещения с
отверстиями или контактными площадками на плате
(допуски на размеры вывода, колебание
автомата, позиционирование, положение
монтажного отверстия и т.д.). Для облегчения сборки
часто прибегают к заострению выводов и зен-
кованию отверстий.
Методы механического крепления
сборочных единиц. Для механически прочного
соединения сборочных единиц подложкой или
коммутационной платой необходимо
задействовать все адгезионно-активные центры на
поверхностях деталей и обеспечить
минимальные механические напряжения в системе. При
использовании неорганических материалов
(припоев, эвтектических сплавов, стекол) это
обеспечивается подготовкой (очисткой)
поверхностей, выбором материала и
соответствующей температуры (смачиванием
поверхности).
Прочность клеевых соединений
определяется когезионной прочностью клея и
адгезионной прочностью границы раздела клей -
поверхность детали, которые можно
направленно и в широких пределах регулировать.
Высокую когезионную прочность имеют
клеи-реактопласты, содержащие
неорганические наполнители и отвержденные на
большую глубину. Степень влияния наполнителей
на свойства полимерных композиций зависит
от их поверхностной энергии, которая хорошо
коррелирует с контактным углом смачивания 0
связующим составом поверхности
наполнителя. Так, стекло имеет большую поверхностную
энергию, чем кварц (угол 0 соответственно
равен примерно 0 и 17°).
При небольших концентрациях
наполнителя (для кварца до 10 %) отверждаемая
система состоит из частиц наполнителя и смолы,
находящихся и не находящихся в сфере
действия поверхностных сил наполнителя
(рис. 5.3.9). С увеличением концентрации
наполнителя происходит смыкание объемов
связующего, находящегося в зоне действия
поверхностных сил отдельных частиц
наполнителя (для кварца до 25 %), и улучшение
физических свойств системы (прочности,
упругости и т.д.). Повышение поверхностной
энергии наполнителя приводит к увеличению
времени действия поверхностных сил вокруг
частиц наполнителя, поэтому, например,
одинаковое изменение свойств в системе со
стеклянным порошком происходит при меньших
концентрациях наполнителя, чем в системе.с
кварцевым порошком.
Высокая адгезионная прочность
соединений обеспечивается применением клеев-
реактопластов с химически активными
функциональными группами, при взаимодействии
с поверхностями, образующими прочные
химические связи [например, энергия ковалент-
ных связей составляет A4 - 80)-104 Дж на
1 моль] с высокой концентрацией этих связей.
Максимальная концентрация адгезионных
связей достигается очисткой поверхностей
традиционными методами и снижением
вязкости клея для хорошего смачивания им
поверхностей.
Снижение вязкости достигается
разбавлением клеев в органических растворителях и
их нагревом. Первый метод является
практически неприемлемым вследствие трудности
удаления растворителей в процессе сушки из-
за малой площади поверхности.
Поэтому клеи-растворы применяют лишь
в виде контакголов (электропроводящих клеев)
в крупногабаритных изделиях, например, так,
как это показано на рис. 5.3.10. Важно
определить технологически приемлемый размер d
молекулы растворителя в клеевом слое,
поскольку время ее удаления при сушке t = d^.
Рис. 5.3.9. Композиция на основе смолы (/) и
частиц наполнителя B) с зоной действия
поверхностных сил частиц наполнителя (J)

МОНТАЖ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
521
1
У1
V.
®
©
©
®
© © ©
© ф ©
© © ©
© © ©
© © ©
Рис. 5.3.10. Клеевые соединения на основе растворов
полимеров:
1 - полимер; 2 - растворитель
Рис. 5.3.11. Зависимость динамической вязкости
клея от температуры
Уменьшать вязкость клея следует путем
его нагрева, поскольку связь динамической
вязкости подобных материалов при отсутствии
их полимеризации с температурой достаточно
точно описывается выражением
где гц, т}2 - динамическая вязкость
соответственно при температуре Т\ и Т% С -
постоянная, определяемая свойствами клея.
Практически для уменьшения вязкости необходимо
греть не клей, а только детали, на которые он
наносится холодным. На рис. 5.3.11 показана
зависимость вязкости клея от температуры.
Для того чтобы вязкость была не выше
критической т]кр, его температура должна быть не
ниже критической Ткр. Это означает, что
детали следует греть до температуры Гд > Ткр> и
превышение температуры Тл над Ткр будет
определяться теплоемкостями и массами
составляющих систему материалов.
Сравнительные характеристики
различных механических соединений приведены в
табл. 5.3.6, из которой следует, что для снятия
механических напряжений в сварных, паяных
соединениях и соединениях на основе стекол
следует снижать температуру сварки Тсв и
температуру плавления 7^ припоев и стекол
(а не температуры пайки 7^). В клеевых
соединениях температурой образования
напряжений является температура стеклования Тс
полимера или температура его отверждения
Tqxb, в зависимости от их соотношения. При
Тс > Тотв в клеевых соединениях возможно
изменение знака напряжений.
Крепление неорганическими материалами.
Для соединения кристаллов с подложками и
основаниями корпусов используют припои,
эвтектические сплавы и стекла.
При креплении припоями соединяемые
поверхности предварительно металлизируются,
а пайка ведется мягкими припоями (часто
ПОС-61) или твердыми припоями
(температура плавления 500 - 600 °С) в среде
азота. При низкотемпературной пайке
кристалл металлизируется тонкими пленками
хрома и серебра, золота и никеля, на
основание корпуса наносится слой никеля или
золота. При высокотемпературной пайке на
кристалл напыляют алюминий, германий и снова
алюминий, а на основание корпуса -
алюминий.
5.3.6. Сравнительные характеристики различных механических соединений
Тип соединения
Сварное (сварка
давлением)
Паяное на
основе стекол
Клеевое
Температура, при
которой
формируется соединение
Тп
Лэтгв
Температура, при
которой возникают
напряжения при
охлаждении
Ус
-*пл
Тс (Тс < 7U)
Гс» Тотв
¦'отв \*с > -*отв)
Разность
температур при
охлаждении до Т2о*
ТСв ~ Т20
Тцл - Т2о
Тс - Т20
Тс (^отв) - ^20
^отв - Т2о
Температура,
при которой
происходит
изменение знака
напряжений
Т№
-
Тс
* 720 - температура 20 °С.

522
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
При эвтектической пайке на подложку
(основание) в месте пайки наносят слой золота
толщиной несколько микрометров. Процесс
ведется при температуре, несколько большей
температуры эвтектики Аи - Si. Иногда между
кристаллом и основанием помещают таблетку
эвтектического сплава толщиной 10 мкм.
Интенсификация пайки может быть достигнута
вибрацией кристалла при частоте 4 - 50 Гц
или ультразвуковых частотах. Максимальная
прочность получается при толщине золотого
покрытия на корпусе 5-10 мкм, температуре
390 - 420 °С в течение 3 - 5 с и при давлении
3 - 5 Па.
Крепление стеклами обычно
используется при сборке полупроводниковых структур в
керамические корпуса. В этом случае пленкой
стекла покрывается основание корпуса. При
температуре 500 - 600 °С в расплавленное
стекло помещают кристалл и выводную рамку.
Таким способом осуществляется сборка
кристаллов небольших размеров, толщина слоя
стекла составляет обычно не более 10 - 20 мкм.
При сборке оптоэлектронных приборов
используются халькогенидные стекла ТКС-1 и
ТКС-288 с коэффициентами преломления
2,4 - 2,8. Пайка ведется в инертной среде для
предотвращения их окисления; толщина слоя
стекла должна не превышать 20 мкм.
В производстве сверхвысокочастотных
гибридных интегральных схем крепление по-
ликоровых подложек к алюминиевому
основанию часто ведется низкотемпературными
припоями (например, припой ОИ с Тдд = 125 °С).
Для снижения механических напряжений
между подложкой и основанием корпуса
размещают медную сетку толщиной 0,2 мм,
обеспечивающую равномерность толщины паяного
шва и способствующую улучшению
смачивания припоем поверхностей подложки и
основания корпуса.
При креплении протяженных подложек
часто используются приспособления,
аналогичные изображенному на рис. 5.3.12. Сила
прижима подложки к основанию легко
регулируется пружинами, при этом обеспечивается
равномерное распределение припоя между
деталями и хорошее смачивание их
поверхностей.
Крепление клеями. Применение клеев
позволяет снизить трудоемкость сборочных
работ, например по сравнению с трудоемкостью
крепления кристаллов эвтектической пайкой,
в 2,25 раза. По своим свойствам соединения с
помощью клея способны удовлетворить
разнообразным требованиям.
Клеи-реактопласты (на основе
эпоксидных, фенольноформальдегидных,
полиэфирных и других смол) обладают высокой
адгезией к соединяемым поверхностям и
обеспечивают формирование механически прочных
клеевых соединений. Поэтому они
применяются в силовых и механически нагруженных
конструкциях.
Рис. 5.3.12. Зажимное приспособление при креплении
1 - каркас; 2 - упругие регулируемые пружины;
3 - компонент; 4 - припой (клей); 5 - основание;
6 - сборочно-монтажный стол
Клеи-термопласты недостаточно
теплостойки, имеют сравнительно невысокие
прочностные характеристики и слабую агдезию к
соединяемым поверхностям. Они
применяются в несиловых конструкциях, играя роль,
например, амортизаторов, виброгасителей или
звукопоглощающих систем. К ним относятся
клеи полиакриловые, полиалкидные, на
основе эластомеров (каучуков), полиэтилена, поли-
винилхлорида.
Широко используются в технике
пленочные клеи, получаемые на основе клеев
БФ-4, ВК-32-200, ВК-3, МПФ-1. Однако их
применение эффективно лишь при
обеспечении большой силы прижима и нагревании или
предварительном смачивании склеиваемых
поверхностей. В последнем случае возникает
проблема удаления растворителей при сушке
клеевых соединений (см. рис. 5.3.10).
Для криогенной техники
предпочтительно использовать клеи на основе полиуретанов
и ароматических полимеров, содержащих гете-
роциклы, а также на основе эпоксидных смол.
К последним относятся клеи К-1, К-8/8,
К-82/2, К-115/2, К-77/5, К-73/4,
представляющие собой однокомпонентные составы на
основе эпоксититаносодержащих олигомеров и
отверждаемые олигомерными отвердителями.
Специфическими по составу,
применению и свойствам являются электропроводящие
клеи-контактолы. В качестве наполнителя в
них используют мелкодисперсные
металлические порошки (в основном серебра, никеля,
реже - других металлов) в концентрациях,
достаточных для образования цепочечной
структуры в композиции. Снижение вязкости
контактолов и повышение их технологичности
достигается введением в них растворителей.
Теплопроводные диэлектрические клеи
готовятся обычно на основе эпоксидных смол
с введением в них наполнителей. На их
теплопроводность большое влияние оказывает вид
наполнителя, его дисперсность и количество.

МОНТАЖ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
523
Так, теплопроводность (Вт • аг1 • К)
эпоксидной смолы составляет без наполнителя - 2,0; с
наполнителем из крупнозернистого песка -
0,28; медного порошка - 1,6; алюминиевого
порошка (средний размер частиц 0,59 мм) -
2,5; мелкодисперсного алюминия - 8,8.
Часто наряду с высокими требования к
прочностным характеристикам высокие
требования предъявляются к оптическим свойствам
клеев (оптической прозрачности и
однородности, коэффициенту преломления). Таким
требованиям удовлетворяют, " например, клеи
ОПН-1, ОПН-2, ОП-81-1, ОК-720 и др.
Наносится клей на детали
штемпелеванием (способ переноса капли), дозированием
(шприцевой способ) или трафаретным
способом. Первый способ высокопроизводительный
и применяется в сборочных автоматах для
переноса малых доз клея. В этом случае
применяются групповые дозаторы-штемпели в
виде поля стержней, обеспечивающие
нанесение клея сразу на все склеиваемые участки
детали. Наиболее широко применяется
шприцевой способ дозирования через игольчатый
наконечник, находящийся на баллоне с клеем,
который связывается с пневмодозатором.
В зависимости от требований контакти-
руемые поверхности покрываются клеем
полностью для обеспечения высокой
механической прочности или в виде одного или
нескольких пятен для фиксации компонентов,
при этом допускается некоторое отклонение
от параллельности склеиваемых поверхностей,
но с обязательным соблюдением максимально
допустимой толщины клеевого шва. Для этих
целей часто используются приспособления
типа изображенного на рис. 5.3.12.
Монтаж изделий микроэлектроники.
Электромонтажные работы включают в себя
создание электрических контактов (микро-
контактирование) и межконтактной
коммутации в модулях различного конструктивного
уровня.
В соответствии с физической моделью
контактного соединения (рис. 5.3.13, а)
основной вклад в переходное контактное
сопротивление Вх вносят сопротивления оксидных
пленок l^j, и ДЦд контактируемой пары и
сопротивление сужения Д*. Сопротивление 1^
контакта, имеющего п пятен с металлическим
контактом, нагруженных до предела текучести
материала контактов, можно найти по формуле
где рс - удельное электрическое сопротивление
материала контактов; стт - предел текучести
материала контактов; F - сила сжатия
контактов.
При сварке давлением технологический
процесс должен обеспечивать разрушение
оксидных пленок, их удаление из зоны контакта
за счет возникновения касательных
напряжений, увеличение площади металлического
контакта и, следовательно, уменьшение
сопротивления Яс = Rci I yfn , где Д;1 -
сопротивление сужения единичного круглого контакта.
При сварке плавлением за счет образования
общей сварочной ванны сопротивления R^,
-^пл* и Д* отсутствуют. То же самое
происходит в паяных соединениях за счет флюсования
и образования диффузионной зоны толщиной
0,1-1 мкм (рис. 5.3.13, б). Применение кон-
такголов не обеспечивает полного устранения
сопротивления Д^ поскольку всегда Рконг > Pv>
где Рконг и РК" удельные объемные
сопротивления контактола и соединяемых объемных
проводников.
а) б)
Рис 5.3.13. Физическая модель контакта без присадочного материала (а) и паяного соединения (б):
1,4- соединяемые металлы; 2, 3 - оксидные пленки на соединяемых поверхностях с сопротивлениями
^пл и -Япл * ^ " Участок с металлической связью и сопротивлением Д.; 6 - линии тока;
7 - диффузионные зоны; 8 - припой; а - зазор между соединяемыми металлами перед пайкой

524
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
Межконтактная коммутация выполняется
с образованием длинных электрических связей
между отдельными контактами, в результате
чего возникают схемотехнические проблемы,
особенно при разработке СВЧ-устройств. В
этом случае увеличивается время задержки в
прохождении сигнала, наблюдается его
затухание и возникают заметные паразитные
емкостные связи и помехи, поэтому нельзя
рассматривать изолированно электрическую схему
изделия и реализацию монтажа.
Емкостная паразитная связь зависит от
емкости С между печатными проводниками,
т.е. от материала платы, влагозащиты и
технологии изготовления платы:
С= Cunl^Kz't,
где С^ог - погонная емкость между
проводниками; I - взаимное перекрытие проводников;
К - коэффициент, зависящий от
конфигурации платы и проводников; е' -
диэлектрическая проницаемость для проводников,
расположенных на поверхности незащищенной
платы или внутри слоев (или на поверхности
платы, защищенной лаковой пленкой).
Для незащищенных плат
S* = (ев + бп)/2,
для плат, покрытых лаком после монтажа,
в1 = (% + ел)/2,
где 8в, Sj,, ел - диэлектрическая проницаемость
воздуха, материала платы и лака.
Микроконтактирование. В производстве
ИС контакты формируются в основном
сваркой давлением (термокомпрессией, давлением
с косвенным импульсным нагревом),
контактной точечной сваркой (сдвоенным или
расщепленным электродом), ультразвуковой
сваркой, холодной сваркой. Физический принцип
различных видов сварки давлением одинаков
(рис. 5.3.13). Необходимо обеспечить условия
локального пластического деформирования
соединяемых материалов с разрушением и
вытеснением из мест контактов оксидных
пленок, увеличением площади с металлическим
контактом и снижением сопротивления Д,.
Использование ультразвуковых
колебаний способствует интенсификации
разрушения оксидных пленок и снижению
температуры и времени сварки; импульсивный нагрев
позволяет повысить температуру сварки; при
холодной сварке происходит увеличение
деформации соединяемых материалов, что в
значительной степени определяется
защитными металлическими покрытиями на них,
обладающими более высокой твердостью, чем у
соединяемых металлов, и т.д.
В контактной точечной сварке важно
обеспечить условие R& > Д^д + ЯД9 где ДэД -
сопротивление контакта электрод-деталь; Яд -
сопротивление деталей. Снижение
сопротивления Дэд достигается увеличением площади
контакта, шлифованием контактной
поверхности электродов и т.д.
Контактную точечную сварку трудно
использовать в групповой технологии, поскольку
при одновременном контактировании многих
проводников нельзя обеспечить выделение
одинакового количества теплоты в каждой
паре из-за разных значений i^ в разных
контактирующих парах.
Внугрвузловой и межузловой монтаж.
При внутриуаловом монтаже длина
межконтактных связей обычно не превышает
300 - 500 мм. Согласно классификации
(рис. 5.3.14) он выполняется с применением
коммутационных, часто печатных, плат.
Межузловой монтаж выполняется с
применением объемных проводников, жгутов,
гибких шлейфов и кабелей. Их
контактирование производится в основном пайкой,
накруткой или штепсельными разъемами (см. под-
разд. 6.1.6).
Герметизация. Герметизация
обеспечивает работоспособность ИЭТ в условиях
длительного хранения и последующей
эксплуатации. В соответствии с классификацией
(рис. 5.3.15) различают бескорпусную
герметизацию, характеризующуюся
неопределенностью формы и регламентируемую только по
габаритным размерам, и корпусную ла основе
неорганических и органических полимерных
материалов. Корпуса различают по габаритам,
форме, числу и расположению выводов и т.д.
Корпуса на основе неорганических материалов
обеспечивают вакуум-плотную герметизацию с
потоком натекания не более 10"п м3 • Па/с и
используются при производстве ИЭТ
специального назначения. Корпуса пластмассовые и
полимерсодержащие вакуумную плотность не
обеспечивают и являются диффузионно влаго-
и газопроницаемыми.
Бескорпусная герметизация изделий
неорганическими материалами (SiO2, Si3N4,
стекла и др.), как правило, производится в
процессе их изготовления. Для герметизации
полупроводниковых структур и прежде всего
МДП-структур следует выбирать химически
чистые и электрически нейтральные
(неполярные) герметики-полимеры. В
герметизирующей оболочке работающих структур в этом
случае образуется заряд только за счет
развития упругих видов поляризации с временем
релаксации / = 102 ... 105 с. Такие
материалы с относительной диэлектрической
проницаемостью, определяемой поляризацией,
8yj,p = 2,0 ... 2,2 могут применяться для
герметизации ИЭТ всего технически реализуемого
диапазона частот.

МОНТАЖ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
525
Монтаж ИЭТ
I
Внутриузловой
Классический
печатный
I
1
и
X
о
1
Печатно-
проводной
и
1
Рис. 5.3.14. Класснф!
I Межузловой I
1
|ИЭТ
Герметизация ИЭТ
В монолитные
конструкции

Бескорпусная

Корпусная
В вакуум-
плотные
I
ьге
В полые
корпуса
В полимерсодер-
жащие
о.
Рис. 5.3.15. ]
ИЭТ

526
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
Герметики с релаксационными видами
поляризации имеют, начиная примерно с
t = Ю0 с, практически любое большое время
релаксации в зависимости от химического
строения и физического состояния, прежде
всего динамической вязкости ц. Как видно из
табл. 5.3.7, они могут применяться для
герметизации структур при ш/ > 1, где ю - рабочая
частота смещения при заряде Q в покрытии,
не превышающем критического значения (?кр,
и при отсутствии амплитудной модуляции
подаваемого на переход обратного смещения.
Влияние зарядов в покрытии на
коллекторные переходы транзисторов ведет к
увеличению обратных токов переходов, а в
транзисторах и-р-л+-типа - и к увеличению их
пробивного напряжения до напряжения
поверхностного пробоя.
Образование дефектов в конструкциях,
аналогичных изображенным на рис. 5.3.16,
происходит в связи с изменением давления в
полости при изменении температуры
непосредственно после герметизации (до желатини-
зации компаунда), а при герметизации
раствором полимера - дополнительно в связи с
повышением давления в результате испарения
растворителя в полость.
При нагреве изделия в герметике
образуются сквозные каналы, раковины и пустоты,
при охлаждении возможно затекание
герметика внутрь капсулы (рис. 5.3.16).
С повышением конструкционной и
функциональной сложности ИЭТ наблюдаются
их отказы в результате коррозии элементов,
возникновения шунтирующих утечек,
ослабления оптических эффектов, что связано с
изменением микроклимата в корпусах. Эти отказы
наблюдаются и при заполнении корпусов
сухим азотом с точкой росы Тр < - 60 °С до
давления 120 - 130 кПа, т.е. при полном
отсутствии поступления в корпус компонентов
5 6
5.3.7. Классификация материалов по
относительной электрической проницаемости е
и эффективности герметизации
полупроводниковых структур
Материалы
Полимерные
химически
чистые и
неполярные
Полимерные
технически
чистые и
полярные

Неорганические с
поляризацией
упругого
смещения
8
2,0-
2,2
3,5-
7,0
7,0-
10,0
Synp*
2,0-
2,2
2,0-
2,2
7,0-
10,0

Эффективность
герметизации
Высокая

Недостаточная при
со/< 1,

амплитудной
модуляции
смещения
Высокая
* 8уор - относительная диэлектрическая
проницаемость, определяемая поляризацией.
внешней среды. Если критическая температура
Тхр этих веществ находится в диапазоне
рабочих температур изделия, например, (- 60) -
(+ 125) °С, то они могут конденсироваться на
твердых поверхностях и инициировать
коррозионные процессы, повышать шунтирующие
утечки и т.д. Все органические растворители,
вода, аммиак, соединения серы и хлора имеют
температуру Ткр < 125 °С, поэтому следует
исключать их появление во внутрикорпусной
среде.
Рис. 5.3.16. Схемы образования дефектов при герметизации обволакиванием (л) и
капсулированием (б9 в):
1 - вывод; 2 - дефект (сквозной канал); 3 - компонент;
4 - газовая полость; 5 - герметик; 6 - подложка;
7- капсула; 8 - дефект (затекание герметика);
9 - бескорпусной компонент

МОНТАЖ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
527
В соответствии с табл. 5.3.5. источниками
летучих веществ и влаги в корпусах являются
сорбционно-емкие полимерсодержащие
конструктивы (ПСК) - печатные платы, клеевые
соединения, герметики, конструкционные
пластмассовые детали и др. Интенсивность
действия этих источников определяется
объемом полимерной части ПСК.
В зависимости от способа герметизации
изделия и технологии его изготовления
определяется время влагозащиты. Для
экспериментальной проверки расчетных данных
используется метод локального увлажнения гермети-
ков и герметизирующих покрытий. Сущность
метода заключается в увлажнении не всей
поверхности образца путем его расположения в
камере влажности, а ее части и, следовательно,
в отсутствии шунтирующих паразитных утечек,
возникающих в процессе измерений.^ Датчик
влажности и приспособление для локального
увлажнения образцов показаны на рис. 5.3.17.
В качестве датчика использована ситалловая
подложка с напыленными электродами,
покрытая исследуемым герметизирующим
материалом. Влагозащитные свойства покрытий
оцениваются по характеру изменения
(уменьшения) сопротивления между
пленочными электродами в процессе увлажнения.
Эта методика эффективна при определении
влагозащитных свойств покрытий, имеющих
различную адгезию к поверхности подложки.
По показаниям датчика влажности можно
судить о количестве влаги, адсорбированной
на его поверхности.
Конструктивно-технологические средства
повышения эффективности герметизации.
Начальным этапом как бескорпусной, так и
корпусной герметизации являются пассивация
поверхности кристаллов полупроводниковых
микросхем и предварительная защита
поверхности пассиЁной части гибридных микросхем.
Для этого в полупроводниковой технологии
используются пленки SiO2, Si3N4, боросили-
катных или фосфоросиликатных стекол. В
МДП-микросхемах, где влияние поверхности
и встроенного заряда на параметры схем
особенно велико, используют Si3N4, фосфоро-
силикатное стекло, в гибридной технологии -
пленки SiO2, SiO, GeO, в толстопленочных
микросхемах - стекла. Эти покрытия
формируются обычно в процессе изготовления
микросхем. Поверх этих сравнительно тонких
слоев при бескорпусной герметизации наносят
относительно толстые слои полимерных герме-
тиков - лаков, эмалей, компаундов, нанесение
которых преследует две цели: защитить
изделие от воздействий климатических факторов
внешней среды и механически закрепить
проволочные выводы.
Рис. 5.3.17. Датчик влажности (а) и приспособление
(б) дм локального увлажнения покрытий:
1 - подложка; 2 - выводы; 3 - пленочные электроды;
4 - увлажняемая поверхность; 5 - датчик;
6 - герметизирующее покрытие; 7 - парафин;
8 - трубка стеклянная; 9 - сосуд; 10 - вода
б)
Рис. 5.3.18. Схемы односторонней (а) и
двусторонней (б) герметизации бескорпусных приборов:
1 - контактная площадка; 2 - проволочный вывод;
3 - герметик; 4 - кристалл; 5 - клей; 6 - подложка
При герметизации полупроводниковых
структур с проволочными выводами большое
значение имеет обоснованный выбор
конструкции бескорпусного прибора. Герметик
может быть нанесен на одну - рабочую - сторону
кристалла (рис. 5.3.18, а) или • полностью им
покрыт путем обволакивания (рис. 5.3.18, б).
Выбор конструкции прибора должен
основываться на таких требованиях, как устойчивость
к воздействию термоциклов, отсутствие
замыкания выводов на угол кристалла.
Из табл. 5.3.8 видно, что выбор
конструкции прибора зависит от температуры
стеклования Тс герметика.
При герметизации обволакиванием
повышается устойчивость приборов к
воздействию термоциклов (особенно при
использовании жестких полимеров), устраняются
замыкания проводников на покрытый герметиком
угол кристалла (рис. 5.3.18, б), однако при
этом на 20 - 25% увеличивается высота
кристалла. Технологически такая герметизация
может быть выполнена с помощью петли из
проволоки, заполненной герметиком
(рис. 5.3.19). При введении в пленку
кристалла герметик переносится на него, чем
обеспечивается малое отклонение высоты кристалла.

528
Глава 5.3. СБОРКА МИКРОСХЕМ
5.3.8. Предпочтительные виды герметизации
бескорпусных приборов с проволочными
выводами для различных условий
Параметр
оптимизации

Устойчивость к

воздействию
термоциклов
Замыкание
выводов на
кристалл
Высота
кристалла
тс
Тс < ^раб min
J-c ^ -*раб min
Любая
Любая
Предпочтительная
герметизация
Любая
Двусторонняя
Двусторонняя
Односторонняя
min - минимальная рабочая температура.
Рис 53.19. Оснастка для двусторонней герметизации
полупроводниковых структур обволакиванием:
1 - проволока с петлей; 2 - пленка герметика
Для бескорпусной герметизации
биполярных полупроводниковых приборов и
микросхем широко используется компаунд ЭКМ и
эмаль ЭП-91. МДП-структуры могут
герметизироваться этими же материалами, но с
предварительной пассивацией, выполняемой в
тлеющем разряде пленкой фторопласта-4
толщиной 0,5 - 0,7 мкм. Однако чаще полевые
приборы и микросхемы на их основе
покрываются неорганическими диэлектрическими с
последующей герметизацией обычно в
керамические корпуса.
Бескорпусная герметизация пассивных
тонкопленочных схем выполняется на основе
лаков УР-231, ФП-525 и других, реже - на
основе эмалей ФП-545, ЭВ-1-20 и др. Эти
материалы наносятся в 2 - 3 слоя
пульверизацией, окунанием, кистью и т.д.
Толстопленочные гибридные схемы герметизируются
обволакиванием тиксотропными материалами с
использованием растворителей с низкими
значениями давления паров, насыщения
(например, этилцеллозольва - и толуола) для
устранения дефектов типа изображенных на
рис. 5.3.16, а. Для герметизации
толстопленочных схем используются и
порошкообразные компаунды ПЭП-177, наносимые
вихревым напылением (или в псевдоожиженном
компаунде).
Корпусная герметизация
полупроводниковых ИС осуществляется в металлокерамиче-
ские, металлостеклянные, керамические,
стеклянные, пластмассовые и другие корпуса,
имеющие различные форму, габаритные
размеры, число и расположение выводов.
Металлостеклянные и металлокерамиче-
ские корпуса состоят из металлических дна и
крышки, а также стеклянных и керамических
деталей, в которые впаяны или впрессованы
металлическое дно и металлические круглого
или прямоугольного сечения выводы.
Контактные площадки и выводы корпусов имеют
золотое покрытие толщиной 2-5 мкм для
сборки кристала с применением эвтетической
пайки и монтажа пайкой. При отсутствии
золотого покрытия сборка осуществляется с
применением клея.
Широкое применение находят
керамические корпуса различных типоразмеров. Однако
они недостаточно надежны из-за большой
хрупкости керамических оснований и
крышки, а также имеют высокое тепловое
сопротивление.
К керамическим относятся микрокорпуса
или кристаллодержатели, представляющие
собой керамическую пластину с встроенными
металлическими дорожками и
расположенными по периметру внешней поверхности
металлизированными контактными площадками.
Эти площадки используются в качестве
внешних выводов и соединяются с
соответствующими контактными площадками на
коммутационной плате.
Очень проста и экономически
целесообразна герметизация полупроводниковых
микросхем в монолитные пластмассовые корпуса
посредством прессования. Герметизация
ведется путем опрессовки в многоместных пресс-
формах одновременно нескольких десятков
или даже сотен кристаллов. Весь цикл
герметизации выполняется в течение 10 - 15 мин.
Для герметизации гибридных микросхем
широко используются вакуум-плотные
металлостеклянные корпуса, при герметизации в
которые особо ответственно выполняются две
основные операции: создание вакуум-плотных
металлостеклянных спаев (выводов) и сварного
шва в месте соединения крыши и основания
корпуса.
Герметизация выводов в таких корпусах
осуществляется стеклянными бусами или стек-
лотаблетками из стекол С52-1, С52-2 и др.
Бусами изолируется каждый вывод, а стекло-
таблетками - ряд выводов или сразу все
выводы. Надежное соединение со стеклом
получают при применении ковара 22НК для
изготовления выводов и оснований корпусов. Герме-

МОНТАЖ И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ
529
тичное соединение крышки с основанием в
металлостеклянных корпусах достигается
применением электронно-лучевой, лазерной,
конденсаторной или холодной сварки. Для
уменьшения нагрева при сварке плавлением и
снижения тепловой нагрузки на металлостек-
лянный спай используется импульсная
лазерная или электронно-лучевая сварка, а в
основании корпуса формируется специальный паз
(рис. 5.3.20).
Конденсаторная и холодная сварка
используется при герметизации корпусов*
крышки и основания которых имеют специальные
сочленяющиеся фланцы.
Достаточно эффективна герметизация
гибридных интегральных схем в капсульные
конструкции (см. рис. 5.3.16, б, в) за счет их
высокой влагостойкости. Герметизируются они
с применением жидких или порошкообразных
таблетирующихся компаундов. Применение
таблеток позволяет автоматизировать
герметизацию, при этом должны применяться
таблетки с выборкой под выводы для исключение
дефектов в герметизирующем слое (рис. 5.3.16
и 5.3.21).
Сушка и термообработка. Режимы сушки
лакокрасочных материалов, а также деталей
после их очистки и обезжиривания в
органических растворителях устанавливаются
эмпирически. Вследствие различной летучести
растворителей режим сушки должен подбираться
индивидуально для использованного
растворителя, при этом надо учитывать и выбранный
способ нагрева изделий (конвективный,
инфракрасный, высокочастотный).
OG00O
а)
Рис. 5.3.20. Герметизация в металлостеклянные
корпуса электронно-лучевой и лазерной сваркой:
а - схема импульсной сварки с перекрытием сварных
точек; б - теплонагруженный участок корпуса;
1 - крышка (куполообразная для электронно-лучевой
сварки); 2 - металлостеклянный спай;
3 - основание; 4 - паз
а) 6)
Рис. 5.3.21. Таблетки для герметизации
капсулированием:
а - сплошная; б - с выборками под выводы
Большое значение для качества сушки
имеет установление количества одновременно
загружаемых в термостат изделий, особенно
если используется невентилируемое
оборудование. При сушке деталей после их очистки и
обезжиривания давление паров растворителей
в термостате повышается, при большом числе
деталей может наступить насыщение
термостата парами растворителя, после чего их сушка
прекращается.
Число одновременно загружаемых
изделий определяется давлением насыщенного
пара растворителя. Например, при
использовании ацетона в термостат можно загрузить
более чем в 40 раз больше деталей, чем при
испарении этилцеллозольва (давление паров
насыщения соответственно 4560 и 570 кПа).
На стадии проектирования ИЭТ при
выборе элементной базы и решении
схемотехнических вопросов необходима оценка
совместимости используемых материалов, процессов
их переработки и элементной базы.
На стадии конструирования
принципиально важным является правильный выбор
конструкционных материалов. Не следует
применять целлюлозные и хлопчатобумажные
влагоемкие материалы. В корпусах желательно
использовать влагопоглотители и геттеры.
При выполнении сборочно-монтажных
работ все составляющие прибора должны
выдерживать температуру, соответствующую
степени отверждения полимерных частей. Для
сушки и термообработки следует использовать
термостаты с точностью поддержания
температуры ± 2 °С.
Очистка и обезжиривание деталей по
завершении монтажных работ должны
обеспечивать полное удаление нетермостойких флюсов
для исключения газовыделения в замкнутый
герметичный корпус. Все элементы
конструкции после термообработки до сборки изделия
и его герметизации должны храниться в
накопителях с контролируемой точкой росы. После
сборки и монтажа готового изделия
непосредственно перед герметизацией обязательно
проводится его сушка.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматизация и механизация сборки
и монтажа узлов на печатных платах / А. В.
Егунов, Б. Л. Жоржолиани, В. Г. Журавский,
В. В. Жуков: Под ред. В. Г. Журавского. М.:
Радио и связь, 1988. 280 с.
2. Волков В. А. Современные проблемы
сборки и герметизации микроэлектронных
устройств // Электронная промышленность,
1990. № 2. С. 11 - 13.
3. Готра 3. Ю. Технология
микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и
связь, 1991. 528 с.

530
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТЮНИКЕ
4. Мэнгив Ч.Г., Макклеллаид С.
Технология поверхностного монтажа / Пер. с англ.
М.: Мир, 1990. 270 с.
5. Моряков О. С. Сборка. Технология
полупроводниковых приборов и изделий
микроэлектроники: Учебное пособие. М.: Высшая
школа, 1990. 122 с.
6. Технология и автоматизация
производства радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. для
вузов / И. П. Бушминский, О. Ш. Даутов,
А. П. Достанко и др.: Под ред. А. П. Достан-
ко, Ш. М. Чабдарова. М.: Радио и связь, 1989.
624 с.
7. Ушаков Н. Н. Технология
производства ЭВМ: Учеб. для вузов по специальности
"Вычислительные машины, комплексы,
системы и сети". 3-е изд., перераб. и доп. М.:
Высшая школа, 1991. 416 с.
Глава 5.4
ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В
МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
5.4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ И
СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ
Различают два метода измерения
физической величины: прямого преобразования
(непосредственной оценки) и сравнения. Метод
прямого преобразования предусматривает
определение значения величины
непосредственно по отсчетному устройству применяемого
средства измерений. Метод сравнения основан
на том, что измеряемую величину сравнивают
с эталонной величиной. ^
Существуют следующие разновидности
метода сравнения: нулевой метод, при
котором результирующий эффект воздействия
измеряемой и эталонной величины на
измерительный прибор доводится до нуля (этот метод,
часто также называют компенсационным);
дифференциальный метод, при котором
фиксируют и измеряют разность измеряемой и
эталонной величин; метод замещения, при
котором измеряемую величину заменяют в
процессе измерений известной величиной.
При этом путем изменения эталонной
величины добиваются такого же показания
измерительного прибора, которое было при
действии измеряемой величины (например,
сравнение измеряемого сопротивления резистора с
сопротивлением эталонного резистора, эти
резисторы включаются попеременно в одно и
то же плечо моста).
Применяемые на практике средства
измерений .подразделяются по техническому
назначению на меры, измерительные приборы
(в первую очередь электроизмерительные
приборы), измерительные преобразователи и
вспомогательные средства измерений. Кроме
того, существуют измерительные установки и
системы, представляющие собой совокупность
различных средств измерений.
Мера - средство измерений,
предназначенное для воспроизведения физической
величины заданного значения.
Электроизмерительные приборы -
средства электрических измерений, позволяющие
выдавать информацию об измеряемой
физической величине в доступной для
непосредственного восприятия форме.
Электроизмерительные приборы по
принципу действия классифицируют на
электромеханические и электронные. Электронные
измерительные приборы можно разделить на
три группы:
приборы для измерения параметров
электрических сигналов (например,
амперметры, вольтметры, частотомеры, осциллографы);
приборы для измерения параметров
электрорадиотехнических цепей с
сосредоточенными и распределенными постоянными
(например, измерители параметров
двухполюсников и четырехполюсников);
источники измерительных сигналов -
измерительные генераторы.
Измерительный преобразователь -
средство измерения, предназначенное для
выработки сигнала измерительной информации в
форме, удобной для передачи, дальнейшего
преобразования, обработки и хранения, но не
поддающейся непосредственному восприятию
наблюдателем.
Измерительные преобразователи
подразделяют на преобразователи электрических
величин в электрические (например, шунты,
делители напряжения, измерительные
трансформаторы) и преобразователи
неэлектрических величин в электрические (например,
температуры электроизмерительным
прибором, на вход которого подключена термопара).
Совокупность преобразователей,
обеспечивающих осуществление всех необходимых
преобразований сигнала измерительной
информации, называется измерительной цепью.
Электроизмерительные приборы прямого
преобразования в общем виде можно
представить состоящими из двух функциональных
элементов (рис. 5.4.1): измерительной цепи
(ИЦ) - преобразователя измеряемой величины
X в промежуточную электрическую величину
Y; измерительного механизма (ИМ),
предназначенного для преобразования электрической
величины Y в перемещение а подвижной
части прибора, который градуируют в
значениях измеряемой величины. В большинстве
приборов ИМ вращается относительно
неподвижной основы, на которой размещают шкалу.
Измерительная
цепь
Измерительный
механизм
Рис. 5.4.1. Функциональная схема измерительного
прибора прямого преобразования

ОБЩИЕ СВВДЕНИЯ О МЕТОДАХ И СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ
531
Для оценки измерительной цепи
пользуются понятием чувствительности ИЦ:
Sm = dX/dY.
Измерительные механизмы
характеризуют коэффициентом вращающего момента ИМ:
Км = M^/Z
где МВр - вращающий момент ИМ.
В электромеханических приборах
механическая сила ^мех создается за счет
изменения запасенной в системе энергии при
перемещении контура с током, т. &^FMtJ^x =
= dW^dXy где JV3M - энергия в системе; х -
обобщенная координата перемещения
подвижного контура.
Вращающий момент ИМ, обусловленный
действием механической силы, МЪр = FMexr>
где г - длина плеча от точки приложения силы
FMex до оси вращения.
В зависимости от метода, используемого
для получения вращающего момента,
различают следующие основные системы
электроизмерительных приборов:
магнитоэлектрическую, электромагнитную,
электродинамическую, ферродинамическую,
электростатическую, индукционную, мапштоиндукционную
и термоэлектрическую. Условные обозначения
указанных измерительных систем приведены в
табл. 5.4.1.
Мостовые и компенсационные методы
измерения электрических величин используют
в приборах сравнения, работающих по
принципу сличения измеряемой величины с
эталонной высокостабильной мерой. Для этой
цели приборы сравнения снабжают
измерительной схемой (системой).
В зависимости от применяемой
образцовой меры различают две разновидности
измерительных схем: мостовые, в которых
используют эталонные элементы - резисторы,
индуктивные катушки или конденсаторы;
компенсационные, снабженные эталонными
источниками ЭДС или нормальными элементами.
Мостовые измерительные схемы разделяют на
схемы постоянного тока - для косвенного
измерения сопротивления резисторов - и схемы
переменного тока - для косвенного измерения
индуктивности, емкости, а также добротности
и тангенса угла потерь tg б.
Компенсационные схемы являются
основой компенсаторов, служащих для
высокоточных измерений ЭДС или напряжения
(особенно малых значений) без потребления
мощности измерительной схемой. Эта
принципиальная особенность компенсационных
схем и обусловливает возможность
обеспечения высокой точности измерений.
Компенсаторы используют в метрологических
лабораториях в качестве эталонных измерителей
напряжения (вольтметров).
5.4.1. Условные обозначения систем электрс
epi
ix приборов
Наименование
Условное обозначение
Наименование
Условное обозначение

Магнитоэлектрическая

Электростатическая

Электромагнитная
Индукционная

Электродинамическая
Магнитоиндук-
ционная
Ферродинами-
ческая

Термоэлектрическая
Y

532
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
К приборам сравнения, нашедшим
широкое применение в технике измерений,
можно отнести цифровые приборы, в которых
осуществляется сравнение (сличение)
измеряемой величины с образцовой мерой.
Цифровые приборы работают по
принципу преобразования непрерывных
аналоговых значений измеряемых величин в
дискретную (цифровую) форму. Для этого в приборе
производится периодическое сравнение
измеряемой величины с эталонной. В качестве
эталонной величины используют напряжение,
временной интервал и т.п. Результат
измерения, получаемый в момент равенства
измеряемой и эталонной величин, представляется в
двоичном коде, а затем посредством
дешифратора преобразуется в десятичную форму,
которая отображается на отсчетном устройстве.
В зависимости от метода преобразования
аналогового сигнала в двоичный код
различают следующие типы цифровых приборов:
прямого преобразования, в которых
производится непосредственный замер измеряемой
величины (в частотомерах -
продолжительность периода, в вольтметрах - напряжение, и
т. д.); косвенного преобразования, в которых
измеряемая величина (например, напряжение)
преобразуется в другую величину (обычно
временной интервал) с последующим ее
измерением для определения значения исходной
величины.
Компенсационный метод измерений,
реализуемый во всех цифровых приборах,
обеспечивает предельно малую приведенную
погрешность измерений (%)
Y =
где ДА^пах - максимальная абсолютная
погрешность; А^пах - верхний предел измерений.
Структурная схема цифрового прибора
косвенного преобразования представлена на
рис. 5.4.2. Измеряемая аналоговая величина Ах
подается (непосредственно или через
промежуточный преобразователь) на сравнивающее
устройство (СУ). К другому выходу СУ
подводят образцовую меру #оО)> которая
устройством управления (УУ) изменяется по
требуемому закону. Блок УК фиксирует начальный /q и
конечный /к моменты процесса сравнения
величин Ах и tfo(/). Кроме того, он содержит
автогенератор тактовых импульсов для
измерения на электронном счетчике (ЭС)
интервала А/х = tx - /о, пропорционального значению
Ах. Результаты измерений отображаются на
устройстве цифрового отсчета (УЦО) в виде
десятичного числа. Для более точного
измерения величины Atx в схеме применяют
электронный коммутатор (ЭК), фиксирующий
начало и конец измеряемого ЭС интервала
времени.
Время-импульсное кодирование
информации широко применяют в цифровых
.вольтметрах. Сущность этого метода ясна на
примере цифрового прибора (рис. 5.4.3, д), в
котором в качестве образцовой меры используют
импульсы напряжения Uo(Q, формируемые
специальным низкочастотным генератором
пилообразного напряжения (ШН). Этот
изменяющийся во времени сигнал u$(t)
сравнивается в сравнивающем устройстве с
измеряемым аналоговым напряжением Ux
Специальный блок управления (БУ) фиксирует
моменты начала нарастания пилообразного
напряжения (/о) и равенства сравниваемых сигналов
^ U0(t) = Ux. E.4.1)
Поскольку крутизна нарастания
эталонного напряжения Ц)(/) поддерживается
неизменной, отрезок времени Atx = tx - (q9
формируемый измерителем времени (ИВ),
определяет значение измеряемого напряжения Ux.
Временные диаграммы процессов в цифровом
вольтметре с время-импульсным
кодированием показаны на рис. 5.4.3, б. Как видно из
верхней диаграммы,
Щ =
где индекс "т" соответствует максимальным
значениям величин.
Рис. 5.4.2. Структурная схема циф|

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ И СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ
533
Временной интервал Atx = NXT^ где
Nx - число тактовых импульсов в интервале;
Ти - период тактовых импульсов.
Отсюда Щ = UomNxTa/tm9 или с учетом
формулы E.4.1) измеряемое напряжение
Рис. 5.4.3. Структурная схема цифрового прибора
с время-импульсным кодированием информации (а)
и временные диаграммы процессов в цифровом
вольтметре с время-импульсным кодированием (б)
где Аи = V^mTJtm - коэффициент
пропорциональности.
Цифровые вольтметры с частотно-
импульсным кодированием напряжения. Этот
принцип реализуется в малогабаритных
вольтметрах относительно небольшой точности. Он
основан на использовании измеряемого
аналогового напряжения Ux для периодической
перезарядки измерительного конденсатора Q,
(рис. 5.4.4, а). Соответствующим выбором
параметров зарядного блока (ЗБ) достигается
линейный закон нарастания напряжения
Uc(i) на измерительном конденсаторе. В
приборе формируется эталонное напряжение
Uq = const, которое подводится к
сравнивающему устройству. Напряжение Щ в СУ
сравнивается с сигналом uc(t), и в моменты их
равенства фиксируется время tK (рис. 5.4.4, б).
Электронный ключ (ЭК), управляемый
выходным сигналом СУ, в моменты /к ^подключает к
измерительному конденсатору Q, разрядный
импульс (РЙ) обратной полярности.
Конденсатор Си разряжается в строго фиксированное
время А/р, поскольку РИ нормирован, а
Щ = const. Измерив частоту разрядных
импульсов fm, можно найти искомое
напряжение Ux. На практике частоту Три определяют
по значению ее периода Тх.
пиши
\\\
-Н г, w- i
im! !
!нЛ fiiii
7
7
Рис. 5.4.4. Структурная схема (а) цифрового вольтметра с
б
диаграммы работы (б)
[ кодированием и

534
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Важным фактором» определяющим
практическую целесообразность
частотно-импульсного метода, является обеспечение линейного
закона нарастания напряжения uc(t) на
измерительном конденсаторе. Этого можно
достичь, если в диапазоне измеряемых значений
Тх постоянная времени зарядной цепи
т3 = ДзО, » ТХ9
где Rq - зарядное сопротивление ЗБ.
Тогда
ис = Ux(l - e-V*) « Uxt/T3 = иЖЛэСи).
Следовательно, в момент времени / = ^
ис = Щ = UXTJ{R>CJ. E.4.2)
Решив E.4.2) относительно измеряемого
напряжения, получим
С учетом типовой методики измерения
временного интервала Тх
их = щ я>слмхТъ) = bjnx,
где Nx и Ти - соответственно число и период
тактовых импульсов (см. рис. 5.4.4, б);
Д/ = Щ ^зОи/^и ~ коэффициент
пропорциональности.
Поскольку в частотно-импульсных
вольтметрах используют напряжение зарядки
измерительного конденсатора
где /3 - сила зарядного тока; С - емкость
конденсатора, их называют интегрирующими.
В некоторых цифровых вольтметрах
применяют двукратное интегрирование: два
такта зарядки и разрядки конденсатора. В
этом случае первый такт является
вспомогательным, второй - рабочим.
Цифровые вольтметры с подзарядным ко-
доимпульсным уравновешиванием напряжения
характеризуются самыми высокими
быстродействием и точностью среди вольтметров. Их
принцип работы основан на кодировании
измеряемого напряжения путем его
последовательного сравнения с рабочими мерами из
набора, образованного по определенному
правилу (аналогично со взвешиванием с помощью
набора гирь различной массы). Получаемый в
процессе такого сравнения двоичный код
определяет значение измеряемого напряжения, и
после его преобразования результат
высвечивается в виде многоразрядного десятичного
числа в отсчетом устройстве.
Важнейшим элементом таких приборов
является набор образцовых компенсирующих
напряжений, вырабатываемых в специальном
преобразователе. На практике при разработке
набора используют /и-разрядный ряд
слагаемых напряжении с двукратным снижением
амплитуд от разряда к разряду. Тогда
образцовое компенсирующие напряжение для /1-го
разряда в наборе
Якп = ^М E.4.3)
где Uq - наибольшее значение образцового
напряжения; п = 1, 2,..., m - номера разрядов.
На рис. 5.4.5, а показан набор
образцовых напряжений, полученный по закону
E.4.3).
Методика сравнения измеряемого Ux и
компенсирующего U^ напряжений
заключается в поочередном сопоставлении значения
Ux со значениями ?^0> ЧсЬ Чс2 и Т-Д- При
этом каждая элементарная операция сравнения
кодируется по принципу, показанному на рис.
5.4.5, б.
При недокомпенсации измеряемого
напряжения Ux, т. е. при Ux > Цм записывается
код "Г и к предыдущему значению С^,
прибавляется Uxn + \.
После этого сопоставляется значение Ux
уже с суммарным сигналом U^ + t^+i и т.д.
При перекомпенсации напряжения Ux,
т.е. при Ux < UK9 записывается код "О" и это
значение U^ не учитывается при оценке
конечного результата. На следующем шаге для
сравнения с напряжением Ux используется
последующий сигнал ?4л+1 < ^, и т.д.
В нижней части диаграммы (рис. 5.4.5, б)
записан соответствующий двоичный код
(набор образцовых напряжений имеет
значения, приведенные на рис. 5.4.5, а). Как видно
из диаграммы,
Ux= UKl + UK3 + UK4 + Cfa
+ 1/23 + 1/24 + 1/25),
где у = а, Р, у, ,/я - номера разрядов,
начиная с нулевого , которым приписан код ".
Структурная схема цифрового вольтметра
с подзарядным уравновешиванием приведена
на рис. 5.4.5, в. К сравнивающему устройству
(СУ) подводятся измеряемое напряжение Ux и
набор образцовых компенсационных
напряжений, формируемых в блоке образцовых
напряжений (БОН). Автоматизация процедуры
последовательного сравнения Ux с
напряжением Цм обеспечиваемся устройством
управления (УУ), содержащим тактовый генератор,
счетчик и логические схемы, предназначенные
для размещения измеряемой информации в
соответствующих разрядах выходного регистра
(ВР). Выходной регистр фиксирует код,
полученный в результате измерений значений UX9
и через дешифратор (ДШ) высвечивает
результат на отсчетом устройстве (ОУ).

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
535
0 10 111 п
Рис. 5.4.5. Набор образцовых напряжений (д), диаграмма для
¦ т^-т^тт^щ яьяытт щт-щ^щт ^>wy шшч ¦¦^¦ририии* ¦^¦¦¦¦^¦^¦¦^ ин ¦¦¦¦¦¦ ^w^y ^ ^¦¦¦¦и ди ¦¦¦¦ ¦¦¦¦¦¦ f^m^mwm ж щт ¦¦¦¦¦ьи ¦! ¦¦¦¦¦¦ ¦¦u»i» »y — ч»»»^у» ^у ж» i»wwm ¦! ¦¦ ¦ иду ^ шыш
напряжений (б) и структурная схема цифрового вольтметра с подзарядным уравновешиванием (в)
5.4.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Основные функциональные элементы
изделий микроэлектроники (например,
интегральных микросхем) состоят, как правило, из
металлических , диэлектрических и
полупроводниковых слоев с заданными свойствами.
Качество этих слоев, в конечном счете влияет
на основные параметры ИС. Измерение этих
параметров дает возможность управлять
технологическим процессом изготовления ИС, их
называют параметрами качества ИС.
Параметры качества пленок металлов и
сплавов. Металлические пленки используются
в ИС в качестве межэлементных соединений,
контактных площадок, обкладок
конденсаторов, магнитных и резистивных элементов.
Общими требованиями ко всем пленкам,
используемым в ИС, являются высокая
прочность связи (адгезия) с подложкой и
соответствующий ей температурный коэффициент
линейного расширения. Кроме того, пленки
должны обладать требуемыми значениями
электропроводности.
Под действием внешнего электрического
поля электроны проводимости в
металлической пленке приобретают направленный
импульс, появляется электрический ток.
Электроны проводимости рассеиваются в пленке,
на ее поверхности и в кристаллической
решетке, на примесях» и дефектах структуры. По
правилу Матгиссена процессы рассеяния
аддитивны, т.е.
Робщ = Рид + Рпов + PN + Рдеф»
где Рид, рпов, PN> Рдеф - вклады в общее
удельное сопротивление Робщ соответственно
удельных сопротивлений идеальной
кристаллической решетки, поверхности, примесей и
дефектов структуры.
Вклад рдеф зависит от условий
осаждения пленки и может быть соизмерим с рпов>
pjV, Рид- Для поликристаллической пленки
концентрация "замороженных" дефектов рдеф
изменяется в процессе ее роста, особенно
когда они чувствительны к окислению и
загрязнителям. Поскольку характер зарождения и
роста пленок зависит от множества случайных

536
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
факторов (чистоты поверхности подложки, ее
шероховатости и т.п.), то трудно получить
точное совпадение значений робщ ДДЯ пленок
одинаковой толщины. Поэтому в качестве
характеристики пленок используют значения
удельного сопротивления квадрата пленки,
ih=p/d E.4.4)
где р^ - сопротивление квадрата пленки,
Ом/квадрат; р - удельное
электросопротивление, Ом • см; d - толщина пленки, см.
Резистивные пленки ИС обычно
изготовляют из материалов, обладающих высокими
значениями удельного сопротивления. Это
могут быть металлы (W, Mo, Re, Та и др.),
сплавы (нихром, силициды, карбиды и др.),
керметы (смеси металла и диэлектрика типа
Cr-SiO, Cr-SiO2). В полупроводниковых ИС в
качестве резисторов используются области
полупроводника, легированного примесями п-
шшр- типа.
Основными электрофизическими
характеристиками резистивных слоев являются:
удельное электросопротивление j^
температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
где Т - температура; уровень ЭДС шумов и
стабильность этих параметров. В большинстве
случаев предпочтительны малые значения
ТКС, его независимость от технологических
факторов и стабильность при эксплуатации и
хранении.
Основные параметры качества
диэлектрических пленок. Пленки диэлектриков широко
используются в ИС для формирования
конденсаторных [металл-диэлектрик-металл (МДМ)] и
полевых [металл-диэлектрик-полупроводник
(МДП)] структур, а также в качестве
пассивирующих слоев. В зависимости от области
применения требования к характеристикам
диэлектрических слоев несколько различаются.
Наиболее жесткие требования предъявляют к
структурам типа МДП и МДМ.
Диэлектрические пленки, используемые в МДП-струк-
турах, должны иметь высокие стабильность и
однородность, быть беспористыми,
высокочистыми и иметь заданные электрофизические
параметры.
Во многих ИС диэлектрические пленки
работают при напряженности электрического
поля порядка 106 - 107 В/см, т.е. при
значениях, весьма близких к пробивному напряжению
для большинства объемных диэлектрических
материалов.
Основными параметрами
тонкопленочного конденсатора типа МДМ являются
удельная емкость С^д, тангенс угла диэлектрических
потерь tg 5, пробивное напряжение С^р,
температурный коэффициент емкости (ПСЕ),
удельное электросопротивление р и высокая
стабильность этих параметров.
Емкость. С конденсаторной структуры
определяется соотношением
Ш ' d '
где so - относительная диэлектрическая
проницаемость вакуума; s - относительная
диэлектрическая проницаемость материала
изолятора; S - площадь обкладок, см2; d -
толщина диэлектрического слоя, см.
Точное определение толщины
диэлектрика d в тонкопленочных структурах
толщиной 10 - 5 • 10 мкм затруднено из-за
неровностей на границах раздела металл-
диэлектрик, которые соизмеримы по толщине
A0~3 - 5 • 10 мкм) с толщиной пленки
диэлектрика. Например, при напылении
монооксида кремния (SiO) на алюминиевые пленки
при изготовлении тонкопленочных
конденсаторов (ТПК) слой диэлектрика сглаживает
неровности высотой до 0,025 мкм и копирует
более высокие неровности.
Диэлектрические пленки, используемые
в МДП-структурах, должны иметь еще более
высокие значения параметров качества. В этих
структурах диэлектрики используются в виде
очень тонких слоев @,1 - 0,2 мкм). Этим
толщинам соответствует наибольшие разброс
характеристик диэлектрических пленок и их
зависимость от технологических факторов
процессов получения и Обработки.
В связи с развитием интегральной
оптики (оптического аналога микроэлектроники)
оптические свойства диэлектрических пленок
приобретают наибольшую значимость.
Основным параметром диэлектрической пленки,
используемой как оптический волновод,
являются потери (или затухание) сигнала в
дБ/см. Потери обусловлены главным образом
поверхностным и в меньшей степени
объемным рассеянием света. Это происходит из-за
того, что световая волна в тонкой пленке,
проходя параллельно подложке, проделывает
зигзагообразный путь (до 1000 зигзагов на 1 см).
Прохождение каждого зигзага связано с
отражение^ от верхней и нижней поверхностей
пленки. Чем выше порядок моды (тя), тем
меньше угол между лучом и нормалью к
поверхности пленки. В моде с т = 0 лучи почти
скользят по поверхности пленки.
Основные параметры качества
полупроводниковых слоев. Важное значение в
производстве полупроводниковых ИС имеют эпи-
таксиальные и легированные посредством

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
537
диффузии или ионного внедрения слои
полупроводниковых материалов. Основными
параметрами материала являются удельное (или
поверхностное) сопротивление, подвижность и
время жизни носителей заряда, тип
проводимости, ориентация монокристаллического
слоя, концентрация носителей зарядги^-
Измерения большинства из этих величин
проводятся в производстве ИС при входном
контроле полупроводниковых пластин.
Обычно достаточно проведения визуального
осмотра под микроскопом, проверки типа
проводимости, кристаллической ориентации и
удельного сопротивления, определения плотности
дислокации и геометрических размеров.
Тип проводимости определяется по
схеме, показанной на рис. 5.4.6. Измерения
выполняются в нескольких точках пластины. Во
время измерений один из зондов нагревается
до 60 °С спиралью, электрически
изолированной от него. Для кремния я-типа холодный
контакт имеет отрицательную, а для р-типв, -
положительную полярность. Определение
ориентации основано на способности некоторых
травителей, например раствора едкого кали в
воде, выявлять кристаллографические
плоскости. После травления и тщательной промывки
пластины помещают в устройство,
обеспечивающее перпендикулярное падение луча света
(рис. 5.4.7).
Рис. 5.4.6. Схема определения типа проводимости
полупроводниковых пластин:
1 - пластина; 2 - регулятор напряжения;
3 - спираль нагревателя зонда; 4 - зонды;
5 - соединительные провода;
6 - измерительный прибор
¦
а.)
«
Если отраженный рисунок разместился
не в центре экрана вокруг отверстия, это
значит, что поверхность пластины не
совместилась с плоскостью экрана. Вращая кристалл в
ортогональных плоскостях до совмещения
центра рисунка с отверстием на экране,
определяют разориентацию кристаллической
плоскости относительно поверхности пластины.
Допустимой считается разориентация до 1,5 °.
Удельное электросопротивление р
полупроводниковых материалов измеряется четы-
рехзондовым методом по схеме, приведенной
на рис. 5.4.8. По межэлектродному
расстоянию I, силе тока возбуждения /и напряжению
U вычисляют р (Ом • см)
2^
Сопротивление слоя квадрата материала
толщиной dy т.е. рр, определяется по формуле
E.4.4).
Высокая точность определения р
достигается с помощью измерений приборами на
переменном токе. В этом случае сводится к
минимуму влияние контактов на результаты
измерений. Поскольку р определяют
разрушающими методами контроля, применяют
тестовые пластины. В современной оптоэлек-
тронике наряду с оптическими волноводами
используются полупроводниковые источники
света и фотоприемники.
Интегральными параметрами оптоэлек-
тронных элементов, по которым судят об их
качестве, служат передаточные характеристики
входных и выходных сигналов. Для
источников света входными управляющими сигналами
являются напряжение ивх или сила тока /вх, а
выходными - световой поток Дщх. Для
приемников (фотодвухполюсники) входным
сигналом является падающий световой поток
Рис. 5.4.7. Отражения от плоскостей <100> (а),
<110> (<5), <111> (в)
Рис. 5.4.8. Схема измерения удельного
тросопротивления полупроводниковых пластин

538
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
)> а выходными напряжение и^^ или сила
тока /вых. Естественно, что при одинаковых
спектральных характеристиках входного и
выходного излучений получается усиление
светового потока, а при разных - ослабление
светового сигнала. Оптроны являются
основными элементами оптоэлекгронных
усилителей и преобразователей напряжения.
Оптоэлекгронные интегральные
микросхемы (ОИМ) выполняются на основе
полупроводниковых слоев в виде матриц из
отдельных или связанных оптронов. В отличие
от оптоэлекгронной схемы на дискретных
элементах ОИМ является схемой с
распределенными параметрами. Параметрами качества
таких структур являются более сложные, чем в
обычных ИС, оптоэлекгронные
характеристики материалов. Если ИС изготавливаются, как
правило, из одного материала -
монокристаллических слоев кремния (и, реже, арсенида
галлия), то для ОИМ используется кроме
кремния широкая группа полупроводниковых
соединений группы АШВУ (GaAs, GP, InAs,
GaAIAs2 и др.) и группы А1^ (ZnS, CdS,
CdTe и др.).
5.4.3. СИСТЕМЫ" ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ
Контроль качества ИС включает
проверку резисторов, конденсаторов, диодов и
транзисторов.
Испытания (контроль) ИС можно
подразделить на функциональные (рис. 5.4.9, а) и
параметрические (рис. 5.4.9, б).
Функциональные испытания
заключаются в проверке соответствия выходных сигналов
последовательности входных воздействий. При
проведении параметрических испытаний
измеряются, например, длительность фронта /ф,
длительность спада tc, задержка t3
распространения сигналов при их прохождении через
прибор. При этом измеряют статические и
динамические характеристики ИС. В ходе
измерения динамических характеристик
контролируются временные параметры, а также
амплитуда измеряемого импульса. Измерение
статических характеристик производится при
постоянных напряжениях на всех электродах
приборов.
Испытания
3 11
ri ¦ '
a.
6
1
Um клана.
/ з г 1
—*~—TLTLTL.
>• П
Рис. 5.4.9. Схема и i
[ (а) я параметрических (б) испытаний:
1 - испытуемый прибор; to, /q,, /c, t3 - соответственно время начала и нарастания импульса,
спада импульса и задержки распространения сигнала
1
0
0
0
1
0
2
0
0
1
1
0
3
0
1
0
1
1
Вход
а
Ъ
с
Выход
d
г

СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
539
Важным моментом в выборе средств
измерений является определение эффективности
испытаний для данного производства.
Целесообразность применения автоматических
устройств и линий для испытаний ИС
определяется объемом производства или потребления
'этих приборов на предприятии, допустимым
уровнем их качества, а также уровнем затрат
на обеспечение надежности аппаратуры при
отсутствии испытаний компонентов.
Существует большое число автоматизи-^
рованных комплексов для всесторонних щке-
рений и испытаний ИС. Все они построены
на основе отдельных измерительных
устройств, переключение которых осуществляется
по заданной программе, а запись параметров и
характеристик производится автоматически;
специальные исполнительные механизмы
осуществляют разбраковку по принципу годен -
негоден или по допусковым группам
параметров, т.е. партиям с различным допуском
уровня качества приборов.
Система статических параметров
полупроводниковых диодов описывает их в одной
из трех областей вольт-амперных
характеристик (ВАХ) (на рис, 5.4.10, а - римскими
цифрами). Система статических параметров
транзисторов описывает их в одной из шести
областей режимов (рис. 5.4.10, б).
В активной области / эмиттерный
переход открыт и инжектирует в базу неосновные
носители, которые, двигаясь к коллектору,
образуют коллекторный ток. В области
отсечки // эмиттер не инжектирует носители в базу,
поэтому сила тока коллектора равна силе
обратного тока коллекторного перехода. В
области насыщения /// коллекторный переход
смещается в прямом направлении, увеличивая
инжекцию неосновных носителей из
коллектора в базу, и вследствие этого усилительные
свойства транзистора сильно ухудшаются.
Область пробоя на выходных характеристиках IV
реализуется при высоком напряжении на
коллекторе: в этой области сила коллекторного
тока быстро растет с повышением
напряжения, что в конечном счете приводит к пробою
и выходу прибора из строя. Область отсечки
по входу V на входной характеристике
соответствует обратным напряжениям на эмиттер-
ном переходе, она распространяется до
области пробоя эмитгерного перехода VI.
U
Рис. 5.4.10. Вольт-амперные характеристики диода .(а) и семейства транзисторов (б)

540
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТЮНИКЕ
Принятая система статических
параметров транзистора описывает его в каждой из
указанных выше областей минимальным
набором величин.
Активная область / описывается одним
параметром-коэффициентом передачи тока
ь _ Jk " Jx6Q
Л21э - 7 г
где IK, Iq - сила тока соответственно
коллектора и базы; ТкбО - сила обратного тока
коллекторного перехода при силе тока эммитера
/э = 0, при /б < 2О/Кбо, /*21э = hlh-
Значение /*2Ъ определяют при низких
напряжении на коллекторе и силе рабочего
тока коллектора.
Область отсечки //описывается
несколькими параметрами: j^60j /кэО " сила обратного
тока коллекторного перехода при
отключенной базе (ie = 0). Для большинства случаев
применения транзисторов необходимы
минимальные значения сил обратных токов во всем
диапазоне допустимых напряжений.
Область насыщения ///описывается
параметром С^сэнас " напряжение коллектор-
эмиттер в режиме насыщения при силе тока
коллектора 1К, близкой к рабочему, и силе
тока базы I& в п раз большей, чем сила тока
базы в активном режиме, т.е.
где п = 2 ... 20 - коэффициент насыщения.
В большинстве методик Ь^ъ измеряется
при номинальном значении 1К и напряжении,
превышающем ?^Энас в 3 - 6 раз. Параметр
Чсбнас ~ напряжение база - эмиттер -
измеряется при тех же режимах, что и икэшс.
5.4.4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Определение падения напряжения Unp
на диоде осуществляется с помощью схемы,
приведенной на рис. 5.4.11.
Непосредственное измерение обратных
токов в полупроводниковых приборах
затруднено из-за их малых величин. Поэтому
приходится использовать усиление определяемых
величин и затем осуществлять их измерение.
Исключение составляют мощные диоды,
транзисторы и тиристоры с силой обратного тока
ДО - 10-3 А. Для измерения обратных токов
таких приборов применяется схема,
приведенная на рис. 5.4.12.
При измерении параметров маломощных
полупроводниковых приборов обычно
используется преобразование постоянного тока в
переменный и усиление последнего. Такое
преобразование позволяет избежать дрейфа
нуля. На рис. 5.4.13 приведена схема
измерения обратного тока коллектора с помощью
такой установки. Чувствительность установки
10~7 А для всей шкалы амперметра. Измерение
обратных токов широко применяется при
анализе качества полупроводниковых приборов,
так как дрейф этих величин во времени
позволяет определить их стабильность. При
исследовании новых
конструктивно-технологических вариантов ИС эти величины служат
основными параметрами качества.
Рис. 5.4.11. Схем» измерения прямого падения
1 - диод; 2 - генератор тока; 3 - амперметр;
4 - защитное устройство вольтметра от перегрузки
при включении диода; 5 - вольтметр
Рис. 5.4.12. Схема измерения обратн
мощных приборов:
1 - диод; 2 - миллиамперметр; 3 - вольтметр;
4 - постоянный резистор; J - источник питания
Рис 5.4.13. Схема измерения обратного тока
коллекторного перехода с преобразователем
на основе электромеханического реле:
1 - транзистор; 2 - вольтметр; 3 - источник питания;
4 - усилитель; 5 - детектор; 6 - токосъемочный
резистор; 7- управляемое реле; 8 - амперметр

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
541
Чтобы получить статические параметры
полупроводниковых приборов с
отрицательным сопротивлением, необходимо измерять
силы тока и напряжения в области,
непосредственно прилегающей к падающему участку
ВАХ. Для измерений пользуются установкой,
схема которой показана на рис. 5.4.14, а.
Когда сила тока достигает
(рис. 5.4.14, б), вольтметр регистрирует скачок
напряжения от U\ до Щ. При последующем
уменьшении силы тока до 1^ происходит
второй скачок напряжения - от ?^ до U\.
Для измерения силы пикового тока
туннельных диодов используется устройство (рис.
5.4.15, а). От генератора тока (ГТ) через диод
подается постоянный ток силой Iq на
контрольный диод VDjh3M. Через Р^зм ПР°"
текает также нарастающий ток А/ транзистора
и прямоугольные импульсы тока 1ц
противоположной полярности с частотой следования
10 кГц. При длительности импульса тока t^ -
4 мкс, и постоянной времени BqC\ = 2 мкс,
погрешность поддержания силы тока системой
не превышает 0,1 %. Сумма сил токов /0 + А/,
измеряемых миллиамперметром и
микроамперметром, дает точное значение силы
пикового тока туннельного диода.
Чувствительность измерений 1 мкА. На рис. 5.4.15, б
показана схема для измерения температурных
зависимостей параметров прибора.
Рис. 5.4.14. Схема
1 - 3 - регулируемый источник тока; 4 - амперметр; 5 - испытуемый диод; 6 - вольтметр
Рис. 5.4.15. Схемы измерения силы пикового тока в туннельных диодах (а) и
температурных зависимостей параметров (б):
ТИ- генератор импульсов; ГТ- генератор тока; УПТ- усилитель постоянного тока; VT- транзистор;
2 - термостат; 2 - холодный спай термопары

542
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Статические параметры других приборов характеристик приборов. В- качестве примера
с отрицательным сопротивлением
определяются аналогичными методами (рис. 5.4.16).
на рис. 5.4.17 показаны осциллограмма
выключения тиристора и структурная схема по-
Более сложные измерительные схемы луавтоматического измерителя. Погрешность
применяются для исследования временных такого полуавтомата не превышает 10 %.
Рис. 5.4.16. О
НС 41
-TL
t
кечг
ксчз
гпн
MB
ее
л_
б)
7€
мв
Одиночный
Рис. 5.4.17. Осциллограмма (а) выключения тиристора и структурная схема измерителя (б):
ИОК - импульсы объективного контроля; ГСИ - генератор синхроимпульсов; ДЦ - дифференцирующая
цепочка; MB - мультивибратор; ВУ- вентильное устройство; У г усилитель; УЛЗ - усилитель с линией
задержки; ФИ- формирователь импульсов; ГПН- генератор пилообразного напряжения; ЛЗ - линия задержки;
Тр - триггер; СС - схема совпадения; КСЧ1 - КСЧЗ - кольцевые счетчики; VD^^ - измеряемый тиристор

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
543
1
\*
I 2
Ч.:
i
s
1 1—i i
6
Рис. 5.4.18. Схема i
стабил
тронов:
1 - источник задания режимов; 2 - токозадающий
резистор; 3 - исследуемый прибор; 4 - термостат;
5 - измерительный прибор;
6 - источник опорного напряжения
В схеме используется время-импульсное
преобразование, которое основано на
преобразовании амплитуды предварительно
расширенных импульсов в пропорциональный
отрезок времени. В данном случае число
импульсов генератора, поступивших на кольцевые
счетчики КСЧ, пропорционально времени
выключения тиристора.
Статические параметры стабилитронов
могут быть измерены с помощью установки,
схема которой представлена на рис. 5.4.18.
Статические параметры транзисторов
измеряются, как правило, на стандартных
измерителях Л2-42, Л2-56 и др. С развитием
техники измерения и совершенствованием
измерительных устройств электрические схемы
измерителей могут претерпевать изменения.
Однако мало вероятно, что эти изменения
будут принципиальными.
Измерение статического коэффициента
передачи тока /*21Э осуществляется при
небольших значениях UK и силе тока 1К9 близкой
к рабочей. На рис. 5.4.19 приведена схема
измерения /*21Э маломощных транзисторов.
Перед проведением измерения прибор
калибруется установкой переключателя S\ в
положение " и регулировкой коэффициента
усиления импульсного вольтметра, стрелка от
счетного прибора устанавливается на полное
отклонение. После этого переключатель S\
переводят в положение " и производится
измерение. Поскольку
= T
где К - коэффициент пропорциональности, то
отсчетный индикатор можно градуировать в
значениях Ъцъ + 1.
5.4.5. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
В общем случае параметры
полупроводниковых приборов являются динамическими.
К ним относится группа параметров
транзисторов и диодов, определяемых
характеристическими уравнениями типа
E.4.5)
Частные производные в этих уравнениях
являются дифференциальными параметрами
(^параметрами) транзистора:
v
Yn =
dUK'
Y21 =
dU% '
Рис. 5.4.19. Схема измерения Й21э:
ГИ - генератор импульсов; ИВ - импульсный вольтметр; В - отсчетный прибор

544
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Уравнения E.4.5) можно представить в
следующем виде:
h = YnUi + Y12U2;
Эту систему параметров называют Z-
параметрами.
Для биполярных транзисторов обычно
используется третья система параметров,
получаемая из соотношений
где I\, I2 - амплитуды переменных токов
соответственно эмиттера и коллектора; U\, U2 -
амплитуды переменных напряжений
соответственно эмиттер - база и коллектор - база.
Решив уравнения E.4.6) относительно
напряжений, получим другую систему,
характеризующую прибор:
U2 =
+ h12U2;
+ /122^2
+ Zn.h
Эту систему называют ^-параметрами, а
между системами параметров существует
однозначная взаимосвязь. В табл. 5.4.2 приведены
соотношения между Y-, Z- и А-параметрами
любого четырехполюсника.
Параметр
Zn
Zn
Zii.
Zn
Yu
Yn
Y21
Yn
All
Л12
Л21
A22
AZ
AY
Ah
*u
Sn
ешя между диффе]
Z
-
-
-
-
Zoo/AZ
—Zvj/AZ
"~Zo\JAZ
-Zn/AZ
AZ/Zn
ZiJZn
~Z2ltZn
1/222
ZnZn - Zjy
1/AZ
Z11/Z22
ревциш
¦ытш параметрами* чет
Y
Y22/&Y
-Y12/AY
-Y21/AY
Y11/AY
-
-
-
-
-Yu/Yxx
YnlYn
AY/Yxx
l/AY
Yn/Yxx
ырехпа
hi
/1 V *7 \ /1 1 V ГУ \ • V V /5r 2
\A "" ¦* ll-^B/x-^ ' ¦* 22^в/ "¦ ¦* 12-* 21^в
A + ruZB)(l + Г22^в) " Ib^B2
-2r2iZB
A + 7nZB)(l + 722ZB) - r12r21ZB2
-2F21ZB
A + ruZB)(l + Г22^в) - YnY2lZl
A + ruZB)(l - Ггг^в) + YnY2xZl
{l + YnZJd + YnZJ-Ynl
A
Ah/h
A12/A22
-Л21/Л22
1/hxx
"^12/^11
""^2l/^ll
Ah/hn
-
-
-
-
h22/h 11
xhn - hnh21
* ZB- полное волновое сопротивление; S - ^-параметр для СВЧ.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
545
Рис 5.4.20. Схема подключения транзистора как
На рис. 5.4.20 показаны схема
подключения транзистора как четырехполюсника и
положительные направления токов и
напряжении.
В измерительных устройствах
транзисторы могут включаться по схемам с общей
базой, общим эмиттером или общим
коллектором. Измерив систему параметров для одной
такой схемы, можно вычислить систему
параметров для любой другой схемы включения.
Соотношения между системами параметров
для различных схем включения транзисторов
приведены в табл. 5.4.3.
5.4.3.
Исходная система
параметров
Общая база
Общий эмиттер
Общий
коллектор
Общая база
Соотношения между системами параметров npi
схемах включения транзисторов
Общая база
У\1Ъ
Уш
Упъ
У21Ь
^11Э+ У\2Э +
+ УПЭ "*" ^2Э
-Упэ - Упэ
-У21Э - У22Э
Упэ
Y22K
-Y2XK - Упк
-Упк - Упк
Упк + Упк +
+ Упк + Упк
ЬпЪ
^12Б
1Б
i различных
Преобразованная система параметров
Общий эмиттер
У\\Ъ + УПЪ + У21Ъ + У22Ъ
-Упъ - Упъ
-Упъ - Упъ
Упъ
Упэ
Упэ
Упэ
Упэ
Упк
-Упк - Упк
-Упк - Упк
Упк + Упк +
+ Упк + Упк
Л11Б
1-%Б+*21Б + ДЛБ
~^12Б + А^Б
1 - Л12Б + Л21Б + АЛБ
-Л21Б - ДЛБ
h22b
i-hnB+h21B + *hB
Общий коллектор
У\1Ъ "*" ^12Б "*" ^21Б "*" ^22Б
-УПЪ - У21Ъ
-Упъ - Упъ
Упъ
Упэ
-Упэ - Упэ
-УПЭ - У21Э
УПЭ + У12Э +
+ У21Э + У22Э
Упк
Упк
Упк
Упк
1-Л12Б+Л21Б+ДАБ
1 + Л21Б
1-А12Б+А21Б + ААБ
1 + Я12б
1 - Л]2б "*" ^21Б ~*~ ^Ъ
л22Б
1-А12Б+Л21Б + Д*Б
18 За к 7Й9

546
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТЮЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Продолжение табл. 5.4.3
Исходная система
параметров
Общий эмиттер
Общий
коллектор
Общая база
*иэ + Уиэ +
+ УцЭ + У22Э
- У\2Ъ - У22Э
- У21Э " У22Э
У22Э
У22К
- У21К - Упк
- Упк - Упк
Упк + Упк +
+ Упк + Упк
Преобразованная система параметров
Общий эмиттер
У\2Ъ
Упэ
У22Ъ
Упк
- Упк - Упк
- Упк - У2\к
У\\К + У\2К + УПК + У22К
Упэ
Общий коллектор
Упэ
- Упэ - Упэ
- Упэ -Упэ
+ Упэ + У2\э + Упэ
Упк
Упк
Упк
Упк
На высоких ВЧ- и сверхвысоких СВЧ-
частотах большинство параметров зависят от
частоты и представляют собой комплексные
числа, что обозначается точкой над
соответствующим символом параметра (А, У, Z). Но
СВЧ-параметры транзистора принято
описывать с помощью S-параметров. Система
S-параметров очень удобна для разработчиков
СВЧ-аппаратуры, так как позволяет
определить непосредственные связи между входными
и выходными сопротивлениями (*?ц, Sj2) и
коэффициент усиления по мощности (*S2l)
при известном волновом сопротивлении Zg.
На рис. 5.4.21 представлена схема
измерения дифференциального сопротивления
стабилитрона гст, которое, относится к Z-
параметрам диода. Генератор постоянного
тока TTi обеспечивает через стабилитрон ток
заданной силы, измеряемой амперметром. От
генератора ГТ2 через конденсатор С подается
переменный ток, амплитуда которого должна
быть намного меньше амплитуды тока,
протекающего через стабилитрон. Переменное
напряжение измеряется вольтметром ЭВ> шкала
которого проградуирована в омах. При
калибровке генератор высокочастотного тока TTi и
вольтметр ЭВ подключаются переключателем
<Si к калибровочному сопротивлению JRKBJl.
Калибровка проводится регулированием
амплитуды переменного тока.
Чтобы обеспечить точность измерений
порядка 5 %, погрешность Екял не должна
превышать 0,5 %, а нелинейность
амплитудной характеристики вольтметра должна быть
не более 2 %. Выходные сопротивления ГГ\9
TTi и ЭВ должны быть менее 200 гст, где гст -
сопротивление стабилитрона.
Рис. 5.4.21. Схема измерения дифференциального
/Ть TTi - генераторы постоянного и переменного
тока соответственно; ЭВ - электронный вольтметр с
измерительным усилителем, шкала которого
градуирована в омах; Si - переключатель;
КОдем - измеряемый диод;
jRkm - калибровочный резистор
Схемы измерения h-параметров
полупроводниковых приборов показаны на рис.
5.4.22. При измерении йцб используется
режим короткого замыкания цепи коллектор -
база по переменному току (рис. 5.4.22, а).
Измеряемый параметр является входным
сопротивлением транзистора. В схеме на рис.
5.4.22, б транзистор включен по схеме с общей
базой по постоянному и с общим коллектором
по переменному току.
В цепи базы имеется токосъемное
сопротивление JRq. Цепь коллектор - база работает в
режиме короткого замыкания* Показания
вольтметра пропорциональны амплитуде тока
базы /g == I\ + I2* С учетом того, что
1 + |*21б1 =
E.4.7)

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
547
Рис. 5.4.22. Схемы измерения Л-параметров транзисторов:
в - Лцб; б - h-i\b\ в - А12б; г - Лггв; ЗГ -звуковой генератор
Устройство для измерения калибруется
так, чтобы непосредственно по шкале можно
было отсчитывать значения 1 + /&216-
Калибровка заключается в подборе амплитуды и
чувствительности вольтметра таким образом,
чтобы максимальное показание вольтметра
было численно равно отношению Дол/ ^б
Масштаб шкалы для параметра 1 + /?21б
выбирают в пределах 0 - ОД; 0 - 0,03; 0 - 0,01.
Шкалу можно проградуировать и
непосредственно в значениях Л21б-
Отличие параметра /*21б от единицы
имеет определенный физический смысл: оно
отражает уровень поверхностной и объемной
рекомбинации носителей в базе и характер
инжекции эмиттера.
Для измерений параметров hy^ и /*22б
используются схемы, показанные на рис.
5.4.22, в, г. В первом случае при замерах
используется режим холостого хода на входе
транзистора (рис. 5.4.22, в). В соответствии с
формулой E.4.7) параметр h\^ равен
соотношению амплитуд напряжения эмиттер - база и
коллектор - база:
il=0
18*

548
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
К цепи коллектор - база подключен
генератор переменного напряжения ГН,
внутреннее сопротивление которого R должно
быть в 100 раз меньше выходного
сопротивления транзистора 7y/*226inaxJ напряжение U\,
численно равное /*12б> измеряется
электронным вольтметром ЭВ. Для прямого отсчета
Л126 схему калибруют. Необходимые условия
измерения: Д, > 200 Лц^; Bq > 100 Лцб-
Параметр /*22б (выходная проводимость
транзистора) измеряется в режиме холостого
хода устройством, схема которого приведена
на рис. 5.4.22, г. Величина /*22б равна
отношению амплитуд выходного тока и напряжения
коллектор - база:
Методика измерения такая же, как
измерения /*21б* В случае с распределенными
параметрами (на СВЧ) основными измеряемыми
величинами являются параметры,
характеризующие режим в линии передачи, а также
сопротивление нагрузки. Эти параметры
можно найти, определив распределение поля вдоль
линии передачи. Наиболее распространенным
и универсальным средством, предназначенным
для этой цели, является измерительная линия.
Принцип работы измерительной коаксиальной
линии основан на том, что при введении в нее
ВЧ-сигнала и подключении измеряемого
прибора в качестве нагрузки наблюдаются режимы
бегущих и стоячих волн напряжения.
Перемещая зонд вдоль длины линии, можно получить
распределение амплитуды поля в том же
направлении (рис. 5.4.23, а, б). Так измеряется
коэффициент стоячей волны напряжения
(КСВН)
гле Чпах и Чшп - соответственно
максимальное и минимальное значения амплитуд
напряжения вдоль линии.
При измерениях дифференциальных
параметров на высоких и сверхвысоких частотах
для соединения контролируемого прибора с
измерительной схемой используются
специальные контактные приспособления, имеющие
низкие потери и малые паразитные емкости и
индуктивности.
Причиной плохой воспроизводимости
результатов измерений часто бывает
неопределенность местоположения контакта между
электродами прибора и контактного
устройства измерителя. Хорошую воспроизводимость,
низкий КСВН (не более 1,08) и возможность
производить измерения независимо от
габаритных размеров прибора позволяет
осуществить контактное устройство, схема которого
представлена на рис. 5.4.24, применяемое для
измерения параметров безкорпусных СВЧ-ИС.
Устройство состоит из ступенчатого перехода 1 со
стандартного коаксиального вывода на заданное
сечение и прижимного механизма,
фиксирующего контакты измерительного объекта в нужном
положении. Прижимной ролик 2 обеспечивает не
только фиксацию и контакт с внутренним
проводником коаксиального перехода, но и контакт
нижнего слоя металлизации с внешним
электродом 4 коаксиального перехода. На рис. 5.4.25
показаны вариант конструкции контактного
устройства и электрическая схема измерения
параметров ТГц и А22 СВЧ-транзисторов.
Для измерения S-параметров применяют
специальные измерительные приборы,
которые представляют собой двухканальные
чувствительные приемники, позволяющие измерять
амплитуды и фазы сигналов. В комплекте с
направленными ответвителями они могут
измерять модули и фазы бегущих волн на входе
и выходе транзисторов. На рис. 5.4.26
представлены схемы измерения S-параметров
транзисторов с помощью стандартной
измерительной линии. Измерение заключается в
определении КСВН и фазы стоячей волны в линии с
транзистором.
Примером использования систем
параметров для решения конкретных задач на
сверхвысоких частотах является определение
граничной частоты транзисторов. Граничная
частота коэффициента передачи тока в схемах
с общим эмиттером описывается
соотношением
/п. - 1*иэ1Й
вде f- частота, на которой измеряется модуль
Рис. 5.4.23. Схема измерения параметров на высоких и сверхвысоких частотах (а) и
график распределения напряжения вдоль измерительной линии (б):
ИЛ Щ
рф ррд р
Г - генератор; ИЛ - измерительная линия;
р (
- измеряемый диод нагрузки; И - индикатор

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
549
1 г
Рис 5.4.24. Контактное устройство для измерения бескорпусных СВЧ-ИС:
1 - ступенчатый переход; 2 - прижимной ролик; 3 - планка; 4 - внешний электрод
« н5~~
-?ff
О
С1
яг
?1
>-*#
а; * t)
Рис 5.4.25. Конструкция устройства (а) и электрическая схема (б) измерения параметре
Y и /*22 СВЧ-транзисторов:
1 - конденсатор; 2 - транзистор; 3 - выводы транзистора; 4 - отверстия для выводов
rf % fi
II 3 j«r~T~"'» ^j( ц|)? j
1 ' ' ' ! | \Л
I
ИЛ
HI)
Рис. 5.4.26. Схемы измерения S-параметров транзисторов:
КС - разделительная коаксиальная секция; КУ- контактное устройство; 1,2- каналы;
AT - аттенюатор; Р - развязывающее устройство

550
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
Рис. 5.4.27. Структурная схема измер!
ой ус
1ДЛЯ
граничной частоты СВЧ-транзисторов:
ПИ - измерительный приемник; КП - коаксиальный переключатель; Г- генератор СВЧ;
НО - направленный ответвитель; ИП - источник питания; ЭРС - эквивалент реактивного сопротивления
У V
iГ
"tip max
a)
1.
I*
i
;
I
в)
I Г
Рис. 5.4.28. Графики, иллюстрирующие переходные процессы в ИС:
а - нарастание тока коллектора при ступенчатом импульсе базы k\\6- задержка распространения сигнала в
ИС; в - переходный процесс при включении диода; г - переходный процесс при переключении диода;
Сп " заряд переключения; /3 - время задержки включения; /ф - длительность переднего фронта;
tc - задержка выключения; tp - время спада; /и - длительность импульса;
'воесг ~ время восстановления обратного сопротивления

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
551
Для определения f^ до нескольких
гигагерц можно использовать установку для
измерения параметра |/*21э1 (рис. 5.4.27),
состоящую из стандартных приборов и узлов.
Измеряемый транзистор с помощью держателя,
входящего в комплект установки, включается в
измерительный СВЧ-тракт. Зонд
измерительной линии находится на расстоянии Bп+1
)Х/4 (где X - длина волны) от точки
подключения внешнего вывода базы транзистора.
Направленный ответвитель, используемый для
измерения сигнала, пропорционального
входному току, размещен на выходе транзистора.
Через промежутки пХ/2 короткое замыкание
трансформируется на вывод коллектора
измеряемого транзистора. Напряжение измеряется
стандартным приемником ПИ. При
калибровке установки для измерения в держатель
включается проходная секция и фиксируются
уровни сигналов, подаваемых с зонда и
направленного ответвителя. Измерения
проводятся при включении в держатель транзистора
и подаче на него питания. При этом
наблюдается уменьшение уровня высокочастотного
тока на входе транзистора, а следовательно, и
сигнала в канале зонда. Это напряжение
восстанавливается до прежнего значения
соответствующим повышением уровня выходного
сигнала генератора. Значение |/*21Э|
определяется отношением сигналов, поступающих с
направленного ответвителя в режимах
измерения и калибровки.
5.4.6. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ В
ИМПУЛЬСНЫХ РЕЖИМАХ
Статические параметры ИС в
импульсных режимах определяют амплитуды токов и
напряжений, а динамические описывают
переходные процессы, протекающие при
включении и выключении прибора, например время
нарастания силы тока коллектора (/ф) при
включении транзистора или время перехода из
состояния логической единицы в состояние
логического нуля (рис. 5.4.28) или среднее
время задержки сигнала /3 в ИС и т.п. Они
могут служить параметрами их качества.
Схема установки для измерения
максимального импульсного напряжения и времени
восстановления обратного сопротивления
диода показана на рис. 5.4.29, а. Для измерения
времени переключения диода можно
использовать схему, показанную на рис. 5.4.29, б.
При измерении параметров включения и
выключения транзисторов используют
установки, схемы которых показаны на рис. 5.4.30.
При включении транзистор переводится в
открытое состояние коротким импульсом
базового тока. При измерении параметров
выключения транзистор открыт для постоянного
тока базы и запирается импульсом
запирающего базового тока. В случае измерения
времени рассасывания заряда отпирающий и
запирающий импульсы подаются
последовательно в базу.
Сопротивления R\ и ф (рис. 5.4.30, а) в
сумме образуют сопротивление нагрузки.
Обычно Ri равно 50 или 75 Ом. При
измерении параметров в импульсных режимах
учитываются паразитные индуктивности и
емкости, возникающие в измерительной установке
и цепи. Для поддержания постоянного
напряжения импульса необходимо иметь большую
блокировочную емкость:
где IK9 UK - соответственно сила тока и
напряжение коллектора; ?и - время импульса.
При измерении параметров в наносе-
кундном диапазоне высокая блокировочная
емкость и малая паразитная индуктивность
достигаются с помощью схемы, показанной на
рис. 5.4.30, б9 в которой коллекторная
нагрузка заземлена, а к эмиттеру подключен
источник постоянного напряжения UK.
Индуктивность в цепи коллектора не должна превышать
0,2/иЛ В качестве измерительных устройств
используются осциллографы с высокой
скоростью записи и специальные измерители
времени.
Рис. 5.4.29. Схема измерения максимального импульсного напряжения, времени восстановления
обратного сопротивления (а) и времени переключения (б):
ИУ - измерительное устройство; Сд - паразитная емкость; С&л - блокировочная емкость;
RH - сопротивление нагрузки

552
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
м
JL
C1
Q«
Я5
:rvzw
i
!*л
#;
Рис. 5.4.30. Схемы i
импульса длительностью 10 не (а), длительностью 10 - 100 не (б) и времени "рассасывания" (в):
ИВ - измеритель времени; Сш - входная емкость измерителя; См - емкость монтажа
Форма импульсных сигналов малой
длительности от ГИ очень отличается от
идеальной и, следовательно, вносит большие
погрешности в процесс измерения. С целью
ограничения этих погрешностей предусмотрено,
что длительность фронта включающих
импульсов должна быть в 10 раз меньше времени
измерения параметров, а длительность
запирающего импульса в 5 - 10 раз больше
времени "рассасывания" в измеряемых транзисторах.
При измерении "выключающих" параметров
длительность фронта переключающего
импульса тока должна быть в 5 - 10 раз меньше,
а длительность насыщающего импульса в
10 раз больше измеряемого времени
рассасывания. Выброс напряжения на фронте не
должен превышать 5 % амплитуды импульса,
которая определяется в середине его
длительности. Отсчет момента переключения проводится
от середины фронта импульса. Необходимо,
чтобы время установления переходного
процесса в измерителе времени было в 5 раз
меньше времени измерения параметра.
Описанные варианты измерительных
схем и им подобные используются во многих
типах автоматов или полуавтоматов по
разбраковке импульсных приборов в производстве и
при испытаниях. В этих автоматах параметр
качества устанавливается равным границе
разбраковки. Срабатывание порогового
устройства свидетельствует о годности
контролируемого (или испытуемого) прибора. Когда
пороговое устройство не срабатывает, прибор не
удовлетворяет установленной норме
разбраковки. Обычно автоматы производят
классификацию по нескольким группам качества с
выводом на печать результатов измерения, по
которым можно построить гистограммы
распределения параметров.
Для измерения параметров ИС, учитывая
их функциональную сложность и высокую
плотность элементов, применяются, как
правило, измерительные комплексы,
совмещенные с ЭВМ (рис. 5.4.31). Комплекс состоит из
установки контроля статических (УКС)
параметров "Электрон УКС", установки контроля
динамических (УКД) параметров "Электрон
УКД", ЭВМ с устройствами ввода и вывода
информации, в памяти которой закладываются
программы контроля ИС и самоконтроля
комплекса. Из временной диаграммы
(рис. 5.4.31, б) видно, что при
соответствующем подборе значений времени
контактирования гк и времени контроля статических tc и
динамических /д параметров общее время
измерения >
*конгр ~ *с ""*" V
На установке "Электрон УКС"
измеряются статические параметры: силы токов,
протекающих во входных и выходных цепях ИС, в
зависимости от напряжении, приложенных к
ее выводам; напряжения на выходах и входах в
зависимости от сил протекающих токов. На
установке "Электрон УКД" определяются
динамические параметры: время задержки
сигнала, длительности нарастания и спада импульса
на выходе ИС; сигнал на выходе ИС в
заданные моменты времени.

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ
553
Рис. 5.4.31. Структурная схема (л) и временная диаграмма {б) обслуживания комплекса для измерения
параметров ИС:
4 - пульты управления; ИСт - инженерная станция; РМ1 - РМ4 - рабочие моменты
ПУ1-
Описанный автоматический комплекс,
управляемый от ЭВМ; используется, как
правило, в серийном производстве ИС для
распределения по качеству или разбраковки
"годен - не годен". После размещения
программы в памяти ЭВМ выбирается один из
режимов работы: разбраковка с выводом на
печать номеров исходных ИС и параметров
(тестов); измерения с выводом на печать
номеров программы (тип ИС), подключающего
устройства (рабочего теста), теста, значения,
полярности и размерности измеренного
параметра.
5.4.7. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ
Основными параметрами эквивалентных
схем полупроводниковых приборов являются:
емкости />-я-переходов МДП-структур,
сопротивления отдельных областей (слоев) и
индуктивности выводов.
Данные о емкости полупроводниковых
приборов (ПП) обычно интерпретируются в
виде вольт-фарадных характеристик (ВФХ). В
производстве и лабораториях для измерения
емкостей обычно используются три метода:
емкостно-омического делителя, моста и
замещения в резонансном контуре.
В первом методе емкость измеряется
между выводами при подаче на них постоянного
и переменного напряжения. Емкость
несимметричного />-л-перехода определяется
соотношением
С = 8,3
где S - площадь />-я-перехода; s -
относительная диэлектрическая постоянная
полупроводника; Pq - концентрация основных носителей;
U -обратное смещение; UK - контактный
потенциал.
Метод емкостно-омического делителя
реализуется на установке, схема которой
показана на рис. 5.4.32, а. Измерения основаны на
определении при 0 < / < /и величины
где U - амплитуда пилообразного напряжения,
подаваемого на вход; Um2Qi - максимальное
напряжения в импульсе; /^ - длительность
импульса; t - текущее время.
В случае зависимости емкости диода от
напряжении при 0 < t<> t^ сила тока
/= Umax С.
*и
Таким образом, форма кривой силы тока
/(/) описывает зависимость емкости от
напряжения на экране осциллографа.
Преимуществами метода являются наглядность наблюдения
и высокая производительность измерений,
недостатком - малая точность.
Метод моста позволяет измерять емкость
с большой точностью, поэтому часто
используется для измерений не только основных, но
и паразитных емкостей структур. Измерения
проводятся на стандартной аппаратуре.
Метод замещения в резонансном контуре
для измерения емкостей ПП реализуется с
помощью устройства, схема которого
приведена на рис. 5.4.32, б. Перед измерением контур
настраивается на резонанс, показателем
которого служит максимум напряжения,
измеряемого высокочастотным вольтметром. Сначала
настраивается контур без подключения
измеряемого ПП, после этого подключается ПП.
Регулируя емкость Q^ калибровочным
конденсатором, контур опять настраивают на
резонанс. Разность значения емкости С^щ, до и
после подключения диода и есть измеряемая

554
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
С5 €*
a.) -L-
;в 6)
в) Б
Корпус
Рис. 5.4.32. Схема измерения емкости p-n-перехода в транзисторе методами емкостно-омического делителя (д),
замещения в резонансном контуре (б) и эквивалентная схема емкостей транзистора (в) с учетом корпуса:
1 - высокочастотный генератор напряжения; 2 - внутреннее активное сопротивление генератора;
3 - эталонная емкость; 4 - контролируемый прибор; 5 - токосъемный резистор;
6 - блокировочный конденсатор; 7 - высокочастотный вольтметр; 8 - подключение смещения;
9 - калибровочный конденсатор; 10 - индуктивность резонансного контура;
Б - база; К - коллектор; Э - эмиттер
емкость диода. Достоинство метода
заключается в простоте измерений, которые можно
производить стандартным измерителем
добротности контуров.
Измерение емкости транзисторов ИС по
сравнению с измерением емкости диодов
представляет более сложную задачу, так как в
самом цриборе за счет возникновения
паразитных емкостей образуются связи,
описываемые более сложной эквивалентной схемой.
Влияние этих паразитных емкостей на
результаты измерений зависит от схемы их
подключения к измерительной системе. При
измерении емкости />-л-перехода, например
коллекторного, методами моста или замещения в
резонансном контуре выводы базы и корпуса
заземляются, а коллекторный вывод
подключается к измерительной установке. В
результате измерения в соответствии с эквивалентной
схемой емкостей измеряемого транзистора,
показанной на рис. 5.4.32, в; емкость
где Сэ - емкость />-л-перехода эмиттер - база.
При определении Q методом емкостно-
омического делителя выводы корпуса и базы
заземляются, а вывод коллектора подключается
к измерительной установке. В этом случае
измеренная емкость
^ ^ ^ ~ Сл + С А + Со
Измеренное значение емкости больше
определяемой емкости />-л-перехода на
величину С3. Во многих случаях С$ + Q « Q,
следовательно, Сизм мало отличается от
емкости />-л-перехода и отпадает необходимость
учета поправок.
В последнее десятилетие конструкции
полупроводниковых приборов (ПП) значительно
усложнились. В них появилось большее число
паразитных емкостей между контактами на
диэлектрической пленке, покрывающей
поверхность полупроводникового кристалла. Однако
принципы измерения этих емкостей не
отличаются от рассмотренных.
Определение базового сопротивления в
транзисторе можно рассматривать как пример
измерения сопротивлений различных областей
транзисторной структуры. Это сопротивление
контролируется с помощью постоянной
времени коллекторной цепи тк = /fcQ- Эта
величина представляет собой постоянную времени
перезарядки емкости коллектора, выраженную
через базовое сопротивление (ге).
На рис. 5.4.33 представлена схема
измерения сопротивления базы транзистора.
Измерение осуществляется косвенным методом на
емкостной составляющей тока активной части
транзистора. Измерение заключается в том,
что на оба перехода транзистора подаются
запирающие напряжения, индуктивность L\
изменяется до достижения минимальных
показаний индикатора, которые
пропорциональны сопротивлению базы. Измерение индук-
тивностей выводов приборов осуществляется,
как правило, на макетах, составленных из
корпуса и выводов, которые крепятся не к
кристаллу, а к кристаллодержателю. Схема из-
Т"^
Рис. 5.4.33. Схема измерения базового сопротивления
транзистора:
ИП - измерительный приемник

ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
555
Рис. 5.4.34. Схема измерения индуктивности выводов:
Г- генератор Г4-41; КА - коаксиальный аттенюатор;
ИП - измерительный приемник П5-3
мерения показана на рис. 5.4.34. Измерения
производятся на высоких частотах A000 -
2000 МГц). Контактодержатель обеспечивает
подсоединение выводов с помощью ВЧ-
разъемов стандартного волнового
сопротивления.
5.4.8. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И
МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Шумовые свойства обычно
характеризуются с помощью коэффициента шума
ш "
(*«/*¦)
где (Рс I Рш)ш , (Рс / Рщ)^ -
соответственно отношение сигнала на входе изделия к
входному шумовому сигналу и отношение
сигнала на выходе к выходному шумовому
сигналу.
Шумы разделяются на несколько
основных составляющих:
тепловые шумы, возникающие
вследствие беспорядочного теплового движения
носителей в проводящем материале, интенсивность
которых не зависит от частоты и
характеризуется белым шумовым спектром;
дробовые шумы, обусловленные флюк-
туациями носителей заряда через
полупроводник, прямо пропорциональные корню
квадратному из силы протекающего тока и
характеризуемые также белым шумовым спектром;
избыточные шумы - специфические
шумы для полупроводниковых приборов,
обусловленные прохождением тока через
полупроводниковый материал и поэтому часто
называемые токовыми или объемными
шумами. Избыточные шумы имеют спектр шумовой
мощности, обратно пропорциональный
частоте, и в связи с этим их называют также
шумами 1/f Избыточные шумы особо интенсивны
в области нижних звуковых частот, и закон
1/f сохраняется вплоть до порядка десятых и
сотых долей герц. С ростом частоты мощность
избыточных шумов падает и на больших
частотах шумы определяются в основном
дробовыми и тепловыми шумами;
шумы утечек, связанные главным
образом с дефектами />-л-перехода и прилегающих
к нему областей.
Первые три составляющих шума имеют
более или менее регулярный характер и могут
быть исследованы и оценены. Шумы утечек не
поддаются количественному учету. Наряду с
этими шумами в ряде случаев в
полупроводниковых приборах встречаются лавинные
шумы, когда носители при высоком градиенте
напряжения развивают энергию, достаточную
для выбивания добавочных носителей заряда.
Эти выбитые носители заряда обладают
достаточной энергией для генерирования л новых
носителей. Процесс развивается
лавинообразно, флюктуация потока этих носителей через
проводник создает лавинный шум,
достигающий часто высоких значений. При достаточно
высоких напряжениях транзисторы и диоды
могут оказаться в условиях, способствующих
протеканию лавинных процессов. Лавинные
шумы имеют белый спектр. Шумы, связанные
с различными уровнями инжекции, возникают
редко, но могут достигать очень высоких
значений и сильно ухудшать характеристики
прибора. Происхождение таких шумов связано с
возникновением микроплазмы на переходе.
Лучшим по шумовым характеристикам
прибором может считаться такой, в котором
возникают только тепловые и дробовые шумы.
Однако практически таких приборов не
существует. В реальных изделиях имеются шумы
1/f и другие виды шумов.
Характерная зависимость коэффициента
шума Fm ПП от частоты приведена на
рис. 5.4.35. До частоты/i определяющее
значение имеют низкочастотные избыточные
шумы. Между частотами ,/i и fi находится область
белого шума. Рост коэффициента шума на
высоких частотах происходит в основном за
счет роста шумов токораспределения, которые
возрастают вдвое при частоте
= П = V1 "
УЛ21
0 fi Тъ
Рис. 5.4.35. График зависимости коэффициента
шума полупроводниковых приборов Fm от частоты

556
Глава 5.4. ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЬ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ
где fTp - предельная частота усиления по току
транзистора, т.е. частота, при которой
коэффициент передачи тока уменьшается в V2 раз
по сравнению с ^2160-
При частотах выше f\ шумы не несут
ценной информации о состоянии изделия.
Хотя эти источники шума и изменяются по
мере старения изделия, процесс этих
изменений такой же, как у основных токов и h-
параметров транзистора. Поэтому их
нецелесообразно применять в качестве
самостоятельных признаков возможного выхода приборов
из строя.
Низкочастотные составляющие шума
чувствительны к состоянию поверхности
полупроводникового прибора. Поэтому шум на
частотах ниже f\ несет более полную
информацию о надежности ПП, чем на частотах выше^.
Плохие контакты, трещины и нарушения у
переходов могут обнаруживаться измерением
напряжения шума в транзисторе при больших
значениях силы эмитгерного тока.
Интегральный шум полевых
транзисторов определяется в основном тепловым
шумом, источником которого является
проводящий канал. При большом входном
сопротивлении следует учитывать и шум затвора,
который определяется дробовым эффектом,
обусловленным флюктуацией носителей,
поступающих с него. На высоких частотах из-за
емкостной связи между каналом и затвором
наблюдается увеличение шума затвора. В
высококачественных приборах этой
составляющей шума на частотах ниже 1 кГц можно
пренебречь. Следовательно, для полевых
приборов можно использовать значение
низкочастотного шума l/f при оценке надежности.
Схема установки для измерения
коэффициента шума транзисторов показана на
рис. 5.4.36. Сущность метода измерения
заключается в следующем: при выключенном
генераторе шума на входе транзистора
имеются лишь тепловые шумы сопротивления 1^.
Зафиксировав показания измерительного
приемника, включают генератор шума и
увеличивают шумовую температуру до удвоения
мощности шума на выходе транзистора.
Коэффициент шума
где 7^л1 -шумовая температура генератора
шума; Tq - начальная шумовая температура.
5.4.9. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
КОНДЕНСАТОРОВ, РЕЗИСТОРОВ, КАТУШЕК
ИНДУКТИВНОСТЕЙ
Наряду с рассмотренными выше схемами
измерения паразитных параметров в
полупроводниковых приборах существуют
специальные приборы для измерения параметров
элементов ИС (индуктивностей, емкостей,
сопротивлений), в основу которых положены такие
принципы, как электросчетный,
преобразование измеряемого параметра в напряжение,
преобразование измеряемого параметра во
временной интервал, а также панорамное
измерение характеристик в заданном диапазоне
частот.
На рис. 5.4.37 изображена упрощенная
схема измерения добротности катушки
индуктивности. Работа устройства основана на
подсчете числа периодов свободных колебаний в
контуре, образованном катушкой
индуктивности и эталонным конденсатором. Конденсатор,
напряжение на обкладках которого равно
напряжению источника, подключается к
контуру. В нем возникают свободные колебания,
которые ограничиваются, формируются и
поступают в счетчик. При правильно выбранном
уровне ограничения число импульсов N
численно равно добротности катушки
индуктивности Q.
Сопротивление резисторов и емкость
конденсаторов также можно измерить методом
дискретного счета. Принцип измерения
заключается в определении интервала времени t,
пропорционального постоянной времени
т = RC, где R - образцовое сопротивление;
С - измеряемая емкость (или С - образцовая
емкость; R - измеряемое сопротивление).
Разряд конденсатора через резистор происходит в
соответствии со следующим законом:
Рис. 5.4.36. Схема измерения коэффициента шума
транзисторов:
ГШ - генератор шума; RT - резистор генератора шума;
БП - блок литания; КА - коаксиальный аттенюатор
J_
Рис. 5.4.37. Схема измерения добротности катушки
индуктивности:
С - образцовый конденсатор; 1^ - измеряемая
индуктивность; Eq - уровень ограничения;
ОГ- ограничитель; СФ - схема формирования;
Сч - счетчик импульсов

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
557
где U\ - первоначальное напряжение на
конденсаторе.
Через / = RC напряжение становится
равным U = 0,377 U\. Следовательно, если
определить интервал времени /, в течение
которого напряжение U уменьшается до 0,377
своего первоначального значения, задача
измерения будет решена.
В производстве ИС для измерения
емкости и потерь в конденсаторах применяют
цифровые приборы, набор которых обеспечивает
измерение емкости от 0,01 пФ до 1000 мкФ,
tg 8 = 5 • 10 ... 1,0 при частоте 50 Гц, 1 кГц,
1 Мщ. В устройстве для измерения
используется токовая компенсационная схема.
Для измерения параметров резисторов
используются цифровые приборы с
диапазоном 0,1 - 108 0м и высокой разрешающей
способностью.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глудкин О. П. Методы и устройства
испытаний РЭС и ЭВС: Учебник. М.: Высшая
школа, 1991. 335 с.
2. Семенов Ю. Г. Контроль качества.
Технология полупроводниковых приборов и
изделий микроэлектроники: Учебное пособие.
М.: Высшая школа, 1990. 111с.
Раздел б
ПРОИЗВОДСТВО ПЕЧАТНЫХ
ПЛАТ И ИНДИКАТОРОВ
Глава 6.1
ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
6.1.1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ
Основные термины приведены в ГОСТ
20406-75.
Печатная плата (ПП) - материал
основания, вырезанный по размеру, содержащий
необходимые отверстия и, по меньшем мере, -
один проводящий рисунок.
Проводящий рисунок (ПР) - рисунок
печатном платы, образованный
проводниковым материалом.
Основание печатном платы - элемент
конструкции печатной платы, на поверхности
или внутри которого выполняется проводящий
рисунок.
Односторонняя печатная плата (ОПП) -
печатная плата, на одной стороне которой
выполнен проводящий рисунок.
Двусторонняя печатная плата (ДПП) -
печатная плата, на обеих сторонах которой
выполнены проводящие рисунки и все
требуемые соединения.
Многослойная печатная плата (МПП) -
печатная плата, состоящая из чередующихся
слоев изоляционного материала с
проводящими рисунками на двух и более слоях, между
которыми выполнены требуемые соединения.
Проводящий слой печатной платы -
проводящий рисунок, лежащий в одной
плоскости.
Многоуровневая печатная плата
(МУПП) - вырезанный по размеру материал
основания, на поверхности которого с одной
или двух сторон размещен объемный
двухуровневый проводящий рисунок.
Первые упоминания о получении ПР на
диэлектрическом материале встречаются в
начале XX века.
Первые патенты на получение ПР на
диэлектрике были зарегистрированы в наиболее
промышленно развитых странах:
британский патент № 4681 за 1903 г., в
котором описаны способы получения
печатных проводников методом электролитического
осаждения металла;
британский патент № 14699 за 1913 г., в
котором описан способ получения ПР путем
покрытия изоляционного материала
металлической фольгой и стравливания
незащищенных участков фольги;
британский патент № 267172 за 1926 г. с
описанием способов получения соединений на
изоляционном материале путем тиснения
металлической фольгой, заливкой канавок
низкоплавким металлом, напылением металла,
электролитическим осаждением металла с
применением трафаретов;
американский патент № 1647474 за 1927
г. на способ получения индуктивных и
емкостных элементов электрической схемы
электролитическим осаждением металла.
Приведенный перечень патентов
показывает, что в начале века были сформулированы
основные идеи получения ПР на
диэлектрическом основании различными способами.
Несмотря на большое число выданных
патентов, практическое применение способы
изготовления ПП нашли только в конце 40-х -
начале пятидесятых годов XX века. К этому же
периоду следует отнести и появление ПП в
отечественных разработках - первых
телевизорах и технике специального назначения.
В 60-х годах в СССР были сделаны и
стали применяться в аппаратуре первые
интегральные схемы. Развитие микроэлектронных
компонентов определило рост
функциональной сложности радиоэлектронных
управляющих систем, вычислительных комплексов
обработки, хранения и передачи информации,
супер-, мини- и микроЭВМ, фазированных
антенных решеток и других изделий и систем,
потребовало создания принципиально новых

558
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
технологий для различного класса изделий.
Появилось новое понятие - комплексная
миниатюризация аппаратуры - с широким
спектром проблем. Особое место в этом спектре
занимает многослойная печатная плата.
Именно она позволила реализовать те
преимущества, которые дала микроэлектроника.
МПП стала конструктивной основой
аппаратуры, позволила увеличить плотность
монтажа элементов в 2 - 2,5 раза по
сравнению с двусторонней печатной платой,
улучшить частотные параметры аппаратуры,
решить проблемы экранирования и теплоотвода.
Базовым методом изготовления МПП
стала металлизация сквозных отверстий, он
заложен в основу комплекса специального
технологического оборудования. В 1968 - 1972
гг. были решены технологические вопросы
организации серийного выпуска МПП. Были
разработаны:
технологический процесс;
стандарты на конструирование МПП и
общие технические условия;
комплекс оборудования "Печать-Iй, в
состав которого вошли 27 наименований;
каталог с основными параметрами
оборудования для серийного выпуска МПП;
комплект вспомогательного
оборудования и оснастки;
проекты типовых цехов с
производительностью 30, 100 и 400 тыс. плат/год.
Впервые были изготовлены
крупногабаритные многослойные печатные платы
размером 500 х 600 мм.
При создании промышленной
технологии МПП в начале 70-х годов были
разработаны средства автоматизации каждой операции и
процесса в целом. Были проанализированы и
установлены контролируемые и регулируемые
параметры, периодичность контроля и
локального регулирования процесса, порядок сбора и
обработки информации о его протекании,
структура централизованного контроля и
управления, требования к вьгшслительньгм
средствам по быстродействию, объему памяти,
по математическому обеспечению и
оснащенности устройствами связи с объектами
управления, связь с системой автоматического
проектирования плат. Осуществлялись разработки
математических моделей процессов для
управления и оптимизации на основе как
теоретических зависимостей, так и материалов,
полученных экспериментально и обработанных
методами статистического анализа.
Особенностью этого периода было то,
что разработка систем, их освоение в
производстве осуществлялись почти одновременно с
разработкой технологии и оборудования. Шел
лавинообразный процесс, характерный для
технической революции, когда этапы создания
изделий и разработка технологии практически
совпадали, влияя на развитие (совершенствуя
или задерживая) друг друга.
Миниатюризация осуществлялась как в
гражданской, так и в оборонной технике. Так,
в конце 60-х годов были почти одновременно
начаты разработки Единой системы ЭВМ
"Ряд", оборонной системы С-300 и друхтсх
крупных систем.
Процесс изготовления МПП постоянно
совершенствовался, совершенствовались
методы испытаний, контроля плат и исходных
материалов. Была достигнута такая точность
изготовления рисунка платы, которая
позволяла получить ширину проводника 0,25 мм. В
начале 80-х годов удалось достичь
единообразия в технологии изготовления ДПП и МПП
на большинстве предприятий.
Технический уровень отечественных
технологических процессов соответствовал
зарубежному как по оснащенности оборудованием,
так и по теоретической и практической
проработкам.
Одновременно с развитием новых
технологий в стране создавались технологические
НИИ и КБ, осуществлялось сотрудничество с
институтами Академии наук и проводилась
координация действий со специалистами стран
СЭВ. Постоянно оценивался технический
уровень развитых зарубежных фирм и
производилось изучение технических требований и
методов испытаний Международной
электротехнической комиссией. Методы конструирования,
технология, методы испытаний в стране
идентифицировались с документами
Международной электротехнической комиссии, в
техническом комитете которой "ТК-52 Печатные
схемы" более 20 лет работали отечественные
специалисты.
К концу 80-х годов завершилась
разработка комплекса оборудования для
крупномасштабного производства двусторонних
печатных плат 3 - 4-го класса точности - Тамма-
3й, состоящего из 84 наименований
оборудования и обеспечивающего объем выпуска до
3-Ю3 м2/год. Предусматривалось
использование новых процессов (лазерное
экспонирование для получения рисунка платы без
использования фотошаблона и др.), а оборудование
струйной обработки было оснащено системами
электрохимической регенерации растворов и
промывных вод, что позволило осуществить
малоотходные и безотходные технологические
процессы.
Было создано автоматическое сборочное
оборудование. В это время доля сборочно-
монтажных работ в производстве
радиоаппаратуры и аппаратуры связи составляла 70 - 75 %,
причем доля сборки печатных узлов составляла
40 - 50 %. Автоматизация процессов стала
необходимостью, кроме того, появились
технические предпосылки для решения этой
проблемы (средства управления, миниатюрная
пневматика и т.д.).

КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
559
Разработанный комплекс оборудования
"Трасса" позволил устанавливать
автоматически радиоэлементы на односторонние и
двусторонние печатные платы. Разработка
оборудования потребовала переработки конструкции
печатных узлов, унификации конструктивов
радиоэлементов и организации поставок их в
упаковке, отвечающей требованиям МЭК.
Созданию оборудования способствовала
унификация ряда конструктивов
(прецизионные координатные столы, шариковые пары и
направляющие, безынерционные двигатели с
плоским печатным ротором, пневмоаппарату-
ра и т.д.). Средства автоматической передачи
платы от автомата к автомату,
межоперационные накопители и склады были разработаны в
начале 80-х годов. Модульное построение
оборудования системы "Трасса" и йабор
транспортных и накопительных систем позволяли
создать на заводах производственные линии и
участки. Десятки отечественных заводов были
оснащены этим оборудованием.
С середины 80-х годов появилась
принципиально новая технология сборки печатных
узлов с применением поверхностно
монтируемых радиоэлементов. Радиоэлементы
(безвыводные элементы) устанавливали
непосредственно на контактные площадки. Эта
технология позволила:
уменьшить габаритные размеры
аппаратуры в 3 - 5 раз;
улучшить частотные характеристики
устройств;
уменьшить массу изделия;
сэкономить материалы;
снизить брак в процессе сборки с 0,1 до
0,005 %.
Были разработаны автоматы различной
производительности - от 2 тыс. элементов/ч до
нескольких десятков тысяч в час. При
разработке этих автоматов осуществлялась
координация со специалистами стран СЭВ и
постоянно изучался опыт развитых фирм США,
Японии и ФРГ.
6.1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
Печатные платы (ПП) предназначены
для обеспечения надежного соединения
активных и пассивных ИЭТ в составе узла, блока,
изделия, согласования линий связи,
равномерного распределения и рассеяния
выделяемой мощности.
В процессе совершенствования и
развития радиоэлектронной аппаратуры (РЭА)
происходило усложнение ПП, разрабатывались
новые конструкции и технологии
изготовления ПП.
Классификация ПП приведена на
рис. 6.1.1.
По размещению проводящего рисунка
ПП делятся на ОПП, ДПП, МПП, МУПП.
ОПП просты по конструкции, и при их
изготовлении используется самый простой и
дешевый технологический процесс. Схема
ОПП представлена на рис. 6.1.2.
ОПП в зависимости от класса точности
по ГОСТ 23751-86 обеспечивают плотность
размещения точек подсоединения выводов
ИЭТ на поверхности ПП 0,5 - 3,0 шт./см2.
ПЛАТЫ ПЕЧАТНЫЕ
Односторонние
Двусторонние
Многослойные
Многоуровневые
С соединением слоев
Без соединения слоев
На жестком основании
На гибко-жестком основании
На гибком основании
1
На диэлектрическом основании
1
1
На металлическом основании
Рис. 6.1.1. Классификация печатных плат

560
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Рис. 6.1.2. Схема односторонней печатной платы:
¦fln» -flii» Ьф ~ толщина соответственно печатной платы, ее основания и фольги; b - гарантийный поясок;
D - диаметр контактной площадки; d - диаметр отверстия; t - ширина проводника;
S - расстояние между соседними элементами; Q - расстояние от края, выреза, паза, неметаллизированного
отверстия до элемента проводящего рисунка; 1 - основание; 2 - проводящий рисунок
Рис. 6.1.3. Схемы двусторонних печатных плат:
а - с соединением проводящих слоев; б - без соединения проводящих слоев;
1 - основание; 2 - проводящий рисунок; 3 - пустотелая заклепка; #пс, Ни, Ны - толщина соответственно
суммарная, платы, материала основания; Q - расстояние от края платы до элемента проводящего рисунка;
Ъ - гарантийный поясок; / - ширина печатного проводника; S - расстояние между соседними элементами
проводящего рисунка; Д d - диаметр соответственно контактной площадки и отверстия; L - расстояние между
осями отверстий; Л, Лф, hn - толщина соответственно проводника, фольги, химико-гальванического покрытия
Наибольшее распространение в аппаратуре
получили ДПП (рис. 6.1.3). По конструкции
различают ДПП с соединением проводящих
слоев и без соединения проводящих слоев.
В зависимости от класса точности ДПП
обеспечивают плотность размещения точек
подсоединения выводов ИЭТ на поверхности
ПП 1,5 - 5,0 шт./см2.
Наиболее распространены ДПП с
соединением слоев с помощью гальванически
осажденного металла, т.к. они обеспечивают
высокую плотность размещения выводов.
Соединение проводящих слоев ДПП
может осуществляться отрезками проводникового
материала, например отрезками проволоки,
металлическими штырями, или пустотелыми
заклепками, напыленным металлом или
металлом из пасты путем вжигания.
При необходимости большей
миниатюризации аппаратуры применяют МПП. МПП
различаются по конструктивным вариантам: с
соединением и без соединения проводящих
слоев.
Схемы МПП представлены на рис. 6.1.4.
МПП в зависимости от конструктивного
варианта и класса точности обеспечивают
плотность размещения точек подсоединения
выводов ИЭТ 3,0 - 7,5 шт./см2.
МПП с соединением проводящих слоев
выпускают в трех конструктивных вариантах.
Основным является вариант со сквозным
соединением слоев, в котором все необходимые
соединения осуществляются с помощью
металлизированных отверстий, проходящих через
все слои МПП.

КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
561
л А А
а/
Рис. 6.1.4. Схемы многослойных печатных плат:
а - со сквозным соединением слоев; б - с попарным соединением слоев; в - с последовательным соединением
слоев; г - с открытыми контактными площадками; д - с- выступающими выводами;
Ям - толщина материала основания; Нп - толщина печатной платы; Епс - толщина печатной платы суммарная;
Лф - толщина фольги; hn - толщина покрытия; L - расстояние между центрами (осями) элементов конструкции
печатных плат; Ь - гарантийный поясок; d - диаметр отверстия; D - диаметр контактной площадки;
/ - ширина проводника; S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка;
1 - материал основания; 2 - проводящий рисунок; 3 - сквозное металлизированное отверстие;
4 - металлизированное отверстие для межслойных соединений; 5 - колодец; 6 - контактная площадка;
7- сквозное отверстие; 8 - колодка

562
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Число проводящих слоев может
достигать 24, оптимальны 6—8 слоев.
МПП с попарным соединением слоев
выпускают только четырехслойными, они
представляют собой конструкцию, в которой
соединение осуществляется только между
первым и вторым, третьим и четвертым, первым и
четвертым слоями, соединение между вторым
и третьим слоями осуществляется через рядом
лежащие слои, что снижает коммутационную
способность таких МПП.
В настоящее время при необходимости
повышения плотности размещения точек
подсоединения выводов ИЭТ проектируются
МПП с внутренними металлизированными
переходами, которые объединяют
конструктивные варианты - сквозное соединение слоев
для МПП в целом и попарное соединение
слоев - для соединения внутренних слоев
между собой.
МПП с последовательным наращиванием
ПР представляют собой конструкцию, в
которой проводящие и изолирующие слои
последовательно наслаиваются друг на друга, а
соединение осуществляется гальванически в
местах, не защищенных изолирующим слоем. Эти
МПП имеют высокую плотность размещения
выводов ИЭТ, но сложным в изготовлении,
поэтому их применяют только для
специальных целей.
К МПП без соединения проводящих
слоев относятся конструкции с открытыми
контактными площадками (КП), в которых
отдельные слои склеиваются в пакет, а доступ
к КП любого слоя осуществляется через
перфорированные окна вышележащих слоев или
через сквозные отверстия, а также
конструкции с выступающими выводами. МПП с
выступающими выводами представляют собой
склеенные пакеты отдельных слоев, через
перфорированные окна которых выходят отрезки
печатных проводников, которые подгибаются
к верхнему слою, группируются на нем в
систему КП и закрепляются, обеспечивая
размещение ИЭТ только с пленарными выводами.
Радиоэлектронная аппаратура третьего-
четвертого поколения при широком
использовании ИС, СБИС и безвыводных
поверхностно-монтируемых элементов (ПМ ИЭТ) требует
ПП, обеспечивающих рассеяние выделяемой
мощности, передачу формы сигнала без
искажения, сохранение линейных размеров при
изменении температуры.
Для обеспечения этих требований
применяются ПП на металлическом основании
или с металлическим сердечником, ПП с
распределенными параметрами, гибкие и гибко-
жесткие ПП, МУПП.
ПП с металлическим сердечником
представляют собой конструкцию, в котброй ЛР
формируется на поверхности или внутри
металлической пластины (рис. 6.1.5).
Металлическое основание (сердечник) применяется для
отвода излучаемой навесными элементами
мощности и стабилизации линейных размеров
при изменении температуры окружающей
среды.
МУПП представляют собой объемный
двухуровневый ПР, приклеенный с одной или
двух сторон к диэлектрическому или
металлическому основанию.
ПР формируется путем избирательного
травления из стального или латунного листа.
ПР двусторонних МУПП могут соединяться
аналогично ДПП отрезками проводникового
материала или гальванически осажденным
металлом.
Рис 6.1.5. Схема печатной платы с металлическим сердечником:
ТМ /\/*1 Г/\Т1 AY ТП Л • XT f«4./vmwvm **ъ •m-***w***m*m-m^'&L — •_,.__-. ТТ -
гис 6.1.5. Схема печатной платы с металлическим сердечником:
Ни - толщина материала основания; Нп - толщина печатной платы; ЕпС - толщина печатной платы суммарная;
Аф - толщина фольги; Ап - толщина покрытия; L - расстояние между центрами (осями) элементов конструкции
печатных плат; d - диаметр отверстия; D - диаметр контактной площадки; t - ширина ттпгтлттик-я-
S - расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка;
ЖЛ IMWVSk 1Y 11Ы U A/*V/\TV4 **апПАтл шл v л * 7 _ катАнтшп svsvw*s^n*b<wnY«w« ^ -м-ж.. »¦¦¦¦.« ¦¦ ¦¦¦¦¦¦¦
*-» i»«vvi wuuiw inwiv4.7 *Щ**яяп** кллл/АПИА олсмеш Ш* 11?>ШН>ДНЦЦС1 U рисунка,
Нис - толщина металлического сердечника; 1 - материал основания; 2 - проводящий рисунок;
? - сквозное металлизированное отверстие; 4 - металлический сердечник; 5 - контактная площад
площадка

КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
563
юй платы:
Рйс. 6.1.6. Схема многоуровневой n~».uw- ш._
1 - проводящий рисунок верхнего уровня;
2 - проводящий рисунок нижнего уровня;
3 - склеивающая прокладка;
4 - основание многоуровневой печатной платы;
5 - опора проводящего рисунка верхнего уровня
Схема МУПП представлена на рис. 6.1.6.
Целью конструирования ПП является
создание коммутационного устройства,
объединяющего группу ИЭТ в функциональный
узел с обеспечением требуемых механических
и электрических параметров в заданном
диапазоне эксплуатационных характеристик.
Конструирование ПП начинают с
изучения компоновки, условий эксплуатации,
транспортирования и хранения изделия, в
состав которого входит разрабатываемая ПП, а
также электрической принципиальной схемы
и комплектующих ИЭТ.
Компоновка изделия определяет
размеры, форму, тип ПП, способы крепления,
конфигурацию пазов, вырезов, размеры
крепежных отверстий и т.д.
Эксплуатационные характеристики
изделия определяют тип материала основания,
толщину, тип конструктивного и
технологического покрытий.
Комплектующие ИЭТ, предусмотренные
принципиальной электрической схемой,
определяют их компоновку на ПП, размеры,
форму и размещение элементов рисунка ПП,
число проводящих слоев, тип конструкции и
класс точности ПП.
В процессе конструирования
осуществляется выбор типа ПП, определяются габаритные
размеры и конфигурация, осуществляется
выбор материала основания, устанавливается
класс точности, определяются размеры
элементов рисунка, размещаются навесные
элементы на ПП и осуществляется трассировка
проводников. Затем изготовляется
конструкторская документация. Только комплексное
решение этих задач обеспечивает оптимальный
вариант конструкции ПП.
По конструктивной сложности и
требованиям к точности вьшолнения ПР ПП
делятся на пять классов. Основные характеристики
элементов ПП приведены ъ табл. 6.1.1.
Обозначение
параметра
Ad
At
6.1 Л. Основные характеристики элементов печ]
Наименование
параметра
Допуск на диаметр
отверстия диаметром не более
1,0 мм, мм:
без металлизации
с металлизацией без
оплавления
с металлизацией и с
оплавлением
Допуск на диаметр
отверстия диаметром более
1,0 мм, мм:
без металлизации
с металлизацией без
оплавления
с металлизацией и с
оплавлением
Допуск на ширину элемента
проводящего рисунка, мм:
без покрытия
с покрытием
ргныхплат
Класс точности
1
±0,1
+ 0,05
-0,18
+ 0,05
-0,18
±0,15
+ 0,10
-0,20
+ 0,10
-0,23
±0,15
+ 0,25
-0,20
2
±0,1
+ 0,05
-0,18
+ 0,05
-0,18
±0,15
+ 0,10
-0,20
+ 0,10
-0,23
±0,10
+ 0,15
-0,10
3
±0,05
+ 0
-0,1
+ 0
-0,13
±0,10
+ 0,05
-0,15
+ 0,05
-0,18
±0,05
±0,10
4
±0,05
+ 0
-од
+ 0
-0,13
±0,10
+ 0,05
-0,15
+ 0,05
-0,18
±0,03
±0,05
5
±0,025
+ 0
-0,075
+ 0
-0,13
±0,10
+ 0,05
-0,15
+ 0,05
-0,18
+ 0
-0,03
±0,03

564
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Обозначение
параметра
Td
TD
т.
Наименование
параметра
Допуск (мм) на
расположение осей отверстий для ПП
с длиной большей стороны,
мм:
до 180 вкл.
св. 180 до 360 вкл.
св. 360
Допуск (мм) на
расположение центров контактных
площадок ОПП, ДПП и
МПП с длиной большей
стороны наружного слоя,
мм:
до 180 вкл.
св. 180 до 360 вкл.
св. 360
Допуск (мм) на
расположение центров контактных
площадок МПП с длиной
большей стороны
внутреннего слоя, мм:
до 180 вкл.
св. 180 до 360 вкл.
св. 360
Допуск (мм) на
расположение центров (осей)
элементов проводящего рисунка
относительно друг друга в
одном слое, мм:
ОПП, ДПП, МПП
наружный слой
МПП внутренний слой
Продолжение г
габл. 6.1.1
Класс точности
1
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,40
0,45
0,50
0,20
0,30
2
0,15
0,20
0,25
0,25
0,30
0,35
0,30
0,35
0,40
0,10
0,15
3
0,08
0,10
0,15
0,15
0,20
0,25
0,20
0,25
0,30
0,05
0,10
4
0,05
0,03
0,10
0,10
0,15
0,20
0,15
0,20
0,25
0,03
0,08
5
0,05
0,08
0,10
0,05
0,08
0,15
0,10
0,15
0,20
0,02
0,02
ПП 1-го и 2-го классов точности
наиболее просты в изготовлении, надежны в
эксплуатации и имеют минимальную стоимость,
для ПП 3-го класса используют
высококачественные материалы, более точные инструмент и
оборудование, для ПП 4-го и 5-го классов
ограничивают габаритные размеры,
используют специальные материалы, прецизионное
оборудование, а в ряде случаев более
совершенные технологии.
Основные материалы для изготовления
ПП, Для изготовления ПП используют фоль-
гированные и нефольгированные листовые
диэлектрики на основе бумаги, стеклоткани,
базальтовой ткани, пропитанные
синтетическими смолами, а также на основе
полимерных пленок из лавсана, фторопласта и др.
Для получения фольгированных
материалов на поверхность этих диэлектриков
приклеивается металлическая фольга.
В качестве основного материала для
МУПП используют стальную (СМК-15) или
латунную (Л-89) ленту толщиной 150 - 200 мкм.
Характеристики фольгированных
материалов, наиболее часто используемых для
изготовления ПП, приведенны в табл. 6.1.2.
Материал для изготовления ПП
выбирают по техническим характеристикам,
приведенным в ТУ на материал конкретного типа.
Материал выбирают с учетом обеспечения
физико-механических и электрических
параметров в процессе эксплуатации во время и
после воздействия механических нагрузок,
климатических факторов и химических
агрессивных сред.

КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
565
6.1.2. Характеристики фольгированных материалов
Тип

материала
111
112
212
221
222
223
224
Смола
Феноль-
ная

Эпоксидная
Наполнитель
Бумага

Стеклоткань
Рабочая

температура,
°С
- 60 ...
+ 90
-60...
+ 105

Характеристика
материала по
горючести
Обычный

Самозатухающий

Самозатухающий
Обычный

Самозатухающий

Теплостойкий

Теплостойкий

самозатухающий

Поверхностное

электрическое

сопротивление,
Ом
109
210*
5101°
101°
5-101°
Удельное'
объемное

электрическое

сопротивление,
Омм
5108
109
5109
Тангенс угла

диэлектрических
потерь на
частоте,
1МГц
0,05
0,035
Примечание: При частоте 1 МГц относительная диэлектрическая проницаемость 5,5.
Для ПП с поверхностно-монтируемыми
ИЭТ (ПМ ИЭТ) следует использовать
основные материалы с температурным
коэффициентом линейного расширения, соответствующим
этому параметру у корпусов ПМ ИЭТ.
Для изготовления ПП с
металлизированными отверстиями следует использовать
материалы с гальваностойкой фольгой.
Для изготовления ПП 4-го и 5-го классов
точности используют фольгированные
материалы с толщиной фольги 5-18 мкм.
Защитные покрытия. Для обеспечения
стабильности электрических, механических и
других параметров ПП необходимо применять
защитные металлические и неметаллические
покрытия.
В качестве металлических покрытий
используют серебро, золото, палладий, никель,
сплавы олова со свинцом, сплав серебро-
сурьма и др. Эти покрытия защищают
элементы ПР от коррозии, повышают
износоустойчивость трущихся частей печатных разъемов,
переключателей, обеспечивают стабильность
электрических параметров и качество пайки.
В качестве неметаллических покрытий
используют эпоксидные смолы, сухие
пленочные резисты, холодные эмали,
фотополимерные композиции, оксидные пленки. Эти
покрытия защищают ПР и материал основания
ПП от воздействия припоя при групповой
пайке, обеспечивают стабильность
электрических параметров при воздействии окружающей
среды, а также изолируют ПР от корпусов
ИЭТ, устанавливаемых вплотную на ПП.
Размеры 1111. Размеры, форму, а также
места крепления ПП выбирают в зависимости
от установочных размеров, вида элементной
базы, эксплуатационных характеристик,
возможности использования автоматизированной
установки ИЭТ, видов пайки, контроля и
технико-экономических показателей.
Рекомендуется применять ПП простой
прямоугольной формы с соотношением сторон
не более 3 : 1 и длиной большей стороны до
500 мм. Длину стороны ПП выбирают таким
образом, чтобы она была кратна 2,5 мм. При
выборе параметров, в первую очередь, следует
использовать унифицированный ряд размеров,
применяемый в базовых несущих
конструкциях. Число типоразмеров ПП в одном изделии
следует сводить до минимума.
Увеличение размеров ПП ведет к
повышению погрешностей при изготовлении,
уменьшению плотности размещения элементов ПР.

566
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Толщина ОПП, ДПП определяется
исходным материалом, используемой
элементной базой и воздействующими механическими
нагрузками. Предпочтительными значениями
толщины ПП являются 0,8, 1,0, 1,5, 2,0 мм.
Суммарная толщина МПП и МУПП
определяется толщиной фолыированных
диэлектриков, числом слоев склеивающих прокладок
и толщиной металлических сердечников.
Толщину МПП рассчитывают по формуле
л=1 т=1
где *НС - номинальная толщина слоя МПП; п -
число слоев; Нир - толщина прокладки; т -
число прокладок.
Требуемую толщину МПП при
определенном числе слоев получают путем
изменения числа склеивающих прокладок с учетом
того, что суммарная толщина склеивающих
прокладок между соседними слоями МПП
должна быть не менее двух толщин печатных
проводников на этих слоях.
Размещение элементов ПР. Размещение
элементов конструкции ПП регламентируется
условной координатной сеткой из двух
взаимно перпендикулярных систем параллельных
линий, расположенных на одинаковом
расстоянии друг от друга. Шаги координатной
сетки установлены ГОСТ 20406-75. Основные
размеры шага координатной сетки - 2,5, 1,25,
0,5 мм.
Две взаимно перпендикулярные линии
координатной сетки с точкой пересечения в
левом нижнем углу чертежа ПП используют в
качестве осей координат, а точку их
пересечения (узел координатной сетки) - как начало
или базу координат.
ПП размещают на чертеже таким
образом, чтобы ее стороны совпадали с линиями
координатной сетки.
Отверстия и другие элементы ПР
располагают на ПП относительно базы координат.
При размещении на ПП нескольких рисунков
используют только одну базу координат.
Печатные проводники на ПП
рекомендуется располагать по линиям координатной
сетки или вдоль них. Центры отверстий
располагают в узлах координатной сетки.
Элементы ПР, кроме экранов, шин
земли, концевых печатных контактов, знаков
маркировки и технологических печатных
проводников, рекомендуется располагать на
расстоянии, не меньшем толщины ПП, от края
платы, а минимальное расстояние элементов
ПР от края выреза, паза, неметаллизирован-
ного отверстия рассчитывается по формуле
б = q + к + 1 / 2(Т& + Т} +
скола до соседнего элемента ПР (см. ТУ на
ПП), мм; Tj) - позиционный допуск
расположения центров контактных площадок (см.
6.1.1), мм; Д*в.о - верхнее предельное
отклонение размеров элементов ПР, мм; Jj -
позиционный допуск на расположение осей
отверстий (см. табл. 6.1.1), мм.
Размеры отверстий. Номинальное
значение диаметра монтажного отверстия
рассчитывают исходя из соотношения
d +
rfH 0
где d - диаметр отверстия, мм; AdH0 - нижнее
предельное отклонение диаметра отверстия,
мм; d3 - максимальное значение диаметра
вывода устанавливаемого ИЭТ, мм; г -
разность между минимальным значением
диаметра отверстия и максимальным значением
диаметра вывода ИЭТ, мм.
При ручной сборке г должна составлять
0,1 - 0,4 мм, при автоматической - 0,4 - 0,5 мм.
В производстве ПП применяется
предпочтительный ряд монтажных отверстий
диаметром 0,7, 0,9, 1>1> 1,3, 1,5 мм. Предельные
отклонения на диаметр отверстий (Ad) и на их
расположение G^) приведены в табл. 6.1.1.
Число номинальных размеров отверстий
на ПП следует ограничивать, так как при
изготовлении ПП увеличивается число смен
сверл и удлиняется процесс обработки.
Размеры КП. Монтажные отверстия
располагаются в зоне КП и могут иметь
различную форму (чаще круглая).
Минимальный размер КП для
монтажного отверстия рассчитывается по формуле
D = (d + AtfR о) + 2 Ь + А/в. 0 + 2 А </тр +
Л/2
где q - ширина ореола, скола (см. ТУ на ПП),
мм; к - наименьшее расстояние от ореола,
+ Л>н.о]
где AdB0 - верхнее предельное отклонение
диаметра отверстия, мм; Ь - гарантийный
поясок КП (см. ТУ на ПП), мм; А^р - глубина
подтравливания диэлектрика в отверстии (см.
ТУ на ПП), мм; А^о - верхнее предельное
отклонение размеров элементов ПР, мм;
А*н.о " нижнее предельное отклонение
размеров элементов ПР.
Для КП с формой, отличной от круглой,
минимальный размер определяется диаметром
вписанной окружности с центром в узле
координатной сетки.
Размеры печатных проводников. Ширину
печатного проводника определяют в
зависимости от электрических, конструктивных и
технологических требований.

КЛАССИФИКАЦИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
567
Наименьшее номинальное значение
ширины печатного проводника рассчитывается по
формуле
t=tmin+\AtH0\>
гДе *min минимально допустимая ширина
печатного проводника, мм, указанная в
конструкторской документации.
Проводники рекомендуется выполнять
одинаковой максимально возможной ширины.
Электрические характеристики ПП.
Размеры элементов ПР и их взаимное
расположение влияют на электрические параметры ПП и
должны учитываться при разработке
конструкции. К таким параметрам относятся:
электрическое сопротивление проводников,
допустимая токовая нагрузка, электрическая
прочность и сопротивление изоляции.
Сопротивление печатного проводника из
однородного металла рассчитывается по
формуле
к т
где р - удельное электрическое сопротивление;
h - толщина проводника; к - число участков
на проводнике, имеющих различную ширину;
Li - длина /-го участка проводника шириной //.
Сопротивление проводника с
дополнительный покрытием рассчитывается как сумма
сопротивлений параллельно включенных
проводников из разных металлов.
Электрическое сопротивление печатного
проводника из медной фольги с одинаковыми
шириной и толщиной для заданных значений
температуры можно определить по графикам,
представленным на рис. 6.1.7.
o.s 1,0 г,о 5,о 1о '
*.г
Рис. 6.1.7. Графики зависимости удельного
электрического сопротивления печатного
проводника от его ширины:
1 - Т= 20 °С; 2 - Т= 120 °С; 3,4,5- при толщине
фольги соответственно 20, 30, 50 мкм
Увеличение энергоемкости печатных
узлов приводит к увеличению токовой нагрузки
на печатные проводники, а следовательно,
необходимо проведение расчета теплового
баланса.
Токовую нагрузку одиночных
проводников из медной фольги с постоянным сечением
рассчитывают с использованием графиков на
рис. 6.1.8 (толщина слоя - в мкм).
Для проводников, расположенных на
расстоянии, меньшем их ширины, или на
внутренних слоях МПП, а также для
проводников из гальванически осажденной меди
допустимую токовую нагрузку следует
уменьшать на 15 - 20 %.
$,ммг
чмЮ 8 6 4
6810 1,А
Рис. 6.1.8. Графики зависимости токовой нагрузки /от ширины проводника (мм):
S - площадь сечения проводника

568
Глава 6Л. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Электрическая прочность изоляции
определяется свойствами основных материалов,
используемых для изготовления ПП, а также
свойствами защитного покрытия и
расстоянием между элементами ПР.
При определении нормального
расстояния между элементами ПР на ПП необходимо
принимать во внимание допустимые
отклонения размеров и расположения элементов ПР
для конкретного класса точности ПП в
соответствии с табл. 6.1.1.
Сопротивление изоляции между
элементами ПР ПП определяется свойствами
применяемого основного материала, используемого
для изготовления ПП, взаимным
расположением и совместной протяженностью элементов
ПР, свойствами защитного покрытия,
наличием загрязнений на поверхности и в объеме
ПП. Сопротивление изоляции между двумя
проводниками, расположенными в одной
плоскости на одинаковом расстоянии,
рассчитывается по формуле
RS = PS Y >
где р$ - удельное поверхностное
сопротивление материала основания; S - расстояние
между проводниками; L - общая длина проводников.
Сопротивление изоляции между двумя
проводниками с переменным расстоянием
между ними определяется как сумма
сопротивлений на отдельных участках.
Сопротивление изоляции между
элементами ПР, расположенными на внутренних или
соседних проводящих слоях, рассчитывается
по формуле
Rv = Pv —zr >
где ру - удельное объемное сопротивление
материала основания; Нм - толщина материала
основания между элементами ПР; Р - площадь
проекции одного элемента ПР на поверхность
другого.
6.1.3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Изготовление ПП является
многоступенчатым технологическим процессом, состоящим
из взаимосвязанных операций различного
типа: механических, химических,
электрохимических, фотохимических и др.
Основными элементами
технологического процесса любого метода изготовления
ПП, являются следующие технологические
операции: получение заготовок,
технологических и монтажных отверстий; химическая и
предварительная электрохимическая
металлизация; получение рисунка схемы;
электрохимическое осаждение металла, травление
металла; нанесение защитной маски; прессование
пакета (для МПП) обработка по контуру.
Комплекс оборудования для обеспечения
производства ПП включает несколько десятков
единиц специального технологического
оборудования различного типа:
механическое - сверлильные и фрезерные
станки, кривошипные прессы и т.п.;
электрохимическое - линии химико-
гальванической металлизации;
фотохимическое - установки нанесения
фоторезиста, защитной маски,
экспонирования, УФ-отверждения;
сеткографическое - станки трафаретной
печати, устройства натяжения сетки;
струйное - конвейерные линии
подготовки поверхности, проявления фоторезиста и
защитной маски, травления металла;
термическое - установки, оплавления
сплава олово - свинец, горячего лужения;
прессовое - многоярусные прессы с
электроподогревом плит и т.д.
В качестве контрольного оборудования
применяются часовые проекторы,
автоматические установки контроля целостности цепей и
наличия разобщении, дефектоскопы,
рентгеновские установки и т.п.
Оборудование снабжено
микропроцессорным управлением, средствами контроля за
основными технологическими параметрами и
максимально автоматизировано.
В процессе развития технологии было
разработано несколько методов изготовления
ПП. Наибольшее распространение и
признание во всем мире получил субтрактивный
метод изготовления ПП. Его сущность
заключается в создании на поверхности фольгирован-
ного медью диэлектрика рисунка схемы,
защите его слоем металла или органического рези-
ста (трафаретная краска, фоторезист),
стравливании с незащищенных участков медной
фольги. Субтрактивным методом
изготовляются ОПП, ДПП, отдельные слои МПП и сами
МПП после прессования. Для изготовления
ДПП и МПП применяется в основном
субтрактивный позитивный процесс, при котором
производятся предварительное сверление
монтажных и переходных отверстий и их химико-
гальваническая металлизация, а ПР от
травления защищается сплавами на основе олова.
Наиболее распространенными методами
получения рисунка ПП являются трафаретная
печать и фотопечать. При трафаретной печати
на заготовку фольгированного диэлектрика
через сетчатый трафарет, на котором выполнен
рисунок схемы, наносится кислотостойкая
краска, которая после полимеризации
защищает ПР при травлении меди (для ОПП) или
пробельные места при гальваническом
осаждении (для ДПП). После выполнения своей
функции краска удаляется с помощью
органического растворителя или раствора щелочи.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
569
Для изготовления трафаретов применяют
в качестве ситовых материалов капроновые,
полиамидные и полиэфирные ткани из
моноволокна. Капроновые ткани характеризуются
высокой стойкостью к истиранию, однако
разрушаются при воздействии органических
растворителей и имеют значительные
деформации при растяжении. Полиэфирные волокна
имеют менее значительные деформации при
растяжении, что обеспечивает увеличение ти-
ражестойкости трафаретной формы. В
отдельных случаях при изготовлении прецизионных
ПП для трафаретных форм применяют
металлическую сетку из бронзы, коррозионно-
стойкой стали. Металлические сетки обладают
очень высокой химической стойкостью,
высокой стойкостью к истиранию, низким
относительным удлинением. Однако стоимость
металлических сеток выше стоимости
полимерных, кроме того, они чувствительны к
механическим воздействиям и недостаточно
эластичны.
В качестве композиций для получения на
трафарете рисунка схемы используют жидкие
и пленочные светочувствительные композиции
на основе акрилатов. Трафаретные краски для
изготовления ПП должны быть
кислотостойкими, обладать тиксотропными свойствами,
быстро полимеризоваться. По методу сушки
трафаретные краски делятся на термоотвер-
ждаемые и отверждаемые под воздействием
УФ-излучения. Наиболее перспективными
являются УФ-отверждаемые краски, так как
они обеспечивают быстрое высыхание
C - 10 с) и более высокую точность получения
рисунка.
Для получения рисунка методом
трафаретной печати в серийной производстве
применяют полуавтоматические и автоматические
станки. В станках предусмотрены вакуумное
прижатие заготовки, регулировка угла
наклона, скорости движения, давления и хода
ракеля. Подача краски осуществляется
дозирующим устройством.
Метод трафаретной печати прост, легко
поддается автоматизации и поэтому
экономически выгоден в серийном производстве. К его
недостаткам относятся трудность получения
схем с шириной проводников и зазоров менее
0,3 мм, а также нецелесообразность его
использования в мелкосерийном производстве
из-за высокой трудоемкости изготовления
трафаретных форм.
Получение рисунка схемы методом
фотопечати включает основные операции:
нанесение фоторезиста, экспонирование рисунка
через фотошаблон, проявление изображения.
При фотопечати применяют как жидкие
фоторезисты, так и сухие пленочные
фоторезисты. Для изготовления ПП используют
жидкие фоторезисты позитивного действия, т.е.
проэкспонированные участки фоторезиста
получают способность растворяться в
растворах проявления. Нанесение жидких
фоторезистов производят методом медленного
вытягивания, центрифугированием или вилками.
Экспонирование осуществляют в
установках с УФ-источником света и высокой
степенью коллимации светового потока.
Проявление производят в слабых растворах
щелочи, предпочтительно в установках струйного
типа.
Жидкие фоторезисты позволяют
получить высокую плотность рисунка (ширина
проводников до 70 мкм), но они имеют ряд
недостатков: недостаточную устойчивость в
рабочих растворах, небольшую механическую
прочность, затекание фоторезиста в отверстия
ПП, высокие требования к чистоте воздуха в
производственных помещениях, большой
объем работ по контролю. В связи с этим жидкие
фоторезисты применяют для получения
рисунка высокой плотности при мелкосерийном
производстве ОПП, слоев МПП, ПП с
распределенными параметрами.
Получение рисунка ПП методом
фотопечати производят в основном с использованием
сухих пленочных фоторезистов. Сухие
пленочные фоторезисты являются фоторезистами
негативного действия, т.е. на участках
фоторезиста, облученных при экспонировании,
происходит полимеризация, и они становятся
нерастворимыми в растворах проявления.
Пленочный фоторезист представляет собой
фотополимерный слой, заключенный между
полиэтиленовой и лавсановой пленками.
Нанесение пленочного фоторезиста производят
на специальных установках (ламинаторах)
путем прикатывания фоторезиста на ПП
горячим валиком. Непосредственно перед валиком
осуществляют отделение полиэтиленовой
пленки от фоторезиста. Температура
нанесения составляет около 100 °С. Лавсановая
пленка является защитной и до проявления
остается на фоторезисте. Полимеризация сухого
пленочного фоторезиста осуществляется под
действием УФ-излучения с максимумом
спектральной чувствительности в области 320 -
400 нм и мощностью ламп более 3 кВт. В
зависимости от типа растворов проявления и
снятия пленочные фоторезисты делятся на
фоторезисты органической обработки и
фоторезисты водо-щелочной обработки.
Проявление фоторезистов органической обработки
производят в метилхлороформе, а их снятие -
в хлористом метилене. Для проявления
фоторезистов водо-щелочной обработки
применяют 3 - 5 %-ный раствор углекислого натрия, а
для их удаления - 5 - 10 %-ный раствор едкого
натра. Для проявления и удаления
фоторезистов применяют конвейерное оборудование
струйного типа. В настоящее время сухие
пленочные фоторезисты органической обработки
имеют ограниченное применение в связи с

570
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
необходимостью исключения из производства
хлорорганических растворителей из
экологических соображений. Минимальная ширина
проводников на ПП, изготовленных с
применением сухих отечественных фоторезистов,
составляет 150 мкм, с применением
зарубежных фоторезистов - 100 мкм. Наиболее
известные марки зарубежных пленочных
фоторезистов Riston Laminar, Ozatec.
Схема технологического процесса
изготовления ОПП приведена на рис. 6.1.9. Для
ОПП используют односторонний фольгиро-
ванный диэлектрик. После получения рисунка
схемы медь с пробельных мест вытравливается
в растворе хлорного железа C00 - 500 г/л) или
в кислом растворе хлорной меди (хлорная
медь - 200 - 210 г/л, соляная кислота - 180 -
200 г/л). После удаления резистана места, не
подлежащие пайке, методом трафаретной
печати наносят защитную маску. Для
обеспечения паяемости контактную площадку подкры-
вают горячим способом сплавом олова (ПОС-
61 или ПОСВ). На заключительной стадии
формируются монтажные отверстия.
Схема изготовления ДПП приведена на
рис. 6.1.10. Для ДПП применяют
двусторонний фольгированный диэлектрик. Толщина
медной фольги при изготовлении ПП 1 - 3-го
классов точности составляет 35 мкм, при
изготовлении ПП 4-5 классов точности - 5 - 18 мкм.
Первоначально в заготовке ПП сверлят
монтажные отверстия на высокоточных
станках с программным управлением. Создание
межслойных металлизированных переходов
между двумя слоями ПП осуществляют путем
химико-гальванической металлизации.
Первоначальный электропроводящий слой в
отверстиях ПП получают посредством химического
меднения. Химическое меднение заключается
во взаимодействии ионов меди с формалином
в присутствии палладиевого катализатора. На
первой стадии производят активирование
поверхности диэлектрика в растворе
совмещенного активатора, содержащего соли палладия и
олова. В результате на поверхности
диэлектрика образуется тонкий слой металлического
палладия. На второй стадии в результате
реакции восстановления на слое катализатора
образуется слой химически осажденной меди. В
дальнейшем реакция восстановления протекает
автокаталитически. Операция химического
меднения является наиболее ответственной,
так как раствор химического меднения
нестабилен, процесс осаждения плохо поддается
контролю, а качество проводящего рисунка
зависит от первичной металлизации.
В качестве комплексообразователей
ионов в процессе химического осаждения
используют виннокислый калий-натрий или
трилон Б. Стандартный раствор химического
меднения имеет следующий состав, г/л: медь
сернокислая - 15 - 25; виннокислый калий -
натрий - 60 - 80; едкий натр - 20 - 30;
формалин - 3 - 5.
Для повышения стабильности раствора в
него вводят специальные добавки. рН раствора
должно составлять 12,8 - 13,3. Для
поддержания постоянной скорости осаждения
производят фильтрацию раствора и периодическую
корректировку по ионам меди и едкому натру.
Операцию химико-гальванической
металлизации осуществляют в автоматизированных
линиях, в которых время обработки в различных
растворах задано, а перемещение ПП
производят с помощью автооператора.
Входной контроль
фольгарованного
диэлектрика
Получение заготовок
и фиксирующих
отверстий
Подготовка
поверхности
Удаление защитного
рельефа
Травление меди
Получение рисунка
Консервация
Упаковка
Механическая
обработка
Подготовка
поверхности
Маркирование
Нанесение защитной
маски
Получение
монтажных отверстий
Рис. 6.1.9. Схема изготовления односторонней печатной платы

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
571
Входной контроль
фольгированного
материала
Получение заготовок,
фиксирующих и
технологических отверстий
Сверление
отверстий, подлежащих
металлизации
Подготовка
поверхности
Химическое и
предварительное
электролитическое меднение
Химическое меднение
Подготовка
поверхности
и отверстий
Получение рисунка
методом сеткогра-
фической печати
Получение рисунка
с применением
сухих пленочных
фоторезистов
Электролитическое
меднение и нанесение
покрытия олово-свинец
Удаление
защитного рельефа
Маркирование
Электролитическое
покрытие концевых
печатных контактов
Механическая
обработка
Оплавление
сплава олово-
свинец

Консервирование
Травление меди
и осветление
защитного
покрытия
Упаковка
Рис. 6.1.10. Схема изготовления двусторонних печатных плат
субтрактивным методом с металлизированными отверстиями
После химической металлизации
производят электрохимическое осаждение слоя меди
до достижения толщины 5 мкм в центре
отверстия. Для электролитического осаждения
используют в основном сернокислые
электролиты, в отдельных случаях борфтористоводо-
родные. Широко применяется раствор
сернокислого меднения следующего состава, г/л:
сернокислая медь - 100 - 120; серная кислота,
160 - 180.
Получение рисунка ДПП производят
методом трафаретной печати при серийном
изготовлении ПП 1-2 классов точности или с
применением сухих пленочных фоторезистов
для ПП 3-5 классов точности. Толщина
фотополимерного слоя сухого пленочного
фоторезиста должна составлять не менее 40 мкм.
На ПР наносят медь электролитическим
способом с тем, чтобы толщина меди в
середине отверстия в центре ПП составляла не
менее 25 мкм. Для обеспечения
равномерности покрытия, получения мелкозернистых
осадков с хорошими механическими
свойствами в электролит вводят специальные
органические добавки, что особенно важно для ПП с
соотношением толщины платы к диаметру
отверстий более 3. Для защиты ПР при
травлении меди на рисунок наносят сплав на
основе олова, в основном, олово-свинец.
Толщина покрытия сплавом должна составлять не
менее 10 мкм. Для осаждения сплава олово-
свинец используют борфтористоводородный
электролит состава, г/л: борфтористое олово (в
пересчете на металл) - 12 - 15; борфтористый
свинец (в пересчете на металл) - 7 - 9; бор-
фториотоводородная кислота - 250 - 280;
борная кислота - 20 - 30.
Для улучшения качества покрытия в
электролит вводят различные фирменные
добавки. Состав (% по массе) сплава: олово -
61 + 5; свинец - 39 ± 5.
Травление меди с пробельных мест ДПП
производят в конвейерных установках
струйного типа и медноаммиакатных растворах
(хлорная медь - 200 г/л, хлористый аммоний -
150 г/л, водный аммиак - 200 мл/л), рН
раствора составляет 8,3 - 9,0.
В процессе травления осуществляют
контроль за содержанием ионов меди и рН
раствора, производя периодическую
корректировку состава раствора. При травлении проис-

572
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
ходит боковое подтравливание проводников,
его глубина составляет около половины
толщины стравливаемой меди. Уменьшение
ширины проводников за счет подтравливания
может привести к их отслаиванию или
появлению разрывов, особенно при изготовлении
ПП 4 - 5-го классов точности.
Для обеспечения паяемости КП в
течение длительного времени хранения
гальванически осажденный сплав олово - свинец
оплавляют посредством инфракрасного нагрева
или в жидком теплоносителе при температуре
210 - 230 °С.
Для прецизионных ПП и ПП под
установку поверхностно монтируемых ИЭТ
необходимо нанесение защитной маски под пайку
на всю поверхность, кроме мест пайки. Маска
является электроизоляционным покрытием, а
такие защищает ПП от загрязнения. В
зависимости от метода получения рисунка маски -
трафаретной печатью или фотопечатью -
защитные маски бывают трафаретными и
фотохимическими. Фотохимические маски делятся
на жидкие и сухие пленочные. Жидкие маски
наносят поливом или через трафарет, сушат,
экспонируют через фотошаблон и проявляют,
открывая места пайки. Сухие пленочные
маски наносят на ПП на специальных вакуумных
ламинаторах. Затем их также экспонируют и
проявляют. Жидкие фотохимические маски
обладают более высокой разрешающей
способностью, лучшими физико-механическими
и электрическими свойствами, обеспечивают
получение масочных покрытий на ПП 4 - 5-го
классов точности.
При нанесении маски на ПП, рисунок
которых защищен сплавом олово - свинец, в
процессе пайки под маской может произойти
расплавление сплава олово - свинец, что при
его остывании вызывает деформирование
маски - эффект "апельсиновой кожуры". Во
избежание его применяют технологию
изготовления медных проводников, заключающуюся в
нанесении в качестве резиста под травление
временного защитного покрытия сплава олово -
свинец или олова толщиной 5-7 мкм и его
удалении перед нанесением маски. Таким
образом, маска наносится на медные
проводники и эффект "апельсиновой кожуры"
отсутствует. На открытые места пайки наносят
горячим способом сплав олово - свинец.
Схема технологического процесса
изготовления МПП приведена на рис. 6.1.11.
МПП являются наиболее сложными ПП.
Самым распространенным методом их
изготовления является метод металлизации
сквозных отверстий.
Отдельные слои МПП изготовляют на
одно- или двустороннем фольгированном
диэлектрике толщиной 0,1 - 0,25 мм. Для МПП
с внутренними металлизированными
переходами производят металлизацию переходных
отверстий по технологии изготовления ДПП.
При прессовании пакета, состоящего из
отдельных слоев, эпоксидно-фенольная смола,
нанесенная на стеклоткань, полимеризуется,
соединяя слои в единую конструкцию.
Электрическое соединение отдельных слоев между
собой осуществляется сквозными
металлизированными отверстиями, выполненными
после прессования МПП по технологии
изготовления ДПП.
Наиболее ответственной операцией при
изготовлении МПП является металлизация
отверстий. Качество МПП в значительной
степени зависит от надежности соединения
торцев контактных площадок внутренних
слоев с металлизированными отверстиями. Для
получения надежного контакта необходимо
удалить со стенок отверстий пленку
эпоксидной смолы, наволакиваемую при сверлении, и
создать большую площадь поверхности
контакта. Наиболее распространенный способ
очистки отверстий - химическое
подтравливание диэлектрика. Подтравливание проводят в
растворе серной кислоты, смеси серной и
плавиковой кислот, в последние годы используют
перманганатную очистку. Глубина
подтравливания может достигать 100 мкм, что
обеспечивает при химико-гальванической металлизации
трехсторонний контакт с выступающим в
отверстии кольцом медной КП внутреннего
слоя. Для очистки отверстий используют также
метод плазменного травления. Он
обеспечивает хорошую адгезию, короткий цикл
обработки и отсутствие агрессивных растворов.
Недостатком метода является применение фреона -
экологически опасного вещества.
Несмотря на широкое распространение,
субтрактивный метод изготовления ПП имеет
недостатки. В зависимости от плотности
рисунка схемы 50 % - 70 % медной фольги
стравливается, что приводит к большим
потерям меди и образованию 2 - 4 л отработанных
медносодержащих растворов на 1 м2
поверхности ПП, которые при сливе представляют
значительную угрозу для окружающей среды.
Кроме того, большое число сложных
операций, оптимальное проведение каждой из
которых зависит от целого ряда факторов, не
позволяет при серийном производстве
изготовить ПП с шириной проводников и зазоров
менее 100 мкм.
В качестве альтернативы субтрактивному
методу был разработан аддитивный метод
изготовления ПП. Материалом в этом случае
является нефольгированный диэлектрик, на
котором непосредственно создается ПР.
Классический аддитивный метод заключается в
нанесении на нефольгированный диэлектрик с
просверленными отверстиями специального
фоточувствительного раствора, в котором
после экспонирования через негативный
фотошаблон на ПР образуются активные центры,

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
573
Входной контроль
фольгированного
материала
Удаление защитного
рельефа
Подготовка
слоев перед
прессованием
Удаление
защитного
рельефа
Получение заготовок,
фиксирующих и
технологических отверстий
Травление
меди
Прессование МПП
Электролитическое
меднение и
нанесение
защитного покрытия
Травление меди и
осветление защитного
покрытия
Упаковка
Подготовка
поверхности
заготовок
Получение
рисунка
Сверление
отверстий,
подлежащих
металлизации
Получение
рисунка
Оплавление сплава
олово-свинец
Консервация
Подготовка
поверхности и
отверстий
Химическое и
предварительное

электролитическое меднение
Электролитическое
покрытие концевых
печатных контактов
Механическая
обработка
Маркирование
—
—
—
Рис. 6.1.11. Схема изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий
служащие катализаторами процесса
толстослойного химического меднения. Таким
образом, ПР "вырастает" на поверхности
диэлектрика. Затем на ПП наносят маску и облужи-
вают контактные площадки. Преимуществами
аддитивного метода являются отсутствие под-
травливания проводников, экономия меди,
сокращение числа операций технологического
процесса, равномерность слоя меди в
отверстиях и на поверхности ПП. Несмотря на
преимущества, аддитивный метод не нашел
широкого распространения по следующим
причинам: трудность создания одинаковых
условий экспонирования поверхности ПП и
стенок отверстий, низкая адгезия химически
осажденной меди к диэлектрику,
неудовлетворительные физико-механические свойства
толстых осадков химической меди, сложность и
длительность проведения операции
химического меднения.
Экологическая чистота производства ПП
в сочетании с увеличением функциональной
нагрузки на сборочную единицу достигнута
благодаря технологии изготовления рельефных
плат. Рельефный рисунок схемы, а также
монтажные и переходные отверстия формируют
одновременно в специальном
термопластическом катализированном материале литьем. В
результате осаждения слоя металла из
растворов химического меднения и последующего
его удаления с пробельных мест, например
механической обработкой (зачисткой)
поверхности ПП, получают ПР. Технология
рельефных плат позволяет изготовлять ПП 3-класса
точности. В связи с высокой стоимостью
изготовления формы для литья этот метод
целесообразно применять только для серийного
производства. В опытном производстве
рельефный рисунок в диэлектрическом основании
получают фрезерованием на станках с
программным управлением.

574
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Входной контроль
материалов
Получение заготовок
Подготовка
поверхности заготовок
Получение рисунка
контактных площадок
и внешних соединений
Электролитическое
никелирование
Получение рисунка
схемы
Электролитическое
нанесение сплава
олово-свинец
Удаление
фоторезиста
Предварительное
подтравливание
Травление
Сверление крепежных
отверстий
Прессование
Нанесение защитной
маски
Механическая
обработка по контуру
Упаковка
Рис 6.1.12. Схема изготовления МУПП с селективным нанесением сплава олово-свинец
МУПП изготовляют на металлическом
носителе - низкоуглеродистой стали, латуни,
медной фольге толщиной 150 - 200 мкм, на
котором путем гальванического осаждения
меди или никеля формируется ПР, который
путем прессования приклеивается к
основанию МУПП.
Вид и толщина материала основания
зависят от выполнения функций, способа
обеспечения теплоотвода, эксплуатационных
параметров, технологического процесса
изготовления. Спрессованные заготовки подвергаются
травлению, в процессе которого происходит
вытравливание материала металлического
носителя с пробельных участков, не защищенных
резистом. Травящий раствор подбирается
таким, чтобы он не оказывал разрушающего
воздействия на материал ПР и материал
основания.
Схема технологического процесса
изготовления МУПП представлена на рис. 6.1.12.
Классическая конструкция МУПП не
имеет монтажных металлизированных
отверстий, и установка ИЭТ осуществляется путем
пайки или приварки выводов ИЭТ на КП
опор ПР. В случае необходимости в
контактных опорах могут быть выполнены монтажные
отверстия, металлизация которых
производится в процессе гальванического формирования
ПР. В связи с малой шириной проводников
(около 0,1 мм), которые "висят" в воздухе
натянутыми между двумя опорами, большую
трудность представляет нанесение на МУПП
защитного масочного покрытия. В качестве
материала для защитного покрытия МУПП
могут использоваться только полимерные
композиции УФ-отверждения, которые не
требуют использования вакуумных установок и
механических воздействий на плату.
Основными тенденциями развития
производства ПП являются дальнейшее
увеличение плотности ПР и защита окружающей
среды. Существует два напрвления их реализации.
Первое направление основано на базовой
технологии и связано с совершенствованием
отдельных операций, применением новых
материалов, технических решений,
прогрессивного оборудования без изменения
принципиальной схемы технологического процесса.
Разработаны прецизионные сухие пленочные
фоторезисты, электролиты гальванического
меднения с высокой рассеивающей
способностью, растворы прецизионного травления,
жидкие фоточувствительные масочные
композиции, что в комплексе позволит изготовлять
ПП 5-го класса точности с соотношением
толщины ПП к диаметру отверстия более 15.
С целью охраны окружающей среды
применяют электрохимическую регенерацию
травильных растворов, исключают применение
токсичных веществ (хлорсодержащих
растворителей, ионов фтора, свинца и др.),
используют каскадную и оборотную промывки, резко
снижающие расход воды. Перспективны
методы прямой гальванической металлизации
отверстий ПП, исключающие применение
растворов химического меднения.
Второе направление связано с
разработкой принципиально новых технологий,
изменяющих метод получения ПР. К этому
направлению относятся:
разработка технологии формирования
металлизированных переходов в ПП под
поверхностный монтаж ИЭТ с применением

ИСПЫТАНИЯ, КОНТРОЛЬ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ
575
токопроводящих паст, что позволяет исключить
химико-гальваническую металлизацию ДПП и
резко сократить расход химикатов и воды;
разработка технологии избирательного
осаждения меди из паровой фазы на нефоль-
гированный диэлектрик, что позволяет
исключить операции гальванической металлизации и
травления;
разработка технологии изготовления ПП
на специальных подложках (металлических,
керамических, фторопластовых, полиимидных,
поликоровых и др.).
6.1.4. ОРИГИНАЛЫ И ФОТОШАБЛОНЫ
Для получения рисунка схемы на
заготовке базового материала используется
фотошаблон, с которого контактным копированием
рисунок переносится на фоторезист,
нанесенный на заготовку.
Фотошаблон изготовляется на
малоусадочной контрастной фототехнической пленке
или стеклянной фотопластине. •
В зависимости от метода изготовления
ПП и вида используемого фоторезиста
применяют позитивное или негативное изображение
рисунка на фотошаблоне. Зеркальное
позитивное изображение рисунка применяется при
позитивном методе изготовления ПП и
негативном фоторезисте, зеркальное негативное
изображение рисунка на фотошаблоне - при
изготовлении ПП негативным методом, а
также фотохимическим методом при негативном
фоторезисте. При изготовлении МПП методом
металлизации сквозных отверстий
применяются фотошаблоны с зеркальным позитивным
изображением для наружных слоев и с
зеркальным негативным изображением для
внутренних слоев.
В зависимости от класса точности ПП к
рабочим фотошаблонам в соответствии с
ГОСТ 27716-88 предъявляются различные
требования по точности размеров элементов
рисунка. Действительные размеры изображения
рисунка на рабочем фотошаблоне могут
отличаться от требуемых по чертежу размеров на
0,05 - 0,01 мм.
Изображение должно быть контрастным:
оптическая плотность прозрачных зон
составляет 0,19, непрозрачных зон - 2,5.
Точность совмещения фотошаблонов,
предназначенных для изготовления ДПП и
МПП, оказывает большое влияние на качество
ПП. Совмещение фотошаблонов производится
по специальным реперным знакам, после чего
в них производится пробивка фиксирующих
отверстий, соответствующих технологическим
отверстиям в заготовках базового материала.
Установка фотошаблонов на заготовках
осуществляется с помощью фиксирующих штырей
(кнопок). Для повышения точности
совмещения при изготовлении МПП целесообразно
производить пробивку фиксирующих
отверстий не в фотошаблонах, а непосредственно в
заготовках внутренних слоев после травления
перед прессованием.
Фотошаблоны изготовляют
фотографированием оригиналов, выполненных на
ватмане в увеличенном масштабе, контактным
копированием с оригиналов на стекле,
выполненных в масштабе 1 : 1 резанием на
координатографе. Наибольшее распространение
получило изготовление оригинала на
фотопластине вычерчиванием схемы световым лучом
на координатографе с цифровым
программным управлением, для чего световая головка
координатографа комплектуется набором
диафрагм с символами, соответствующими
применяемым КП и размерам проводников.
Для изготовления фотошаблонов ПП
4 - 5-го классов точности используют лазерные
установки и получают проводники с более
высоким разрешением, чем у световых
оптических устройств. Лазерные установки также
используются для получения изображения
непосредственно на ПП.
6.1.5. ИСПЫТАНИЯ, КОНТРОЛЬ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ
Важнейшие критерии оценки ПП с
точки зрения применения в радиоэлектронной
аппаратуре (РЭА) следующие: наличие и
качество необходимых электрических соединений;
наличие и электрическая прочность изоляции
между проводящими элементами конструкции;
возможность создания надежного
электрического контакта между проводником на ПП и
контактом навесного элемента.
Кроме того, в связи с изменением
условий эксплуатации аппаратуры указанные
характеристики ПП должны сохраняться также
при воздействии различных климатических
факторов.
Процесс изготовления ПП включает
много операций, в том числе ручных, не
поддающихся автоматизации. На качество готовых
ПП большое влияние оказывают базовые
материалы, масочные покрытия, в связи с чем на
готовых ПП могут появляться различные
дефекты. Причинами дефектов могут быть
трещины, царапины, проколы в металлической
фольге, малая толщина слоя металла в
металлизированных отверстиях, протравы на
проводниках, дефекты металлизации, посторонние
включения, белесость на диэлектрическом
основании и т.д.
Для правильной оценки
функциональных характеристик конкретной ПП проводят
пооперационный контроль и
приемосдаточные и периодические испытания.
Объектами пооперационного контроля
являются заготовки базовых материалов,
вспомогательные материалы, отдельные слои
МПП, тест-купоны, которые при обработке по
контуру готовых ПП отделяются от готовой
ПП.

576
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
В процессе приемо-сдаточных
испытаний контролируются параметры ПП,
зависящие от правильности выполнения
технологического процесса, а также выясняются
необходимость и возможность проведения ремонта
отдельных дефектов. Ремонт и доработка ПП
производится в соответствии с требованиями
ГОСТ 27200-87.
Периодические испытания
предназначены для того, чтобы подтвердить стабильность
технологического процесса изготовления ПП и
проводятся 1-2 раза в год на нескольких ПП
случайной выборки. В процессе
периодических испытаний ПП подвергают различным
климатическим воздействиям, которые
моделируют условия эксплуатации,
транспортирования, хранения:
повышенной температуре A00 °С),
пониженной температуре (до -60 °С),
повышенной влажности (до 98 %),
термоудару при температуре 260 °С,
циклическому воздействию температуры
от -60 до 120 °С.
Технические требования к испытаниям,
условия и методы испытаний приведены в
ГОСТ 23752-79.
Одним из путей обеспечения высокого
качества продукции является ее сертификация.
Без сертификата, удостоверяющего
соответствие продукции требованиям стандарта,
невозможна реализация продукции на рынке.
В связи со сложностью производства
ПП, большим разнообразием ПП,
различающихся внешним видом, применяемыми
базовыми материалами, конфигурацией ПР,
условиями эксплуатации, что делает невозможным
их идентификацию и проведение единичного
контроля, при сертификации ПП принимается
система, основанная на проведении типовых
испытаний образцов продукции в специально
утвержденных испытательных центрах и
оценке систем обеспечения качества продукции на
предприятии-изготовителе. Этот вид
сертификации позволяет не только установить
качество ПП, но и оценить возможность
предприятия выпускать продукцию требуемого уровня
качества.
Такая система сертификации является
сложной и дорогостоящей, но ее
преимущество заключается в том, что потребитель
получает продукцию высокого уровня качества.
Для более полного представления о
качестве ПП сертификации должны подвергаться
также базовые и масочные материалы,
применяемые в конструкциях ПП.
Комплексное решение проблем
стандартизации ПП осуществляется по программам
стандартизации, которые разрабатываются
ведущими специалистами
научно-исследовательских технологических институтов с
привлечением разработчиков аппаратуры на ПП с
целью обеспечения научно-обоснованного
планирования работ по стандартизации,
создания условий межотраслевой кооперации при
изготовлении ПП, снижения себестоимости
производства, обеспечения защиты
окружающей среды, повышения эффективности
использования оборудования, улучшения
качества ПП с целью повышения их
конкурентоспособности.
Стандартизацией охвачены все
направления техники ПП: терминология; требования и
правила конструирования; правила
оформления чертежей на ПП и комплектность
конструкторской документации для их
производства; требования* и правила технологии
изготовления; требования, правила и методы
контроля готовой продукции; требования к базовым
и конструкционным материалам; требования к
специальному технологическому
оборудованию.
Основополагающими документами
являются: ГОСТ 20406-75; ГОСТ 2.123-93; ГОСТ
2.417-91; ГОСТ 23751-86; ГОСТ 23752-79.
Система стандартизации ПП построена
таким образом, что каждому типу ПП
посвящен специальный ряд нормативных
документов, который включает стандарты видов
"Групповые технические требования" и
"Технические требования к ПП аттестованного
качества". Такое построение системы
стандартизации соответствует международным
требованиям, делает ее более гибкой, упрощая
процедуру внесения необходимых изменений и
дополнений.
Национальные стандарты и технические
регламенты, являясь нормативно-технической
базой экономического и научно-технического
сотрудничества между странами в
международной торговле, в то же время могут
создавать трудности при производстве плат.
Например, типоразмеры ПП, размеры шага
координатной сетки и некоторые другие
параметры в национальных стандартах России и
ряда промышленно развитых стран имеют
существенные различия, что затрудняет
взаимозаменяемость конструктивных узлов
аппаратуры. В связи с этим возникла необходимость
создания международных нормативных
документов.
Международная стандартизация ПП
осуществляется в рамках Международной
электротехнической комиссии (МЭК), в
которой создан специальный Технический
комитет - ТК 52 "Печатные схемы".
В сферу деятельности ТК 52 МЭК
помимо разработки стандартов на ПП входит также
разработка стандартов на фольгированные
диэлектрики, масочные композиции, а также
сборку узлов на ПП. ТК 52 МЭК существует с
1959 г., в его работе принимают участие 22
страны. Участие России в деятельности
ТК 52 МЭК позволяет отстаивать интересы
отечественной промышленности и
использовать международный опыт в российских
разработках.

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
577
При подготовке стандартов по ПП ТК 52
МЭК осуществляет связь с другими
техническими комитетами МЭК, тематика которых
тесно связана с испытаниями и эксплуатацией
ПП:
ТК 1 МЭК - терминология,
ТК 12 МЭК - радиосвязь,
ТК 15 МЭК - изоляционные материалы,
ТК 48 МЭК - электромеханические
элементы для электронной аппаратуры,
ТК 50 МЭК - испытания на воздействие
внешних факторов.
Работа в ТК 52 МЭК в основном
осуществляется в рабочих группах, которые
рассматривают узкие вопросы, завершая свою работу
проектами стандартов - публикаций МЭК.
Разработка публикации продолжается 5-6 лет
и включает следующие стадии документов:
предложение страны-участника,
документ Секретариата ТК 52 МЭК,
документ Центрального бюро ТК 52
МЭК (по правилам 6 мес),
документ Центрального бюро ТК 52
МЭК (по правилам 2 мес),
публикация МЭК.
Каждой вновь разработанной
публикации МЭК присваивается очередной номер в
серии публикаций, посвященных данному
направлению в технике ПП. В настоящее
время в ТК 52 МЭК действуют следующие
публикации МЭК:
публикация 97 - "Платы печатные. Шаги
сетки",
публикация 194 - "Термины и
определения для печатных схем",
серия публикаций 249 - Материалы
основания для ПП. Методы испытаний и ТУ на
конкретный вид материала,
серия публикаций 321 - Ремонт,
модификация, восстановление, оригиналы и
фотошаблоны для ПП (находится в стадии
формирования),
серия публикаций 326 -
Конструирование и применение ПП, ТУ на конкретный тип
ПП, методы испытаний,
серия публикаций 286 - Комплекс
стандартов, связанных с производством печатных
узлов, в том числе требования по
конструированию, упаковке ИЭТ в ленты для
автоматизированной сборки, испытаниям на паяемость т.д.
6.1.6. СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ
РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
Трудоемкость сборочно-монтажных работ
при изготовлении радиоэлектронной
аппаратуры (РЭА) в 80 - 90-е годы составляла 55,4 %
общей трудоемкости производства аппаратуры,
в том числе трудоемкость сборки узлов на
ПП - 21,5 %.
Структура трудоемкости сборки печатных
узлов (ПУ) приведена в табл. 6.1.3.
Трудоемкость технологических операций сборки,
выполняемых вручную, постоянно возрастала за
счет повышения плотности монтажа,
миниатюризации ИЭТ, изменений в структуре
элементной базы. Однако в связи с ростом уровня
механизации и автоматизации суммарная
трудоемкость сборки ПУ уменьшалась.
Снижение трудоемкости производства
РЭА достигалось:
1) повышением технологичности ПУ, в
том числе:
унификацией конструкций ПП и ПУ;
сокращением числа типов и
номенклатуры применяемых ИЭТ;
ограничением числа типов
конструктивно-технологических групп ИЭТ и
преимущественным применением корпусов,
автоматизация подготовки и установки которых наиболее
проста и которые отвечают требованиям
автоматизированной сборки;
унификацией типов формовки ИЭТ;
6.1.3. Структура трудоемкости сборочно-монтажного производства РЭА
Показатель
Удельный вес трудоемкости сборки ПУ в общей
трудоемкости производства РЭА, %
Удельный вес трудоемкости, %:
подготовки ИЭТ:
в том числе механизированными и
автоматизированными способами
установки ИЭТ на платы:
в том числе механизированными способами
пайки и стыковки узлов на платах
в том числе механизированными и
автоматизированными способами
Год
1990
20
3,5
3
8,5
5,1
8
6,4
1995
18
3
2,7
7,5
6
7,5
6,6
2005 (прогноз)
14
2,5
2,4
4,5
3,8
7
6,7
19 За

578
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
2) повышением уровня технологии и
организации производства, в том числе:
концентрацией производства ПУ в
рамках предприятия;
выделением специализированных
участков подготовки ИЭТ и сборки ПУ;
широким применением средств
механизации и автоматизации;
внедрением прогрессивных
технологических процессов.
Выполнение этих условий позволяет
снизить трудозатраты при сборке ПУ в 2,5 -
4 раза.
Автоматизация и механизация
производства ПУ включает несколько этапов,
связанных в основном со сменой поколений
используемой в РЭА элементной базы. На первом
этапе в начале 60-х годов были внедрены
групповые способы пайки погружением и
волной припоя в массовом производстве
радиоприемников и телевизоров. Этот процесс
благодаря сравнительной простоте и тому, что
не требуется специальных условий для
достижения точности изготовления печатных плат и
ИЭТ, применялся очень широко. Внедрению
механизированных процессов пайки уделялось
основное внимание, однако при этом
относительная трудоемкость процессов сборки все
более возрастала.
В конце 60-х годов появились светомон-
тажные столы, обеспечивающие
программирование ручной сборки ПУ. Они позволили
привлечь к выполнению сборочных операций
низкоквалифицированных рабочих и стали
применяться во всем мире. Конструкции
столов совершенствовались, были разработаны
светолучевые головки с микропроцессорным
управлением, новые типы накопителей,
программные и аппаратные средства для
ускоренной подготовки программ. Все это позволило
расширить сферу применения светомонтажных
столов, в том числе в условиях гибких
производственных систем (ГПС) для монтажа ИС и
ИЭТ в изделиях малой применяемости.
Одновременно с внедрением
универсальных светомонтажных столов шла разработка
комплексов специализированного
автоматизированного оборудования для установки на ПП
дискретных элементов. Они предназначались
для массового производства, в первую очередь
радиоаппаратуры бытового назначения. Для
этого пришлось создать ИЭТ со специальной
маркировкой, поставлять их вклеенными в
липкую ленту и т.д. Были разработаны
комплексы "Трасса", "Атлас" и другие,
обеспечивающие автоматическую установку на ПП
значительной части всех ИЭТ, выпускаемых
промышленностью.
Развивались и средства автоматизации и
механизации для установки и пайки ИС в
прямоугольных корпусах с планарными
выводами, выходящими за габариты корпуса. В
СССР было создано большое число
механизированных установок, полуавтоматов и
автоматов для подготовки выводов, установки и
пайки ИС, в том числе технологические линии
"Палмис", "Прогресс", "Планар", "Универсал" и
другие, состоящие из нескольких установок.
Недостатком оборудования, входящего в эти
линии, является узкая специализация по типу
•корпуса ИС.
В СССР в 1975 - 1980 гг. была
разработана и серийно выпускалась довольно большая
номенклатура автоматизированного
оборудования для производства печатных узлов,
выполненных по традиционной технологии - т.е.
с установкой элементов в отверстия печатных
плат, а с 1984 г. - для печатных узлов с
поверхностным монтажом.
Наиболее широкое распространение
получили комплексы технологического
оборудования 'Трасса", "Атлас", "Палмис", 'Темп" и др.
Технология производства и
классификация печатных узлов. Наиболее
распространенной технологией сборки радиоэлектронной
аппаратуры в 80 - 90-е гг. в СССР являлась
сборка узлов на ПП с применением
традиционных дискретных компонентов с осевыми и
радиальными выводами.
С середины 80-х годов в мире получила
распространение сборка печатных узлов
методом поверхностного монтажа (ПМ). Переход
на технологию ПМ в значительной степени
отвечал трем основным тенденциям
электроники: миниатюризации, повышению качества
и надежности, снижению издержек
производства. Если раньше эти тенденции развивались
в основном в направлении повышения
интеграции микросхем, то повышение степени
интеграции ПУ существенным образом
содействовало дальнейшему прогрессу
радиоэлектроники.
Предназначенные для ПМ ИЭТ -
резисторы, конденсаторы, транзисторы,
микросхемы и др. - монтируются прямо на поверхность
ПП. Они не имеют соединительных выводов,
и поэтому называются
поверхностно-монтируемыми изделиями.
К числу преимуществ, из-за которых ПМ
практически вытеснил традиционную
технологию, относятся:
увеличение плотности размещения ПМ
ИЭТ;
возможность автоматизации на ПП
процессов монтажа;
увеличение рабочей частоты электронных
изделий;
повышение качества и надежности ПУ.
Конструкции ПУ в зависимости от
конструкции и применяемых ИЭТ и ПМ ИЭТ
разделяются на шесть основных вариантов
(рис. 6.1.13):

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
579
з г
Рис. 6.1.13. Конструктивные варианты печатных узлов:
1 - монтаж ИЭТ в отверстия ПП;
2 - односторонний поверхностный монтаж;
3 - двусторонний поверхностный монтаж;
4 - смешанный односторонний поверхностный
монтаж с расположением ИЭТ и ПМ ИЭТ
на разных сторонах ПП;
5 - смешанный односторонний поверхностный
монтаж с расположением ИЭТ и ПМ ИЭТ
на одной стороне ПП;
6 - смешанный двусторонний поверхностный
монтаж с расположением ПМ ИЭТ на обеих
сторонах ПП, а ИЭТ - на одной стороне ПП
1) узлы, на которых находятся только
ИЭТ в традиционном исполнении,
монтируемые с одной стороны ПП. Пайка таких ПУ
осуществляется вручную - паяльником - или
автоматически - на установках пайки -
погружением, протягиванием или волной припоя;
2) узлы, на которых находятся только
ПМ ИЭТ, монтируемые на одну сторону ПП,
вторая сторона при этом остается свободной.
Сборка таких ПУ может осуществляться двумя
способами:
на ПП наносится адгезив,
устанавливаются ПМ ИЭТ, адгезив полимеризуется и
далее ПУ предается на пайку двойной волной;
на ПП наносится паяльная паста,
устанавливаются ПМ ИЭТ и долее ПУ передаются
на пайку оплавлением: инфракрасным (ИК-
оплавлением), в паровой фазе и т.д.;
3) узлы, на которых находятся только
ПМ ИЭТ, монтируемые на обе стороны ПП.
Такие ПУ собираются следующими способами:
на одну сторону ПП наносится адгезив и
паяльная паста, устанавливаются ПМ ИЭТ,
полимеризуется адгезив и одновременно
подсушивается паяльная паста, далее
производится пайка оплавлением, затем плата
переворачивается на другую сторону, на нее наносится
паяльная паста, устанавливается ПМ ИЭТ, и
плата передается на пайку оплавлением;
на одну из сторон ПП наносится адгезив,
устанавливаются ПМ ИЭТ, адгезив
полимеризуется, плата переворачивается и передается на
пайку двойной волной, затем на свободную
сторону ПП наносится паяльная паста,
устанавливаются ПМ ИЭТ и производится пайка
оплавлением;
адгезив наносится на обе стороны ПП, и
с обеих сторон производится пайка двойной
волной. В остальном последовательность
операций сохраняется та же, что в первом
варианте;
4) узлы, на которых находятся ИЭТ в
традиционном исполнении и ПМ ИЭТ,
первые монтируются на одну сторону ПП, а ПМ
ИЭТ - на другую ее сторону. Сборка ПУ в
случае, когда ИЭТ в традиционном
исполнении и ПМ ИЭТ располагаются на разных
сторонах ПП, осуществляется следующим
образом:
вначале в отверстия ПП устанавливаются
ИЭТ, затем ПП переворачивается, на нее
наносится адгезив, устанавливаются ПМ ИЭТ и
адгезив полимеризуется, ПУ переворачивается
и предается на пайку двойной волной.
Можно собирать ПУ в другой
последовательности: вначале на ПП наносится адгезив,
устанавливаются ПМ ИЭТ, затем плата
переворачивается, в отверстия устанавливаются
ИЭТ в традиционном исполнении и плата
передается на пайку двойной волной;
5) узлы, на которых находятся ИЭТ и
ПМ ИЭТ, монтируемые на одну сторону ПП,
вторая сторона при этом остается свободной.
В такой конструкции хотя и меньше габариты
ПУ, но значительно сложнее процесс его пайки.
Сборка ПУ в таком случае, когда ИЭТ и
ПМ ИЭТ располагаются с одной стороны ПП,
осуществляется следующим образом: вначале в
отверстия ПП устанавливаются ИЭТ в
традиционном исполнении и пропаиваются волной
припоя, затем на ПП наносится паяльная
паста, устанавливаются ПМ ИЭТ и производится
пайка оплавлением;
6) узлы, на которых находятся ИЭТ в
традиционном исполнении и ПМ ИЭТ,
причем первые устанавливаются с одной стороны,
а ПМ ИЭТ - с обеих сторон. Монтаж ПУ в
таком исполнении может осуществляться по
различным технологическим схемам
(рис. 6.1.14).
1У*

580
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Подготовка
ИЭТ
(формовка
и обрезка
выводов)
Установка
ИЭТ в
отверстия
ПП
Пайка ИЭТ
Очистка
ПУ
Технологический процесс изготовления ПУ конструктивного варианта 1
Нанесение
паяльной
пасты
Установка
ПМИЭТ
Пайка
оплавлением
паяльной
пасты
Очистка
ПУ
Технологический процесс изготовления ПУ конструктивного варианта 2
Нанесение
паяльной
пасты
Установка
ПМИЭТ
Пайка
оплавлением
паяльной
пасты

Переворачивание
ПУ
Технологический процесс изготовления ПУ конструктивного варианта 3
Подготовка
ИЭТ
(формовка
и обрезка
выводов)
Установка
ИЭТ в
отверстия
ПП

Переворачивание
ПУ
Нанесение
клея на
другую
сторону
ПП
Технологический процесс изготовления ПУ конструктивного варианта 4
Подготовка
ИЭТ
(формовка
и обрезка
выводов)
Нанесение
паяльной
пасты
Установка
ПМИЭТ
Пайка
оплавлением
паяльной
пасты
Установка
ИЭТ в
отверстия
ПП
Технологический процесс изготовления ПУ конструктивного варианта 5
Контроль
ПУ
Контроль
ПУ
Нанесение
паяльной
пасты на
другую
сторону ПП
Установка
ПМИЭТ
Пайка ИЭТ
Нанесение
паяльной
пасты
Установка
ПМИЭТ
Пайка
оплавлением
паяльной
пасты
Подготовка
ИЭТ
(формовка
и обрезка
выводов)
^
Установка
ИЭТ в
отверстия
ПП

Переворачивание
ПУ
Технологический процесс изготовления ПУ конструктивного варианта 6
Рис. 6.1.14. Основные варианты технологических

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
581
Установка
ПМИЭТ

Полимеризация
клея
Пайка
оплавлением
паяльной
пасты

Переворачивание
ПУ
Очистка ПУ
Пайка
двойной
волной
припоя
Контроль
ПУ
Очистка
ПУ
Контроль
ПУ
Очистка
ПУ
Контроль
ПУ
Нанесение
клея на
другую
сторону ПП
—^

Установка
ПМ
иэт

Полимеризация
клея


рачивание ПУ
Пайка
двойной
волной
припоя

Очистка
ПУ
->

Контроль
ПУ
процессов изготовления печатных узлов

582
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Элементная база. К монтируемым на ПП
ИЭТ относятся дискретные элементы -
резисторы, транзисторы, диоды, интегральные
микросхемы, большие интегральные
микросхемы, резисторные, конденсаторные
сборочные единицы и другие изделия - дроссели,
трансформаторы, соединители, установочные
колодки и панели, переключатели. Они
различаются типом, размером и формой корпуса,
вариантом его исполнения, расположением,
числом, формой и материалом выводов,
вариантом формовки выводов, номиналом
(наименованием), точностью, типом ключа,
указывающего положение первого или
полярного вывода, и рядом других особенностей.
Общее число таких различий превышает 2000.
Это ведет к усложнению подготовки
производства из-за разнообразия необходимого
технологического оснащения и оборудования,
необходимости иметь многие варианты его
исполнения, удлинению цикла подготовки
производства.
Уменьшения номенклатуры
применяемых ИЭТ достигают созданием единых
конструктивно-технологических групп и общих
требований к ним. Они позволяют ограничить
перечни разрешенных к применению размеров
и допусков, вариантов исполнения ИЭТ,
выработать конструктивные и технологические
требования к способам крепления и сборки
ИЭТ на ПП, воздействиям различных
факторов в процессе сборки и монтажа ПУ и т.п. В
частности, определены 15 конструктивно-
технологических групп в зависимости от
технической совместимости и возможности
применения автоматизированных способов сборки
аппаратуры. Из них шесть типовых
представителей предназначены для автоматизированной
сборки ПУ (рис. 6.1.15).
Упаковка ИЭТ и ПМ ИЭТ. При ручной
подготовке и установке ИЭТ на ПП в
условиях единичного производства способ
транспортирования ИЭТ не имеет особого значения. С
переходом к автоматизированной и
механизированной сборке он начинает заметно влиять
на производительность и другие факторы
процесса. Были созданы индивидуальные и
групповые носители, в которых ИЭТ поступает с
завода-изготовителя.
Рис. 6.1.15. Типовые представители шести конструкторско-технологвческих групп ИЭТ:
a - резисторы МЛТ, конденсаторы КБГО; б - конденсаторы КМ-56;
в - транзистор КТ-315 в пластмассовом корпусе с плоскими латунными выводами;
г - ИС в корпусах; д - ИС и резисторные, конденсаторные сборочные единицы типов Б18, Б19;
е - ИЭТ в корпусах с выводами, расположенными по всему периметру

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
583
К носителям для транспортировки,
хранения и подачи ИЭТ в механизмы
технологического оборудования предъявляются
следующие основные требования:
защита ИЭТ от механических
воздействий и статического электричества;
сохранение ориентации ИЭТ;
возможность применения в
оборудовании, снабженном соответствующими
загрузочными устройствами;
сравнительно низкая стоимость при
условии одноразового применения;
возможность возврата на завод-
изготовитель при условии многоразового
применения.
Резисторы и конденсаторы с осевыми
выводами поставляют вклеенными в
двухрядную липкую ленту на тканевой основе
(рис. 6.1.16). Выводы ИЭТ должны быть
удлиненными. Вклейку в ленту производят на
специальных автоматах.
На рис. 6.1.17 показан пример вклейки
ИЭТ, имеющих полярность, например
транзисторов, которые закрепляются в однорядной
ленте в ориентированном положении.
На катушку, в которой производится
поставка, наматывается отрезок ленты,
вмещающий 1000 - 5000 ИЭТ. Во избежание
сцепления соседних витков, склеивания лент и
повреждений ИЭТ или их выводов намотку ведут
с межслойной прокладочной лентой из
кабельной бумаги. Диаметр катушки 245 - 400
мм, ширина 70 - 90 мм.
С появлением ПМ ИЭТ начали
применять ленточные носители с внутренними
гнездами. В качестве стандартных приняты
носители шириной 8, 12,16,24 и 48 мм. Носители
изготовляются из картона или литой поливи-
нилхлоридной пленки с угольным
наполнителем, в котором выштампованы гнезда для ПМ
ИЭТ (такие ленты называют "блистерными")
(рис. 6.1.18). На одну катушку диаметром 175
или 325 мм наматывается до 12 м ленты
вместимостью 2000 - 5000 ПМ ИЭТ.
Вид В
Рис. 6.1.16. Упаковка-носитель в виде двухрядной
липкой ленты
Рис. 6.1.17. Вклейка ИЭТ в однорядную ленту:
А - длина корпуса; D - диаметр ИЭТ; Р - шаг вклейки
1 2
Рис. 6.1.18. Две модификации упаковки-носителя компонентов поверхностного монтажа:
1 - лента-носитель; 2 - герметизирующая лента; 3 - ПМ ИЭТ

584
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Печатная плата является основным
конструктивным элементом, объединяющим
систему печатных и других проводников, а также
смонтированных на ней ИЭТ в единый
функциональный узел. Одновременно она является
механическим и теплоотводящим элементом
конструкции ПУ. Конструкция и способ
изготовления ПП определяют не только
схемотехнические характеристики, надежность изделия,
но и его технологичность. В условиях
применения средств автоматизации и новой
элементной базы появляется ряд требований,
которые необходимо выполнить при
конструировании ПП:
фиксирующие отверстия ПП,
необходимые для закрепления на координатном или
рабочем столе технологического оборудования,
выполняют по квалитету В9> их диаметр и
расположение не оговариваются. При
автоматизированной сборке допустимые отклонения
на межцентровые расстояния между
фиксирующими отверстиями устанавливают не более
± 0,05 мм, между фиксирующими отверстиями
и контактными площадками - не более
± ОД мм. При этом вокруг отверстий должна
оставаться свободная зона диаметром не менее
10 мм;
оптимальное расстояние между выводом
ИЭТ и стенкой монтажного отверстия должно
составлять 0,2 - 0,3 мм. При меньшем
расстоянии припой плохо затекает в отверстие,
проявляются пустоты и непропаи. С
увеличением зазора возрастает расход припоя,
появляются усадочные раковины в припое. При
выборе диаметра отверстия необходимо
учитывать толщину слоев металлизации и горячего
лужения;
допустимые отклонения расстояний
между центрами монтажных отверстий под
автоматизированную сборку без применения
средств технического зрения не должны
превышать ± 0,05 мм, а между осями контактных
площадок ±0,1 мм;
для уменьшения числа регулировок
технологического оборудования и количества
оснастки должно быть сведено к минимуму
число типоразмеров ПП. Как за рубежом, так
и в России выполняется стандартизация
габаритных размеров ПП. Наиболее часто
встречаются размеры 170 х 110, 170 х 200, 170 х 280
и 150 х 240 мм;
при установке на ПП ПМ ИЭТ и
применении пайки волной припоя могут
проявляться нежелательные эффекты. Когда ПМ ИЭТ
расположен длинной стороной вдоль
движения ПП, хвостовая часть его "затеняет"
контактную площадку от волны припоя, вызывая
появление непропая. Рекомендуется по
возможности размещать длинную сторону ПМ
ИЭТ поперек движения ПП.
Если размеры двух контактных площадок
ПП, к которым паяется ПМ ИЭТ, не равны,
то вследствие разницы сил поверхностного
натяжения припоя в галтельных участках
может наблюдаться перекос галтели относительно
плоскости ПП.
Контактные площадки для
присоединения одного ПМ ИЭТ должны быть
одинаковыми.
При монтаже ИС с высокой степенью
интеграции теплопроводность обычных ПП
оказывается недостаточной для отвода всей
выделяющейся теплоты на несущую
металлическую конструкцию. В этом случае
применяют различного рода теплоотводы. Наиболее
распространено применение сплошного,
гофрированного или сотового теплоотвода под
ПП или в качестве ее среднего слоя. Но теп-
лоотвод сильно затрудняет нагрев при пайке,
особенно при последовательной (негрупповой)
пайке. Лучшие результаты достигаются при
общем нагреве, например при пайке волной
припоя.
Технологическое оборудование для сборки
ПУ. Установка ПМ ИЭТ на печатные платы
является одной из основных операций в
технологии монтажа на поверхность (ТМП), для
выполнения которой наиболее часто
используют сборочные автоматы. Ручная сборка при
ТМП нерациональна и затруднительна
вследствие малых размеров монтируемых элементов
(чип-резисторов, конденсаторов), высоких
требований к точности установки корпусов с
большим числом выводов и
производительности оборудования при крупносерийном и
массовом производстве.
Классификация автоматов
сборки. Автоматы сборки обычно
классифицируют по их производительности и
способу установки компонентов на плату.
В зависимости от производительности
различают автоматы малой (до 1 тыс. шт./ч),
средней (до 10 тыс. шт./ч) и высокой (до
50 тыс. шт./ч) производительности.
В зависимости от способа установки
различают линейные автоматы, автоматы
последовательного, параллельного и
последовательно-параллельного типов.
Линейные автоматы имеют блок
фиксированных монтажных головок, с помощью
которых осуществляют установку компонентов
на плату, перемещаемую с помощью двухко-
ординатного стола.
Автоматы параллельного типа также
имеют блок фиксированных головок,
позволяющих осуществить установку всех элементов
на плату одновременно.
Автоматы последовательного действия
имеют простую подвижную монтажную голов-

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
585
ку, с помощью которой компоненты
устанавливают последовательно. Автоматы обладают
высокой универсальностью, способны
монтировать все типы компонентов, но имеют
низкую производительность.
Автоматы
последовательно-параллельного типа представляют собой комбинацию двух
систем - параллельной и последовательной, -
обеспечивающую групповую установку
элементов на подвижную плату.
Автоматы классифицируют в
зависимости от габаритно-присоединительных размеров
монтируемых компонентов, максимального
числа носителей с компонентами, размеров
монтируемых печатных плат.
Цикл работы любого сборочного
автомата включает в себя следующие этапы: выбор из
магазина (накопителя) компонента
конкретного типа и номинала, перемещение его к
печатной плате, установку компонентов на
печатную плату с заданной точностью.
В отдельных случаях перед установкой на
плату проводится контроль электрических и
геометрических характеристик монтируемых
компонентов. Такую циклограмму работы
автоматов можно реализовать путем взаимного
перемещения его основных частей -
монтажной головки, стола и магазина с элементами.
Возможны приведенные ниже схемы
перемещения узлов.
Схема 1. Печатная плата и магазин с
компонентами неподвижны, компоненты
переносятся с помощью монтажной головки
(автомат последовательно типа) (рис. 6.1.19).
Монтажная головка 3 может
перемещаться по всем направлениям (Д Y> Z) и
поворачиваться вдоль вертикальной оси @), выбирать
любой элемент (по программе) из магазина 2
и устанавливать его в любую точку на
поверхности печатной платы 1.
Автоматы выполненные по такой схеме,
обладают максимальной гибкостью, т.е.
способны устанавливать с требуемой точностью
ПМ ИЭТ любых типов. К недостаткам таких
автоматов относятся малая
производительность, они находят применение в
мелкосерийном производстве при широкой номенклатуре
изготовляемых изделий или применяемых
компонентов, а также при отработке
параметров технологического процесса.
Быстродействие может быть повышено за счет увеличения
числа монтажных головок и числа
одновременно собираемых печатных плат. При данной
схеме легко реализуется контроль
электрических и геометрических (размеры корпуса,
расстояние между выводами и др.) параметров
монтируемых компонентов, которые перед
установкой на плату помещают в устройства
электрического и оптического контроля.
Схема 2, Монтажная головка
перемещается только в вертикальном направлении (Z) и
проворачивается на угол 0, накопитель в
направлении Х9 стол с печатной платой - в
направлении X или X, Y (линейные автоматы,
автоматы параллельного действия).
Цикл работы автомата состоит из
операций перемещения накопителя под монтажную
головку (вдоль X), выбора компонента
соответствующего типа монтажной головкой
(перемещение в направлении 7и Д
перемещения стола с печатной платой под головку и
установки компонента в нужное место на
плате с помощью головки (рис. 6.1.20).
Преимущества такой схемы по
производительности проявляются при использовании
блока головок до 30 шт. (рис. 6.1.21) и
нескольких одновременно собираемых плат при
небольшой номенклатуре компонентов, в
основном чип-резисторов и конденсаторов. По
такой схеме изготовляют автоматы
последовательно-параллельного действия средней
производительности. На практике такая схема
реализуется относительно редко.
Рис. 6.1.19. Схема сборочного автомата
последовательного типа:
1 - печатная плата; 2 - магазин с упакованными в
ленту элементами; 3 - монтажная головка;
4 - монтируемый компонент; 5 - вакуумный пинцет
Рис. 6.1.20. Схема сборочного автомата
параллельного действия (линейного автомата):
1 - печатная плата; 2 - лента с КМП;
3 - монтажная головка; 4 - монтируемый элемент

586
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Рис. 6.1.21. Схема линейного сборочного автомата с
блоком монтажных головок:
/ - боббина с упакованными в ленту КМП;
2 - блок монтажных головок; 3 - турель;
4 - двухкоординатный стол
Рис. 6.1.22. Схема сборочного автомата
последовательного действия:
1 - печатная плата; 2 - лента с КМП;
3 - монтажная головка; 4 - монтируемый КМП
Схема 3. Монтажная головка
перемещается вдоль вертикальной оси Z и
поворачивается на угол 0, накопитель перемещается вдоль
вертикальной оси Z и поворачивается на угол
0, накопитель перемещается в направлении Y,
печатная плата - в направлении Y или Х9 Y
(автоматы последовательно-параллельного
действия, рис. 6.1.22). В таком простейшем
варианте схема практически не применяется.
Вместо линейного перемещения накопителя
применяют поворот кассет с элементами, т.е.
карусельную конструкцию; используют также
блок монтажных головок, которые
последовательно перемещаются из одной рабочей
позиции в другую (револьверная головка с
несколькими захватами). Такая роторная схема
построения автоматов позволяет достичь
производительности до 9000 - 14 000 компонентов/ч.
Автоматы, построенные по такой схеме,
получили широкое распространение для
монтажа бескорпусных элементов
(высокоскоростные автоматы для ограниченной номенклатуры
компонентов).
Рис. 6.1.23. Схема сборочного автомата с
револьверной головкой:
/ - револьверная головка; 2 - бобина с упакованными
в ленту КМП; 3 - карусель с боббинами;
4 - узел контроля электрических параметров КМП;
5 - узел позиционирования КМП;
6 - ПП на двухкоординатном столе
Существует несколько разновидностей
такой конструктивной схемы. В автомате,
представленном на рис. 6.1.23, используется
револьверная головка с четырьмя захватами -
вакуумными пинцетами и четырьмя рабочими
позициями (через 90 °). Упакованные в ленту
компоненты размещают на боббинах, которые
устанавливают в карусель, поворачивающуюся
вокруг вертикальной оси. Печатную плату
располагают на двухкоординатном столе. При
работе автомата нужный компонент подается в
питатель путем поворота карусели. Вакуумный
пинцет забирает компонент, а револьверная
головка поворачивает его на 90 °, затем
компонент передается в устройство контроля
электрических параметров. В следующей позиции
компонент центрируется, т.е. его положение
корректируется по отношению к
установочному месту на плате. Затем головка
поворачивается в следующую позицию, плата с помощью
двухкоординатного стола перемещается в
рабочее положение и происходит установка
компонентов на плату, затем цикл
повторяется. Револьверная головка имеет четыре захвата,
что позволяет в 4 раза повысить
производительность автомата.
В автомате, представленном на
рис. 6.1.24, револьверная головка
поворачивается вокруг вертикальной оси, число захватов
может достигать десяти, что значительно
повышает быстродействие. Цикл работы автомата
аналогичен предыдущему: поворот карусели,
выбор вакуумным пинцетом соответствующего
элемента, поворот револьверной головки,
перемещение печатной платы в рабочее
положение при помощи двухкоординатного стола,
установка элемента на плату. В других
позициях происходит поворот элемента, его
центрирование, проверка.

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
587
I/
Рис. 6.1.24. Схемы многошпиндельного сборочного
автомата с различным расположением
револьверной головки:
а - горизонтальным; б - вертикальным;
1 - печатная плата; 2 - монтируемый КМП;
3 - многошпиндель'ная револьверная головка;
4 - карусель с боббинами
Пайка печатных узлов волной припоя.
Пайка волной припоя появилась в 60-е годы и
в настоящее время достаточно хорошо
освоена. Она применяется только для компонентов
в отверстиях плат (традиционная технология),
хотя ее можно применять для поверхностно-
монтируемых компонентов с несложной
конструкцией корпусов, устанавливаемых на
одной из сторон коммутационной платы.
Технология пайки проста. Платы,
установленные на конвейере, подвергаются
предварительному нагреву, исключающему
тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит
над волной припоя. Сама волна, ее форма и
динамические характеристики являются
наиболее важными параметрами оборудования для
пайки. С помощью сопла можно менять
форму волны; в наиболее простых установках для
пайки применяется симметричная волна.
Однако лучшее качество пайки получается при
использовании несимметричной формы волны
(в виде греческой буквы Q, Z-образной,
Г-образной формы). Направление и скорость
движения потока припоя, достигающего
платы, также могут варьироваться, но они должны
быть одинаковы по всей ширине волны. Угол
наклона конвейера для плат тоже
регулируется. Некоторые установки для пайки
оборудуются дешунтирующим воздушным ножом,
благодаря чему уменьшается число перемычек
припоя. Нож располагается за участком
прохождения волны припоя и включается в
работу, когда припой находится еще в
расплавленном состоянии на коммутационной плате.
Узкий поток нагретого воздуха, движущегося с
высокой скоростью, уносит с собой излишки
припоя, разрушая перемычки и способствуя
удалению остатков припоя.
Пайка двойной волной припоя. В ПУ с
комбинированным монтажом, где с одной
стороны устанавливаются ИЭТ, а с обратной
стороны ПМ ИЭТ, пайка волной припоя
создает множество дефектов, связанных как с
конструкцией плат, так и с особенностями
пайки: непропаи и отсутствие галтелей припоя
из-за эффекта затенения выводов компонента
другими компонентами, преграждающими
доступ волны припоя к соответствующим
контактным площадкам, а также появление
полостей с захваченными газообразными
продуктами разложения флюса, мешающими дозировке
припоя.
Поэтому применяют технологический
процесс пайки двойной волной припоя.
Первая волна становится турбулентной и узкой,
она исходит из сопла под большим давлением
(рис. 6.1.2$). Турбулентность и высокое
давление потока^ припоя исключают формирование
полостей с газообразными продуктами
разложения флюса. Однако турбулентная волна
образует перемычки припоя, которые
разрушаются второй, более пологой ламинарной
волной с малой скоростью течения. Вторая
волна обладает очищающей способностью и
устраняет перемычки припоя, а также
завершает формирование галтелей. Для обеспечения
эффективности пайки все параметры каждой
волны должны быть регулируемыми. Поэтому
установки для пайки двойной волны имеют
отдельные насосы, сопла, а также блоки
управления для каждой волной. В установках
для пайки двойной волной припоя также
возможно применение дешунтирующего ножа,
служащего для разрушения перемычек из
припоя.
Рис. 6.1.25. Схема пайки двойной волной припоя:
7, 2 - номера волн

588
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
Пайка двойной волной припоя
применяется в основном для одного типа ПУ - с
традиционными компонентами на лицевой
стороне и монтируемыми на поверхность
простыми компонентами (чипами и
транзисторами) на обратной. Некоторые ПМ ИЭТ (даже
пассивные) могут быть повреждены при
погружении в припой во время пайки. Поэтому
важно учитывать их термостойкость. Если
пайка двойной волной применяется для
монтажа плат с установленными на их
поверхности ПМ ИЭТ сложной структуры, необходимо:
применять поверхностно-монтируемые
ИС> не чувствительные к тепловому
воздействию;
снизить скорость конвейера;
проектировать коммутационную плату
таким образом, чтобы исключить эффект
затенения.
Разнесенные, не загораживающие друг
друга компоненты способствуют попаданию
припоя на каждый требуемый участок платы,
но при этом снижается плотность монтажа.
При высокой плотности монтажа, которую
позволяет реализовать технология монтажа на
поверхность, практически невозможно
пропаять поверхностно-монтируемые компоненты с
четырехсторонней разводкой выводов
(например, кристаллоносители с выводами). Чтобы
уменьшить эффект затенения, прямоугольные
чипы следует размещать перпендикулярно
направлению движения волны.
Пайка ПУ в парогазовой фазе. Пайка в
паро-газовой фазе начинается с нанесения
способом трафаретной печати припойной
пасты на контактные площадки ПП. Затем на
поверхность платы устанавливаются ПМ ИЭТ.
В ряде случаев припойную пасту
просушивают после нанесения с целью удаления из
ее состава летучих ингредиентов или
предотвращения смещения компонентов
непосредственно перед пайкой. После этого плата
разогревается до температуры расплавления
припойной пасты. В результате образуется паяное
соединение между контактной площадкой
платы и выводом ПМ ИЭТ.
Пайка в паро-газовой фазе является
разновидностью пайки расплавлением
дозированного припоя, в ходе которой пары
специальной жидкости конденсируются на
коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту
парообразования открытым участкам ПУ. При
этом припойная паста расплавляется и
образует галтель между выводом компонента и
контактной площадкой платы. Когда температура
платы достигает температуры жидкости,
конденсация прекращается, в результате чего
заканчивается и нагрев пасты. Повышение
температуры платы от ее начальной температуры
(например, окружающей среды перед пайкой)
до температуры расплавленного припоя
осуществляется очень быстро и не поддается
регулированию. Поэтому необходим
предварительный подогрев платы с компонентами для
уменьшения термических напряжений в
компонентах и местах их контактов с платой.
Температура расплавления припоя также не
регулируется и равна температуре кипения
(рис. 6.1.26).
Подача изделия Выход готового
и предварите ль- Пайка расплавлением изделия и его
1ый нагрев дозированного припоя ^охлаждение
Плата с установленными
компонентами
Охладитель
Пары фторуглеводорода ,

Смонтированная КП
Вентиляционное
отверстие
Вентиляционное
отверстие
Нагреватель
Рабочий контейнер
из
стали
Кипящий жидкий фтор угле водород
Рис. 6.1.26. Схема пайки в парогазовой фазе с использованием одной технологической среды

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
589
Пайка расплавлением дозированного
припоя инфракрасным нагревом. Пайка ПМ ИЭТ,
собранных на коммутационной плате, с
помощью ИК-нагрева аналогична пайке в
парогазовой фазе за исключением того, что нагрев
платы с компонентами производится не
парами жидкости, а ИК-излучением.
Основным механизмом передачи
теплоты, используемым в установках пайки с ИК-
нагревом, является излучение. Передача
теплоты излучением имеет большое преимущество
перед теплоотдачей за счет теплопроводности
и конвекции, так как это единственный из
механизмов теплопередачи, обеспечивающий
передачу тепловой энергии по всему объему
монтируемого устройства. Остальные
механизмы теплопередачи обеспечивают передачу
тепловой энергии только поверхности
монтируемого изделия.
В процессе пайки ИК-излучением
скорость нагрева регулируется изменением
мощности каждого излучателя и скорости
движения конвейера с ПП. Поэтому термические
напряжения в компонентах и платах могут
быть снижены посредством постепенного
нагрева элементов.
Основным недостатком пайки с ИК-нагре-
вом является то, что количество энергии
излучения, поглощаемой компонентами и платами,
зависит от поглощающей способности
материалов, из которых они изготовлены. Поэтому
нагрев осуществляется неравномерно в
пределах монтируемого устройства. Пайка кристал-
лоносителей без выводов или с /-образными
выводами может оказаться невозможной в
установках с ИК-нагревом, если компонент
непрозрачен для ИК-излучения.
В некоторых установках для пайки с
ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения
применяются панельные излучающие системы.
В этом случае излучение имеет намного
большую длину волны, чем излучение
традиционных источников. Излучение такой излучающей
системы не нагревает непосредственно
микросборку, а поглощается технологической
средой, которая передает теплоту микросборке за
счет конвекции. Этот способ пайки устраняет
ряд недостатков, присущих традиционной
пайке с ИК-нагревом, - неравномерный
прогрев отдельных частей микросборки и
невозможность пайки компонентов в корпусах,
непрозрачных для ИК-излучения.
Лазерная пайка. Лазерная пайка (пайка
лучом лазера) не относится к групповым
методом, поскольку монтаж ведется по каждому
отдельному выводу либо по ряду выводов.
Однако бесконтактность приложения тепловой
энергии позволяет повысить скорость монтажа
до 10 соединений в секунду и приблизиться
по производительности к пайке в паровой
фазе и ИК-излучением.
По сравнению с другими методами
лазерная пайка обладает рядом существенных
преимуществ. Во время пайки печатная плата
и корпуса элементов практически не
нагреваются, что позволяет монтировать элементы,
чувствительные к тепловым воздействиям. В
связи с низкой температурой пайки и
ограниченной областью приложения теплоты резко
снижаются механические напряжения между
выводом и корпусом. Кратковременные
действия теплоты B0 - 30 мс) резко снижают
толщину слоя интерметаллидов, припой имеет
мелкозернистую структуру. Все это
увеличивает надежность паяных соединений. Установки
лазерной пайки могут быть полностью
автоматизированы, при этом для составления
программы пайки можно использовать данные
систем автоматизированного проектирования
(САПР) печатных плат.
Возможна пайка плат с высокой
плотностью компоновки ПМ ИЭТ, с размерами
контактных площадок до 25 мкм, без образования
перемычек на соседние соединения или их
повреждения.
При использовании хорошо
просушенной паяльной пасты выполненные с помощью
лазерной пайки паяные соединения не
образуют шариков припоя или перемычек, в
результате чего отпадает необходимость
применять паяльные маски.
При использовании лазерной пайки нет
необходимости в предварительном подогреве
многослойной печатной платы, что обычно
необходимо делать при пайке в паровой фазе
для предотвращения расслоения платы. Не
требуется также создавать какую-либо
специальную газовую среду. Пайка ведется в
нормальной атмосфере без применения инертных
газов или каких-либо химических реагентов.
При пайке не выделяются вредные химические
компоненты.
Для приклеивания ПМ ИЭТ не требуется
использовать специальные
высокотемпературные клеящие композиции, можно применять
обычные клеи.
Возможно проводить частичную сборку,
при которой отдельные элементы могут
устанавливаться позднее, что обычно недопустимо
при пайке в паро-газовой фазе, поскольку
недостающие элементы возможно установить
только вручную.
Лазерная пайка не является
альтернативным методом по отношению к групповым
методам пайки. Ее преимущества проявляются
при создании особо надежных паяльных
соединений в блоках с повышенной плотностью
компоновки.
Паяльные материалы (припои). Для пайки
ПП применяют почти исключительно
низкотемпературные оловянно-свинцовые припои.
Наиболее технологичными являются
эвтектические или околоэвтектические припои систе-

590
Глава 6.1. ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ
мы олово - свинец. Они отличаются низкой
температурой начала плавления, отсутствием
или малым (не более 5-10 °С) интервалом
температуры плавления и кристаллизации,
хорошим смачиванием многих металлов,
затеканием в зазор и т.п. Для пайки ПУ
применяют довольно узкую номенклатуру припоев
(табл. 6.1.4, 6.1.5).
В настоящее время применяют оловян-
но-свинцовые припои составов Sn63-Pb37,
Sn60-Pb40, Sn40-Pb60, Sn95-Ag5 и др.
Припои выпускаются в виде проволоки
или заполненной флюсом одно- или пятика-
нальной трубки, прессованной проволоки, в
которой каждое зерно припоя окружено
канифолью. Масса канифоли в целом не
превышает 0,8 - 1,2% массы припоя. Разработан
также композитный самофлюсующий припой
ПОС-61. Расход его на формирование
соединений на 10 - 30% ниже по сравнению с
расходом обычного проволочного припоя.
Флюсы для пайки аппаратуры делятся на
две группы: неактивированные - на основе
канифоли и полиэфирных смол - и
активированные. Канифоль состоит из смеси
нескольких слабых органических кислот, основная из
которых абиетиновая, растворяющая оксиды
меди, но не воздействующая на чистую медь.
Вместе с тем абиетинаты меди не являются
коррозионными продуктами. Канифоль и
полиэфирные смолы, попадая в диэлектрик
ПП, не снижают его сопротивление изоляции.
Неактивированные флюсы широко
применяются для пайки изделий ответственного
назначения и в качестве защитных покрытий,
сохраняющих паяемость ПП в условиях
длительного складского хранения.
В активированных флюсах присутствуют
активаторы - вещества, повышающие
флюсующую активность, в том числе амины,
слабые органические кислоты и др. Активаторы,
как правило, содержат ионы галогенов или
активные остатки, снижающие сопротивление
изоляции диэлектриков. Поэтому
активированные флюсы и их остатки следует тщательно
отмывать. Их рекомендуется применять при
высокопроизводительной механизированной
пайке, пайке плохо смачиваемых металлов
(никеля и др.). К этой группе относятся также
водорастворимые флюсы, не содержащие
канифоли (Л5, ФКГЭА и др.).
Активированные флюсы с активатором и
на основе неорганических кислот в
производстве радиоэлектронной аппаратуры не
применяются из-за их воздействия на паяемые
металлы и резкого снижения сопротивления
изоляции диэлектриков.
Припойные пасты (широко
распространен также термин "паяльная паста")
представляют собой механические смеси порошка
припоя, связующего вещества (или смазки),
флюса и некоторых других компонентов.
Пасту можно нанести ровным, точно заданным
слоем с помощью механизированных и
автоматизированных средств.
К припойным пастам предъявляются
специальные требования. Они не должны
окисляться, сильно и быстро расслаиваться,
должны долго сохранять свои реологические
свойства (т.е. способность к вязкому течению
и деформированию), не оставлять твердых
неудаляемых остатков после пайки, обладать
клеящими свойствами, не разбрызгиваться при
воздействии достаточно концентрированного
источника нагрева, не ухудшать электрические
характеристики ПП, растворяться в
стандартных растворителях, наноситься на поверхность
требуемым способом, быть не слишком
дорогими, и т.д.
Марка
припоя
ПОС-61
ПОС-40
ПОСК-50-18
ПОССу-61-0,5
ПОССу-40-0,5
ПОССу-30-0,5
ПСр-2,5
ПОСВи-36-4
6.1.4. Химический состш
i припоев
Массовая доля, %
Олово
59-61
30-41
49- 51
59 -61
39 -41
29- 31
5 - 6
Остальное
Свинец
Остальное
То же
••
it
«
••
»
35,5-36,5
Сурьма
-
-
-
0,05-0,50
0,05-0,50
0,05-0,50
-
-
Серебро
-
-
-
-
-
-
2,2-2,8
-
Висмут
-
-
-
-
-
-
-
3,5-4,5
Кадмий
-
-
17-19
-
-
-
-
-
Сумма
примесей
0,29
0,29
0,37
0,27
0,27
0,31
0,15
0,05

СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ
591
Марка припоя
ПОС-61
ПОС-40
ПОСК-50-18
ПОССу-61-0,5
ПОССу-40-0,5
ПОССу-30-0,5
ПСр-2,5
ПОСВи-36-4
6.1.5. Характеристики i
Температура плавления,
°С
начальная
183
183
142
183
183
183
295
150
конечная
190
238
145
189
235
255
300
170
Плотность
(при 20 °С),
кг/м3
8500
9300
8800
8500
9300
9700
11000
8600
припоев
Удельное

электросопротивление
р-106,Омм
0,139
0,159
0,133
0,140
0,169
0,179
0,214
0,165

Теплоемкость,
Вт/(м • К)
50,24
41,87
54,43
50,24
41,87
37,68
-
-

Коэффициент
линейного

расширения,
а • 106,
1/°С
24,0
-
21,0
23,4
25,0
-
-
-
Припойная паста обеспечивает
значительную (до 30 - 50%) экономию припоя
благодаря точечному дозированию. Клеящие
свойства некоторых паст позволяют
использовать их для фиксации ПМ ИЭТ и перед
пайкой.
К числу важных с технологической точки
зрения характеристик припойных паст
относятся вязкость, растекаемость в исходном
состоянии (или расплывание за пределы
нанесенной дозы), растекаемость во время пайки,
расслаиваемость (седиментация) - оседание
порошка в пасте при хранении, -
смачиваемость данного основного металла, которые
нужно учитывать при разработке процесса
пайки.
Основным компонентом припойной
пасты является порошок припоя его масса может
составлять 75 - 95 % массы припоя.
Содержание металла определяет толщину оплавленного
припоя, оседание и растекание порций пасты
и другие свойства. В случае использования
оловянно-свинцовых припоев объемное
содержание металла - около 60 %.
Размер и форма частиц порошка
оказывают сильное влияние на реологические
свойства пасты. Так, присутствие в пасте крупных
частиц ухудшает реологические свойства
пасты. При большом числе мелких частиц они
заполняют пространство между крупными
частицами и ухудшают текучесть пасты. Кроме
того,1 мелкие частицы имеют относительно
большую площадь поверхности, что
увеличивает скорость их окисления.
Форма частиц определяет во многом
способность пасты дозироваться каким-либо
способом. Если частицы имеют неправильную
форму - продолговатую, в виде чешуек и
т.п., - то паста начинает забивать мелкие
отверстия сетки трафарета или шприца дозатора.
Для таких паст единственно возможным
является дозирование через металлическую маску -
трафарет. Частицы припоя сферической
формы придают пасте способность к легкому про-
давливанию через узкие отверстия сетки или
дозатора.
Паяемость припойной пасты в
значительной степени зависит от окисленности и
загрязненности поверхности частиц порошка
припоя. По зарубежным стандартам припой не
должен содержать более 0,5 % кислорода. Но
важно не объемное содержание кислорода, а
количество его в тонком приповерхностном
слое, реагирующем в самом начале процесса с
флюсом и основным металлом. Отрицательное
влияние на свойства пасты оказывает также
углерод, который попадает на поверхность частиц
порошка из тары и упаковки в процессе
хранения и транспортировки. Поэтому на всех этапах,
начиная от изготовления порошка и кончая
пайкой, необходимо предотвращать взаимодействие
частиц с кислородом и углеродом.
Вводимый в припойную пасту флюс
играет ту же роль, что и при пайке компактным
припоем.
Обычно в пасту вводят те же флюсы,
которые используются и при обычной пайке.
Основные физико-химические свойства
припойных паст создаются благодаря
введению в порошок припоя 4 - 15 % связующих
веществ. Именно они (иногда с добавлением
растворителя) придают пасте нужную
консистенцию, препятствуют расслоению и
растеканию припойной пасты, повышают ее
разрешающую способность, придают клеящие
свойства, адгезию к подложке и т.п.

592
Глава 6.2. ИНДИКАТОРЫ
Связующее вещество нейтрально по
отношению к припою в ходе хранения и пайки,
а при нагреве и пайке улетучивается или
расплавляется без образования трудноудалимых
твердых остатков.
В качестве связующих веществ
используются органические смолы или их смеси,
разбавители и другие вещества. К ним добавляют
растворители, пластификаторы, тиксотропные
вещества. Последние препятствуют оседанию
частиц порошка припоя во время хранения и
обеспечивают заданный диапазон вязкости.
Выбор технологического оборудования.
Технологическое оборудование, применяемое
для производства печатных узлов, выбирают
исходя из вида технологического процесса
производства печатных узлов; конструкции
печатного узла;
конструктивно-технологических характеристик элементов, устанавливаемых
на печатные платы; объема производства.
Для крупносерийного и массового
производств с годовым объемом установки ПМ
ИЭТ более 20 млн. штук (производство
телевизоров, радиоприемников и другой бытовой
РЭА) экономически целесообразно
применение высокопроизводительных гибких
производственных модулей (ГПМ) для нанесения
клея, установки ИЭТ и ПМ ИЭТ
производительностью не менее 6000 элементов/ч,
другого высокопроизводительного оборудования,
объединенных с помощью транспортно-
накопительных устройств в гибкую
производственную линию.
В зависимости от объектов и структуры
производства РЭА с применением ПМ ИЭТ на
каждом предприятии автоматизированное
оборудование может быть использовано как в
виде отдельных ГПМ, так и для
формирования различных организационных типов гибких
производственных систем (ГПС).
Для мелкосерийного
многономенклатурного производства печатных узлов числом
устанавливаемых ИЭТ и ПМ ИЭТ 1,5 -
20,0 млн. в год целесообразно применение
высокопроизводительных ГПМ,
производственных модулей или автоматов с
длительностью цикла установки ПМ ИЭТ 4 - 5 с, а
также полуавтоматов (например светомонтажных
столов), оснащенных комплектом
технологической оснастки.
Для единичного производства
целесообразно использовать комплект технологической
оснастки.
На базе автоматизированного сборочного
оборудования, оборудования пайки и рабочих
мест монтажников создаются участки и цеха с
автоматической передачей печатных узлов
между сборочным оборудованием, рабочими
местами и установками пайки.
Такие участки применяются, как
правило, для досборки ПУ после установки
основной номенклатуры элементов на
автоматизированном оборудовании и при
многономенклатурном мелкосерийном выпуске.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильин В. А. Технология изготовления
печатных плат. Л.: Машиностроение, 1984.
2. Технология многослойных печатных
плат / Е. П. Котов, Ю. А. Устинов, А. А. Фе-
дулова и др. М.: Радио и связь, 1990. 208 с.
3. Лунд П.' Прецизионные печатные
платы. Конструирование и производство / Пер. с
англ. М.: Энергоатомиздат, 1983.
4. Мэнгин Ч.-Г., Макклелланд С.
Технология поверхностного монтажа. Будущие
технологии сборки в электронике. М.: Мир, 1990.
276 с.
Глава 6.2
ИНДИКАТОРЫ
6.2.1. ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Приборы отображения информации
(ПОИ) предназначены для представления
воспринимаемой информации в виде
изображений наблюдаемых объектов (телевидение) либо
в виде условных изображений, описывающих
процессы в компьютере, и результатов его
работы (дисплейное изображение). ПОИ также
воспроизводят на экране зависимость
электрических сигналов от времени (осциллография),
что является основным способом анализа этих
процессов.
Видеоинформация, отображаемая ПОИ,
содержит на три - четыре порядка больше
данных, чем можно получить с помощью
звука.
Три основные разновидности ПОИ -
телеэкран, дисплей и осциллограф - находят
широкое применение в телевидении,
компьютерной технике (дисплеи), радиолокации, ме-
тереологии, геологической разведке, пунктах
управления сложными машиностроительными,
энергетическими и административными
комплексами, военными объектами и т.д. В
каждой из перечисленных областей к ПОИ
предъявляют специфические требования, поэтому
расширяется номенклатура ПОИ и
изменяются параметры ПОИ.
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ).
Наиболее гибкими, универсальными и
высококачественными ПОИ являются ЭЛТ, которые
получили очень большое распространение в
системах отображения информации. Число
разновидностей ЭЛТ превышает несколько
сотен, но практически у каждой из них
имеются четыре аналогичных узла:

ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
593
узел накаливаемого катода, излучающего
электронный поток;
модуляторный узел, в котором
электронный поток, проходя через малое отверстие,
превращается в узкий пучок. Сила тока в
пучке зависит от амплитуды сигнала,
поступающего на модулятор;
фокусирующая система, сжимающая
пучок таким образом, чтобы на экране его
размеры были минимальными;
отклоняющая система, обеспечивающая
равномерное перемещение пучка по экрану.
Пятый узел формирует изображение,
яркость которого в каждой точке
пропорциональна силе тока пучка в ней. Этот узел
определяет различие ЭЛТ. В простейшем случае -
черно-белом кинескопе (применяемом в
черно-белых телевизорах и дисплеях) - пучок
непосредственно попадает на люминофорный
экран, вызывая в нем свечение.
В цветном кинескопе (цветные
телевизоры и дисплеи) пучки вначале попадают на цве-
тоделительную маску, а затем на слой
люминофора, образованного из точек разного цвета
свечения.
В квантоскопе пучок возбуждает тонкий
слой монокристалла, создавая лазерное
излучение, цвет которого зависит от типа
кристалла. Для получения цветного изображения
необходимо иметь три квантоскопа с крабным,
синим и зеленым цветами свечения, с которых
световые потоки проецируются на большой
отражательный экран.
Аналогично формируется цветное
изображение от трех проекционных цветных
кинескопов на отражательном экране.
В ЭЛТ светоклапанного типа пучок не
создает на люминофорном слое световой
поток, а меняет оптическую прозрачность
материала, покрывающего экран. На этот материал
поступает равномерный световой поток от
отдельного источника подсветки. Переменная
прозрачность светоклапанного слоя
модулирует световой поток, проходящий через него, и
на отражательном экране возникает
проекционное изображение, соответствующее
записанному на экране ЭЛТ.
Изменение прозрачности
светоклапанного слоя достигается использованием
различных физических принципов: вращения
плоскости поляризации, дифракционной решетки,
рельефографического и т.д. Технология
изготовления ЭЛТ описана в разд. 7.
Основным недостатком ЭЛТ является их
сравнительно большие размеры, что
обусловливает значительную массу. Этого недостатка
лишены матричные ПОИ.
Матричные ПОИ. В этих ПОИ
распределение поступающего сигнала по элементам
изображения реализуется его подачей на
электроды, образующие в своих пересечениях
отдельные элементы. С этой целью светоизлу-
чающий или светоклапанный слой помещают
между двумя параллельными плоскостями, в
которых расположены указанные электроды -
полоски, развернутые относительно друг друга
на 90 °. Экран состоит из совокупности
квадратных элементов под скрещивающимися
полосками. Матричная организация электродов
ПОИ позволяет уменьшить число каналов
управления с N до п = 2-JN , где п - число
элементов. Поочередное возбуждение
элементов ПОИ осуществляется поочередной подачей
на них напряжения. Такое возбуждение
требует поочередной коммутации большого числа
электродов (около 2000), что существенно
усложняет схему управления. Сложность схем
управления в значительной степени
компенсируется использованием интегральных схем,
позволяющих получить компактное и
сравнительно дешевое управляющее устройство.
Отсутствие в матричных ПОИ
электронного пучка и, соответственно, фокусирующей и
отклоняющей систем позволяет уменьшить
размеры ПОИ до нескольких сантиметров, что
дает возможность выполнить такой ПОИ с
общепринятыми габаритными размерами.
Существует и разрабатывается большое
число разновидностей матричных ПОИ, а
также вакуумно-люминесцентные индикаторы
(ВЛИ), в которых электронный поток на
люминесцентный экран создается совокупностью
накаливаемых нитей (арфа-катод):
электролюминесцентные
тонкопленочные ПОИ на основе неорганических
электролюминофоров, возбуждаемых приложенным к
ним напряжением;
жидкокристаллические ПОИ,
основанные на изменении прозрачности жидкого
кристалла (ЖК), при воздействии на них
напряжения в несколько вольт. Для цветных ПОИ
необходим отдельный источник подсветки, для
черно-белых ПОИ подсветка нужна только
при отсутствии внешней освещенности.
Разрабатывают следующие матричные
ПОИ:
на холодных катодах;
светодиодные, состоящие из светодиодов
(р-п-переходов), излучающих свет при
прохождении тока в прямом направлении;
электролюминесцентные на основе
органической электролюминесценции, имеющей
место при напряжении порядка 10 - 15 В.
Наиболее эффективными являются ПОИ
на ЖК с активной матрицей управления.
Наиболее перспективными являются
ПОИ на основе холодных катодов. По
ожидаемым параметрам они будут, превосходить
все известные и разрабатываемые
разновидности матричных ПОИ.
При выборе ЭЛТ или матричных ПОИ
следует учитывать преимущества ЭЛТ:

594
Глава 6.2 ИНДИКАТОРЫ
высокие светотехнические параметры
создаваемых ими изображений;
возможность работы с повышенной
четкостью. Имеются ЭЛТ, способные работать с
четкостью до 2000 строк (третий
телевизионный стандарт), и разрабатываются ЭЛТ с
четкостью 3000 и более строк;
допустимость существенного изменения
режима работы, что расширяет возможности
их применения;
возможность совершенствования;
отсутствие альтернативы осциллографи-
ческим ПОИ, особенно в области СВЧ.
Преимущества матричных ПОИ
следующие: малые габаритные размеры и масса;
быстрое развитие микросхемотехники,
упрощенное устройство управления; появление новых
разновидностей.
Области применения ЭЛТ и матричных
ПОИ следующие:
для телевидения, где малые габаритные
размеры не являются решающим фактором и
необходимы малая стоимость и высокая
технологичность ПОИ, в основном применяют ЭЛТ;
в больших вычислительных комплексах
используют дисплеи повышенной четкости,
для которых нет необходимости в малых
габаритах. В этой области ЭЛТ имеют
преимущества перед матричными ПОИ, четкость
которых ниже;
в осциллографии применяют только
ЭЛТ;
матричные ПОИ в основном используют
в малогабаритных персональных компьютерах,
в которых применение ЭЛТ невозможно
вследствие их больших габаритов. Существует
тенденция уменьшения габаритов ЭВМ и роста
парка персональных компьютеров, поэтому
растет потребность в матричных ПОИ.
Намечается быстрый роет выпуска
матричных ПОИ при сохранении массового
производства ЭЛТ для телевидения и* осциллографии.
6.2.2. КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИНДИКАТОРОВ
Электролюминесценция (ЭЛ) возникает
вследствие непосредственного преобразования
энергии электрического поля в световую.
Различают инжекционную
электролюминесценцию, которая возникает вследствие излуча-
тельной рекомбинации носителей заряда
разного знака в ^-л-переходе, смещенном в
прямом направлении приложением постоянного
напряжения (на этом эффекте основаны све-
тодиоды и полупроводниковые лазеры) и
предпробойную электролюминесценцию
(ПЭЛ), когда рабочее вещество изолировано от
металлических контактов и свечение возникает
в знакопеременном электрическом поле.
Предпробойная электролюминесценция
представляет собой излучательную
рекомбинацию в широкозонных полупроводниках; ее
возникновение связано с процессами ударной
ионизации в обратносмещенных
гетеропереходах. Наиболее яркая ПЭЛ наблюдается у
поликристаллических порошков сульфида цинка,
легированных медью (ZnS - Си), в которых в
виде линейных проводящих включений
формируется фаза CU2S.
На рис. 6.2.1, а показана зонная схема
отдельного зерна электролюминофора, на рис.
6.2.1, б, в - схемы гетеропереходов ZnS- C112S
при отсутствии внешнего напряжения и при
обратном смещении. При достаточно большой
разности потенциалов Аф дно зоны
проводимости ZnS опускается ниже верхнего края
валентной зоны C112S и возникает возможность
туннельного проникновения электронов из
CU2S в ZnS в направлении положительного
полюса (показано стрелками на рис. 6.2.1, в).
Эта схема поясняет, каким образом O12S
может служить источником разгоняемых полем
электронов.
Как и другие разновидности
люминесценции, ПЭЛ имеет стадии возбуждения,
переноса возбужденного состояния и излучения.
Для возбуждения ПЭЛ необходима
концентрация поля в локальных участках зерна
электролюминофора. Основным механизмом передачи
энергии электрического поля центрам
свечения (ионам Си) является ударная ионизация
центров "горячими" электронами. Согласно
общепринятой двухстадийной модели ПЭЛ
процессы возбуждения и излучательной
рекомбинации разделены пространственно и во
времени.
Си,$
ZnS-Си
JJsff
Cu2S
Cu2S
(P-rug
ZnS-Си
(п- тип)
Рис. 6.2.1. Зонные схемы гетероперехода C112S - ZnS:
а - отдельного зерна электролюминофора;
б - гетероперехода в отсутствие внешнего
электрического поля; в - гетероперехода при
обратном смещении (отрицательный потенциал
на полупроводнике /ьтипа)

КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРОВ
595
Рис. 6.2.2. Схема ЭЛК:
1 - стеклянная пластина; 2 - токопроводящая
прозрачная пленка; 3 - пленка Сг; 4 - пленка Ni;
5 - медный провод, присоединенный пайкой к Ni;
6 - ЭЛ-слой (поликристаллы электролюминофора,
распределенные в связующем);
7 - отражающий и защитный слой
(порошок ВаТЮз в связующем); 8 - Al-пленка
В электролюминесцентных источниках
света (ЭЛИС) используются ЭЛ-слои,
состоящие из частиц поликристаллического
порошкового электролюминофора, распределенных в
полимерном связующем (лак на основе
эпоксидной смолы или цианэтилцеллюлозы). Такие
слои могут быть сформированы на большой
площади пульверизацией или сеткографией.
ЭЛ-слой, расположенный между двумя
плоскими электродами, представляет собой
электролюминесцентный конденсатор (ЭЛК)
(рис. 6.2.2). Для вывода излучения из ЭЛК
один из электродов выполнен в виде
прозрачной токопроводящей пленки оксида олова или
индия, нанесенной на стеклянную подложку.
Яркость в ЭЛК зависит от приложенного
напряжения (U):
где Bq и b - константы при фиксированной
частоте возбуждающего напряжения. В
диапазоне звуковых частот 50 - 1000 Гц зависимость
яркости от Частоты 'линейная, а при более
высоких частотах - сублинейная. Цвет
свечения ЭЛК определяется активатором основы
ЭЛ-слоя. Характеристики ЭЛК при различных
частотах возбуждения представлены в
табл. 6.2.1.
Первая технологическая операция
изготовления ЭЛК и любого ЭЛ-устройства
заключается в формировании сплошного
прозрачного электрода на стеклянной подложке
методом аэрозольного распыления или ВЧ-
магнетронного распыления. Вторая операция -
нанесение металлической пленки по
периферии подложки. Далее проводят формирование
контактных площадок фотолитографией. На
прозрачный электрод наносят ЭЛ-слой
толщиной 40 - 50 мкм, полимеризацию которого
(для отверждения связки) проводят выдержкой
при температуре 110 - 130 °С в течение 2 - 3-х ч.
На ЭЛ-слой наносят слой толщиной 20 -
40 мкм, совмещающий функции защитного и
отражающего покрытия, в качестве
наполнителя которого обычно используют порошок ти-
таната бария, а в качестве связки -
высокополярный полимер (например, лак ВС-530).
Верхним электродом служит сплошная пленка
алюминия, нанесенная вакуумным
испарением. После припайки выводов к контактным
площадкам производят герметизацию триплек-
сованием и парафинированием стыков между
подложкой и покровным стеклом. В связи с
простотой технологии изготовления и малым
потреблением электроэнергии ЭЛ-изделий на
основе порошковых электролюминофоров для
ПЭЛ нашли нирокое применение в технике.
ЭЛИС со светящейся надписью "Выход"
применяется в качестве аварийно-сигнального
указателя выхода из помещений массового
пользования (кинозалы, театры, концертные
залы, цирки и т.п.). Надпись различается на
расстоянии 30 м. При питании от электросети
220 В, 50 Гц ЭЛИС потребляет мощность не
более 0,1 Вт. При замене лампы накаливания
минимальной мощности 15 Вт на ЭЛИС и
при круглосуточной эксплуатации ЭЛИС в
течение года экономия электроэнергии
составляет 132 кВт-ч. При установке 100 000 таких
светильников (годовая потребность зрительных
залов) годовая экономия составляет 13 млн.
кВт-ч. Кроме того, при массовом применении
ЭЛИС, которые дают чисто емкостную
нагрузку, уменьшается cos ф электростанций, и в
этом случае отпадает необходимость создания
громоздких блоков-зданий из конденсаторных
батарей, которые обычно строят вблизи
электроподстанций для уменьшения cos (p.
Цвет
свечения
Красный
Оранжево-красный
Желтый
Зеленый
Голубой
Белый
6.2.1.
Максимальная
длина волны, нм
670
650
570
525
465
-
Характеристике ЭЛК
Яркость,
50
1 - 3
2-6
15-25
18-25
8- 15
10- 15
кд/м2, при частоте
400
10- 15
20- 30
80 - 150
80 - 140
40- 50
40- 50
>,Гц
1000
15 - 30
25-40
150 - 250
170 - 280
80 - 100
70- 90

596
Глава 6.2. ИНДИКАТОРЫ
ЭЛИС "Выход" характеризуется
"холодным" свечением, высокой долговечностью,
пожаробезопасностью, отсутствием внезапных
отказов.
ЭЛИС размером 300 х 300 мм с желтым
излучением и оранжевым пленочным
фильтром используется в качестве ЭЛ-фотофонарей
для неактиничного освещения рабочих мест, в
которых производятся изготовление и
обработка кинофотоматериалов. По сравнению со
стандартным фотофонарем - софитом с
лампой накаливания - ЭЛ-фотофонарь более
компактен, при работе не разогревается,
потребляет значительно меньшую мощность (не
более 0,5 Вт). Благодаря своему спектру
излучения ЭЛ-фотофонарь не оказывает вредного
влияния на глаза при длительном работе, что
обеспечивает возможность снижения риска
профессиональных глазных заболеваний.
ЭЛИС в составе портативного
электрокопировального прибора применяют для
снятия фотокопий с документов, а также
используют для подсветки клавишных сетевых
выключателей, подсветки дисковых
номеронабирателей телефонных аппаратов и т.п. ЭЛ-слой
наносится из суспензии, состоящей из
порошкового электролюминофора и легкоплавкого
стекла, которое оплавляется при температуре
600 - 620 °С. Второй, полупрозрачный,
электрод состоит из пленки диоксида олова,
нанесенной аэрозольным напылением.
Разработаны гибкие ЭЛИС толщиной
0,25 мм, имеющие срок службы 10 000 ч при
яркости 15 кд/м2.
Многоцветные ЭЛИС с фиксированной
символьно-графической информацией
(ЭЛ-мнемосхемы) применяются на пультах
управления атомных электростанций. Большое
распространение ЭЛ-индикаторы многих
типов на основе ПЭЛ получили в ракетно-
космической технике в качестве элементов
систем отображения информации.
Для замены рентгеновской пленки в
промышленной дефектоскопии был разработан
рентгеночувствительный двухслойный ЭЛ-
экран с запоминанием изображения. На
стеклянную подложку последовательно нанесены
прозрачная пленка SnC>2 A-й электрод), ЭЛ-
слой, управляющий слой на основе оксида
цинка и пленка алюминия B-й электрод). В
качестве защитного покрытия использована
лавсановая пленка. Подготовка экрана к
работе производится нагревом его до ПО °С в
течение 0,5 ч, при этом яркость экрана при
подаче на электроды сетевого напряжения
220 В, 50 Гц составляет десятые доли кд/м2.
При размещении какого-либо объекта со
стороны второго электрода и экспонировании его
рентгеном на экране создается скрытое
полутоновое изображение просвечиваемого объекта.
При расстоянии от антикатода рентгеновской
трубки 0,5 м, напряжении на трубке 70 кВ и
силе тока 2 мА при экспозиции 30 с яркость
экрана в зеленом спектре составляет не менее
5 кд/м2, минимальная разрешающая
способность три пары линий на миллиметр. Для
визуализации рентгеновского изображения
объекта необходимо включить экран в сеть,
причем эта операция может быть повторена
неоднократно, поскольку время сохранения
изображения составляет несколько суток. При
прогреве экрана в течение 30 - 40 мин при
температуре ПО °С изображение стирается и
экран готов для записи другого рентгеновского
изображения.
Несмотря на высокую внутреннюю
эффективность, максимально достижимые
значения яркости порошковых
электролюминофоров недостаточны для создания индикаторов
дисплейного типа с большой
информационной емкостью, поэтому следующим шагом в
развитии ЭЛ-техники было появление
высокоярких и стабильных тонкопленочных
электролюминесцентных структур (ТПЭЛС). Первые
тонкопленочные электролюминофоры (или
сублиматлюминофоры) имели максимальную
яркость до 150 кд/м2 при частоте 50 Гц и
сроке службы до 10 000 ч. При таком уровне
яркости оказалась вполне возможной реализация
на плоском экране.
В отличие от жидкокристаллических
индикаторов ТПЭЛ- индикаторы (ТПЭЛИ)
представляют информацию не в пассивной, а в
активной форме и поэтому не нуждаются в
специальной подсветке. Не нуждаются они и в
подогреве, поскольку функционируют при
низких температурах (до - 60 °С). В отличие от
электронно-лучевых трубок ТПЭЛИ намного
компактнее и легче. Отсутствие мерцаний и
большая экономичность отличают их от
газоразрядных индикаторов. Для ТПЭЛИ
характерны высокое быстродействие (малая
инерционность) и большой угол считывания
информации. По сравнению с индикаторами у них
выше разрешающая способность_(до 16 пар
линий на 1 мм).
Эргономическая экспертиза на
международном уровне пришла к заключению, что в
перспективе в качестве полностью
приспособленного для человеческого глаза
персонального компьютера более всего подходит ТПЭЛ-
дисплей (ТПЭЛД).
В своем развитии ЭЛ-техника прошла
несколько стадий. В 1977 г. началась
разработка серийной технологии изготовления ТПЭЛС
и проведена разработка iV-канальных
высоковольтных МДП
(металл-диэлектрик-полупроводник) - интегральных схем. В 1983 г.
начато серийное производство ТПЭЛД, а
также разработаны /^-канальные высоковольтные
МДП ИС и ^-^-симметричные схемы
управления, в 1986 г. началось производство
ТПЭЛД большой площади с числом элементов

КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНДИКАТОРОВ
597
640 х 480, а с 1989 г. производятся ТПЭЛД с
полутоновым изображением и
высокоинформативные дисплеи с числом элементов 1024 х
800.
Конструкция средней части ТПЭЛД
показана на рис. 6.2.3. На системе параллельных
прозрачных полосковых электродов (из
пленки I112O3 : Sn) последовательно расположены:
пленка диэлектрика (одиночная или
составная), активный слой, вторая диэлектрическая
пленка и система полосковых электродов из
алюминия, ортогональных прозрачным
электродам. Для повышения контраста перед
вторым электродом часто вводится светопогло-
щающий слой. Все слои расположены на
стеклянной пластине толщиной 1,5-2 мм;
суммарная толщина активного слоя и двух
диэлектрических слоев составляет около 1 мкм.
Формирование изображения на экране
ТПЭЛД происходит при возбуждении
отдельных элементов разнополярными импульсами
на строках и столбцах. При этом используется
принцип построчного сканирования и широт-
но-импульсная модуляция видеосигнала,
подаваемого на столбцы матрицы с помощью
схемы адресации.
Наиболее эффективные и яркие ТПЭЛС
те, у которых активный слой имеет основу
ZnS и активатор - Мп. Цвет излучения -
желто-оранжевый, янтарный с максимумом
спектра при длине волны 582 - 585 нм. Слой ZnS
должен быть легирован донорами и
акцепторами и хорошо скомпенсирован.
Диэлектрические слои должны обладать способностью
удерживать поляризационные заряды на грани
Рис. 6.2.3. Средняя часть ТПЭЛД
(без периферийной металлизации, контактных
площадок и обрамляющих интегральных схем):
/ - стеклянная подложка; 2 - токопроводящее
прозрачное покрытие, выполненное в виде
параллельных полосок шириной 0,2 - 0,3 мкм с
промежутками 0,08 - 0,15 мкм;
3 - первый составной диэлектрический слой;
4 - ЭЛ-слой; 5 - второй составной диэлектрический
слой; 6 - контрастирующий слой;
7 - алюминиевая пленка в виде тонких полосок,
ортогональных полоскам первого электрода;
8 - защитное стекло; 9 - кремнийорганическая
жидкость ФМ-1; 10- эпоксидный компаунд;
11 - направление прозрачных электродов
цах с активным слоем. Процесс возбуждения
свечения в ТПЭЛС включает следующие
стадии (рис. 6.2.4): 1) высвобождение носителей
заряда (электронов) с приграничных
состояний посредством туннельной эмиссии; 2)
баллистическое ускорение электронов в
электрической поле; 3) ударное возбуждение
"горячими" электронами центров свечения; 4)
излучательная релаксация активных центров;
5) переход носителей в приграничные
состояния или состояния в объеме активного слоя.
Кроме того, возможны процессы ионизации
основы и глубоких центров, что влечет за
собой образование объемного заряда и
искривление зон вблизи катода. Механизм ЭЛ
характеризуется двумя полевыми порогами:
полевым порогом туннелирования Et> значение
которого зависит от распределения
приграничных состояний и от количества
захваченного границей заряда, и порогом Е&
характеризующим процесс ускорения без потерь с
разменом на фононы. Если носители туннели-
руют при Et> меньшем, чем Еъ<> необходимом
для беспрепятственного баллистического
ускорения, эффективность снижается (должно
выполняться условие Et >
Рис. 6.2.4. Зонная схема ТПЭЛС:
а - основные процессы, происходящие под
действием поля;
1 - туннелирование электронов из уровней на границе
раздела активного и диэлектрического слоев;
2 - баллистическое ускорение электронов;
3 - ударное возбуждение Мп-центров;
4 - ионизация глубоких центров;
5 - ионизация решетки; 6 - захват электронов
уровнями на противоположной границе раздела;
Д - диэлектрик; Э - электрод;
6 - искривление зон в результате образования
объемного положительного заряда

598
Глава 6.2. ИНДИКАТОРЫ
Эквивалентная схема ТПЭЛС может быть
представлена в виде последовательного
соединения емкостей Сд (емкости диэлектрических
слоев) и Са (емкости активного слоя), причем
Са зашунтирована двумя стабилитронами,
включенными навстречу друг другу. Активный
слой ТПЭЛС содержит минимум три зоны,
параметры которых должны быть
оптимизированы: внутренний эффективный катод; зону
разгона носителей заряда до энергии свыше
2,3 эВ (ширина этой зоны порядка 30 нм) и
зону "мишени", которая должна быть
легирована, поскольку яркость ЭЛ несет
концентрационный максимум. При захвате носителей
заряда объемными или приграничными
состояниями происходит образование
поляризационного поля, которое нейтрализует внешнее
поле, а при перемене полярности складывается
с внешним полем. При однополярных
импульсах свечения не наблюдается. .
Структурная схема технологического
процесса изготовления ТПЭЛД показана на
рис. 6.2.5. Стеклянную подложку
обрабатывают ультразвуком в смеси растворителей, а
затем производят сушку в парах фреона. Токо-
проводящее покрытие на стекло наносят
методами термического испарения (I112O3),
прямоточного реактивного распыления, магнетрон-
ного распыления, химического вакуумного
осаждения (I112O3 : Sn), ВЧ-распыления
(Cd2SnO4), аэрозольного распыления на
горячую подложку (S11O2 : Sb).
Для матрицы с большим разрешением
(высокоинформативный дисплей)
минимальное поверхностное сопротивление прозрачного
электрода должно быть не более 5,5 Ом на
квадрат.
Периферийную металлизацию наносят
обычно вакуумным осаждением двухслойного
покрытия Сг -Ni. Формирование полосковых
электродов и контактных площадок
производят фотолитографией.
Из диэлектрических материалов и их
композиций наиболее подходящими по своим
свойствам для ТПЭЛС является сочетание
оксинитрида кремния (SiOxNy) с тонким
подслоем оксида кремния (SiC>2). Толщина пленки
SiO2 0,05 - 0,1 мкм, пленки SiOJNy - 0,25 -
0,35 мкм, обе пленки наносят в ВЧ-плазме,
содержащей пары кислорода или смеси
кислорода с азотом, используя в качестве мишени
кремниевую пластину.
На диэлектрические слои наносят
активный слой. При использовании в качестве
основы ZnS наиболее яркое желто-оранжевое
свечение получают, активизируя ZnS
марганцем, наиболее яркое зеленое - используя ТоБз,
и наиболее яркое красное - S111F3. Активные
слои ZnS : Mn наносят электронно-лучевым
испарением, и наилучшие результаты
обеспечивает использование двух независимых
источников (ZnS и Мп). Этот метод позволяет
получать равномерное и контролируемое
распределение активатора (Мп) в основе (ZnS).
1. Химическая
обработка (очистка
подложки)
2. Нанесение пленки
1п2О3 : Sn
3. Нанесение
периферийной металлизации
4. Формирование
полосковых прозрачных
электродов и
контактных площадок
5. Нанесение 1-го
составного
диэлектрического слоя
6. Нанесение
активного слоя
7. Нанесение 2-го
диэлектрического
составного слоя
8. Нанесение
контрастирующего покрытия
(используется в
ТПЭЛД для бортовых
систем)
9. Формирование
полосковых электродов
из пленки А1,
ортогональных прозрачным
электродам
10. Герметизация
11. Тренировка,
измерение параметров
12. Многоконтактные
соединения
13. Монтаж схемы
управления
14. Сборка комплек-
сированного
устройства (модуля)
15. Измерение
параметров
Рис. 6.2.5. Структурная схема технологического процесса изготовления ТПЭЛД

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
599
Отжиг активного слоя в вакууме при
температуре 400 - 500 °С в течение нескольких часов
улучшает электрофизические и оптические
свойства слоя. Для нанесения слоя ZnS : Mn
используют метод послойной атомной эпитак-
сии. Этот метод обеспечивает высокую степень
кристаллической упорядоченности слоя и при
этом отпадает необходимость в межоперацио-
ном отжиге. В серийном производстве ТПЭЛД
используется метод вакуумного химического
осаждения слоев из металлоорганических
соединений. Активные слои ZnS : TbF3 зеленого
цвета свечения наносят методом ВЧ-
магнетронного распыления. Уровень яркости
зеленой ЭЛ, достигаемый в этом случае,
достаточен для создания полноцветного дисплея.
Но для разработки высокоярких ТТТЭЛС
красного и синего цветов излучения в качестве
основы активного слоя используют
широкозонные сульфиды щелочно-земельных
металлов (BaS, CaS, SrS) с редкоземельными
активаторами (Ей, Се). При формировании пленок
из этих соединений требуется поддерживать
температуру подложки достаточно высокой (не
ниже 600 °С).
В качестве основы активного слоя
используется соединение SrGa2S4,
активированное редкоземельными элементами.
На активный слой наносят второй
диэлектрическим слой, такой же, как первый
или состоящий из подслоев SiOxNy и AI2O3.
При создании ТПЭЛД, работающих при
высокой внешней освещенности, для повышения
контраста перед вторым электродом методом
ВЧ-магнетронного распыления наносят свето-
поглощающее покрытие из тонких -пленок
твердых растворов оксидов Рг-Mn, Pr-Ni, Рг-
Со или из смеси GaAs и HflC>2.
Второй электрод представляет собой
нанесенную вакуумным испарением пленку
алюминия толщиной менее 0,1 мкм. При
такой толщине пленки любой случайный
микропробой приводит к возгонке низкоэнталь-
пийного алюминия, при этом зона пробоя
ограничивается диаметром около 10 мкм.
После формирования системы полоско-
вых электродов фотолитографией производят
герметизацию структуры для защиты от
проникновения паров атмосферной влаги к
активному слою. Всю рабочую зону закрывают
пластиной неорганического стекла,
прикрепляя его к подложке по периметру эпоксидным
компаундом. Поскольку эпоксидная
композиция (как и любой полимер) в отличие от
металла и стекла не является вакуумноплотным
материалом, полость между покровным
стеклом и пятислойной структурой заполняют
гидрофобной кремнийорганической
жидкостью ФМ-1. Эта жидкость обладает высокой
проникающей способностью, тепло- и влаго-
устойчивостью, инертностью по отношению к
слоям, имеет низкое давление паров и малый
коэффициент линейного расширения.
Операция тренировки представляет собой
выдержку полученной структуры в течение
30 - 100 ч в рабочем или форсированном
режиме.
Монтаж схемы управления производится
разваркой ИС на станках с программным
управлением. Эта технология позволяет
формировать на одной подложке вместе с
матрицей биполярные схемы управления, полевые
транзисторы, КМОП (комплементарный
металл-оксид-полупроводник) - логические
схемы и МОП-схемы возбуждения с двойной
диффузией. При этом обеспечивается высокая
плотность гибких соединений (9 - 10 на
миллиметр) между гибридными схемами и
матрицей индикатора.
ТПЭЛД применяют в следующих
системах измерений: логических анализаторах,
электронных микроскопах, анализаторах
электрических схем, приборах для научных
исследований, медицинской аппаратуре; в
оборудовании и системах промышленного контроля:
программных контроллерах, роботах,
конвейерных процессорах, контрольных системах для
автоматизированной железной дороги,
телеметрических системах контроля.
6.2.3. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ, ПРИНЦИП
ДЕЙСТВИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
6.2.3.1. ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ЭФФЕКТЫ
ИЗМЕНЕНИЯ ИХ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Приборы визуального отображения
информации основаны на электрооптических и
других физических эффектах в жидких
кристаллах. ЖК ПОИ делятся на ЖК-индикаторы
(ЖКИ) (рис. 6.2.6.) прямого наблюдения и
проекционные, ЖК-модуляторы света, ЖК-
преобразователи изображения на осно-ве
структуры фотопроводник - жидкий кристалл
и приборы визуализации электрических,
тепловых и акустических полей. Они
предпочтительны для применения в малогабаритных
приборах с автономным питанием, поскольку
сочетают высокую экономичность с высокими
эргономическими и эксплуатационными
характеристиками .
Рис. 6.2.6. Схема ЖКИ:
/ - передняя пластина;
2 - электроды семисегменгного знакоместа;
3 - выводы; 4 - токоперевод; 5 - герметик;
6 - задняя пластина; 7 - общий электрод

600
Глава 6.2. ИНДИКАТОРЫ
3*56 73 в
Рис. 6.2.7. Схема ЖК ПОИ:
1 - просветляющее покрытие; 2, 8 - стеклянные
подложки; 3 - прозрачное проводящее покрытие;
4 - жидкий кристалл; 5 - диэлектрическое зеркало;
6 - светоблокирующий слой; 7 - фотопроводник;
8 - герметик; 9 - записывающий свет;
10 - считывающий свет
Рис. 6.2.8. Схема матричного ЖКИ:
1 - стеклянная подложка;
2 - столбцовые электроды (оксид индия-олова);
3 - строчные электроды (оксид индия-олова);
4 - схема управления столбцами;
5 - система управления сроками
ЖК ПОИ (рис. 6.2.7) являются светокла-
панными приборами, действие которых
основано на изменении ориентации жидкого
кристалла при воздействии внешних полей (чаще
электрического) и соответствующих ему
изменений оптических свойств.
ЖКИ являются знакосинтезирующими
(ЗСИ) и предназначены для визуального
отображения информации путем синтеза
необходимого изображения из совокупности
дискретных элементов. Различают мозаичные,
матричные (рис. 6.2.8.) и аналоговые ЖКИ.
В мозаичных индикаторах каждый
дискретный элемент изображения имеет свой
электрический канал управления.- Вид
отображаемой информации определяется формой
электродов (сегменты цифровых или цифробу-
квенных знакомест, условные символы, слова
и элементы мнемосхем).
В матричных ЖКИ элементы
отображения объединены в группы, имеющие один
общий электрод, число каналов управления
значительно меньше числа элементов
отображения. Здесь используется разделение во
времени сигналов управления (мультиплексное
управление).
Матричные ЖКИ для отображения
большего объема произвольной информации
конструктивно содержат большое число
одинаковых элементов отображения,
образованных на пересечении двух взаимно
ортогональных систем электродов - строк и столбцов.
Матричные ЖКИ делятся на два класса: с
непосредственным мультиплексным управлением
и активноматричные с внутренними
нелинейными управляющими элементами
(транзисторами, диодами, варисторами и др.) и
внутренней памятью.
Аналоговые ЖКИ предназначены для
отображения информации, представленной в
аналоговой форме и управляются аналоговым
непрерывным сигналом.
ЖК-модуляторы света и преобразователи
изображения предназначены для покадровой
обработки и отображения информации.
Особую группу ЖК ПОИ составляют
приборы на основе термоэлектрооптического
эффекта в холестерических и смектических
ЖК с лазерной адресацией информации. Эти
приборы обладают большой оптической
памятью (годы), способностью к выборочной
перезаписи информации и сверхбольшой
разрешающей способностью.
Жидкими кристаллами называют
органические жидкости, обладающие в определенном
температурном диапазоне упорядоченностью
анизотропных молекул и, следовательно,
анизотропией физических свойств, характерной
для кристаллического состояния вещества.
Жидкокристаллическое (мезоморфное)
состояние существует только у веществ с
анизотропной формой молекул и получается либо
при плавлении молекулярных кристаллов
(термотропные ЖК), либо при растворении их
в определенных растворителях (лиотропные
ЖК). В электронике используются только
термотропные ЖК. По типу упорядоченности
они делятся на нематические (нематики) и
смектические (смектики).
Нематические ЖК характеризуются
наличием только ориентационной
упорядоченности и однородной по объему ориентацией в
отсутствие внешних полей. Их
разновидностью являются холестерические ЖК, у которых
преимущественная ориентация направлена по
спирали из-за анизотропии межмолекулярного
взаимодействия.
Смектические ЖК помимо
ориентационной упорядоченности обладают
определенным типом одномерной или двумерной
трансляционной упорядоченности и имеют слоистое
строение с ослабленной связью между слоями.
Из смектических ЖК наибольшее практиче-

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
601
ское значение имеют ЖК типов А и С, в
которых трансляционный порядок внутри слоев
отсутствует. В смектике А молекулы в слое
перпендикулярны плоскости слоя, в смектике
С молекулы имеют определенный наклон к
плоскости слоя. Симметрия смектики С
допускает возможность возникновения сегнето-
электрической фазы (т.е. появляется
упорядоченность дипольных моментов молекул) и
возникновения спонтанной поляризации
объема ЖК, направленной вдоль слоя
перпендикулярно плоскости наклона молекул.
Из всего многообразия
жидкокристаллических веществ наиболее широко в
производстве ЖКИ используются органические жидкие
кристаллы, к которым, в первую очередь,
относятся алкокситоланы, трансциклогексановые
кислоты, цианофениловые эфиры, бензойные
кислоты, фениловые эфиры терефталиевых
кислот, анилины, алкилазоксибензолы, циано-
бифенилы, цианотерфенилы, пиримидины,
бензолы и другие вещества. Кроме того,
применяются специальные добавки: хлораны,
дихлордицианбензохинон, тетрацианэтилен, а
также добавки на основе тетра-алкил-аммоний
галогенида и эфиронитрилы.
К ЖК-веществам предъявляются
следующие требования:
воспроизводимый и контролируемый
химический состав;
широкий температурный интервал
существования мезофазы;
способность растворять заданное
количество токопроводящих, донорно-акцепторных и
других добавок без выпадения их в осадок;
инертность к материалам, деталям и
узлам, с которыми они контактируют;
электрохимическая, термическая,
радиационная, фотохимическая стабильность в
условиях эксплуатации;
высокая химическая стойкость к
окислению, гидролизу, полимеризации и т. п.;
минимальная вязкость в рабочем
интервале температуры;
слабая зависимость анизотропных и
вязкостно-упругих характеристик от температуры;
минимальное давление насыщенных
паров;
отсутствие токсичных компонентов.
Анизотропия таких физических свойств
ЖК, как анизотропия диэлектрической
восприимчивости, проводимости, вязкости и
упругости, оптическая анизотропия,
определяются ориентационной упорядоченностью ЖК и
обусловливает разнообразие физических
эффектов в них и, в частности, электро-, термо-,
акустооптических. Наиболее важные из них
используются в ЖК ПОИ.
Электрооптические эффекты ЖК
заключаются в изменении оптических свойств
тонкого A-20 мкм) слоя ЖК из-за
переориентации его во внешнем электрическое поле.
Их разделяют на три вида:
электрогидродинамические,
возникающие при прохождении ионного тока через
слой ЖК и приводящие к турбулизации ЖК и
сильному рассеянию света на возникающих
неоднородностях ориентации;
ориентационные, при которых внешнее
поле взаимодействует с ЖК благодаря
анизотропии диэлектрической проницаемости в
нематиках и холестериках (твист- и
супертвист-эффекты, я-ячейка и др.) или благодаря
наличию спонтанной электрической
поляризации в сегнетоэлектрических смектиках;
электротермооптические, заключающиеся
в образовании однородной или неоднородной
(рассеивающей свет) структуры в зависимости
от приложенного электрического поля в
процессе охлаждения ЖК.
К электрогидродинамическим (ЭГД)
эффектам относятся эффект динамического
рассеяния света в нематиках и эффект "памяти" в
холестерических и смектических ЖК. Они
заключаются в турбулизации слоя ЖК при
прохождении ионного тока и появлении
сильного рассеяния света на границах областей с
различной ориентацией ЖК вследствие его
оптической анизотропии. Эффект
динамического рассеяния имеет пороговое напряжение
возникновения, его значение сильно зависит
от частоты. ЭГД-эффект в холестериках и
смектиках приводит после снятия напряжения
к образованию очень неоднородной
конфокальной текстуры, рассеивающей свет.
Конфокальная текстура переходит в нерассеивающую
планарную при приложении электрического
поля с частотой f^> -превышающей частоту
релаксации пространственного заряда:
где Ст| I и si | - составляющие соответственно
проводимости и диэлектрической
проницаемости в направлении, параллельном
преимущественному направлению ориентации
молекул; so -диэлектрическая проницаемость
вакуума. ЭГД-эффекты практически не
используются в индикаторной технике из-за
относительно высокого энергопотребления, больших
управляющих напряжений, сильной
температурной зависимости параметров и малого
срока службы.
Ориентационные эффекты в ЖК
заключаются в переориентации ЖК во внешнем
поле в направлении наибольшей
поляризуемости и изменении при этом эффективного
двухлучепреломления слоя. Они приводят к
фазовой модуляции света, для их наблюдения
требуется поляроиды.

602
Глава 6.2. ИНДИКАТОРЫ
Твист-эффект наблюдается в
закрученном на 90 ° нематическом ЖК с
положительной диэлектрической анизотропией.
Закрученная на 90 ° структура ЖК-слоя создается
взаимно ортогональной ориентацией ЖК на
подложках путем специальной обработки их
поверхностей. Если поляризация падающего
света параллельна ориентации ЖК на одной
из подложек, то такая структура поворачивает
плоскость поляризации падающего света на
90°.
Электрическое поле переводит твист-
структуру в гомеотропное состояние, не
вращающее плоскость поляризации. Поэтому в
скрещенных поляроидах невозбужденное
состояние светлое и пропускание, мало зависит
от длины волны, возбужденное состояние -
темное; в параллельных поляроидах картина
обратная.
Крутизна характеристики напряжение -
контрастность твист-эффекта достаточно
велика и при использовании лучших ЖК-веществ
допускает мультиплексное управление со
степенью мультиплексирования до 100 : 1. Время
переключения составляет 100 - 300 мс и
сильно зависит от температуры.
Твист-эффект нашел широкое
применение в цифробуквенных ЖКИ, матричных
ЖКИ с малым числом строк (до 64) и в ак-
тивноматричных телевизионных экранах.
Эффекты управляемого полем двулуче-
преломления основаны на интерференции
обыкновенного и необыкновенного лучей,
прошедших слой ЖК. Наибольшее
применение в технике нашли супертвист-эффект и
я-ячейка.
Супертвист-эффект наблюдается в холе-
стерических ЖК с большим шагом спирали,
обеспечивающим закрутку на 180 - 270° и
обладает высокой крутизной характеристики
напряжение - контрастность. Физической
причиной увеличения крутизны является то,
что холестерическая спираль находится в
напряженном состоянии, что достигается
подбором отношения толщины слоя ЖК к шагу
ненапряженной спирали, анизотропии упругих
свойств и угла преднаклона молекул ЖК на
подложке. Лучшие современные ЖК-вещества
позволяют поднять степень
мультиплексирования до 600 : 1 и более. Во многих странах
электронные фирмы освоили массовое
производство различных типоразмеров черно-белых
и цветных ЖК-матричных экранов для
отображения цифробуквенной и графической
информации с временем смены информации
70 - 200 мс. В последние годы разработаны
быстропереключающиеся ЖК-материалы с
временем переключения 30 - 50 мс.
Матричные ЖК ПОИ, использующие эти ЖК-
вещества, могут отображать информацию с
телевизионной скоростью, поэтому во
избежание потери контрастности из-за ее быстрого
спада за время кадра предложен новый метод
управления специальными кодовыми
сигналами (активная адресация). Этот метод
управления в отличие от общепринятого метода
построчной адресации позволяет подавать
сигналы управления на выбранные элементы
непрерывно, без скважности. Такие приборы
начинают осваиваться в серийном производстве.
Качество телевизионного изображения на этих
экранах не хуже, чем на экранах приборов на
основе матрицы активных элементов, а
стоимость их производства в 2 раза меньше.
Ориентационные эффекты в ЖК с пла-
нарной ориентацией используются для
модуляции фазовой задержки между
обыкновенным и необыкновенным лучами. Наиболее
широко используется тс-ячейка с встречным
наклоном молекул на подложках, дающая
переключение между состояниями с фазовой
задержкой 0 (возбужденное состояние) и тс
(невозбужденное состояние). Состояние с
фазовой задержкой в тс действует на свет
аналогично твист-ячейке, однако время релаксации
в это состояние является относительно
небольшим B-3 мс) по сравнению с временем
релаксации твист-ячейки E0 - 200 мс).
тс-ячейка имеет пологую характеристику
напряжение - контрастность и непригодна для
индикаторов с мультиплексным управлением.
Поэтому она нашла применение в
модуляторах поляризованного света в системах
стереотелевидения с разделением стереопары во
времени и в цветных высокоразрешающих дисплеях.
6.2.3.2 Элементы конструкций и технологии
изготовления
Основой конструкции ЖК ПОИ
являются две стеклянные пластины из тонкого (менее
2 им) высокоплоскостного стекла, на рабочие
поверхности которых наносится оптически
прозрачный электрод из оксида олова-индия с
удельным электросопротивлением 10
500 Ом/ D, на котором методом
фотолитографии формируется топология электродов
необходимой формы: в виде сегментов цифрового
индикатора, элементов мнемосхемы,
служебных символов и других фигур с отдельным
электрическим выводом на периферию
электродной пластины для мозаичных индикаторов
или в виде параллельных полосчатых
электродов для матричных индикаторов и экранов.
Важным конструктивным элементом ЖК
ПОИ является ориентирующее покрытие на
электродной поверхности каждой из пластин.
Этот слой создается или вакуумным нанесени-

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
603
ем тонкой пленки неорганического материала
(SiO, GeO и др.) под определенным углом к
поверхности пластины или нанесением слоя
органической пленки с последующей
обработкой поверхности для придания ей
определенного микрорельефа.
Пара пластин с ориентирующими
покрытиями складывается электродами внутрь,
рисунки электродов совмещаются по
специальным реперным знакам и склеиваются по
периметру так, что остается небольшое
отверстие для введения в образующуюся полость
ЖК-вещества. Зазор между внутренними
поверхностями электродных пластин для
получения оптимальных параметров прибора должен
выдерживаться с высокой точностью на всей
рабочей площади (до десятых и сотых долей
микрометра). Номинальное значение зазора
определяется видом электрооптического
эффекта и оптической анизотропией
применяемого ЖК-вещества. Зазор в ЖК ПОИ
обеспечивается равномерным распределением по
всей площади жестких сфер или цилиндров
калиброванного диаметра; обычно он
составляет 1,5 - 8 мкм.
Заполнение внутренней полости прибора
ЖК-веществом производится под действием
капиллярных сил и атмосферного давления
после откачки из нее воздуха. Отверстие для
заполнения герметизируется.
На наружные поверхности стеклянных
пластин приклеиваются поляризационные
фильтры, ориентация которых согласована с
ориентацией ЖК на подложках.
Для контактирования цифровых
индикаторов с системой управления обычно
используют эластичные контактные устройства типа
"ЗЕБРА", а ЖК ПОИ с большим числом
выводов обычно снабжают встроенной системой
управления, которую размещают или
непосредственно на периферии стеклянных
пластин или на отдельных платах, соединенных с
контактными площадками ЖК ПОИ пайкой,
приклеиванием токопроводящим клеем или
эластичными разъемами.
Цветное изображение на ЖК ПОИ
формируется из триад элементов отображения,
которые совмещены с триадами светофильтров
красного, зеленого и синего цветов цветодели-
тельной маски. Цветоделительная маска во
избежание параллакса формируется на
внутренней поверхности одной из электродных
пластин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Уласюк В. Н. Приборы отображения
информации // Электронная промышленность,
1994. Специальный выпуск. С. 73 - 90.
Раздел 7
ТЕХНОЛОГИЯ И
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ
ПРИБОРОВ
Глава 7.1
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ
ЭЛЕКТРОВАКУМНЬК ПРИБОРОВ
7.1.1. ТИПОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Технологические маршруты изготовления
электровакуумных приборов (ЭВП) различных
типов весьма разнообразны. Однако типовой
процесс производства приборов можно
разделить на следующие этапы: изготовление
металлических, стеклянных, керамических,
слюдяных деталей и узлов; физико-химическую
обработку деталей и узлов; монтаж внутренней
арматуры; окончательную сборку оболочки и
закрепление внутренней арматуры в оболочке;
вакуумную обработку прибора (откачка, обез-
гаживание, активирование катода, распыление
газопоглотителя и т.д.); цоколевку;
тренировку; испытание.
Производство ЭВП - это специфические
технологические процессы, которые
характеризуются:
применением большого количества
различных материалов (до 90 % элементов
Периодической системы);
использованием материалов с особой
чистотой или точностью состава;
широким применением тугоплавких
металлов со спецификой их получения
(порошковая металлургия) и обработки
(изготовление проволоки и ленты толщиной
менее 10 мкм, рекристаллизация и пр. );
огневой обработкой стекла (выдуванием,
прессованием, вытягиванием, отливкой,
получением металлостеклянных спаев), из которого
изготовляется более 70 % деталей ЭВП по
массе;
созданием сверхвысокого A06 - 100 Па)
вакуума как среды функционирования или
изготовления прибора;
использованием комплекса мероприятий
по защите деталей и узлов ЭВП от пыли и
других загрязнений - вакуумной гигиены.
Некоторые детали имеют столь малые
размеры и труднодоступные участки, что
обработка их общепринятыми способами
затруднительна, а во многих случаях и невозможна.
Изготовление деталей осложняется, кроме
того, высокими требованиями к допустимым
отклонениям их размеров, формы и многих
физико-химических свойств при механических.

604
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
т
т
пппппппп
1. Изготовление деталей
тт
2. Сборка узлов первой ступени
J I I I
I 1 1
#
1
s
i
КМУ
гттт
3. Нанесение покрытий
4. Сборка узлов II ступени
5. Сборка узлов III ступени
I I I
Электронно-оптическая система ]
I
6. Сборка узлов IV ступени
[Электронно-оптическая система на ножке I
I
I
7. Сборка узла кинескопа
8. Вакуумная обработка
| УКК |
УЭК
Оболочка ЭЛТ
9. Цоколевка
10. Тренировка и
испытания
Рис. 7.1.1. Ст
рная схема технологического процесса производства кинескопа:
f - высоковольтный ввод; ИПП - изоляционное покрытие подогревателя;
ЭПК - эмиссионное покрытие катода; ЛПЭ - люминесцентное покрытие экрана;
КМУ- катодно-модуляторный узел; УКК - узел конуса кинескопа;
УЭК - узел экрана кинескопа; ШП - газопоглощающее покрытие

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ, МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 605
термических, электрических и иных
воздействиях на многочисленных операциях
производства приборов, а также в условиях их
эксплуатации.
Технологический процесс изготовления
кинескопа (рис. 7.1.1), как и других ЭВП,
состоит из последовательности операций, из
которых можно выделить несколько наиболее
существенных: процессы изготовления и
обработки поверхности деталей, сборку и монтаж
этих деталей в узлы, вакуумную обработку
собранного прибора, а также его тренировку и
контроль качества.
В зависимости от последовательности
соединения элементов кинескопа в законченную
конструкцию процесс сборки можно разделить
на отдельные ступени: 1) сборка узлов,
состоящих только из деталей и называемых
поэтому узлами первой ступени; 2) сборка
деталей и узлов первой ступени; 3) сборка деталей
и узлов первой и второй ступени и т.д. до
сборки всего изделия.
В кинескопе можно выделить два
основных компонента: оболочку с
люминесцентным экраном и высоковольтным вводом и
электронно-оптическую систему,
установленную на металлостеклянной ножке. После
изготовления и сборки этих компонентов
кинескоп имеет законченную конструкцию, но
неработоспособен до тех пор, пока не
подвергнется вакуумно-термической обработке:
откачке, обезгаживанию, частичному
активированию катода, отлаю, распылению
газопоглотителя и тренировке. В процессе ее
обеспечивается окончательная очистка объема оболочки
и электродов, разрушаются центры
возникновения высоковольтных пробоев, происходит
формирование и стабилизация рабочих параметров
прибора. На заключительных стадиях процесса на
кинескоп устанавливают цоколь и взрывозащит-
ную рамку, обеспечивающие удобство и
безопасность эксплуатации.
Наиболее прогрессивные технологии
реализуются на автоматизированных машинах и
автоматических линиях.
7.1.2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ,
МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Стекло является основным материалом
электровакуумного производства. По массе
70 - 95 % деталей изготовляют из стекла.
Многие приборы имеют металлические
корпуса, но и у них ряд деталей изготовляют из
стекла, так как оно является очень хорошим
электроизоляционным и вакуумно-плотным
материалом. Стекло обладает также
требуемыми для ЭВП физико-химическими,
термомеханическими и оптическими свойствами.
Высокая пластичность при нагреве дает
возможность прессованием, литьем,
выдуванием получать сложные по форме изделия, а
спаи с металлами обеспечивают герметичность.
Стеклом называют все аморфные тела,
полученные путем переохлаждения расплава
независимо от химического состава и
температурной области затвердевания и обладающие в
результате постепенного увеличения вязкости
механическими свойствами твердого тела,
причем процесс перехода из жидкого
состояния в стеклообразное должен быть обратимым.
Стеклообразные вещества - это
кислотные и основные оксиды которые в
определенных соотношениях образуют при
переохлаждении расплава различные по своим свойствам
стекла. Во время варки кислотные окисиды
вступают во взаимодействие с основными, но
стекло - не химическое соединение, а твердый
раствор с избытком кремнезема (SiO2>.
Условное обозначение стекла состоит из буквы С и
двух чисел: первое число - а • 107, где а -
округленное значение температурного
коэффициента линейного расширения, второе
число - порядковый номер разработки стекла.
С целью согласования спая стекла с
металлом в зависимости от значения а стекла
разделяют на следующие группы;
вольфрамовую - а = C3...40I0вС-1;
молибденовую - а = D7...54I0oC-1;
платиновую - а = (87...92I0 °C;
переходную - а = E4...86)ДО-? °С.
Кроме того, существуют следующие
группы стекол:
кварцевая - а = E,5...6,1I0-7оС-1;
титановая - а = G2...76I0 °С;
железная - а » 120 ДО °С.
По температуре размягчения стекла
можно разделить на тугоплавкие (твердые), у
которых а й 55 • 10-7 °С-1и легкоплавкие (мягкие),
у которых а = (80...120I0-7 "С1.
Наиболее тугоплавким является
кварцевое стекло С5 - 1, состоящее из чистого
кремнезема. Тугоплавкие стекла имеют боросили-
катный состав (SiC>2 + B2O3 до 90 % по массе)
или алюмосиликатный состав (SiO2 + AI2O3 -
72 - 82 % по массе).Они обладают высокими
диэлектрическими свойствами, стойкостью к
термоударам, температурой размягчения и
химической стойкостью. Алюмосиликатное стекло
позволяет увеличить температуру обезгаживания
до 700 - 750 °С и повысить температуру
эксплуатации ЭВП до 350 - 400 °С и выше.
Легкоплавкие стекла имеют более низкую
температуру размягчения и дешевы; наиболее
распространены баритовые и магнезиальные
стекла (С89-1, С90-1 и др.).
Свойства стекол. Основные физико-
химические свойства стекол приведены в табл.
7.1.1.

Стекло
С-37-2
С-39-1
С-40-1
С-47-1
С-49-1
С-87-1
С-89-5
С-90-1

Кварцевое

прозрачное
Коэффициент
линейного
расширения
ot-lO7, °C-l,
при
20 - 300 °С
33-36
38-41
40
46-48
48-52
86-90
87-91
88-92
5,5-6,1
Предел прочности,
МПа
при
разрыве
84
78
70
-
30-50
40-60
-
-
70-120
при
сжатии
-
1106
1090
1090
-
850
-
-
1600-2000
7.1.1.
Теплопро- \
водность,
Вт/(м°С)
-
1,257
-
0>87
-
0,67
-
-
1,382-2,68
ФИЗИКО-ХИ!
Гемператург

размягчения,
°С
590-620
630-650
620
580-600
570-590
480-500
530
540-560
1500
иические свойства стекол

Термостойкость,
°С
250
230
240
200
180
100
125
110
1250

Относительная

диэлектрическая
постоянная
-
4,2-4,7
-
-
-
6,5
-
-
3,5-3,7
Температурные
границы зоны
отжига, °С
Нижняя
420
405
410
410
400
350
-
390
—
Верхняя
550
550
530
565
550
460
-
515
—
Проницаемость
по гелию
П- 10Ю,
Пам3/(м2с),
при 400 °С
-
-
11,81
7,25
-
0,85
-
0,2*
66
ТК-100, °С
400
350
300
230
200
325
200
210
600
При 350 °С

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ, МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 607
Рис. 7.1.2. Кривая изменения динамической вязкости
стекла:
I - твердое состояние; II - вязкое состояние;
///- жидкое состояние; IV- отжиг;
V-формообразование; КГ-кристаллизация;
Т3 - температура закалки;
Тт - температура трансформации;
То - температура отжига;
Тр - температура размягчения;
Тббр - температура обработки;
Тж - температура разливки жидкого стекла
Вязкость стекла зависит от его
химического состава и температуры. Оксиды натрия,
калия, лития, свинца и бария, а также фтор и
борный ангидрид снижают вязкость
стекломассы, а диоксид кремния и оксид алюминия
значительно ее повышают. Вязкость позволяет
придать изделию любую форму и закрепить ее
путем охлаждения.
Характер зависимости динамической
вязкости т\ от температуры Т для всех видов
стекол одинаков (рис. 7.1.2). Сначала вязкость
медленно уменьшается, затем с повышением
температуры резко снижается. Обычно горячее
формование проводят вблизи точки 7^ при
л = 102 ... 107 Нас иГ= 550...1250 °С, т.е. в
области V.
Выбирая температурный интервал в этой
области, можно обеспечить различную
скорость самопроизвольной фиксации формы
изделия. Температурный интервал формования
изделия из стекла можно удлинить или
сократить, изменяя форму кривой вязкости за счет
химического состава стекла. Стекла с медленно
нарастающей вязкостью (С87-1) называют
"длинными" (формование сложных по
конфигурации изделий - прессование ножек ЭВП,
ручная формовка), а стекла с быстро
нарастающей вязкостью (С89-5, С90-1) -
"короткими" (выдувание колб на автоматах). Кроме
вязкости, на горячее формование стеклоизде-
лий большое влияние оказывают силы
поверхностного натяжения. Они придают и
сохраняют шаровидную форму изделиям, а также
сглаживают микронеровности, обеспечивая
получение зеркальной поверхности.
Стекла обладают малой удельной
теплоемкостью D00 - 1000 ДжДкгК), которая
повышается с ростом температуры (при 1300 К
теплоемкость в 1,5 - 2 раза больше, чем при
300 К), а также введением в их состав оксидов
SiO2, MgO, B2O3.
Теплопроводность стекла незначительна -
0,67 - 2,68 Вт/(м-°С), введение в состав стекла
РЬО и ВаО ее снижает, а СаО - повышает.
Температурный коэффициент линейного
расширения а является важнейшим
показателем, определяющим плотность металлостек-
лянных спаев. От а зависит прочность спаев, а
также стойкость стекла к резким перепадам
температуры. Тепловое расширение стекла
зависит от его химического состава: К2О и
Na2O увеличивают a, a SiO2, MgO, А12Оз
и В2Оз - уменьшают. В зависимости от а
стекла делят на тугоплавкие [кварцевые -
а = E,5 ... 8,0) 10 °С'1, вольфрамовые и
молибденовые - а = C3 ... 52I0 °С] и
легкоплавкие платинитовые стекла с
а = (86 ... 92I0oC.
Термостойкость стекла или способность
выдерживать без разрушения резкие перепады
температуры зависит прежде всего от а, а
также от теплостойкости и теплопроводности.
SiO2, А12Оз и В2Оз повышают термостойкость,
а оксиды щелочных металлов понижают.
Стекло является твердым диэлектриком и
обладает в зависимости от состава удельным
электрическим сопротивлением, равным
1012 - 1019 Ом-см при 20 °С. С повышением
температуры удельное электрическое
сопротивление стекла резко падает и при 1200 °С
составляет около 1 Ом-см. Электрические
свойства стекла оцениваются коэффициентом
ТК-100 (см. табл. 7.1.1), т.е. температурой,
при которой удельное электросопротивление
снижается до 100 МОм-см (появляется
опасность электропробоя, нарушения вакуумной
плотности и т.п.). Рост электропроводности с
повышением температуры используется для
электроплавки и электросварки стекла.
Оптические свойства стекла особенно
важны для производства электронно-
оптических приборов и источников света.
Отражение, поглощение и пропускание зависят
от угла падения лучей на стеклянную
поверхность, а также вида поверхности, толщины
стекла и его химического состава. Большинство
электровакуумных стекол толщиной 1 - 2 мм
хорошо пропускают инфракрасные лучи, хотя
и поглощают в видимой части спектра 6 -
20 % света. Кварцевое стекло хорошо
пропускает инфракрасные, видимые и
ультрафиолетовые лучи. Стекла можно окрашивать
добавлением в шихту при плавке небольшого
количества окрашивающих оксидов.

608
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Рис. 7.1.3. Автомат вьщувания колб ВК-24:
а - компоновка; 1 - карусель выдувных головок; 2 - карусель с формами;
3 - основание и привод автомата; 4 - наборные головки; 5 - печь с расплавленной стекломассой;
б - схема технологического процесса; /- загрузка; //- прокол; III- поворот и первое выдувание';
IV- поворот и второе выдувание; V- выдувание в форму; VI- съем

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ, МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 609
Для стекла характерна высокая
химическая стойкость, которая может быть больше
или меньше в зависимости от состава.
Снижают химическую стойкость добавлением
щелочных оксидов. Активно взаимодействуют со
стеклом растворы щелочей, а также
плавиковая и фосфорная кислоты; остальные кислоты
со стеклом не взаимодействуют. Очистка
поверхности или ее матирование осуществляются
воздействием плавиковой кислоты или
горячими щелочами.
Стекла отличаются малой прочностью на
растяжение C5 - 85 МПа) и высокой на
сжатие E00 - 1000 МПа). Прочность стекол
уменьшается при большем содержании в них
щелочных и свинцовых оксидов. Однако
прочность больше зависит от размеров,
формы, состояния поверхности и режима
термообработки стеклоизделий. Твердость стекла
составляет 4 - 7 по шкале Мооса. Наибольшей
твердостью обладает кварцевое стекло, а
наименьшей - свинцовое. Для стекла характерна
хрупкость, обусловленная наличием на его
поверхности и внутри микротрещин, которые
под влиянием внешних сил етановятся
центрами разрушения. Хрупкость возрастает при
плохом отжиге стекла.
Формование изделий из стекла. Горячее
формование изделий из стекла основано на
таких свойствах стекломассы, как вязкость и
сила поверхностного натяжения. Изменение
вязкости стекла при нагреве позволяет
придавать ему требуемую форму выдуванием,
вытягиванием, прессованием, причем эта форма
самопроизвольно фиксируется при
охлаждении. Пользуясь обратимостью закона
зависимости вязкости стекол от температуры, можно
получать сложные изделия путем
многократного формообразования. Силы поверхностного
натяжения обеспечивают придание
стекломассе даже без приспособлений шаровидной
формы при выдувании или цилиндрической
при вытягивании.
Выдувание колб ЭВП. В массовом
производстве осуществляется на карусельном или
конвейерном оборудовании. Карусельный
автомат непрерывного действия (роторного
типа) ВК-24 имеет шесть секций по четыре
параллельно работающих позиции (рис. 7.1.3).
Набор стекломассы из печи осуществляется
вакуумным питателем, имеющим четыре
наборные головки, которые при погружении в
расплавленную стекломассу производят ее
втягивание и формование заготовки
(рис. 7.1.3, б).
Наборные головки из печи
перемещаются в радиальном направлении к центру
карусели. В этот момент срабатывает механизм
поворота, обеспечивающий вращение вакуумного
питателя синхронно с каруселью.
Расположенные над каруселью наборные головки
сбрасывают заготовки на позиции ныдувания 1-4
(секция 7).
После загрузки заготовок на рабочую
карусель происходит их прокалывание на поз.
5-8 (секция II) и предварительное выдувание
с поворотом на 180° на поз. 9 - 12 и 13 - 16
(секции ///, IV). В V секции (поз. 17 - 20)
производится выдувание колб в формы, а в
секции VI (поз. 21 - 24) готовые колбы
сбрасываются в приемный лоток.
Производительность карусельного автомата составляет 3-4
тыс. колб/ч.
Более производительным оборудованием
для изготовления колб ЭВП из жидкой
стекломассы являются конвейерные машины. На
рис. 7.1.4 приведена схема конвейерной кол-
бовыдувной машины, выпускающей 30 - 40
тыс. колб/ч. Стекломасса из печи 1 (рис. 7.1.4,
а) непрерывной струей подается на валки 7,
формующие ленту стекломассы с заготовками
(рис. 7.1.4, б), которая переводится в
горизонтальное положение и укладывается на
пластинчатый конвейер 8, движущийся с той же
скоростью, что и лента. Каждая пластина
конвейера имеет отверстие, через которое
предварительно сформованная валками заготовка
провисает под действием собственного веса.
Провисание и одновременное выдувание
обеспечивается выдувными головками конвейера 2.
Они прижимаются к предварительно
отформованным на ленте стекломассы заготовкам и
перемещаются с той же скоростью, что и
конвейер с лентой стекломассы (V = 0,6 ... 1,2 м/с).
Давление выдувания составляет около 8 кПа.
После предварительного формования
пулька обхватывается подведенной снизу
чистовой формой (конвейер 6) и* выдувается в
колбу. Чистовые формы имеют постоянную
частоту вращения A20 - 240 мин'1) для
получения колб с бесшовной гладкой
поверхностью. По окончании формования чистовые
формы открываются и готовые колбы,
отделенные от ленты ножом 3 при помощи ротора
4, подаются в печь отжига по конвейеру 5.
Вытягивание. Это процесс обработки,
при котором изделие непрерывно
вытягивается из расплавленной стекломассы.
Вытягиванием получают трубки и стержни (штабики)
различного профиля, плоское листовое стекло,
тонкие стеклянные ленты и пленки толщиной
1 - 400 мкм, капилляры диаметром до 8 мм,
которые применяют для заготовок и
полуфабрикатов деталей ЭВП и микросхем. Ручное
вытягивание осуществляют в производстве
ЭВП, особенно СВЧ-диапазона,
изготовляемых небольшими партиями из различных
марок стекла. При горизонтальном вытягивании
трубок и стержней (рис. 7.1.5) разброс таких
параметров, как диаметр, овальность, толщина
стенок, стрела прогиба, регулируют, изменяя
количество подаваемой стекломассы, ее
температуру, давление воздуха и скорость
вытягивания с непрерывным контролем размеров.
20 Зак. 7119

610
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Рис 7.1.4. Схема i
Рис. 7.1.5. Машина горизонтального вытягивания дротов:
1 - мундштук; 2 - печь стабилизации температуры стекла; 3 - механизм подачи
7.1.2. Режимы вытягивания
Диаметр вытягиваемой
трубки, мм
До 10
10-20
26-40
Диаметр мундштука,
мм
120
120 - 190
240
Скорость вытягивания,
м/мин
40-70
20- 30
7,5 - 18
Производительность,
кг/ч
180 - 200
220
230 - 260
Диаметр и толщину стенок трубок, а
также диаметр штабиков регулируют
соответствующим подбором размеров мундштука
(табл. 7.1.2) при горизонтальном вытягивании.
Частота вращения мундштука составляет 6 -
9 мин, угол наклона 10 - 20 °, давление
воздуха 0,7 - 35 кПа, температура - 820 - 860 °С.
Для ЭВП изготовляют трубки диаметром до 50
мм, причем стандартизованы трубки
диаметром 2-44 мм.
Формование конусов крупногабаритных
кинескопов из жидкой стекломассы может
быть осуществлено центробежным литьем.
Если поместить порцию расплавленной
стекломассы (Т» 1200 °С)в металлическую форму
и придать ей вращение с частотой 700 -
900 мин, то под действием центробежной
силы стекломасса растекается по стенкам
формы и, застывая, образует изделие,
повторяющее конфигурацию внутренней поверхности
металлической формы. В промышленности
используются как однопозиционные, так и
многопозиционные карусельные машины
центробежного формования. Конусы и экраны
получают также прессованием из жидкой
стекломассы (Т = 1100 °С).
На автоматизированном оборудовании
особое внимание уделяют стабилизации
температуры пресс-форм с допуском ± E - 10) °С.
Прессование широко используется также для
формования горла колбы при заварке,
получении металлостеклянных узлов, в частности,
ножек ЭВП.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ, МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 611
const
а)
Рис. 7.1.6. Механизм прессов!
а - до прессования; б - прессование; в - готовая ножка
На рис. 7.1.6 показан механизм
прессования плоских ножек на карусельном
полуавтомате. Заготовками являются двух- или трех-
звенные вводы и стеклянное кольцо,
загруженные на рабочий шпиндель, который
одновременно является нижней частью пресс-
формы (матрицей) 1. В процессе обработки
при равномерном вращении шпинделя пламя
газовых горелок на ряде у позиций разогревает
стеклянное кольцо до пластического
состояния. Прессование осуществляется в закрытой
пресс-форме, для чего на шпиндель
опускается верхняя часть пресс-формы (пуансон) 2.
При этом вводы запрессовываются в стекло, а
внешний контур ножки 3 фиксируется
кольцом 4.
Резка. Необходима для получения многих
стеклоизделий. Резка - отделение заготовок от
стеклянных дротов или частей (участков) от стек-
лоизделия. Резка стекла может быть огневой и
горячей, термомеханической и механической.
Способы и характерные особенности резки
стекла представлены в табл. 7.1.3.
Сборка оболочек. Ряд оболочек ЭВП
собирают из полуфабрикатов, полученных
рассмотренными выше технологическими
приемами (выдувание, прессование, центробежное
литье, резка). Наиболее характерна сборка
оболочек кинескопов. Экран с конусом
соединяют газовой сваркой или электросваркой на
машинах горизонтального или вертикального
типов; используется также склеивание их
посредством ситаллоцементов. Сложность
соединения прямоугольного экрана с конусом на
машинах с вертикальной осью вращения
обусловлена необходимостью сохранения
постоянным расстояния b от сопла горелок до
сварного шва. Расположенные по всему контуру
сварного шва горелки (рис. 7.1.7, а) в процессе
вращения изделия получают перемещение
вдоль своей оси, обеспечивая Ь = const.
Недостатком газовой сварки является непровар
оболочки по внутреннему контуру шва, в
результате чего могут быть внутренние
напряжения, трещины и газонатекание в прибор.
20 !
const
Рис 7.1.7. Схемы соединения экрана с конусом с
помощью нагрева шва газовыми горелками (а) и
последующего пропускания по шву
электрического тока (б)
При больших толщинах стенок оболочки
(более 5 мм) качество сварного соединения
может быть улучшено за счет пропускания по
нему электрического тока (электросварка).
Место соединения предварительно нагревают
газовыми горелками до Т= 500 ... 600 °С; при
этом удельное электросопротивление стекла
снижается с 1014 до 103 Ом-см, стекло
становится проводником и по нему пропускают ток
(рис. 7.1.7, б). Сопротивление протеканию
тока обусавливает дальнейшее равномерное по
глубине прогревание сварного шва. Ток
подводится под высоким напряжением (до 8 кВ)
через ионизированное пламя газовых горелок.
Для ряда ЭВП соединение деталей
осуществляется специальными цементами при
более низких температурах, чем при сварке.
Это особенно важно, когда недопустим
перегрев некоторых элементов прибора
(окисление, отравление, деформирование оксидных
катодов или фотокатодов, масок и
люминофоров и т.п.). В процессе термообработки стек-
лоцементы образуют однородную мелкокрис-

612
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
7.1.3. Способы и особенности резки стекла
Способ резки
Схема резки
Особенности
Огневая
Резка производится расплавлением
стекла острым пламенем горелки.
Отрезанное изделие отделяется под тяжестью
собственного веса. Качество отрезки
невысокое, так как имеет место
деформация места резки
Огневая с
использованием
остаточных
напряжений
Используют не только пламя горелок,
но и остаточные напряжения в детали.
Такой механизм резки применяют,
например, в комплексе с автоматом типа
ВК-24 C600 пгг./ч) для отрезки
колпачков (набелей) у заготовок колб
Горячая
Место резки доводится пламенем до
пластического состояния (я), после чего
стекло перерезается дисковыми ножами
0)

Термомеханическая:
с
использованием
остаточных
напряжений
и при
наличии
царапины
с
использованием
напряжений
разогрева
с
использованием
временных
напряжений
от щелевых

газокислородных
горелок
с
использованием
временных
напряжений
(круговая
царапина и
нагрев)
\
Чугунный конус разогревается
горелками. Затем бурт колбы соприкасается с
конусом при повороте колбы.
Напряжение от нагрева при наличии царапины
приводит к сколу
Трубка нагревается от нихромовой
проволоки, а последующее резкое
охлаждение (водой) дает кольцевую
трещину. Легким ударом производится скол.
Способ характерен для индивидуального
производства
Короткое узкое пламя горелок
создает интенсивный местный нагрев. Затем
деталь проходит мимо охлаждаемого
ножа, обеспечивающего термоудар и
образование царапины, после чего
происходит скол трубки
Царапина наносится на трубку в
холодном состоянии, затем производится
интенсивный местный нагрев,
приводящий к сколу. Этот способ применяют
на карусельных машинах, работающих в
3-4 ручья (до 3000 шт./ч)

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ, МЕТАШТОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 613
Продолжение табл. 7.1.3
Способ резки
Особенности
Механическая:
дисковым
ножом из

быстрорежущей стали

шлифовальным
кругом
Детали вручную накатывают на нож,
образуя глубокую кольцевую царапину.
Происходит нагрев трением, появляются
трещины и сколы. Длина резки
регулируется упором. При резке поштучно
производительность 3000 шт./ч, при
групповой резке - до 7000 шт./ч.
Способ очень вреден, так как при резке
образуется стеклянная пыль
Абразивный круг толщиной 0,5 -
1 мм выполнен на вулканитовой или
бакелитовой связке. Способ применяют
в тех случаях, когда необходима особо
высокая точность и качество среза. Срез
получается ровным, без скола. Способ
дорог, так как имеет место большой
расход кругов
Ультразвуковая
Дает высокую точность и чистоту. Для
резки используют систему, состоящую
из магнитостриктора 2 (с генератором
I), концентратора 3, инструмента 4.
Генератор и магнитостриктор
необходимы для преобразования
электрических колебаний ультразвуковых частот в
механические колебания. Инструмент
изготовляют из стали СтЗ или латуни,
концентратор - из каленой стали.
Наибольшая амплитуда на конце
инструмента 100 мкм. Давление инструмента
200 - 400 кПа. В зону резки к
инструменту подается абразивная суспензия 5
(карбид хрома, алунд, карборунд). При
разрыве водной пленки во время
укорачивания магнитостриктора наблюдается
кавитация. Частички абразива
приобретают большие ускорения и с силой
ударяют в изделие 6 и инструмент. В
изделии вырываются частички материала
таллическую структуру, создающую прочное и
герметичное соединение склеиваемых
поверхностей. Основу стеклоцементов составляют
свинцово-боратные стекла. Так, для
склеивания экрана с конусом цветной
электроннолучевой трубки (ЦЭЛТ) используют стеклоце-
мент СЦ90-1 (РЬО - 74,6 %, ZnO - 12 %, В2О3
- 8,8 %, SiO2 - 2,1 %, ВаО - 1,7 %, А12О3 - 0,8
%). Этот порошок на связующем биндере
наносится на шлифованные поверхности экрана
и конуса и после их соединения подвергается
термообработке, цель которой -
кристаллизация стеклоцемента при 420 - 440 °С с
соединением элементов и последующим медленным
охлаждением.
Керамику используют для внутренних
изоляторов, цоколей и вкладышей в цоколи, а
также для оболочек приборов. По многим
свойствам керамика превосходит стекло. При
температуре 800 - 1000 °С большинство ее
свойств постоянны. Изделия из керамики
имеют длительную работоспособность при
1400 - 1600 °С. Газовыделение у керамики
значительно меньше, чем у стекла.
Получают керамические изделия в
результате формовки и обжига смеси
порошкообразных материалов с добавкой связующего
вещества (рис. 7.1.8). Образующаяся при этом
кристаллическая структура с небольшим
количеством стекловидной фазы придает изделиям
необходимые механическую прочность и
твердость. Кроме того, керамика является
диэлектриком, способна работать при высокой
температуре, имеет постоянную
теплопроводностью и малое газовыделение.

614
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Подготовка сырьевых материалов
(обогащение, обжиг)
1
1
1
1
Составление смеси
i
Тонкий помол смеси
i
Добавление пластификатора
1
1
1
Формообразование
Механическая
обработка
Прокатка ленты,
штамповка
Прессование
Литье под
давлением
Выжигание связки
Окончательный обжиг
I Дополнительная обработка
Рис 7.1.8. Структурная схема технологического процесса изготовления
деталей
Существует много разновидностей
керамики, различающихся по составу и степени
обжига. Наиболее часто встречающиеся
компоненты, входящие в состав керамического
сырья, - оксиды, главным образом АДОз,
MgO, SiC>2, Z1O2. Промышленное сырье для
керамики, имеющее природное
происхождение, представляет собой более сложные
соединения или композиции. Например, каолин
представляет собой водный силикат алюминия
AI2O3 ¦ 2SiC>2 • 2Н2О, возникший при
естественном разложении полевого шпата.
Часто для изготовления деталей ЭВП
применяют стеатит и глиноземистую
керамику. Стеатит изготовляют на основе онотского
талька 3MgO • 4SiC>2 • Н2О с примесью БегОз.
Его размалывают и просеивают для получения
частиц определенного размера. Глиноземистую
керамику получают из оксида алюминия,
прокаленного на воздухе с целью очистки от
примесей. Для связки используют борацитовое
стекло и смесь пчелиного воска с парафином.
Смесь перемешивают, просушивают и
протирают через сито. Керамику можно получать
почти из чистого оксида алюминия - алунда.
Алундовая керамика содержит менее 1 %
стекловидной фазы. Ее применяют практически во
всех видах ЭВП.
Формообразование деталей из керамики.
Проводят до обжига несколькими способами.
Смесь керамических материалов с правильно
подобранной связкой (например, парафином)
может быть пригодна для механической
обработки, однако из-за низкой прочности сырой
массы трудно получить детали сложной
формы, с тонкими стенками и т.п. Можно
использовать связку, полученную на основе кау-
чуков, применять штамповку заготовок из
ленты, прокатанной до нужной толщины.
Наиболее распространено прессование,
чаще всего при нагреве, придающем смеси
необходимую текучесть под давлением.
Прессуют заготовки в замкнутых формах, а также
выдавливают через фильеры (прутки, трубки,
звездочки и т.п.). Высокую точность дает
литье под давлением при нагреве до
температуры, обеспечивающей надежное заполнение
достаточно мелких элементов (размером до
десятых долей миллиметра). При обжиге
керамические детали дают усадку, доходящую до
18 %. Обжиг часто ведут в два приема: сначала
"выжигают" связку, а затем проводят
окончательное спекание. Стеатитовую керамику
обжигают при температуре 1250 - 1300 °С,
глиноземистую - при 1650 - 1700 °С, алундовую -
до 1900 °С. После обжига детали иногда
подвергают шлифованию, ультразвуковой
обработке, однако значительного изменения
формы или габаритов деталей этими методами,
как правило, не достигают.
При необходимости на керамику наносят
покрытия - глазурованные или металлические.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ, МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 615
Глазурь наносят для уменьшения
шероховатости поверхности керамики, изменения ее
оптических (излучательных) характеристик, а
также в декоративных (отделочных) целях.
Металлизацию также можно считать
дополнительной обработкой, ее применяют для
подготовки керамических деталей к пайке, когда
керамика является частью более сложных
узлов.
Спаи стекла и керамики с металлами.
В производстве изделий электронной техники
(внешних оболочек, ножек и других узлов
приборов) применяют соединения
разнообразных материалов: металл - стекло, металл -
керамика, керамика - стекло, кварц - металл
и др.
Спаи являются важнейшим элементом
конструкции ЭВП, вакуумной и
полупроводниковой техники. Подвод и отвод тока
(энергии) от внешнего источника питания к
элементам, расположенным внутри ЭВП,
осуществляется через спаи в стекло. Обеспечивать
вакуумную плотность спая необходимо как
при изготовлении прибора, так и при его
нагреве в процессе эксплуатации. Спай стекло-
металл можно считать вакуумно-плотным в
том случае, если поток натекания гелия через
него не превышает 10~7 дмЛПа-с.
Сцепление разнородных материалов
сопровождается образованием промежуточного
переходного связующего слоя. Важным здесь
является наличие оксидной пленки на
поверхности металла, обеспечивающей химическую
однородность в связующем слое. Однако
хорошее сцепление получается только при
тонком и сплошном оксидном слое. Если
образуется толстый оксидный слой, то он обычно
бывает рыхлым и пористым, при этом спай не
получается прочным и вакуумно-плотным.
Поэтому, чем меньше кислорода в оксиде
металла, тем качественнее спай (СигО лучше
СиО, МоО2 - МоО3, МпО - МпО2).
Вакуумно-плотные спаи металла и
керамики получают как пайкой твердыми
припоями металла и предварительно
металлизированной керамики, так и пайкой неметаллизиро-
ванной керамики твердыми припоями
активных металлов (титана, циркония и др.). При
спае керамики с металлом в отличие от стекла
сначала спекаются зерна металлического
порошка в сплошной слой, затем слой
окисляется и диффундирует в керамику, причем этому
способствует жидкая стеклофаза керамики,
имеющаяся на границе раздела.
По конструкции спаи стекла с металлом
можно разделить на стержневые (сквозные) и
полые (рантовые).
К стержневым (рис. 7.1.9, а) относят
спаи, в которых металл впаивается в стекло в
виде стержня, проволоки, ленты или плющен-
ки. Стержневые спаи используют для
герметизации и закрепления в стекле вводов тока
(электродов). Часто применяют составные
электроды (двух- и трехзвенные), в которых из
впаиваемого металла изготовляют лишь
небольшую часть электрода, проходящего через
стекло (например, электроды платинит-
никель, молибден-медь и т.д.). Составные
части этих электродов сваривают друг с другом
электро- или газовой сваркой. Узлы в месте
сварки по возможности должны иметь
меньший диаметр, в противном случае возле них
образуются трещины.
В полых (рантовых) спаях стекло
механически соединяет и одновременно
электрически изолирует металлические детали и узлы
прибора. Рантовые спаи подразделяют на
трубчатые, гильзовые и дисковые. Трубчатый
спай (рис. 7.1.9, б) обеспечивает соединение
стеклянной и металлической трубок в торец.
Гильзовый спай герметично скрепляет коакси-
ально расположенные кольцевые вводы (рис.
7.1.9, в). В дисковых спаях стеклом либо
запаивается отверстие в металлической детали,
либо спай производится по торцу диска
(рис. 7.1.9, г).
S)
i
Рис. 7.1.9. Типовые конструкции спаев металла со стеклом

616
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
При изготовлении спаев стекла и
керамики с металлами из-за разности а,
теплопроводности, теплоемкости и других
характеристик спаиваемых пар в месте соединения
возникают напряжения, которые могут привести
к разрушению спая, если не принять
соответствующих мер. Прежде всего следует
стремиться к тому, чтобы в рабочем интервале
температур значения а спаиваемых пар были
приблизительно равны. В тех случаях, когда
невозможно подобрать материалы с близкими а,
снижения опасных термических напряжений
можно добиться за счет изменения
конструкции спаиваемого узла.
Спаи металла со стеклом, используемые
в ЭВП> можно разделить на согласованные и
несогласованные. В согласованных спаях
значение а металла и стекла примерно одинаковы
при максимальной температуре нагрева или
охлаждения спая в процессе изготовления или
эксплуатации прибора. Чем ближе значения а
металла и стекла, тем меньшие напряжения
возникают в спае в процессе его нагрева и
охлаждения.
К согласованным относятся, например,
спаи:
сплавов типа Н47ХР, Н47Д5, Н47ХЗ
(а « 90-10 °С) со стеклами платиновой
группы С90-1, С87-1, С89-5 и т.д., имеющими
а « 90-10 ОС;
молибдена (а » 55-10 °С), ковара
(а * D6 ... 52I0 °С) со стеклами
молибденовой группы С49-1, имеющими а«4940~7оС.
В несогласованных спаях значения а
металла и стекла различаются, поэтому в
процессе изменения температуры степень
расширения или сжатия стекла и металла различная.
Это приводит к возникновению в спае
опасных напряжений, способных разрушить стекло
или оторвать его от металла.
В несогласованных спаях металл должен:
быть тонким и мягким, должен
деформироваться при напряжениях, меньших предела
прочности стекла. Деформация металла в спае
компенсирует наличие напряжений в стекле и
предотвращает его разрушение. К
несогласованным относят, например, лезвийные спаи
меди (а« 16710-<7оС-1) со стеклами,
имеющими ос«D0 ... 100I0-7оС-1.
Край металла обычно выполняют в виде
ножевого лезвия (см. рис. 7.1.9, б). Поэтому
такую конструкцию часто называют
лезвийным спаем. Применение меди для
изготовления несогласованных спаев обусловлено ее
высокой пластичностью, гибкостью и
хорошим растеканием стекла по пленке закиси
меди (Си2О).
На практике часто применяют
несогласованные спаи кварцевого стекла с вольфрамом,
молибденом и танталом. По конструкции спаи
кварцевого стекла подразделяют на ленточные
(рис. 7.1.10), бусинковые и окошечные.
В несогласованном стержневом спае
целесообразно, чтобы а у стекла был больше,
чем у металла. В противном случае при
охлаждении спая в стекле возникают радиальные
растягивающие напряжения, которые легко
могут оторвать слой стекла от металла и
послужить причиной образования каналов и
воздушных прослоек в спае (т.е. нарушить его
герметичность). При охлаждении спая, в
котором а стекла больше, чем а металла, в стекле
создаются сжимающие радиальные и
растягивающие осевые и тангенциальные напряжения.
Так как стекло имеет более высокую
механическую прочность на сжатие, чем на разрыв,
сжимающие радиальные напряжения менее
опасны (однако под действием осевых
растягивающих напряжений стекло может
растрескаться).
В несогласованном гильзовом спае
целесообразно, чтобы а у стекла был меньше чем у
металла, так как при этом в стекле возникают
сжимающие напряжения, что обусловливает
большие жесткость и прочность, чем при
растягивающих. Если в этих спаях а у стекла
больше чем у металла, то в стекле возникают
растягивающие напряжения, отрывающие
стекло от металла.
Рис. 7.1.10. Схема ленточного впая в кварцевое
стекло:
1 - молибденовая фольга; 2,3- электроды;
4 - кварцевая оболочка

ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТЕКЛЯННЫХ, МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ 617
Особое место занимают спаи платинита
со стеклом: у платинита в радиальном
направлении а « 90-10 °С~1, что хорошо согласуется
с а стекол платинитовой группы, а в осевом
(продольном) направлении а значительно
меньше G010-7 °С). Поэтому участок спая
стекла с платинитом не следует отжигать до
полного исчезновения напряжения. В
неполностью отожженном спае стекло остается в
состоянии сжатия в осевом (продольном)
направлении, впоследствии это сможет
компенсировать растягивающие напряжения,
возникающие в спае при работе (нагреве) прибора.
Несогласованность значений а платинита и
стекол в осевом направлении'практически не
позволяет применять для спаев платинитовую
проволоку с диаметром более 0,8 мм. При диаметре
платинитовой проволоки более 0,5 мм
желательно предварительно ее остекловывать. Следует
учитывать, что в бусинковом спае платинита
осевые напряжения тем меньше, чем больше
отношение диаметра стеклянной бусинки к
диаметру платинитовой проволоки.
Металл спая должен иметь хорошие
тепло- и электропроводность: это способствует
снижению температуры спая в процессе
изготовления и работы прибора, а также позволяет
пропускать через спай большие токи.
Температура плавления металла должна быть выше
температуры обработки стекла.
Структура металла должна обеспечивать
требуемые прочность, пластичность,
отсутствие натекания по границам зерен и хорошее
сцепление со стеклом. Внутри металла не
должно быть трещин, капилляров и других
дефектов, ухудшающих его герметичность. В
процессе механической и термической
обработки не должны ухудшаться физико-
химические характеристики металла,
влияющие на качество спая.
Трудность механической обработки
вольфрама и молибдена (ввиду повышенной
твердости) обусловливает наличие в структуре
этих металлов продольных трещин и каналов,
по которым воздух может медленно проникать
в прибор. Для удаления поверхностных
трещин производят шлифование этих металлов.
Особые требования предъявляют к
платинитовой проволоке. Она состоит из железо-
никелевого сердечника, покрытого слоем
меди, на поверхности которого находится тонкая
красная пленка закиси меди. На пленку
наносят слой буры. Медь придает проволоке
хорошую пластичность и электропроводность и
защищает сердечник от окисления. Закись
меди хорошо растворяется в меди и
смачивается стеклом, что дает возможность получить
надежный спай. Тонкий стекловидный слой
буры (борнокислой соли калия или натрия)
предохраняет пленку закиси меди от
переокисления и превращения в оксид меди, а
также улучшает спаивание металла со стеклом.
Железоникелевая сталь имеет а = 6510~7 °С,
а медь - а = 167-10 °С: Соотношение
диаметров железоникелевого сердечника и меди
подбирают таким образом, чтобы в
поперечном направлении результирующее значение а
было примерно равно 90- ДО °С. Чтобы
получить требуемый а, в* платините должно быть
42 % никеля, а масса покрытия меди должна
составлять 21 - 30 % массы стержня.
Платинит необходимо хранить в
упаковке, защищающей его от действия влаги
(пергаменте, фольге, герметичных коробках).
Для обезвоживания пленки боратов и
сплавления их в стекловидный слой желательно перед
впаиванием платинит прогреть в печи при
Г =800 ... 1000 °С.
Для спая металла со стеклами
платинитовой группы обычно применяют газовоздушное
пламя. Для спаивания металлов со стеклами
молибденовой и вольфрамовой групп
газовоздушное пламя служит только для
предварительного подогрева места спая. Операция
спаивания производится в газокислородном
пламени. Для получения спаев с кварцевым
стеклом используют кислородно-водородное
пламя и специальные горелки. Обычно
рекомендуется предварительно оплавлять или
шлифовать торцевые кромки и плоскости
стеклянной заготовки.
Трубчатые и дисковые спаи получают,
применяя разогрев не только газовым
пламенем, но и электрическим током. При этом
используют две разновидности электрического
нагрева:
переменным электрическим током от
понижающего трансформатора, который
пропускают непосредственно через металлический
диск. В этом случае металл и прилегающий к
нему тонкий слой стекла быстро разогреваются
(ввиду малой теплопроводности остальная
часть стекла не успевает прогреться и не
деформируется);
индукционным (вихревым) током,
который наводится в металле спая. Для этого у
места спая устанавливают катушку из медной
трубки, присоединенную к генератору
высокой частоты. Сначала возбуждаются вихревые
индукционные токи в металле - это вызывает
разогрев металла и прилегающих к нему
участков стекла (за счет теплопередачи от металла).
При разогреве стекло тоже начинает проводить
электрический ток, что еще больше повышает
температуру в месте спая и обеспечивает
равномерный и быстрый нагрев стекла.
Размягченное стекло обтекает металл, образуя с ним
спай.
Индуктор ТВЧ может быть рассчитан
или подобран, исходя из того, что зазор между
деталью и индуктором должен быть не более
5-10 мм, число витков 8-10, высота должна

618
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
быть не больше диаметра, а место спая следует
располагать в середине индуктора по высоте.
Нагрев осуществляется равномерно и без
вращения детали; точность обеспечивается
центровкой детали. Вначале место спая
разогревается до темно-красного каления F00 - 650 °С),
затем - до светло-красного (800 - 900 °С),
после чего стеклянная деталь прижимается к
металлической и нагревается от нее. Стекло
становится электропроводным, нагрев
усиливается, стекло смачивает металл, образуя шов.
Нагрев шва продолжают минуту и более для
лучшего проплавления. Затем производят
охлаждение и отжиг спая, что можно
осуществлять путем постепенного введения
специального экранирующего металлического кольца
между швом и индуктором (после получения
шва, без выключения генератора). Это
позволяет реализовать требуемый режим отжига с
последующим плавным остыванием шва при
выключенном генераторе. На рис. 7.1.11
показана схема получения металло-стеклянного
спая (а) и его отжига (б).
Применение ТВЧ позволяет нагревать
узкую зону только в месте спая за счет
применения концентраторов и экранирующих колец,
что особенно важно при наличии других
близко расположенных спаев.
Для получения спая стекла с металлом
применяют промежуточные материалы,
наносимые на поверхность взаимодействия. В
качестве таких материалов используют
металлические покрытия, эмали, стеклянные пасты,
глазури и стеклянные припои (легкоплавкие
припоечные стекла и пирокерамический
цемент).
Типовые конструкции металлокерамиче-
ских спаев приведены на рис. 7.1.12.
Наибольшее распространение получили
охватывающие цилиндрические спаи (рис. 7.1.12, а)у
как правило, согласованные. В случае
различия а рекомендуется конический
охватывающий спай (рис. 7.1.12, б), в котором различное
расширение элементов компенсируется
перемещением металлической детали, что
сохраняет необходимый зазор для припоя. Для
охватываемых спаев (рис. 7.1.12, в> г) необходимо
внутреннее шлифование керамической детали.
У торцевых спаев керамики с металлом (рис.
7.1.12, д) необходимо согласование значений
а; кроме того, чтобы диафрагма могла
деформироваться при остывании спая в
соответствии с а керамики, она должна иметь толщину
0,1 - 0,5 мм. Прочность медной диафрагмы
увеличивается за счет напайки кольца из
коррозионно-стойкой стали.
После изготовления металлокерамиче-
ские узлы подвергают испытаниям: на отрыв,
при этом разрушение должно быть по
материалу детали, а не по шву; на вакуумную
плотность с помощью течеискателей или лю-
минесцирующей жидкости; на термоудар с
нагревом от 450 до 650 °С и охлаждением в
воде. Качественные спаи должны выдерживать
более 40 термоудоров. Усадочные раковины,
включения и прочие дефекты выявляются с
помощью рентгенодефектоскопии, метода
вихревых токов и других методов.
Рис. 7.1.11. Схема получения меТалло-стеклянного
спая и его отжига с помощью индукционного нагрева
Рис. 7.1.12. Типовые конструкции спаев металла
с керамикой

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАТОДОВ
619
Металлокерамические узлы получают
несколькими способами - механическим
соединением, с помощью "твердеющих" составов и
пайкой.
В металлокерамических лампах процессы
сборки электродной системы и оболочки
совмещают, поскольку металлические электроды
являются частью оболочки. Механические
соединения с керамикой используются для монтажа
внутренней арматуры ЭВП. Так, при холодной
сборке электронно-оптической системы
кинескопа керамические и металлические детали
соединяются с помощью хомутиков или цементов, а
при горячей - запрессовкой металлических
деталей в размягченные стеклянные изоляторы или
соединением эмалями.
Пайку керамики осуществляют
способами пассивной технологии, активной пайкой и
термодиффузионной пайкой. Пассивная
технология основана на предварительной
металлизации керамики, чаще всего молибдено-
марганцевыми пастами, закрепляемыми вжи-
ганием в керамику, с последующей пайкой
керамики к металлам твердыми припоями.
Для лучшей смачиваемости припоями
гальванически производится наращивание меди или
никеля толщиной около 5 мкм. Из-за
хрупкости керамики необходимо строго выдерживать
режимы пайки.
При активной пайке используется
свойство некоторых металлов (Ti, Zr) вступать в
химические реакции с составляющими
керамики. В этом случае керамика не
металлизируется, а поэтому требуется особо тщательная
очистка ее поверхности. При изготовлении
вакуумно-плотных соединений иногда
приходится тормозить взаимодействие титана с
керамикой, помещая между ними твердый
припой. Растворяясь в расплавленном припое,
титан контактирует с керамикой, обеспечивая
нужное соединение.
Термодиффузионная пайка аналогична
диффузионной сварке; она требует
определенного подбора температуры нагрева и давления.
Тщательно очищенные детали собирают в
специальной оправке и медленно нагревают до
тех пор пока не будет достигнута заданная
температура. Затем к ним прикладывается
давление до 20 МПа в течение 1 ч. Узел
охлаждается на 200 - 300 °С, при этом медленно
уменьшается нагрузка.
7.1.3. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ПРОИЗВОДСТВА КАТОДОВ, ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ
И ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЕЙ
В вакуумных приборах используется
термоэлектронная, вторично-электронная,
автоэлектронная и фотоэлектронная эмиссия. В
зависимости от вида эмиссии различают
термоэлектронные, вторично-эмиссионные,
фото- и автоэмиссионные катоды. Катоды трех
последних типов для получения эмиссии не
требуют разогрева, поэтому их иногда
называют "холодными" в отличие от требующих
разогрева термокатодов (см. гл. 2.1).
При термоэлектронной эмиссии
электроны катода с большей энергией
преодолевают потенциальный барьер между
поверхностью катода и вакуумом, формируя ток
эмиссии.
Термокатоды имеют наибольшее
применение в технике, так как являются
простейшими источниками потоков свободных
электронов.
Вторичной электронной эмиссией
называется испускание поверхностью электронов
под действием электронной бомбардировки
этой поверхности.
Вторично-эмиссионные катоды широко
используются в различных типах вакуумных
СВЧ-приборов.
Автоэлектронной эмиссией называется
испускание электронов телами под действием
сильного электрического поля (характерная
напряженность электрического поля
превышает 107 В/см).
С явлением автоэлектронной эмиссии
достаточно часто сталкиваются при пробоях.
Стабильные автоэмиссионные катоды требуют
для работы сверхвысокого вакуума (около
10 Па), и их применение ограничивается в
основном катодами для электронных
микроскопов.
Фотоэлектронной эмиссией называется
испускание поверхностью электронов под
действием падающего на нее
электромагнитного излучения.
Фотоэлектронные катоды разных типов
широко используется в различных оптоэлек-
тронных преобразователях.
Характеристики термокатодов, наиболее
широко используемых в электронной технике,
приведены в табл. 7.1.4.
Эти катоды за исключением чисто
металлических являются активируемыми и работают
в состоянии динамического равновесия с
окружающей средой, т.е. во время работы на
поверхности катодов постоянно
поддерживается примерно моноатомная пленка активатора.
Типичные зависимости плотности тока
эмиссии от температуры для различных
катодов показаны на рис. 7.1.13.
Оксидные, металлопористые и гексабо-
ридные катоды, как правило, входят в состав
катодных узлов косвенного накала. В таких
узлах нагрев осуществляется специальным
подогревателем.
Металлические и торированные катоды
обычно изготовляют прямонакальными, т.е.
разогрев катода осуществляется пропусканием
тока через тело катода. Типичные конструкции
термокатодов показаны на рис. 7.1.14.
Принципиальные схемы различных
вариантов оксидных катодов представлены на
рис. 7.1.15.

620
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
7.1.4. Основные характеристики термокатодов
Тип катода
Оксидно-
бариевый
Вольфрамо-
ториевый
Металло-
пористый
Гексаборид-
лантановый

Вольфрамовый
Работа выхода
электронов при
рабочей
температуре, эВ
1,5 - 1,6
ЗД - 3,2
1,8 - 2,0
2,5 - 2,7
4,55
Допустимая
плотность тока*
при долговечности
103 - 104 ч> а/см2
0,1-0,3/3- 10
0,5-1/1-3
1-5/10-20
1-5/1-5
0,1-1
Рабочая температура,
К
1000 - 1200
1800 - 2000
1250 - 1450
1700 - 1900
2450 - 2650
Виды изделий
Кинескопы, ЭЛТ,
приборы СВЧ
Магнетроны,
газоразрядные
приборы
Кинескопы, ЭЛТ,
приборы СВЧ
Технологические
установки
' В числителе - для непрерывного режима, в знаменателе - для импульсного режима.
/ООО
тоо
то гвоо гооо т,к
Рис. 7.1.13. Зависимость плотности термоэмиссии основных эмиссионных систем от
1 - оксидный катод; 2 - бариевый металлокерамический катод; 3 - Pt-Ba 2%; 4 - Ir-La 0,5
5- La-B6; б- Re-Th 2 %; 7- ThOz; 8- Re-Zr 1 %; 9- W-Hf 3 %; 10- W

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАТОДОВ
621
В)
Рис. 7.1.14. Термокатоды:
а - прямоканальный петлевой; б - прямоканальный спиральный; в - цилиндрический с косвенным накалом
и активным эмиссионным слоем; г - камерный с косвенным накалом; д - металлопористый пропитанный
косвенного накала; е - прямонакальный с проводящим массивным эмиттером; ж - с электронным нагревом;
1 - подогреватель; 2 - подслой; 3 - эмиссионный слой; 4 - керн; 5 - пористая тугоплавкая матрица;
6 - запас эмиссионного вещества; 7- керамический держатель; 8 - токоотводы; 9 - эмиттеры
\
5)
6)
Рис. 7.1.15. Схемы катодов с <
а - традиционный оксидный; б - молекулярно-напыленный оксидный; в - губчатый оксидный;
г - слоисто-монолитный катод;
1 - керн; 2 - кристаллы оксидов; 3 - подслой на керне; 4 -эмиттирующая поверхность; 5 - слои металла

622
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
На металлическом керне i,
выполненном, как правило, из никеля с присадками
металла (Mg, Zr, W и др.), активно
восстанавливающего оксиды щелочно-земельных
металлов (ЩЗМ), расположен пористый слой 2
кристаллов тройных (BaO-SrO-CaO) или
двойных (BaO-SrO) оксидов ЩЗМ. В
результате прокалки в высоком вакууме и
взаимодействия с активирующими присадками в
оксидных кристаллах формируется избыток
ЩЗМ, приводящий их в состояние
полупроводника л-типа с одновременным
обогащением поверхностей кристаллов барием.
Требуемая для работы катода концентрация бария
поддерживается вследствие химических
реакций оксидов ЩЗМ с материалом керна и
присадками в его составе. Ограничения токоотбо-
ра обусловлены перегревом плохо
проводящего оксидного слоя и ионным переносом
при токоотборе. Основные способы борьбы с
этими явлениями следующие: 1) увеличение
плотности покрытия; 2) уменьшение
характерных расстояний прохождения тока в оксидном
покрытии при неизменном или даже
увеличенном запасе активного вещества. Для этого
соответственно используют: 1) плазменное,
ионно-плазменное и вакуумное нанесение,
обеспечивающее плотность покрытия, близкую
к теоретически допустимой-; 2) разнообразные
конструкции губчатых катодов и слоисто-
монолитные катоды. Керн губчатых катодов
выполняют с уступами, позволяющими
запасти кристаллы оксида между ними и
обеспечить малые расстояния от керна к эмитти-
рующей поверхности. В слоисто-монолитном
катоде металлические слои 5 выполняют
аналогичную функцию.
Характеристики различных типов
катодов с оксидно-бариевым покрытием
приведены в табл. 7.1.5.
Тип
катода
С
тонким и
плотным

покрытием
Молеку-
лярно-
напы-
ленный
Губчатый
Металло-
оксид-
ный

(плазменный)
Слоисто-

монолитный
7.1.5.
Состав

эмиссионного
покрытия
Тонкая
губка Ni
C-5
мкм) +
карбонат
Карбонат

Никелевая
губка,

заполненная

карбонатом

Чередующиеся
слои
оксидов
ЩЗМ и
никеля
Характеристики катодов с оксидно-бариевым покрытием
Удельная
масса

эмиссионного
вещества,
мг/см2
4-6
1 -2
25-40
15-20
400-
500
Плотность

эмиссионного
вещества,
г/см3
2,2 - 2,8
3,9
2,0 - 2,5
4,2 - 4,6
4,5
Толщина

эмиссионного
покрытия,
мкм
20-25
3- 5
200-300
70 - 100
1000
Плотность
тока* при
ресурсе
10*4,
А/см*
0.05-0.15
1-3
2/2
0.2 - 0.5
1 - 5
0.3 - 0.7
2- 10
20/20
Рабочая

температура,
°С
750-800
750-800
800-850
780-830
800-900
Основные
области
применения,
особенности
Кинескопы,
ЭЛТ, малая
стоимость
Кинескопы,
ЭЛТ, малая
стоимость
Мощные
приборы
СВЧ,
устойчивость к
пробоям
То же,
повышенная

электрическая
прочность
Вакуумные
приборы с

низковольтным
сеточным
управлением,
малая ширина
эмитгирую-
щей
поверхности
* В числителе - для непрерывного режима, в знаменателе - для импульсного режима.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАТОДОВ
623
Формирование оксидов ЩЗМ
осуществляется в приборе прогревом первоначально
нанесенных на керн катода карбонатов.
Использование карбонатов обеспечивает
сохраняемость катодов на воздухе в течение
длительного времени. В слоисто-монолитном
катоде используются молекулярно-нанесенные
слои оксидов ЩЗМ.
Для нанесения карбонатных покрытий
применяется суспензия на основе
органических растворителей изоамилацетата и диэти-
локсалата и биндера - раствора связующего
вещества (нитроклетчатки) в этих же
растворителях.
Катоды с тонким и плотным покрытием
изготовляют пульверизацией на полуавтомате.
На керн предварительно наносят тонкий слой
G - 10 мкм) никеля, затем керн отжигают в
водороде при температуре 900 °С. При этом
образуется тонкая губка с параметром
шероховатости Ra = 3 ... 5 мкм, что улучшает
сцепление карбонатного покрытия с керном.
Молекулярно-напыленные катоды
получают напылением эмиссионного вещества на
подложку при катодном распылении мишени
(оксидного катода) ионами азота или аргона с
одновременной карбонизацией покрытия.
Губчатые (синтерированные) катоды
изготовляют посредством втирания суспензии
карбонатов в никелевую губку (рис. 7.1.15, в).
Большая плотность эмиссионного вещества
достигается заполнением губки суспензией
при пульверизации.
Плазменные оксидные катоды
изготовляют с применением дуговой плазменной
струи напылением порошка карбонатов на
губчатую поверхность керна. Карбонаты
частично (на 40 - 60 %) разлагаются на оксиды.
Затем полученную структуру опрессовывают
при давлении 1,5-ДО8 Па.
Слоисто-монолитные катоды получают
вакуумным термическим или
электроннолучевым нанесением оксидных и
металлических пленок.
В катодах с тонким и плотным
покрытием и губчатых наносят покрытие в виде
суспензии, в которой частицы карбоната
находятся в растворе, содержащем жидкую фазу
(этиловый спирт), биндер (обычно раствор
коллоксилина в изоамилацетате) и
пластификатор (диэтилоксалат, дибутилфталат). Биндер
и пластификатор необходимы для удержания
слоя карбоната на керне во время
изготовления катода. Во время термообработки катода
они удаляются из покрытия. Суспензия может
наноситься намазкой, пульверизацией,
электрофорезом. Во время термообработки
происходит удаление компонентов суспензии.
Неудаленные остатки нарушают работу катода.
Катоды, изготовленные плазменной
технологией и напылением, не имеют этих
недостатков.
Схема нанесения покрытия плазменно-
дуговой горелкой типична для операции
плазменного напыления. Порошок,
предназначенный для покрытия, находится в бункере. Под
действием вибратора порошок попадает через
область горения дуги, затем со сверхзвуковой
скоростью расплавленные частицы осаждаются
на охлаждаемом керне.
На качество покрытий при плазменном
методе влияют удельная мощность плазменной
струи (около 40 - 50 кВт/см2), расход газа и
карбоната, размер частиц порошка карбоната и др.
В электронной технике широко
применяют пропитанные металлопористые катоды
(МПК). Наряду с традиционным применением
этих катодов в СВЧ-приборах их используют и
в некоторых типах электронно-лучевых трубок
и кинескопов. Типичная структура таких
катодов представлена на рис. 7.1.16. В порах
матрицы 2, выполненной из порошка вольфрама
или сплавов вольфрама с тугоплавкими
металлами Os, Ir, Ru, Re, располагаются эмиссион-
но-активные вещества алюминаты, имеющие
формулу (п - х)ВаОос(СаО)А12О3, где п = 3 ...
4;х= 1,5 ... 0,5.
Рис. 7.1.16. Поверхности и приповерхностный слой металлопористых осмированных катодов:
а - поверхность металлопористого катода, часть которой покрыта пленкой Os, увеличение 1000х;
б - Os покрытие, 2000х; в -приповерхностный слой (скол), 5000х;
1 - пористый осмиевый слой; 2 - пористая вольфрамовая губка

624
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
В состав алюминатов могут входить
добавки других оксидов щелочных,
щелочноземельных и редкоземельных металлов,
изменяющих эмиссионные и физические свойства
катодов. Матрица катода обычно изготовляется
методами порошковой металлургии и
представляет собой жесткое тело, сохраняющее
свою форму и структуру при
высокотемпературной и механической обработке. Матрицу
закрепляют запрессовкой, спеканием,
сплавлением и другими методами в катодных узлах.
Эмиссионное вещество в матрице
распределяется по действием капиллярных сил при
взаимодействии расплава алюмината с горячей
матрицей в среде сухого водорода при
температуре, на 50 - 100 °С превышающей
температуру плавления алюминатов. Типичная
температура пропитки катодов с алюминатом
ЗВаО-СаО-А^Оз превышает 1500 °С. Время
пропитки 1-2 мин.
Во время работы катода вследствие
взаимодействия алюминатов с вольфрамом
образуется барий, поступающий на окисленную
поверхность вольфрамовых зерен и образующий
на ней примерно моноатомный слой типа W-
О-Ва. Эффективная работа выхода такой
системы 1,9 - 2,1 эВ. Условия динамического
равновесия, обеспечивающие восполнение
испаряющегося с поверхности Ва за счет
реакций его образования в матрице, доставку по
порам на рабочую поверхность и миграцию
его по эмиттирующей поверхности между
порами, реализуются при температуре 1000 -
1200 °С, расстоянии между порами 5-10 мкм
и размерах пор 1-1,5 мкм.
Для обеспечения высокого ресурса
глубина матрицы должна быть не менее 0,5 мм.
Эти условия удается выполнить за счет
использования для приготовления матриц
специальных вольфрамовых порошков, имеющих
размер зерна 3-4 мкм, обеспечения
пористости матриц 20 - 28 %. Для улучшения
эмиссионных свойств поверхность катода покрывают
пленкой металлов Os, Ru, Ir, Re или их сплавов с
вольфрамом толщиной 0,4 - 0,6 мкм. Пленка на
матрице формирует пористую структуру.
Эффективная работа выхода катода с пленками
составляет 1,8 - 1,9 эВ. Эти же металлы B0 - 80 %)
добавляют в тугоплавкую пористую матрицу,
снижая скорость испарения активного вещества и
увеличивая ресурс катодов.
Для изготовления вольфрамовых матриц
используется вольфрамовый порошок. В
вольфрамовый порошок добавляют парафин,
что обеспечивает равномерную пористость и
механическую прочность штабиков после
гидростатического прессования. Парафин
удаляется при спекании, после которого пористость
должна составлять 25 - 28 %. После спекания
проводится пропитка медью вольфрамовой
матрицы. Такие матрицы легко механически
обрабатываются. Медь, кроме того, растворяет
вредные для работы катода примеси. Удаление
основного количества меди после
механической обработки осуществляют травлением в
разбавленной азотной кислоте, после чего
остатки меди выпаривают в вакууме или
водороде при температуре около 1500 °С.
Вольфрамовые матрицы после изготовления должны
иметь равномерную открытую пористость.
При пропитке матрицы катода
алюминатом на эмиттирующую поверхность наносится
слой алюмината либо суспензии алюмината в
изоамилацетате из расчета, чтобы масса
алюмината составляла около 10 % массы пористой
вольфрамовой матрицы. Далее катод
высушивается в сушильном шкафу и помещается в
водородную печь для пропитки. Избыток
алюмината, оставшийся на эмиттирующей
поверхности, удаляется механически. При
сборке катодных узлов широко используется
контактная и лазерная сварка. Завершающей
операцией является ионное травление
эмиттирующей поверхности, осуществляемое на
глубину около 10 мкм, позволяющее удалить
деформированный при механической
обработке слой и открыть поры. После этого
производится нанесение на эмиттирующую
поверхность пленок Os, Ir, Re. Ионное травление и
нанесение пленок осуществляют в среде
инертных газов.
Описанная технология позволяет
изготовлять МПК с размерами эмиттирующей
поверхности 1-30 мм. Большие размеры
эмиттирующей поверхности удается получать у
катодов, пористая матрица которых
изготовляется методами плазменного нанесения
вольфрамового порошка на тугоплавкую подложку.
Катоды малых размеров A-3 мм) часто
получают запрессовкой вольфрамового
порошка в чашки с последующим спеканием и
шлифованием эмитгирующей поверхности.
Известны также технологии изготовления
МПК, в которых происходит одновременная
запрессовка в чашечку смеси порошка
эмиссионного вещества и тугоплавкого металла.
Изготовление катодов с малым размером
эмитгирующей поверхности (менее 0,5 мм)
обычно осуществляется маскированием
эмиттирующей поверхности большего по размеру
катода пленками антиэмиссионных веществ,
например Hf, и локальным удалением его с
эмигрирующих участков.
Для изготовления торированного катода
используется, как правило, вольфрамовая
проволока марок ВТ-10 и ВТ-15 с примесью 1 -
1,5 % оксида тория. Поверхностный слой,
примыкающий к эмитгирующей поверхности
толщиной 30 - 50 мкм (площадь его
поперечного сечения достигает 30 % сечения катода),
выполняют из карбида вольфрама, и он имеет
столбчатую слоистую структуру, облегчающую
доставку тория к эмиттирующей поверхности
(рис. 7.1.17). Наличие углерода в поверхност-

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАТОДОВ
625
Рис. 7.1.17. Сечение торированной карбидированной
проволоки. Пластинчатая структура слоя
карбида вольфрама толщиной 25 мкм
ном слое увеличивает скорость образования
свободного тория из ThO2. Высокая работа
выхода W2C D,5 эВ) обеспечивает высокие
адсорбцию атомов Th и устойчивость
поверхностной моноатомной пленки Th. Толщина
30 - 50 мкм поверхностного слоя обеспечивает
одновременное сохранение высокой
прочности вольфрамовой проволоки, несмотря на
хрупкий карбидный слой, и высокий ресурс
катода, определяемый толщиной этого слоя.
Изготовление таких катодов заключается
в очистке и отжиге торированного вольфрама,
а также придании катоду заданной формы.
Важнейшей специфической операцией для
этого типа катодов является карбидизация,
осуществляемая прокалкой торированных
катодов в смеси углеводорода и водорода.
Катоды закрепляются в откачиваемой
камере установки для карбидизации. Нагрев
катодов осуществляется пропусканием тока
через спирали. В камеру через натекатели
подается газ. В качестве карбидизирующего газа
в настоящее время наиболее широко
используется смесь гептана с водородом и, кроме того, -
метан, нафталин и бензол. Требуемая
концентрация гептана в водороде обеспечивается
нагревом до определенной температуры емкости-
карбюратора с гептаном (прозрачная
бесцветная жидкость), через который проходит
водород. Температура карбидирования обычно
составляет 1850 - 1900 °С, время 15 - 30 с.
Контроль толщины карбидного слоя
осуществляют по изменению сопротивления
спиралей, составляющего 15 - 25 % начального
значения (W2C имеет большее удельное
сопротивление, чем W).
Подогреватели являются наиболее
"горячими" деталями в приборах.
В состав подогревателей электронных
приборов входят: тело накала, выполненное из
тугоплавких металлов W, Mo, Re и их сплавов;
изолятор; выводы. Подогреватели для
оксидных катодов обычно имеют тонкое (около 10 -
70 мкм) изолирующее алундовое покрытие на
теле накала, наносимое намазыванием,
пульверизацией, электрофорезом или плазменным
напылением. Для эксплуатируемых при
высокой температуре металлопористых катодов
требуется большая толщина изоляционного
покрытия. Это достигается в подогревателях, у
которых тело накала заплавлено в
изоляционный алундовый слой, который представляет
собой несущую основу подогревателя.
Тело накала подогревателей
формируется, как правило, из проволочных или
ленточных спиралей. Передача теплоты от тела
накала катоду осуществляется в основном
излучением, поэтому спиральная форма позволяет
увеличить площадь боковой поверхности тела
накала, что улучшает лучистый теплообмен
между телом накала и другими частями катода.
Перед употреблением материал тела
накала очищается электролитическим травлением
в щелочи и отжигается во влажном водороде с
точкой росы -A5 - 25)°С при температуре
900 °С. Такая обработка позволяет устранить с
поверхности слой аквадага, который приводит
к образованию на поверхности тугоплавких
металлов карбидов, охрупчивающих
проволоку. Очищенная проволока или лента
навивается на специальную оправку для придания
подогревателю заданной формы и отжигается
при температуре 1200 - 1450 °С в течение 10 -
20 мин в водороде с точкой росы - 15 °С для
закрепления формы. Затем подогреватель
снимается с оправки, а в случае невозможности
проведения этой операции оправка удаляется
травлением в смеси азотной и серной кислот.
Для алундированных подогревателей
изоляционный слой наносится пульверизацией
или электрофорезом. Состав суспензии для
пульверизации содержит алундовый порошок
КО, биндер, оксид иттрия.
Для покрытия подогревателей
катафорезом используют суспензию, содержащую
метанол, биндер, 4,3 %-ный раствор
азотнокислого церия.
Толщина изоляционных покрытий в
зависимости от толщины материала керна
составляет 10-70 мкм. Чем больше толщина
проволоки, тем больше толщина
изолирующего слоя. Спекание подогревателей
проводится во влажном водороде с точкой росы -
A5 - 25) °С при температуре 1650 - 1750 °С в
течение 10-30 мин.
На рис. 7.1.18 представлены основные
виды конструкций алундированных
подогревателей. Типичная температура тела накала в
оксидных катодах 1500 - 1600 °С.
Конструкции подогревателей для
металлопористых катодов показаны на рис. 7.1.19.
Они отличаются большим объемом и
толщиной керамики, как правило, ВК-99 (99 %
А12О3, MgO - 0,3 % и В2О3 - 0,6 %).

626
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Т
1
а) В) в) г) д) е) ж)
Рис. 7.1.18. Варианты алундированных подогревателей для оксидных и металлопористых катодов
"v bkj \ yH1
2 4 65
а) б) в)
Рис. 7.1.19. Подогреватели для металлопористых высокотемпературных катодов:
а - спираль на керамической втулке; б - спираль, армированная керамическими держателями;
в - спираль, заплаченная в керамику;
1 - керамическая втулка; 2 - спираль; 3 - керамический держатель; 4, 5 - выводы подогревателя; 6 - корпус
Для подогревателей типа показанных на
рис. 7.1.19, а спираль крепится на
керамической втулке, вариант, показанный на рис.
7.1.19, б, используется в основном для
проволоки толщиной более 0,5 мм. Проволока,
имеющая достаточно высокую прочность,
крепится в керамических шайбах, которые
располагаются в металлической чашке. В варианте,
показанном на рис. 7.1.19, в, тело накала за-
плавлено в керамическую массу. Типичная
температура тела накала подогревателей МПК
1700 - 1800 °С.
При расчете и конструировании
подогревателя необходимо удовлетворять следующим
основным требованиям: высокое
сопротивление изолирующего слоя, незначительная сила
тока утечки, формоустойчивость при высокой
температуре, механическая прочность,
незначительный разброс силы тока накала и
заданная долговечность. Рекомендуемые основные
характеристики подогревателей приведены в
табл. 7.1.6.
Спецификой технологии изготовления
подогревателей, являются операции
изготовления спиралей, в частности биспиралей,
которые осуществляются на специальных
автоматах.
При изготовлении заплавленного
подогревателя алунд или другую керамическую
массу в виде кусочков помещают в металлическую
чашку с размещенным в ней телом накала и
затем расплавляют в ней. Объем кусочков
подбирают таким образом, чтобы при
расплавлении спираль была полностью погружена в
расплав. Расплавление ведут в водородной
печи при температуре 2100 °С. Время
выдержки при максимальной температуре выбирают
минимально необходимым для расплавления
керамики. После этого печь быстро охлаждают
во избежание чрезмерной рекристаллизации
тела накала. После охлаждения металлическую
чашку вытравливают, проводят очистку - и
подогреватель готов к эксплуатации.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАТОДОВ
627
7.1.6. Характеристики подогревателей
Тип
подогревателя
Алундированный
Неалундирован-
ный на керамике
Заплавленный
алундом
Допустимая
удельная
мощность, Вт/см2
8- 10
20-25
30-35
Рабочая
удельная
мощность, Вт/см2
4-6
10- 18
15-20
Срок службы при
непрерывном
горении, ч
5000 - 10 000
3000 - 8000
20 000 - 50 000
Число
термоциклов
5000 - 10 000
> 10 000
- 100 000
Тело накала у подогревателя такого типа
может быть любым по форме, но его выводы
должны быть обязательно "усилены", так как
условия теплообмена на выводах значительно
хуже, чем на теле накала. Форма для
оплавления алунда имеет такую конструкцию, чтобы
погрузившийся на ее дно подогреватель во
время плавления алунда не мог коснуться в
дальнейшем корпуса катода. Для этого служат
кольцевые выступы в донной части формы и
на боковой ее поверхности, отдаляющие
поверхность корпуса подогревателя, на которую
могут выйти витки тела накала.
В качестве материала для корпуса за-
плавленного подогревателя используется-
керамика ВК-99 с массовой долей
компонентов, %: А12О3 - 98,8; MgO - 0,3; В2О3 - 0,9 и
ВК-98-1, где массовая доля MgO и В2Оз в
1,5 - 2 раза больше, чем у керамики ВК-99.
Для уменьшения температуры заплавле-
ния используют смеси алунда с оксидом
иттрия и (или) скандия.
Для тела накала, как правило,
используется проволока из сплава вольфрама с рением,
так как она меньше чем проволока из
вольфрама подвержена рекристаллизации.
Поддержание требуемого давления
остаточных газов в вакуумных приборах во время
тренировки и в течение срока службы
осуществляется с помощью газопоглотителей -
геттеров. Геттеры бывают распыляемыми и нерас-
пыляемыми.
Распыляемые геттеры наносятся
(напыляются) в виде тонкой пленки на внутреннюю
поверхность оболочки. До распыления они
находятся в компактном состоянии внутри
контейнера, укрепленного на арматуре
прибора. При распылении контейнер нагревают,
чаще всего с помощью ТВЧ. Образовавшаяся
пленка активного вещества (чаще всего Ва)
активно сорбирует остаточные газы в широком
диапазоне температуры. Максимальная
рабочая температура не превышает 200 °С и
ограничивается испарением материала геттера.
Нераспыляемые газопоглотители
содержат металлы, которые поглощают газы без
предварительного распыления за счет
образования химических соединений с остаточными
газами, физической адсорбции их на развитой
поверхности геттера и диффузии этих газов в
геттер. Эффективность газопоглощения
максимальна при повышенной температуре,
значение которой зависит от материала геттера.
Обладающие большой сорбционной
емкостью нераспыляемые газопоглотители
используются в мощных вакуумных и газораз-,
рядных приборах и в технологических
установках.
Типичные формы распыляемых бариевых
геттеров показаны на рис. 7.1.20.
V.U.
Рйс 7.1.20. Варианты ря
пари
tux геттеров:
1 - прессованный порошок;
2 - металлический контейнер; 3 - держатель-экран;
4 - керамический корпус

628
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
У большинства распыляемых
газопоглотителей активным газопоглощающим
веществом является Ва (температура плавления
Тдл — 704 °С, температура кипения З^щ =
= 1540 °С).
Ва реагирует с Ог и НгО, и в меньшей
степени с N2, Н2, CO2 и СО. Ва не поглощает
инертных газов и очень незначительно
поглощает углеводороды. Скорость поглощения
любого газа зависит от критической
температуры ТКр реакции бария с ним. Например,
при реакции Ва с С>2 Ткр « 40 °С. При
температуре ниже Ткр поглощение кислорода
"зеркалом" Ва быстро прекращается. Это
объясняется образованием плотной
поверхностной пленки оксида бария, не пропускающей
кислород в слой и препятствующей диффузии
бария на поверхность газопоглотителя.
При температуре выше Ткр кислород
диффундирует в слой, поэтому поверхность
газопоглотителя постоянно обогащается Ва.
При температуре выше Ткр сорбционная
емкость пропорциональна количеству Ва. При
температуре ниже Ткр сорбционная емкость
пленки газопоглотителя определяется
площадью ее поверхности. При Т > 200 °С
сорбционная способность Ва понижается в результате
как рекристаллизации бария, так и увеличения
давления его насыщенных паров.
Изготовлять газопоглотитель из чистого
Ва практически невозможно, так как Ва
мгновенно окисляется на воздухе и теряет газопо-
глощающую способность еще в процессе
монтажа прибора. Для защиты бария от действия
окружающей атмосферы его используют в виде
сплава с А1 (газопоглотитель "Альба").
Алюминий служит для образования
пассивирующей оксидной пленки, не
пропускающей газов и паров из атмосферы в толщу
сплава и защищает Ва от внешнего
воздействия. К недостаткам газопототителя "Альба"
относятся: высокая температура, необходимая для
распыления газопототителя (около 1050 - 1150
°С); большая летучесть А1 в вакууме и, как
следствие, возможность загрязнения активного
бариевого "зеркала" алюминием; малая механическая
прочность остатка сплава после распыления,
приводящая к появлению в приборе частиц
осыпавшегося газопоглотителя.
К сплаву "Альба" добавляют порошки Ti
(газопоглотитель "Бати") или Ni
(газопоглотитель "Альбани"). Температура
начала распыления 860 - 900 °С. В процессе
распыления газопоглотителя Ti или Ni
вступают в химическую реакцию со сплавом:
ВаАЦ + 4Ni -+ 4NiAl + Ва + Q.
Ni или Ti связывает А1 в малолетучее
соединение NiAl, предотвращая распыление А1
вместе с Ва. Выделяющаяся теплота Q
(реакция является экзотермической) позволяет
снизить мощность, необходимую для разогрева
газопоглотителя до температуры распыления.
Уменьшение температуры распыления
предотвращает перегрев близлежащих электродов, их
деформирование, газовыделение и образование
металлических налетов на изоляторах.
В газопоглотитель "Бати" иногда
добавляют оксид железа, который вступает в
экзотермическую реакцию с Ti, снижая
температуру распыления.
Газопоглотитель состоит из газопогло-
щающего состава и держателя. Газопоглощаю-
щие составы изготовляют в виде таблеток,
порошков и паст с органической связкой -
биндером или без нее. Держатель является
емкостью для помещения в него газопогло-
щающего состава, нагревателем для него,
экраном, направляющим поток паров бария в
требуемом направлении. Он также служит для
крепления газопоглотителя к арматуре
прибора. Держатель обычно изготовляют из
металлов, которые не участвуют в процессе
поглощения остаточных газов, например, никеля,
молибдена.
Наибольшее распространение получили
кольцевые газопоглотители КРБ (порошок,
запрессованный в предварительно
сформованный кольцевой контейнер) и порошководав-
ленные газопоглотители ПД (порошок,
запрессованный в металлический диск).
Изготовление распыляемых
газопоглотителей проводят за две стадии: 1)
приготовление рабочей смеси; 2) упаковка (прессование)
ее в контейнер. Важно с высокой точностью
обеспечить: на первой стадии - состав и
размеры зерен, на второй - дозировку и
плотность.
Сплав, как правило, приготовляют в
вакуумных печах, после чего его дробят,
размалывают и просеивают на фракции. Фракции с
размерами зерен в несколько микрометров
используют для ленточных и шовно-трубчатых
газопоглотителей с размерами 75 - 150 мкм -
для газопоглотителей ПД. Смешивают
порошки во вращающейся стеклянной посуде.
Специфическим оборудованием при
изготовлении распыляемых газопоглотителей
являются аппараты для получения бария и
сплавов бария с алюминием. Это производится
в одинаковых по конструкции установках (рис.
7.1.21). Установка состоит из реакционной
трубы 2> печи сопротивления 7, которую
надвигают на трубу, и откачной системы 3. При
взаимодействии оксида бария с алюминием
образуется барий. Над приемным стаканом 9
устанавливают подставку 8 с воронкой 7, в
которую помещают стойку 6 для брикетов,
содержащих смесь порошков А1 и ВаО. На
стойку укладывают брикеты 4> помещая между

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 629
ЛВакуумному
насосу
Вода
Рис. 7.1.21. Схема печи для получения бария и
его сплавов
ними кольца 5 из стальной проволоки.
Брикеты накрывают металлической гильзой
(стаканом) 10. Затем на стакан с брикетами
надевают трубу 2 и прижимают ее к станине
аппарата. Воздух откачивают до достижения
давления около 10 Па. После этого наполняют
водой холодильник и охлаждающую рубашку
приемного стакана. На трубу опускают печь 1
так, чтобы в наиболее горячей зоне ее
находились брикеты, и нагревают трубу до
температуры начала реакции. Начало реакции
характеризуется резким увеличением давления,
вызванным обильным газовыделением. Барий из
брикетов возгоняют при 1280 - 1300 °С в
течение 1,5 - 2 ч, при этом давление не должно
превышать 8 Па. После возгонки конденсат
бария сливают в приемный стакан, для чего
печь опускают в самое нижнее положение.
Металлический барий хранят в закрытых
сосудах, в вакуумных эксикаторах или в
безводных органических жидкостях.
При изготовлении газопоглотителя
"Альба" применяют два состава, %: 1) 65 бария
и 35 алюминия; 2) 50 бария и 50 алюминия.
На описанной установке вместо воронки
и стойки устанавливают подставку, на которую
помещают тигель с крышкой. В тигель
загружают послойно барий и алюминий, после
этого надевают реакционную трубу, которую
герметизируют. Получают в аппарате давление
1 - 1,5 Па и нагревают реакционную трубу до
температуры 950 - 1000 °С.
Сплавление Ва с А1 продолжается в
течение 1 - 1,5 ч, после чего печь сдвигают с
реакционной трубы и после охлаждения и
выключения системы сплав выбивают из тигля,
измельчают сначала на шнековой дробилке,
затем в валковой мельнице, в которую с целью
предотвращения загорания порошка пускают
инертный газ. Готовый сплав подвергают
анализу для определения общего содержания
бария и стабильности.
Стабильность сплава определяют по
содержанию не связанного с алюминием в
сплаве (свободного) бария. Чем меньше в сплаве
свободного бария, тем выше стабильность
сплава.
Для изготовления таблеток "Альба"
используют тонкоизмельченный порошок
сплава. В порошок сплава добавляют 1 %
алюминиевого порошка для лучшей прессуемости.
Таблетки прессуют на прессах с
автоматической дозировкой.
Нераспыляемые газопоглотители
выполняют в виде: деталей ив листового металла и
прессованных деталей (пористые
газопоглотители); покрытий, наносимых на детали
прибора; отдельных узлов - в сочетании с
встроенным подогревателем для обеспечения более
качественного активирования газопоглотителя
в приборе. В качестве материалов для нерас-
пыляемых газопоглотителей служат титан,
цирконий, тантал, торий, ниобий, а также
сплавы циркония с алюминием (циаль),
циркония с титаном, церия с цермишметаллом,
алюминия с торием и др. В СВЧ-приборах для
нераспыляемых газопоглотителей применяют
обычно пористый титан, циаль (сплав
циркония 84 % и алюминия 16 %) и смесь титана 60
%, циаля 20 %, вольфрама 10 % и алюминия
10 %. Эти газопоглотители обладают высокой
скоростью поглощения при температуре 20 -
900 °С, характеризуются механической
прочностью и устойчивостью к воздействию
атмосферы и паров воды.
7.1.4. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДНЯ ОЧИСТКИ
И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ И
УЗЛОВ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Виды и причины загрязнений поверхностей
и их влияние на работоспособность ЭВП. В
процессе изготовления и хранения деталей
ЭВП на них появляются вещества
(загрязнения), состав которых отличается от
химического состава материала детали.
Все виды загрязнений поверхностей
деталей можно классифицировать либо по их
физико-химическим свойствам, либо по
характеру взаимодействия загрязнения с
материалом поверхности детали.
По физико-химическим свойствам
загрязнения могут быть разделены на
органические, неорганические, солевые (ионные) и
механические.
По характеру взаимодействия
загрязнений с поверхностью они делятся на физически
и химически адсорбированные.
Физически адсорбированные загрязнения
не образуют с материалом детали химических
соединений. Обычно это следы жиров и масел,

630
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
остатки шлифовальных и полировальных паст,
частицы абразивных материалов и клея,
шлифовальной бумаги, пыль различного
происхождения, копоть, следы от прикосновения рук,
адсорбированные инертные газы, волокна от
тары и т.п. К наиболее распространенным
загрязнениям данной группы относятся следы
жиров и масел, происхождение которых
связано как с использованием смазок на различных
технологических операциях механической
обработки деталей, так и с хранением в
производственных помещениях с
кондиционированным воздухом, который при очистке
прогоняется через сетки, смоченные маслом.
"Замасливание" поверхностей деталей также
происходит при их хранении в эксикаторе,
откачанном масляным насосом, и отжиге
деталей даже в высоком вакууме, если откачка
производилась масляными средствами.
Химически адсорбированные
загрязнения образуются в результате химического
взаимодействия материала поверхности
деталей с окружающей средой при их обработке
или хранении. Эти загрязнения представляют
собой оксидные пленки, сернистые и
хлористые соединения на поверхности металла,
следы выщелачивания стекла, загрязнения,
полученные в результате неправильно выбранных
режимов очистки поверхностей детали,
загрязнения, возникающие в результате
атмосферной коррозии материала детали и
представляющие из себя продукты химического
взаимодействия металлов с окружающей средой.
Коррозия усиливается при взаимодействии
металлов с влажным воздухом, сильном
деформировании поверхностей и наличии на
деталях и в воздухе пыли.
Толщина оксидной пленки зависит от
температуры. В процессе прокатки, протяжки
вварки в стекло на поверхности детали
образуются толстые оксидные пленки. Если при
20 °С на поверхности из корррозийно-стойкой
стали присутствуют не видимые
невооруженным глазом оксидные пленки толщиной 1 -
5 мкм, то при температуре 200 - 400 °С
толщина пленок составляют 40 - 120 мкм. По
мере увеличения толщины слоя пленки она
становится видимой, становясь
последовательно желтого, оранжевого красного, пурпурного,
синего и черного цветов.
Причиной появления серы и сернистых
соединений на поверхностях деталей может
являться использование в качестве
поверхностно-активных веществ (ПАВ) моющих
порошков.
Появление хлора на поверхности кернов
катодов может быть связано с использованием
при травлении соляной кислоты.
В ряде случаев загрязнения проявляются
не сразу, а только на последующих
технологических операциях. Так, например если детали
промыты в разложившемся трихлорэтилене,
после последующей их термообработки в
вакууме на их поверхностях появляются темные
пятна загрязнения, нарушающие качество
последующих технологических операций
(появление прожогов при сварке деталей и узлов,
образование посторонних частиц в приборах,
ухудшение качества покрытий, получаемых,
например, при нанесении люминесцентных,
изоляционных и металлических слоев).
Загрязнения на деталях приводят к
снижению надежности ЭВП по следующим
причинам: ухудшения изоляционных свойств по-
рерхностей изоляторов, что сопровождается
утечками и пробоями между электродами;
увеличения давления в приборах,
обусловленного повышенным газовыделением
загрязнений в процессе их термического нагрева или
электронной бомбардировки; ухудшения
эмиссионных характеристик катодов при их
"отравлении" загрязнениями, находящимися
на поверхности деталей; изменения
электрических характеристик деталей, например
электрического сопротивления, коэффициента
вторичной эмиссии электронов и др.;
снижения прочности и вакуумной плотности швов.
Поэтому при производстве ЭВП очистка
поверхностей деталей от загрязнений является
обязательной.
Применяемые способы очистки
поверхностей зависят от материала деталей и
характера загрязнений.
Способы очистки поверхностей
металлических деталей ЭВП от загрязнений. Способы
очистки поверхностей деталей ЭВП можно
разделить на несколько групп: механическое
удаление загрязнений, обезжиривание в
нейтральных растворителях, обработка в
химически активных растворах и использование
электролитических процессов, термическая очистка
в вакууме и очистка ионной бомбардировкой.
Механическая очистка осуществляется
путем механического удаления загрязнений с
поверхности, в том числе с помощью потока
жидкости или газа (шлифование, кварцевание,
галтовка в суспензии абразивных материалов,
дробеструйная, гидроабразивная,
ультразвуковая обработки и т.д.).
Обезжиривание в нейтральных
растворителях основано на использовании таких
растворителей, как бензин, трихлорэтилен, вода и
др., которые не разрушают жировые молекулы
загрязнений, а благодаря своей сорбционной
активности вытесняют их с поверхности
очищаемой детали и поглощают.
При обработке в химически активных
растворах и использовании электролитических
процессов загрязнения удаляют путем
обезжиривания, окисления и растворения в кислотах
и щелочах, анодного травления и
полирования, а также катодного обезжиривания в
электролитах. Это сопровождается как
разрушением молекул загрязнений, так и частичным

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 631
разрушением (удалением) поверхностных
слоев материала деталей.
Физическая десорбция газов
осуществляется путем нагрева деталей в газовых средах,
вакууме, а также ионно-плазменной обработки
поверхностей деталей.
Для качественной очистки деталей от
загрязнений необходимо знать их состав и
свойства. Например, свойства смазок,
используемых на заготовительных операциях, могут
быть различны.
Большинство смазок являются
органическими веществами и их смесями. Часть из них
являются неполярными органическими
веществами (масло индустриальное, парафин, хлор-
парафин и вазелиновое масло). Часть смазок -
в значительной степени полярные вещества
(мыльная эмульсия, поверхностно активные
вещества ОП-7 и ОП). В качестве смазок
используются также водные эмульсии масла -
эмульсол.
Неполярные смазки органического
происхождения хорошо растворяются в трихлорэ-
тилене. Ряд полярных смазок хорошо
растворяются в воде.
Жиры животного и растительного
происхождения, следы контактов рук плохо
растворяются в органических растворителях и не
растворяются в воде. Однако с помощью
щелочных составов, которые их растворяют
(омыление жиров), эти загрязнения удаляются
легче. Особенно сложно удаляются смазки
"аквадаг", требующие применения сильно
окисляющих составов.
Длительное пребывание ряда смазок на
деталях приводит к их необратимым
изменениям - высыханию, окислению (растительное
масло), полимеризации (стеариновая кислота),
поэтому удаление остатков смазки становится
затруднительным. Поэтому использование
этих смазок крайне нежелательно, а в случае
необходимости их применения следует
регламентировать сроки хранения неочищенных
деталей.
Атомы твердого тела, расположенные у
поверхности, образуют потенциальное поле,
которое оказывает большое влияние на сорб-
ционные процессы и определяет прочность
связи сорбированных частиц с поверхностью.
Поэтому поверхность любого вещества не
может быть абсолютно чистой. Какие бы методы
очистки не применялись, поверхность всегда
будет загрязнена в результате взаимодействия с
веществом, использованным для очистки, или
окружающей средой.
Поэтому очистка деталей ЭВП должна
производиться в несколько этапов. При этом
на каждом последующем этапе удаляются
продукты взаимодействия поверхности с
веществом, использованным при предыдущей
очистке (принцип замещения). Финишной
операцией очистки является отжиг в высоком
вакууме.
На каждом этапе технологического
процесса очистки должен соблюдаться принцип
противотока, при котором детали по мере
очистки соприкасаются с более чистыми
порциями рабочего раствора. Этот принцип
осуществляется путем организации встречного
движения детали и раствора (рабочего газа)
либо последовательного погружения деталей в
ванны с более чистым раствором. При обезга-
живании деталей в вакууме осуществляется
постоянная откачка выделяющихся газов.
Механическая очистка.
Абразивная очистка обеспечивает удаление
органических веществ с поверхности. Для
очистки используется жидкая абразивная паста,
состоящая из дистиллированной воды и
промолотого порошка оксида алюминия,
пропущенного через сито 100 меш.
Обработка очищаемой поверхности
осуществляется методом распыления абразивной
смеси из распылителя с расстояния около 15
мм при давлении сжатого воздуха около 150
кПа. После обработки деталь промывается в
проточной воде и сушится на воздухе.
К недостаткам метода относится
опасность разрушения абразивными частицами
хрупких деталей, а также неудобства,
связанные с необходимостью ориентации
поверхности детали относительно потока.
Практически все операции механической
очистки реализуются в жидкости. При этом
для повышения эффективности отмывки
используют гидромеханические (отмывка
кистями), гидродинамические (отмывка в мощной
струе жидкости) и ультразвуковые методы
интенсификации процессов. С помощью этих
методов удаляются различные механические
загрязнения, а ультразвуковая обработка к
тому же способствует интенсификации ряда
химических процессов.
Ультразвуковая очистка осуществляется
путем диспергирования и отрыва частиц
загрязнения с очищаемой поверхности за счет
приложения к ним силы и последующего
перемещения их в рабочую жидкость. При этом
используется явление ультразвуковой
кавитации, которое возникает при распространении
ультразвуковых волн в жидкости, когда в ней
появляются зоны растяжения и сжатия. При
этом жидкость, легко воспринимающая
сжимающие нагрузки, при растяжении образует
пустоты в виде мельчайших пузырьков. Эти
пустоты образуются в местах, где прочность
жидкости мала, например, в местах газовых
пузырьков, инородных мелких частиц и др.
Время жизни кавитационных пузырьков очень
мало, поэтому при их захлопывании
образуются микрозоны, в которых давление
повышается до десятков мегапаскалей и возникают
мощные завихрения. Если кавитационные
пузырьки образуются вблизи очищаемой
поверхности, выделяемая при этом энергия дис-

632
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
пергирует частицы загрязнения и отрывает их
от поверхности. Интенсивность кавитации
зависит от скорости захлопывания пузырьков.
При увеличении скорости захлопывания
пузырьков увеличивается выделяемая энергия, но
при этом большая часть энергии переходит в
тепловую, что уменьшает скорость
захлопывания пузырьков и снижает эффективность
очистки. Поэтому наиболее оптимальной частотой
является 16 - 25 кГц, хотя при этой частоте
слышен шум, который можно уменьшить со-
ответвующей изоляцией и креплением ванны.
Указанный диапазон частоты предпочтителен
при обработке поверхностей большой
площади, а также деталей сложной конфигурации,
так как образуемые волны характеризуются
меньшей направленностью.
При высокочастотных колебаниях B,5 - 10
мГц) эффект кавитации отсутствует и очистка
поверхностей осуществляется за счет больших
ускорений, возникающих в рабочей жидкости и
достигающих сотен и тысяч g , а также за счет
термического действия ультразвуковых
колебаний. Этот режим предпочтительнее при очистке
малогабаритных деталей от мелких частиц и
органических тонких пленок.
Обычно очистка деталей ультразвуковым
методом осуществляется в теплом моющем
растворе. Совмещение этого метода с другими
методами, например обезжириванием или
обработкой в химически активных
растворителях, ускоряет очистку как за счет кавитации и
действия ультразвуковых волн, так и за счет
более активного подвода к очищаемой
поверхности растворов.
Эффективность ультразвуковой очистки
зависит от ряда факторов: расположения
источника ультразвука, положения детали в
частотном поле, частоты колебаний, особенностей
конструкции контейнера, природы жидкости,
ее давления и температуры и т.д.
Преобразование электрической энергии
ультразвуковых частот в акустическую энергию
ультразвуковых механических колебаний
осуществляется с помощью преобразователей, в
которых используются электромагнитные, маг-
нитострикционные, пьезоэлектрические и
гидродинамические излучатели. Наибольшее
применение в оборудовании для ультразвуковой
очистки деталей ЭВП получили магнитострик-
ционные и пьезоэлектрические излучатели.
Магнитострикционный излучатель
состоит из двух основных узлов - акустического
трансформатора и размещенного в магнитном
поле магнитостриктора (стержня или пакета из
магнитострикционного материала), который
под действием переменного магнитного поля
изменяет свои размеры. В качестве
магнитострикционного материала используются никель,
сплавы железа с алюминием (альфер 10 - 12,
альфер 10 - 14), сплавы железа с кобальтом
(пермендюр К492, пермендюр Кб5), а также
ферриты.
Каждому полупериоду изменения
магнитного поля соответствует пропорциональное
изменение длины магнитостриктора, т.е. два
изменения длины за период изменения поля.
Изменение размеров магнитостриктора
зависит от характеристик магнитострицион-
ного материала и напряженности магнитного
поля и определяется по формуле
м = -г±в,
где At - амплитуда колебаний геометрических
размеров магнитостриктора; I - длина
магнитостриктора; у - постоянная
магнитострикционного эффекта; Е - модуль Юнга; В -
магнитная индукция.
Для увеличения амплитуды колебаний
используется подмагничивание излучателя
постоянным магнитным полем, которое
создается либо с помощью постоянного тока,
пропускаемого через специальную катушку, либо с
помощью постоянного магнита.
Стержневые излучатели применяются в
основном при частоте 2-20 кГц, а плоские
пакетные - 8 - 80 кГц.
В пьезоэлектрических излучателях
используют пьезоэлектрический эффект
некоторых материалов: естественных пьезоэлектриков
(кварц, сегнетовая соль) либо искусственных
пьезоэлектриков, например пьезокерамики
(титанаты бария и кальция и цирконаты
титана свинца). Учитывая, что пьезоэлектрический
эффект - процесс безынерционный, на
кристаллах можно получить частоту колебаний до
109 Гц. В ультразвуковых установках пьезоиз-
лучатели используются при частоте 3-6 МГц.
Пьезокерамические излучатели могут
иметь различную форму в зависимости от
назначения. При выборе параметров излучателя
учитываются его собственная частота, толщина
элемента, напряжение возбуждения и
акустическая мощность.
На рис. 7.1.22 представлена схема
ультразвуковой установки для очистки деталей ЭВП
при частоте 4 МГц. Основным элементом
является ультразвуковая ванна 10
цилиндрической формы из латуни с никелевым
покрытием. Дном ванны служит массивный полирова-
ный диск из никеля 7, прижатый к выступу
ванны и контактирующий с кварцевой
пластиной 8 через тонкий слой масла. Толщина
диска кратна целому числу полуволн, что
обеспечивает максимальное прохождение ультразвука
через него. Напряжение высокой частоты
подводится к стакану с внешней поверхности
кварцевой пластины, покрытой серебром, с
помощью пружинных контактов 9. Поток
акустической энергии, излучаемый
преобразователем, попадает в полый концентратор 6 с
коэффициентом преобразования, равным трем.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ Ц ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 633
Рис. 7.1.22. Схема ультразвуковой установки для очистки деталей ЭВП
Постоянная циркуляция рабочей жидкости и
охлаждение пьезоэлектрического излучателя
осуществляется через трубки 5, верхний срез
которых обеспечивает постоянный уровень
жидкости в ванне.
При удельной мощности колебаний на
входе в концентратор, равной 10 Вт/см2, на
выходе из него достигается удельная мощность
30 Вт/см2, что обеспечивает на поверхности
жидкости всплески высотой 30 - 40 мм, куда
для очистки подаются оправки 4 с деталями,
расположенными на кассете 3, которая
вращается электродвигателем 1 через редуктор 2.
На рис.7.1.23 представлена
ультразвуковая ванна с магнитострикционным
преобразователем, работающая на частотах 18-36 кГц.
Ванна состоит из резервуара 2, который
служит для охлаждения расположенного на дне
ванны двухстержневого магнитострикционного
излучателя 3. Над излучателем устанавливается
специальный стакан 1 с деталями и
промывочной жидкостью.
Обезжиривание в
нейтральных растворителях.
Под обезжириванием в нейтральных
растворителях подразумеваются технологические
процессы, при которых с поверхностей деталей
удаляются загрязнения, химически не
связанные с материалом детали. При этом
используются органические растворители и щелочные
растворы. Обезжиривание связано с
замещением сорбированных молекул загрязнения
молекулами растворителя. Десорбция молекул
загрязнения зависит от многих физических
факторов: энергии связи молекул загрязнения
с поверхностью детали, времени нахождения
молекулы загрязнения на поверхности, вида
связи молекул загрязнения и раствора.
Очистка осуществляется путем десорбции молекулы
загрязнения в приповерхностный слой
раствора и далее в его объем. При этом поверхность
очищаемой детали покрывается молекулами
растворителя.
Наибольшее распространение получили
следующие органические растворители: три-
хлорэтилен, четыреххлористый углерод,
дихлорэтан, фреон, ацетон, петролейный эфир,
спирт, бензин и вода. Основные
характеристики органических растворителей, используемых
в вакуумной технике для очистки деталей,
приведены в табл. 7.1.7.
Рис. 7.1.23. Схема ультразвуковой ванны с
магнитострикционным преобразователем

634
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Наименование
растворителя
Трихлорэтилен
Четыреххлорис-
тый углерод
Дихлорэтан
Ацетон
Спирт
бутиловый
Спирт
этиловый
Бензин
"Галоша"
Бензол
Ксилол
Эфир петро-
лейный
Амилацетат
7.1.7

Относительная

молекулярная
масса
131
154
99
58
74
46
-
78
106
-
130
Характеристика органических растворителей
Плотность
У • Ю3,
кг/м3
1,465
1,59
1,25
0,79
0,81
0,79
0,73
0,875
0,86
0,63 - 0,67
0,86 - 0,88
Температура
кипения,
°С
85-88
75-78
82-85
55 -57
114 - 118
78
80 - 120
79-80
136 - 141
40-80
115 - 150

Взрывоопасная

концентрация,
%
-
-
6,2 - 15,9
2,15 - 13
1,7 - 10,2
3,28 - 19
-
1,4- 8
3-7,6
1,4 - 5,9
1,1 - 1,0
Температура
вспышки,
°С
не горит
12 - 15
9
28- 35
12
-
11
24
45
22-45

Растворяемые
материалы
2, 3, 4, 5
2, 3, 4, 5
3,4,5
2, 3, 4, 5
3,4
1,3,4
-
3,4,5
1,3,4
3,4
1,3,4
* 1 - нитроцелюллоза; 2 - ацетилцеллюлоза; 3 - смолы; 4 - масла, жиры, воски; 5 - каучук.
К преимуществам обезжиривания в
органических растворителях относятся высокая
производительность очистки сильно
замасленных деталей, легкость удаления с поверхностей
деталей загрязнений, в том числе с деталей
сложной конфигурации, имеющих
труднодоступные поверхности. Вероятность очистки
таких поверхностей увеличивается при
использовании паров органических растворителей.
Органические растворители легко
удаляют воскообразные и полимеризованные
загрязнения, имеющие высокую температуру
плавления. Использование ультразвуковых
колебаний значительно ускоряют очистку.
Отсутствие химического взаимодействия
между материалом детали и органическими
растворителями позволяет использовать их для
обезжиривания таких металлов и сплавов,
которые нестойки к щелочам (цинк,
алюминий, никель, сплавы этих металлов, платинит
и др.).
В вакуумной технике органические
растворители наиболее широко используются для
обезжиривания деталей, а также удаления
остатков лака, краски, смолы и т.п.
Органические растворители, образуя на
очищаемых поверхностях тонкую
(мономолекулярную) пленку, пассивируют ее, защищая
от повторного загрязнения из атмосферы,
пленка при последующем вакуумным; отжиге
легко удаляется.
Недостатки органических растворителей
следующие: они плохо удаляют с поверхности
мыла и эмульсии; совсем не удаляют твердые
загрязнения (пыль, остатки шлифовальных и
полировальных паст, копоть и др.); при
длительном хранении и под действием света,
теплоты, воздуха и некоторых материалов
органические растворители изменяют свой состав и
свойства.
Трихлорэтилен - продукт взаимодействия
хлора и ацетилена. Представляет собой
негорючую легкокипящую бесцветную жидкость,
не образующую взрывчатых смесей. Обладает
высокой растворяющей способностью
(растворяет жиры, смазки, лаки, краски, смолы,
ацетилцеллюлозу), не содержит вредных для
электровакуумных приборов примесей.
Используется для обезжиривания поверхностей
деталей из никеля, железа, меди, тугоплавких
металлов и др. Эффективность очистки
усиливается при нагреве трихлорэтилена до 60 - 70 °С.
Основным недостатком трихлорэтилена
является его склонность к разложению под
действием влаги, кислорода воздуха, света,
температуры свыше 125 °С, кислот, щелочей, а
также при наличии щелочных и
щелочноземельных металлов, измельченных меди и
алюминия, магния и их сплавов. При медленном
разложении трихлорэтилена образуется
соляная кислота; при интенсивном разложении
образуются соляная кислота и газ фосген, яв-

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 635
ляющийся сильнодействующим отравляющим
веществом; его пары обладают некоторым
наркотическим действием, а продукты
разложения приводят к коррозии обрабатываемых
деталей и появлению на их поверхностях
после термообработки темных пятен.
Стабильность трихлорэтилена достигается
введением в него специальных добавок
(например, диэтиламина, уротропина).
Стабилизированный трихлорэтилен имеет щелочную
реакцию (рН > 7), частично разложившийся -
кислотную. О щелочной реакции в
растворителе свидетельствует покраснение 50 %-ного
водного раствора трихлорэтилена при
добавлении в него 2-3 капель фенолфталеина.
Четыреххлористый углерод - бесцветная
жидкость. Является более хорошим
растворителем, чем трихлорэтилен. Применяется редко,
так как по сравнению с последним более
ядовит и имеет большую склонность к
разложению. Существенным недостатком является
присутствие в нем сернистых соединений,
наличие которых в электровакуумных
приборах недопустимо.
Ацетон - прозрачная, бесцветная
жидкость с характерным запахом. Легко
воспламеняется. Лучше, чем другие растворители,
удаляет с поверхности деталей остатки лаков,
целлулоида и смол. Является менее
эффективным обезжиривающим средством по
сравнению с трихлорэтиленом и четыреххлористым
углеродом.
Петролейный эфир и бензин - легко
воспламеняющиеся жидкости. Используются
для обезжиривания щелочных и
щелочноземельных металлов. В бензине производят
также очистку деталей из алюминия и алюмини-
рованного железа.
Фреон 113 является хорошо
обезжиривающим средством. Его растворяющая
способность в 1,5 - 2 раза лучше, чем у
трихлорэтилена. Негорюч, устойчив к разложению.
Органические растворители имеют и
недостатки. К основным недостаткам относятся:
вредное действие паров растворителей на
организм человека (трихлорэтилен,
четыреххлористый углерод, ацетон); огнеопасность и
взрывоопасность (ацетон, бензин);
относительно высокая стоимость органических
растворителей.
При использовании органических
растворителей работы необходимо производить
при хорошей вытяжной вентиляции и
исключить попадание в зону работ открытого огня и
даже отдельных искр. Учитывая, что плотность
бензина и ацетона меньше, чем воды, тушить
очаги загорания этих растворителей с
помощью воды нельзя. Для тушения используются
песок, асбестовые одеяла и углекислотные
огнетушители.
Обезжиривание осуществляется на
специальных установках с учетом особенностей
технологических процессов.
На рис. 7.1.24 представлена
принципиальная схема широко распространенной
установки для обезжиривания деталей в горячем
трихлорэтилене. Основным элементом
является блок трех ванн i, выполненных из
коррозионно-стойкой стали. Высота ванн различна
(постепенно снижается от ванны III к ванне
I). Это обеспечивает слив верхних слоев
раствора и удаление всплывших на поверхность
загрязнений (пыль, частицы слюды, ворсинки,
жировые компоненты и т.п.), удаляемых при
непрерывном стоке раствора. Подогрев ванн
осуществляется от парового подогревателя 2,
подача пара к которому регулируется с
помощью клапанов 3. Над ваннами расположен
охлаждаемый водой змеевик б, конденсат с
которого по специальному желобу стекает в
Рис. 7.1.24. Схема установки для обезжиривания деталей ЭВП

636
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
ванну ///. В нижней части ванн расположены
сливные стаканы 4 с фильтрами,
предохраняющими трубопроводы от попадания в них
случайно упавших деталей. При работе
установки сливные трубы перекрыты вентилями 5.
С одной стороны ванн расположен сборник 7,
на крышку которого ставят контейнер с
промытыми деталями. Раствор с деталей стекает в
сборник по трубопроводу 8. К стенке ванны /
приварен карман 9, через который излишек
раствора, переливаясь через край, поступает в
отстойник 10 и далее в перегонный куб 11,
основание которого подогревается паровым
нагревателем 12. В верхней части куба
расположен охлаждаемый водой конус 13, с
которого конденсат раствора стекает в воронку 14,
а далее по трубопроводу 15 - в ванну ///.
Перегонный куб снабжен термосигнализатором,
выдающим информацию о превышении
температуры в кубе выше 100 °С, что
свидетельствует об увеличении концентрации жиров в
растворе, после чего загрязненный раствор
сливают и куб очищают.
Система из резервного бака 16, трубки 17
и расширителя 18 обеспечивает доливку
раствора в ванны и поддержание в них
постоянного уровня раствора. При понижении уровня
раствора в отстойнике через нижний конец
трубки 17 в резервный бак поступает воздух и
создает давление на жидкость в баке. В
результате раствор через открытый клапан 19 по
трубопроводу 20 поступает в ванну /// и далее
в остальные ванны. Доливка производится до
тех пор, пока не будет перекрыт нижний
конец трубки 17. Расширитель 18 предотвращает
выброс загрязненного раствора из отстойника
в резервный бак.
Обработка в химически
активных растворах и
использование
электролитических процессов. Обезжиривание
в щелочном растворе. В состав
обезжиривающего раствора должны входить три
компонента: щелочь, поверхностно-активное вещество,
тринатрийфосфат.
Щелочь (гидроксиды калия КОН и
натрия NaOH) служит для химического
взаимодействия с загрязнениями. Некоторые
загрязнения типа животных и растительных жиров,
жирных кислот химически взаимодействуют с
водными растворами щелочей. Сущность
процесса заключается в разложении жиров
щелочью и переводе их в мыла, растворимые в
воде, которые затем легко смываются.
Поверхностно-активное вещество (ПАВ)
снижает поверхностное натяжение на границе
между загрязненной поверхностью и
раствором, что значительно ускоряет очистку и
улучшает ее качество. При этом происходит
дробление жировых загрязнений, отрыв их от
поверхности детали и переход в щелочной
раствор с образованием устойчивой суспензии
(если загрязнение твердое) или эмульсий при
жидком загрязнении. Дробление
активизируется благодаря тому, что ПАВ содержат
полярные (ионные) группы, несущие на себе
электрические заряды. Поэтому поры и трещины в
загрязнениях при попадании в них раствора
заряжаются одноименным электрическим
зарядом и под действием электрических сил
происходит разрушение твердых частиц.
С помощью ПАВ с поверхности
удаляются также загрязнения, не вступающие в
химическую реакцию с щелочью: минеральные
масла (машинное, вакуумное,
трансформаторное), технические масла (технический вазелин,
тавот), следы полировальных паст, а также
твердые частицы типа сажи, копоти, пыли.
ПАВ выполняют роль стабилизаторов
суспензий и эмульсий при переходе загрязнений в
щелочной раствор для повышения агрегативной и
кинетической устойчивости раствора и
увеличения его срока службы. При этом снижается
вероятность повторного осаждения загрязнений на
очищаемой поверхности.
Эффективность очистки поверхностей
деталей ЭВП от жировых загрязнений при
использовании ПАВ, а также их относительно
низкая стоимость делают их широко
применимыми.
Тринатрийфосфат применяется для
облегчения смывания щелочного раствора и
обладает наилучшей смываемостью среди
обезжиривающих веществ.
Выбор состава щелочного раствора и
технологических режимов обезжиривания
зависит от ряда факторов: щелочности раствора,
его концентрации и температуры,
загрязненности и структуры поверхности,
геометрической формы детали и других факторов,
определяющих качество очистки. При
недостаточной щёлочности химическая реакция между
раствором и жировым загрязнением не
происходит. В то же время, если щелочность
повышена, действие ПАВ ослабляется и возможно
растворение материала самой детали.
С повышением температуры раствора
ПАВ снижается вязкость жиров, увеличивается
скорость химической реакции и улучшается
смываемость раствора. Но повышение
температуры состава выше 70 °С приводит к
снижению стойкости получаемых эмульсий и
повторному загрязнению очищенной детали
продуктами разложения.
Обезжиривающие растворы должны
иметь рН = 8,5 ... 12. При рН < 8,5
химическая реакция между щелочью и загрязнениями
не протекает. Если же рН > 12, ослабляется
действие ПАВ, затрудняется удаление твердых
частиц загрязнений, снижается устойчивость
образующихся при очистке суспензий и
эмульсий, ухудшается смываемость щелочного
раствора и происходит растворение
поверхностных слоев материала обрабатываемых деталей.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 637
Основным недостатком обезжиривания в
щелочных растворах является трудность
отмывания следов щелочного раствора.
Химическое травление. Осуществляется с
целью очистки деталей путем разрушения
молекул загрязнений и отщепления их от
очищаемой поверхности вместе с тонким слоем
материала детали.
Травление реализуется за три этапа:
1) диффузия раствора или его паров сквозь
оксидный слой, растворение металла и
образование водорода; 2) дробление и разрыхление
поверхностных оксидов или других
химических соединений пузырьками выделяющегося
водорода; 3) растворение разрыхленных слоев
оксидов и удаление их вместе с растворенным
материалом детали и растворенными газами.
Для удаления с поверхности детали
оксидов, солей и органических пленок
используются различные кислоты, щелочи, кислые
соли или расплавы этих соединений.
При травлении в кислотных растворах
более интенсивно происходит травление
металлической поверхности, чем оксидного слоя.
Оксидные слои на мелкозернистой структуре
поверхности стравливаются медленнее, чем на
крупнозернистой. В ряде случаев может
происходить перетравливание и наводороживание
поверхности детали при сохранении оксида на
отдельных участках. Например, более
деформированные участки детали стравливаются
интенсивнее, чем недеформированные. При
травлении таких деталей, как оболочки разно-
толщинность их стенок будет увеличиваться за
счет более интенсивного стравливания более
тонких деформированных участков оболочки.
Для предотвращения перетравливания и
наводороживания поверхностей деталей
используются специальные составы -
ингибиторы травления (уротропин, уникол), которые не
осаждаются на оксидных пленках, но могут
осаждаться на очищенной металлической
поверхности сразу же после ее очистки и
предохранять ее от дальнейшего стравливания.
Для травления, как правило, применяют
смеси кислот. Одна из кислот смеси
взаимодействует с оксидом и образует соли или
другие соединения, слабо связанные с очищаемой
поверхностью, а другая растворяет
образовавшиеся соли или другие соединения, удаляет
их, очищает поверхности до чистого металла, а
также обеспечивает восстановление
расходуемой кислоты.
Выбор состава травящего раствора
зависит от материала детали, характера
загрязнения, толщины оксидного слоя, допустимых
пределов изменения размеров и формы
поверхности и структуры верхних слоев детали.
Смеси из азотной и серной кислот
применяются для травления деталей из никеля,
молибдена, цинка, платинита, сплава Н47ХБ.
Азотная кислота, проникая сквозь слой
оксида, растворяет основной металл детали и в
зависимости от металла образует газообразные
оксиды азота, водород или одновременно то и
другое. Пузырьки газа разрыхляют оксидную
пленку, дробят ее и облегчают растворение ее
в серной кислоте.
Например, при травлении платинита
происходит реакция внешней медной
оболочки платинитовой проволоки с азотной
кислотой:
3Cu + 8HNO3 ~ 3Cu(NO3J + 2NO + 4Н2О
Серная кислота выполняет следующие
функции:
химически взаимодействует с
разрыхленными слоями оксидов и переводит их в
легкорастворимые сернокислые соли:
СиО + H2SO4 ~ CuSO4 + Н2О;
осуществляет круговой цикл регенерации
в смеси с образованием азотной кислоты:
Cu(NO3J + H2SO4 ~ 2HNO3 + CuSO4.
Образующиеся новые порции азотной
кислоты участвуют в реакции.
Смесь растворов муравьиной кислоты и
пероксида водорода применяется для
травления деталей из стали, меди, ковара,
вольфрама, молибдена, никеля, а также выводов ножек
приборов.
Муравьиная кислота, самая активная из
органических кислот, взаимодействует с
большинством металлов и образует легко
растворимые соли. Пероксид водорода разлагается с
образованием пузырьков кислорода, что
способствует механическому удалению
загрязнений с поверхности детали. Пероксид окисляет
органические загрязнения, образуя
растворимые в воде вещества.
Электрохимическое обезжиривание и
травление применяют для активизации
химического травления и более полного удаления
загрязнений. При этом очищаемая деталь
подсоединяется к катоду или аноду источника
постоянного напряжения и служит одним из
электродов электролитической ванны.
Для электрохимического обезжиривания
используются растворы едкого кали, соды,
тринатрийфосфата, ПАВ, а для
электрохимического травления - растворы серной кислоты.
В основе электрохимической очистки
лежат процессы электролитической
диссоциации и электролиза.
В растворе кислоты и щелочи имеются
положительные ионы водорода Н1+ и
отрицательные ионы гидроксила ОН1",
образовавшиеся при диссоциации, молекул воды. При
электролизе, который протекает в растворе
кислоты или щелочи, положительные ионы
водорода движутся к катоду, превращаются на
нем в нейтральные молекулы и выделяются в

638
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
виде пузырьков. Отрицательные ионы гидро-
ксила движутся к аноду и, разлагаясь на нем,
выделяются в виде пузырьков кислорода.
При катодном травлении происходит
восстановление оксидов металлов
выделяющимся на катоде водородом. Для катода
используется свинец или кремнистый чугун B0 -
24 % Si).
При анодном травлении происходит
электрохимическое растворение металла и
механический отрыв оксидов с поверхности
выделяющимся на аноде кислородом.
Травление производят в ваннах из
кислотостойких материалов (винипласт, керамика,
стекло).
Химическое или электрохимическое
полирование применяется для получения
металлических деталей электровакуумных приборов
с высокой отражательной способностью. При
электрополировании реализуется анодное
растворение металлов, при котором с
поверхности удаляются как оксидные пленки, так и
заусенцы, улучшается микрорельеф
поверхности, появляется блеск. Кроме того, этот
процесс улучшает физические и физико-
химические свойства поверхностных слоев
материала, что не может быть достигнуто при
механическом полировании. При
электрохимическом полировании структура
поверхностных слоев остается неизменной, в то время,
как при механическом полировании
образуется аморфный слой из разрушенных
кристаллов.
Сохранение структуры поверхности
металла после электрополирования или
химического полирования способствует улучшению
коррозионной стойкости, увеличению
магнитной проницаемости, снижению
высокочастотных потерь, снижению фотоэлектронной
эмиссии.
На рис. 7.1.25 представлена
принципиальная схема установки для
электролитического полирования штырьков
электровакуумного прибора. Ванна 1 выполнена из
винипласта и сверху закрыта крышкой 2, на которой
крепится контактное устройство 3 для подачи
напряжения на штырьки, являющиеся анодом.
Контактное устройство выполнено из
танталовых дисков и укрепленной на них
вольфрамовой путанки 4. Катодом является медная
шина, опущенная в 50 %-ный раствор серной
кислоты. Обработка происходит при
напряжении 12 - 15 В и силе тока 4 - 5 А.
Продолжительность обработки 4 - 5 с.
Деионизованная вода используется
практически на всех операциях очистки деталей
электронных приборов. Вода является
хорошим растворителем многих минеральных
солей, она легко удаляет жировые и масляные
эмульсии, мыла, продукты разложения
оксидных и других загрязнений, а также
механические загрязнения. Основным требованием к
Рис. 7.1.25. Схема установки для электролитического
полирования штырьков ЭВП
свойствам используемой воды является ее
чистота, примеси должны составлять ДО - 10-6 %.
Поэтому при отмывочных операциях
используется деионизованная вода, дополнительно
очищенная с помощью мембранных фильтров
с диаметром отверстий от долей до нескольких
микрометров и прошедшая ионообменную
систему. При этом содержание в воде
взвешенных частиц, микробов и электролитов
сводится к минимуму. В результате удельное
электросопротивление воды приближается к
теоретическому значению, равному
18,3 МОмсм при температуре 25 °С.
Выбор типа и производительность
оборудования для очистки воды зависят от ряда
факторов: качества исходной воды; суточного
расхода воды; кратковременного пикового
расхода воды; режима работы; организации
фильтрования в точках потребления; числа
точек потребления; качества очищаемой воды;
хранения и распределения очищаемой воды;
дальнейшей обработки очищаемой воды.
Высокие результаты при очистке воды
достигаются при использовании систем, в
которых реализуются процессы обратного
осмоса и ультрафильтрации, представляющие
собой методы разделения через
полупроницаемые мембраны.
На рис. 7.1.26 представлена
принципиальная схема установки водоочистки с
устройством обратного осмоса. Очищаемая вода
попадает в алюминийсиликатный фильтр 7,
предназначенный для извлечения
механических и коллоидных загрязнений. Этот фильтр
регулярно (как правило, один раз в сутки)

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 639
промывается обратным потоком воды. Далее
вода попадает в фильтр 2, задача которого
препятствовать выделению в модуле обратного
осмоса осадков из карбоната кальция и гидро-
ксида магния. Следующий на линии угольный
фильтр 3 предназначен для извлечения из
воды свободного хлора.
Этот фильтр также регулярно очищается
обратным потоком. После прохождения
указанных фильтров вода поступает на первичный
фильтр обратного осмоса 4У который
предотвращает загрязнения системы посторонними
частицами со степенью фильтрации 5 -
10 мкм. После прохождения водой системы
обратного осмоса 5 она попадает в резервуар
хранения 6. В воде присутствует 5 - 10 %
электролитов, которые извлекаются в
последовательно подключенных ионообменных
фильтрах 7 к 8. Далее вода через мембранный
фильтр 9 с размером пор 0,2 мкм поступает в
циркуляционную систему, к которой
подсоединены потребители 10, имеющие свои
мембранные фильтры. Фильтрующие элементы
этого фильтра подлежат или регулярной
замене через 6 мес, или при разности давления
более 105 Па.
При конструировании циркуляционной
системы необходимо выполнить ряд
требований:
трубопровод должен иметь гладкую
внутреннюю поверхность;
система должна обеспечивать
постоянную циркуляцию воды B4 ч в сутки) и
высокую скорость потока;
в системе должны отсутствовать полости,
в которых может скапливаться вода;
длина линий подключения потребителей
должна быть минимальной (на практике часто
циркуляционная линия проходит через
объекты потребления).
Установки ультрафильтрования
отличаются от установок обратного осмоса тем, что в
них применяют мембраны большей
проницаемости. Кроме того, установки
ультрафильтрования работают при меньшем давлении, и это
давление не зависит от содержания в
очищаемой воде электролита, что требует меньшего
потребления электроэнергии. В процессе
ультрафильтрования не происходит удаление
электролитов. Их удаляют на установках ионооб-
мена.
На рис. 7.1.27 представлена
принципиальная схема установки ультрафильтрования.
Очищаемая вода, пройдя песчаный фильтр 7,
поступает в фильтр 2 с анионообменом для
извлечения гумусовых веществ. Далее вода
поступает в фильтр 3 с катионообменом, в
котором снижается рН воды. При этом
происходит разложение бикарбанатов с
освобождением диоксида углерода, который удаляется в
колонне 4. В этой колонне вода течет вниз, а
воздух, осуществляющий ее дегазацию,
поступает снизу вверх. После прохождения колонны
вода поступает в фильтр 5 с анионообменом.
Чтобы обеспечивать постоянное поступление
очищаемой воды, рекомендуется устанавливать
две параллельные системы фильтров 1 - 3, 5,
которые включаются в работу попеременно.
При этом колонна 4 может быть общей. Затем
вода поступает в фильтры со смешанными
ионитами 6 и 7. В этих фильтрах на дне
располагается катионная смола. Следующий слой
состоит из инертной смолы, сверху - анионо-
обменная смола. Эти фильтры установлены
последовательно, что позволяет периодически
направлять один из них на регенерацию.
Финишное ультрафильтрование осуществляется
первичным фильтром 8, фильтром 9 с
дополнительными устройствами, мембранным
фильтром 10 с размерами пор 0,2 мкм и
ультрафиолетовым стерилизатором 11.
Использование стерилизатора не всегда обязательно, так
как мембранные фильтры практически не
отделяют микробы. Циркуляционная система с
потребителями 12 должна быть устроена
аналогично установке обратного осмоса.
Рис. 7.1.26. Схема установки водоочистки с устрой

640
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
NaCl HCI
NaOH
Т=20°С
NaOH NaOH
HCI HCt
Рис. 7.1.27. Схема установки водоочистки методом ультрафильтрования
Термические способы
очистки. Термические способы очистки
используются для удаления газов,
находящихся на поверхности или внутри металлических
деталей, а также возгонки оксидов и
расположенных на поверхности загрязнений, либо не
удаленных в результате предварительной
очистки, либо представляющих собой остатки
вещества, использованного при очистке.
Температура обезгаживающего отжига
Г =0,75 7^,
где Т1Ш - температура плавления металла.
На практике длительность и температуру
обезгаживания определяют экспериментально
исходя из состояния и конфигурации
поверхности отжигаемых деталей, физико-
химических свойств материалов и скорости их
испарения, а также рабочих режимов.
Температура отжига должна быть на 200 - 300 °С
выше рабочей температуры деталей и
температуры нагрева деталей ЭВП при откачке прибора.
Отжиг может осуществляться в вакууме,
водороде, в окислительно-восстановительных
средах и в различных атмосферах (в формир-
газе, в частично сожженном водяном газе,
смеси оксида углерода и углекислого газа,
азота аргона и других газах). Рабочую среду
при отжиге выбирают исходя из материала
деталей, рабочей температуры деталей
прибора, экономической целесообразности и правил
техники безопасности.
Отжиг в водороде широко используют
при массовом производстве, он намного
дешевле отжига в вакууме. При отжиге водород
вытесняет и замещает газы, находящиеся в
металле, затем при вакуумной откачке прибора
он легко удаляется. Кроме того, водород
является хорошим восстановителем оксида металлов.
К водороду, используемому в качестве
рабочей среды, должны предъявляться
повышенные требования по содержанию кислорода
и паров воды. Для отжига меди, никеля,
кобальта, вольфрама и молибдена водород
должен иметь точку росы -50 РС. Сплавы, содер-
"жащие хром, ванадий, марганец, плохо
восстанавливаются даже при точке росы -60 °С, а
оксиды AI2O3, MgO, BeO в водороде не
восстанавливаются, поэтому их лучше
восстанавливать в вакууме. Детали из титана, циркония,
молибденовой жести, обычной меди
поглощают водород и становятся хрупкими.
Отжиг в вакууме производится в вакуумных
печах при давлении 10~3 - 10 Па и обеспечивает
удаление адсорбированных газов. При этом
осуществляется возгонка оксидов, а также химически
связанных газов за счет термической
диссоциации. Чтобы исключить окисление поверхностей
кислородом, выделяющимся из глубинных слоев,
повышение температуры при отжиге
осуществляют постепенно.
Очистка ионной
бомбардировкой. Очистка поверхностей
деталей приборов ионной бомбардировкой
осуществляется ионами инертных газов, которые
при бомбардировке поверхностей разрушают
молекулы загрязнений и оксидов. При этом
выбиваются и молекулы основного металла, что
способствует его эрозии. Одновременно под
действием бомбардирующих ионов поверхность
металла может нагреваться до 750 °С, что
приводит к десорбции газов и диссоциации оксидов на
поверхности металла и даже удалению газов из
поверхностных слоев металла.
Деталь или группа деталей размещаются
на катоде установки, и при давлении 10 -
0,1 Па, напряжении 0,2 - 7 кВ, плотности тока
0,5 мА/см2 зажигается тлеющий разряд. При

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 641
плотности тока до 1 мА/см2 скорость
травления различных металлов практически линейно
зависит от силы тока.
Детали из изоляционных материалов
(стекло, слюда, керамика) для очистки
помещаются в пространство между электродами, а
металлические детали - на горизонтальных
сеточных электродах, изговленных из трудно
распыляемых металлов, например алюминия,
хрома, молибдена.
Степень очистки поверхностей зависит
от их конфигурации. Лучше очищаются
поверхности, имеющие ячеистую структуру,
несколько хуже - имеющие сплошные наружные
поверхности. Наличие на поверхностях
неровностей и отверстий вызывает повышение
напряженности поля на этих участках,
увеличение скорости снятия металла. Внутренние
поверхности и полости очищаются хорошо в
тех случаях, когда возникает эффект "полого"
катода.
Очистка поверхностей от жировых
загрязнений зависит от парциального давления
кислорода в вакуумной камере. При
повышенном содержании кислорода ускоряются
окисление и возгонка жиров, а также
уменьшается полимеризация жировой пленки,
которая образуется при бомбардировке жировых
загрязнений медленными частицами с
энергией, недостаточной для разрыва связей между
радикалами и образования летучих
бескислородных соединений. Полимеризованные
пленки являются диэлектриками и быстро
заряжаются, создавая на поверхности объемный
заряд, отталкивающий набегающие частицы, что
приводит к резкому снижению эффективности
очистки и возрастанию толщины пленки до
нескольких монослоев. Это особенно
проявляется при мягких режимах очистки, когда
нежелательно стравливание даже незначительных
слоев металла.
Для уменьшения вероятности
образования полимеризованных пленок необходимо
перед ионной бомбардировкой производить
более тщательную промывку деталей.
Методы контроля
качества очистки. Наличие на
поверхностях деталей загрязнений определяют
различными физическими и физико-химическими
методами контроля с чувствительностью 10 -
102 г/см2.
Метод смачивания очищенной
поверхности водой (окунание в чистую воду,
распыление чистой холодной воды, выдержка в парах
воды и др.) обеспечивает чувствительность
обнаружения загрязнений 10~6 - 10~8 г/см2.
Чистая поверхность хорошо смачивается
водой, и на ней образуется сплошная пленка, на
всей поверхности коэффициент отражения
одинаков. При наличии на поверхности
загрязнений вода не образует сплошной пленки.
Метод, основанный на определении
коэффициента трения очищенных деталей,
заключается в том, что у очищенных
поверхностей его значение меньше, чем у поверхности,
на которой присутствует загрязнение.
Чувствительность метода 10~6 - 10"9 г/см2. Чистоту
поверхности можно контролировать путем
измерения коэффициента адгезии индия к
контролируемой поверхности.
Масс-спектрометрический метод может
быть реализован при десорбции молекул с
поверхности исследуемого образца в
вакуумной измерительной системе с анализатором.
Этот метод позволяет определить загрязнения
на поверхности детали с чувствительностью
Ю-8 - Ю-12 г/см2.
Методы химической очистки стекла.
Одним из важных свойств стекла, используемых
при изготовлении элементов ЭВП, является
его низкая электропроводность. При 20 °С
электропроводность стекла определяется его
поверхностной проводимостью, которая
зависит от толщины присутствующей на
поверхности адсорбированной водяной пленки. В
зависимости от толщины пленки поверхностная
электропроводность на два порядка может
снизить удельное сопротивление стекла.
Механизм попадания воды на
поверхность стекла и в приповерхностные слои
различен. На открытом воздухе при
относительной влажности 80 % на поверхности стекла
сорбируется более 10 мономолекулярных слоев
водяного пара, а при относительной
влажности 100 % толщина пленки достигает 90 и
более слоев. Проникновение влаги в
приповерхностный слой интенсифицируется после
травления стекла в агрессивных средах.
Водяной слой, образованный на
поверхности стекла при длительном пребывании на
воздухе, не удается удалить даже при давлении
10 Па. И только прогрев при этом давлении
и температуре 300 - 400 °С в течение 2 - 4 ч
позволяет удалить с поверхности
адсорбированные слои воды.
Поверхностная электропроводность
повышается в результате наличия не только
водяного слоя, но и загрязнений на
поверхности. Например, после прикосновения руками
к кварцевым изоляторам их изоляционные
свойства в вакууме существенно снижаются.
Наличие воды на поверхности стекла
сопровождается протеканием различных
химических реакций. Вода соединяется с составной
частью стекла - силикатом калия К^Юз и
образует щелочь КОН и диоксид кремния
SiO2. Щелочь с углекислым газом СО2
атмосферы образует углекислую соль К2СО3 в виде
матового налета на поверхности стекла и воду.
Их называют "разъеды" или "выветривание"
стекла.
Стекло с "разъедами" имеет пониженную
механическую прочность, плохую
термостойкость, обладает повышенным газоотделением и
склонно к электрическим пробоям и утечкам.
21 Зак. 7«й)

642
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
В процессе изготовления стеклооболочек
их поверхности загрязняются.
При варке стекла и формообразовании
стеклодетали в приповерхностных слоях могут
появляться пузырьки, микротрещины и
неровности. При механической обработке на
поверхности стекла появляются жировые
загрязнения, а при хранении и
транспортировании - пыль и сорбированные из атмосферы
газы и пары.
Пары щелочных металлов,
восстанавливая диоксид кремния до свободного состояния
окрашивают стекло в черный цвет. В
присутствии примеси железа стекло приобретает
коричневый оттенок. Восстанавливающее
действие паров щелочных металлов на
промежуточный оксидный слой в месте спая стекла с
металлом вызывает разрушение спая и
нарушение герметичности.
Основное влияние на эксплуатационные
характеристики кинескопов оказывают чистота
и качество подготовки его поверхности, от
чего зависят адгезия покрытий, количество
выделяемых газов и их отравляющее действие
на катоды, электрическое сопротивление,
термостойкость, механическая прочность.
Одной из причин появления дефектов на
поверхности стеклянных деталей ЭВП,
ухудшающих работоспособность прибора, могут
быть неправильно выбранные режимы очистки.
Технология химической очистки стекло-
деталей и рецептура моющих растворов
различна. Это связано с особенностями
реализации технологических процессов и рядом
других факторов.
При химической очистке стеклянных
деталей удаляются загрязнения как с
поверхности детали, так и из приповерхностных слоев
стекла в результате их растворения. Выбор
раствора для очистки зависит от химической
стойкости стекла и химической активности
растворителя и его паров.
По химической стойкости стекла делятся
на пять классов. Самые стойкие стекла С37-1,
С47-1 относятся к первому классу, наименее
стойкие стекла С52-1, С48-1 - к пятому классу.
Используемые для химической чистки
стекол реагенты отличаются различной
химической активностью, по степени снижения
активности взаимодействия со стеклом они
образуют ряд: плавиковая кислота, бифторид
аммония, фосфорная кислота, растворы
щелочей, растворы карбонатов, вода.
Химически стойкие стекла обычно
очищаются в плавиковой кислоте, бифториде
аммония или парах этих веществ.
При взаимодействии плавиковой
кислоты со стеклом происходит следующая реакция:
2Na2SiO3 + 12HF =
= Na2SiF6 + 2NaF + SiF4 + 6H2O.
Вместе с растворенным поверхностным
слоем удаляются частицы загрязнения. В
зависимости от длительности обработки и
температуры раствора, кроме химической чистки,
можно осуществлять специальную обработку
поверхностного слоя стеклянной детали как
для повышения ее шероховатости с целью
увеличения адгезии наносимых на нее слоев,
так и для улучшения механической прочности
за счет устранения различных дефектов в
приповерхностных слоях стекла.
При использовании плавиковой кислоты
необходимо, чтобы ее концентрация не
превышала 10 %, а также следить за удалением ее
следов с поверхности стекла после промывки.
С целью удаления следов плавиковой кислоты
с поверхности стекла оно подвергается
специальной обработке. Сначала производится
отмывание в холодной A8 - 20 °С)
водопроводной воде, так как холодная вода растворяет
плавиковую кислоту лучше, чем горячая. Затем
выполняется обработка поверхности в
щелочном растворе, содержащем 100 г/л едкого
кали, 30 - 50 г/л тринатрийфосфата и 3 - 5 г/л
ПАВ (например синтанола). Синтанол
обладает хорошими обезжиривающими
характеристиками и в отличие от других ПАВ (ОП-7 и
ОП-10) легко смывается и не образует
поверхностных пленок, которые при термическом
разложении могут "отравить" катоды.
Щелочной раствор нейтрализует остатки следов
плавиковой кислоты и ее паров, а также удаляет
жировые загрязнения, которые не
растворяются в плавиковой кислоте и накапливаются в
ней. Следы щелочи удаляются горячей водой
D0 - 45 °С). Повышение температуры
воды может вызвать растрескивание
стеклянной детали. Окончательная очистка стекла
осуществляется деионизованной водой, так как
после использования водопроводной воды на
поверхности стекла могут оставаться
присутствующие в ней примеси (например, ионы Fe3+,
Cu2+, Mg2+, Mn2+, Al3+ и др.), которые после
испарения воды оставляют на поверхности
пятна. В результате ухудшается адгезия нансь
симых на поверхность покрытий, уменьшается
электрическое сопротивление, снижается
яркость люминофора, изменяется цветовое
свечение экрана и т.п.
Кроме того, плавиковая кислота
загрязняется при взаимодействии с нерастворимыми
солями (фторсиликаты бария и кальция),
кристаллы которых осаждаются на поверхности
стекла. Чтобы облегчить их удаление, в
плавиковую кислоту добавляют смачивающие
добавки, например ПАВ - синтанол.
Вместо плавиковой кислоты можно
применять 10 %-ный раствор бифторида аммония
с добавкой ПАВ. Это позволяет избежать меж-
кристаллитной коррозии металлических
вводов, вваренных в стекло и снизить вероятность
появления на стекле "разъедов".

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ И ТЕХНОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 643
При взаимодействии бифторида аммония
со стеклом происходит реакция между
основной составляющей стекла NaSiC>3 и бифтори-
дом аммония NH4HF2. В результате
образуются смываемые водой соли NaF и Na2SiF6, a
также фтористый кремний SiF4 гидрооксид
аммония, остающиеся в растворе. Добавка в
раствор бифторида аммония синтанола с
концентрацией 0,05 % обеспечивает как обработку
стекла, так и его обезжиривание.
Мойка химически неустойчивых стекол
осуществляется в хромовой смеси,
представляющей собой насыщенный при 20 °С раствор
хромпика (бихроманата калия) в
концентрированной серной кислоте. Эта смесь в отличие
от плавиковой кислоты не вступает в
химическую реакцию со стеклом, но являясь кислой
средой, способствует окислению и выжиганию
органических соединений, а также переводу
неорганических загрязнений в
легкорастворимые в серной кислоте соединения.
Хромовая смесь используется также для
мойки химически устойчивых стекол в тех
случаях, когда недопустимо уменьшение
толщины стекла или снижение его оптических
свойств.
Для предварительной очистки стекол от
пыли, твердых частиц, окалины и налетов
углекислой кислоты используются соляная,
азотная и муравьиная кислоты.
Эти операции особенно эффективны для
стекол с повышенным содержанием щелочных
оксидов (свинца и борного ангидрида),
снижающих их химическую стойкость. При
промывке в кислотах с поверхности удаляются
щелочные соединения, что повышает
химическую стойкость стекла.
о
э
О
СМ
i
СО
Другим способом удаления щелочных
соединений с поверхности стекла является отжиг
в среде диоксида серы. В результате на
поверхности образуется легко смываемый
сульфат натрия.
Для химической очистки используется
также кипячение стеклянных деталей в течение
20 - 30 часов в пятипроцентном водном
растворе перекиси водорода. При добавлении в
него водного раствора аммиака процесс
очистки улучшается.
Для удаления окалины с металлостеклян-
ных узлов ЭВП используется нагретая до 70 °С
смесь, состоящая из 2 % перекиси водорода,
5 % муравьиной кислоты и 93 % воды.
В серийном производстве для
химической очистки стеклянных деталей
используются многопозиционные полуавтоматы
карусельного и конвейерного типов.
На рис. 7.1.28 представлена
принципиальная схема 12-позиционного карусельного
полуавтомата для мойки колб ЭЛТ, на
котором реализуется описанная выше технология с
использованием плавиковой кислоты. На
каждой позиции имеется сопло, которое вводится
внутрь колбы для подачи моющего вещества. В
качестве дополнительной операции на
представленной установке осуществляется
предварительная промывка колбы в горячей воде на
позиции 2. Эта операция обеспечивает
удаление наиболее грубых загрязнений и
способствует снижению загрязнения емкости с
плавиковой кислотой. Кроме того, разогрев колбы
способствует интенсификации мойки на
последующих операциях. Для реализации другого
технологического процесса автомат легко
перестраивается.
Щелочной
раствор
О
8
Рис. 7.1.28. Схема 12-
карусельного полуавтомата для мойки колб ЭЛТ
21"

644
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
8 9 10 11 12 13 14 15 16
За 36 4а 46 5а 56 7а 76 8а 86 9а 96
Рис. 7.1.29. Схема полуютом!
Схема полуавтомата конвейерного типа
представлена на рис. 7.1.29. Он осуществляет
промывку конусов кинескопов с
использованием в качестве моющего раствора бифторида
аммония. Процесс реализуется на позициях
2 - 16, расположенных между приводной 1 и
натяжной 18 станциями конвейера 17> после
загрузки конусов 20 на ветвь 19 конвейера и
центровки их относительно подвесок 21
(буквами а и б на позициях обозначены
соответственно емкости с раствором и насосы,
подающие жидкость на конус). После
центровки конуса на полиции 2 и перехода на
позицию 3 осуществляется промывка конуса
направленными струями бифторида аммония с
синтанолом. На позициях 4 и 5
осуществляется промывка бифторидом аммония без синта-
нола. На позиции 6 раствор стекает в бак
позиции 5.
На позициях 7 - 9 конусы промываются
струями деионизованной воды, которая
используется трехкратно. На позиции 70деиони-
зованная вода стекает с конусов, а на
позициях 11 - 15 производится сушка конусов с
нагревом электрическими нагревателями и
горячим воздухом с температурой ПО °С с
последующим охлаждением до 20 °С на позиции 16.
7.1.5. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ПНЕВМОВИХРЕВОЙ ОЧИСТКИ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Одним из важнейших средств
повышения производительности и качества ИЭТ
являются разработка и внедрение прогрессивных
технологических процессов, один из которых
основан на пневмовихревом эффекте. Пневмо-
вихревой эффект создается потоками газа при
их подаче с околозвуковыми скоростями через
тангенциальные сопла в закрытые объемы
технологических камер. При этом в
ограниченных объемах технологических объектов
искусственно создается явление "смерча" с
высокими скоростями газовых потоков и
сложным распределением скоростей и
давлений, с зонами избыточного давления и
разрежения. Пневмовихревой поток способен
срывать и уносить частицы загрязнений с деталей
га для промывки конусов ЭЛТ
и оболочек ИЭТ, транспортировать,
ориентировать и собирать детали. С помощью пневмо-
вихревого потока возможно осуществление
целого ряда операций абразивной обработки
внутренних поверхностей вращения, тонких
длинномерных изделий, матирования
стеклянных колб ламп накаливания, а при введении в
вихревой поток жидкости можно выполнять
мойку ИЭТ, нанесение пленочных покрытий.
Это далеко не полный перечень операций, в
которых эффективно используется
пневмовихревой поток.
Впервые в электронной
промышленности пневмовихревые газовые потоки были
использованы для струйной очистки деталей
электронных приборов и внутренних
поверхностей оболочек ИЭТ от инородных частиц
(осколки стекла, микрочастицы металла,
ворсинки и т.п.), которые попадают на их
поверхность в процессе изготовления из
окружающей среды. Полное устранение этих
загрязнений традиционными методами решается
сложно, а применение пневмовихревого
метода позволяет эффективно решить проблему
обеспечения высокой степени очистки деталей
и оболочек ЭВП от инородных частиц,
загрязнений.
Например, пневмовихревые потоки
очищенного сжатого воздуха эффективно
используются для очистки внутренних поверхностей
стеклооболочек цветных кинескопов перед
заваркой электронно-оптической системы
(ЭОС) в ее горловину. Схема этого устройства
показана на рис. 7.1.30. Стеклооболочка
цветного кинескопа 1 устанавливается на шаблон 2
и в нее вводится штанга с пневмовихревой
головкой 3, имеющей тангенциальные
отверстия-сопла 4. Сжатый воздух подается к
соплам под давлением 0,3 - 0,4 МПа, выходит из
них с околозвуковой скоростью и образует
восходящий по спирали устойчивый
высокоскоростной поток, который сообщает
интенсивное вращение массе воздуха внутри стекло-
оболочки, которая срывает инородные
частицы и затем уносит их через горловину
кинескопа.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПНЕВМОВИХРЕВОЙ ОЧИСТКИ
645
Воздух
Рис. 7.1.30. Схема устройства для очистки стеклооболочек цветных кинескопов
Г
б Ц
Рис 7.1.31. Установка для очистки экрано-масочных узлов цветных кинескопов
Другой пример использования пневмо-
вихревого эффекта - очистка экрано-масочных
узлов (ЭМУ) цветных кинескопов от
инородных частиц. Схема этой установки показана на
рис. 7.1.31. К корпусу 1 установки крепится на
пружинах 2 виброплита 5, на которую
устанавливается ЭМУ - 4. На виброплите
установлены пневмовихревые головки 5, а вдоль борта
ЭМУ сопла 6, Я которые выдувают инородные
частицы загрязнений из зазора между экраном
и маской 10. К виброплите 3 крепится
вибратор - электродвигатель 11 с дисбалансами 12
на валу. Пневмовихревая головка 5 по
конструкции аналогична описанной выше, однако
тангенциальные сопла 7 наклонены под
некоторым углом к оси вихревой камеры 8. Это
заставляет пульсировать вихревой поток с
ультразвуковой частотой;. Воздействие
ультразвуковых колебаний на поверхность теневой
маски 10 заставляет ее вибрировать с высокой
частотой, что облегчает срыв инородных
частиц загрязнений с ее поверхности. Сочетание

646
Глава 7.1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
низко- и высокочастотных колебаний»
воздействующих на ЭМУ, с одновременным его
обдувом пневмовихревыми высокоскоростными
потоками очищенного сжатого воздуха
обеспечивает эффективную очистку ЭМУ и
снижение числа бракованных изделий.
При введении в пневмовихревую струю
жидкости происходит ее эффективное
мелкодисперсное распыление, что можно
использовать для нанесения защитных,
электропроводящих и других покрытий на поверхность
ИЭТ, например, для нанесения
поливинилового спирта на горловину колбы цветного
кинескопа для предотвращения повреждения
аквадажного покрытия при вставлении ЭОС
перед ее заваркой.
Аналогичным образом наносят аквадаг
(водная суспензия графита с небольшими
добавками жидкого стекла) на внутреннюю
поверхность конусов стеклооболочек
электронно-лучевых TpytSoK (ЭЛТ) (рис. 7.1.32). Внутри
стеклооболочки ЭЛТ 1 перемещается пневмо-
вихревая распылительная головка 2, состоящая
из корпуса 3 с тангенциальными соплами 4У к
которым по штанге 6 подводится сжатый
воздух. Внутри пневмовихрерой камеры 5
установлена трубка 7 с аквадагом, который эжек-
тируется вихревым потоком, в центре которого
всегда образуется разрежение. Наносимый
слой покрытия равномерен и в несколько раз
тоньше, чем при ручном способе нанесения,
при этом надежность этого способа более
высокая, так как благодаря большому диаметру
трубки 7 она не забивается аквадагом. Если в
пневмовихревую распылительную головку
подать моющую жидкость, то она обеспечит ее
распыление и сообщит ей большую
кинетическую энергию, необходимую для качественной
очистки поверхности изделии, так как в этом
случае будет обеспечиваться более интенсивная
смена моющего реагента на поверхностном
слое.
Схема рабочей камеры установки для
гидравлической вихревой очистки магнитных
дисков представлена на рис. 7.1.33. В рабочую
камеру 1 устанавливается на держатели
магнитный диск 2. В торцевой стенке левой
полости камеры установлены форсунки 3,
которые направлены под острым углом к
поверхности магнитного диска и касательно к
воображаемой окружности радиусом г. При
распылении соплами моющего реагента образуется
высокоскоростной спиральный, сходящийся к
центру диска, поток смеси моющей жидкости
и воздуха, выходящий в правую полость через
отверстие в магнитном диске. В правой
полости форсунки 4 направлены к периферии
диска, и поэтому здесь образуется спиральный
расходящийся поток и таким образом
создаются благоприятные условия для циркуляции
рабочей жидкости по всей поверхности
очищаемого магнитного диска, что улучшает
качество его очистки.
Рис. 7.1.32. Схема устройства для на
ira на конус стеклообо

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПНЕВМОВИХРЕВОЙ ОЧИСТКИ
647
Рис. 7.1.33. Схема рабочей камеры установки для очистки магнитных дисков:
/- сжатый воздух; //- моющий раствор
Рис 7.1.34. Схема регенера
варцевых колб газоразрядных ламп
Перспективным для жидкофазной
обработки ИЭТ является применение
гидроакустических вихревых головок, которые используют
также при очистке магнитных дисков. В этом
случае обеспечивается высокоинтенсивное
воздействие моющей жидкости благодаря
возникающим при этом высокочастотным
колебаниям, вызывающим кавитационные явления.
Конструкция вихревых акустических головок
может быть аналогична конструкции,
представленной на рис. 7.1.31, только в центре
вихревой камеры 8 должно быть
предусмотрено отверстие для подачи моющей жидкости
или какого-либо другого реагента.
При введении в вихревую газовую струю
в качестве рабочего реагента абразивного
порошка можно с высокой производительностью
вьшолнять ряд операций по обработке деталей
с поверхностью вращения различной формы.
Например, пневмовихревая абразивная
обработка эффективно используется для
регенерации кварцевых колб газоразрядных ламп
(рис. 7.L34), у которых в процессе
эксплуатации на внутренней сферической поверхности
осаждается металлическая пленка вольфрама
толщиной до 10 мкм, которая не всегда
удаляется даже очень активной плавиковой
кислотой. Для этого в пневмовихревую головку 2 с
тангенциальными соплами 4 по патрубку 3
подается абразив, который раскручивается
вихревой газовой струей и поступает в
кварцевую колбу 7, где под действием центробежных
сил формируется в кольцевой поток
абразивных частиц, снимающий тонкий слой кварца
вместе с напыленной пленкой. Далее этот
поток поступает в циклон, где абразив отделяется
и используется вторично. Получаемая в
результате обработки матовая поверхность легко
осветляется пламенем газовой горелки.

648
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
А-А
Рис. 7.1.35. Схема вихревой камеры дм за
с электронно
трубок
Другая область применения пневмоабра-
зивной обработки - обработка тонких
длинномерных деталей типа выводов ЭЛТ. Схема
вихревой камеры показана на рис. 7.1.35.
Прибор 1 устанавливается выводами 2 в
установочную втулку 3. Сжатый воздух поступает в
вихревую втулку 4, образуя пневмовихревой
поток, с которым смешивается абразивный
порошок. Сформированная спиралеобразная
струя свободного абразива с высокой
скоростью продувается через зазор и, проходя
конический участок, образованный кольцом 5 и
вкладышем 6, осуществляет интенсивную
очистку поверхности расположенных в нем
выводов 2 ЭЛТ от оксидных пленок и других
дефектов поверхностного слоя. После обработки
рабочий поток поступает в отверстие крышки
7 и оттуда в циклон, где абразив отделяется от
воздуха и снова эжектируетея в вихревую
втулку 4.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александрова А. Т., Полагай Г. А.
Заготовка деталей электровакуумного
производства. М.: Высшая школа, 1986. 223 с.
2. Шехмейстер Б. И. Технология
производства электровакуумных приборов: Учеб. для
учащихся техникумов. М.: Высшая школа,
1992. 543 с.
лу
Глава 7.2
СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ
АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ
ПРИБОРОВ
7.2.1. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ
СТЕКЛООБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Стеклооболочка электровакуумных
приборов (ЭВП) в самом общем виде включает
три конструктивных элемента: колбу, штенгель
и ножку. В зависимости от конструкции
прибора колба может быть цельной или
составной. Цельные колбы получают чаще всего
путем выдувания в заданную форму или
огневой резкой дротового стекла с последующей
формовкой. Составные колбы стеклооболочек
сложных форм, на внутренние поверхности
которых наносятся различные покрытия,
изготовляются путем соединения нескольких
стеклянных деталей, например, экрана, конуса и
горловины для некоторых типов
электроннолучевых трубок (ЭЛТ) и цветных
электроннолучевых трубок (ЦЭЛТ).
Штенгель, представляющий собой
стеклянную трубку, через которую осуществляется
откачка прибора, может быть составной
частью ножки или присоединяться
непосредственно к колбе.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
649
Рис. 7.2.1. Схема технологического i
1ки штенгеля к колбе:
1 - загрузкаштегеля; 2 - загрузка колбы; 3 - установка колбы и штенгеля на определенном уровне; 4-6-
подогрев; 7 - прокол отверстия и приварка штенгеля; 8-10- отжиг; 11 - выгрузка; 12 - свободная позиция
Сборка стеклооболочки в зависимости от
типа прибора включает:
заварку ножки со штенгелем в цельную
колбу (нормально-осветительные лампы
накаливания, инфракрасные зеркальные лампы,
малогабаритные ЭЛТ);
приварку штенгеля и заварку ножки с
разных сторон цельной колбы (приемно-
усилительные лампы, сверхминиатюрные
лампы);
сборку составной колбы и заварку ножки
со штенгелем (крупногабаритные ЭЛТ, ЦЭЛТ).
Схема технологического процесса
приварки штенгеля к колбе пальчиковых
радиоламп, реализуемого на 12-позиционном
полуавтомате карусельного типа, показана на
рис. 7.2.1. Предварительный разогрев и отжиг
места приварки осуществляются "мягким"
пламенем горелок, прокол отверстия и
непосредственно приварка штенгеля -
высокотемпературным пламенем водородно-кисло-
родных горелок, которые опускаются в колбы.
Соединение стеклянных деталей
составной колбы осуществляют различными видами
сварки или спайкой ситаллоцементами,
рассмотренными в подразд. 7.1.1.
На рис. 7.2.2 представлена
кинематическая схема универсального станка
горизонтального типа для газовой сварки стеклянных
деталей.
Вращение от электродвигателя 1 через
клиноременную передачу 2 и двухступенчатый
вариатор с раздвижными коническими
шкивами 3 передается на ременную передачу 5,
шкив 4 которой соединен с выходным валом
вариатора скользящей шпонкой. Этот шкив
может перемещаться вдоль оси вала и
фиксироваться на нем относительно любой ступени
шкива б, соединяющегося с валом 8 через
фрикционную муфту 7. Далее через цепную
передачу 9 вращение сообщается главному
приводному валу 10, от которого цепными
передачами 11 и 14 приводятся во вращение
шпиндели неподвижной бабки 12 и лодвиж-
ной бабки 13 с зажимными
самоцентрирующими патронами для закрепления
свариваемых стеклодеталей. Звездочка 15 соединена с
главным приводным валом с помощью
скользящей шпонки. Подвижная бабка
перемещается по направляющим станины посредством
рейки 18 и шестерни 77, связанной с
приводным маховиком 16. Суппорт 19,
предназначенный для крепления газовых горелок,
перемещается от реечной передачи. Станок
снабжен газораспределительной системой,
предназначенной для поддува воздуха через
шпиндели подвижной и неподвижной бабок в
процессе сварки и подачи газа и кислорода к
горелкам. Наличие газораспределителя позволяет
осуществить одними и теми же горелками
предварительный подогрев "мягким"
газокислородным пламенем до размягчения стекла,
сварку их и предварительный отжиг на станке.

650
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Ml \>\ I П\\\\\\ЩЩ
Рис. 7.2.2. К
горизонтального типа для газовой сварки стеклянных деталей
Рис. 7.2.3. Схема <
ерт
На рис.7.2.3 изображена схема станка
вертикального типа для газовой сварки конуса
ЭЛТ с прямоугольным экраном. Экран
устанавливается на неподвижную опору 5, в
патрон 6 верхнего кронштейна 7 помещается
конус, закрепленный за горловину
пневматическими зажимами. Горелки 4, установленные
по периметру спая на каретках 3> приводятся
во вращение от электродвигателя 1. Кроме
того, каретки с горелками перемещаются в
радиальном направлении благодаря наличию
)го типа для газовой сварки конуса ЭЛТ с экраном
копира 9, по которому катятся ролики 10
кареток, повторяя контур экрана и сохраняя
неизменным расстояние между изделием и
соплом горелки. Перед прогревом стеклянных
деталей кронштейн 7 с патроном опускается
почти до соприкосновения краев конуса с
краями экрана с помощью ходового винта 8,
получающего вращение от электродвигателя
П. Движение ограничивается конечными
выключателями. Для окончательного смыкания
конуса и экрана предусмотрено перемещение
кронштейна с помощью ручного маховика 2.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
651
В крупносерийном и массовом
производстве используются карусельные
полуавтоматы для газовой сварки деталей колб. На
рис. 7.2.4 показана схема карусельного
полуавтомата для приварки горловины к конусу
ЦЭЛТ. В зажим нижнего шпинделя 3
помещается заранее откалиброванная до заданного
размера горловина 4. С помощью кулисы 1
зажим поднимается в верхнее положение и
совмещает горловину с конусом Р, который с
помощью упоров 7 и кольца 6 принимает
фиксированное положение. Горелки 5
разогревают кромки обеих стеклянных деталей.
С помощью электродвигателя 11 и цепи 10
все позиции машины (кроме разгрузочной)
приводятся во вращение для равномерного
нагрева свариваемых деталей. Затем следует
совмещение горловины с конусом с помощью
кулисы 1 и штока 2 Для того чтобы
внутренняя^ часть места приварки имела тре-
10
буемые размеры, она подформовывается
штоком 8.
После сварки деталей на полуавтомате
осуществляется предварительный отжиг зоны
сварки "мягким" пламенем газовых горелок.
На разгрузочной позиции шток 2 шпиделя
опускается и освобождает горловину, после
чего изделие снимают и загружают в печь
окончательного отжига.
Поворот рабочей карусели со
шпинделями осуществляется с помощью кулачково-
роликового механизма.
Электросварка стеклянных деталей
включает подогрев стекла до температуры, при
которой оно становится проводником
электрического тока; размягчение всей толщи стекла;
соединение деталей путем пропускания
электрического тока через стекло в зоне контакта
деталей.
Различают газоэлектрическую и
электродуговую электросварку.
Рис. 7.2.4. Схема карусельного полуавтомата для приварки горловины к конусу ЦЭЛТ
"US
,г-300;т»3
т»3
Вакуум
Рис. 7.2.5. Схема станка горизонтального типа для газоэлектрической сварки конуса и экрана ЭЛТ

652
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
На рис.7.2.5 представлена схема станка
горизонтального типа для газоэлектрической
сварки конуса и экрана крупногабаритных
ЭЛТ. Зажим горловины осуществляется трех-
кулачковым патроном с пневматическим
приводом, управление которым осуществляется с
помощью крана 1. Воздух, поступающий в
полости цилиндра 5 через золотник 4,
дросселируется обратным клапаном 2. Для создания
некоторого избыточного давления внутри
свариваемого объема изделия предусмотрена
возможность подачи воздуха под низким
давлением через трехходовой клапан 3.
Зажим экрана осуществляется вакуумной
присоской, а его перемещение вдоль оси -
перемещением штока пневмоцилиндра,
действующего от пневмосистемы, управляемой
краном 11 через золотник 9. Скорость
перемещения регулируется обратным клапаном 10.
Воздух, поступающий в цилиндры от сети,
очищается фильтром 12.
Шпиндели 6 и 8 вращаются синхронно.
На станке предусмотрен копир для строгой
ориентации горелок 7 относительно изделия
прямоугольной формы.
Стеклянные детали предварительно
разогревают пламенем газовых горелок до
температуры 600 - 700 °С, а затем пропускают
через шов электрический ток высокого
напряжения промышленной частоты. Недостатком
газоэлектрической сварки является
необходимость прогрева стеклянных деталей газовым
пламенем до сравнительно высокой
температуры.
При электродуговой сварке электроды,
подводимые к месту соединения стеклянных
деталей, подсоединяются к источнику ТВЧ
A05 - 107 Гц). Увеличение частоты тока
позволяет снизить продолжительность и
температуру предварительного нагрева стекла до 200 -
250 °С. Это связанно с тем, что электрическое
сопротивление стекла для ТВЧ меньше, чем
для токов низкой частоты.
Спайка ситаллоцементами стеклянных
деталей составной колбы используется в
основном для соединения экрана с конусом
ЦЭЛТ, когда недопустимы перегрев экранно-
масочного узла и люминофорного покрытия и
воздействие на них пламени. Ситаллоцемент,
подготовленный для нанесения на спаиваемые
поверхности, представляет собой сметанооб-
разную суспензию порошкообразного стекла
(фритты) в связующем растворе
нитроцеллюлозы в изоамилоцетате (биндере) и называется
шликером.
Технологический процесс спайки
включает следующие переходы: установку экрана на
торец конуса с нанесенным на него и
подсушенным шликером; нагрев до температуры
кристаллизации 7^; выдержку при этой
температуре в течение некоторого времени;
охлаждение.
Точность сборки конуса с экраном
определяет совмещение осей системы
формирования и управления электронными лучами и
ширину перекрытия между экраном и
конусом. Для обеспечения необходимой точности
совмещения осей конуса и экранно-масочного
узла при спайке применяются специальные
контейнеры (рис. 7.2.6). Конус с нанесенным
шликером устанавливается в контейнере
горловиной вниз, затем на него укладывается
экранно-масочный узел. Совмещение осей
конуса и экранно-масочного узла
обеспечивается установочным диском 4> входящим в
горловину, и тремя базовыми упорами 7
контейнера, к которым прижимаются конус и экран
своими технологическими приливами или
реперными точками. Постоянно действующая
сила Рпр, прижимающая спаиваемые детали к
базовым упорам, создается за счет веса G
деталей и установки их с небольшим наклоном к
вертикальной оси. Загруженный контейнер
помещается в печь спайки.
При нагреве шва до температуры 160 °С
происходит удаление воды из шликера, т.е. его
сушка. В интервале температуры от 100 до
370 °С выгорает органическая часть шликера.
Выше 330 °С шов спайки уменьшается по
толщине, но остается еще пористым до
температуры 380 °С, когда наступает расплавление и
растекание фритты с заполнением каждого
углубления спаиваемых поверхностей. Нагрев
ведется до температуры кристаллизации Тк>
при которой расплав фритты обладает
минимальной вязкостью. Для ситаллоцемента
СЦ90-1 Тк = 440 °С.
Рис. 7.2.6. Контейнер:
1 - корпус; 2 - нижняя площадка; 3 - штырь;
4 - установочный диск; 5 - плавающая площадка;
6 - опорное кольцо; 7 - базовые пальцы

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
653
Максимальная скорость нагрева vHar
ограничивается, с одной стороны,
необходимостью проведения описанных выше процессов в
шликере, с другой, - временными
термическими напряжениями, которые в
совокупности с остаточными напряжениями могут
превысить предел прочности стекла.
Во время выдержки при 7^ — 440 °С в
течение 13 - 15 мин кристаллизация расплава
не начинается, но затем она происходит
интенсивно и заканчивается примерно через
40 мин после начала температурной выдержки
с образованием шва требуемого качества.
Допуск на Тк не должен превышать 5 °С.
Охлаждение зоны спайки, как и
охлаждение любых стеклянных изделий при отжиге,
осуществляется с различными скоростями в
интервалах температур, соответствующих зоне
отжига (vOX3.o) и зоне упругости стекла
(vOx.3.y)> причем Vox>3.o < Vox>3.y.
На рис.7.2.7 показана схема
автоматизированной линии спайки конуса с экраном
цветных кинескопов (а) и температурный
режим обработки изделия в печи (б).
Конус с экраном загружается на
контейнер 3 на загрузочной тележке 5,
перемещающейся по рельсам между конвейером 11
возврата пустых контейнеров и загрузочной
стороной электрической туннельной печи 7.
Далее оператор перемещает тележку 5 к месту
загрузки в печь, открывает соответствующую
секцию затвора форкамеры 1 печи нажатием
•педали 2 управления пневмоцилиндром 4 и
сдвигает контейнер со спаиваемыми деталями
в форкамеру до сцепления его с сеткой 14
конвейера печи, обеспечивающего дальнейшее
его передвижение во время обработки в печи и
до места разгрузки. Для облегчения
перемещения контейнера участки перед и внутри
форкамеры оборудованы рольгангами 6.
Контейнеры с изделиями проходят в печи зоны
нагрева, вьщержки и охлаждения. При выходе из
закрытой части печи контейнеры с изделиями
дополнительно охлаждаются, перемещаясь на
открытом участке 8 конвейера над приводом
13 и по перегрузочному рольгангу 9
перегружаются оператором на разгрузочную тележку
10. Спаянные оболочки 12 передаются на
последующие операции, а контейнеры
перегружаются на конвейер возврата 11,
транспортирующий их к загрузочной тележке.
i $
Рис. 7.2.7. Схема автоматизированной
й
айки конуса с экраном цветных кинескопов (а) и
р у р
температурный режим обработки изделия в печи (б):
'наг - время нагрева; ?выд - время выдержки; /Ох.з.о - время охлаждения в зоне отжига;
*ох.з.у - время охлаждения в зоне упругости

654
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Схема поперечного сечения печи спайки
приведена на рис. 7.2.8. В боковых участках
печи устанавливаются электронагреватели 1,
питание которых осуществляется через токо-
подводы 6. Нагреватели (обычно нихромовая
проволока) обдуваются воздухом, нагнетаемым
вентилятором 4. Нагретый воздух поступает в
рабочую камеру 3, где передает теплоту
деталям оболочки и снова поступает в приемное
отверстие вентилятора. Температура внутри
рабочей камеры контролируется термопарой 5.
Кожух рабочей камеры выполнен из
жароупорной стали и тоже передает теплоту
оболочке излучением.
Перепад температур в рабочей зоне печи
не превышает 3 °С. Боковые стенки, под и
свод печи теплоизолированы минеральной
ватой 2,
Заварка ножки с внутренней арматурой в
колбу является завершающей операцией
сборки стеклооболочки ЭВП. Эта операция во
многом определяет качество готового прибора
(см. подразд. 7.2.3).
На рис. 7.2.9. показана схема
технологического процесса сборки стеклооболочек ЭЛТ.
Он включает следующие операции: вварку
анодного вывода в конус; предварительный
отжиг в печах карусельного типа; приварку
горловины к конусу; предварительный отжиг;
окончательный отжиг в конвейерной печи;
приварку экрана к конусу; предварительный
отжиг; окончательный отжиг в конвейерной
печи; заварку ножки с электронно-оптической
системой (ЭОС).
Таким образом, операция отжига
является обязательной и многократно повторяемой
во всем технологическом процессе сборки
стеклооболочек.
Отжиг стеклоизделий предназначен для
снятия постоянных (остаточных) напряжений,
которые возникли в них при изготовлении, и
предотвращения возникновения новых
остаточных напряжений в процессе охлаждения.
Рис. 7.2.8. Схема поперечного <
конуса с экраном ЦЭЛТ
Рис. 7.2.9. Схема технологического процесса сборки стеклооболочки ЭЛТ:
1 - вварка анодного вывода; 2, 4, 7 - предварительный отжиг; 3 - приварка горловины к конусу; 5 -
окончательный отжиг; 6 - приварка экрана; 8 - заварка ЭОС

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
655
При охлаждении стеклянного изделия
после формообразования в нем
устанавливаются перепады температуры по толщине,
обусловленные низкой теплопроводностью стекла.
Сжатию наружных слоев, имеющих более
низкую температуру, препятствуют внутренние
более горячие слои. В наружных слоях
возникают напряжения растяжения, а во внутренних
слоях - сжатия. Однако в начальный период
охлаждения, когда вязкость стекла не велика,
напряжения очень быстро релаксируют.
Дальнейшее охлаждение с постоянным градиентом
температур А Т по толщине не приводит к
образованию новых напряжений. Это
действительно до того, как температура
поверхностного слоя не достигнет верхней границы
интервала стеклования. Интервалом, стеклования
называется интервал температур, в котором
происходит процесс стеклования или
размягчения стекла. Он ограничен температурой
текучести Tf (рис. 7.2.10), соответствующей
динамической вязкости 106>6 Пас, со стороны
высоких значений температуры и
температурой трансформации (стеклования) Т&
соответствующей динамической вязкости 1012'3 Па-с,
со стороны низких значений температуры. Как
видно из рис. 7.2.10, в интервале стеклования
в 2 - 3 раза уменьшается температурный
коэффициент линейного расширения а стекол.
В связи с разницей температур
поверхностного и внутреннего слоев охлаждаемого
стеклоизделия их значения а оказываются
различными. Свободный размер внутреннего
слоя уменьшается быстрее, чем свободный
размер наружного. В результате в наружных
слоях возникают напряжения сжатия, а во
внутренних - растяжения. Эти напряжения
также будут релаксировать. Однако в
интервале стеклования вязкость стекла уже
относительно велика и процессы релаксации идут с
гораздо меньшей скоростью, чем при более
высоких температурах. Поэтому существенная
а
Ш
тя
Tf
Т
Рис. 7.2.10. Зависимость коэффициента линейного
расширения стекла от температуры:
/ - твердое (упругое) состояние;
// - пластическое состояние;
/// - жидкое состояние (расплав)
часть возникающих в рассматриваемом
интервале коэффициентных напряжений
сохраняется неотрелаксированной. При температуре
ниже Tg а стекла не зависит от температуры.
Поэтому дальнейшее охлаждение
затвердевшего стекла с той же самой скоростью, т.е. с
тем же градиентом А Г, не приводит к
возникновению новых напряжений. Когда наружный
слой изделия охлаждается до температуры
окружающей среды, внутренний слой,
имеющий более высокую температуру, продолжает
охлаждаться, уменьшаясь в объеме. В
результате температура слоев выравнивается, но в
наружном слое возникают напряжения сжатия, а
во внутреннем - растяжения. Эти напряжения,
пропорциональные величине А77, в
совокупности с неотрелаксированными в интервале
стеклования напряжениями, вызванными
различными значениями а, представляют
конечные остаточные напряжения.
До 40 % суммарной величины
остаточных напряжений возникают еще в интервале
стеклования. Кроме того, при сборке стекло-
оболочек температура составных элементов
имеет чаще всего различные значения, что
обусловлено различием масс, теплофизических
свойств, неравномерностью температурного
поля, создаваемого нагревательным
устройством. Поэтому при охлаждении собранного
изделия в зоне соединения возникают
дополнительные остаточные напряжения. Различают
предварительный (грубый) и окончательный
(тонкий) отжиг стеклоизделий.
Предварительный отжиг проводят сразу после сварки
элементов стеклооболочек, только снижая
остаточные напряжения, что позволяет сократить
длительность операции без риска разрушения
оболочки. Остаточные напряжения в ЭЛТ
могут достигать при этом 10-12 МПа.
Последующий окончательный отжиг
стеклоизделий, т.е. доведение уровня
остаточных напряжений до требуемого значения,
проводят уже после их охлаждения до 20 °С с
общей длительностью операции до 3 - 5 ч.
Окончательный отжиг может производиться и
без предварительного, например при заварке
ножки в колбу ЭВП.
На рис. 7.2.11 изображена температурная
кривая окончательного отжига, включающая
четыре этапа.
I этап - нагрев стеклоизделия до
температуры отжига Тога. Диапазон температуры
7отж (зона отжига) ограничен верхним Тв 0 и
нижним Тно возможными ее значениями.
Верхней температурой отжига называется
температура, при которой в течение 3 мин
снимается 95 % остаточных напряжений.
Теоретически она соответствует температуре
трансформации Tg, практически из-за возможного
колебания температур в печи ее выбирают
несколько выше Tg, что соответствует
динамической вязкости стекла 1012 Пас.

656
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Рис. 7.2.11. Температурная кривая отжига
стеклоизделий (заштрихована зона отжига)
Нижняя температура отжига -
температура, соответствующая динамической вязкости
1013'5 Пас, при которой за 1 мин снимается 5
% напряжений. В зависимости от состава
стекла Тио меньше Тво на 40 - 150 °С.
При нагреве в стеклооболочке возникает
сложное напряженное состояние,
определяемое наличием следующих силовых факторов:
начальным полем остаточных напряжений
аост, перепадами температур по поверхности и
толщине стекла, различием значений а стек-
лоэлементов.
При высоких скоростях нагрева vHar
возникают большие перепады температур по
толщине стекла и, следовательно, большие
временные напряжения, сжимающие наружную
поверхность и растягивающие внутреннюю.
Это может привести к разрушению стеклообо-
лочки по опасному сечению, находящемуся в
узкой кольцевой области сварного шва стекло-
элементов.
Условие неразрушения стеклооболочки в
процессе нагрева имеет вид
°экв = авр + ^ост + °а ^ М»
где аэкв - эквивалентные напряжения; авр -
временные термические напряжения,
обусловленные перепадами температур; ста -
напряжения, обусловленные различием значений а
стеклоэлементов; [а] - допустимый предел
прочности стекла.
Наружная поверхность стеклооболочек
более критична к разрушению, нежели
внутренняя, т.к. на ней присутствуют дефекты в
виде царапин, микропосечек, трещин,
являющиеся локальными зонами концентрации
напряжений. Так как при нагреве на наружной
поверхности образуются временные сжимающие
напряжения, то допустимую скорость нагрева
[vHar] следует рассчитывать по формуле
Здесь X - теплопроводность стекла;
[°сж] " допустимый предел прочности стекла
на сжатие; h - толщина стеклооболочки; С -
теплоемкость стекла; у - плотность стекла; ц -
коэффициент Пуассона; а - температурный
коэффициент линейного расширения стекла;
D =
- цилиндрическая жесткость
Каг] =
ЗСуA
G.2.1)
12A -
оболочки, где Е - модуль упругости первого
рода.
Величину <тосг измеряют на контрольной
операции после предшествующей термической
обработки.
Если стеклоэлементы оболочки имеют
примерно равные значения а, в формуле 7.2.1
CJa = 0.
На II этапе операции отжига
производится выдержка при 7^^ в течение времени
4ыд> определяемого временем выравнивания
температуры по объему стеклоизделия и
временем релаксации напряжений. Физика
релаксационных процессов в стекле достаточно
сложна. В стекле в области температур ниже
Tg наблюдаются релаксационные процессы Pj
и Pi> не связанные с вязким течением, -
быстрый и медленный, протекающие при
практически неизменной структуре стекла и
характеризующиеся соответственно удельными
энергиями активации 2Ы03 и 54-Ю3 кДж/моль.
Кроме того происходит процесс Рз,
определяемый вязким течением стекла и
соответствующий удельной энергии активации
251-Ю3 кДж/моль. Для нестабилизированного
стекла процесс Рз выше температуры Tg
сопровождается релаксацией структуры стекла. В
зоне отжига релаксационный процесс Рз имеет
вклад примерно 5 %, а процесс Pi - 70 %
начального значения <тост. Сущность процесса
Pi, который определяет релаксацию
напряжений в стекле на начальной быстрой стадии и
характеризуется вкладом до 25 %, заключается
в образовании и миграции флуктационных
микропустот. Релаксационный процерс Р^
связан с тепловой подвижностью
микроучастков, которые могут быть структурными мик-
ронеоднородностями или структурными
комплексами, образованными в основном связями
Si-О. Существует температура, являющаяся
верхней границей проявления процесса Р2,
которая на 20 - 30 °С ниже Tg. При
температуре выше этой верхней границы релаксацию
напряжений в стекле в основном определяет
процесс Рз-
Процессы стабилизации структуры стекла
и релаксации напряжений при
изотермической выдержке описываются уравнениями
одного и того же типа.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
657
Релаксация напряжений в стекле
описывается соотношением
= ехр
0,54
G.2.2)
Здесь G/ - напряжение в момент времени ty
сгост - начальное остаточное напряжение; 4 -
максвелловское время релаксации
напряжений;
lg*a = 1&Л " Ю>5, G.2.3)
где г| - динамическая вязкость стекла при
температуре выдержки, Па-с.
Таким образом, задаваясь необходимым
уровнем снятия остаточных напряжений на
этапе выдержки при выбранной Tq^x и,
следовательно, известной динамической вязкости
ц9 по формулам G.2.2) и G.2.3) определяют
время выдержки /^щ. Например, при 95 %-ном
отжиге в формуле G.2.2)
о> = 5 %; стосг = 100 %\t- ^ыд.
Релаксация напряжений протекает не
только на этапе выдержки при T^j^, а также и
при любой отличной от нуля температуре на
этапе нагрева.
Однако заметное снижение уровня стосг
начинается только при достижении зоны
отжига. В процессе нагрева в зоне упругости
стекла релаксирует всего 5 - 10 % начального
поля напряжений.
III этап - охлаждение в зоне отжига от
^отж Д° ^н.о» определяющее качество изделия
по критерию уровня остаточных напряжений.
Механизм образования новых аосг на этом
этапе аналогичен описанному выше при
охлаждении стекла после формообразования.
Разница только в том, что, если отжиг
осуществляется при температуре ниже интервала
стеклования, новые остаточные напряжения
проявляются лишь при охлаждении всего изделия
до 20 °С. Остаточные напряжения после
операции отжига при условии снятия начальных
напряжений <тосг на этапе выдержки
пропорциональны скорости охлаждения в зоне
отжига vox>3.o.
Максимально допустимое значение этой
скорости [vOX3.o] определяется заданным
допустимым значением остаточных напряжений
[°ост] после операции отжига:
На IV этапе при охлаждении в зоне
упругости, когда динамическая вязкость стекла
превышает 1О13»5 Па-с, в затвердевшем стекле
не происходит релаксации возникающих
временных напряжении. При этом силовые
факторы, определяющие напряженное состояние
стеклоболочки, отличаются от силовых
факторов I этапа. Отсутствует начальное поле
остаточных напряжений, напряжения от перепада
температуры по толщине являются
растягивающими для наружной поверхности и
сжимающими для внутренней. Поэтому
допустимая скорость охлаждения в зоне упругости
[vox З.у] рассчитывается по формуле
Цкраст] "
где [сГраст] - предел прочности стекла на
растяжение.
Так как [страст] < [схсж], то скорость
охлаждения в зоне упругости обычно ниже
скорости нагрева.
Для построения кривой отжига весь
диапазон температур на этапах нагрева и
охлаждения разбивается на несколько интервалов, в
пределах которых изменение температуры во
времени считается линейным.
Для каждого /-го интервала определяют
среднюю температуру 7^ /, по которой
определяют значения зависящих от температуры
физических характеристик стекла и
рассчитывают <Та/. Далее по формулам G.2.1) - G.2.4)
рассчитывают [\usrU W [уох.з.о1/; Кх.з.у]/-
Для отжига стеклоизделий применяют
газовые и электрические печи разнообразных
конструкций, различающиеся по принципу
действия, способу нагрева и охлаждения, типу
компоновки.
Если окончательный отжиг производится
на оборудовании оварки стеклоэлементов, то
способы подогрева изделия для обеспечения
необходимого режима охлаждения и
конструкции печей аналогичны рассмотренным в
подразд. 7.2.3 для заварки ножки в колбу
эвп.
Термическое оборудование,
предназначенное только для отжига стеклооболочек, в
зависимости от требуемой производительности
может быть периодического и непрерывного
действия. В печах периодического действия в
каждой точке рабочей зоны печи в
конкретный момент времени поддерживается
постоянная температура, которая изменяется во
времени, как и потребляемая мощность,
обеспечивая требуемый температурный режим
обработки. Обрабатываться могут как одно, так
и несколько изделий одновременно. По
конструктивному исполнению печи могут быть
камерными, колпаковыми, муфельными.

658
Глава 7.2 СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
На рис. 7.2.12 приведена схема камерной
печи отжига стеклооболочек ЭЛТ. Стеллаж 5 с
отжигаемыми оболочками 7 закатывается в
печь. Теплота от нагревателей 2 передается
металлическому кожуху 8, который нагревает
воздух в рабочем пространстве печи. Под
действием принудительной циркуляции,
осуществляемой вентилятором i, нагретый воздух
обтекает оболочку и нагревает ее. Частично
оболочка нагревается и за счет излучения от
кожуха 8. В качестве тепловой изоляции
используется вата 3 каолинового состава,
заполняющая пространство между обшивками 6,
смонтированными на каркасе 4 печи.
Рис. 7.2.12. Схема камерной печи отжига
стеклооболочек ЭЛТ
В печах непрерывного действия в каждой
из тепловых зон поддерживается постоянная
температура, меняющаяся по длине печи.
Необходимый режим термообработки
обеспечивается изменением скорости транспортного
органа с установленными на нем изделиями.
По компоновочному решению печи
непрерывного действия могут быть карусельного и
конвейерного типов.
На рис, 7.2.13 изображена карусельная
печь отжига с газовым нагревом и
периодическим вращением карусели. Отжигаемое
изделие устанавливается на позиции загрузки,
находящейся вне печи, на карусель 2. Карусель
получает периодическое вращение от привода
4 через кулачково-роликовый механизм,
состоящий из кулака (улиты) 5 и роликового
диска 6> и пару шестерен 8> 9. Перемещаясь
вместе с каруселью, изделие поступает в
туннельную печь i, закрепленную на
неподвижной плите 3. Пламенный нагрев
осуществляется газовой системой 7, состоящей из газового
и воздушного трубопроводов, смесителей,
регуляторов давления и горелок.
На рис. 7.2.14 показана электрическая
карусельная печь отжига с непрерывным
вращением карусели 2 с установленными на ней
изделиями. Вращение на карусель передается
от привода 4 через систему конических 5, 6 и
цилиндрических 8, 9 шестерен. Внутри печи i,
закрепленной неподвижно на станине 3,
находятся электрические нагреватели
сопротивления 7, которые выполняются в виде
проволочных и ленточных зигзагов или спиралей.
Рис. 7.2.13. Карусельная печь отжига с периодическим вращением карусели

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ СТЕВСЛООБОЛОЧЕК
659
В 9
Рис. 7.2.14. Карусельная печь отжига с непрерывным
вращением карусели
Конвейерные печи отжига стеклянных
изделий (рис. 7.2.15) состоят из туннельной
печи и транспортного органа - конвейера.
Туннельная печь 6 компонуется из ряда
отдельных секций с нагревателями различной
мощности. Каждая секция служит для нагрева
участка печи до температуры, соответствующей
определенной части кривой отжига. Конвейер
включает в себя транспортную сетку 7 и
приводную станцию, состоящую из
электродвигателя 7, вариатора 2, редуктора 3, цепной
передачи 5 и ведущего барабана 4.
Рабочая камера печи (рис. 7.2.16)
обложена специальной керамикой. Нижние
керамические плиты 3 закрыты листом 2 из
жаропрочной стали. Теплоизоляционный слой печи
состоит из листов асбеста 7, проложенных
между керамикой и наружными стенками.
Нагревательные элементы каждой стороны
печи состоят из нихромовых спиралей 4,
уложенных в каналах керамики. Передача теплоты
изделию осуществляется одновременно
естественной конвекцией и излучением.
В конвейерных печах отжига с высокими
требованиями к выдерживанию температуры
как по ширине, так и по длине печи
используется передача теплоты изделию
принудительной конвекцией. Принцип работы и
конструкция таких печей аналогичны описанной
выше печи спайки экрана с конусом ЦЭЛТ
(см. рис. 7.2.8).
*
у 1 в
<Ш0 4 5
|
I
*ш#^#<&ш#
Рис. 7.2.15. Схема конвейерной печи для отжига стеклянных изделий:
/- VII- секции печи
4 3-2 •/
Рис. 7.2.16. Поперечный разрез рабочей камеры печи

660
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Рис. 7.2.17. Схема печи отжига стеклооболочек с
инфракрасным нагревом:
1 - галогенная лампа; 2 - отражатель; 3 - стеклообо-
лочка; 4 - загрузочный люк; 5, 8 - заслонки; 6 -
подставка; 7 - кожух печи
Разработаны печи отжита стеклооболочек
ЭВП, в которых в качестве источников
инфракрасного излучения применяют
высокотемпературные галогенные лампы (рис. 7.2.17).
Большая часть спектра излучения этих ламп
лежит в интервале длин волн 2,75 - 4,75 мкм,
соответствующем области частичной
прозрачности стекла. В этой области спектральный
коэффициент поглощения электровакуумных
стекол равен 3-6 см-1, т.е. инфракрасное
излучение проникает в толщу стекла, реализуя
объемный нагрев изделия. Это позволяет
производить нагрев даже толстых стеклооболочек
крупногабаритных ЭВП с высокими скоростями.
7.2.2. СБОРКА ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Сборка внутренней арматуры ЭВП
включает типовые процессы: перемещение,
ориентирование и загрузку, базирование и
закрепление (фиксацию) отдельных деталей и узлов с
целью обеспечения заданного взаимного
расположения электродов прибора и его
вспомогательных элементов.
Причины, затрудняющие реализацию
названных процессов, следующие:
сложность форм, часто сочетающаяся с
недостаточной определенностью базовых точек
(поверхностей);
низкие прочность и формоустойчивость;
покрытия (эмиссионные, изоляционные,
люминофорные, оптические и т.п.) и
некоторые виды обработки поверхностей,
исключающие или ограничивающие механический
контакт;
применение хрупких материалов (стекло,
керамика);
применение разнородных материалов,
что затрудняет получение соединений,
большинство из которых - неразъемные.
В производстве ЭВП для сборки
внутренней арматуры используют практически все
известные методы.
Часто выбор метода определяется
возможностью регенерации деталей или узлов,
т.е. разделения соединений без ущерба для
отдельных деталей или узлов. Наиболее часто
применяется сварка (практически все
известные ее виды), особенно - точечная
электроконтактная.
Механические методы. Элементы деталей
и сборочных единиц соединяют
механическими методами в тех случаях, когда они
обеспечивают высокую производительность, просты
и когда неприемлемы сварка, пайка и другие
методы или их применение связано с
большими трудностями.
Известно много методов механических
соединений как в массовом, так и в
мелкосерийном производстве электровакуумных
приборов.
Закатка - завальцовка (рис. 7.2.18, а)
осуществляется за три приема: на детали
делают надрез (насечку), затем в надрез
укладывают проволоку и с помощью специального
инструмента эту проволоку закатывают. При
правильном выполнении закатка обеспечивает
надежное соединение (при натяжении
проволока рвется, но не выходит из места
закрепления).
Этот способ соединения приемлем для
достаточно пластичных материалов, например,
никеля, меди, низкоуглеродистой стали.
Недостатком закатки является появление
на участках, подвергающихся соединению,
остаточных напряжений, под действием
которых детали могут значительно
деформироваться как в процессе изготовления, так и при
нагреве в собранном приборе.
Запрессовка (рис. 7.2.18, б) подобна за-
вальцовке, однако при этом способе
предварительно насечку не наносят, поэтому
запрессовка может применяться лишь при высокой
твердости и достаточно малом диаметре
проволоки и одновременно хорошей
пластичности держателей. Как правило, держатели
делают из никеля, а проволоку - из вольфрама.
Зажимание (рис. 7.2.18, в) применяют
для соединений нитей с держателями,
выполненными из более толстой пластичной
проволоки, чаще из никеля. Предварительно концы
держателей расплющивают и загибают в виде
петли.
Обкатку (рис. 7.2.18, г) используют для
соединения с траверсами эмиттеров
фотоэлектронных умножителей, изготовленных из
материалов, плохо поддающихся сварке.
Клепка позволяет соединять детали из
листового материала, плохо поддающегося
сварке, в основном вольфрама, молибдена и
тантала, а также детали из слюды и керамики.
Заклепки используют сплошные (рис. 7.2.18,
д)ив виде пистонов (рис. 7.2.18, ё). Иногда,
если позволяет материал одной из деталей,
применяют клепку с помощью цапф,
выдавленных заранее (рис. 7.2.18, ж).

СБОРКА ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
661
г)
М)
Рис. 7.2.18. Схемы механического соединения деталей
Сшивка (рис. 7.2.18, з) также
предназначается для соединения листового материала,
например при изготовлении анодов.
Фальцовка (соединение в "замок")
служит для прочных соединений деталей из листа
и ленты (рис. 7.2.18, и).
Перевязывание (рис. 7.2.18, к)
применяют редко, например для закрепления на
держателях и токоподводах относительно толстой
вольфрамовой и молибденовой проволоки.
Иногда детали соединяют винтами с
помощью хомутиков (рис. 7.2.18, л) или клином-
штифтом (рис. 7.2.18, м).
Соединения, полученные механическими
методами, могут иметь дефекты, вызванные
следующими причинами:
недостаточная прочность может быть
следствием наличия мелких канавок (при за-
вальцовке), слабого обжатия (при завальцовке,
запрессовке, зажимании, клепке и т.д.),
разрушения или "ослабления" отдельных деталей,
износа инструмента;
деформация деталей и сборочных единиц
может появиться при износе инструмента и
приспособлений из-за чрезмерно больших сил
при обжатии (запрессовке), а также при
нарушении технологии;
дефекты поверхностей (особенно
покрытий) являются следствием неправильной
конструкции оснастки и ее эксплуатации.
Качество соединений контролируют
путем осмотра, а в ряде случаев - испытаниями
на прочность, проводимыми с помощью
разрывных машин или специальных
приспособлений (выборочно).
Специальные методы соединения. В
производстве ЭВП широко применяются
некоторые методы, отличающиеся ярко выраженной
спецификой, связанной с особенностями
конструкции деталей, их материалов и условий
работы в приборе.
Соединение вакуумными цементами.
Цементы затвердевают в результате процессов,
проходящих в них при относительно низких
температурах. После затвердевания цементы
могут эксплуатироваться при значительно
более высоких температурах, а вакуумные
цементы - и в условиях вакуума.
С помощью вакуумных цементов
соединяют детали из разнородных материалов
(например, металла и керамики),а также
металлические детали, для которых
неприменимы сварка или пайка (например, крепление
проволоки диаметром 8 мкм на траверсах
рамочных сеток).
Применяют два вида цементов.
Цементы первого вида предназначены
для эксплуатации при относительно низкой
температуре; они состоят из смеси кварцевого
порошка, диоксида кремния и жидкого стекла,
разведенных водой до определенной
консистенции. Эти цементы могут длительное время
храниться в герметической упаковке, чаще
всего для их расфасовки используют тюбики.
Для удобства нанесения цемента на тюбик
надевают насадку (трубку диаметром 1 -
1,8 мм). Иногда одну из деталей окунают в
цемент, например при соединении
керамических трубок с металлическими траверсами
(рис. 7.2.19). Для закрепления цемента
необходима выдержка (сушка) при температуре
120 - 140 °С в течение 30 мин.

662
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
2 3
Рис. 7.2.19. Схема соединении трубок с траверсами
цементом:
1 - трубка; 2 - вакуумный цемент; 3 - траверса
а)
Рис. 7.2.20. Схемы со
с керамическими траверсами вакуумным цементом:
а - правильное; б - г - неправильное
Очень важно, что детали сразу же после
намазки можно помещать только в холодную
печь. Если невозможно охлаждать печь (из-за
потерь производительности), то перед
загрузкой деталей в нагретую печь их следует сушить
на воздухе не менее чем 30 мин, иначе при
попадании в зону высокой температуры (выше
100 °С) цемент вспучивается и в дальнейшем
осыпается.
При нанесении цемента следует обращать
внимание на особенности конструкции и
материалов. При соединении металлических
деталей (фланцев) с керамическими траверсами
площадь поверхности соприкосновения капли
цемента с керамикой должна быть равна или
больше площади поверхности контакта капли
с металлом, причем капли цемента на
керамике должны как бы охватывать металл
(рис. 7.2.20).
Цементы второго вида предназначены
для работы при высоких тем-пературах (вплоть
до 1000 °С). Примером может служить алю-
мофосфатный цемент. Он отличается
сложностью приготовления и малым сроком годности.
Для получения алюмофосфатного
цемента сначала изготовляют отдельно связку и
смесь порошков. Состав связки: 20 г гидрата
оксида алюминия; 70 г ортофосфатной
кислоты; 36 см3 дистиллированной воды.
После дозировки компоненты тщательно
перемешивают в фарфоровой посуде и в
течение 20 - 30 мин нагревают при температуре
85 - 90 °С при постоянном перемешивании до
получения однородной массы, которая может
храниться в плотно закрытых сосудах не более
5 сут.
Смесь порошков состоит из 40 г фосфат-
нокислого алюминия, 80 г каолина и 480 г
электровакуумного алунда, перемешиваемых и
размалываемых в барабане с фарфоровыми
шарами в течение 10 - 12 ч. Фосфатнокислый
алюминий и алунд предварительно
прокаливают (раздельно) при 1000 °С в течение 2 ч. После
просеивания порошок засыпают для хранения
в герметически закрываемую посуду.
Приготовление самого цемента
заключается в смешивании 10 г смеси порошков и 4 г
связки с последующим добавлением A -
1,5 см3) ортофосфатной кислоты (плотность
1,152 г/см3) до получения нужной
консистенции. После 10 - 15 мин перемешивания в
фарфоровой чашке цемент готов к
употреблению. В готовом виде он может храниться и
использоваться не более 2 сут.
Необходимую прочность и вакуумные
свойства цемент приобретает после сушки при
260 - 280 °С в течение 5 - 6 ч или после
обжига при 650 °С в течение 5 мин. Для
предупреждения вспучивания детали с цементом
следует загружать в холодную печь или
предварительно сушить на воздухе не менее 6 ч.
Правильно высушенный цемент,
хранящийся не более указанного срока годности,
имеет чистую (белую или светло-розовую)
поверхность без впадин и пор и под
воздействием иглы или пинцета не дает сколов.
Соединение запрессовкой металла в
стекло. Очень широко применяют запрессовку
металлических деталей в стеклянные
изоляторы. Наиболее часто используют этот метод при
сборке арматуры электронно-лучевых
приборов, где требуется надежная изоляция при
высоком напряжении между электродами.
Предварительно стекло нагревают (до
размягчения), затем в него впрессовывают
специально сформованные концы держателей,
и после остывания получается достаточно
прочное и жесткое механическое соединение
(рис. 7.2.21).
Рис. 7.2.21. Схема соединения деталей запрессовкой
в стеклянные изоляторы

СБОРКА ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
663
ЛШША
'ЛуЛУ ////// S/J///S///' /s/'/sss/// /SJfJJ//S>7/'
Рис. 7.2.22. Держатели
Рис. 7.2.23. Схема соединения (а) металлических
деталей с керамикой с помощью эмали и
виды керамических изоляторов (б):
1 - детали; 2 - держатель; 3 - эмаль;
4 - керамический изолятор
D' - желобчатый, 4" - с гнездами)
Некоторые зазоры необходимы для
компенсации термических деформаций при
изготовлении и эксплуатации ЭВП. Требуемая
прочность достигается внедрением концов
держателей на оптимальную глубину, но при
излишней глубине может быть "ослаблен"
изолятор.
Держатели, привариваемые к деталям,
могут быть стержневыми (рис. 7.2.22, а) или
плоскими (рис. 7.2.22, б). Некоторые формы и
расположение держателей показаны на рис.
7.2.22, в.
Описанный метод соединения допускает
повторное использование электродов в случае
появления брака узла. Для этого достаточно сбить
(сколоть) изоляторы и повторить операцию.
Соединение эмалями. Эмали отличаются
хорошими изоляционными свойствами,
область их применения та же, что цементов.
Состав часто применяемой эмали, %:
РЬО - 65; SiO2 - 19; А12О3 - 11; В2О3 - 5.
Порошок эмали засыпают в полости
деталей и после разогрева (температура около
570 °С) в размягченную эмаль вставляют
металлические детали и охлаждают (рис. 7.2.23).
Применяют также другую разновидность
эмалей - порошок мелкого (толченого) стекла,
разведенный в нитролаке (с органическим
наполнителем) или в полиамидной смоле.
Для закрепления этих деталей необходим
постепенный нагрев до 800 - 900 °С; при
нагреве происходит разложение и удаление
связки, а стекло расплавляется и прочно скрепляет
соединяемые детали.
Комбинированные методы. В
электровакуумном производстве чаще всего применяют
комбинации механических методов
соединения и сварки, например для соединения
металлических деталей с керамическими
изоляторами с помощью хомутиков при монтаже
внутренней арматуры электронно-лучевых
приборов.
Возможны два варианта соединения.
По первому варианту (рис. 7.2.24, а)
хомутик охватывает только керамику, а к
металлической детали он приваривается.
По второму варианту (рис. 7.2.24, б)
хомутик (сложной формы) стягивает как
керамические траверсы, так и основную
металлическую деталь - цилиндр. Для соединения
требуется более точное, чем по первому варианту,
изготовление как основных деталей, так и
хомутиков. В обоих вариантах при сварке
хомутик должен натягиваться, иначе соединение
будет низкокачественным.

664
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Рис. 7.2.24. Схемы комбинированного соединения
металлических деталей с керамическими изоляторами:
1 - траверса; 2 - хомутик; 3 - электроды;
4 - парный сварной держатель;
5 - загнутый держатель; 6 - накладка
Посредством монтажа внутренних деталей и
узлов ЭВП реализуются (в зависимости от
конструкции прибора) разнообразные варианты
сборочных единиц: от пакета, включающего все
электроды прибора и большинство
вспомогательных элементов, до набора элементов корпуса
(оболочки). И только после их соединения в
единую оболочку получают заданные
межэлектродные положения (расстояния).
Сборка пакетов характерна, например,
для приемно-усилительных ламп и
фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Использование
элементов оболочки для задания
межэлектродных расстояний типично для фотоэлементов
большинства электронно-оптических
преобразователей (ЭОП). При производстве цветных
кинескопов независимо собирают катодную
часть и экранный узел, а затем объединяют их
в общей оболочке. В производстве цветных
кинескопов монтажные операции составляют
значительную долю. Часть из них выполняется
вручную или с использованием средств малой
механизации.
Организация монтажа отличается
разнообразием форм. Наиболее простой формой
организации является полный
(индивидуальный) монтаж, при котором на одном рабочем
месте выполняются все операции. Для
обеспечения заданного объема выпуска продукции
монтаж выполняют на нескольких позициях
независимо друг от друга. При такой
организации монтажа изменяется число работающих
при увеличении или уменьшении объема
производства без проведения специальных
мероприятий и главное - легче обеспечить
индивидуальную ответственность персонала при
условии регулярного учета выработки и брака.
Как правило, полный (индивидуальный)
монтаж используется для особо ответственных
приборов, в опытном производстве, при
освоении новой продукции, в мелкосерийном
производстве.
Однако индивидуальный монтаж имеет
существенные недостатки, определяющие его
относительно малое применение в массовом
производстве, а также для сложных приборов с
большим числом разнородных соединений.
Например, перестройка режимов на одном
рабочем месте связана с потерей
производительности и требует определенной
квалификации и опыта рабочих, т.е. универсального
владения достаточно большим набором приемов.
Как правило, вследствие различной
квалификации исполнителей может быть снижено
качество монтажа и уменьшена
производительность труда;
Принципиально иной формой является
поточный метод, при котором монтаж делится
на отдельные операции. По мере
осуществления операций арматура последовательно
переходит от одного исполнителя к другому, она в
определенном ритме движется вдоль потока, и
постепенно увеличивается число деталей.
Часто ритм задается и поддерживается с помощью
конвейера, переносящего арматуру вдоль
потока.
Поточный метод позволяет использовать
рабочих разной квалификации, причем
наиболее квалифицированных - на более сложных
операциях. В результате значительно
повышается производительность труда, улучшается
качество монтажа. Монтажное оборудование
переналаживается реже и работает стабильнее.
Поточный метод целесообразно применять
при определенном объеме выпуска и в тех
случаях, когда можно расчленить процесс на
отдельные операции, предусматривая
одинаковое время для выполнения каждой операции
или группы операций.
На наиболее трудоемкие операции
выделяют нескольких исполнителей, а один
исполнитель может работать на нескольких "мелких"
операциях.
Оба рассмотренных метода монтажа без
дополнительных операций применяют крайне
редко. Для разгрузки
высококвалифицированных рабочих от простых операций создают
участки заготовительного монтажа, на которых
выполняют операции по монтажу отдельных
сборочных единиц, передаваемых после
контроля на окончательный монтаж. Например,
на участках заготовительного монтажа
производят армирование подогревателей, пистони-
рование слюды, сборку катодов, анодных
дисков, мишеней.

СБОРКА ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
665
Очень часто участки, на которых
осуществляются операции предварительного
монтажа отдельных сборочных единиц,
организационно включаются в состав заготовительных
цехов, особенно при массовом и
крупносерийном производстве. По мере развития
специализации и кооперации предприятий
многие из указанных операций (например, с
катодами, газопоглотителями) выполняют на
других предприятиях.
Монтажные оборудование и оснастка
представляют различные сочетания
универсальных и специализированных устройств;
базовым является монтажный стол,
рассчитанный на "автономное" функционирование,
оснащенный специализированными
механизмами (сварочными, расклепывающими и т.п.)
оптическими приборами, местным
освещением, системой очистки воздуха
(обеспыливанием), контейнерами для хранения деталей и
полуфабрикатов и т. д.
Монтажный стол, как правило,
одноместный, состоит из собственно стола 3 на
стойках 4 и устанавливаемого на столе колпака 1
(рис. 7.2.25).
На основании крепятся колпак 2,
сварочный механизм 2 с педалью 5 и тягой 6,
блоки питания 7 и управления. Колпак в виде
короба с вырезом для доступа рук имеет, окна:
сзади - для подачи очищенного воздуха - и с
боков - для передачи узлов при работе в
поточной линии. При независимой работе
боковые окна заглушены.
В колпак вмонтированы светильники,
освещающие рабочую поверхность стола. В
большинстве случаев конструкция колпака
такова, что возможна установка микроскопа.
Монтажные столы современных
конструкций обеспечивают надежную защиту
деталей и узлов от загрязнения посторонними
частицами (ворсинками и пылинками). Это
имеет решающее значение для производства
электровакуумных приборов повышенной
надежности.
Первичным приемом обеспечения обес-
пыленности является создание под колпаком
избыточного давления (около 100 Па), а чтобы
обеспечить содержание в 1 дм3 воздуха не
более пяти частиц размером выше 1 мкм,
требуется подача воздуха через дополнительные
фильтры - из магистрали или с помощью
индивидуального (группового) нагнетателя.
При использовании централизованной
подачи в магистрали должно быть давление
около 200 - 250 Па, а в 1 дм3 магистрального
воздуха должно быть не более 500 частиц
размером не более 1 мкм. Может также
применяться подача воздуха с помощью
индивидуального воздухонагнетательного устройства
при установке столов в помещениях с
контролируемой (обеспыленной) атмосферой. Через
колпак монтажного стола может проходить до
150 м3/ч воздуха.
В зависимости от назначения в рабочей
зоне монтажного стола могут размещаться
различные целевые механизмы.
Рис. 7.2.25. Монтажный стол со сварочным механизмом

666
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Часто монтажные столы оснащают
сварочными механизмами и называют монтажно-
сварочными.
В большинстве случаев при монтаже
арматуры ЭВП и использовании деталей из
листовых материалов пригодность модели
сварочного механизма для конкретных соединений
определяется минимальной толщиной
металлов, свариваемых без прожогов.
На рис. 7.2.26 показана конструкция
механизма для сварки тонких и сверхтонких
листовых материалов.
В неподвижном корпусе 1 перемещается
в вертикальном направлении колонка 7,
на которой внизу закреплена траверса 5, а
вверху - головка 10 с плоскими пружинами 14.
Пластмассовые втулки 6 и 8 изолируют
подвижную часть от корпуса. Дополнительная
направляющая 2 подвижной системы
выполнена в виде эксцентрика, что позволяет
устранять зазор (свободный ход), появляющийся
при изнашивании.
В нерабочем состоянии подвижная
система удерживается в верхнем положении
пружиной 3.
В неподвижном держателе 17 укреплен
нижний электрод 16. Верхний (подвижный)
электрод 15 крепится в подвижном держателе
13, жестко связанном с плоскими пружинами 14.
U
Рис. 7.2.26. Безынерционный сварочный механизм
Регулировочный винт 12> упирающийся в
пластину 11у жестко сидящую на колонке 7,
определяет деформацию пружины, т.е. силу
сжатия электродов.
Опускание подвижного электрода
осуществляется нажимом на педаль (не показана),
связанную тягой с серьгой 4. При нажиме на
педаль траверса и электрод опускаются до
соприкосновения подвижного электрода с
деталью, электрод останавливается и сжимает
детали с постоянной силой, хотя колонка 7 и
головка 10 продолжают двигаться дальше до
упора гайки 9 в корпус.
Тяга, связывающая педаль с серьгой 4,
имеет упругое звено (пружину), поэтому ход
педали (или другого привода) продолжается до
замыкания находящегося под ней контакта,
что обеспечивает включение электрической
цепи только после надежного сжатия деталей.
Силу сжатия электродов контролируют
путем измерения прогиба пружин 14 с
помощью индикатора часового типа,
устанавливаемого на головке 10. Для установления прогиба
пружины снимают нижний неподвижный
держатель 17 с электродом 16 и устанавливают
на уровне нижнего неподвижного электрода
специальный динамометр. Меняя
регулировочным винтом сварочной головки ход штока,
т.е. прогиб плоских рабочих пружин при
нажатии педали до упора (при этом подвижный
электрод упирается в динамометр, который
показывает значение силы), фиксируют
показания стрелки индикатора сварочной головки.
Примеры сборки внутренней арматуры
цветных кинескопов. Внутренняя арматура
большинства цветных кинескопов состоит из
двух частей: экранно-масочного узла (ЭМУ) и
электронно-оптической системы (ЭОС).
Сборка этих блоков типична для многих
ЭВП.
Сборка экранно-масочного узла. Основное
условие качественной цветопередачи по всему
рабочему полю экрана кинескопа -
обеспечение заданного взаимного положения экрана и
маски, включая полное соответствие двух
растров - люминофорных пятен на экране и
отверстий (щелей) в маске.
Чаще всего полная взаимозаменяемость
неосуществима, и процессы сборки основаны
на индивидуальном подборе, когда масочный
узел и экран перемещают совместно в
процессе нанесения люминофоров до окончательной
сборки экранно-масочного узла. Такая сборка
называется комплектной.
При обеспечении определенного уровня
точности базовых и крепежных элементов
могут быть реализованы полубескомплектный
и даже бескомплектный методы.
Общий подход к сборке ЭМУ
иллюстрирует рис. 7.2.27, на котором показан экранно-
масочный узел цветного кинескопа. Маска 4
прикреплена (приварена) к раме 1, и этот узел

СБОРКА ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
667
Рис. 7.2.27. Экрано-масочный узел цветного
с помощью держателей 5 и фиксатор 3
крепится к экрану 2. Такое крепление
выполняется несколько раз. Сначала добиваются
нужного положения маски по отношению к
поверхности экрана, на которой еще отсутствуют
люминофорные структуры. Затем масочный
узел снимают с экрана и после нанесения на
экран люминофора одного из трех цветов и
фоточувствительного слоя снова устанавливают
и используют как шаблон для
фотоэкспонирования.
При этом световая оптическая система
должна быть аналогична электронной, чтобы
обеспечить в дальнейшем попадание
электронных пучков на люминофорные участки
"своего" цвета.
Фотоэкспонирование производится три
раза, поэтому важна воспроизводимость
процессов базирования масочного узла.
Маску толщиной порядка 0,1 - 0,15 мм
крепят на специальной раме.
В малогабаритных кинескопах рама
базируется на трех фиксаторах, а в других кинескопах
чаще всего используют четыре точки крепления.
Применяют различные методы подбора
положения держателей, обеспечивающего надежное
закрепление рамы, после чего выполняют сварку -
фиксацию держателя на раме.
Держатели рамы имеют овальные
отверстия, которые намного больше фиксаторов
экрана, как правило, имеющих коническую
форму. При фиксировании нужного
положения рамы (с маской или без нее) накладки
приваривают к держателям.
Сборка экрано-масочного узла (ЭМУ)
включает две операции, связанные с
процессами соединения: приварку к раме маски и
приварку держателей (пружинящих пластин).
Очередность выполнения этих операций
бывает разной, чаще сначала приваривают
держатели, так как при этом меньше вероятность
повреждения маски. Из этих же соображений
приварку держателей выполняют иногда
непосредственно при сборке экранного узла, при
этом необходимо приварить накладки таким
образом, чтобы поверхность маски заняла
нужное положение относительно поверхности
экрана.
Часто для этого используют профильные
прокладки, помещаемые перед приваркой
накладок между маской и экраном. Прокладки
(их называют также шаблонами, спейсерами)
делают из резины, упругого пластика, реже -
из винипласта, алюминиевых сплавов.
Используют бесконтактные способы
базирования - с проведением замеров
расстояний между маской и экраном минимум в пяти
точках - по углам и в центре.
При базировании масочного узла
непосредственно по стеклянному экрану
необходимо в дальнейшем сохранять неизменным
положение пары экран - масочный узел до
окончательной сборки кинескопа (комплектная
сборка).
При обеспечении определенного уровня
точности применяют базирование по аналогу
экрана - профильному шаблону (ложементу).
Пример рабочей позиции установки для
приварки держателей к раме с приваренной
ранее маской при базировании на ложементе
показан на рис. 7.2.28.
Рама с маской 1 располагается на
ложементе 2 и фиксируется держателями 5.
Держатели 3 базируются фиксаторами 4 - аналогами
соответствующих фиксаторов на экране.
Сварочные электроды 6 и 7 последовательно
выполняют по два соединения на каждом
держателе (условно показаны крестиками на виде
Б-Б).
Приварка маски к раме показана на
примере крупногабаритного кинескопа
(диагональ 61 см) на рис. 7.2.29. Сварочные
электроды 4 спарены механически, но
электрически разделены. Всего используется
приварка в 24 точках (по 8 на длинных сторонах,
по 4 на коротких). К раме изнутри подводятся
специальные упоры 3 для предупреждения
деформаций рамы 2 Рама 2 центрируется по
углам устройствами L Базирование маски 7
осуществляется прижатием ее к основанию
(ложементу) 8 профильным прижимом 5 (для
сохранности маски используется покрытие 6У
например, из полиуретана).
Конструкции ЭМУ бывают двух видов: с
наружным (см. рис. 7.2.28) и внутренним
(рис. 7.2.30) расположением маски
относительно рамы.
На рис. 7.2.30 показано устройство
базирования рамы 3 перед приваркой маски 2 по
отверстиям в приваренных ранее держателях 4
и коническим пальцам 5 - аналогам экранных
фиксаторов. Маска базируется на ложементе 1
(прижим маски не показан).

668
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВЫУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Рис. 7.2.28. Установка для приварки держателей к раме цв
абаритного кинескопа (рабочая позиция)

СБОРКА ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
669
А-А
{увеличено)
Рис. 7.2.29. Установка для приварки маски к раме кинескопа (рабочая позиция)

670
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Рис. 7.2.30. Устройство базирования рамы с
внутренним разм
На рис. 7.2.31 показан пневматический
датчик, используемый при установке
расстояния между маской и экраном. Корпус датчика
1 закреплен в освобожденной полости
шаблона (спейсера) 6 и наконечником 3 опирается
на поверхность экрана 7. Расход воздуха
(уровень сигнала) определяется степенью
перекрытия сопла 2 пластиной 4, которая
наконечником 5 упирается в маску 8. Число
одновременно размещенных датчиков и места их
расположения определяют уровень
достигаемой точности базирования.
Сборка электронно-оптической системы.
Существует два вида трехлучевых электронно-
оптических систем (ЭОС) цветных
кинескопов: с расположением катодов в вершинах
равностороннего треугольника (дельтавидные
ЭОС) и с расположением их на одной линии
(компланарные ЭОС).
Сборка ЭОС этих видов различается
исполнением (расположением) базирующих
элементов и способами соединения электродов на
общих изоляторах. В основном применяют
способ фиксирования крепежных элементов
электродов внедрением в размягченное стекло.
При этом применяют различные варианты:
подбирают скорости нагрева и охлаждения
стекла и электродов, подбирают состав
изоляторов (чаще применяют изоляторы из
прессованного порошкового стекла) и т.д.
Важное значение для качественной
работы ЭОС имеет получение заданного
расстояния между катодом и модулятором. Наиболее
распространена конструкция с общим
модулятором, реже - индивидуальные катодно-
модуляторные узлы (КМУ), собираемые
отдельно до сборки ЭОС.
Существуют различные способы
обеспечения расстояния между катодом и
модулятором: механические (контактные),
пневматические, емкостные, индуктивные, оптические.
Схема одного из вариантов сборки КМУ
показана на рис. 7.2.32. Катод 1 (рис. 7.2.32, а)
устанавливают на неподвижную оправку 2, а
на каретке 7 размещают частично собранную
(с модулятором 11, но без катода) ЭОС 10.
Исходное положение устанавливают при
настройке приспособления с помощью
вспомогательного устройства 4У временно вводимого в
рабочую зону при отведенной до отказа влево
каретке* 7. Ползуном 6 прижимают
калиброванный (длиной L\) зонд 5 к
вспомогательному упору 3, затем микрометрическим винтом 8
перемещают каретку 7 до тех пор, пока зазор
между катодом 1 и измерительным зондом 12
(длиной Lj) не станет равным расчетному
(А2), что фиксируется с помощью прибора 9
(показано условно). После этого возвращают
ползун 6 в крайнее левое положение, выводят
устройство 4 из рабочей зоны и перемещают
ползун 6 вправо до упора 3 (рис. 7.2.32, б).
Получающееся расстояние между катодом и
модулятором
А.1 = L<2 + Д2 - L\.
3
Рис. 7.2.31. Пневматический контактный датчик

СБОРКА ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
671
Рис. 7.2.32. Схема сборки катодно-модуляторного узла с одновременным измерением расстояния
между катодом и модулятором
Очевидно, что основная погрешность
установки заданного расстояния определяется
процессом задания (измерения) зазора (Д2)>
так как при описанной схеме износ зондов и
упоров практически отсутствует.
Выбор методов и средств измерения в
данном случае обусловлен специфическими
свойствами оксидного покрытия катода, не
допускающего контактов во избежание его
разрушения или загрязнения, и требованиями
к надежности и техническому обслуживанию
оборудования. Часто применяют
пневматический бесконтактный метод измерения малых
расстояний по принципу "сопло - заслонка".
Вариант КМУ показан на рис. 7.2.33. На
изоляторе 4 развальцовкой закреплены
штифты 5 и гильза катода 7 (с покрытием I).
Штифты 5 служат для установки подогревателя
6. Расстояние между катодом и модулятором 2
задается выступами 3 на изоляторе 4. Перед
сборкой ЭОС катодные узлы сортируют на
группы по расстоянию от плоскости выступов
на изоляторе до торца катода, например через
0,01 мм. Дополнительно при сборке ЭОС
измеряют емкости между катодами и
модуляторами (попарно) и отбраковывают ЭОС с
разбросами значений емкостей сверх
установленных пределов.

672
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Рис. 7.2.33. Катодно-модуляторный узел на
керамических изоляторах
Обеспечение расстояний между другими
электродами ЭОС осуществляется чаще всего с
помощью прокладок (спенсеров). Часто
удается использовать базирование по рабочим
отверстиям электродов, когда соотношение
размеров отверстий позволяет извлекать
сборочную оправку из собранной ЭОС. Если же у
каких-то электродов, находящихся внутри
ЭОС, внутренний диаметр больше, чем у
крайних электродов, то для базирования
приходится использовать (иногда - специально
создавать) какие-то наружные элементы этих
электродов, что приводит к усложнению
оснастки и увеличению времени выполнения
операции.
7.2.3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАВАРКИ
СТЕКЛООБОЛОЧЕК ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Заваркой называется операция
окончательной сборки стеклооболочки ЭВП перед ее
вакуумной обработкой путем герметичного
соединения собранной ножки с колбой. После
заварки образуется оболочка ЭВП, внутри
которой находится арматура. Главное
требование к операции заключается в обеспечении
качества заварки при минимальной
длительности процесса. Основные критерии качества
операции:
герметичность шва, обеспечивающая и
поддерживающая в приборе требуемый
вакуум;
уровень остаточных напряжений в зоне
заварки, определяющий механическую и
термическую прочность стеклооболочки;
точность расположения внутренней
арматуры относительно оси и по высоте прибора, а
также по углу поворота для некоторых
приборов (например, ЦЭЛТ), влияющая на
выходные параметры готового изделия;
температура на катодах в процессе
заварки и степень окисления арматуры,
определяющие качество и долговечность прибора.
а)
Рис. 7.2.34. Виды взаимного ра
лбы и
тарелочки ножки перед заваркой:
1 - колба; 2 - тарелочка ножки;
3 - внутренняя арматура
Качество заварки зависит от вида,
взаимного расположения колбы и тарелочки ножки
перед началом операции, используемых
способов технологического воздействия и темпе-
ратурно-временных режимов на каждом из
технологических переходов операции.
Известны два вида взаимного расположения
свариваемых деталей: 1) с контактом торца колбы и
тарелочки (рис. 7.2.34, я), при этом
конфигурация соединяемых поверхностей может быть
плоской, цилиндрической, конической и
сферической; 2) с установкой тарелочки ножки
внутри колбы с небольшим зазором 5 между
ними (рис. 7.2.34, б); наиболее широко
используется в производстве ЭВП.
Типовой технологический процесс
заварки собранной ножки в оболочку ЭВП состоит
из следующих переходов: установки с
взаимной ориентацией колбы и ножки; наполнения
колбы инертным или восстановительным
газом; предварительного разогрева колбы и
тарелочки ножки; сварки колбы с тарелочкой
ножки в единую оболочку (непосредственно
заварка); отжига места заварки; съема и
контроля заваренной оболочки.
На рис. 7.2.35 показано изменение
температуры зоны соединения элементов в
процессе заварки на каждом из технологических
переходов. Предварительный разогрев до
температуры размягчения Т$ (этап I)
предназначен для перевода стекла из твердого (упругого)
состояния в пластичное, когда его
динамическая вязкость достигает 10п - 1010 Пас.
Максимальная скорость разогрева
определяется из условия недопустимости
разрушения стекла вследствие превышения
допустимых значений временными напряжениями,
возникающими в зоне упругости. Эта скорость
зависит от способа нагрева, толщины стенок и
термостойкости стекла.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАВАРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
673
т —
'at
Рис. 7.2.35. Из
/- предварительный разогрев зоны заварки; //- заварка; ///- быстрое охлаждение;
IV, V- отжиг (заштрихована зона отжига)
Рис. 7.2.36. Схемы предвар!
юго разогрева зоны заварки:
1 - колба; 2 - тарелочка ножки; 3 - горелка; 4 - проволочный нагреватель; 5 - печь;
6 - высокотемпературный источник ИК-нагрева; 7- отражатель
Рис. 7.2.37. Схемы изменения формы колбы при заварке:
1 - колба; 2 - тарелочка ножки; 3 - горелка
В производстве применяют три способа
предварительного разогрева зоны заварки:
газовым пламенем горелок (рис. 7.2.36, а);
излучением и частично конвекцией в
электрических печах с темными нагревателями
(проволочными, ленточными, спиральными)
(рис. 7.2.36, б); инфракрасным (ИК)
излучением специальных высокотемпературных
светлых источников (ксеноновые, кварцевые
галогенные лампы и др.) (рис. 7.2.36, в).
При использовании горелок
предварительный разогрев ведут "мягким" газовым
пламенем (рис. 7.2.37, а). При этом нагревается
внешняя поверхность колбы, а передача
теплоты к внутренней поверхности осуществляется
теплопроводностью. Тарелочка ножки
нагревается излучением от колбы. Вследствие малой
теплопроводности стекла и необходимости
хорошего разогрева тарелочки скорость
нагрева не превышает 200 °С/мин.
22 Лак. 71И»

674
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Недостатками этого способа являются
также нестабильность огневого режима
обработки и возможность попадания внутрь
прибора продуктов сгорания газа.
Предварительный разогрев
преимущественно излучением в электрических печах с
темными нагревателями позволяет получать
скорость нагрева до 1000 °С/мин за счет
частичного проникновения излучения в толщину
стенки колбы и обеспечения тем самым
меньшего перепада температуры по толщине стекла.
В ИК-нагревательных устройствах со
светлыми источниками максимальная
интенсивность излучения находится в спектральной
области полупрозрачности стекла. Поэтому
часть излучения поглощается стенкой колбы,
объемно нагревая ее, а часть проходит сквозь
стенку, быстро нагревая тарелочку ножки. В
этом случае скорость предварительного
разогрева достигает 1300 °С/мин. Кроме того, оба
лучевых способа являются стабильными и
экологически чистыми.
Непосредственно заварка ножки,
предусматривающая дальнейший разогрев колбы и
ножки и соединение их с образованием
сварочного шва, осуществляется на // этапе (см.
рис. 7.2.35). Для массовых и серийных ЭВП на
этом этапе используется нагрев пламенем
горелок.
Так как при температуре Тр стекло
находится в размягченном состоянии, то
дальнейший нагрев можно вести с любой скоростью.
До температуры Тр соответствующей
динамической вязкости 106'6 Пас, стекло колбы в
зоне тарелочки нагревается "средним"
газовоздушным пламенем. При этом оно размягчается
настолько, что начинается его
деформирование под действием собственного веса и
давления газов горелки. Деформирование стекла
сопровождается уменьшением диаметра и
толщины стенок колбы в месте сварки (рис.
7.2.37, б). Этому способствует обкатка кромки
колбы роликом (например, для пальчиковых
приемно-усилительных ламп (ПУЛ) или
оттяжка юбочки (например, для ЭЛТ)). При
дальнейшем разогреве "жестким"
газокислородным пламенем зазор между колбой и
тарелочкой исчезает и они соединяются
(рис. 7.2.37, в). Нагрев производится до
температуры спекания Тсп (см. рис. 7.2.35), при
которой динамическая вязкость стекла
достигает 105 Пас. Происходит растворение стекол
колбы и тарелочки друг в друге с
образованием тонкого слоя расплава двух стекол -
сварочного шва. Азот, подаваемый внутрь колбы,
способствует лучшему взаимному растворению
стекол. Под действием собственного веса и сил
поверхностного натяжения размягченный шов
в течение нескольких секунд принимает
требуемую форму. Окончательное формирование
шва осуществляется "жестким"
газокислородным пламенем горелок с внешней стороны и
давлением азота внутри колбы (рис. 7.2.37, г).
На /// этапе (см. рис. 7.2.35) происходит
быстрое охлаждение шва и прилегающих к
нему участков оболочки до температуры
верхней границы зоны отжига Тво. В этом
диапазоне температуры динамическая вязкость
стекла такова, что напряжения, возникающие при
высоких скоростях охлаждения, очень быстро
релаксируют. Поэтому применяют охлаждение
в "мягком" пламени горелок или даже
свободное остывание.
Под отжигом заваренной оболочки
понимают принудительное охлаждение стекла с
такими режимами, при которых не
происходит разрушение стекла в процессе охлаждения
и остаточные напряжения, возникающие
частично в зоне отжига и при остывании
оболочки до 20 °С, не превышают допустимых
значений. Вначале проводится медленное
охлаждение в зоне отжига - в промежутке
температуры от верхнего 7^0 до нижнего Тио
значений границы зоны отжига (этап IV на
рис. 7.2.35). Предельная скорость охлаждения
на этом этапе ограничивается допустимыми
остаточными напряжениями в заваренной
оболочке и составляет 25 - 50 °С/мин для
различных типов ЭВП. Ниже температуры ТН0)
т.е. в зоне упругости стекла, проводится
быстрое охлаждение оболочки до температуры
150 - 200 °С (этап V на рис. 7.2.35).
Максимально допустимая скорость охлаждения на
этом этапе определяется пределом прочности
стекла и может изменяться от 50 до 150
°С/мин в зависимости от габаритов оболочки
и термостойкости стекла.
Формулы для расчета скоростей нагрева
и охлаждения на этапах /, /F, Кданы в под-
разд. 7.2.1.
Для реализации требуемого режима
охлаждения при отжиге используется подогрев
зоны заварки теми же способами, что и
предварительный разогрев на этапе /.
На всех этапах заварки внутрь оболочки
поддувают инертный (аргон), нейтральный
(азот) или восстановительный (формир-газ)
газы.
Обычно применяют предварительно
осушенный и подогретый газ, состоящий в
основном из азота и содержащий не более
0,005 % кислорода и имеющий точку росы не
выше -50 °С. Азот выполняет следующие
функции: вытесняет из оболочки прибора
воздух и создает нейтральную среду,
предохраняющую внутреннюю арматуру от окисления
при высоких температурах; поглощает водяные
пары, образующиеся при сгорании газа,
предотвращая их конденсацию внутри оболочек;
препятствует излишнему деформированию
стекла колбы в зоне нагрева; способствует
взаимному растворению свариваемых стекол и

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАВАРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
675
окончательному-формованию шва;
предотвращает перегрев деталей внутренней арматуры.
Технологическое оборудование для
заварки собранной ножки в стеклянную колбу
ЭВП можно разделить на две большие группы:
одношпиндельные вертикально-заварочные
станки и многошпиндельные карусельные
машины.
Одношпиндельные
вертикально-заварочные станки в основном являются
универсальными и позволяют путем незначительных
конструктивных изменений или установки
сменных узлов осуществлять заварку ЭВП
различных типов. Они используются в основном в
единичном и мелкосерийном производстве.
Чаще всего обработка на этих станках ведется
пламенем газовых горелок.
Первоначально были разработаны
вертикально-заварочные станки с вращающимся
шпинделем и неподвижными горелками.
Кинематическая схема такого станка для заварки
малогабаритных ЭВП приведена на рис. 7.2.38.
На шпиндель 5 устанавливается патрон 4.
Ножка вставляется в свечу 3> закрепленную в
корпусе патрона, а колба крепится к головке 2
патрона зажимным устройством. От
электродвигателя 9 через клиноременную передачу 8 и
фрикционную муфту 7 вращение передается
приводному валу 6 и далее через червячную
передачу 10 на шпиндель станка.
Вертикальное перемещение горелкам 1 сообщается
реечной передачей 13 при вращении маховичка 12.
Включение муфты осуществляется педалью.
Снизу в отверстие шпинделя через резиновый
шланг IV подается азот, к горелкам рабочая
смесь подается от газораспределителя 11, к
которому по трубопроводам / - /// подаются
соответственно газ, кислород и воздух.
Рис. 7.2.39. Кинематическая схема
Рис. 7.2.38. Кинематическая схема
вертикально-заварочного станка с вращающимся
шпинделем и неподвижными горелками
для малогабаритных ЭВП
горелками для заварки ЦЭЛТ
Для крупногабаритных ЭВП осуществить
крепление ножки и колбы в одном патроне с
получением высококачественного шва заварки
достаточно сложно. В этом случае применяют
станки с раздельным креплением свечи и
гнезда (обоймы) патрона, но с синхронным их
вращением. На рис. 7.2.39 показана
кинематическая схема такого станка для заварки ЦЭЛТ.
Свеча 3, в которую вставляется ножка,
закреплена на шпинделе 2. В неподвижном патроне
4 соосно со шпинделем устанавливается на
опорных подшипниках 5 гнездо 6. Колба
устанавливается в гнездо и прижимается винтовым
зажимом своими базовыми приливами
(реперными точками) к трем упорам 7.
Синхронное вращение свече и гнезду передается
от электродвигателя 13 через червячную
передачу 12 и системы шестерен 11> 1 и 8, 9.
Горелки 10 и шпиндель имеют возможность
перемешаться по вертикали.
С появлением новых типов ЭВП с
высокой точностью взаимного расположения
ножки и колбы (например, в цветных дисплейных
кинескопах) возникла необходимость создания
вертикально-заварочных станков с
неподвижными шпинделем и гнездом и вращающимися
или качающимися горелками, в которых
отсутствуют кинематические погрешности и
погрешности вследствие изнашивания.
Кинематическая схема такого станка приведена на
рис. ?.2.40. От электродвигателя 5 через
ременную 4 и червячную 6 передачи вращение
передается на верхний диск золотника 11 с
закрепленными на нем горелками 12. Газовая
смесь подается через трубопровод 8 к
неподвижному нижнему диску 7 золотника от
газораспределителя. Установка свечи 1 с ножкой
на требуемую высоту и настройка горелок по
высоте производится вручную соответственно
от маховичков 9 и 2 через реечные передачи
ЮиЗ.
22!

676
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
Рис. 7.2.40. Кн
с неподвш
i заварочного станка
Рис. 7.2.41. Схема участка заварки
I юна
Для повышения производительности
оборудования были созданы технологические
участки заварки (рис. 7.2.41), включающие
заварочный станок 1> на котором проводятся
предварительный разогрев и заварка, и печь
отжига 2. Для полной загрузки печи отжига на
участке могут использоваться несколько
заварочных станков. Наибольшее распространение
получили электрические печи конвейерной и
карусельной компоновок (см. рис. 7.2.13,
7.2.14) с автоматическим контролем и
поддержанием температурного режима. В
крупносерийном и массовом производстве ЭВП для
заварки используется высокопроизводительное
оборудование с дифференциацией процесса и
совмещением технологических переходов во
времени - многошпиндельные карусельные
машины. Число позиций на таком
оборудовании может составлять 12 - 36 в зависимости от
того, реализуется ли на карусельной машине
весь технологический процесс заварки или
только часть.
На 24-шпиндельном полуавтомате
заварки пальчиковых ПУЛ производятся разогрев,
заварка приборов пламенем горелок и быстрое
охлаждение до температуры верхней границы
зоны отжига (рис. 7.2.42). После этого лампу
снимают с полуавтомата и быстро
устанавливают в свободный патрон туннельной печи
отжига, температурный режим которой
показан на рис. 7.2.43. Такт полуавтомата заварки
составляет 7 - 10 с, а отжиг в печи
продолжается 8-11 мин.
I Юна
Наименование
перехода
? Гиречка Ml
о Горелка М2
too
Установка,
уравнивание и
центровка
лампы
Прогре» Шаблона, края баллона
к йожки
ммммммммм
св св
св
св
жкжкжк
Заварка
лампы
жкжкжк
Охлаждение
лампы
м
\
-> Время, с
- безогневые позиции
- огневые позиции нагрева и отжига^- заварочные позиции
Рис. 7.2.42. Технолоп
пальчиковых ПУЛ на 24-шпиндельном полуавтомате:
-щ _____ — —-—-—• —¦__ ||< I ив ——> ш ¦—— —— ¦!_¦.—^ ^lll»_i»_WW- 1ПГ»|ТИ„ Щ ЖТ1Т—L— Ш
М- мягкое пламя; СВ - среднее газовоздушное пламя; ЖК- жесткое газокислородное пламя

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАВАРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
677
I
wo
дрем*, мин
Рис. 7.2.43. Температурные кривые печи отжига
заваренных миниатюрных ламп:
1 - при производительности 450 шт./ч;
2 - при производительности 600 шт./ч
Полностью технологический процесс
заварки миниатюрных ПУЛ реализуется на 36-
шпиндельных полуавтоматах карусельного
типа, оснащенных двумя электрическими
печами туннельного типа - разогрева и отжига.
Непосредственно заварка осуществляется
"жестким" пламенем горелок (рис. 7.2.44). Такт
работы полуавтомата 8 с.
На рис. 7.2.45 показан поперечный
разрез электрической печи разогрева стекла.
Для некоторых типов ламп с гребешко-
вой ножкой применяют такую
последовательность технологических переходов на участке
заварки: предварительный подогрев ножки в
карусельной печи, разогрев колбы и
дальнейший разогрев ножки на 12-шпиндельном
полуавтомате заварки; отжиг заваренной лампы в
печи (рис. 7.2.46). Это обеспечивает лучший
разогрев ножки и уменьшает число позиций
разогрева на полуавтомате заварки. Печи
подогрева ножки и отжига имеют обычно
одинаковую конструкцию.
ш
see
zoo
7
мм
¦¦¦
«¦
ма
BBS
SS
SS
j г J 4 s s 7 * 5
is го 2i zz у гч гз г$ я 19 п за л п jj
Рис. 7.2.44. Схема технологического процесса завари! пальчиковых ПУЛ на
Зб-позиционном карусельном полуавтомате:
1-8- съем заваренной лампы, загрузка и уравнивание ламп;
9-12- разогрев стекла в туннельной электрической печи; 13 - обкатка кромки; 14, 15 - проварка шва;
16 - свободное остывание; 17-34- охлаждение в принудительном режиме в туннельной электрической печи;
35, 36 - свободное охлаждение
Рис. 7.2.45. Поперечный разрез туннельной электрической печи разогрева стекла:
1 - нихромовый нагреватель; 2 - контактная пластина; 3 - водяное охлаждение контактной пластины;
4 - асбоцементная теплоизоляция; J - корпус печи

678
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
шшм- шммдсше мят & мчи
Рис. 7.2.46. Схема технологического процесса (л) и
температурный режим (б) заварки ламп с гребешковой ножкой
А-*
побернуто
Рис. 7.2.47. Принципиальная схема полуавтомата заварки ЭОС ЦЭЛТ '
Все многошпиндельные карусельные
машины для заварки различных типов ЭВП имеют
примерно одинаковый принцип работы.
На рис. 7.2.47 приведена
принципиальная схема 20-позиционного 10-шпиндельного
полуавтомата заварки ЭОС в оболочку ЦЭЛТ.
Число позиций выбрано исходя из
дифференциации технологического процесса заварки, а
число шпинделей - из приемлемых габаритов
машины. С точки зрения концентрации
операций - это полуавтомат последовательного
действия, имеющий элемент, характерный для
машин параллельного действия: на каждом
шпинделе находится печь для
предварительного нагрева и отжига. Оболочку кинескопа 12
и ножку с ЭОС 22 устанавливают
соответственно в гнездо 23 и свечу 21 шпинделя 20. Их
синхронное вращение обеспечивается переда-

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАВАРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
679
чей движения от электродвигателя 5 через
ременную и червячную передачи на звездочку
& далее через цепную передачу 6 на звездочку
3 шпинделя и через фрикционную муфту 16
на пары косозубых цилиндрические колес 14 и
13. На позиции / съема и загрузки шпиндель
не вращается, так как фрикцион 16
автоматически отводится рычагом, ролик которого
надвигается на кулису 17 останова вращения
шпинделя. Подъем свечи с ЭОС на требуемую
высоту на позиции // осуществляется кулисой
18, а опускание свечи на позиции XX - под
действием пружины 19. Периодическое
вращение карусели 15 со шпинделями
выполняется от электродвигателя 9 через ременную и
червячно-цевочную передачи. Печь для
подогрева места заварки на позициях /// - Ш и
отжига его после заварки на позициях XII - XLX
состоит из двух половин 2, укрепленных на
шпинделе. Отрывание и закрывание печи
происходит от путевого кулака 10 через шток-
рейку 4> две шестерни 2 и систему тяг 11. На
позициях X, XI происходит дальнейший
разогрев места заварки» оттяжка "юбочки" и
непосредственно заварка пламенем
газокислородных горелок 7.
Конструкция электрической печи
полуавтомата заварки приведена на рис. 7.2.48.
Производительность 600 шт./ч. Для контроля
смещения и угла разворота ЭОС машины
заварки ЦЭЛТ снабжают оптическим
устройством центровки ЭОС (рис. 7.2.49), состоящим
из видеокамеры 3, видеоконтрольного
устройства 4, блоков 5 и 6 автоматики, блока 7
привода двигателя центровки.
Видеокамера служит для преобразования
изображения реперных отверстий, сделанных в
цилиндрах ЭОС, в телевизионный сигнал.
Изображение в нее передается по гибкому
волоконному световоду 2 от оптической
системы 1, установленной на заварочной машине.
На видеокамеру подаются также
синхроимпульсы строк и кадров от синхрогенератора,
расположенного в блоке автоматики.
Видеокамера вырабатывает полный телевизионный
сигнал, который передается в
видеоконтрольное устройство - телевизор или монитор.
Устройство центровки позволяет визуально
наблюдать на экране телевизора процесс
центровки ЭОС, причем изображение щели,
имеющей размеры порядка 1x4 мм,
увеличено примерно в 30 раз.
Сокращение наиболее длительных этапов
предварительного разогрева и отжига стало
возможным за счет использования в качестве
нагревателей светлых источников ИК-излу-
чения. На рис. 7.2.50 показана схема
отражательной печи ИК-нагрева . Печь состоит из
двух одинаковых половин, снабженных
механизмом их открывания и закрывания.
Галогенные лампы 5 помещены в фокусе зллип-
социлиндрических отражателей Зу 6,
концентрирующих излучение на поверхности
оболочки в виде полосы. Нагреваемая оболочка
вращается, что обеспечивает равномерность
прогрева по ее периметру.
Рис 7.2.48. Электрическая печь полуавтомата завари
ЭОС ЦЭЛТ:
1 - керамическая футеровка; 2 - кожух печи;
3 - нагревательный элемент; 4 - теплоизоляция;
5 - крышка; 6 - клеммних; 7- створка печи;
8, И - оси; 9 - скоба; 10 - винт; 12 - тяга
1
7
6
5
Рис. 7.2.49. Схема функционирования устройства
центровки ЭОС
22и*

680
Глава 7.2. СБОРКА ОБОЛОЧЕК И ВНУТРЕННЕЙ АРМАТУРЫ ПРИБОРОВ
5 *
Рис. 7.2.50. Схема отражательной печи ИК-нагрева:
1 - свеча; 2 - ножка;
3, 6 - эллипсоцилиндрические отражатели;
4 - горловина оболочки; 5 - галогенные лампы;
7-щека
Режимы разогрева и отжига места
заварки обеспечиваются изменением напряжения,
подаваемого на галогенные лампы (рис.
7.2.51). Применение таких печей позволяет,
кроме того, строго выдерживать размеры зоны
нагрева, что предотвращает окисление
внутренней арматуры, и снизить температуру на
катодах до 150 - 170 °С, при которой не
происходит разложение оксидного покрытия
катодов. Печи ИК-нагрева используются как в
одношпиндельных станках, так и в
многошпиндельных карусельных машинах заварки.
Для дальнейшей стабилизации всего процесса
заварки и повышения его качества требуются
новые способы разогрева на этапе
непосредственно заварки (этап // на рис. 7.2.35) вместо
разогрева пламенем газокислородных горелок.
Известен способ заварки с
использованием оптического контакта свариваемых
поверхностей колбы и ножки. Его сущность
заключается в том, что край ножки и торец колбы
полируются с высокой точностью и при их
соприкосновении начинают действовать
молекулярные силы. Заварка осуществляется при
откачке прибора в печи (рис. 7.2.52) с
дополнительным индукционным разогревом кольца
3, надетого на место заварки. Однако
оптическое полирование колбы и ножки - сложный и
трудоемкий процесс. Поэтому этот способ
применяется для заварки дорогих ламп
повышенной долговечности, изготовляющихся
небольшими партиями.
0 12 3 4 5 6 1
Рис. 7.2.51. Режимы обработки на карусельном полуавтомн
с индивидуальными печами ИК-нагрева:
1 - изменение температуры нагрева изделия;
2 - изменение напряжения питания галогенных ламп
; заварки ЭЛТ

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАВАРКИ СТЕКЛООБОЛОЧЕК
681
Рис. 7.2.52. Схема (а) завжрки с оптическим контактом и режим заварки (б):
1 - нагреватель печи; 2 - индуктор; 3 - графитовое или стальное кольцо; 4 - ножка; 5 - колба; 6 - откачка;
сплошная линия - температура в печи; штриховая - температура места заварки при
дополнительном индукционном нагреве
Замена пламенного нагрева излучением
первоначально была реализована на одно-
шпиндельном вертикально-заварочном станке
с силитовыми нагревателями (рис. 7.2.53).
Завариваемая лампа 2, предварительно
разогретая в отдельной печи, загружается в патрон
между двумя силитовыми стержнями 2
специальной формы. После разогрева стержней до
температуры 1400 °С они с помощью рычагов
4 подводятся на заданное расстояние к лампе.
Зона заварки окончательно разогревается до
требуемой температуры, обкатывается роликом
3 и проваривается. Затем стержни отводятся,
лампа остывает и вынимается из патрона. Весь
процесс длится примерно 1 мин. Далее
заваренная лампа поступает в печь отжига.
Недостаток этого способа заключается в образовании
широкой зоны размягчения стекла.
Весьма эффективным является способ
разогрева при непосредственно заварке ИК-
излучением со спектром, смещенным в
область коротких длин волн. В качестве
источника может быть использован газовый лазер,
излучение которого характеризуется высокой
плотностью энергии и узкой направленностью.
Главной задачей управления лазерным лучом
при заварке является корректировка энергии
луча таким образом, чтобы он нагревал
свариваемые детали до необходимой температуры
без испарения и разбрызгивания их материала.
Ведутся работы по исследованию в
качестве источников ИК-нагрева при заварке
галогенных и ксеноновых ламп. В этом случае
применение эллипсоидного или эллипсото-
роидального отражателя позволит
сконцентрировать излучение от источника в небольшой
фокальной области зоны заварки с очень
высокой энергетической плотностью.
LJ
Рис. 7.2.53. Схема заварки ламп на станке с
силитовымн нагревателями:
1 - завариваемая лампа; 2 - силитовые стержни;
3 - ролик; 4 - рычаги; 5 - трансформатор питания

682
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
Глава 7.3
ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА,
КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
7.3.1. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Термовакуумной обработкой (ТВО) ЭВП
называют технологический процесс создания в
приборе необходимого вакуума и условий
сохранения его в процессе эксплуатации
прибора, придания катоду способности эмитгиро-
вать электроны. В результате этот процесс
должен обеспечить оптимальность и
стабильность характеристик прибора в течение
регламентированного срока службы.
В различных типах ЭВП остаточное
давление не должно превышать значений,
указанных в табл. 7.3.1.
При этих значениях обеспечивается
требуемый срок службы нитей накала,
беспрепятственное движение электронов под действием
электрических и магнитных полей, создается
теплоизолирующий слой между электродами с
различной температурой, снижается
вероятность ионизации остаточных газов.
Невыполнение требований по составу и
парциальным давлениям остаточных газов и
паров даже при очень низком суммарном
давлении в приборе резко снижает его
работоспособность. Это связано с тем, что одни газы
вызывают интенсивное окисление и
перегорание нагретых деталей, другие являются ядами
для катодов, третьи приводят к резкому
возрастанию утечек и пробоев в высоковольтных
приборах.
Например, максимально допустимые
значения парциального давления (Па)
остаточных газов в цветном кинескопе следующие:
метан - 1,1-ДО, тяжелые углеводороды -
2,7-10-5, кислород - 2,6-10"8, оксид углерода -
1,3-10"*, диоксид углерода - 1,3-10~7, пары
воды - 6,7-Ю-5.
Требуемое давление в приборе
достигается откачкой газов и паров насосами,
улавливанием паров вымораживающими ловушками, а
также связыванием их газопоглотителями
(геттерами).
Для большинства типов ЭВП катод,
вмонтированный в арматуру прибора, до ТВО
представляет собой "полуфабрикат", не
обладающий эмиссионной способностью. Эту
способность он приобретает в результате
термической обработки в вакууме, называемой
активированием, или сенсибилизацией, катода. У
фотоэлектронных приборов фотокатод
формируется непосредственно в процессе ТВО.
Весь технологический процесс ТВО
можно разделить на два этапа - до
герметизации прибора и после нее.
Первый этап, называемый откачкой, или
вакуумной обработкой, включает следующие
основные операции: откачку газов и паров из
объема прибора; обезгаживание оболочки,
внутренних покрытий, арматуры и
газопоглотителя; активирование, или формирование
катода; герметизацию прибора. Все газы и
пары, выделяющиеся при этом, непрерывно
откачиваются вакуумной системой.
Газоразрядные приборы подвергают вакуумной
обработке и наполняют инертными газами, ртутью,
•галогенами, парами металлов и разных
соединений.
На втором этапе осуществляются
операции распыления или активирования
газопоглотителя (в зависимости от его типа) и
тренировки прибора. На этом этапе оставшиеся и
выделяющиеся газы поглощаются
газопоглотителем или откачиваются встроенным в прибор
насосом.
Технологические режимы откачки, а
также компоновка оборудования определяются
прежде всего способом откачки. Известны три
способа откачки ЭВП: штенгельный,
камерный и комбинированный.
7.3.1. Требования к остаточному давлению
Прибор
Нормально-осветительные лампы накаливания (НОЛН)
Приемно-усилительные лампы (ПУЛ)
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ)
Цветные электронно-лучевые трубки (ЦЭЛТ)
Магнетроны
Лампы бегущей волны (ЛБВ)
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)
Электронно-оптические преобразователи (ЭОП)
в ЭВП
Остаточное давление, Па
10- 1
10 - 10
Ю - 10
ю-4 - ю-5
ю-6
10 - 10
ю-5 - ю-7
ю-5 - ю-7

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
683
При пггенгельном способе (рис. 7.3.1, а)
откачку производят через стеклянную или
металлическую трубку - штенгель, с помощью
которой прибор присоединяется к вакуумной
системе (гнезду) машины. Прибор в
зависимости от типа и требований к его надежности
подвергают нагреву на воздухе или в печи с
различной технологической средой.
При камерном способе прибор
размещается в вакуумной камере, в которой
производятся его термическая обработка и откачка
через отверстие в оболочке (рис. 7.3.1, б),
зазор между его разнесенными частями
(рис. 7.3.1, в) или короткий штенгель
(рис. 7.3.1, г). Герметизацию прибора в конце
откачки проводят в вакуумной камере с
помощью заглушки, закрывающей отверстие в
оболочке, или в коротком штенгеле, или путем
соединения разнесенных частей. Герметизация
в вакууме осуществляется горячим или
холодным способом.
При комбинированном способе
(рис. 7.3.1, д) откачка основных потоков газов
из прибора производится в вакуумной камере
через зазор между разнесенными частями.
Окончательную откачку малых потоков газов
осуществляют через штенгель после
соединения разнесенных частей.
Несмотря на то, что при камерном и
комбинированном способах цикл откачки
сокращен за счет большей проводимости
зазора между разнесенными частями прибора по
сравнению с проводимостью штенгеля,
наибольшее распространение получил штенгель-
ный способ откачки, как наиболее просто
реализуемый на откачном оборудовании.
На рис. 7.3.2 представлена типовая
технологическая диаграмма откачки ЭВП.
Несмотря на одинаковую
последовательность операций, время начала и длительность
каждой из них при откачке различных типов
ЭВП будут различаться. Это объясняется
различием объемов приборов, наличием или
отсутствием внутренних покрытий на оболочке,
соотношением размеров внутренней арматуры и
оболочки, требуемым уровнем качества прибора.
Рис. 7.3.1. Схемы откачки ЭВП:
1 - прибор; 2 - технологическая камера; 3 - нагреватель; 4 - вакуумная система откачки прибора;
5 - заглушка; 6 - вакуумная система откачки камеры; 7, 8 - разнесенные части прибора
Наименование операции
Присоединение прибора к вакуумной системе
Откачка форвакуумным насосом
Откачка высоковакуумным насосом
Обезгаживание оболочки (нагрев и выдержка)
Охлаждение оболочки
Обезгаживание внутренней арматуры
Активирование катода
Отпай и выгрузка
Время
»
•
I :
1—
Рис. 7.3.2. Типовая технологическая диаграмма откачки ЭВП

684
Глава 73. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
Рис. 7.3.3. Характер изменения давления остаточных
газов в процессе откачки:
1 - давление в приборе;
2 - давление в вакуумной системе
Последовательность операций и
длительность всего процесса откачки определяются
физико-химическими явлениями,
протекающими на каждой операции и формирующими
характер изменения давления и спектра
остаточных газов в процессе откачки прибора
(рис. 7.3.3).
На участке А происходит откачка газов и
паров из объема прибора (форвакуумная
откачка) без нагрева прибора. Ее следует вести
до такого давления, при котором возможен
последующий нагрев без окисления арматуры.
Поэтому чем выше требования к качеству
прибора, тем более высокий вакуум должен
быть получен.
Например, откачку ПУЛ на этой
операции проводят до достижения давления
примерно 50 Па, ЦЭЛТ - 1 Па, генераторных
ламп - 5-Ю Па. Длительность этой операции,
определяемая объемом прибора и быстротой
действия насоса, может изменяться от
нескольких секунд до нескольких минут. Штен-
гель прибора оказывает некоторое
сопротивление потоку газов, откачиваемых из прибора,
поэтому давление остаточных газов в приборе
несколько превышает давление в вакуумной
системе. Однако состав остаточных газов и
паров в приборе и в вакуумной системе один
и тот же.
На участке Б происходит обезгаживание
оболочки и внутренних покрытий прибора, а
на участке В - обезгаживание внутренней
арматуры и активирование катода. Всплески
давления на этих участках обусловлены
сильным газовыделением из обезгаживаемых
деталей. На этой стадии откачки наблюдается
вязкостный режим течения газов, при котором
происходит трение газов о стенки прибора и
вакуумной системы. Так как стенки вакуумной
системы холодные и имеют чаще всего
большую поверхность, то на них сорбируется
гораздо больше газов и паров, чем в приборе. На
стенках трубопроводов преимущественно
сорбируются хлор, фтор, пары воды,
углеводороды. Поэтому при обезгаживании элементов
прибора не только давление, но и состав
остаточных газов в приборе и вакуумной системе
становятся разными.
Цель обезгаживания заключается не в
полном удалении газов, сорбированных
элементами прибора (что практически
невозможно), а в уменьшении скорости выделения газов
внутрь прибора при его эксплуатации до
значения, меньшего (или равного) скорости
поглощения их геттером или другими деталями
прибора.
Спецификой обезгаживания стеклянных
оболочек ЭВП является необходимость
удаления газов и паров только с поверхности и
приповерхностных слоев, толщина которых
составляет 20 - 40 мкм. Это объясняется тем,
что газы, содержащиеся в объеме стеклянной
детали, имеют малый коэффициент диффузии
через стекло. Поэтому при рабочих
температурах прибора из толщи стекла к поверхности
диффундирует лишь ничтожное количество
газов. Обезгаживание стеклооболочек при
откачке прибора можно осуществить
следующими способами: термическим, электронной и
ионной бомбардировкой. Наиболее
распространенный термический способ
предусматривает нагрев оболочки до максимально
допустимой температуры Т^х и выдержку при этой
температуре в течение некоторого времени.
Выбор Т^ах обусловлен прежде всего
характером изменения потока газовыделения AQ из
стекла при повышении температуры
(рис. 7.3.4). При нагреве до Т\ = 250 ... 300 °С
удаляется наибольшее количество газов и
паров (в основном пары воды) с поверхности
стеклооболочки. В интервале температуры от
Т\ до Тддах = 350 ... 450 °С происходит
удаление газов и паров, сорбированных в
приповерхностном слое стекла. При дальнейшем
нагреве стекла до температуры, близкой к
температуре размягчения, наблюдается новое
нарастание потока газовыделения, что
объясняется химическим разложением стекла с
выделением паров воды, углекислого газа, а также
хлористого водорода и фтора, отравляющих
оксидный катод. Этот вид газовыделения
практически не прекращается. Обезгаживание
стекла при таких температурах не
производится Кроме того, при выборе Ттах следует
учитывать и температуру предыдущих
термических операций. Например, при откачке ЦЭЛТ
необходимо, чтобы Ттах была на 30 - 40 °С
ниже, чем максимальная температура при
выжигании органической пленки, и на 50 - 60 °С
ниже, чем при соединении экрана и конуса.

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
685
и снаружи оболочки при откачке; [<т] - предел
прочности стекла.
Максимально допустимая скорость
нагрева рассчитывается по формуле, аналогичной
формуле G.2.1):
"V Ттж У
Рис. 7.3.4. Характер зависимости потока
газовыделения из стекла от температуры
Нарушение этого условия может привести к
интенсивному дополнительному
газовыделению. Ограничить Т^пах могут также такие
факторы, как выгорание люминофора, испарение
некоторых материалов, деформация
крупногабаритных стеклооболочек (особенно с учетом
перепада давления). Так, для ЦЭЛТ с учетом
вышеизложенного принимают Tmssi = 380 ...
400 °С. При этой же температуре происходит
и обезгаживание нагреваемых от оболочки
внутренних покрытий (аквадага, люминофора
и др.).
При постоянной температуре Т < Т^пах
газовыделение из стекла практически
прекращается после выдержки в течение 20 - 30 мин.
Однако для различных типов ЭВП время
выдержки оболочки при температуре 7^пах
изменяется от нескольких минут (ПУЛ) до 2 - 3 ч
(приборы большой мощности), что
объясняется различием в размерах оболочки,
требованиями к предельному давлению, быстротой
откачки и т.д.
На общую длительность процесса
обезгаживания стеклооболочки и внутренних
покрытий (участок Б на рис. 7.3.3) влияет также
и время или скорость нагрева до Т^пах» осо~
бенно для крупногабаритных стеклооболочек с
неравномерной и значительной толщиной
стенок (ЭЛТ, ЦЭЛТ).
Условие неразрушения стеклооболочки
при нагреве следующее:
где стВр - временные напряжения,
возникающие из-за перепада температуры по толщине
оболочки; <тосг - остаточные напряжения в
стекле оболочки; аа - напряжения,
возникающие из-за различных значений а элементов
составной стеклооболочки; стд^ - напряжения в
стекле, вызванные различием давлений внутри
При термическом обезгаживании
стеклооболочек и внутренних покрытий
применяются газовый и электрические способы нагрева.
Из электрических способов наибольшее
распространение получил нагрев металлическими
сплавными нагревателями сопротивления с
передачей теплоты изделию излучением и
естественной конвекцией или принудительной
конвекцией теплоносителя. Внедряется в
производство и нагрев излучением
высокоинтенсивных светлых источников со спектром
излучения в области ближнего инфракрасного
диапазона, обеспечивающий объемный нагрев
стеклооболочек с большими скоростями.
Обезгаживание стекла электронной и
ионной бомбардировкой осуществляют с
помощью аппарата "Теслаи. При прикосновении
щупом аппарата к различным участкам
стеклооболочки внутри прибора возникает
высокочастотный разряд, что приводит к
электронной и ионной бомбардировке стекла и
мгновенной десорбции газа.
Электронную бомбардировку стекла
можно осуществить также возбуждением в
объеме прибора вторичного электронного
резонанса: откачиваемый прибор помещается
между двумя металлическими пластинами, к
которым прикладывают высокое напряжение
определенной частоты. Вторичный
электронный резонанс сопровождается флуоресценцией
стекла, вызываемой его электронной
бомбардировкой.
Оба эти способа позволяют обезгазить
лишь те места, которые подвергались
электронной бомбардировке, а при термическом
обезгаживании газ удаляется со всей
поверхности оболочки. Эти способы обезгаживания
следует использовать в тех случаях, когда нет
возможности применять термическое
обезгаживание.
При обезгаживании стеклооболочки и
внутренних покрытий начинаются процессы
обезгаживания внутренней арматуры и
разложения биндера в карбонатном покрытии
приборов с оксидными катодами за счет их
нагрева излучением от оболочки.
Интенсивное обезгаживание
металлических деталей внутренней арматуры происходит
на участке В (см. рис. 7.3.3) в основном
термическим способом. Газы, выделяющиеся из
металлов при нагреве, можно разделить на три
группы, представленные в табл. 7.3.2 и на
рис. 7.3.5.

686
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
7.3.2.
Группа
газов
I
II
III
Характеристики
Причина
газовыделения
Десорбция с
поверхности
Реакции на
поверхности
Диффузия из
объема
обезгаживания ь
Удельное
количество
сорбированного газа
D - 40I0-2
м3Па/м2
@ДЗЗ-13,3I0-2
м3Па/г
Небольшая
доля от
количества газа
группы II
юталлических деталей внутренней арматуры ЭВП
Время t и
температура Т
десорбции
f = 2 ... 3 мин,
Г=300 ... 500 °С
Несколько часов,
Г=800... 900 °С
Компоненты
выделяющегося
газа
N2, О2, Н2О,
сйнда
СО, СО2,
н2о
Н2, N2, (O2)
Факторы,
увеличивающие
газовыделение

Шероховатость и сколы
на
поверхности
Примеси в
металлах,
оксиды на
поверхности
Давление Н2,
N2 и О2 при
плавке
металлов
Рис. 7.3.5. Схема локализации газов в металлах
В I группу входят физически
адсорбированные газы, главным образом компоненты
воздуха и углеводороды. Наиболее сильно
сорбируется влага, что обусловлено
полярностью ее молекул. Количество физически
адсорбированных газов зависит от состояния
поверхности, наличия на ней оксидов и
загрязнений. На очень чистых поверхностях
адсорбируется пленка газа, эквивалентная
приблизительно одному монослою молекул.
Если поверхность окислена или разрыхлена, то
количество адсорбированных газов резко
возрастает.
Во II группу входят газы,
локализованные в тонком приповерхностном слое металла
в виде оксидов и других химических
соединений. При обработке металлов давлением
происходит загрязнение поверхностных слоев
оксидами и посторонними включениями.
Кроме того, примеси различных химических
элементов при нагреве металла диффундируют
к поверхности и, окисляясь, также обогащают
кислородом поверхностный слой.
Взаимодействуя друг с другом, такие элементы часто
создают на поверхности металла пленки
сложных химических соединений.
К III группе относятся газы,
выделяющиеся из объема металла. Интенсивность
выделения этих газов целиком определяется
химическим сродством металла с водородом,
азотом и кислородом.
Основными параметрами, влияющими на
поток газовыделения из деталей, являются
температура деталей и давление внутри прибора.
По мере нагрева деталей первоначально
удаляются с поверхности физически
сорбированные газы. При температуре выше 500 -
600 °С интенсифицируются процессы
выделения с поверхности и приповерхностного слоя
хемосорбированных газов и диффузии к
поверхности газов, растворенных в объеме
металла. Максимальная температура TmsK
обезгаживания металлических деталей
ограничивается их формоустойчивостью и температурой
начала интенсивного распыления металла.
Очевидно, что Т^ах должна быть ниже
температуры начала интенсивного распыления
металла, при которой давление насыщенного
пара материала детали достигает 10 Па.
Для большинства металлов эта
температура намного меньше температуры плавления
металла, поэтому нельзя ускорить процесс
обезгаживания нагревом до температуры,
близкой к температуре плавления металла.
Например, температура плавления никеля
1450 °С, а температура начала интенсивного
распыления всего 950 - 1050 °С, поэтому
оптимальная температура обезгаживания никеля
не превышает 900 °С.

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
687
За время полного обезгаживания
металлических деталей принимается время, в
течение которого поток газовыделения
уменьшается до 0,1 - 1 % максимального значения. Это
время определяется чаще всего
экспериментально. :
В каждый данный момент обезгаживания
давление в приборе не должно превышать
10 Па. При более высоком давлении во
время нагрева детали вместо обезгаживания может
происходить обратный процесс - растворение
газов в металле. Исходя из этого с учетом
потока газовыделения из металлических деталей
обезгаживание внутренней арматуры
желательно начинать после окончания обезгаживания
стеклооболочек и внутренних покрытий. Хотя
для малогабаритных ЭВП (некоторых типов
ПУЛ) без внутренних покрытий на стеклообо-
лочке обезгаживание внутренней арматуры
проводят сразу после форвакуумной откачки.
При этом одновременно происходит
обезгаживание стеклооболочки за счет нагрева
излучением от арматуры прибора.
Большое влияние на качество
обезгаживания прибора в целом оказывает и
температура оболочки в процессе обезгаживания
внутренней арматуры. Эта температура должна
быть выше 200 °С. <В противном случае
выделяющиеся из внутренней арматуры газы будут
не откачиваться, а сорбироваться стенками
оболочки. На основании вышеизложенного,
например, при откачке ЦЭЛТ обезгаживание
электронно-оптической системы начинается
при понижении температуры оболочки до
250 - 300 °С, когда давление в приборе
достигает ДО Па, и продолжается 5-20 мин.
Применяют четыре способа нагрева
металлических деталей при термическом обезга-
живании внутренней арматуры: токами
высокой частоты (индукционный); постоянным
или переменным током промышленной
частоты, пропускаемым непосредственно через
детали; излучением от других нагретых деталей
прибора; проникающим через стеклооболочку
ИК-излучением светлых источников.
Наибольшее распространение получил
индукционный способ, при котором вблизи
обезгаживаемых металлических деталей
помещается высокочастотная катушка - индуктор,
по виткам которой пропускают переменный
ток. При этом создается переменное
магнитное поле, магнитный поток которого
замыкается в плоскости, перпендикулярной
направлению электрического тока в витках
индуктора. Магнитный поток пересекает замкнутый
контур, образуемый обезгаживаемыми
деталями, и возбуждает в них высокочастотные
вихревые токи (токи Фуко), что вызывает нагрев
деталей как за счет джоулевой теплоты, так и
за счет теплоты, связанной с потерями
электрической энергии на перемагничивание
(гистерезис).
На эффективность нагрева влияют
частота тока, протекающего через катушку, число
витков индуктора, а также форма и
расположение индукторов. Наиболее
распространенные конструкции индукторов показаны на
рис. 7.3.6. Самый высокий КПД у системы
индуктор - нагреваемая деталь достигается при
цилиндрической форме индуктора (рис. 7.3.6,
а). При такой конструкции можно изменять в
аксиальном направлении форму поля внутри
индуктора, что позволяет избирательно
осуществлять нагрев различных деталей.
Недостатком цилиндрических индукторов при
последовательном присоединении их к одному
генератору является усложнение конструкции
системы обезгаживания и сложность регулировки
поля каждого индуктора в отдельности.
Торцевые (рис. 7.3.6, б) и туннельные
индукторы (рис. 7.3.6, в) не имеют этих
недостатков. Они позволяют регулировать
напряженность магнитного поля в зоне нагрева
изменением расстояния между катушками.
Однако потери в системе индуктор - нагреваемая
деталь резко возрастают, что вызывает
увеличение мощности источника ВЧ-энергии.
Нагрев прямым пропуснанием тока
используют при обезгаживании катодов,
подогревателей, некоторых типов газопоглотителей
и вспомогательных тел накала. При этом силу
пропускаемого тока берут несколько большей,
чем при работе прибора.
Нагрев излучением от разогретых деталей
применяют при обезгаживании внутренней
арматуры металлических ламп. Металлический
баллон, разогреваемый обычно в процессе
откачки до температуры 800 - 1200 °С
пламенем газовых горелок, нагревает излучением
внутренние детали прибора. То же самое
происходит при обезгаживании электродов ламп,
находящихся внутри анода, разогреваемого
ТВЧ. Для ЭВП со стеклянными оболочками,
имеющими в зоне расположения внутренней
арматуры малую толщину и не имеющими
внутренних покрытий, нагрев арматуры (ЭОС
ЦЭЛТ, динодной системы ФЭУ) можно
осуществлять ИК-излучением
высокотемпературных источников (ксеноновые, галогенные
лампы и др.), основная часть спектра
излучения которых находится в области
прозрачности или полупрозрачности стекла оболочки
A,7 - 4,75 мкм).
Чисто термическим обезгаживанием
практически невозможно удалить с
поверхности деталей внутренней арматуры пленки
оксидов и силикатов, так как температура начала
интенсивного распыления и тем более
максимально допустимая температура обезгаживания
ниже температуры испарения этих пленок.
Поэтому в процессе вакуумной обработки
прибора металлические детали необходимо
подвергать помимо чисто термического
окончательному обезгаживанию электронной или

688 Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
Вода
Вода
Вода
Рис. 7.3.6. Индукторы:
К1тл К2- вводы высокой частоты
ионной бомбардировкой. Сущность обезгажи-
вания бомбардировкой элементарных частиц
состоит в том, что кинетическая энергия
электронов и ионов превращается в теплоту,
нагревающую поверхность детали. При этом
происходят возбуждение, ионизация и
диссоциация молекул загрязнения. Температура
поверхности, бомбардируемой электронами и
ионами, значительно превышает среднюю
температуру детали. Это способствует
удалению загрязнений с поверхности детали без
опасности распыления материала детали.
Для обезгаживания деталей электронной
бомбардировкой необходимы следующие
условия: высокий вакуум в приборе; высокая
скорость откачки, наличие катода, способного
эмиттировать электроны; разность
потенциалов между обезгаживаемой деталью и катодом.
Значения положительных потенциалов на
электродах должны быть такими, чтобы
энергия электронов, бомбардирующих деталь,
составляла несколько электрон-вольт. С
повышением энергии электронов увеличиваются
глубина проникновения электронов в деталь и
толщина восстановленного от оксида и обез-
гаженного слоя металла. Однако с
увеличением энергии электронов возрастает опасность
распыления металла электродов. Обезгажива-
ние электронной бомбардировкой
рекомендуется проводить в импульсном режиме с целью
предотвращения резкого увеличения давления
при интенсивном газовыделении. При низком
вакууме и малой скорости откачки возможно
возникновение электрической дуги,
образование положительных ионов, бомбардирующих
и разрушающих катод. Обезгаживание
электронной бомбардировкой проводят после
активирования катода и откачки выделенных
при этом газов.
Для обезгаживания газоразрядных'
приборов с холодными катодами и
фотоэлектронных приборов применяют ионную
бомбардировку путем возбуждения в приборе
высокочастотного или высоковольтного разряда.
На участке В (см. рис. 7.3.3) кроме
обезгаживания внутренней арматуры происходит
активирование или формирование катода
прибора. В большинстве приборов, выпускаемых
серийным и массовым производством,
применяется оксидный катод, который до откачки
прибора представляет собой металлический
керн с нанесенным на него покрытием, со-

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
689
стоящим из карбонатов ЩЗМ (ВаСОз, SrCO3,
СаСОз), связанных биндером.
Способность эмитгировать электроны
катод получает в результате термовакуумной
обработки, включающей его обезгаживание и
активирование. При этом протекают
следующие процессы: удаление газов и паров из
покрытия катода и разложение нитроклетчатки
биндера; разложение карбонатов ЩЗМ с
образованием их оксидов; восстановление из
оксидов свободных ЩЗМ, обладающих малой
работой выхода электронов; образование общей
кристаллической структуры оксидного покрытия.
Разложение нитроклетчатки биндера
начинается при температуре около 300 °С и
давлении 10 Па. Такой температуры катоды
достигают еще до подачи напряжения на
подогреватели в результате нагрева излучением
от оболочки и внутренней арматуры.
Дальнейший нагрев катода производится
пропусканием тока через подогреватель или
непосредственно через керн катода.
При 570 - 600 °С заканчивается
разложение связующего вещества и начинается
разложение карбонатов кальция, а при более
высокой температуре - карбонатов стронция и
бария. Непосредственно активирование, т.е.
выделение чистого ЩЗМ, происходит при
температуре 800 - 1000 °С. При 1000 °С
происходит спекание оксидов металлов с
образованием твердых растворов, т.е. формируется
пористая кристаллическая структура катода.
При обезгаживании и активировании
катодов количество выделяющихся газов
достигает 20 - 50 % общего количества газов,
выделяющихся в процессе откачки прибора.
Максимальное давление в приборе при обработке
катода не должно превышать 6-Ю Па, а при
высокой температуре на конечной стадии
активирования должно уменьшаться до 10~2 -
5-Ю Па. Для предотвращения поглощения
выделяемых при обработке катода газов,
активирование катодов следует полностью или
частично совмещать с термическим обезгажи-
ванием внутренней арматуры при температуре
оболочек 200 - 280 °С.
Степень активирования катода в
процессе откачки не должна превышать 40 %
максимально достижимой, так как в противном
случае начинается обратная диффузия газов и
паров. Окончательное активирование следует
производить после отпаивания прибора при
тренировке.
На основании вышеизложенного можно
сформулировать правила, которыми следует
руководствоваться при назначении режимов
обезгаживания элементов прибора:
температура обезгаживания детали должна быть выше ее
рабочей температуры при тренировке,
испытании и эксплуатации прибора; интенсивность
электронной и ионной бомбардировки деталей
при их обезгаживании должна быть выше, чем
при тренировке и эксплуатации прибора; в
каждый момент обезгаживания суммарное
количество газов и паров, выделяемое всеми
деталями прибора, не должно превышать
количества, которое может откачать вакуумная
система (т.е скорость газовыделения внутри
прибора должна быть меньше скорости
откачки); обезгаживание желательно проводить в
совмещенном режиме - при обезгаживании
одного элемента прибора все остальные
должны также находиться в нагретом состоянии,
что предотвращает сорбцию ими газов и
паров, выделяющихся из обезгаживаемого
элемента.
Продолжение откачки прибора после
окончания активирования катода приводит к
дальнейшему снижению давления остаточных
газов в приборе и вакуумной системе (участок
Г на рис. 7.3.3). Наступает молекулярный
режим течения газов. При этом молекулы фтора,
хлора и других газов, которые на этапах
обезгаживания сорбировались стенками
трубопроводов, вновь выделяются в объем вакуумной
системы. Хотя суммарное давление остаточных
газов в вакуумной системе остается ниже
суммарного давления в приборе, парциальные
давления хлора, фтора, углеводородов, паров
воды в вакуумной системе становятся выше,
чем в приборе.
Под действием разности парциальных
давлений начинается обратная диффузия этих
газов и паров из вакуумной системы в прибор
навстречу основному потоку откачиваемых
газов.
Таким образом, при большой
длительности откачки уменьшается давление в приборе,
но одновременно увеличивается содержание
отдельных наиболее агрессивных и вредных
для прибора газов и паров, т.е. ухудшается
качественный состав остаточных газов.
Поэтому отпаивать прибор от вакуумной системы
желательно, не дожидаясь достижения
предельного вакуума. Обратная диффузия газов из
вакуумной системы в прибор протекает
наиболее интенсивно, если суммарное давление в
приборе оказывается ниже давления в
вакуумной системе. Это может произойти в
следующих случаях: при быстром охлаждении
оболочек, покрытий и внутренней арматуры после
их обезгаживания; в момент вспышки газового
разряда при индукционном нагреве деталей;
при перегреве и преждевременном
распылении газопоглотителя до отпая; при
переактивировании оксидного катода. Во всех этих
случаях остаточные газы и пары активно
сорбируются элементами прибора.
Завершающей операцией вакуумной
обработки ЭВП является его герметизация или
отлай. Для приборов со стеклянным штенге-

690
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
лем отлай осуществляется пламенем газовых
горелок или в электрической печи со
спиральным нагревателем. При газовом отпае (рис.
7.3.7, а) штенгель 3 прибора, зажатый в откач-
ном гнезде 4, получает предварительное
натяжение, после чего производят его разогрев
пламенем газовых горелок 2 до температуры
размягчения стекла (около 700 °С). Под
действием давления пламени и разрежения в
приборе штенгель обжимается и образуется
перемычка (шейка) 5. При дальнейшем
размягчении штенгеля его стенки смыкаются и
происходит герметизация прибора. После этого
производятся оттяжка оболочки 1 прибора и
его отделение от остатка штенгеля в
вакуумном гнезде.
При электрическом отпае (рис. 7.3.7, б)
штенгель разогревается от близко
расположенной нихромовой спирали б, через которую
пропускают ток. После замыкания штенгеля
температура спирали постепенно снижается -
происходит отжиг места отпая. В процессе
отпая из разогретого штенгеля выделяется
большое количество газов и паров. Так как с
увеличением температуры штенгеля
уменьшается его диаметр и, следовательно,
проводимость, то вследствие газовыделения в процессе
отпая в приборе будет наблюдаться всплеск
давления (участок Д на рис. 7.3.3). Например,
давление в крупногабаритных кинескопах за-
счет штенгельных газов может составлять
10~2 Па. Проведение отпая при низкой
температуре оболочки и внутренней арматуры
сопровождается активной сорбцией штенгельных
газов этими элементами. Поэтому наиболее
целесообразно производить отлай при
сравнительно нагретой оболочке и подаче накала на
катод, который в нагретом состоянии
значительно меньше подвержен отравлению.
Например, отлай ЦЭЛТ начинается через
несколько минут после активирования катодов
при температуре оболочки 180 - 200 °С. При
этом на подогреватели катодов подается
напряжение накала, равное номинальному, либо
превышающее его на 10 - 15 %. Длительность
отпая 10 - 12 мин.
Рис. 7.3.7. Схемы отпая ЭВП:
1 - оболочка прибора; 2 - газовая горелка;
3 - штенгель; 4 - откачное гнездо; 5 - перемычка;
6 - нихромовая спираль
Герметизация приборов с
металлическими штенгелями осуществляется холодной
сваркой. При этом штенгель пережимается
специальными клещами или
приспособлением, металл стенок штенгеля взаимно
диффундирует, исчезает граница раздела и образуется
сплошная кристаллическая структура. В месте
сварки штенгель перекусывают. При отпае
металлических штенгелей поток штенгельных
газов в прибор незначителен.
Основной частью технологического
оборудования для откачки ЭВП является
вакуумная система, представляющая собой
совокупность откачных гнезд, средств откачки
(насосов, ловушек), коммутирующих
элементов (вентилей, клапанов, золотников,
трубопроводов), средств измерения давления
остаточных газов.
Выбор и расчет вакуумной системы
производят исходя из требуемого предельного
давления и допустимого состава остаточных
газов в приборе, длительности откачки,
максимального потока и парциальных давлений
газов на всех операциях откачки. Сопоставив
эти данные с предельным давлением и
характером вакуума (масляный, условно-масляный,
безмасляный), обеспечиваемым различными
насосами, а также учитывая, что давление под
штенгелем должно быть по крайней мере на
порядок ниже, чем окончательное давление в
приборе, определяют требуемую быстроту
откачки, выбирают средства откачки и тип
вакуумных ловушек (в случае необходимости),
рассчитывают размеры трубопроводов.
Оборудование для вакуумной обработки
ЭВП можно разделить на четыре группы:
стационарные откачные посты,
многопозиционные машины карусельного и конвейерного
типов, многокамерные установки
конвейерного типа с перемещением изделий.
Откачные посты применяют в
лабораторных условиях и в единичном или
мелкосерийном производстве, где не требуется
большая производительность, но необходима
высокая мобильность оборудования. Кроме того,
их используют при вакуумной обработке
сложных приборов с повышенными
требованиями к показателям качества и
необходимостью индивидуальной обработки каждого
прибора.
Откачные посты являются установками
периодического действия, на которых за цикл
работы откачивается одно или несколько
изделии одновременно.
На рис. 7.3.8. приведены структурные
схемы всех применяемых вариантов постов.
На рис. 7.3.8, а показана структурная схема
поста, используемого для откачки
большинства типов ЭВП со стеклянными оболочками,
когда в технологической камере 2,
выполняющей функцию печи обезгаживания оболочки
прибора i, не требуется создание специальной
рабочей среды.

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
691
а)
д)
Рис. 7.3.8. Структурные схемы откачных постов:
1 - откачиваемый прибор; 2 - камера обезгаживания; 3 - вакуумная система откачки прибора;
4 - ситема подачи газа; 5 - система откачки камеры обезгаживания;
6 - устройство для герметизации откаченного прибора; 7- блоки питания
Рис. 7.3.9. Принципиальная схема поста с прямоточной системой откачки прибора
Принципиальная схема простейшего
поста, построенного по этому принципу,
приведена на рис. 7.3.9. Приборы 1 вручную с
помощью газовых горелок приваривают к
гребенке 2 вакуумной системы. Для
присоединения приборов могут использоваться и
вакуумные гнезда. Механический насос 7 создает в
системе предварительное разрежение 0,1 -
1 Па. Форвакуум необходим для
предотвращения окисления' паров масла диффузионного
насоса и уменьшения противодавления на его
выходном патрубке. Паромасляный
диффузионный насос 5 откачивает систему до
достижения требуемого высокого вакуума. Азотная
ловушка 4 служит для вымораживания паров
масла и воды, а сорбционная ловушка 6 - для
улавливания тумана и брызг масла, которые
могут проникнуть из механического насоса в
высоковакуумный. Давление измеряется
датчиком 3. В системе может применяться масс-
спектрометр для анализа состава остаточных
газов в процессе откачки. Одновременно с
форвакуумной откачкой начинается обезгажи-
вание стеклооболочек приборов. Для этого от
электродвигателя 8 через червячную передачу 9
и передачу винт 10 - гайка 11 производят
опускание печи 13 по направляющим 12 и
включение спиральных электрических нагревателей 14.

692
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
В первых откачных постах подъем и
опускание печей осуществляли вручную, а в
качестве нагревателей использовали газовые
горелки. Обезгаживание внутренней арматуры
проводится путем ее нагрева излучением от
оболочки. В процессе охлаждения оболочки в
печи производят активирование катода. По
окончании процесса печь поднимают и
производят отлай приборов вручную газовыми
горелками.
Рассмотренная вакуумная система поста
не требует вакуумных кранов, переключателей
и уплотнений, т.е. она является прямоточной,
что обеспечивает высокую скорость откачки.
Недостаток системы - потеря времени на
остывание диффузионного насоса в период
между отлаем и присоединением приборов. Этого
недостатка нет у вакуумной системы с
дополнительной (байпасной) линией откачки
(рис. 7.3.10). С помощью вентилей 9 и 3
диффузионный насос 1 может быть полностью
отключен от вакуумной системы. Линия
байпасной откачки с вентилем 8 позволяет
создавать в приборе предварительное разрежение
без выключения подогревателя диффузионного
насоса. После снижения давления в приборе
до 1 Па вентиль 8 закрывается, а вентили 3 и 9
открываются. При этом откачиваемый прибор
соединяется с диффузионным насосом и
откачка газа происходит по следующей схеме:
прибор-ловушка 2 - диффузионный насос 1 -
предохранительный баллон 11 - механический
насос 10. Контроль за откачкой
осуществляется с помощью датчиков давления 4-6. Для
обработки газонаполненных приборов в
вакуумной системе может быть установлен вен-
тиль-натекатель 7.
На рис. 7.3.11 показана вакуумная
система, позволяющая достигнуть в приборе
сверхвысокого (до 10~7 Па) безмасляного вакуума. В
качестве сверхвысоковакуумных насосов
применяют чаще всего геттерно-ионный или
электроразрядный магнитный насосы.
Структурная схема поста на рис. 7.3.8, б
отличается от схемы на рис. 7.3.8, а тем, что
обезгаживание- прибора проводится не в
атмосфере, а в среде циркулирующего защитного
или нейтрального газа. Это вызвано тем, что
наличие в среде печи активных примесей,
например паров воды или кислорода,
приводит к коррозионному растрескиванию
металлических оболочек ЭВП и в итоге - к натека-
нию в прибор. Однако при такой схеме в
камере остается небольшое количество
окисляющих газовых компонентов и не исключена
возможность их проникновения в камеру
через негерметичные сочленения и канал выхода
газа.
Этого недостатка нет у постов с
газонаполненными вакуумными камерами (см. рис.
7.3.8, в). Заполнение камеры технологической
средой, поступающей из системы 4,
происходит лишь после того, как с помощью
вакуумной системы 5 будет произведена откачка
камеры до давления не более 5 Па.
Н
Рис. 7.3.10. Схема вакуумной системы поста с дополнительной (байпасной) линией откачки

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
693
/5"
Рис. 7.3.11. Схема вы
12 ц /О
1акуумной системы откачного поста:
1, 4, 5, 6, 8, 10, 13, 15, 17 - вентили; 2,7 - манометры; 3 - откачиваемый прибор; '9 - механический насос;
11 - ловушка; 12, 16 - адсорбционные насосы; 14 - магниторазрядный насос
Рис. 7.3.12. Принципиальная схема откачного поста с газонаполненной i
кууа
ере
Принципиальная схема такого поста
показана на рис. 7.3.12. Вакуумная система для
откачки прибора 10 выполнена на базе турбо-
молекулярного 1 и механического 2 насосов.
Откачка камеры обезгаживания 12, внутри
которой находятся нагреватели 11>
производится вакуумным агрегатом, состоящим из
механического 3 и двухроторного 4 насосов.
Заполнение камеры аргоном осуществляется от
баллона 8 через предохранительный клапан Я
редуктор 7 и вакуумный вентиль 6. В период
заполнения камеры вакуумный вентиль 5
закрыт. В камере поста находится механизм 13
герметизации штенгеля прибора,
позволяющий осуществлять эту операцию до вскрытия
камеры.

694
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
Использование вакуума в качестве
технологической среды в камере (см. рис. 7.3.8, г)
позволяет повысить температуру обезгажи-
вания и, следовательно, интенсифицировать
этот процесс для ЭВП с различным
материалом оболочек. Для металлических приборов
предотвращается возможность окисления и
коррозии оболочки, и, следовательно,
диффузии газов из внешней среды в прибор. Для
стеклянных оболочек уменьшается опасность
их деформации под действием внешнего
давления. Кроме того, уменьшение сгд^ [см.
формулу G.3.1)] позволяет увеличивать
максимально допустимую скорость нагрева
приборов.
Схема одного из откачных постов,
работающих до принципу "вакуум в вакууме",
показана на рис. 7.3.13. Перед вакуумной
обработкой прибора из камеры 5, представляющей
собой вакуумную печь, через вентиль 8 с
помощью одной из камер механического насоса
1 откачивают воздух до достижения давления 5
Па. Давление измеряется датчиком 6. Затем
через вентиль 7 предварительно откачивают
прибор. После форвакуумной откачки вентиль
7 закрывают, открывают высоковакуумный
вентиль 4 и откачивают газы из прибора
диффузионным насосом 2, снабженным ловушкой 3.
Схема откачного поста бесштенгельной
откачки, соответствующего структурной схеме
на рис. 7.3.8, ду показана на рис. 7.3.14.
Прибор, помещенный в камеру, разъединен на две
части. Часть // представляет собой катодную
ножку. Анодный блок расположен в верхней
части /. В вакуумной камере 9 создается
давление 10 - ДО Па вакуумной системой,
состоящей из механического 2, турбомолекуляр-
ного 3 и сорбционного титанового 5 насосов.
8 нижней части камеры расположены
механизм герметизации 8 и устройство
экранирования 7, предназначенное для защиты рабочих
поверхностей анодного блока от напыления со
стороны катода в процессе активирования
последнего. Система нагрева прибора до
температуры 600 - 700 °С состоит из трех
трубчатых молибденовых элементов 7. Тепловая
изоляция выполнена из неохлаждаемых ниобиевых
экранов 6 и медных охлаждаемых экранов 4.
О О О
Рис. 7.3.13. Схема откачного поста, работающего по принципу "вакуум в вакууме"

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
695
Рис. 7.3.14. Принципиальная схема поста бе
К системе управлении
К исполнительным
устройствам
От датчиков состояния
Рис. 7.3.15. Функциональная схема s
i вакуумной установки с управлением от ЭВМ:
1 - коммутатор аналоговых сигналов; 2 - блок фиксаторов уровня; 3 - согласующие устройства;
4 - регуляторы на тиристорах; 5 - источники питания; 6 - вакуумные реле;
7- преобразователи управляющие, дискретные; 8 - система питания, управления и блокировки;
9 - преобразователь дискретных сигналов; 10 - логарифмический преобразователь тока;
11 - блок питания насоса НОРД-100; 12 - масс-спектрометр; 13 - вакуумметр;
14 - датчик-анализатор спектра масс; 15 - насос НОРД-100; 16 - клапаны с моторным приводом;
17- электроразрядный датчик давления; 18 - электромагнитные клапаны; 19 - механический вакуумный насос;
20 - сорбционные ловушки; 21 - термоэлектрические датчики давления; 22 - нагреватель; 23 - термопара;
24 - приборы; 25 - система клапанов; 26 - колпак; 27- преобразователь ЭДС термопары

696
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
Современные откачные посты
разрабатывают с автоматической системой управления
технологическим процессом откачки. Они
могут работать как в режиме ручного
управления, так и в автоматическом режиме,
обеспечивающем без вмешательства оператора
откачку и тренировку приборов, измерение
параметров технологического процесса и
оптимизацию технологических режимов, обнаружение
отклонений от технологического процесса,
поиск течей и выявление неисправностей в
работе оборудования.
На рис. 7.3.15 представлена
функциональная схема автоматизированной вакуумной
установки, состоящей из вакуумной системы,
системы управления, питания и блокировки,
устройств для нагрева обрабатываемых
приборов и связи с управляющим комплексом.
Сверхвысоковакуумная безмасляная
система откачки на основе магниторазрядного
насоса 15 (НОРД-100) обеспечивает
предельное давление ДО Па. В высоковакуумной
части установки давление контролируется ва-
кууметром 13. Измерение парциальных
давлений осуществляется поворотным масс-
спектрометром 12. Расшифровку и анализ
масс-спектров выполняет ЭВМ.
Для предварительной откачки приборов
24 и колпака 26 служит механический насос
19. Рабочее давление под колпаком не
превышает 1 Па и контролируется, как и в системе
предварительной откачки, вакуумными реле 6
и термоэлектрическими датчиками 21.
Температура в рабочем объеме контролируется
термопарой 23.
Внутри колпака имеется нагреватель 22,
позволяющий получать в рабочей зоне
температуру до 750 °С. При многопозиционном
исполнении под колпак устанавливается
коллектор с системой специальных клапанов 25,
которые используются для поиска и изоляции
негерметичных приборов, а также измерения
газовых потоков через штенгели некоторых
приборов. Для управления температурой
нагревателя и источниками питания 5 служат
регуляторы 4 на тиристорах. Наряду с
управлением от ЭВМ установка имеет систему
местного управления и блокировки,
обеспечивающую автоматический контроль давления, и
защиту от аварии при прекращении подачи
воды, чрезмерном повышении давления в
вакуумной системе, а также при отказах
управляющего комплекса. В последнем случае блок
2 фиксаторов уровня формирует заранее
установленную комбинацию сигналов,
аналогичную комбинации, соответствующей
консервации установки в неаварийном состоянии на
период поиска и устранения неисправности.
Возможна также работа установки в
режиме использования ЭВМ в качестве
"советчика", при этом связи в цепях
управления размыкают и установка управляется
вручную, а сведения о технологическом процессе
выводятся на индикаторные приборы.
Рис. 7.3.16. Схема карусельного полуавтомата откачки

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
697
В крупносерийном и массовом
производстве ЭВП применяют
высокопроизводительное многопозиционное
автоматизированное оборудование откачки. Первоначально
были разработаны полуавтоматы
последовательного действия карусельного типа.
Технологическая схема одного из них,
предназначенного для откачки ПУЛ, показана на рис.
7.3.16. После загрузки и герметизации прибора
в гнезде (поз. I) проводятся его
предварительная откачка (поз. 2) и контроль натекания
(поз. 3). Затем осуществляется форвакуумная
(поз. 4 - 15) и высоковакуумная (поз. 16 - 22)
откачка. Обезгаживание оболочки проводится
последовательно в туннельной печи (поз. 4 -
14). На девять A4 - 22) и пять A6 - 20)
позиций разбиты операции обработки катода и ВЧ-
обезгаживания внутренней арматуры.
Распыление газопоглотителя (геттера), отлай
прибора и удаление остатка штенгеля выполняется
на отдельных поз. 21 - 24.
Таким образом, для карусельных машин
характерна разбивка всего технологического
процесса откачки на составные части,
выполняемые на отдельных рабочих позициях
(дифференциация технологического процесса),
и объединение этих позиций в рамках одной
машины (концентрация операций).
По способу соединения вакуумной
системы откачного гнезда с вакуумной системой
насосов различают три типа карусельных
машин: с золотником в области высокого
вакуума, с золотником в области низкого вакуума и
без золотника.
Принципиальная схема карусельного
полуавтомата с золотником в области высокого
вакуума показана на рис. 7.3.17. Он имеет
периодически вращающуюся технологическую
карусель 3, по окружности которой
равномерно расположены откачные гнезда 2 с
установленными в них приборами. Каждое откачное
гнездо соединено с соответствующим
отверстием в верхнем подвижном диске золотника
9. Нижний диск золотника 89 неподвижно
закрепленный на станине машины, также
имеет отверстия, расположенные по окружности с
тем же шагом, что и в верхнем диске. Однако
число отверстий здесь меньше, так как они не
нужны на позициях загрузки и выгрузки
изделия.
а 6)
Рис. 7.3.17. Принципиальная схема (а) карусельного полуавтомата откачки с золотником в области
высокого вакуума и схема подключения насосов (б)

698
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
Золотник обеспечивает поочередное
соединение откачных гнезд со средствами
откачки - от механического насоса 5
предварительного разрежения до паромасляного насоса
7. Герметичность этих соединений
обеспечивается плотным прилеганием дисков за счет
тщательной обработки их поверхностей, а также
масляного уплотнения, нанесенного на
поверхность и в канавки дисков. Печь 1 и ВЧ-
катушка 10 обеспечивают обезгаживание
оболочки и внутренней арматуры прибора. Такт
работы машины осуществляется за время
одного оборота распределительного вала б с
закрепленными на нем кулачками К\> К% К^у К*.
Распределительный вал получает вращение от
электродвигателя через ременную передачу
d\ldi> конические зубчатые колеса Z\/Zi и
червячную передачу K/z$- Кулачки К\> К^ К^
управляют работой исполнительных
механизмов полуавтомата. Периодический поворот
технологической карусели (индексация)
производится с помощью кулачково-роликового
механизма, преобразующего равномерное
вращение ведущего звена (кулака-улиты) Кг в
прерывистое движение ведомого звена (диска
с роликами) 49 с которым жестко связана
технологическая карусель.
Машины этого типа применяются для
откачки приборов до давления не ниже
Ю-1 Па.
В машинах с золотником в области
низкого вакуума (рис. 7.3.18) откачка газов из
прибора 3 на всех позициях машины
производится своим диффузионным высоковакуумным
насосом, но разными механическими
насосами. Каждое откачное гнездо 4 соединяется с
диффузионным насосом 2, который
перемещается вместе с каруселью 5 и по мере
перехода с позиции на позицию подсоединяется
через золотник 6 к различным механическим
насосам 7, расположенным по другую сторону
золотника. Машины с золотником в области
низкого вакуума обеспечивают получение
более низкого давления в приборе (до 10 Па) за
счет большей герметичности
высоковакуумного участка и большую скорость откачки
вследствие меньшей длины высоковакуумных
трубопроводов. Однако расположение
диффузионных насосов непосредственно у откачного
гнезда увеличивает вероятность попадания в
приборы паров масла.
В рассмотренных типах карусельных
машин золотник ограничивает быстроту откачки
прибора и является источником натекания в
вакуумную систему атмосферного воздуха и
паров масла.
Более надежна и герметична вакуумная
система беззолотниковых карусельных
откачных машин. Особенностью этих машин
является вращение всей вакуумной системы вместе
с каруселью. На каждом откачном гнезде
имеется автономная индивидуальная откачная
система, состоящая из механического и
диффузионного насосов. При индивидуальных для
каждого гнезда диффузионных насосах форва-
куумная откачка осуществляется
многокамерными механическими насосами, общими для
нескольких позиций. Такие откачные машины
обеспечивают давление в приборе до 10 Па.
Их недостатком являются увеличенные
габариты и большие вращающиеся массы.
Для вакуумной обработки
крупногабаритных массовых ЭВП (кинескопы, .дисплеи
и др.) использование карусельных откачных
машин неэффективно, так как, во-первых,
откачка больших объемов малым числом
стандартных насосов практически трудно
реализуема, а во-вторых, чрезмерно возрастают
габариты карусели.
штпУ'л
Рис. 7.3.18. Ва
l (а) карусельного полуавтомата откачки с
золотником в области низкого вакуума и схема подключения насосов (б)

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
699
Направление д$ижения конбепера
I I I I I I
Рис. 7.3.19. Схема линии вакуумной обработки ЦЭЛТ
В этом случае целесообразно применять
многопозиционные конвейерные машины, в
которых реализуется другой способ
повышения производительности оборудования - кон^
центрация в одной машине параллельных
(дублирующих) позиций, на каждой из
которых осуществляется весь цикл обработки
(машины параллельного действия). На рис.
7.3.19 представлена схема 164-позиционной
автоматизированной конвейерной линии
вакуумной обработки (ЛЕЮ) ЦЭЛТ, построенной
по этому принципу, где каждая позиция
является отдельным откачным постом.
Пуск, регулирование и останов линии
производятся с центрального пульта,
управления IV. Загрузка и съем изделий
осуществляется вручную или манипулятором. Из 164
позиций линий 151 позиция E - 155) размещена в
камере конвейерной печи / обезгаживания
стеклооболочек и внутренних покрытий
кинескопа. Технологический процесс реализуется в
такой последовательности: установка
кинескопа в вакуумное гнездо откачной позиции (поз.
1); автоматическое включение механического
форвакуумного4 насоса и уплотнение штенгеля
в вакуумном гнезде (поз. 2); автоматическое
включение форвакуумного клапана и начало
откачки форвакуумным насосом (поз. 3);
автоматическое включение нагревателя паромас-
ляного насоса (поз. 4); высоковакуумная
откачка кинескопа и термическая обработка его
оболочки в печи обезгаживания (поз. 5 - 155);
прогрев и обезгаживание электронно-
оптической системы токами высокой частоты
генераторов // (поз. 82 - 113); активирование
катодов (поз. 114 - 118); автоматический элек-
троотпай штенгеля (поз. 135 - 138);
выключение нагревателя паромасляного насоса (поз.
156); отключение форвакуумного насоса,
напуск воздуха в вакуумную систему (поз. 163);
выгрузка кинескопа (поз. 164).
Давление в кинескопе замеряют
прибором ///.
ЛВО состоит из следующих основных
узлов: основания; откачных постов,
установленных на движущейся тележке; конвейера;
привода конвейера; печи обезгаживания; системы
автоматического контроля и управления.
Автоматическое управление циклом работы
линии осуществляется от путевых кулаков и
электрических шин.
Поперечный разрез ЛВО изображен на
рис. 7.3.20. Кинескоп 9 устанавливают на
откачной пост 15, который включает: вакуумную
систему, высокочастотный индикатор 12,
механизм подъема откачного гнезда 16, печь
электроотпая 13, взрывозащитный сетчатый
кожух 10, системы водоснабжения, управления
и сигнализации. Вакуумная система состоит из
форвакуумного насоса 19 с электродвигателем
20, паромасляного насоса 18, клапанных
механизмов 17 и откачного гнезда 14. Откачной
пост устанавливается на тележку 21, которая
перемещается по рельсам 22 от гусеничного
привода, установленного внутри конвейера.
Туннельная электрическая печь обезгаживания
состоит из 106 секций, каждая, длиной 1 м.
Каждая секция подвешена к раме 1 на четырех
тягах 2. Секции печи образуют камеру 8, в
которой перемещаются обрабатываемые
кинескопы. В качестве источников нагрева
применены трубчатые электронагревательные
элементы 6, расположенные за боковыми
стенками 7 камеры. Для создания принудительной
циркуляции воздуха в каждой секции печи
установлены центробежные вентиляторы 5,
которые забирают воздух из камеры печи
через перфорированный потолок 25 и подают
его через боковые полости с нагревательными
элементами и перфорированные скосы 11 в
камеру печи. Секции с нагревательными
элементами имеют теплоизоляцию 24 из
каолиновой ваты. На участке охлаждения в потолке
секций сделаны окна 3, закрываемые
шиберными заслонками 4 для выпуска из печи
нагретого воздуха. Термопары 23 предназначены
для автоматического поддержания
температуры внутри печи.

700
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
21
Рис. 7.3.20. Поперечный разрез ЛВО
Рис. 7.3.21. Принципиальная схема многокамерной ус
i конвейерного типа
Для вакуумной обработки приборов
некоторых типов с большой длительностью
цикла обработки (десятки часов), остаточное
давление в которых не должно превышать 10 -
10 Па (ЭОП, СВЧ-приборы), применяют
многокамерные вакуумные установки
конвейерного типа с неподвижными вакуумными
системами и механизмами рабочих ходов и
перемещающимися изделиями (рис. 7.3.21).
Приборы 9 на специальном спутнике
загружаются в камеру 8> откуда после
предварительной откачки атмосферного воздуха
вакуумной системой 6 и высоковакуумной откачки
системой 1 они перемещаются в камеру 7 и
далее проходят ряд камер 5, в которых
последовательно осуществляются все необходимые
технологические операции. Камеры отделены
друг от друга шлюзовыми затворами Зу
управляемыми приводом 2 Затворы открываются
последовательно только на время
перемещения изделий из камеры в камеру. Приборы
герметизируются механизмом герметизации
4 и после охлаждения выгружаются из
установки.

ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
701
Автоматизированное откачное
оборудование карусельного и конвейерного типа при
высокой производительности имеет низкую
мобильность, так как оснащено системами
жесткого управления технологическим
процессом (распределительные валы с кулачками,
путевые кулаки, переключатели), легко
поддающимися автоматизации.
Развитие ЭВП вызвало необходимость
создания откачного оборудования,
совмещающего высокую степень автоматизации и
высокую производительность (преимущества
карусельных и конвейерных машин) с гибким
управлением процессом (преимущества
индивидуальных откачных постов).
Решение этой проблемы в настоящее
время стало возможным благодаря появлению
гибких производственных систем на основе
микроЭВМ и микропроцессоров, а также
промышленных роботов и транспортных
систем для автоматической подачи, загрузки и
выгрузки приборов. Наличие этих
прогрессивных технических средств позволяет выполнять
компоновку в виде индивидуальных откачных
постов, но на более высоком уровне.
Обеспечение требуемой производительности
осуществляется использованием соответствующего
числа откачных постов, управляемых единой
транспортно-загрузочной системой и системой
управления.
На рис. 7.3.22 представлена компоновка
гибкого стационарного комплекса для
термовакуумной обработки цветных кинескопов. Он
состоит из технологических позиций 18
(откачных постов), вдоль которых по моно-
4 5
рельсу 3 перемещается двурукий робот 4.
Каждая стационарная позиция снабжена
одноплатным микроконтроллером 13,
предназначенным для ее управления. На плате
микроконтроллера размещен порт обмена внешними
сигналами 17 для выдачи на позицию
дискретных (включить, выключить) и аналоговых
(уровень напряжения 0 - 10 В) управляющих
сигналов и съема с нее дискретных и
аналоговых контрольных. Кроме порта обмена на
плате размещена однокристальная микроЭВМ
16 и репрограммируемое запоминающее
устройство 15 для хранения управляющей
программы. С пульта управления 14 позицией
можно управлять в ручном режиме при ее
наладке и проведении профилактических
работ. Микроконтроллер проводит
индивидуальное управление процессом, учитывая
особенности каждых конкретных полуфабрикатов, и
по окончании обработки выдает
соответствующий сигнал по последовательной шине 12
центральному контроллеру 11У питание на
который подается с шины 10. Контроллер по
инфракрасному дистанционному каналу 9
передает команду контроллеру 6 робота 4 на
обслуживание позиции и команду фиксатору 7
накопителя полуфабрикатов на подачу
оболочки кинескопа 8. Позиция с помощью
ловителя 1 фиксирует полуфабрикат на адресном
конвейере 2 и, как только робот занимает
требуемое положение 5, начинается перегрузка.
Робот одной рукой захватывает откаченный
кинескоп, другой - полуфабрикат и
производит перегрузку позиции.
Г В
а
18 17 15 f5 Hl 13 12
Рис. 7.3.22. Компоновка габкого стационарного комплекса для термовакуумной обработки кинескопов

702
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
Реализация рассмотренной компоновки
со стационарными позициями требует
совершенствования технологического процесса
термовакуумной обработки, направленного на
повышение его управляемости. Управляемость
процесса во многом зависит от применяемого
способа технологического воздействия.
Для термических операций обезгажива-
ния процесс нагрева характеризуется
следующими показателями: инерционностью;
прецизионностью; стабильностью во времени. Чем
меньше инерционность, выше прецизионность
и стабильность, тем более чувствителен и
управляем термический процесс.
При использовании конвективного
способа нагрева стеклооболочек при вакуумной
обработке, когда теплопередача осуществляется
в основном за счет циркуляции нагретых
потоков воздуха, осуществить быстрый переход
на новый режим термической обработки
невозможно. Точность поддержания температуры
в печи не превышает ±5 °С; кроме того, очень
сложно реализовать избирательный нагрев
участков оболочки до требуемых,
отличающихся друг от друга значений температуры. Таким
образом, использование конвективного
нагрева не позволяет осуществить гибкое
управление термическим процессом.
Лучистый инфракрасный (ИК) нагрев
характеризуется малой инерционностью
вследствие применения безынерционных и мощных
галогенных ламп с высокоэффективными
отражателями. Он позволяет очень быстро
реагировать на сигналы активных обратных
связей и обладает возможностью изменения
спектральной избирательности поглощения и
пропускания ИК-излучения изделием, т.е.
управлять его нагревом по глубине. Использование
ИК-нагрева делает возможным гибкое
управление распределением потоков лучистой
энергии по поверхности изделия. Это
позволяет получить любой требуемый закон
облученности объекта за счет изменения
положения нагревателей, питающего напряжения и
формы отражателей. Этот способ нагрева
характеризуется высокой точностью
поддержания температуры (±0,5 °С) и высокой
стабильностью.
7.3.2. СПОСОБЫ И РЕЖИМЫ АКТИВИРОВАНИЯ И
ТРЕНИРОВКИ КАТОДОВ
Катоды ц газопоглотители, как активные
элементы вакуумного прибора, формируются в
процессе откачки и тренировки прибора. При
откачке катоды подвергаются следующим
операциям: обезгаживанию; выдержке при
рабочей температуре; активированию. Эти
операции производятся после или одновременно с
обезгаживанием стенок прибора. Процессы,
происходящие в катодах разных типов,
различаются, а сущность операций одинакова -
удаление газов и примесей из покрытия и керна
катода и формирование избытка активного
металла внутри и на поверхности катода.
Тренировка катодов и подогревателей осуществля-
•ется после отпайки прибора и заключается в
работе катодов и подогревателей в более
нагруженных режимах.
Для газопоглотителей также
осуществляется обезгаживание,. после которого
производится либо распыление, либо активирование
нераспыляемых газопоглотителей.
Обезгаживание и активирование оксидных
катодов. При обезгаживании удаляются газы и
пары, содержащиеся в покрытии катода,
происходит разложение и удаление связующего
вещества и пластификатора, разложение
карбонатов щелочно-земельных металлов на
оксиды и удаление из них газообразных
продуктов.
При активировании происходят
формирование структуры и состава оксидного катода,
растворение оксидов бария, стронция и
кальция друг в друге, образование свободного
металлического бария и его диффузия из толщи
катода на поверхность.
Типичный температурно-временной
режим обработки мощных вакуумных СВЧ-
приборов с оксидным катодом приведен в
табл. 7.3.3.
Обезгаживание катода начинается с
разложения связующего вещества, служившего
для закрепления карбонатного покрытия на
керне катода, и происходит при относительно
низкой температуре A50 - 500 °С). Связующее
вещество - нитроклетчатка или полибутилме-
такрилат (ПБМА) - разлагается на легко
удаляющиеся газообразные продукты и
углеродный остаток. Нитроклетчатка разлагается с
выделением кислородсодержащих и других
газов типа NO2, CO, СО2, паров Н2О, СН4,
С2Н2 и дает незаметный углеродный остаток в
покрытии катода. ПБМА разлагается с
выделением легколетучих нейтральных мономеров
с очень малым углеродным остатком на
покрытии. Поэтому его все чаще используют в
качестве связующего в покрытии катода. При
дальнейшем повышении температуры катода
начинается разложение карбонатов. Давление
диссоциации каждого карбоната зависит от
температуры; наиболее низким давлением
диссоциации обладает карбонат бария.
Начинать обработку катода
рекомендуется при температуре внутренней арматуры и
корпуса 200 - 500 °С. При этой температуре
они имеют гораздо меньшую сорбционную
способность, чем в холодном состоянии, и не
поглощают газов, выделяемых катодом.
В большинстве случаев обезгаживание
катода производится при давлении, не
превышающем 10 - ДО Па, а при высокой
температуре на конечных стадиях обезгаживания
давление должно уменьшаться до 10 - 10 Па.
В начале термической обработки катода обра-

СПОСОБЫ И РЕЖИМЫ АКТИВИРОВАНИЯ И ТРЕНИРОВКИ КАТОДОВ
703
7.3.3. Температурно-временной режим обработки вакуумных СВЧ-приборов с
оксидным катодом на откачной системе
Температура
прибора, °С
500 - 550
500
450
400
150 - 200
Температура
катода, °С
500 - 550
800
900
. 900
1000
800
200
4 Выключение печи.
п Выключение накала
начальное
ю-4
5 • Ю-5
ю-4
10-5
E - 8) • Ю-5
E - 8) • 10
Давление, Па
наибольшее
в течение
процесса
5 • Ю-3
10-2
5 • Ю-4
5 • Ю-5
катода и отпайка прибора.
E
E
E
конечное
5 • Ю-5
ю-4
10-5
- 8) • Ю-6
- 8) • Ю'6*1
- 8) • Ю-6*2
Время
выдержки
Не менее 20
Не менее
2ч
Не менее 10
Не менее 3 -
Не менее
2ч
ч
ч
5ч
зуется некоторое количество чистых оксидов
бария и стронция. В дальнейшем
одновременно с увеличением количества оксида стронция
происходит его обогащение оксидом бария.
Процесс заканчивается разложением карбоната
бария с образованием фазы, обедненной
оксидом стронция.
В процессе разложения карбонатов на
катоде одновременно протекают три реакции:
термическая диссоциация карбонатов с
образованием оксидов ЩЗМ;
химическое взаимодействие карбонатов с
материалом керна катода или активирующими
присадками. Эта реакция приводит к
окислению материала керна и активирующих
присадок. Скорость реакции резко возрастает при
повышении температуры. Поэтому пока весь
слой карбонатов, контактирующий с керном
катода, не превратится в слой оксидов,
разложение карбонатов следует вести при возможно
более низких температуре и давлении СОг.
Кроме того, при быстром увеличении
температуры из внутренних слоев покрытия
выделяется большое количество газа, способствующее
отлипанию и растрескиванию поверхностных
слоев покрытия;
взаимодействие углерода, оставшегося в
покрытии после разложения, взаимодействует
с углекислым газом, выделяющимся при
разложении карбонатов:
С + СО2 -> 2СО.
Неполное удаление углерода может
привести к потемнению оксидного слоя,
увеличению теплоизлучательной способности катода,
уменьшению температуры и эмиссионной
способности.
Во время обезгаживания происходит
образование смешанных кристаллов, имеющих
лучшую эмиссию по сравнению со смесью
одинарных кристаллов. Температура
обезгаживания должна быть меньше 900 °С во
избежание интенсивного увеличения размера
оксидных кристаллов, сопровождающегося
ухудшением эмиссионных свойств.
Сущность активирования заключается в
формировании из смешанных кристаллов
(Ва • Sr • Са)О полупроводников л-типа с
избыточной концентрацией бария в объеме и на
поверхности. Это достигается термической
обработкой обезгаженных оксидных катодов в
высоком вакууме (при давлении, меньшем чем
10 Па). Конечная стадия этого процесса
сопровождается, как правило, отбором тока с
катодов и электролитическим разложением
ионных кристаллов оксидов, переносом и
удалением ионов кислорода из покрытия.
Повышение температуры более 1000 °С
при активировании нецелесообразно: во-
первых, начинается интенсивное испарение
свободного бария и оксидов ЩЗМ, что
приводит к уменьшению срока службы катода,
напылению проводящих пленок, утечкам между
электродами, паразитной эмиссии; во-вторых,
происходит интенсивное испарение
никелевого керна и образуются налеты на деталях и
оболочке ЭВП; в-третьих, увеличивается
размер смешанных кристаллов (BaSrCa)O
(оптимальный с точки зрения ресурса катода
размер кристаллов составляет 1-3 мкм);

704
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
в-четвертых, резко повышается вероятность
теплового пробоя изоляции подогревателя.
После приобретения катодом
эмиссионной способности рекомендуется производить
доактивирование катода путем отбора с него
тока эмиссии. Эта операция производится
после отпая прибора при температуре, на 30 -
50 °С большей, чем рабочая температура
катода, и называется тренировкой.
Рабочую температуру катодов в приборах
с высоким ресурсом обычно выбирают так,
чтобы плотность тока была несколько меньше
его эмиссионной способности. Ресурс прибора
ограничен ухудшением эмиссионных свойств
катодов, основными причинами которого
являются либо обеднение поверхностного слоя
катода барием, либо уменьшение потока
активатора к поверхности раздела керн - оксидное
покрытие ниже значения, обеспечивающего
неизменную эмиссионную активность катода.
В сверхдолговечных лампах (ресурс более
105 ч) используются малоактивные материалы
кернов, поддерживается давление 10'9 Па,
обеспечивается плотность тока не выше 0,1 -
0,2 А/см2 и рабочая температура не выше
750 °С.
Обезгаживание и активирование металло-
пористых катодов. Во время обезгаживания
температуру катода увеличивают ступенчато,
так, чтобы давление в приборе при переходе
на очередную ступень изменялось от ДО Па в
начале до 10 Па в конце выдержки.
Температуру повышают до 1000 - 1100 °С. После этого
катод выдерживают при этой температуре не
менее 1 ч; давление в приборе в конце
выдержки должно быть не выше ДО Па. После
этого температуру катода повышают до 1200 °С и
выдерживают не менее 20 мин. Далее
температуру катода уменьшают примерно до 1000 °С и
отпаивают прибор с поста.
Во время обезгаживания и активирования
вольфрамовая поверхность катода очищается от
примесей углерода, серы и кислорода. На
окисленной поверхности вольфрама формируется
устойчивая композиция типа Ва - О - W.
Во время работы катода образуется барий
в результате химической реакции типа
5ВаО • ЗСаО • 2А12О3 + W ->
2ВаА12О4 + C/4)Ca2BaWO6 + (l/4)Ca3WO6 +
+ (9/4)Ва + C/4)Са.
Проникновение его к эмитгирующей
поверхности осуществляется в основном кнудсе-
новским потоком по порам вольфрамовой
матрицы.
Обезгаживание и активирование
вольфрамовых карбидво-ториевых катодов (ВКТК).
Активирование разделяется на три этапа:
обезгаживание катода; разложение оксида
тория и восстановление свободного тория;
активирование катода, в результате которого
происходит миграция тория на поверхность.
Наиболее распространенный метод
заключается в ступенчатом поднятии
температуры при постоянной откачке, при поддержании
давления ДО Па в начале и 10 Па в конце
обезгаживания. Скорость подъема температуры
определяется особенностями конструкции
прибора и вакуумной системы. Температура
повышается до 2000 К. После достижения
давления ниже ДО Па накал увеличивается на
15 - 20 %, что соответствует температуре 2200 -
2300 К.
Образование тория происходит в
соответствии со следующими реакциями:
ThO2 + 2W2C -> Th + 4W + 2CO;
ThO2 + 2C -> Th + 2CO.
При Т = 2200 К эти реакции создают
удельную скорость испарения тория порядка
ДО г/(см2 • с), что позволяет в несколько
секунд сформировать на поверхности
моноатомный слой тория. На карбидированной
поверхности пленка тория устойчива до температуры
2300 К. Удельная скорость испарения тория из
ВКТК составляет A - 3) • ДО0 г/(см2 • с) при
2000 К и около ДО"8 г/(см2 • с) при 2200 К.
Ресурс ВКТК определяется декарбидиза-
цией поверхностного слоя W2C вследствие
диффузии углерода в толщу проволоки и
взаимодействия его с остаточными газами и
зависит от рабочей температуры и толщины
карбидного слоя. Для катода с толщиной слоя
W2C 20 мкм при различной температуре Т
ресурс / приведен ниже.
Г, К
ty ч ...
1950
15 000
2000
4500
2050
1600
Оптимальная температура ВКТК
составляет 1950 - 2050 К при плотности тока до 5
А/см2.
Тренировка подогревателей. Тренировка
подогревателей предназначена для следующих
целей: стабилизации температурного режима
катодного узла; уменьшения утечек^ между
катодом и подогревателем.
Изменение температурного режима
подогревателей связано с изменением контактов
тела накала с изолятором и степени черноты
изолирующего слоя.
Первое явление обычно наблюдается в
процессе циклического включения накала,
поэтому для стабилизации тепловых
параметров подогревателей рекомендуется произвести
несколько сотен циклов включения.
Изменение степени черноты поверхности
подогревателей, изготовленных без нарушения
технологии, может быть связано с рядом
явлений. Главное - это перенос вольфрама по по-

СПОСОБЫ И РЕЖИМЫ АКТИВИРОВАНИЯ И ТРЕНИРОВКИ КАТОДОВ
705
рам алундового покрытия вследствие реакций
типа
А12О3 -> 2А1+++ + ЗО-;
2О" + W -> WO2t;
3WO2 + 4А1 -+ 2А12О3 + 3W.
Кроме того, это могут быть продукты
испарения с катода, например, материал керна
или оксиды бария, стронция, кальция.
Последние особо опасны, т.к. образуют с А12Оз
лекгоплавкие эвтектики с высокой
электропроводностью. В эвтектиках интенсивно
протекает электролиз. Для устранения электролиза
изолятора, который во многих случаях
является основной причиной отказов
подогревателей, рекомендуется осуществлять нагрев
переменным током. В тех случаях, когда это
невозможно, следует увеличить толщину
керамической изоляции, снизить температуру тела
накала и подать положительный потенциал на
вывод подогревателя, соединенный с
корпусом. Это приводит к переносу алюминия в
глубину керамики к телу накала, что
препятствует образованию мостиков пр'оводимости.
Перенос тока в цепи катод -
подогреватель -может осуществляться благодаря двум
факторам: проводимости алунда в точках,
контактирующих с катодом; термоэмиссии с
деталей катода и подогревателя. Вольт-амперная
характеристика эмиссии алунда имеет быстрый
рост силы тока при малых напряжениях и
последующее замедление роста силы тока или
насыщение. Это является результатом
наложения двух сравнимых по значимости процессов:
проводимости и термоэлектронной эмиссии.
Удельный вес обоих процессов в различных
приборах различен: при положительном
потенциале катода основную роль играет
термоэлектронная эмиссия с поверхности
подогревателя.
Зависимости проводимости и
термоэлектронной эмиссии полупроводника (оксида
алюминия) от температуры соответствуют
экспоненциальному закону, причем показатель
экспоненты в случае термоэлектронной
эмиссии больше, чем в случае проводимости,
поэтому с ростом температуры эмиссия растет
быстрее, чем проводимость.
В отрицательном квадранте
характеристики действуют те же механизмы переноса
тока (проводимость и эмиссия), причем могут
происходить также эмиссия ионов с
поверхности подогревателя и электронная эмиссия с
загрязненной внутренней поверхности катода.
В подогревателе после тренировки ток в
отрицательном квадранте обусловлен
'преимущественно эмиссионными явлениями.
Идеально чистый оксид алюминия
представляет собой совершенный диэлектрик,
поэтому электрические параметры подогревателя
определяются не столько свойствами алунда,
сколько примесями, находящимися в нем.
Используемый для покрытия подогревателей
алунд содержит заметное количество примесей -
соединений натрия, кремния, железа и др.
Улучшение электрических параметров
подогревателя связано с возможностью удаления
части примесей термической обработкой
подогревателей. Это достигается процессом
тренировки.
Тренировка обычно идет при
определенной полярности приложенного напряжения -
когда положительно заряженные ионы
направляются к керну подогревателя. Сущность
тренировки подогревателей заключается в том,
чтобы при достаточно высокой температуре
(значительно выше рабочей) передвинуть
положительные ионы из приповерхностного слоя
покрытия подогревателя к керну. У
поверхности подогревателя создается слой, обедненный
положительными ионами, обладающий
повышенным сопротивлением. При переходе от
тренировочных к рабочим температурам такое
состояние как бы "замораживается" из-за
малой подвижности ионов при рабочих
температурах.
Обезгажишшие, распыление и
активирование газопоглотителей. Скорость и
продолжительность разогрева газопоглотителя до
температуры обезгаживания зависят от многих
факторов: формы газопоглотителя;
теплопроводности; теплоемкости и электрического
сопротивления материалов контейнера и активного
вещества; расстояния и расположения
высокочастотной катушки относительно контура
газопоглотителя и др.
Оптимальная температура обезгаживания
зависит от состава газопоглотителя. Обезгажи-
вание газопоглотителя рекомендуется
проводить при температуре, которая на 50 - 70 °С
ниже температуры его распыления. К концу
обезгаживания давление в приборе должно
снизиться до значения, которое было в начале
обезгаживания.
Недостаточное предварительное обезга-
живание газопоглотителя приводит к
выделению из него газов и паров непосредственно в
момент распыления активного вещества
газопоглотителя, что может уменьшить
долговечность катода. Оптимальная температура
обезгаживания газопоглотителя 'Ъати" 750 - 800 °С,
"Альбани" - 650 - 700 °С, "Феба" - 750 °С.
Распыление газопоглотителя обычно
производится после отпая прибора с откачной
системы во время тренировки. При повышенных
температуре катода и токоотборе с него
происходит интенсивное первоначальное
газовыделение в приборе. Распыление геттера
позволяет химически связать большинство
выделяемых газов, снизить давление и увеличить срок
службы приборов.
В современных газопоглотителях реакции
образования свободного бария являются экзо-

706
Глава 7.3. ТЕРМОВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА, КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ ПРИБОРОВ
термическими, поэтому для протекания
реакции газопоглотитель нужно нагреть до
характерной для каждого типа температуры: "Альба" -
1100 °С, "Бати" - 830 °С, "Феба" - 750 °С,
"Альбани" - 720 °С.
Затем происходит самопроизвольный
разогрев газопоглотителя до Т« 1200 °С и
интенсивное распыление бария за счет выделяющейся
внутри газопототителя тепловой энергии.
Активирование нераспыляемых
газопоглотителей необходимо в связи с тем, что в
процессе хранения, транспортировки и
монтажа они контактируют с атмосферным
воздухом, в результате чего их активная
поверхность покрывается слоем оксидов толщиной
до C - 5I0-3 мкм.
Газопоглотители, покрытые пленкой
оксида, не могут сорбировать газы. Основной
целвю активирования является освобождение
поверхности от оксидов и обеспечение
чистоты активной поверхности геттера.
Наиболее распространенным методом
активирования является диффузионное
разрушение оксидных пленок при их нагреве в
высоком вакууме. При парциальном давлении 10'4
- ДО Па и высокой температуре скорость
поступления молекул кислорода из газовой
фазы и скорость их хемосорбции могут быть
меньше, чем скорость активированной
диффузии атомов кислорода в кристаллическую
решетку активного металла. Длительность
активирования обратно пропорциональна
коэффициенту диффузии, который экспоненциально
возрастает с увеличением температуры.
Используемые на практике режимы
активирования приведены в табл. 7.3.4.
7.3.4. Режимы активирования газопоглот
Газопоглотитель (страна)
St-101 (Италия)
СА-400 (Россия)
Прессованный титановый
Прессованный втулочный
титановый
ШС-3*1 (Россия)
КНЦЦ *2 (Россия)
Температура активирования, °С
800 A000)
1000
900
800
1000
ителей
Время активирования, с
180 C0)
30
60
180 или 300
60
30
*1 ТНС-3 - таблеточный нераспыляемый состав № 3 (тройная смесь цирконий - титан
алюминий).
*2 КНЦЦ - кольцевой нераспыляемый циалевый с держателем газопоглотитель.
Увеличение выдержки приводит к
распылению геттеров, изменению структуры и
ухудшению сорбционных свойств.
7.3.3. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ
ЭЛБКТРОВАКУММНЫХ ПРИБОРОВ
Оценка качества электровакуумного
прибора - сложный неоднозначный процесс,
связанный с особенностями применения прибора.
Он регламентируется техническими условиями
на конкретный тип прибора.
В производстве ЭВП нередки случаи,
когда для обеспечения качества особо
ответственных партий некоторых ЭВП общее число
экземпляров, подвергающихся различным
видам испытаний, соизмеримо (иногда
существенно больше) с общим числом приборов,
необходимых для обеспечения того или иного
проекта.
Первая стадия - контроль изготовителя,
направленный на отделение приборов,
пригодных к эксплуатации, от приборов, не
пригодных к эксплуатации или требующих
(допускающих) дополнительной обработки.
Предъявленные к сдаче приборы
подвергаются контролю служб отделов
технического контроля (ОТК) или аналогичных служб.
Контроль ОТК включает, как правило, наряду
с измерениями параметров различные
испытания.
Общая программа контроля и испытаний
серийно выпускаемых ЭВП состоит из
совокупности измерений и воздействий,
имитирующих (иногда с "запасом") все вероятные
условия эксплуатации прибора, а также
хранения и транспортировки.
Контрольно-измерительные испытания
могут быть разрушающими, т.е. вызывать
необратимые изменения свойств прибора (вплоть
до полной потери работоспособности). В этом
случае применяют выборочные испытания.
Периодичность многих испытаний
определяется наличием запаса по параметрам, ста-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
707
бильностыо производства и качества
поставляемых материалов, возможностью
конструктивных изменений и введения новых
технологических процессов и т.п.
Длительность испытаний определяется
гарантируемой долговечностью работы
прибора и сроками складского хранения. Иногда для
сокращения длительности испытаний
применяют форсированные режимы.
По набору параметров измерения
различают электрические, светотехнические,
радиотехнические, эргономические и другие
испытания в соответствии с функциональными
особенностями ЭВП.
Совокупность условий измерений и
испытаний (перечень воздействий и параметров,
объемы выборок, частота включений и
замеров, режимы и нагрузки и т.д.) определяется
техническими условиями на данный прибор в
соответствии с действующими стандартами и
руководящими материалами, а также по
разовым или временным соглашениям и
протоколам.
Часто практикуется составление
аттестатов на отдельные методы измерения
параметров конкретных ЭВП, где регламентируются
схемы крепления и подключения ЭВП,
порядок подачи напряжений и замера параметров,
тип или класс точности используемых
приборов, формулы для расчета сложных
параметров, допустимые погрешности измерений и
т.д.'
Различают приемо-сдаточный и входной
контроль, анализ рекламаций, составление и
согласование с представителем заказчика
заключений по отдельным отказам.
В процессе набора статистики
методология испытаний может совершенствоваться в
отношении как уточнения способов и
режимов воздействий, так и оценки результатов
применительно к отдельно взятому прибору,
конкретной партии или к данному типу ЭВП
(за отдельный год*, за все время выпуска).
В ряде случаев разрабатывают методики
прогнозирования работы ЭВП по результатам
первичных замеров и испытаний, оценки
вероятности появления отказов (и их частоты),
определения необходимости дублирования
отдельных ЭВП или участков схемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стешшьянц Ю. Р. Радиационный
метод термической обработки изделий
электронной техники. М.: Высшая школа, 1986. 95 с.
2. Шехмейстер Е. И. Технология
производства электровакуумных приборов. М.:
Высшая школа, 1992. 543 с.
3. Электронное машиностроение: Учеб.
лособие. Ч. 1. / Л. И. Волчкевич, Е. А. Деулин,
Ю. В. Панфилов и др.; Под ред. Л. И. Волчкеви-
ча. М.: Изд-во МГТУ, 1989. 128 с.
4. Электронное машиностроение: Учеб.
пособие. Ч. 2. / Л. И. Волчкевич, Е. А. Деулин,
Ю. П. Замчалов и др.; Под ред. Л. И. Волчкеви-
ча. М.: Изд-во МГТУ, 1991. 132 с.
Глава 7.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ
ПРИБОРОВ, ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ,
ИНДИКАТОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ В РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ
ИЗДЕЛИЯХ
Большая номенклатура выпускаемых
электронных приборов создает базис для
разработки и изготовления разнообразных
радиоэлектронных изделий как для бытового, так и
для промышленного и специального
применения. Конструкция такого изделия, его
технико-экономические показатели и, конечно,
технология изготовления определяются его
назначением и уровнем применяемой
"элементной базы", т.е. характеристиками и
качеством используемых электронных
приборов. Как правило, современное
радиоэлектронное изделие состоит из набора модулей, в
качестве которых могут быть собранные
печатные платы, ЭВП, индикаторы, дискретные
электронные приборы, электротехнические
коммутирующие, намоточные устройства,
корпусные изделия и т.п. Основу технологии
изготовления такого изделия составляют
сборочные и наладочные операции, причем
уровень их автоматизации может варьироваться в
зависимости от числа и сложности
выпускаемых изделий, а также вида производства.
Жесткие требования к качеству и
долговечности радиоэлектронных изделий, развитие
технологий электронного машиностроения
привели к качественным изменениям в
конструкциях и, соответственно, - технологии
изготовления этих изделий.
Во-первых, микроминиатюризация
полупроводниковых приборов вызвала появление
высокоинтегрированных электронных
компонентов, обладающих, с одной стороны,
лучшими техническими характеристиками (более
высоким быстродействием, прецизионностью,
меньшей удельной рассеиваемой мощностью и
т.п.), а с другой стороны, - набором функций,
которые ранее выполнялись целыми платами,
блоками из дискретных компонентов.
Появилась возможность в одном корпусе, в одном
чипе реализовывать полнофункциональное
устройство. Это уменьшает число паяных и
разъемных контактных соединений, что
значительно повышает надежность и упрощает
технологию сборки и наладки. Широко
распространены относительно недорогие большие
интегральные схемы (БИС), чему способствует
использование интегрированных
производственных комплексов (ИПК), позволяющих
автоматизировать весь цикл освоения новых

708
Глава 7.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
интегральных схем, - от проектных работ до
изготовления, - делая его эффективным как по
срокам, так и по себестоимости.
Во-вторых, широкое применение
получили микропроцессорные средства как при
выполнении традиционных задач управления,
так и при обработке и преобразовании
аналоговых сигналов. Это стало возможным
благодаря появлению хорошо отработанных
семейств микроконтроллеров и созданию
недорогих специализированных однокристальных
микроЭВМ с законченной архитектурой,
включающей необходимые периферийные
средства. Использование таких БИС коренным
образом меняет схемотехнику узлов
радиоэлектронного изделия, уменьшает число
дискретных компонентов и делает аппаратную
часть изделия более универсальной, перенося
реализацию функциональных процессов на
программное обеспечение. При этом цифровая
технология обработки сигналов улучшает
качественные показатели изделия и повышает его
надежность функционирования за счет
естественной для таких схем реализации
вспомогательных функций (диагностика отказов,
контроль функционирования, автоматическое
регулирование, перенастройка и т.п.).
Наиболее сложными и ответственными
этапами технологии изготовления
радиоэлектронных изделий являются изготовление
электронных компонентов (прежде всего БИС),
сборка и тестирование печатных плат.
Примером может служить современный цветной
телевизионный приемник.
В мире выпускаются различные типы
телевизионных приемников, различающиеся
характеристиками, потребительскими
свойствами и т.д. Однако их объединяют принципы
построения, т.е. общая структурная схема при
современном технологическом уровне и
потребительских запросах остается неизменной.
Как видно из приведенной на рис. 7.4.1
структурной схемы телевизора SONY KV-
М1400К, телевизионный приемник состоит из
16 блоков.
1. Узел управления режимами
(микроконтроллер). Это центральное управляющее звено
телевизора. Как правило, представляет собой
законченный узел, выполненный в виде одной
микросхемы. В нее входят таймер,
микропроцессор, оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ), постоянное запоминающее устройство
(ПЗУ), встроенный генератор, различные
двоичные порты, цифро-аналоговые
преобразователи и др. Основные функции
микроконтроллера следующие:
управление тюнером (выбор
поддиапазона, выбор канала и настройка на него);
включение/выключение телевизора;
осуществление оперативных регулировок
(громкости, яркости, насыщенности,
контрастности, цветового тона);
управление режимом работы
низкочастотного (НЧ) входа/выхода;
управление работой блока телетекста;
управление выбором системы
телевидения "D / К" или "В / G";
прием и обработка управляющей
информации с внешнего пульта (через
инфракрасный (ИК) канал);
прием и обработка управляющей
информации с резидентной панели управления;
хранение информации о настройках
каналов (совместно с микросхемой памяти);
формирование и вывод на экран
служебной информации.
Номенклатура телевизионных
микроконтроллеров невелика. Производителям
телевизоров дешевле закупать готовые наборы
микросхем, чем производить свои.
2. Тюнер. Принятые антенной
телевизионные сигналы поступают на радиочастотный
блок телевизора, называемый тюнером.
Отличительной особенностью тюнеров
современных телевизоров является то, что они
всеволновые. С их помощью из всего спектра частот,
поступающих на вход телевизора, выделяются
и усиливаются телевизионные радиосигналы
принятого канала и преобразуются основная
несущая частота изображения (fOM) и основная
несущая частота звукового сопровождения
(/it3) этих радиосигналов в единые для любого
канала промежуточную частоту изображения
/п.и ~ 38 МГц и промежуточную частоту звука
/п.з = 31,5 МГц. В состав тюнера входят
усилитель радиочастоты (УРЧ), гетеродин и
смеситель. Усилитель радиочастоты -
широкополосный резонансный. Сопротивление его входной
цепи согласовывается с волновым
сопротивлением фидера антенны. С выхода УРЧ
радиосигналы изображения и звукового
сопровождения подаются на смеситель. Сюда же
поступает синусоидальное напряжение,
выработанное гетеродином. Частота напряжения
гетеродина /г на любом канале выбирается выше
несущих частот так, чтобы в результате
преобразования на выходе смесителя получались
разностные (промежуточные) частоты изображения
/г - /о.и =/п.и = 38 МГц и звука/г - /о.3 = /п.з =
= 31,5 МГц. Управление тюнером, как
правило, осуществляет микроконтроллер сигналами
выбора поддиапазона и настройки (линейно
изменяющимся напряжением 0-31 В).
Автоматическую регулировку усиления осуществляет
тракт радиоканала. Выходом тюнера является
сигнал промежуточной частоты (ПЧ), который
поступает через фильтр с
поверхностно-активными волнами (ПАВ-фильтр) на радиоканал.
В некоторых типах телевизоров используются
блоки управления тюнером, управляемые
микроконтроллером, что позволяет избавиться
от многих дискретных элементов.
Совершенствование тюнеров
осуществляется следующими способами:

Пульт
управления
J
V

Фотоприемник
(Ю)
Панель
управления
(И)
Антенна
Блок НЧ-входа/выхода
1С 331 TDA3827 A5)
Тюнер
TV 101
вт-зс
B)
220V
Блок
питания
IC601 STR5404
Узел управления режимами
(микроконтроллер)
1С 001 РСА84С840Р-ВЕ2АЗ
1С 002 ST24C02CP A)
ПЧ
+120U ¦
+21U
+8U
D/K.
B/G
Канал звукового
сопровождения
1С 1101 ТВА129
1С 1102 СХ20061
G)
Т I
Блок радиоканала.
Задающий генератор строчной и
кадровой развертки
1С 502 TDA8304B
C)
Кадровые
синхроимпульсы
Строчные
Усилитель '
мощности НЧ
1С 20.1 TDA7245 (8)
Громкоговоритель
Блок цветности
1С 331 TDA4650
1С 301 TDA4660
1С 302 TDA3505
(б)
+12
синхроимпульсы
Блок кадровой
развертки
IC501 и РС1488
Строчные импульсы
Блок
телетекста
IC2 SAA5446
IC3 FCB61c65
A2I
8
я
3
Панель
кинескопа
A4)
Блок строчной
развертки
IC801 и ВА4558
DI
R,G,B
Строчная ОС Кинескоп
1
Кадровая ОС
I
Рис. 7.4.1. Структурная схем» цветного телевизора:
Ун, ^ф, *7ус> ^ан - напряжение соответственно настройки, накала, фокусировки, ускоряющее, анода

710
Глава 7.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
введением в первые каскады полевых
транзисторов, что позволяет улучшить
чувствительность и отношение сигнал/шум;
применением сквозного метрового
канала без деления на поддиапазоны;
применением интегральных микросхем;
использованием микроминиатюрных
элементов.
3. Блок радиоканала. Во многих
телевизорах блок радиоканала совмещен в одном
корпусе микросхемы с блоком цветности,
генераторами кадровой и строчной развертки,
причём данный узел можно совмещать и с
многими другими блоками. Так, в телевизоре SONY
KV-M1400K тракт радиоканала выполнен на
интегральной микросхеме (ИС) TDA8304. В
эту микросхему входят: усилитель
радиочастоты, синхронный демодулятор,
предварительный видеоусилитель, детектор автоматической
регулировки усиления (АРУ), усилитесь АРУ,
переключатель полярности автоматической
подстройки частоты (АПЧ), схема АПЧ, син-
хроселектор, детектор совпадений, фазовый
детектор, задающий генератор строчной
развертки и его выходной каскад, задающий
генератор кадровой развертки и его выходной
каскад и другие схемы.
С тюнера амплитудно-модулированный
сигнал ПЧ изображения /п.и и частотно-
модулированный сигнал ПЧ звукового
сопровождения /п.з поступают на фильтр ПЧ, с
которого приходят на вход микросхемы IC502 и
далее на регулируемый усилитель
промежуточных частот (УПЧИ), находящийся в самой
ИС, где радиосигнал изображения усиливается
в несколько тысяч раз, а радиосигнал
звукового сопровождения - в 300 - 400 раз. Такое
соотношение радиосигналов способствует
устранению взаимных помех между ними и в то
же время обеспечивает оптимальные условия
для получения второй промежуточной частоты
звука, в качестве которой используется
разностная частота биений сигналов fPm4 = fUM - /Пт3 =
= /о.з - /аи = 6,5 Мгц. Следующий за УПЧИ
каскад - амплитудный видеодетектор, который
выделяет из амплитудно-модулированного
радио-сигнала изображения полный
телевизионный сигнал, который усиливается и
поступает в блок цветности, а также в схемы
автоматической регулировки усиления АРУ и
канала синхронизации.
В качестве видеодетектора в ИС
применен синхронный демодулятор, к которому
подключен опорный контур видеодетектора,
настроенный на частоту 38 МГц. Синхронный
демодулятор в отличие от амплитудного
обладает более высокой линейностью
преобразования при малых уровнях сигнала, что позволяет
добиться лучшего качества детектирования при
меньшем усилении сигнала. С синхронного
демодулятора видеосигнал через
предварительный видеоусилитель поступает на выход ИС и
далее через транзистор на параллельно
включенные пьезокерамические фильтры, которые
обеспечивают подавление в канале
изображения сигналов второй промежуточной частоты
звукового сопровождения F,5 или 5,5 МГц), и
далее на НЧ-выход. С другого выхода ИС
выходной видеосигнал поступает на дальнейшую
обработку в канал цветности.
Схема автоматической регулировки
усиления АРУ вырабатывает регулирующее
напряжение, которое с одного из выходов ИС
подается на вход тюнера, воздействует на
каскады УРЧ и УПЧИ, изменяет их
коэффициенты усиления так, что уровень сигнала
изображения на катоде кинескопа поддерживается
почти неизменным при значительных
колебаниях уровня входного радиосигнала.
Система автоматической подстройки
частоты гетеродина АПЧГ предназначена для
повышения стабильности промежуточных
частот в телевизоре, вырабатывает при
отклонении от номинального значения одной из
промежуточных частот (обычно Уп.и) определенное
управляющее напряжение, позволяющее
корректировать частоту гетеродина. В схеме АПЧГ
используется колебательный контур,
являющийся опорным контуром видеодетектора ИС.
Через схему сдвига фазы на 90° напряжение
ПЧ, возникающее в контуре, подается на
схему АПЧ в ИС. В детекторе АПЧГ
сравнивается частота приходящего сигнала с частотой
настройки опорного контура и на выходе
вырабатывается сигнал рассогласования -
напряжение, пропорциональное разности этих
частот. Это напряжение с выхода ИС,
суммированное с постоянным напряжением,
определяемым резистивным делителем, подается на
вход микроконтроллера.
4. Блок строчной развертки. Канал
синхронизации осуществляет отделение от
полного телевизионного сигнала импульсов
строчной и кадровой синхронизации,
разделение их и формирование синхронизирующих
сигналов для управления работой задающих
генераторов блоков строчной и кадровой
разверток. Все эти функции реализованы в БИС
блока радиоканала IC502.
С задающего генератора ИС IC502
строчные запускающие импульсы усиливаются
и через разделительный трансформатор
поступают на выходной каскад строчной развертки.
Напряжение питания данных каскадов +120 В
поступает с блока питания. Выходной каскад
строчной развертки выполнен по схеме
двухстороннего ключа на мощном транзисторе и
демпферных диодах, содержит трансформатор
диодно-каскадный (ТДКС), разделительный
конденсатор, электромагнитный корректор
линейности строк. ТДКС подает несколько
напряжений:

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ, ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
711
+24 В - через выпрямитель на блок
кадровой развертки;
+14 В - на стабилизатор напряжения
IC802, а с него на питание блока цветности,
схемы коррекции растра IC801, блока
радиоканала и другие схемы;
+ 190 В - для питания выходных
видеоусилителей и накала кинескопа;
+24 кВ - на аквадаг и второй анод
кинескопа;
+250 - 800 В - ускоряющее;
+4000 - 8000 В - фокусирующее - на
кинескоп.
Узел корректора геометрических
искажений предназначен для управления формой
выходных сигналов разверток и состоит из
усилителя-формирователя параболического
напряжения, широтно-импульсного
модулятора (все это реализовано в IC801 - ВА4558) и
выходного транзисторного ключа.
5. Блок кадровой развертки. Как и модуль
строчной развертки, построен по классической
схеме, как правило, реализован на одной
микросхеме (например, IC501 - МРС1488Н). На
ее вход поступают импульсы запуска кадровой
развертки с ИС IC502 амплитудой около 5 В.
Пилообразные токи строчной и кадровой
частот, выработанные выходными каскадами
соответствующих блоков разверток, питают
электромагнитную отклоняющую систему
(ОС), формируя на экране растр изображения.
6. Блок цветности. Предназначен для
выделения и воспроизведения информации о
цвете изображения. В современных
телевизорах используют блоки цветности с
многосистемными декодерами цветности, корректорами
цветовых переходов и цифровой обработкой
цветовых сигналов.
В блоке цветности в телевизоре SONY
KV-M1400K декодер цветности реализован на
ИС IC331 (TDA4650), корректор цветовых
переходов на ИС IC301 (TDA4660),
видеопроцессор на ИС IC302 (TDA3505). Принцип
работы декодера заключается в том, что в
зависимости от системы принимаемого сигнала
он обеспечивает опознавание и переключение
на декодирование соответствующей системы
цветного телевидения: французской СЕКАМ
(SECAM - Sequentiel couleur a memoire -
последовательная цветная с памятью),
германской ПАЛ (PAL - Phase Alternation Line -
строки с переменной фазой) или американской
НТСЦ (NTSC - National Television System
Committee - Национальный комитет
телевизионных систем). Обвязка декодера обеспечивает
его нормальный режим работы. К ней
относятся два кварцевых резонатора, служащие для
работы внутренних генераторов микросхемы
для декодирования систем ПАЛ и НТСЦ, и
три транзистора, которые предназначены для
усиления и разделения видеосигнала на ярко-
стной и цветовой. Выходными сигналами
декодера являются цветоразностные сигналы R -
Y, В - Y. Данные сигналы далее поступают на
корректор цветовых переходов (IC301). Он
предназначен для повышения четкости границ
между деталями изображения за счет
уменьшения длительности цветовых переходов.
Выходными сигналами корректора являются все
те же цветоразностные сигналы R - Y, В - Y,
которые далее поступают на видеопроцессор
(IC302). Видеопроцессор производит
матрицирование, т.е. производит преобразование
сигналов R-Y, B-Y и собственно сигнала
яркости Y в сигналы первичных цветов: красного
R, зеленого G и синего В. Сигналы первичных
цветов подаются на три катода для
осуществления модуляции токов соответствующих
лучей кинескопа. Также видеопроцессор
осуществляет регулировку яркости, насыщенности,
контрастности, кроме этого на него приходят
внешние сигналы высветки дополнительной
информации на экране (внешние R, G, В).
7. Канал звукового сопровождения.
Состоит из усилителя промежуточной (разностной)
частоты звука (УПЧЗ), частотного детектора
(ЧД) и усилителя звуковой частоты (УЗЧ).
Использование в качестве промежуточной
частоты звукового сопровождения разности
/п.и -/п.з =/р.ч = 6,5 МГц (или 5,5 МГц в
зависимости от принимаемой системы телевидения
D/K или B/G) делает независимым качество
звука от стабильности частоты гетеродина
радиочастотного блока. Однако это требует
применения в УПЧЗ и частотном детекторе
глубокого амплитудного ограничения, поскольку
сигнал разностной частоты fp,4 кроме
частотной модуляции сигналом звукового
сопровождения подвержен также паразитной
амплитудной модуляции сигналом изображения. При
недостаточном уровне ограничения в
громкоговорителе прослушивается посторонний
звуковой фон. Поэтому с выхода ИС IC502
полный телевизионный сигнал поступает на
параллельно включенные полосовые фильтры со
средней частотой" 6,5 и 5,5 МГц и далее на
коммутируемый усилитель (переключает
системы D/K или B/G) блока УПЧЗ, собранного
в виде отдельной субплаты. Выходной сигнал с
УПЧЗ поступает на вход ИС 1С 102 (TDA3827),
где проходит через усилитель-ограничитель на
квадратурный демодулятор, с выхода которого
НЧ-сигнал поступает на первый селектор
источников звукового сопровождения. Он
подключает выход звукового амплитудно-модули-
рованного (AM) сигнала или полученный
внутри схемы частотно-модулированный (ЧМ)
сигнал звука для поступления на НЧ-выход.
Второй селектор источников звукового сигнала
коммутирует либо внутренний звуковой
сигнал, либо внешний (от видеомагнитофона
через НЧ-вход).

712
Глава 7.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОЮВ, ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
8. Усилитель мощности НЧ. НЧ-сигнал с
выхода 1С 102 поступает на усилитель
мощности (УМНЧ), который обычно выполнен в
виде одной микросхемы (в данном случае это
IC201 - TDA7245), и далее на выходные
громкоговорители. Регулировка громкости
осуществляется микроконтроллером: импульсным
сигналом положительной полярности с плавно
изменяющейся скважностью, который
интегрируется, трансформируется в сигнал с плавно
изменяющимся напряжением 0 - 5 В и
поступает на УМНЧ.
9. Пульт управления. Это устройство,
предназначенное для дистанционного
управления режимами работы телевизора. При
нажатии любой кнопки микроконтроллер пульта
считывает ее координаты и в соответствии с
этим выдает через буфер на инфракрасный
светодиод определенную кодовую
комбинацию, соответствующую нажатой кнопке.
Некоторые типы пультов снабжают
жидкокристаллическим индикатором для вывода служебной
информации и пультовой панелью для
управления, кроме телевизора, видеомагнитофоном.
Фотоприемники в последнее время
выполняются в одном корпусе с усилителем и
представляют собой контактное устройство.
10. Фотоприемник. Информация,
передаваемая с пульта управления, принимается
фотоприемником телевизора (через фотодиод),
усиливается и передается в микроконтроллер,
который обрабатывает ее.
11. Панель управления. Находится в
корпусе телевизора и позволяет осуществлять
местное управление режимами работы
телевизора, дублируя основные функции пульта
управления.
12. Блок телетекста. Телетекст - это
система широковещательного информационного
обслуживания, предназначенная для передачи
одновременно с ТВ-программой различной
дополнительной информации, которая имеет
преимущественно текстовый характер. Однако
могут передаваться и графические
изображения, создаваемые методом цветной мозаики
или геометрического кодирования. Принятая
информация выводится на экран только по
желанию телезрителя или вместо передаваемой
в данной момент программы, или путем
наложения на телевизионную передачу. Телевизор
позволяет вести прием телетекста практически
на всех языках мира, включая русский.
Декодер телетекста обеспечивает прием текстовой
информации в двух рабочих режимах:
FASTEXT и LIST. В режиме FASTEXT
передаваемый сигнал содержит дополнительную
информацию, которую принимает декодер. Она
предоставляет пользователю несколько
вариантов выбора страниц, которые связаны с
отображаемой информацией. Режим LIST
позволяет пользователю запрашивать, управлять и
запоминать несколько отдельных страниц в
любой момент времени. Таким образом, он
сам определяет свой способ передвижения по
базе данных. Существуют различные
комплекты декодеров телетекста: SAA5231 -
видеопроцессор телетекста, SA5243P - формирователь
RGB сигналов телетекста, FCB61C65-70P -
статическое запоминающее устройство,
PCF8582 - перепрограммируемое
энергонезависимое постоянное запоминающее
устройство, PCF8481/CTB972 - микроконтроллер
телетекста, SAA5246 - включает несколько
структурных элементов: видеопроцессор телетекста,
формирователь RGB сигналов телетекста,
перепрограммируемое энергонезависимое
постоянное запоминающее устройство,
микроконтроллер телетекста. Управление декодером
телетекста осуществляется микроконтроллером
телевизора по стандартной шине (порт данных
SDA и порт SCL).
13. Блок питания. В современных
телевизорах используются импульсные
стабилизирующие источники питания. Они позволяют
отказаться от тяжелого и крупногабаритного
силового понижающего трансформатора
E0 Гц) и мощных стабилизаторов вторичных
напряжений. Кроме того, КПД импульсного
источника намного выше, что позволяет
получить мощный и компактный блок питания.
Принцип работы такого блока заключается в
следующем. Напряжение 220 В, проходя через
сетевой фильтр, поступает на выпрямитель
сетевого напряжения и через одну из обмоток
импульсного трансформатора - на коллектор
мощного высоковольтного ключевого
транзистора. Схема управления включает/выключает
этот транзистор с частотой, равной десяткам
килогерц. В течение времени, когда
транзистор открыт, через обмотку протекает ток, в
сердечнике трансформатора запасается энергия
магнитного поля. Когда транзистор
закрывается, трансформатор через выходные обмотки
отдает энергию в нагрузку. Регулирование
длительности открытого состояния
транзистора осуществляется устройством управления и
стабилизации. Его основой является широтно-
импульсный модулятор, который преобразует
напряжение сигнала обратной связи с обмотки
трансформатора (или с одной из вторичных
обмоток через оптронную пару) в сигнал,
управляющий временем открытого состояния
ключевого транзистора. В телевизоре SONY
KV-M1400K роль устройства управления
выполняет одна микросхема STR54041.
14. Панель кинескопа. Предназначена для
подвода рабочих напряжений к электродам
кинескопа, представляет собой отдельно
собранную печатную плату, включает блок
выходных видеоусилителей для усиления сигналов
первичных цветов, компоненты оформления
кинескопа и розетку, с помощью которой
панель устанавливается непосредственно на
цокольную вилку кинескопа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
713
15, Блок НЧ-входа/выхода. Предназначен
для сопряжения телевизора с внешними
устройствами, обеспечивает ввод для просмотра
полного телевизионного сигнала с
видеомагнитофона или компьютера и вывод
телевизионного сигнала для записи на
видеомагнитофон. НЧ-блок реализован на микросхеме
1С 102 (TDA3827) и управляется сигналами с
микроконтроллера.
16. Кинескоп. Представляет собой
цветную электронно-лучевую трубку и
предназначен для преобразования электрических
сигналов изображения в оптическое изображение.
Это оконечное контрольное устройство,
отображающее состояние всех блоков модулей и
узлов телевизора, самый дорогой (около трети
стоимости телевизора), самый громоздкий
(около половины массы), самый энергоемкий
(около 75 % общей мощности) и самый
информативный узел телевизора, во многом
определяющий качество принимаемого цветового
изображения. Хорошими характеристиками
обладает цветной кинескоп с самосведением,
имеющий три пентодных линейно
расположенных электронных прожектора с быстрора-
зогревными катодно-подогревными узлами,
теневую решетку (кинескоп - тринитрон),
штриховой цветной экран с черной
графитовой матрицей.
Все рассмотренные выше узлы
телевизора SONY KV-M1400K выполнены в основном
на интегральных схемах, поэтому практически
все радиоэлектронные схемы телевизора
помещаются на четырех печатных платах:
основной, включающей большинство узлов, плате
УПЧЗ, плате блока телетекста ТТ и плате
панели кинескопа ПК.
Таким образом, технология сборки
цветного телевизора заключается в монтаже
кинескопа, громкоговорителей, коммутирующих
изделий в корпус, установке и соединении
печатных плат, осуществлении межсоединет
ний, установке отклоняющей системы
кинескопа (если кинескоп поставляется без нее),
статическом сведении кинескопа и
функциональной наладке телевизора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бршов К. Г., Дементьев С. Б.
Видеооборудование: Справ, пособие. Спб.: Лениз-
дат, 1993. 273 с.
2. Зубарев Ю. Б., Глориозов Г. Л.
Передача изображений: Учебник для вузов. 2-е
изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989.
336 с.
3. Корякин-Черняк С. Л., Лукин Н. В.,
Янковский С. М. Практическая схемотехника
современных телевизоров. Москва-Киев:
Наука и техника, 1996. 340 с.
23 За к 7Г><>

Ч а с т ь III
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ,
СОВРЕМЕННЫЙ И ПРОГНОЗИРУЕМЫЙ
УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
ИМ. КОНЦЕПЦИЯ МЕХАТРОНИКИ
Мехатроника - это
технико-технологическое направление развития техносферы,
интегрирующее механику, электронику и
информатику с целью совершенствования
технологий и производства, включая создание и
применение устройств с элементами
искусственного интеллекта.
Развитие техники привело к образованию
техносферы (от техно... и сфера), которая
представляет собой совокупность созданных
технических средств для обеспечения
жизнедеятельности людей.
В процессе развития техносферы
используются закономерности, похожие на
закономерности развития биосферы, что создает предпосылки
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Биосфера
1
Экосистема
i
Сообщество
1
Популяция
1
Индивидуум (особь)
1
Орган (тела)
i
Клетка
i
Органелла (орган в клетке)
i
Агрегат макромолекул
1
Макромолекула (полимер)
i
Молекула
i
Атом
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
для разработки биоморфных устройств и систем
сверхвысокого уровня сложности типа систем,
состоящих из множеств "унифицированных
конструктивных модулей" - белковых молекул,
образующих мышечные волокна или другие
биологические структуры.
На рис. III. 1 изображены голонические
структуры биосферы и мехатронной
техносферы. По мере усложнения мехатронной
технологии при одновременном увеличении числа
взаимодействующих компонентов в мехатрон-
ных устройствах до значений больших и
сверхбольших чисел все более возможным
становится введение в систему управления
алгоритма самоорганизации и саморазвития
мехатронной техносферы и ее компонентов.
Мехатронная техносфера
Мехатронный технологический уклад
I Мехатронная система (машин, оборудования) ]
Мехатронное поколение техники
J
Мехатронное устройство (робот)
Мехатронный производственный модуль
Мехатронный функциональный модуль
Мехатронный компонент
Мехатронная наноструктура
Макромолекула (полимер)
Молекула
¦
Атом
Рис. Ш.1. Го.
труктуры биосферы и мехатронной техносферы

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УТОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
715
ЖУ4
'ту.
ЗУ
пршуритеття
твзмичесшш
наука:
-!•••§- Виоттщютша
¦U- мешщюнит
Элетроншах
Элвшщютжтшх
ГШротзсшшатшх
Термо&имшшма
межтша
-4 J j \~Л-п'Велесло
!
I I
I i
i I
10 Ю* 5*Ю* 1(f 1ОЩ 1<ftOuW* NftMT*
Рис. Ш.2. Технологические уклады ТУ{ и число 7V взаимодействующих компонентов в объектах техники
мшфброоот —> Г
ТУ2
ТУ5
Робот
j |солвце
ядерный распад
Электродвигатель L.J.
ТУЪ
Двигатель
внутреннего сгорания
Паровая машина
электроэнергия
I нефть, газ
древесина, уголь
Водяное колесо, ветряк
цускулы,ветер,перепад вода
! ! i
м \ *7 -биокомпозиты
6 -микрокомпозиты
, > 6 -композиты
'4 -полимеры
-суперсшгавы
12 -металлы»сплавы
I mi -древесина«камень
Рис. Ш.З. Материалы Mi и энергоносители ?,* технологических укладов ТУ:
энергогибрид * - комбинированный энергоноситель
Развитие техносферы (рис. III.2 и III.3), ние, определяемое критериальным соотноше-
характеризуемое ее технологическими уклада- нием
ми, привело к переходу техносферы в состоя- К2МЕ< С, (III. 1),
;>:*•

716
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
достигаемым между информацией, косвенно
выраженной квадратом числа
взаимодействующих компонентов системы К, их общей
массой М и энергией взаимодействия
компонентов Е. Величина С находится в прямой
пропорциональной зависимости от количества
запасов материальных и энергетических
ресурсов, используемых в производстве и
эксплуатации объектов техносферы. Новый
технологический уклад определяется приоритетным
научным направлением - мехатроникой, под
воздействием которой указанное
критериальное соотношение достигает своего
необходимого значения путем увеличения на несколько
порядков показателя информации К и
соответствующего уменьшения энергии
взаимодействия Е и общей массы М.
Биомехатроника - перспективное
научное направление, интегрирующее мехатронику
и науки биологической направленности, в том
числе биохимию, биофизику и другие
биодисциплины, интеграционное развитие которых,
возможно, приведет к искусственному
слиянию интересов выживания биосферы и
интересов развития техносферы на основе,
минеральных ресурсов геосферы в общем
пространстве, образующем биомехатронную оболочку
вокруг Земли - ноосферу - сферу разума,
предсказанную в научных трудах академика
В. И. Вернадского.
Технологический уклад характеризует
состояние техносферы, при котором системы
машин, оборудования и приборов и
применяемых технологий базируются на
определенных принципах действия, при использовании
определенных материалов, определенных
энергоносителей и определенном уровне
конструктивной сложности компонентов этих
систем. Каждый технологический уклад
складывается из поочередно сменяющих друг друга
поколений техники и технологий, развитие
каждого из которых определяется своим
приоритетным научным технико-технологическим
направлением.
Мехатронный технологический уклад
характеризует состояние техносферы, при
котором ее критериальное соотношение (III. 1)
приближается к значениям, характеризующим
биоорганизмы, а ее голоническая структура
(см. рис. III. 1) аналогична структуре биосферы
с точностью до размеров компонентов,
составляющих доли микрометра.
Мехатронный технологический уклад
характеризуется применяемыми технологиями,
которые базируются на энергетике слабых
взаимодействий микромира и мехатронных
принципах действия устройств, у которых
материалы, энергетика и структура
компонентов соответствуют траектории мехатронного
развития (рис. III.4) в условных
информационных координатах: Мехатронные материалы,
Мехатронные компоненты, Мехатронная
энергетика.
Ымяшг.
Траектория лехатронного
технологического развития
мехатронная
энергетика
мехстротые
лжериалы
Рис. Ш.4. Траектории мехатронного развития:
- тонкая керамика; М2 - структурированные пьезоволокна; 7\ - микротехнологии; Г2 - нанотехнологии;
Э{ - пьезоэффект; Э2 - электростатика; NUK - число мехатронных компонентов

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
717
Ш.2. СТРУКТУРА И ТИПЫ МЕХАТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
Резкий подъем производства
полупроводниковых интегральных схем в 70-х годах
определил поворот развития производственной
и бытовой техносреды в направлении создания
производственных, транспортных и других
систем компьютеризированных машин,
оборудования и приборов.
Мехатронная система машин, оборудования
и приборов состоит из взаимосвязанных общим
технологическим никлом компьютеризированных
компонентов, которые в совокупности
обеспечивают ее работоспособность при выполнении
функций и параметров, задаваемых
производителем или потребителем продукции.
Мехатронные поколения техники,
например компьютеры, роботы,
компьютеризированные транспортные средства,
компьютеризированные станки и другие устройства
производственного и бытового назначения,
существуют на определенном отрезке развития
техносферы и входят в мехатронные системы
машин, оборудования и приборов, созданные
по однотипным мехатронным технологиям и
согласующиеся по параметрам
функционирования и конструктивному взаимодействию.
Одним из первых типичных мехатронных
устройств был промышленный робот, так как
конструкция и принцип его
функционирования, базировались на использовании ЭВМ.
Без информационной системы робот
превращается в многозвенный шарнирный механизм.
Станки с числовым программным
управлением, автомобили и другие транспортные
средства и устройства с электронным управлением,
снабженные средствами ЭВМ для
автоматизации функции управления, создавались таким
образом, чтобы они могли функционировать и
управляться оператором без использования
ЭВМ, т.е. вручную.
Мехатронное устройство - это
устройство, в конструкции которого объединены
минимум три составные части, выполняющие
функции взаимодействия с внешней средой:
исполнительные органы; чувствительные
элементы; средства обработки информации и
управления.
Мехатронные устройства по принципу
управления делятся на следующие группы:
антропоморфные мехатронные
устройства, например антропоморфные роботы,
действия которых контролируются человеком. К
таким устройствам можно отнести
компьютерные системы управления агрегатами
автомобиля, самолета и других транспортных средств;
мехатронные устройства с циклическим
управлением, например турникеты или
автоматические двери с многократным
выполнением однотипной операции, которая
определяется некоторым установленным алгоритмом,
находящимся в памяти;
мехатронные устройства с
модифицируемой программой управления, например
роботы, алгоритм работы которых можно изменять
в некоторых пределах и для работы можно
выбирать довольно большое число программ;
мехатронные устройства, работающие по
принципу воспроизведения программы, работу
которых предварительно отлаживает оператор
путем тренировок и обучения, например,
показывая траекторию движения манипулятора,
которую робот самостоятельно многократнб
повторяет в процессе работы;
интеллектуальные мехатронные
устройства осуществляющие сбор информации об
изменениях, происходящих в окружающей
среде, и в соответствии с этим вносящие
коррективы в свою работу.
Мехатронная технология включает в себя
технологии новых материалов и композитов,
микроэлектронику, фотонику, микробионику,
лазерные и другие технологии.
III.3. МЕХАТРОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И МАТЕРИАЛЫ
Мехатронная технология основана на
возможности интегрирования всех блоков
машин, оборудования и аппаратов, включая
функциональные блоки энергообеспечения,
исполнительные органы, измерительные и
контрольно-управляющие системы,
комплексную систему, состоящую из электронных
приборов, оптических компонентов,
энергетических и механических структур мультикомплек-
сированных устройств типа искусственной
мышцы с интеллектом.
Мехатронная технология базируется на
гамме технологических процессов
изготовления изделий из кремния, пленок оксида
алюминия и цинка, цинк-титан-свинец-керамики,
металлоорганики, а также структурированных
пленочных и волоконных материалов на
основе легкоплоскостных антиферромагнетиков,
редкоземельных соединений, аморфных
соединений, планарных и волоконных структур
на основе эластичных магнитострикционных
композитов с высокотемпературной
сверхпроводимостью.
Мехатронная технология базируется
также на следующих процессах: изготовлении
гибких токонесущих пьезоэлектриков на
основе керамических волокон; получении
преобразователей поверхностных волн на основе
пленок оксида цинка; получении ионно-
плазменным методом пьезоэлектрических
пленок; получении монокристаллических
пьезоэлектрических оксидных пленок на неориен-
тирующих подложках триодным методом
распыления; получении "толстых" текстурирован-
ных пьезоэлектрических оксидных пленок
совершенной структуры при высоких
скоростях роста магнетронным методом
распыления; комбинации локального напыления и
размерного травления. Кроме того, она
основана на групповых методах локального
удаления и наращивания материалов и
композиционных структур и групповых методах
соединения отдельных микродеталей в законченную

718
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРЪВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
микроконструкцию при создании
микроминиатюрных мехатронных компонентов.
III.4. ЭНЕРГЕТИКА МЕХАТРОННЫХ УСТРОЙСТВ И
ТЕХНОЛОГИЙ
Энергоносители и системы
энергообеспечения, характерные для различных
технологических укладов, взаимосвязаны с
применяемыми материалами и используемыми
технологиями их переработки в этих
технологических укладах (см. рис. Ш.З). Биоэнергетика
существующей на Земле биосферы в отличие
от современной техносферы базируется на
слабых взаимодействиях межмолекулярного
характера и не расходует энергоресурсы в
таких гигантских масштабах и такими темпами,
которые характерны для современного
состояния техносферы.
В результате применения мехатронных
технологий и миниатюризации компонентов
мехатронных устройств, сопряженных с
переходом на уровень слабых взаимодействий
межмолекулярного характера, характеристики
энергетики мехатронной техносферы имеют
тенденцию перехода к характеристикам,
свойственным энергетике биосферы, и тем самым,
определяют путь выхода из энергетического
кризиса, который может разразиться к
середине XXI века после исчерпания в недрах Земли
ресурсов газа, нефти и угля.
Энергетика мехатронной технологии
ориентируется на гибридную технологию
энергообеспечения комбинированными
способами и устройствами передачи, накопления и
преобразования энергии, в том числе
молекулярного типа, с использованием тонкой
керамики и композитов с высокотемпературной
сверхпроводимостью. Основным свойством
мехатронных энергетических компонентов
является возможность встраивания в
конструкцию мехатронных устройств любой
конфигурации и размеров, а также подзарядки от
внешних источников энергии бесконтактно-
индукционным способом и путем
преобразования других видов энергии в электрическую.
В качестве преобразующих устройств могут
использоваться солнечные батареи,
термопреобразователи, тензопреобразователи,
преобразователи энергии молекулярного и ядерного
распада и др.
Важнейшие направления развития
техносферы под влиянием мехатронной технологии
следующие:
развитие информационных технологий,
приводящих к формированию глобальной
информационной инфраструктуры мировой
экономики и мирового сообщества;
исследование космического
пространства, дна морей и океанов, сверхглубоких
подземных выработок и использование этих
пространств в промышленных целях;
создание и промышленное
использование высокотемпературных сверхпроводников в
системах производства и распределения
электроэнергии, а также во всех мехатронных
системах;
развитие автоматизированного
проектирования и производства мехатронных
компонентов и значительное расширение
применения робототехники.
Развитие мехатронной техносферы
опирается на развитие машиностроения, для
которого характерно появление в определенный
момент очередной доминирующей технико-
технологической волны среди сменявших друг
друга с периодичностью приблизительно 50 -
70 лет волн доминирующих технологий,
которые используют конструкционные материалы
и энергоносители: твердое топливо в паровой
машине, жидкое топливо в двигателе
внутреннего сгорания, электричество в
электродвигателе, ядерные и термоядерные источники
энергии, электрохимические накопители и
электростатические преобразователи в
мехатронных устройствах (см. рис. Ш.З). С той же
периодичностью сменялись уровни
конструктивно-технологической сложности устройств,
характеризующейся количеством
взаимодействующих компонентов (см. рис. Ш.2) и уровни
их автоматизации: механические автоматы,
электромеханические автоматы, электронные
приборы и вычислительные машины, меха-
тронные устройства и мехатронные
технологии, характеризующиеся
автоматизацией управления интеллектуальным потенциалом
на всех стадиях жизненного цикла изделий:
прогнозирование, проектирование, создание,
.испытания, тиражирование, модернизация,
эксплуатация и ремонт, утилизация.
Мехатроника, как перспективное
направление развития технологии производства и
оснащения техники новых поколений,
базируется на существующих закономерностях
развития производственной техносредь*, техники,
технологии и организации производства:
циклическое, колебательное изменение
потенциалов развития всех видов техники;
иерархическое и интеграционное
развитие потенциалов производства,
конкурирующих и диверсифицирующихся между собой;
модульность и специализация
предприятий машиностроения;
организационно-технологический баланс
потенциалов развития продукции и производства;
глобализация информационного и
интеллектуального потенциалов развития.
Интеграционное взаимодействие
компонентов, образующих мехатронику, и
потенциалов развития приводит к появлению мик-
ромехатронных компонентов устройств, нано-
мехатронных и субнаномехатронных структур
и сред на основе молекулярной и атомной
декомпозиции и синтеза материалов с
использованием энергетики слабых взаимодействий
микромира.

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
719
Глубина обрабатываемого отверстия, мм
10
-4
ю
ю
10
мм
Рис. III.5. Применение микро- и нанотехнологии для размерной обработки:
1 - механическая обработка; 2 - электролитическая обработка; 3 - абразивная обработка; 4 - пробивка;
5 - электроразрядная обработка;.6- фототравление; 7- ионно-лучевая обработка; 8- область микротехнологии;
9 - область обработки БИС; 10 - область нанотехнологии
В мехатронных устройствах первого
поколения интеграция функций его компонентов
по управлению и непосредственному
осуществлению производственного процесса
происходит на уровне компоновки машин,
комплектуемых силовыми и исполнительными
агрегатами и автоматическими управляющими
системами, оснащенными арсеналом средств,
необходимых для автономного
функционирования (роботы различного назначения, гибкие
производственные системы, бытовые приборы -
видеомагнитофоны, музыкальные центры,
различные кухонные комбайны и др.).
Мехатроннре устройство может включать
в себя источники энергии, чувствительные
элементы, исполнительные механизмы,
средства числового программного управления и
ЭВМ, средства связи. Согласование работы
всех компонентов мехатронного устройства
осуществляется посредством компьютеров и
создания оригинальных алгоритмов адаптации,
слежения, обучения и других задач.
Практическое использование таких
алгоритмов существенно упрощает конструкцию
компонентов мехатронных устройств, что в
условиях возможности реализации микро- и
нанотехнологии по размерной обработке
деталей (рис. III.5) позволяет совмещать и
комбинировать сочетания различных функций его
компонентов и находить совершенно
неожиданные пути миниатюризации мехатронных
устройств.
В реальных условиях проектирования
роботов устройства обработки информации
имеют определенную массу, которая в общем
случае возрастает с увеличением
обрабатывающей способности. До тех пор, пока
уровень миниатюризации превышал некоторый
технический уровень, использование
упомянутых вычислительных средств приводило к
увеличению массы, что затрудняло управление и
требовало введения дополнительных устройств
обработки информации, а это вновь
приводило к увеличению массы, и т.д. по замкнутому
кругу до тех пор, пока не было достигнуто
необходимое критериальное соотношение (III. 1),
после изменения которого на 1&МЕ > С
появились системы, относящиеся к мехатронным.
Миниатюризация, микроминиатюризация,
наноминиатюризапия отражают важнейшую
тенденцию развития техносферы и
обусловливают повышение ее эффективности, так как
подавляющая часть расходуемых ресурсов
(материалов, энергии и информации)
приходится на реализацию простой передаточной
функции перемещения объектов из одной
точки пространства в другую. Стоимость
затрат определяется не столько компонентами
системы, сколько соединениями и
передаточными устройствами между ними, то есть чем
больше размер системы, тем длиннее
соединения между компонентами, тем больше
требуется материалов и тем она дороже. Благодаря
миниатюризации возрастание числа
взаимодействующих компонентов на несколько
порядков (см. рис. Ш.2) не привело к
пропорциональному возрастанию относительных
объемов вложений в производство, например
вычислительной техники, а составило по
укрупненным оценкам в среднем пятикратное
увеличение объемов этих вложений в мире
(рис. Ш.6).

720
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
Отостшлъные объели вложений
>-е поколение*
5-е поколение
Т^хющиониые
производства
межатомные
производства
4-е. пошлете
i960
1970
1980
1990
2О0О
Годы
Рис. III.6. Укрупненная оценка распределения объемов производства поколений вычислительной техники в мире
Ш.5. ПОКОЛЕНИЯ МЕХАТРОННОЙ ТЕХНИКИ И
ТЕХНОЛОГИЙ
Мехатронная функция - интегральная
функция всех агрегатов и составляющих
компонентов систем машин, задействованных в каком-
либо производственном комплексе, включая
перемещение в пространстве и выполнение рабочих
операций, энергообеспечение, связь, обеспечение
безопасности, управление, контроль состояния,
эксплуатационное обслуживание, реновацию,
утилизацию отходов.
В общем случае мехатронное устройство
выполняет функции очувствления, привода
исполнительного органа, обработки
информации и управления. Проблемой создания меха-
тронных устройств остаются
энергообеспечение и привод исполнительных органов из-за
больших габаритов и массы этих
функциональных мехатронных компонентов, чем у
электронных информационно-управляющих
мехатронных компонентов.
Мехатронный компонент - это
заключенный в корпусе или находящийся на
платформе самостоятельный блок (деталь, узел,
агрегат или часть) мехатронного устройства
или мехатронной системы, снабженный
унифицированными стандартными узлами
подсоединения к другим компонентам и
выполняющий одну или несколько функций этого
устройства или системы.
В мехатронном устройстве первого
поколения, например в современном автомобиле,
мехатронная функция складывается из
функций ее компонентов, в том числе систем
управления: силовым агрегатом, ходовой
частью, оборудованием салона, включающим
кондиционер воздуха, электронную панель
приборов, многофункциональную
информационную систему, навигационную систему и
другие системы, обеспечивающие комфортное
и безопасное передвижение и
транспортирование.
В мехатронном устройстве второго
поколения мехатронная функция интегрируется на
уровне компонентов машин, приборов, их
деталей и узлов, например, мультимедийные
системы компьютеров последних поколений,
мехатронные устройства медицинского
назначения (искусственные органы
жизнедеятельности организма - почка, сердце и др.).
Проблемой создания мехатронных
устройств первого и второго поколений остается
недостаточная степень уплотненности
исполнительных механизмов, которая значительно
ниже чем у электронных компонентов. В
промышленных и бытовых роботах первых
поколений степень уплотненности исполнительных
механизмов значительно отличается от степени
уплотненности остальных частей привода и
системы управления, при этом соотношение
размеров и массы сильноточной и
слаботочной частей привода и управления примерно
такая же, как у механической и электрической
частей.
Для третьего и четвертого поколений
мехатронных устройств, появившихся в 90-х
годах, и будущих поколений характерно
применение технологий изготовления наномеха-
тронных и субнаномехатронных структур и

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
721
сред, использующих сверхточные компоненты
элементной базы и такие базовые мехатронные
технологии: субмикронную (электронную,
ультрафиолетовую, рентгеновскую, ионную)
литографию; ионные и жидкостные ориента-
ционные методы прецизионного травления
тонкой керамики (кремний, арсенид галлия и
др.); лазерные и плазменные методы
травления и осаждения из газовой фазы; быструю
тепловую обработку (фотонные, электронные
импульсные пучки); прецизионную
имплантацию; лазерные технологии
микроформообразования на основе групповых методов
локального анизотропного, направленного и
селективного удаления и наращивания материалов,
включая молекулярные и атомные
декомпозицию и синтез как новых материалов, так и
законченных конструкций различных изделий,
а также групповых методов соединения
отдельных микродеталей из однородных и
разнородных материалов.
Мехатронные устройства третьего
поколения - это микрокомпоненты: микродетали,
микроинструменты, микроманипуляторы,
микродозаторы, микронасосы, микроразъемы,
микропереключатели, микрореле и другие
контактные коммутирующие микроустройства,
динамические микроконденсаторы,
микрокорпуса, микроустройства, микромеханизмы,
микродвигатели и микромашины, а также
микросенсоры и микроактюаторы широкой
номенклатуры для регистрации, измерения и
преобразования физических, химических и
биологических параметров на основе
результатов исследований принципов, явлений и
эффектов, материалов и технологий, пригодных
для мехатронных сенсоров и актюаторов (см.
подразд. 5.2.3). К ним относятся также
мехатронные компоненты, создаваемые на основе
эффекта инерционного пьезодвигателя - пье-
зодатчики и пьезоактюаторы сканирующих
туннельных микроскопов или микроскопов
атомных сил, а также микромехатронных
технологических комплексов: обрабатывающих,
контрольно-измерительных и сборочных.
Мехатронные устройства четвертого
поколения - это компоненты, которые
характеризуются наличием интеллектуальных
мехатронных устройств с применением оптосен-
сорных и биосенсорных систем, контрольно-
измерительных систем и обрабатывающих
станков субмикронной точности, которые
определяют развитие манипуляционных систем
повышенной надежности для работы в
экстремальных условиях с использованием
конструкций механизмов параллельной структуры,
создаваемых на базе естественных и
синтезированных кристаллических решеток и
конструкций композиционных материалов. Эти
устройства также характеризуются
применением мультисенсорных станций, исполнительных
мехатронных микромеханизмов,
интегрированных с микроэлектронными устройствами
управления, микроминиатюрными
источниками энергии, генераторами энергии с высокой
объемной плотностью, микрообъемными
конструктивами ввода и вывода энергии в пьезо-
системы и магнитосистемы.
Мехатронные устройства четвертого
поколения включают
информационно-измерительные и управляющие мехатронные
микросистемы и микророботы, предназначенные для
использования во всех сферах человеческой
деятельности: здравоохранении, образовании,
охране окружающей среды, науке, искусстве,
производстве и быту. Они могут проникать по
сосудам внутрь организма, чтобы бороться с
раком, атеросклерозом, или оперировать
поврежденные органы и ткани; их можно
использовать для обнаружения и ремонта
трещин и других дефектов внутри ядерных
реакторов и космических летательных аппаратов, а
также везде, где пребывание человека с
арсеналом традиционных инструментальных
средств невозможно или нежелательно.
Моделирование автоколебательных
процессов поверхностных и внутренних волн
деформации в пьезопленках и пьезоволокнах, а
также процессов взаимодействия на
синтетических циклических бинарных полимерах с сег-
нетоэлектрическими свойствами, аналогичных
процессам взаимодействия белковых молекул
при мышечных сокращениях, позволило
вплотную подойти к созданию мехатронных
устройств пятого поколения - биороботов.
Прогнозируемые мехатронные устройства
пятого поколения альтернативны
локализованным системам автоматического управления
и традиционным машинам и механизмам. Эти
мехатронные устройства, в которых
осуществляется устранение фрикционных пар,
создаются на основе использования пространственной
интеграции микро- и наномехатронных
модулей, выполняющих функции размерной
самоустановки, самоперемещения и
самодеформируемости, и характеризуются максимальным
приближением в перспективе к предельно
возможным требованиям экологии,
эргономики, энергосбережения и надежности.
В мехатронных устройствах пятого
поколения произойдет замещение числового
программного управления с помощью
традиционных компьютерных и программных средств
нейрочипами и нейрокомпьютерами,
основанными на принципах работы мозга и
способных к целесообразной деятельности в
меняющейся внешней среде без программного
обеспечения. Создаваемые модели нейронов
для использования в неиросетях мехатронных
систем пятого поколения будут
функционировать на основе предполагаемых
внутриклеточных химических реакций, продукты которых
накапливаются при распознавании
управляющих сигналов и прогнозировании возможных

722
МЕХАТРОНИКА ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
последствий для принятия решений о
перестройке возбудимости нейрона. Нейрон,
построенный на этих принципах, в отличие от
традиционной нейронный сети имеет
единственный бинарный выход, а роль физических
связей между нейронами выполняют
внутриклеточные химические связи.
Прогнозируемый дизайн перспективных
мехатронных систем, альтернативных
традиционным системам машин, исключает
привычные архаичные формы и будет зависеть только
от эргономических потребностей человека и
требований к экологии окружающей среды.
Начиная с пятого поколения мехатрон-
ной техники начнет осуществляться
качественный переход техносферы на уровень
функционирования и развития при слабых
энергетических взаимодействиях ее компонентов,
характерных для объектов микромира живой и
неживой природы. Переход мехатронной
техносферы на новый энергетический уровень
слабых взаимодействий предотвратит
экологическую катастрофу на планете на период
времени нового витка развития техносферы.
Создание мехатронных систем и их
эксплуатация требуют создания мехатронной
производственной техносредыд состоящей из
мехатронного производства, оснащенного
многофункциональными и универсальными
мехатронными производственными модулями
нового поколения, и нового адаптированного
поколения специалистов, воспитанных в духе
перманентных инноваций и способных к
интегрированному применению всего блока
дисциплин по мехатронике и программно-
вычислительным средствам и подходов к
решению конструкторско-технологических задач.
Стоимость создания мехатронных
производств в 5 - 10 раз превышает стоимость
традиционных производств (см. рис. Ш.6),
однако быстро окупается благодаря их
максимально возможной гибкости по сравнению со
всеми известными типами автоматизированных
производств, т.е. возможностью выпуска
единичных изделий, являющихся по уровню
техники изобретениями, а по качеству
конструкции превышающих серийные образцы.
Сверхгибкость мехатронных производств
обусловлена их способностью к
самосовершенствованию и самовоспроизводству, которыми
не обладают традиционные
автоматизированные производства. Поэтому при наличии
интеллектуальных ресурсов, взаимодействующих
с мехатронной техносредой, гибкие мехатрон-
ные производства оказываются вне
конкуренции и вытесняют все другие типы
автоматизированных производств.
III.6. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕХАТРОННЫЕ МОДУЛИ
Мехатронный модуль - это
универсальное, унифицированное, перепрограммируемое
мехатронное устройство, предназначенное для
выполнения определенного набора функций с
качественно-количественным преобладанием
"определенных свойств, например, размерная
самоустановка, самоперемещение,
самодеформируемость.
Мехатронный производственный модуль -
это функциональное законченное изделие,
обеспечивающее технологически замкнутый
цикл выполнения операций, определяемых
алгоритмом управления встроенной ЭВМ.
Мехатронные производственные модули
состоят из унифицированных мехатронных
компонентов, которые благодаря своей
универсальности и многофункциональности могут
быть использованы для комплектования как
аналогичных производственных систем, так и
производственно-технологических систем
другого назначения. Например, транспортно-
манипуляционный модуль может быть
использован как для комплектования
технологической линии сборки видеомагнитофонов, так и
в конструкции самого видеомагнитофона или
еще где-либо при согласовании допустимых и
требуемых функций и параметров данного
производственного модуля.
На рис. III.7 приведены схемы движи-
тельного модуля, работающего по принципу
линейного шагового двигателя с
перезацепляющимися гибкими зубьями а и б,
управляемыми с помощью катушек индуктивности м,
нанесенными печатным способом на гибкую
ленточную основу, сплетенную в легко
деформируемую эластичную конструкцию (сечения
А - Ау В - Д Г - Г и Д - Д). Шаг
позиционирования кратен толщине ленточной основы, а
точность позиционирования соответствует
погрешности толщины основы. При подаче
электрических потенциалов на
соответствующие катушки м эластичная конструкция из
двух сплетенных гирлянд А и Б приводится в
движение. Миниатюризация такого
конструктива может достигать сотых и тысячных долей
миллиметра, если вместо эффекта
индуктивности использовать эффекты магнито- или элек-
трострикции при соответствующем выборе
материала основы.
На рис. III .8 приведены схемы
агрегатирования линейных движительных модулей (дм)
или в протяженную нить, или в жгут из
нескольких протяженных нитей, а также схемы
расположения модулей в поперечном сечении
жгута и вариант пространственной схемы
агрегирования.
Многофункциональные технологические
комплексы на базе мехатронных движительных
модулей и сканирующих туннельных
микроскопов позволяют изготовлять отдельные
мехатронные компоненты, квантовые
интегральные модули, терабитные запоминающие
устройства и другие наномехатронные системы.
Базовый конструктив мехатронных
компонентов и мехатронные модулей
обеспечивает интегрируемость в любые производственно-
технологические системы на основе сквозной -

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
723
Рис. III.7. Схемы мехатронного движительного модуля (линейный шаговый макродвигатель)
замкнутой информационной и конструктивно-
технологической сопрягаемости многофунк-
циональньгх микро-наномехатронных модулей
и компонентов, предназначенных для универ-
сального использования как в производствен-
но-технологических системах машин у произ-
водителя, так и в системах машин отраслевого
назначения у потребителя, например, в стан-
костроении, приборостроении, автосельхоз-
машиностроении, медицинском оборудовании
и протезостроении, электротехническом, тяже-
лом, транспортном, энергетическом машино-
строении и других отраслях.
Транспортные, манипуляционные и
трансмиссионные мехатронные модули созда-
ются с использованием наноприводов на ос-
нове магнито- и электрострикции, электроста-
тических и электромагнитных эффектов, эф-

724
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
движительте лодули
рчЛ/IVIV Л/4V <V <V <W p|<V TV <V #V IV fV rv I
LJft//UOJIV/VIV Л/IVIVU/V/V Л» IV ft* «VtfV <
«v/vpi^vrvrvrviviv/vivn/i-Tirwrt/^v/vn/n/i
П/ IV IV rV Л/ «V #V fV |
L
V /VyVjK*V*V«V«V/V IV /V Л
a a a a q
? a a a a
a a a a n\
Рис. III.8. Схемы агрегирования линейных движительных модулей
фектов памяти формы и микрогидравлических
эффектов, а также схем механизмов параллельной
структуры с упругогибкими связями, в которых
полностью отсутствуют традиционные
шарнирные соединения и подвижные с
проскальзыванием кинематические пары, что обусловлено
требованиями микро- и нанотехнологии, ще
масштабный фактор приводит к преобладанию сил меж-
молекупярного взаимодействия.
Модификации движительных мехатрон-
ных модулей могут быть условно следующими:
"точный" Ту "быстрый" Б и "сильный" С. На
рис. III.9 изображены возможные варианты
использования однотипных конструктивов для
реализации этих модификаций на примере
стержневых редукторов, выполненных
целиком из электрострикционного материала либо
со встроенными пьезодвигателями Рэ (см. рис.
Ш.9, а, б) и соответствующие им условные
обозначения и кинематические схемы
стержневых редукторов: В зависимости от схемы
подключения электрического потенциала
реализуется одна из функциональных
модификаций: "быстрый" - Б или "сильный" - С. На рис.
Ш.9, в - е изображены варианты схем
агрегирования плоскостных движительных модулей
пленочного типа в различные структуры,
обладающие свойствами С, БС, 45, 2 С, 4 С для
динамического преобразования пространственных
форм и поверхностей в результате самодоформи-
рования отдельных компонентов на локальных
участках образованной структуры.
Традиционная технология сборки деталей
и узлов заменяется микросистемными
технологиями молекулярной "сборки" эластичных
интегральных мехатронных структур,
напоминающими технологии прядения, ткачества и
производства нетканых материалов из
самоагрегирующихся под воздействием
пульсирующих полей (вибрационных, электромагнитных,
тепловых и др.) структурированных композит-

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ 725
/5С
Рис. Ш.9. Схемы arperapoi
модулей
ных волокон и пленок из магнито- и электро-
стрикционных материалов со встроенными
фотомонтажом и эпитаксией плоских и
пространственных стержневых механизмов и
других функциональных мехатронных
компонентов. На рис. III. 10 показаны компоновки
эластичной основы для мехатронных структур.
Принципы создания мехатронных
устройств являются по существу
приспосабливанием известных из живой природы принципов
и конструктивных решений, являющихся
результатом эволюции и длительного
естественного отбора живых организмов,
представляющих собой высокоорганизованные и
совершенные биологические "устройства".
Принципы децентрализации и
распределенной структуры в мехатронных системах
вызваны требованиями повышенной
надежности, которые реализуются в механической
части устройств схемами механизмов парал-

726
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
ВЯЗАНАЯ ОСНОВА
МНОГООСНАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ
ВЯЗАНАЯ ОСНОВА
ТРЕХМЕРНАЯ
ОРТОГОНАЛЬНАЯ ОСНОВА
КОНСТРУКЦИЯ С БЛОКИРОВАННЫМИ УГЛАМИ
трехмерная цилиндрическая
конструкция
Г'НИЕ
Рис. ШЛО. Компоновки эластичной основы для мехатронных структур
дельной структуры, а в части контроля,
обработки информации и управления - с помощью
систем иерархического типа в сочетании с
различными сетевыми решениями систем с
сильными и слабыми связями. На рис. III. 11
изображено схематическое устройство мышцы,
а на рис. III. 12 - схематическое устройство
нервной системы человека. В первом, втором,
третьем и последующих поколениях
мехатронных устройств осуществится приближение к
схемам и принципам построения и
функционирования биологических систем, будут
разрабатываться и совершенствоваться мехатронные
компоненты, мехатронные устройства и
мехатронные системы, например изображенные на
рис. III. 13 и III. 14.
В эластичных мультикомплексных
мехатронных структурах в отличие от
твердотельных интегральных структур микроэлектроники
будет иметь место пространственно-временное

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
727
Пучок мышечных
волокон
/ 2г
/ Н- мае- J4
J зона тиш диск диск
Миофибрнл/из
v Мономерб!
Mo/teKy/ta миозина
Рис. III. 11. Схематическое устройство скелетной мышцы человека
течение энергетических процессов, а
носителем информации будет многомерный сигнал,
содержащий помимо оптоэлектрических
составляющих механические импульсы силы,
вращающего момента и соответствующие
перемещения, близкие по природе к
биохимическим преобразованиям в живых тканях.
Воздействия многомерного
управляющего сигнала на мультикомплексную меха-
тронную структуру будут обрабатываться ею и
будет осуществляться многомерная функция в
автоматическом режиме, в том числе
самодеформирование и самоперемещение.
Многомерность и
многофункциональность компонентов перспективной мульти-
комплексной мехатронной элементной базы
создают широкие возможности для реализации
производственного потенциала мехатронной
техносреды.
Ш.7. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАТРОННОЙ
ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИЙ
Качественным переходом
производственной техносреды на мехатронный уровень,
отличающим его от предшествующих
технологических укладов развития техники и
технологии, станет приобретение мехатронной
средой свойств самовоспроизводства и
самосовершенствования по критериям, заданным
человеком, на основе глобальной и
всеобъемлющей интеграции всех информационных
ресурсов и всего интеллектуального
потенциала, задействованного на всех стадиях
жизненного цикла для всех мехатронных систем,
построенных по единой технологии на единой
элементной базе.

728
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
й)
Рис. III. 12. Схематическое устройство нервной системы человека:
а - центральная нервная система;
1 - от органов чувств; 2 - ядро спинного столба; 3 - ядро тройничного нерва; 4 - ядро головного мозга;
5 - область движения; 6 - пирамидный путь; 7- область нижних конечностей;
8 - область верхних конечностей; 9 - область головы; 10 - таламус; 11 - вестибулярное ядро;
12 - сетчатое тело; 13 - двигательный нейрон; 14 - к мышце;
б - рефлекторные центры;
1 - спинальные ганглии; 2 - ганглии (нервные узлы); 3 - двигательная нервная система; 4 - двигательный нерв;
5 - чувствительный нерв; 6 - скелетная мышца; 7- животные рефлексы; 8 - кожа; 9 - вегетативные рефлексы;
10 - внутренние органы; 11 - вегетативная (автономная) нервная система; 12 - симпатический нерв;
13 - парасимпатический нерв; 14 - чувствительный нерв
Рис. III. 13. Мехатронный схват различных поколений робототехники

МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
729

Вычислительная сеть
{сеть ЭВМ)
-Локальное упрабл^ющее
устройство
Рис. III. 14. Схема управления антропоморфным манипулятором с распределенными управляющими устройствами
Гибкое, интегрированное,
автоматизированное производство мультикомплексных ме-
хатронных модулей на конвейерном потоке в
результате единства элементной
конструкционной базы у производителя и потребителя
приведет к сенергетическому эффекту
интеграции всех потенциалов развития техносферы
и, в первую очередь, - интеллектуального и
информационного.
Мехатронная техносфера представит
собой совокупность систем технологических
роботов вместе со всей совокупностью
технических средств, все компоненты которых, не
связанные непосредственно с
антропометрическими параметрами человека, миниатюризи-
руются до микроскопических размеров с
приобретением свойств, характерных для всех
биологических систем в биосфере, к которым
относятся автономное энергообеспечение,
самовоспроизводство, самоорганизация и
самосовершенствование.
Автономное энергообеспечение
мобильных технологических микророботов
осуществится комбинацией различных способов,
одним из которых может быть энергопитание от
гибкопленочньгх солнечных батарей,
покрывающих корпусные поверхности с
аккумулированием в молекулярных накопителях и
периодической подзарядкой от внешних
источников энергии.
Конструктивно-унифицированные
универсальные микророботы, программируемые и
перепрограммируемые на выполнение той или
иной технологической операции, будут иметь
типоразмеры от долей миллиметра до
привычных типоразмеров традиционных машин. Их
использование будет, видимо, повсеместным,
так как одни и те же мехатронные модули
благодаря своей универсальности и перепро-
граммируемости будут пригодны для
использования и в медицинских целях, и в горных
выработках, и на дне океанов, и в ближнем и
в дальнем космосе.
Микроробототехнические системы,
вероятно, заменят в ближайшие десятилетия XXI
века традиционные технические средства,
которые создаются, применяются и
технологически объединяются в системы машин,
оборудования и приборов различных территориально-
национальных комплексов, таких, как
топливно-энергетический, машиностроительный,
оборонный, строительный, аграрный,
транспортный, легкой и пищевой промышленности,
медицинский, культурный, спортивный и др.
В агрокомплексе микророботы смогут
производить посев, обработку, уборку урожая,
борьбу с сорняками и вредителями растений,
перебираясь от стебля к стеблю растений, не
травмируя почву и не загрязняя окружающую
природную среду выбросами. Эти же микро-
роботы могут быть переоборудованы и
перепрограммированы на утилизацию городских и
промышленных свалок отходов, которые
превратились в залежи ресурсов для мехатронных

730
МЕХАТРОНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И УРОВНИ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
технологий. На несколько порядков могут
сократиться затраты, если поручить
микророботам создавать и конструировать здания и
сооружения из "кирпичиков" - кристаллов
кварца и других распространенных на планете
минералов. При этом конструкции могут
иметь любую форму, например, как у
кораллов, пчелиных сотов или паутины, а также
любую задаваемую структуру для обеспечения
звуко-, свето-, тепло- и любой другой
изоляции или, наоборот, проницаемости.
Мехатронная техносфера выходит на
рубеже XX и XXI веков на качественно новый
уровень развития, обретая в некотором смысле
свойства биосферы - саморазвитие и
самосовершенствование. Процесс развития
техносферы будет подчинен интересам людей, однако
восстановительные ресурсы природы
ограничены, поэтому главным критерием,
задаваемым человеком исходя из цели
самосохранения, в XXI веке будет критерий
экологического равновесия мехатронной техносферы и
биосферы.
Производство мехатронной продукции. Об
объемах рынка мехатронных продуктов судить
трудно, так как границы мехатроники
охватывают все маштабы технологий - от "макро"- и
"микро"-, до "нано"- и "субнано". Любое
устройство или материал, в котором
автоматическое управление механическим движением его
частей осуществляется с помощью
программно-вычислительных средств, может быть
отнесено к мехатронной продукции. Масштабность
мехатроники отображена в концепции
многоступенчатости проникновения в наномир.
Макромашина воздействует в пределах своего
масштаба точности на микромашину, которая,
в свою очередь, воздействует в пределах своего
масштаба точности на наномашину, а га по
сути представляет собой управляемую
молекулу, которая может воздействовать в пределах
своей точности на атомы, осуществляя
механическим путем управляемый химический
синтез молекул.
Нанотехнология занимается системами,
новые функции и свойства которых зависят
только от наноскалических эффектов их
компонентов. Существуют два принципа в нано-
технологии. Согласно первому (top-down) в
объеме вещества, например кремния,
вытравливают искомую структуру. По такому
принципу работает микросистемная техника,
занимающаяся главным образом структурами
размером от миллиметров до микрометра.
Согласно второму принципу (bottom-up) из
отдельных атомов молекул или мельчайших
частиц строят, как из кирпичиков, нужные
структуры. На таком принципе основана
нанотехнология, занимающаяся структурами размером
до нанометра. Понятие "нанотехнология"
включает в себя методы микросистемной
техники и химии (механосинтетические
химические реакции). Все большее применение
находят в ней и такие биологические принципы,
как самоорганизация молекул.
Первым высказал свою идею создания
молекулярных машин американский физик-
теоретик, один из основателей квантовой
электродинамики Р. Ф. Фейнман в 1959 г. В то
время ученых занимали проблемы макромира и
большинство из них было занято разработками
межпланетного космического путешествия.
Фейнман пробудил у них интерес к
возможностям управления отдельными молекулами или
даже атомами для создания из них
молекулярных машин (механизмов).
Началом наномехатронной техники
следует считать создание растрово-туннельного
микроскопа в начале 80-х годов немецким
физиком Г. Биннигом и его швейцарским
коллегой X. Рорером, получившими за это
изобретение Нобелевскую премию по физике
1986 г. Это изобретение показало, что с
помощью нанотехнологии можно не только
рассматривать поверхности с атомарным
разрушением, но и манипулировать атомами.
В 1996 г. Р. Е. Смаллей (США) получил
Нобелевскую премию по химии за открытие
шарообразных молекул углерода "Buckminster
Fullerenes" (сокращенно "buckyballs"),
названных по имени известного архитектора
сферических куполов. Технология получения этого
вещества базируется на лазерном выпаривании
углерода и последующем соединении атомов
углерода в полую сферу в инертном газе типа
гелия. В 1996 г. в Цюрихской лаборатории
IBM был создан манипулятор -
микрокинематическая цепь с дискретностью перемещений
менее нанометра. Этот манипулятор
перемещает сверхточный наконечник сканирующего
туннельного микроскопа (STM); Он
производит сборку молекул углерода "buckyballs" при
создании молекулярного усилителя. Тогда же
Д. Тойп, профессор химии из США создал
первый функционирующий квантовый провод -
молекулярную цепь, звеном которой является
отдельная молекула соединившая поверхность
основания и наконечник STM.
Растрово-туннельный микроскоп и
энергетический микроскоп в наши дни стали
обычными инструментами, мехатронная
растровая техника является важным подспорьем в
деятельности наноконструкторов.
Благодаря мехатронике возникла связь
между биотехнологией и нанотехнологией,
например против мозговых опухолей
используют магнитные частицы оксида железа,
которые упакованы в оболочку, служащую
ловушкой для раковых клеток и безвредную для
здоровых тканей. Клетки опухоли усваивают
замаскированные частицы и даже передают их
своим дочерним клеткам. При воздействии
переменного электромагнитного поля
намагниченные частицы начинают вибрировать и

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
731
разогревают опухоль до 46 °С. В результате
клетки опухоли отмирают и отторгаются.
Покрытия поверхностей, например,
пластмассовых стекол для очков, уязвимы для
царапин. Пластмассу покрывают тончайшим
слоем из наночастиц золота, серебра, палладия
и меди в количестве 20 - 30 млрд. частиц на
1 см2, которые закрепляются на поверхности
пластмассы при относительно низких
температурах, образуя прочный слой, устойчивый к
царапинам. Поверхности стен домов и вагонов
метро будут покрываться прозрачным слоем,
содержащим наноструктуры, которые под
микроскопом выглядят как щетинки зубной
щетки. Частицы краски или пыли удержаться
на них не могут.
Подготовка специалистов по мехатронике.
Во многих промышленно развитых странах
ведется подготовка инженеров-мехатронщи-
ков, способных создавать, исследовать и
эксплуатировать мехатронные компоненты и
комплексы.
В России с 1995 г. введена новая учебная
специальность 071800 - Мехатроника.
Государственный образовательный стандарт
высшего профессионального образования
регламентирует требования к подготовке
специалистов по этой специальности. Определено место
специальности в области науки и техники. В
соответствии с этим стандартом мехатроника -
это область науки и техники, занимающаяся
эксплуатацией машин и систем с компьютерным
управлением движением, которая базируется на
знаниях в области механики, электроники, и
микропроцессорной техники, информатики и
компьютерного управления движением машин и
агрегатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Асфаль Р. Роботы и автоматизация
производства. М.: Машиностроение, 1989. 448 с.
2. Исии Т., Симояма И. Мехатроника /
Пер. с япон. М.: Мир, 1988. 319 с.
3. Сига X., Мидзугани С. Введение в
автомобильную электронику / Пер. с япон. М.:
Мир, 1989. 232 с.
4. Слесарев М. Ю., Старостин А. К.
Движительный модуль, способ управления и
способ его изготовления. Патент РФ №
2051465, кл. Н02К 41/03, 1992. 36 с.
5. Слесарев М. Ю., Старостин А. К.
Концептуальная модель эффективного
развития техносферы. Киев: УкрИНТЭИ, 1992. 44 с.
6. Слесарев М. Ю. Прогнозирование
технического уровня. Конструирование машин /
Справочное методическое пособие в 2-х томах.
Т. 1. М.: Машиностроение, 1994. С. 145 - 151.

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорбция 55
Автолегирование 183
Адсорбция 56
Активирование фотокатода 682
Актиночувствительный слой 472
Алмаз - Особенности структуры 222
Безотказность 44
Биомехатроника 716
Бринелля-Хаворта метод 219
Бугера-Ламберта закон 153
Быстрая термическая обработка 170 - 172
Оборудование - см. Оборудование для быстрой
термической обработки
В
Вакуумметры - Назначение 308 -
Классификация 332
- деформационные 308, 332, 333
- тепловые 308, 333, 334
- ионизационные 308, 335, 336
- магнитные электроразрядные 336
- радиоизотопные 335
Вакуумная газо-плазменная обработка 87
Вакуумная запорная и регулирующая
арматура 318, 319 - см. Клапаны; Затворы; Нате-
катели
Вакуумные системы - Схема 307 - Откач-
ные средства - см. Насосы вакуумные -
Средства измерения вакуума - см. Вакуумметры -
Средства для защиты откачиваемых объемов -
см. Ловушки вакуумные - Порядок разработки
339 - Расчет проводимости при различных
режимах течения газа 340 - 342 - Расчет
проводимости сложных систем 342, 343 - Выбор
вспомогательного насоса 343 - Расчет
длительности откачки 343, 344 -, Методы дозирования
потока в газовую камеру 344
- для откачки ЭВП 690
Вакуумные шлюзовые системы - Понятие
264
- закрытые 264 - 266
- открытые 266, 267
- полуоткрытые 267, 268
- комбинированные 268, 269
- установок периодического действия
269, 270
- установок полунепрерывного действия
270 - 272
- установок непрерывного действия 272,
273
Вводы движения в вакуум -
Классификация 281, 282 - Конструкции 281 - 284, 287,
289 - 291 - Удельный поток газовыделения
различных материалов 283 - Формулы для
расчета параметров 285 - 287 - Поток водорода
через сильфоны при различных температурах
287
409
Венельта цилиндр 75
Вторично-ионная масс-спектроскопия 408,
Газоанализаторы масс-спектрометрические
- Принцип действия 337 - Классификация 338
- Технические характеристики 338
- статические 338
- динамические 338
- квадрупольные 339
Газовые системы - Назначение 354 -
Классификация 354 - Требования 354, 355 -
Схема 356, 357 - Запорные элементы 356, 357,
359, 360 - Предохранительные элементы 356,
358 - 361 - Регулирующие элементы 356, 362 -
366 - Датчики 366 - Вентили 366 - Элементы
контроля давления 367 - Фильтры 369, 370 -
Фильтродержатели 370 - Присоединительные
элементы 370, 371
Газопоглотители - Обезгаживание,
распыление и активирование 705, 706
- распыляемые 627 - 629
- нераспыляемые 627, 629
Герметизация ИЭТ - Назначение 524 -
Классификация методов 524, 525 - Герметики
526 - Схемы образования дефектов 526 -
Конструктивно-технологические средства
повышения эффективности 527 - 529
Генерирование 493
Геттеры - см. Газопоглотители
Гибкие производственные модули 429, 430
Гибкие производственные системы -
Состав 429, 430 - Понятие 432 - Структурная
схема интегрированной системы управления
432 - 434
ГОСТ
380-94 345
5632-72 345
20072-74 345
20406-75 557, 566, 576
23751-86 559, 576
23752-79 576
27835-81 320, 326
26526-85 320
27200-87 576
27716-88 575
2.417-91 576
Графит - Особенности структуры 222
Д
Датчики в системах управления
технологическими процессами - Понятие 449 -
Показатели качества 449 - 451 - Выбор типа 451 -
Общие схемы 451 - 453 - Физические принципы
преобразования измеряемых неэлектрических
величин. 453, 454 - Перспективы
совершенствования 454, 455
Диаграмма Исикавы 41, 42
- Паретто 42

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
733
Диоксид кремния - Варианты
использования в технологии микросхем 191 -
Особенности 192 - Двухмерная модель 192
Дифракция электронов 406
Диффузия - Понятие 194 - Механизмы
195 - Характеристики 195 - Применение 196
- радиационно-стимулированная 128, 129
Долговечность 44
Ж
Жидкие кристаллы - Понятие 600 -
Разновидности 600, 601 - Применение 601 -
Требования 601 - Эффекты 601, 602
Заварка стеклооболочек электровакуумной
аппаратуры - Критерии качества 672 - Типовой
технологический процесс 672 -
Предварительный разогрев зоны заварки 673, 674 - Заварка
ножки 673, 674 - Отжиг заваренной оболочки
673, 674 - Технологическое оборудование 675 -
681
Затворы - Назначение 326
- маятникового типа с
электромеханическим приводом 326
-шиберного типа 327, 328
И
Изготовление изделий микромеханики -
Особенности 503, 505, 506 - Подготовка
пластин 504 - Нанесение маскирующего покрытия
504 - Двусторонняя фотолитография 504 -
Изготовление интегральной тензосхемы 504 -
Микпрофилирование пластин 504, 506 -
Соединение деталей в микроконструкцию 504 -
Пример изготовления кремниевого датчика
давления 504, 505 - Изотропное травление
кремния 506, 507 - Анизотропное травление
кремния 507 - Электростатическое соединение
кремния со стеклом 509, 510
Изготовление печатных плат -
Технологические операции 568 - Оборудование 568 -
Методы 568 - Методы получения рисунка 568,
569 - Тенденции развития 574 - Фотошаблоны
575 - Оригиналы 575
- односторонних 570
- двусторонних 570 - 572
- многослойных 572, 573
- многоуровневых 574, 575
Изготовление печатных узлов РЭА -
Структура трудоемкости сборки 577 - Методы
повышения трудоемкости 577, 578 - Этапы
автоматизации и механизации 578 - Основные
варианты технологиченских процессов 580, 581
- Элементная база 582 - Упаковка ИЭТ и ПМ
ИЭТ 582 - 584 - Оборудование для сборки -
см. Оборудование для сборки печатных узлов
РЭА - Пайка волной припоя 587 - Пайка ПУ
двойной волной припоя 587, 588 - Пайка ПУ
в паро-газовой фазе 588 - Пайка ПУ
расплавлением дозированного припоя инфракрасным
нагревом 589 - Лазерная пайка ПУ 589 -
Припои 589, 590, 591 - Припойные пасты 599 -
Флюсы 590, 591
Изготовление полупроводниковых пластин
из кремния - Этапы механической обработки
460 - 466 - Свойства основных абразивных
материалов, используемых при механической
обработке 462 - Методы контроля качества в
процессе и после механической обработки 463
- 466 - Механическое полирование 467 -
Химико-механическое полирование 467 - 470 -
Структура поверхности обработанной
пластины 471 - Технологический маршрут 471
Изделия электронной техники (ИЭТ) -
Факторы, определяющие качество и
надежность 42 - 44 - Методы оценки качества 42 -
Последовательность разработки, производства
и эксплуатации 42, 43 - Контроль качества 42,
43, 46, 47 - Типовые представители конструк-
торско-технологических групп 582
Излучение электронов рекомбинационное
61
Измерение величины физической -
Методы 530 - Средства - см. Мера; Измерительные
приборы; Измерительные преобразователи
Измерительная цепь 530
Измерительные преобразователи 530
Измерительные приборы - Понятие 530 -
Классификация 530 - Условные обозначения
схем 531
- прямого преобразования 530
- косвенного преобразования 532, 533
Имплантация ионная - см. Ионная
имплантация
Индикаторы тонкопленочные электролю-
минисцентные - Особенности 596, 597 -
Конструкция 597 - Изготовление 598, 599 -
Применение 599
Индуктор 687
Интегральные микросхемы - Этапы
технологического маршрута изготовления 490 -
Особенности формирования микроструктур
490
- гибриднопленочные 490 - 492
- полупроводниковые 493 - 497
Информационно-измерительные системы -
назначение 448
Ионная имплантация - Понятие 29 -
Сущность 121 - 124 - Преимущества' 122 -
Недостатки 122 - Дефекты и способы их
устранения 124, 125 - Применение 125 - 133 -
Оборудование - см. Оборудование для ионной
имплантации - Методы измерения
характеристик 136, 137
Ионное легирование - см. Ионная
имплантация
Ионное распыление 29
Ионно-лучевая обработка - Сущность 101
- Характерные процессы массопереноса
вещества при различных энергиях частиц 101 -
Ионы 102, 103 - Схемы 103, 417, 418 - Очист-

734
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
ка, активация и полирование поверхности 104
- Травление материалов 104 - 106 - Нанесение
пленок 106 - Технологические источники
ионов - см. Технологическмие источники ионов -
Оборудование - см. Оборудование для ионно-
лучевой обработки
Ионолюминесценцвя 29
Источники иоиов технологические - см.
Технологические источники ионов
Источники рентгеновского излучения 403,
404
- мягкого с электронно-лучевым
возбуждением 141, 142 - см. Оборудование для рентге-
нолитографии
- мягкого с интенсивно охлаждаемым
анодом 142
- мягкого плазменные с лазерной
накачкой 143
- мягкого алекгроразрядные 143
- синхротронного 142 - 143
- характеристического и тормозного
точечные 141, 142
- из высокотемпературной плазмы 142,
143
К
Кэширование 123
Карбин - Особенности структуры 222
Катодное распыление - см. Ионное
распыление
КатодолюМинесцеиция - см. Излучение
электронов рекомбинационное
Катоды вакуумных приборов оксидные -
Обезгаживание и активирование 702 - 704
- металлопористые - Обезгаживание и
активирование 704
- вольфрамовые карбидно-ториевые 704
Качество ИЭТ - Понятие 42
Керамика 350, 351
Керамические спаи ЭВП -
Формообразование 614, 615
Клапаны - Назначение 318
- угловые с ручным приводом 319
- цельнометаллические с ручным
приводом 320
- угловые с электромагнитным приводом
320 - 322
- магнитные проходные напускные 322
- пневматические условные 323 - 325
- с электромеханическим приводом и
системой автоматики 325
- с электромеханическим приводом 326
- аварийно-напускные с
электромеханическим приводом 326
- с управлением от пневмопривода 357
Классификатор продукции
машиностроения - Содержание 18 - Применение 18, 19 -
Группы продукции 19 - Выбор системы
классификационных признаков 19, 20 - Код 20, 24
- Структура укрупненных отраслевых
группировок 21-23
Кластер - Понятие 244 - Состав 248
Контроллеры - Типы 422 - 424
- программируемые 438, 439
Контроль изделий - Понятие 43 -
Разновидности 46, 47
Кремниевые микродатчикн 500, 501
Кремниевый акселерометр 501, 502
Кремниевый датчик потока 502, 503
Кремний - Кристаллическая решетка в
двухмерном виде с незаполненными узлами -
вакансиями 195 - Двухмерная решетка с
дырочной и электронной проводимостью 196 -
Характеристики растворимости примесей в
кремнии 196 - Способы введения примесей
196, 197 - Свойства 498 - Изотропное
травление 506, 507 - Анизотропное травление 507 -
509
- монокристаллический - Свойства 499,
500
Кристалл (чип) 511
Кроссовер 75
Л
Лазерное излучение - Сущность 152, 153 -
Свойства 153 - Характерные значения
плотностей потока 156 - Процессы, происходящие
при его воздействии 155, 157 - 159
Лазерное сканирование 32
Лазерные технологии - Классификация
159» 160 - Принципы разработки
технологической базы 160 - Возможности 160 - 164 -
Лазерная диагностика ИС и технологических
процессов 164, 165 - Структура лазерного
процесса 164
- безрезистная 161, 163, 164
Лазеры технологические - см.
Оборудование лазерное
- на углекислом газе 166, 167
- твердотельные 167, 168
- на азоте 169
Ленгмюра уравнение 67
Линдхарда, Шарфа и Шиотта теория 122,
123
Линзы электронные - Назначение 76
- объективные 76, 77
Литография электронно-лучевая 137, 138
- ионно-лучевая 137
Ловушки вакуумные - Назначение 317
- механические водоохлаждаемые 317
- жалюзийные низкотемпературные 317
- адсорбционные форвакуумные 317, 318
Локально чистые объекты 377
136
М
Маски защитные 572
- резистивные 89
Масс-спектроскопия вторичных ионов
32,
Мера 530
Металлокерамические спаи ЭВП -
Изготовление 615, 618, 619 - Типовые конструкции 618
Металлостеклянные спаи ЭВП -
Разновидности 615, 616 - Изготовление 616-618

ПРВДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
735
Металлургический переход 197
Металлы тугоплавкие 347, 348
- легкоплавкие 353
Мехатроника 17, 714, 718
Мехатроиная система оборудования 717
Мехатронная технология 717, 718
Мехатронная функция 720
Мехатронные модули 722 - 724
Мехатровные устройства 717, 719 - 721
Мехатронный компонент 720
Мехатронный модуль 722
Микродисперсные частицы - Теория
формирования и распределения в вакууме 297,
298
Микролитография - Понятие 472 -
Стадии 472 - Методы 472 - 474 - Требования к
качеству микроструктур 474
Микропроцессорные блоки управления с
УСО 439 - 444
Микроскопы - Разновидности 32
Микроструктуры 25
Микросхемы интегральные - см.
Интегральные микросхемы
Микроскопия растровая туннельная - см.
Растровая туннельная микроскопия
Микротехнология 17
Модификация 87
Молекулярные материалы 221
Монтаж ИЭТ - Межконтактная
коммутация 523, 524 - Микроконтактирование 523,
524 - Классификация методов 525 9
- внутриузловой 524
- межузловой 524
- поверхностный 578
Монте-Карло метод 342
Мультиплицирование 141
Н
Надежность изделия 47
- технологической системы 44 - 46
Нанесение износостойких и
антифрикционных покрытий в вакууме - Элементы
Периодической системы с высокой твердостью 213,
214 - Элементы Периодической системы с
высокими антифрикционными свойствами 214
- Способы улучшения характеристик 216 -
Материалы покрытий 217-219
- вакуумными ионно-плазменными
методами 214 - 216, 218 - 221
- осаждением из газовой среды 214
- электронно-лучевой обработкой 215
- вакуумно-дуговыми методами 216, 217
Нанесение многослойных тонкопленочных
структур в вакууме - Методы расчета и выбора
параметров основных элементов оборудования
237 - 242
Нанесение тонких легированных пленок в
полупроводниковом материале 198 - 201
Нанесение тонких пленок в вакууме -
Требования к покрытиям 208 - Материалы
рабочей камеры 208 - Откачные средства 208 -
Методы 208, 232 - 236 - Подготовка пластин
212 - Параметры осаждения и характеристики
наносимых слоев 212, 213
- термическим испарением 208, 209
- ионно-плазменным распылением 209 -
212
Нанесение тонких пленок диоксида
кремния методом термического окисления 192 - 194
Нанесение углеродных алмазоподобных
пленок - Перспективы применения пленок 222
- Свойства пленок 222, 229 - 232 -
Применение пленок 222, 223 - Методы 223, 227
- термоионным осаждением 223 - 225
- ионно-плазменным распылением 225 -
227
- комбинированными методами 226 - 228
- осаждением из углеродистой плазмы
228, 231
Нанотехнология 25
Напыление лазерное 419
- лазерно-термическое 420
Насосы вакуумные - Назначение 308 -
Основные параметры 309 - Разновидности 308
- 317
Натекатели - Назначение 329 -
Разновидности 329 - 331
Нейтронно-активационный анализ 136
Ноосфера 716
О
Оборудование вакуумное для
производства твердотельных лазеров 251 - 253, 259 - 261
- для производства полупроводниковых
лазеров 253, 254, 262, 263
- для производства кольцевых лазеров
•254-257,264
- для ионного травления и напыления
261, 262
- для диффузионной сварки 262
- для эпитаксии 263, 264
- для осаждения тонких пленок 264
Оборудование вакуумное технологическое
- Воздействующие факторы 242, 243 -
Классификация 244 - 247 - Структура 244 - Уровни
автоматизации 244, 247 - 251 - Способы
уменьшения генерации микродисперсных
частиц 299, 300 - Рекомендации по
конструированию и эксплуатации 300 - 302 - Методы
расчета числа и размеров микрочастиц износа
303, 304
Оборудование для анализа
кристаллической структуры 406, 407
Оборудование для быстрой термической
обработки 172 - 174
Оборудование для вакуумного
газоплазменного травления 96 - 100
Оборудование для вторично-ионной масс-
спектроскопии 408 - 411
Оборудование для ионной имплантации
133 - 136
Оборудование для ионно-лучевой
обработки 115 - 121

736
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Оборудование для контроля поверхности
твердого тела методами спектроскопии
электронной и ионной 400 - 402
- рентгеноэлектронной 402 - 404
- оже-спекгроскопии 405
Оборудование для молекулярно-лучевой
эпитаксии 412 - 415
Оборудование для определения кристал-
логеометрии поверхности твердого тела 402, 406
Оборудование для осаждения слоев - см.
Установка двухлучевого ионного осаждения
распылением ЦНА-6; Установка лазерного
напыления; Установка лазерно-термического
напыления; Сверхвысоковакуумный комплекс МЛЭ-200
Оборудование для производства ИЭТ -
Виды 33 - Состав 34 - Структурная схема 34 -
Критерии проектирования 34 - 37 - Технико-
экономические показатели 35 - Факторы,
влияющие на производительность 36 - 38 -
Методы повышения производительности 38
Оборудование для разделения
полупроводниковых пластин на кристаллы 511, 512, 514
Оборудование для растровой туннельной
микроскопии 407, 408
Оборудование для рентгенолитографии -
Схема установки 138, 139 - Выбор
характеристик 139, 140 - Параметры точечных
источников 141 - Источники рентгеновского
излучения - см. Источники рентгеновского излучения -
Рентгеношаблоны 147 - 150
Оборудование для сборки печатных узлов
РЭА 584 - 587, 592
Оборудование для фотолитографии 478 -
482, 484, 487 - 489
Оборудование для электронно-лучевой
обработки - Выбор и расчет параметров
основных элементов 74 - 79
Оборудование для эпитаксии кремния 185
- 187
- арсенида галлия 190, 191
Оборудование лазерное - Типовая схема
установки 165 - Разновидности 167, 169, 170
Оборудование технологическое
специальное 14, 15, 18, 432 - 438, 444, 445
- общемашиностроительное 17, 18
Обработка быстрая термическая - см.
Быстрая термическая обработка
Оже-спектроскопия 404, 405
Оже-электрон 405
Ондуляция 144
Осаждение пиролитическое 181
- плазмохимическое 181
- химическое тонких пленок из газовой
фазы 201, 202
- Оборудование - см. Реакторы
атмосферного давления; Реакторы пониженного
давления
Отказ технологической системы 44
Очистка металлических деталей ЭВП
механическая 630, 631
- физической десорбцией в вакууме 631
- обезжириванием в нейтральных
растворах 633 - 636
- обработкой в химически активных
растворах 636 - 638
- с использованием электролитических
процессов 638 - 640
- термическими способами 640
- ионной бомбардировкой 640, 641
Очистка пневмовихревая ЭВП 644 - 648
Очистка химическая стекла в ЭВП 641 -
644
П
Параметры качества микросхем
- пленок металлов и сплавов 535, 536
- диэлектрических пленок 536
- полупроводниковых слоев 536 - 538
- интегральных 538, 539, 551 - 553
- статические 540 - 543
- дифференциальные 543 - 551
- эквивалентных 553 - 555
- конденсаторов, резисторов, катушек
индуктивностей 556, 557
- шумовых полупроводниковых приборов
555, 556
Пеннинга магнетрон 226, 227
Пеннинга разряд 315
Первеанс пучка 80
Печатные платы - Понятие 557 -
Назначение 559 - Конструирование 563 -
Классификация 559 - Основные характеристики
элементов 563, 564 - Основные материалы для
изготовления 564, 565 - Защитные покрытия 565 -
Размеры 565, 566 - Размещение элементов 566
- Электрические характеристики 567, 568 -
Размеры отверстий 566 - Размеры печатных
проводников 566, 567 - Изготовление - см.
Изготовление печатных плат
- односторонние 557, 560
- двусторонние 557, 560
- многослойные 557, 558, 561
- многоуровневые 557, 563
- на металлическом основании 562
- в радиоэлектронной аппаратуре 575 - 577
Печатные узлы - Конструктивные
варианты 578, 579
Пирса метод 80
Пластины полупроводниковые -
Использование в микроэлектронике 459 - Совйства
полупроводников IV группы Периодической
системы 461, 462
- из кремния 460
Пластмассы 352
Пневмовихревой эффект 644
Поверхность твердого тела - Основные
характеристики 399
Подогреватели вакуумных приборов -
Тренировка 704, 705
Подогреватели катодов - Состав 625 -
Характеристики 627 - Изготовление j626, 627
- оксидных и металлопористых алунди-
ророванных 626

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
737
626
- металлопористых высокотемпературных
Полимерные материалы 518 - 520
Помещения чистые производственные -
см. Чистые производственные помещения
Приборы отображения информации - см.
Индикаторы - Разновидности 592
- матричные 593, 594
- жидкокристаллические 599, 600, 602,
603
Приводы исполнительных механизмов
оборудования для производства ИЭТ -
Разновидности 273, 274 - Классификация 275
- для установок нанесения тонких
пленок в вакууме 275
- для выращивания монокристаллов
методом Чохральского 275
- для лучевой обработки 275
- для сборки в вакууме 275
- для молекулярно-лучевой эпитаксии
275
- для контроля состояния образцов 275
- вакуумные 275 - 285
- на основе управляемой упругой
деформации 292 - 296
Проводимость наведенная - см.
Проводимость радиационная
- радиационная 60
Проводящий рисунок 557
Пушки электронные - см. Электронные
пушки
р
Радиоактивных изотопов метод 136
Радиоэлектронные изделия - Состав 707 -
Этапы изготовления 708 - Структурная схема
телевизионного приемника на примере
телевизора SONY KV-M1400K - 708 - 713
Разделение полупроводниковых пластин на
кристаллы - Резка диском с наружной
режущей кромкой 511 - Резка диском с абразивом
512 - Резка стальными полотнами 512 - Резка
проволокой 512, 513 - Скрайбирование 512,
513 - Разламывание 513 - Ультразвуковая
резка 513, 514 - Технологические маршруты 514 -
Характеристики алмазных отрезных кругов
515, 516 - Режимы резки материалов 517, 518
Романовская спектроскопия 165
Распыление физическое 90
- химическое модифицированное
физическое 91
Рассеяние быстрых ионов 411
Растровая туннельная микроскопия 407
Реакторы атмосферного давления 202,
203
- пониженного давления 202 - 208
Резины 352, 353
Рентгенолитография - Преимущества 138
- Оборудование - см. Оборудование для рентге-
нолитографии - Применение 152
Рентгенорезисты 151, 152
Сборка внутренней арматуры ЭВП -
Методы 660 - 666 - Примеры 666 - 672
Сборка ИЭТ - Разновидности 520 -
Методы механического крепления сборочных
единиц 520, 521 - Крепление неорганическими
материалами 521, 522 - Крепление клеями 522
Сборка стеклооболочек ЭВП - Этапы 649
- Приварка штенгеля к колбе 649 -
Соединение стеклянных деталей составной колбы 648 -
Газовая сварка- конуса ЭЛТ с прямоугольным
экраном 650 - Газовая сварка деталей колб 651
- Газоэлектросварка конуса и экрана
крупногабаритных ЭЛТ 652 - Спайка ситаллоцемен-
тами стеклянных деталей составной колбы 652,
653 - Сборка стеклооболочек ЭЛТ 654 - Отжиг
654 - 660
Сверхбольшие интегральные схемы -
Процент выхода годных 39 - 40 - Надежность
40-42
Сверхвысоковакуумный комплекс МЛЭ-
200 420, 421
Системы автоматического управления -
Основные целевые функции 424 - Сервисные
функции 424, 425 - Функции коррекции цели
425
Системы автоматического управления
гибким автоматизированным производством
432, 433
- специальные технологическим
оборудованием 433, 436 - 438
- гибкими производственными линиями
448
- дискретными автоматическими
установками 444 - 448
- микропроцессорные 455, 456, 458
Системы газового травления -
Разновидности 99
Ситаллы 351
Спектроскопия резерфордовская
обратного рассеяния 32
- электронная 399, 400
- ионная 399, 401
- ренгеноэлектронная 401, 403
Сплавы жаропрочные 345
- титана 346, 347
- цветные 34
Стали углеродистые 345
- легированные 345
- жаропрочные 345
- коррозионно-стойкие 345, 346
Стекла 349, 351, 605 - 607
Стеклокерамические спаи - Изготовление
616
Стеклянные детали ЭВП - Формование
609 - 611 - Сборка оболочек 611
Термическое окисление - Понятие 191 -
Разновидности 192, 194

738
ПРВДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Термовакуумная обработка ЭВП -
Понятие 682 - Этапы 682 - Откачка 683, 684 -
Обезгаживание 684 - 689 - Активирование
катода 689 - Герметизация 689, 690 -
Технологическое оборудование 690 - 702
Термокатоды - Основные характеристики
620 - Зависимости плотности тока от
температуры 620 - Конструкции 621 - Разновидности
621 - 625
Технологии электронного машиностроения
- см. Электронные технологии
Технологическая машина - Структура 422,
423
Технологические источники ионов -
Требования 106, 107 - Отбор ионов из
плазменного эмиттера 107, 108 - Классификация 109 -
Характеристики 110, 112 - 114 - Конструкции
109 - 115
Технологические процессы производства
ИЭТ - Разновидности 243
- вакуумные 243, 244
Техносфера 714
Тиле критерии 203
Тонкие пленки - Понятие 174 -
Характеристики 174 - Использование для
изготовления ИС 176 - Использование для
формирования транзисторной структуры 176 -
Использование для формирования контактных,
барьерных и проводящих слоев 176 - 180 -
Использование для нанесения изолирующих,
защитных и планаризующих слоев 180 - 183
Травление - Понятие 87
- вакуумное газо-плазменное - Основные
процессы при производстве кремниевых
микроприборов 88 - Классификация 88, 89 -
Разновидности - см. под их названиями:
Травление спонтанное химическое; Распыление
физическое; Травление радиациото-стимулироуанное
химическое; Травление радиационно-возбуждае-
мое химическое; Распыление химически
модифицированное физическое - Технологические
характеристики процессов для функциональных
слоев микросхем 92 - 94 - Оборудование - см.
Оборудование для газоплазменной обработки
- сухое размерное 88, 91, 92
- ионно-лучевое 104, 105
- реактивное ионно-лучевое 104 - 106
- радиационно-возбуждаемое химическое
90
- радиационно-стимулированное
химическое 90, 91
- спонтанное химическое 89
Тренировка 704
Условия труда 48
Установка двухлучевого ионного
осаждения распылением ЦНА-6 418, 419
- лазерного напыления 419
- лазерно-термического напыления 420
Устройства исполнительные на основе
/-координатных механизмов 305, 306
- микропроцессорного управления
специальным технологическим оборудованием -
см. Контроллеры программируемые;
Микропроцессорные блоки управления
Ф
Фика закон 193
Фильтровальные материалы - Основные
характеристики 386
Фильтры Вина 409
- чистых производственных помещений
385, 386, 395
Фотолиз 475
Фотолитография - Понятие 474 - Стадии
474, 475 - Критерии качества 476 - Нанесение
слоя фоторезиста 477 - 479 - Сушка слоя
фоторезиста 479, 480 - Совмещение и
экспонирование 480 - 483 - Проявление слоя
фоторезиста и сушка проявляемого рельефа 483, 484 -
Травление технологического слоя 484 - 487
- проекционная 487 - 489
Фотополимеризация 475
Фоторезист 475
Фотоэффект 30
Фулероны 222
Ц
Цветные металлы 348, 349
Цифровые приборы 532 - 534
Чайльда - Ленгмюра закон 106
Чистые производственные
(ЧПП) - Понятие 48 - Опасные и вредные
производственные факторы 48,. 49 -
Технические и санитарно-гигиенические требования к
микроклимату 50 - Нормативные показатели
воздушной среды 50 - Классификация по
уровню ионизованности воздуха 51 -
Классификация объектов с низким уровнем
ионизированной воздушной среды 51 -
Классификация основных методов и средств
нормализации ионного режима 51 - Защита от
статического электричества 52 - Вытяжные устройства
52 - Удаляемые газы для вытяжных
вентиляционных систем 53 - Классы чистоты 372 -
Параметры среды для различного уровня
интеграции микросхем 373 - Сравнительные
характеристики режимов течения воздуха 374,
375 - Основные типы 376 - Схемы 377, 378 -
Методы снижения затрат 378, 379 -
Назначение 379 - Контролируемые характеристики
технологической экологии 379 - Панели 381 -
383 - Материалы 381 - Оборудование 381 - 386
- Системы доводки 387 - Датчики температуры
и влажности 388 - Формирование воздушного
потока 388, 389 - Виброизоляция 389 -
Экранирование от электромагнитных полей 389 -
Контрольные испытания 390 - Подготовка и
контроль чистых технологических газов 390 -
395 - Очистка труб 395 - Получение чистой
воды 395 - 398

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
739
Чугуны345
Э
Эйнштейна закон фотохимической
эквивалентности 72
Экологическая безопасность в
полупроводниковом производстве 53 - 57
Электровакуумные приборы (ЭВП) -
типовой технологический маршрут изготовления
603, 604 - Виды и причины загрязнений
поверхностей 629, 630 - Очистка металлических
деталей - см. Очистка металлических деталей
ЭВП - Требования к остаточному давлению
682 - Контроль и испытания 706, 707
Электролюминесцентные источники света
595, 596
Электролюминесцентные конденсаторы 595
Электролюминесцентные тонкопленочные
структуры 596, 597
Электролюминесценция 594
Электроника - Этапы развития 16, 17
Электронная литография 70 - 73
Электронная техника - Этапы развития 16
Электронное машиностроение - Понятие
13 - Этапы автоматизации 425 - 430 -
Взаимосвязь этапов развития технологий и систем
автоматического управления технологическим
оборудованием 431, 432
Электронно-лучевая обработка -
Преимущества 27 - Особенности 57, 58 -
Назначение 57, 58 - Физические явления 58 - 62 -
Диффузионная модель рассеяния и
поглощения электронов 62 - Схема расчета
поглощенной энергии в многослойном объекте 63 -
Определение температурного поля в
обрабатываемом изделии 63, 64 - Методы - см. под их
названиями: Электронная литография;
Электронно-лучевая плавка; Электронно-лучевой
переплав; Отжиг и закалка; Электронно-лучевое
испарение; Электронно-лучевая термическая
размерная обработка; Электронно-лучевая
химическая обработка; Электронно-лучевое испарение
- Оборудование - см. Оборудование для
электронно-лучевой обработки
Электронно-лучевая плавка 65
Электронно-лучевая сварка 66, 67
Электронно-лучевая термическая
размерная обработка массивных изделий 69, 70
- тонких слоев 68, 69
Электронно-лучевая химическая
обработка 70, 71
Электронно-лучевое испарение 67, 68
Электронно-лучевой переплав, отжиг и
закалка 56
Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) - см.
Приборы отображения информации
Электронно-оптические системы -
Понятие 76 - Метод численного моделирования 76
- Состав 79, 83 - Схемы 80 - Системы
фокусировки луча 83, 84 - Отклоняющие системы 84
- Электронные пушки - см. Электронные пушки
- для размерной обработки 84, 85
- для глубинной сварки 85
- для зондовой электронной литографии
85,86
- для плавки, зондовой очистки и
испарения 86, 87
Электронные пушки - Назначение 79, 80 -
Разновидности 81-83
Электронные технологии - Особенности
14 - Специфика 24 - Характеристики пучков
25 - Взаимодействие электронов с веществом
25, 26 - Параметры электронных пучков 27 -
Методы, основанные на взаимодействии ионов
с веществом - 27 - 29 - Методы, основанные
на взаимодействии фотонов с веществом 30 -
Методы, основанные на взаимодействии
атомарных пучков с веществом 30, 31 -
Плазменная обработка 31 - Применения электрических
и магнитных полей 31 - Методы измерения
размеров 31, 32 - Методы исследования
процессов 32, 33
Электронорезист 61
Эмиссия автоэлектронная 75
- электронов 619
Энергоанализаторы 403, 404
Эпитаксия - Понятия 183 -
Разновидности 183
- жидкофазная 262
- кремния 183 - 185 - Оборудование -
см. Оборудование для эпитаксии кремния
- арсенида галлия 189, 190 -
Оборудование - см. Оборудование для эпитаксии арсенида
галлия
- молекулярно-лучевая 412 - 416

ПРИЛОЖЕНИЕ
СПЕЦИАЛЬНОСТИ "ЭЛЕКТРОННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ" В РОССИИ - 60 ЛЕТ
В конец 30-х годов Совет народных
комиссаров СССР принимает решение о
создании в стране электронной отрасли, которой до
сих пор просто не существовало, а
единственными электровакуумными изделиями были
лампы накаливания.
Была предусмотрена и организация
подготовки инженеров по электровакуумному
производству, в том числе конструкторов
технологического оборудования для производства
приемно-усилительных ламп и других изделий
электронной техники. В 1939 г. группа
студентов-дипломников кафедры "Металлорежущие
станки" под руководством доцента Г. А.
Шаумяна была направлена на преддипломную
практику в подмосковный город Фрязино, в
НИИ-160 (теперь НПО "Исток").
Именно в Московском механико-
машиностроительном институте (МММИ)
имени Н. Э. Баумана (далее МВТУ, а затем
МГТУ) к тому времени сформировалась
научная школа подготовки
инженеров-конструкторов широкого профиля, способных на
полученной фундаментальной базе быстро
адаптироваться к любым самым
нетрадиционным задачам создания новой техники.
Один из членов упомянутой выше
группы студентов-дипломников - А. И. Татаренков
с удивлением и восторгом вспоминал то
время, когда бауманцы буквально за месяц-другой
разобрались во всех тонкостях изделий и
технологии и выполнили свои дипломные
проекты по таким экзотическим для себя
направлениям, как автоматы штамповки плоских ножек
ЭВП, навивки спиралей, заварки, откачки. Так
рождалась новая для российской высшей
школы специальность.
Вплоть до послевоенных лет она
продолжала существовать в тех же рамках
специализации по кафедре "Металлорежущие
станки"; впервые специальность была узаконена в
1949 г. под названием "Автоматические
машины". С тех пор наименование специальности
менялось неоднократно в соответствии
с развитием мировой и отечественной
электроники: "Электровакуумные машины",
"Полупроводниковое и электровакуумное
машиностроение" и, наконец, "Электронное
машиностроение".
Долгие годы становление и развитие
специальности шло под руководством проф. д-ра
техн. наук Григора Арутюновича Шаумяна
A905 - 1973 гг.), для которого она стала столь
же близкой, как и "родная" специальность
"Технология машиностроения,
металлорежущие станки и автоматы". Такое "двуединство"
базировалось на научной школе кафедры -
прежде всего на теории машин-автоматов
различного технологического назначения, которая
сделала имя Г. А. Шаумяна известным далеко
за пределами нашей страны, а его книги
"Автоматы", "Автоматы и автоматические
линии" и др. - настольными для нескольких
поколений ученых и инженеров.
Принципиальный подход -
специализация по конкретным видам
автоматизированного технологического оборудования на
единой фундаментальной базе - сохранялся
достаточно долго. Этому способствовало то
обстоятельство, что для изготовления тогдашних
нормально-осветительных и
приемно-усилительных ламп широко применялись такие
базовые машиностроительные технологии, как
штамповка, гибка, сварка, механическая сбор:
ка, а основным видом многопозиционного
оборудования были традиционные автоматы
последовательного действия с расположением
позиций по окружности (в электронной
промышленности за ними закрепилось
нелогичное наименование "карусельные машины").
Поэтому основные базовые курсы по
кинематике, расчету и конструированию, гидропнев-
мооборудованию, автоматизации
производственных процессов читались студентам обеих
специальностей почти идентично (различными
могли быть лишь иллюстрационные примеры
процессов и конструкций).
Специфика специальности отражалась в
курсах: "Электровакуумные приборы",
"Технология электровакуумного производства",
"Оборудование электровакуумного производства",
которые читали работники электронной
промышленности: А. И. Татаренков, В- А. Голубев
и др.
Положение резко изменилось в 60-е
годы в связи с появлением и опережающим
развитием твердотельной электроники,
стремительным ростом выпуска полупроводниковых
диодов и триодов, интегральных микросхем.
Их массовый выпуск привел к коренному
пересмотру технологического арсенала
-становления и развития электронных, ионных и
плазменных технологий, когда функционирование
приборов и методы их изготовления
базировались на одних и тех же физических явлениях
(движение электронов и ионов в вакууме, в
твердом теле и плазме,
электрон-ион-фотонные переходы и т.п.).
Именно в этот период развернулась
созидательная деятельность Юрия Андреевича Хруниче-
ва A926 - 1998 гг.). Будучи доцентом кафедры и
одновременно деканом факультета, он взял на
себя основную тяжесть работ по реорганизации
специальности, созданию ее учебно-лабораторной'
базы, воспитанию молодых преподавателей.
Именно при его активной позиции в 1974 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ
741
была, наконец, организована кафедра
"Полупроводниковое и электровакуумное
машиностроение", в этом году ей исполняется 25 лет. Первым
заведующим кафедрой стал проф. д-р техн. наук
Николай Иванович Камышный A909 - 1995 гг.),
крупный специалист по вопросам
автоматической загрузки, создатель теории и первых
отечественных конструкций вибробункеров. С 1980 г.
кафедрой заведует проф. д-р техн. наук Леонид
Иванович Волчкевич.
Значительную часть контингента
преподавателей, подобранного Ю. А. Хруничевым,
составляла молодежь, которая не обладала еще
необходимым педагогическим опытом.
Непросто рождалась собственная концепция
подготовки инженеров по специальности,
взаимосвязь традиционных и новых дисциплин,
направленность научных разработок.
Этот процесс продолжался около десяти
лет, по истечении которых начали проявляться
все достоинства новой научной школы -
исследования процессов в высоком и
сверхвысоком вакууме, обработка материалов атомными
частицами: электронами, ионами, фотонами,
атомами, молекулами и газоразрядной
плазмой - по одному из самых перспективных и
динамичных направлений развития
современной науки и техники - электронике. Вырос
коллектив, сформировались традиции,
установились связи с ведущими научно-
производственными объединениями
электронной промышленности (МЭЛЗ, "Пульсар",
"Полюс", НИИВТ им. С. А. Векшинского,
НИИТМ, г. Зеленоград, НИТИ, г. Рязань и
др.). Было заключено более 20 договоров с
ведущими организациями электронной
промышленности о целевой подготовке
специалистов, что позволило отбирать талантливых
абитуриентов на местах и далее
целенаправленно готовить их для конкретных
предприятий Москвы, Киева, Минска, Рязани,
Брянска, Новосибирска, Волгограда и. других
городов.
Произошло существенное изменение
направленности подготовки. Сформировались
фундаментальные дисциплины по
специальностям "Физические основы электронной
техники", "Основы вакуумной техники и
технологии", "Основы проектирования
машин-автоматов и систем машин". Была введена подготовка
по проектированию систем автоматического
управления технологическим оборудованием,
благодаря чему выпускники специальности
умеют разрабатывать не только механические
функциональные и базовые узлы, привод,
компоновку технологического оборудования,
но и микропроцессорные системы
автоматического управления (САУ) всей установки с
доведением разработок до конечного результата
(разводки печатных плат и т.п.). Тем самым
будущий специалист мог стать "полным
хозяином" проектируемой машины.
Из стен кафедры вышло много
основателей научных направлений и новых поколений
технологических машин. Так, многие образцы
отечественного оборудования для нанесения
тонких пленок в вакууме созданы- И. Г.
Блиновым, В. Е. Минайчевым, Ю. Я. Мелехиным,
Л. К. Ковалевым, В. В. Одиноковым, В. А.
Шитовым. Весомый вклад в различные области
электронной техники внесли: Н. А. Кузнецов -
в создание современного сверхвысоковакуум-
ного оборудования; В. К. Попов - в теорию
современных электронно-оптических систем;
Ф. Г. Онуприенко и А. И. Татаренков - г»
технологию и оборудование микроэлектроники,
A. Т. Александрова и В. М. Папко - в
создание и исследование уникальных механизмов
для работы в вакууме; С. И. Бродский и
B. А. Варламов - в технологию и оборудование
для производства электровакуумных приборов.
Традиции МВТУ им. Н. Э. Баумана и научной
школы "Электронное машиностроение"
передавались другим вузам выпускниками специальности,
ставшими заведующими кафедр в Московском
институте электронной техники (И. Г. Блинов и
В. М. Редин), Московском институте
электронного машиностроения (А. Т. Александрова),
Московском институте связи (В. И. Куркин),
Московском авиационном технологическом институте
(В. Г. Блохин).
Среди выпусников кафедры - лауреаты
Ленинской и Государственной премий:
A. Т. Александрова, И. Г. Блинов, С. И.
Бродский, В. И. Владиславлев, Г. В. Гуськов,
B. И. Куркин, В. Е. Минайчев, Ф. Г.
Онуприенко, В. К. Попов, А. А. Соколов,
И. И. Федоренко, Г. В. Холоднов. Двое наших
выпускников Е. Н. Попов и Н. С. Вагин стали
лауреатами Премии Ленинского комсомола.
Новый качественный этап развития
кафедры и специальности наступил с начала 90-х
годов.
В результате поиска новых форм обучения
на кафедре сложилась целостная система
индивидуальной работы со студентами старших курсов,
которая берет свое начало от традиций
классических российских университетов. В конце третьего
курса студенты выбирают себе научных
руководителей, которые далее определяют им конкретное
научно-инженерное направление в рамках своих
интересов и компетенции. Согласно
действующему учебному плану на IV - VI курсах в рамках
дисциплины "Инженерный .практикум" один
день в неделю круглогодично студенты не имеют
групповых занятий и работают индивидуально со
своим научным руководителем в его
персональной лаборатории в МГТУ или на предприятии.
Новая система позволила сформировать
вокруг ведущих специалистов кафедры
самобытные творческие коллективы аспирантов,
инженеров и студентов различных курсов. На
кафедре продолжаются научные исследования
и разработки.

742
ПРИЛОЖЕНИЕ
Мжтжпж.
ЖЦЦКОСТЬ
[НТО-
ПОСТОЯННЫЙ Мапн!
магнит водный шал
Рис. 1. Схема магнитожидкостного уплотнения
За эти годы сложилась научная школа
кафедры, основная направленность которой -
создание и исследование электронных
технологических процессов и вакуумного
технологического оборудования с широким спектром
применения. Преподаватели, инженеры и
научные сотрудники кафедры имеют
приоритетные разработки, подтвержденные более чем
120 авторскими свидетельствами и патентами
на изобретения механизмов, работающих в
вакууме, например, вводов движения с
уплотнением на основе магнитной жидкости (рис.
1) вакуумного аналитического и
диагностического оборудования, например, устройства
измерения потоков микрочастиц и др. В
рамках этой школы на кафедре продолжает
развиваться целый ряд перспективных направлений.
• Под руководством проф. д-ра техн.
наук Евгения Алексеевича Деулина развиваются
исследования и разработки в области
вакуумной техники: созданы конструкции вводов
движения в вакуум и теория их
работоспособности (рис. 2), включая раннюю диагностику
отказов. Проводятся фундаментальные
исследования физических процессов трения в
вакууме, которые уже привели к ряду
парадоксальных результатов.
• Проф. д-ром техн. наук Юрием
Васильевичем Панфиловым создано новое
научное направление - расчет и конструирование
вакуумного технологического оборудования по
критерию минимума привносимой
дефектности изделий микроэлектроники. Его группой
ведутся исследования и разработки по
осаждению тонкопленочных покрытий в вакууме в
широком диапазоне методов нанесения и
изделий самых различных отраслей, в том числе
твердосмазочных покрытий на элементы пар
трения (рис. 3).
• Проф. д-р техн. наук Леонид Иванович
Волчкевич и доц. канд. техн. наук Владимир
Викторович Жуков в течение длительного
времени работают в области пневмовихревой
технологии - теории закрученных потоков
газов и над применением их для
технологических задач подачи и ориентации мелких
деталей, контроля деталей и сборки соединений,
удаления микродефектов с поверхностей.
Созданные конструкции пневмовихревой очистки
внутренних поверхностей труб позволяют
избавиться от экологически вредных
технологических методов.
г 60. г,
Рис. 2. Расчетная схема герметичного планетарного ввода вращения ГПП-Э

ПРИЛОЖЕНИЕ
743
Рис. 3. Принципиальная схема вакуумной установки для нанесения твердосмазочных покрытий:
1 - двухступенчатый пластинчато-роторный насос; 2 - диффузионный насос; 3 - газобалластный объем;
4 - блок клапанов; 5 - водоохлаждаемая ловушка; 6 - термопарный манометрический преобразователь
ПМТ-2; 7- ионизационный манометрический преобразователь ЛМ-3-2; 8 - натекатель; 9 - манжетный*ввод
вращения; 10 - эксцентриковый привод; 11 - магнетронный источник; 12 - высокочастотный блок питания;
13 - устройство согласования нагрузки; 14 - автономный источник ионов типа "Радикал"; 15 - система
измерения плотности ионного тока; 16 - газовый коллектор; 77, 18 - газовая магистраль АИИ и магнетрона;
19, 20 - натекатели; 21 - резистивный нагреватель; 22 - термопара; 23 - токоподводящий контакт;
24 - маска; 25 - система охлаждения; 26 - управляющие электроды
• Работы доц. канд. техн. наук Юрия
Борисовича Цветкова и доц. Анатолия
Тимофеевича Каменихина относятся к процессам
микролитографии, получения дискретных слоев и
покрытий с микронным уровнем разрешения.
Именно по этому направлению достигнуты
наибольшие успехи в конверсии электронных
технологий - перенесении технологических
наработок изготовления изделий
микроэлектроники на широкий диапазон изделий
машиностроения, приборостроения,
художественных изделий (например, чувствительных
элементов пьезорезистивных датчиков
давления, значков, посуды, сувениров)
• Разработки доц. канд. техн. наук
Владимира Тимофеевича Рябова относятся к
проблемам микропроцессорного управления
техническими объектами. В последнее время
получены научные и практические результаты в
создании интегральных датчиков давления с
широким диапазоном их применения, прежде
всего в автомобильной промышленности.
• Термовакуумным процессам,
разработке устройств ИК-нагрева взамен
традиционных методов, в том числе нагрева
поверхностей во внутрикамерных объемах, посвящены
многолетние разработки доц. канд. техн. наук
Юрия Рубеновича Степаньянца.
На рубеже нового века начался новый
этап развития кафедры и специальности в
рамках факультета "Машиностроительные
технологии" МГТУ им. Н. Э. Баумана. Он
продиктован ситуацией, когда огромный арсенал
электронных технологий и иных высоких
технологий, накопленный в электронной
промышленности России и длительное время
применяемый только при изготовлении
изделий электронной техники, стал
распространяться на многие смежные области, вызывая в
них революционные преобразования
(вакуумное осаждение пленок на оконных и
автомобильных стеклах, имплантация ионов в
направляющие станков и зубчатые колеса,
сборка, сушка в вакууме и т.д.).
Именно поэтому кафедра в 1998 г.
получила новое название "Электронные технологии
в машиностроении". Изменения в данном
направлении идут не только в научной
деятельности, но и в учебной - сейчас в рамках
специальности "Электронное машиностроение"
кафедра готовит специалистов с приоритетным
направлением: электронные технологии и
информатика в применении к актуальным
задачам электроники. Наша специальность - одна
из самых наукоемких. Фундаментальные
основы составляют: взаимодействие электронных и
ионных потоков с твердым телом, динамика
поверхностных слоев в вакууме, формирование
и функционирование тонких пленок и
микроструктур на поверхности.

СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Панфилов Юрий Васильевич, Ковалев Лев Кузьмич,
Блохин Вадим Георгиевич и др.
МАШИНОСТРОЕНИЕ. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
Том III - 8
ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ И СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Лицензия ЛР № 080003 от 12.09.96 г.
Редактор И. С. Форстен
Оформление художника Т. Н. Погореловой
Художественный редактор Т. Н. Галицына
Корректор Т. С. Грачева
Инженеры по компьютерному макетированию М. А. Евсейчева, Т. А. Сынкова
Сдано в набор 06.05.99. Подписано в печать 30.11.99. Формат 70x100 1/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Times ET. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 60,45. Усл. кр.-отт. 60,69. Уч.-издл. 84,22.
Тираж 1000 экз. Заказ 769
Издательство "Машиностроение",
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Оригинал-макет подготовлен в издательско-полиграфическом центре
Тамбовского государственного технического университета
392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, к. 14
Отпечатано в АООТ "Политех -4"
129110, Москва, ул. Б. Переяславская, 46