Технология материалов и изделий электронной техники

Федеральное агентство  по образованию Российской Федерации

 

Томский государственный  университет 

систем управления и  радиоэлектроники

(ТУСУР)

 

Кафедра электронных  приборов

 

 

 

ПРОЦЕСС  ПОЛУЧЕНИЯ  ВОЛНОВОДОВ НА СТЕКЛЕ

 

Пояснительная записка  к курсовому проекту по дисциплине

«Технология материалов и изделий электронной техники».

КП  355 3 004 ПЗ

 

 

                                                                                             Выполнил:

студент гр. 355-3

_____ А.А. Зенин

 

Руководитель проекта

Профессор кафедры ЭП

_____ Л.Н. Орликов

 

 

2008

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

 

Томский государственный  университет 

систем управления и  радиоэлектроники

(ТУСУР)

Кафедра электронные приборы

Утверждаю

Зав. Кафедрой ЭП

_____ С.М. Шандаров

ЗАДАНИЕ

по курсовому проектированию по дисциплине

«Технология материалов и изделий  электронной техники»

 

студенту Зенину Алексею Александровичу                                                  

группа 355-3                                  факультет ЭТ                                                 

1. Тема проекта: Процесс получения волновода на стекле

2. Срок сдачи студентом законченного  проекта:  2008 год             

3. Исходные данные к проекту: наносимый материал – диоксид титана, объём рабочей камеры 0,1 м³, толщина пленки 0.5 мкм                   

4. Содержание пояснительной записки  (перечень подлежащих разработке  вопросов): реферат, содержание, введение, литературный обзор, выводы и постановка задачи, расчетная часть, технологическая часть, электрофизическая часть, экспериментальная часть, автоматизация процесса, заключение.

5. Перечень графического материала  (с точным указанием обязательных  чертежей): рисунки, поясняющие ход решения поставленной задачи             

6. Дата выдачи задания:                                                      

     РУКОВОДИТЕЛЬ____________________________

       (подпись) 

Профессор кафедры  «Электронные приборы», Орликов Леонид Николаевич                                                                                                              

 

                                                      Задание принял к исполнению (дата)

                                                     ________________________________________

                                                     ________________________________________

 

Реферат

 

Количество листов  33, количество иллюстраций 6, количество использованных источников  32.

Перечень ключевых слов: ионно-плазменное распыление, ионный источник

Приведена технология ионно-плазменного распыления. Приведена схема: вакуумной системы.

Приведено описание патентов по процессу напыления тонких плёнок.

Объем рабочей камеры – 100л., площадь  подложки волновода – 7.5 см²., напряжение – 3 кВ., рабочее давление – 10^-2 Па.

 

The abstract

 

Quantity(amount) of sheets  33, quantity(amount) of illustrations 6, quantity(amount) of the used sources 32.

The list of key words: ion-plasma spraying, ion source. Brought technology ion-plasm spraying

Circuits are given: vacuum system.

The patent description for ion sputtering is given.

 

 

Содержание

 

1. Введение

Целью данного курсового проекта является изучение процесса получения волноводных слоев. Рассматривались варианты нанесения на стекло следующих материалов: GaAs; In, GaP, диоксид титана. Было принято решение использовать диоксид титана. Чистый диоксид титана - это бесцветное твердое кристаллическое вещество. Несмотря на бесцветность, и больших количествах диоксид титана чрезвычайно, эффективный белый пигмент, если он хорошо очищен. Диоксид титана практически не поглощает никакую падающею света и пилимой области спектра. Свет или передастся, или преломляется через кристалл или же отражается на поверхностях. диоксид титана это стабильное (самый стабильный из всех известных белых пигментов), нелетучее, нерастворимое и кислотах, щелочах и растворах при нормальных условиях вещество. Диоксид титана отличается высокой реакционной устойчивостью к различным соединениям, в том числе и токсичным, содержащимся в воздушной среде. Из-за своей инертности. диоксид титана не токсичен и считается очень безопасным веществом.

Для получения качественного волновода на основе стекла было принято решение использовать ионно-лучевую технологию очистки и нанесения оптического покрытия.

Ионно-лучевая очистка гарантирует отличную адгезию между первым нанесенным слоем и подложкой. Ионная очистка обладает хорошими качественными показателями, но имеет особенности, присущие всем газоразрядным системам:

1)  все параметры  разряда взаимосвязаны. Скорость  обработки зависит от    вольтамперной характеристики    разрядной    системы, расположения электродов, рода и расхода газа и т.д.;

2)  для  каждого материала существует   максимальный коэффициент распыления равный  отношению  числа  выбитых  атомов к  общему числу ионов на мишень;

3) напуск рабочего газа требует увеличения производительности откачных средств. Кроме того, наличие разряда стимулирует процессы газовыделения из стенок вакуумной камеры;

4) при обработке полупроводниковых материалов возможна генерация дефектов. В связи с этим напряжение обработки выбирается минимальным, однако, это стимулирует    полимеризацию    масел    на    обрабатываемых поверхностях. При обработке полупроводников имеет  место неодинаковая скорость обработки по направлениям кристаллографических осей.

 

2. Литературный обзор

2.1. Патентный поиск

В источниках [5-20] Приведены различные варианты получения волновых слоем на стекле, рассмотрены механизмы химического и ионного травления материалов.

В источниках [21-27] рассмотрены вопросы поведения заряженной частицы в плазме, и ее взаимодействие с веществом. Приведены формулы для расчета электро- физических параметров заряженных частиц.

В источниках [28-32] рассмотрены варианты применения волноводов.

2.2. Физические основы ионного распыления

 

Ионное распыление (ИР) - метод вакуумного напыления, в котором  осаждаемый атомарный поток получают в результате бомбардировки ускоренными ионами поверхности исходного напыляемого материала и последующей инжекции распыленных атомов в паровую фазу.

Характер взаимодействия бомбардирующих ионов с поверхностью твердого тела определяется их энергией. При энергиях меньших 5 эВ, взаимодействие ограничивается физически и химически адсорбированными слоями, вызывая их десорбцию и обуславливая протекание различных химических реакций. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов в кристаллической решетке, бомбардировка вызывает разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в паровую фазу (распыление). Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, называется пороговой энергией распыления. Значение ее находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ.

Характеристикой   процесса   ИР   служит   коэффициент   распыления, определяемый количеством атомов, выбитых с бомбардируемой поверхности падающим ионом. При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5-10 кэВ выходит  на  насыщение.  Дальнейшее  повышение  кинетической  энергии кэВ    приводит    к    снижению    распыления,    вызванному радиационными   эффектами   и   внедрениями   ионов   в   кристаллическую решетку.     Диапазон   энергий  бомбардирующих   ионов,   представляющих интерес при получении покрытий, находится в пределах от 300 до 5000 эВ.

Распыление   вызывается,   в   основном,   передачей   импульса    энергии от бомбардирующей частицы атомам кристаллической решетки в результате серии последовательных столкновений.  Передача импульса от падающих ионов происходит в первых атомных слоях решетки, например, при бомбардировке поверхности   поликристаллической  меди  ионами  аргона с энергией 1000 эВ глубина проникновения равнялась трем атомным слоям.

Энергия распыления атомов значительно превышает кинетическую энергию испаренных атомов и составляем 0.1-100 )В. Распыление сопровождается эмиссией вторичных электронов, которые ускоряются в электрическом поле, вызывая дополнительную ионизацию.

Коэффициент распыления определяется энергией и направлением падения ионов. природой взаимодействующих  материалов, кристаллографической структурой и атомным строением бомбардируемой поверхности.

Наибольшее распространение в качестве источника бомбардирующих ионов получил инертный газ аргон, имеющий массу, достаточную для распыления, и характеризующийся относительно малой стоимостью.

Влияние температурных условий  незначительно. Распыление металлов в  твердом и расплавленном состояниях практически не различается. Исключение составляет область температур, при которых переход атомов в паровую фазу путем испарения становится существенным и превышает распыление. С увеличением угла падения ионов (относительно нормали к поверхности) эффективность распыления возрастает.

В установках ВН поток распыленных  атомов создается либо в результате бомбардировки ионами плазмы разряда  поверхности исходного напыляемого  материала, находящегося под отрицательным  потенциалом или являющегося катодом тлеющего разряда (ионно-плазменное распыление, разновидностями которого являются катодное, магнетронное распыления), либо за счет бомбардировки ускоренными ионами, эмитированных автономным источником (ионно-лучевое распыление). В зависимости от схемы распылительного устройства напыление при давлении остаточных газов от 10 до 10 ^-2 Па [1].

2.3. Выводы и постановка задачи

В качестве системы напыления  принято решение использовать систему напыления IBSS. Система IBSS является высокоэффективным инструментом для качественного  нанесения   покрытий   из  металлов,   сплавов,  окислов, нитридов методом  ионно-лучевого распыления  протяженных  мишеней   в г аргона, кислорода, азота, фреонов или смеси этих газов. В системе S используется источник питания - IPS-I 5K. Данный источник питания специально разработан для  наиболее эффективной работы IBSS. Реализованные   технические   решения   позволяют   эффективно   снабжать энергией несколько технологических   устройств от одного источника Например, один выход предназначен для системы ионно-лучевого напыления IBSS, второй - для системы ионно-лучевой очистки IВСS.

2.4.Плазмохимическое травление

Механизмы плазмохимического  травления материалов интересовали многих ученых и технологов, но до недавнего времени исследование механизмов состояло в изучении зависимостей скоростей травления материалов от состава и внешних параметров плазмы. Развитие методов диагностики параметров плазмы (зонды, спектроскопия, в том числе и лазерная), а также применение современных методов анализа поверхности - ренгеноэлектронная спектроскопия, электронная микроскопия, спектроскопия вторичных ионов - позволило подойти как к исследованию механизмов химических реакций в плазме галогенсодержащих газов с целью определения потоков нейтральных частиц на поверхность травимого материала, так и к разработке количественных методов исследования механизмов травления материалов. По существу появилась возможность количественной характеристики состава и энергий частиц плазмы, бомбардирующих поверхность материалов, скоростей химических реакций травления и состава продуктов в газовой фазе и твердом теле. Существенную помощь оказали и результаты исследования химических реакций в модельных системах - при взаимодействии нейтральных атомов и молекул с поверхностью материалов, при ионном травлении (ИТ), при ионно-стимулированном травлении материалов галогенами (ИТ,РИТ). Эти исследования выявили основные стадии процессов: образование активных частиц - в первую очередь атомов галогенов, кислорода и галогенсодержащих радикалов в плазме, адсорбцию их на поверхности материала, диффузию вглубь материала под поверхностный слой атомов, химические реакции в твёрдом теле с образованием летучих галогенидов, оксигалогенидов материалов и окислов ( в случае травления полимеров), десорбцию летучих продуктов с поверхности материала и распыление нелетучих продуктов. Так, количественные данные по концентрациям атомарного фтора в плазме различных разрядов позволили установить факты как значительного увеличения скорости травления кремния и металлов, так и заметного снижения по сравнению со скоростями травления в послесвечении разрядов, то есть в отсутствие бомбардировки заряженными частицами при одинаковых потоках атомов фтора на поверхность. Например, для кремния увеличение достигает свыше двух порядков величины , а снижение наблюдается при больших концентрациях атомов фтора и больших потоках и энергиях заряженных частиц и достигает от нескольких десятков процентов до нескольких раз.

Увеличение скорости травления в плазме естественно связать с влиянием потока заряженных частиц на поверхность, как это наблюдается при ионно-стимулированном травлении, когда поверхность бомбардируется одновременно ионами и нейтральными атомами и молекулами фтора, а также возможным вкладом насыщенных радикалов в травление. Детальные исследования в плазме подтвердили эти выводы. Более того, наблюдалось еще дополнительное влияние величины электрического потенциала поверхности относительно плазмы . Увеличение ионного потока за счёт наложения на поверхность кремния масок из SiO₂ и алюминия не влияет на скорость травления при прочих равных условиях. Вместе с тем увеличение величины отрицательного потенциала поверхности относительно потенциала плазмы приводит к увеличению скорости травления даже при сравнительно высоких давлениях газа 20 - 80 Па. При уменьшении давления эффект становится более ярко выраженным и увеличивается также за счёт увеличения энергии падающих ионов вследствие ускорения их в приповерхностном слое плазмы. Эффект поля объясняется непосредственным его влиянием на адсорбцию нейтральных частиц поверхностью. Аналогичные эффекты поля наблюдаются, например, при гетерогенном катализе химических реакций.