Физико-технические основы создания оптимизированных высоковакуумных магниторазрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для вакуумного технологического и аналитического оборудования электронной техники Курбатов Олег Константинович

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Курбатов Олег Константинович. Физико-технические основы создания оптимизированных высоковакуумных магниторазрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для вакуумного технологического и аналитического оборудования электронной техники : дис. ... д-ра техн. наук : 05.27.06 Москва, 2005 360 с. РГБ ОД, 71:06-5/549

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время в производстве полупроводников, материалов и приборов электронной техники значительную часть всего парка специального технологического оборудования составляет вакуумно-технологическое оборудование, работающее в широком диапазоне давлений в рабочих камерах — от 10 до 10 Па. На этом оборудовании производятся различного рода электровакуумные приборы: осветительные и газоразрядные приборы, приемно-усилительные лампы, электронно-лучевые и рентгеновские трубки, фотоэлектронные умножители и электронно-оптические преобразователи, СВЧ-приборы.

Вакуумно-технологическое оборудование, оснащенное сложными электрофизическими устройствами, используется для газоплазменной и ионно-лучевой обработки материалов (очистки, травления и нанесения тонких пленок) при производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем вплоть до субмикронных размеров с применением нанотехнологий. Этим же целям служит вакуумно-технологическое оборудование с применением ионной имплантации, получившее широкое распространение в микроэлектронике в силу своих уникальных технологических возможностей.

В производстве больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) применяется вакуумно-технологическое оборудование, в котором используются методы литографии: ультрафиолетовый, электронно-лучевой, ионно-лучевой, рентгеновский и синхротронный. Имеется вакуумно-технологическое оборудование для производства пьезоприборов.

В настоящее время'для существенного улучшения технических и эксплуатационных характеристик ЭВП повышенной сложности (электронно-оптических преобразователей, фотоэлектронных, рентгеновских, СВЧ приборов и других ответственных приборов), а также аналитического оборудования необходимо дальнейшее совершенствование основной части элементной базы сверхвысоковакуумного оборудования: сверхвысоковаку-умных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и запорно-регулирующей арматуры.

Разработка новых и дальнейшая модернизация имеющихся конструкций приборов и технологий их производства с использованием вакуумно-технологического оборудования решающим образом зависит от степени получаемого разрежения, от качества откач-ных средств и состава остаточных газов. Производство выше перечисленных приборов и создание высокоточного с повышенным разрешением многофункционального аналитического оборудования требуют применение сверхвысоковакуумных и безмасляных средств откачки (с Afe44), обеспечивающих вакуум ~10"⁸ Па.

Проведенный анализ технологического и аналитического оборудования показал предпочтительное применение в этом оборудовании магниторазрядных насосов и их комбинации с испарительными насосами или с нераспыляемыми геттерами.

Для создания магниторазрядных насосов с предельным остаточным давлением на порядок ниже насосов типа НЭМ и НОРД (НМДО), т.е. 1-Ю"⁸ Па вместо 2-Ю"⁷ Па, и повышенной в 2-3 раза быстротой действия в области сверхвысокого вакуума, а также для разработки оптимизированной высоконадежной запорно-регулирующей арматуры, прогреваемой в закрытом состоянии (для ускорения получения сверхвысокого вакуума) потребовалось провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований. Поэтому разработка физико-технических основ создания оптимизированных магниторазрядных насосов, разъемных цельнометаллических соединений и герметизирующих устройств явилась актуальной задачей.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является разработка физико-технических основ создания высоковакуумных оптимизированных магниторазрядных насосов, цельнометаллических разъемных фланцевых соединений и запорно-регулирующих устройств, предназначенных для повышения технического уровня и эффективности

сверхвысоковакуумного безмасляного технологического и аналитического оборудования производства изделий электронной техники.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: -анализ средств формирования безмасляной газовой среды в высоковакуумных системах технологического оборудования;

-разработка физико-математической модели зависимости быстроты действия маг-ниторазрядной ячейки от коэффициента катодного распыления, коэффициента поглощения газовых молекул и интенсивности разряда (отношения разрядного тока к давлению);

-проведение исследования распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям в элементной ячейке насоса;

-проведение экспериментального определения коэффициентов распыления титановых катодов под действием ионной бомбардировки в условиях сверхвысокого вакуума;

-экспериментальное исследование и определение коэффициента поглощения азота пленками титана в магниторазрядном насосе;

-экспериментальное исследование зависимости разрядного тока от физических параметров разряда в широком диапазоне давлений вплоть до 10"⁸ Па;

-разработка инженерной методики расчета магниторазрядных насосов; -разработка и внедрение параметрического ряда оптимизированных магниторазрядных насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками;

-проведение теоретических и экспериментальных исследований процесса герметизации разъемных сверхвысоковакуумных соединений;

-разработка параметрического ряда оптимизированных сверхвысоковакуумных разъемных фланцевых соединений;

-проведение исследований по созданию новых цельнометаллических клапанов, прогреваемых до 400С в закрытом состоянии;

. -разработка и внедрение в серийное производство оптимизированных сверхвысоковакуумных цельнометаллических клапанов и высоковакуумных затворов шиберного типа, а также ряда быстродействующих форвакуумных клапанов..

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались положения теоретических основ вакуумной техники, физики твердого тела, газового разряда, сопротивления материалов, а также современные методы экспериментальных исследований, в том числе с использованием сканирующего зондового микроскопа. Использовались методы математического и физического моделирования, системного анализа и компьютерной обработки расчетных зависимостей.

Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые проведены обширные и комплексные экспериментальные исследования зависимости разрядного тока от физических параметров и геометрических размеров ячейки магниторазрядного насоса в широком диапазоне давления остаточного газа (от 10'¹ до 10~⁸ Па). Необходимость проведения этих исследований объясняется отсутствием законченной теории разряда Пеннинга, лежащего в основе работы мапштогшрядных насосов (из-за чрезвычайной сложности газового разряда с изменяющимся отрицательным объемным зарядом при изменении давления в скрещенных электрическом и магнитном полях).

Впервые в ячейке с параметрами промышленных магниторазрядных насосов экспериментально исследованы распределения ионов по поверхности катода, по углам и по энергиям. Получено, что средняя энергия бомбардирующих катод ионов при давлении составляет приблизительно 0_t5eU_a (~3,5 кэВ). ' При этом обнаружено, что энергия ионов, определяющаяся величиной потенциала в местах рождения ионов, зависит от давления: с понижением давления средняя энергия ионов возрастает, а при повышении давления - уменьшается, что свидетельствует о непостоянстве величины отрицательного объемного заряда.

Впервые экспериментально определены коэффициенты распыления Ті положительными ионами JV₂⁺, Ог, Аг* в диапазоне энергий от 0,5 до 9 кэВ в сверхвысоком вакууме (~10-⁷ Па).

Показано, что в условиях работы магниторазрядных насосов при U_a~7 кВ и давлении 5-Ю"⁴ Па коэффициент распыления титана ионами азота составляет 0,7 ат/ион, ионами кислорода— 0,5 ат/ион, ионами аргона —1,5 ат/ион.

Получена аналитическая формула зависимости быстроты действия разрядной ячейки от коэффициента распыления материала катода газовыми ионами, от коэффициента поглощения газовых молекул металлическими пленками и интенсивности разряда (отношения разрядного тока к давлению).

Теоретически и экспериментально показана корреляция зависимости интенсивности разряда и быстроты действия насоса от давления. Это чрезвычайно важное обстоятельство дало возможность заменить трудоемкие и дорогостоящие измерения зависимости быстроты действия различных макетов насосов от их параметров на измерения разрядного тока и интенсивности разряда в одиночных ячейках от физических и геометрических параметров в широком диапазоне давлений.

При исследовании процесса герметизации цельнометаллических разъемных соединений впервые предложена и разработана физическая модель вакуумных течей, основанная на многослойной шероховато-пористой структуре приповерхностной зоны плоского медного уплотнителя.

Применение математического метода конечных элементов (МКЭ) для напряженно-деформированного состояния фланцевых соединений позволяет глубже понять физику процесса и увидеть пути дальнейшего совершенствования техники вакуумной герметизации.

Впервые в большом объеме исследованы и изучены особенности, технические и эксплуатационные характеристики разъемных цельнометаллических фланцевых соединений различных конструкций и прогреваемых клапанов. При этом выбрана оптимальная конструкция — разъемные соединения со встречными канавками.

Практическая ценность я реализация результатов работы:

Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил создать метод расчета магниторазрядных насосов.
На основании научных результатов работы разработан и внедрен в серийное про- . изводство на Искитимском машиностроительном заводе (г. Искитим, Новосибирской области) параметрический ряд насосов 3-го поколения - насосов НМД с быстротой действия от 6,3 до 1000 л/с (по азоту) с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.
Разработан ряд малогабаритных магниторазрядных насосов с быстротой действия от 0,02 до 1 л/с для откачки и поддержания вакуума в приборах специального назначения.
Разработаны принципы проектирования высоковакуумной запорно-регулирующей арматуры, на основании которых созданы и внедрены в серийное производство на Машиностроительном заводе «ТЕМП» (г. Фурманов, Ивановской области) параметрические ряды сверхвысоковакуумяых и форвакуумних клапанов, затворов, на-текателей с Ду от 6,3 до 400 мм (работающих в широком диапазоне давлений).
Созданные насосы серии НМД и новая запорно-регулирующая арматура широко применяются на предприятиях электронной техники в составе сверхвысоковакуум-ного безмасляного оборудования для разработки и производства целого класса ЭВП повышенной сложности (ЭОП, ФЭП, СВЧ и рентгеновские приборы и др.), а также в составе сверхвысоковакуумного технологического оборудования типа мо-лекулярно-лучевой энитаксии (МЛЭ) и аналитического оборудования (Оже-спектрометры, ВИМС, МРЭМ и др.) - ФГУП «НЛП «ТОРИЙ» (г. Москва), ФГУП «НИИВТ им. С.А. Векшинского» (г. Москва), ФГУП «НПП «ИСТОК» (г. Фрязино,

Московской области), ОАО «Завод ПЛУТОН» (г. Москва), ОАО «НИТИ-САЕНС» (г. Рязань) и др.

Значительный объем созданной новой элементной базы широко используется в смежных отраслях науки и техники: в комплексах экспериментальной и технической физики (Серпуховской ускоритель заряженных частиц, Московская мезонная фабрика, ускорительно-накопительный комплекс Института ядерной физики им. академиха Г.И. Будкерз СО РАН, РНЦ «Курчатовский институт» и др.)
Принципы и методы разработки вакуумной арматуры успешно использованы для создания новой отечественной гидравлической и газовой арматуры, применяющейся в теплоэнергетическом городском хозяйстве - в центральных и индивидуальных тепловых пунктах (ЩП и И I'll), тепловых станциях и других теплоэнергетических объектах.
За создание и внедрение в промышленность сверхвысоковакуумных магнитораз-рядных насосов и высоковакуумных средств технологического и научного оборудования электронной техники группе ученых и специалистов НИИВТ им. С.А. Векшинского, МИЭМ и МГУ была присуждена Государственная премия СССР в области науки и техники, в том числе автору диссертационной работы как главному конструктору насосов НМД.

На защиту выносятся следующие основные положения;

Сущность и критерии оптимизации магшггоразрядных насосов, герметизирующих элементов и устройств для вакуумного оборудования электронной техники.
Физико-математическая модель зависимости быстроты действия магниторазрядной ячейки от коэффициента поглощения газовых молекул, коэффициента распыления титана и интенсивности разряда.
Методика и результаты экспериментальных исследований углового и энергетического распределения ионов, бомбардирующих различные участки катодов в элементарной ячейке насоса (в разряде Пеннинга).
Методика и результаты исследования распыления титана ионами азота, кислорода и аргона в сверхвысоком вакууме.
Результаты комплексных экспериментальных исследований зависимостей разрядного тока от геометрических размеров элементарной ячейки насоса, от анодного напряжения и напряженности магнитного поля в широком диапазоне давлений.
Методика расчета, принципы проектирования и создание насосов с существенно улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками.
Физико-математическая модель вакуумных течей, основанная на многослойной шероховато-пористой структуре приповерхностной зоны пластичного уплотнителя и результаты исследования процесса герметизации цельнометаллических разъемных вакуумных соединений.
Результаты комплексных экспериментальных исследований различных типов цельнометаллических разъемных соединений и выбор оптимальной конструкции сверхвысоковакуумных фланцевых соединений.
Результаты экспериментальных исследований по созданию оптимизированной за-порно-регулирующей арматуры.
Конструктивно-технологические принципы проектирования и создание запорно-регулирующей арматуры с оптимальными техническими характеристиками. Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях: на многочисленных Всесоюзных конференциях по «Физике и технике сверхвысокого вакуума» (Ленинград) в период с 1972 по 1988 г.г., по «Вакуумной науке и технике» (г. Казань) в период с 1973 по 1991 г.г. и в 2001 г., на отраслевых научно-технических конференциях и семинарах предприятий МЭП (г. Москва, г. Рязань, г. Брянск, г. Пенза, г. Нальчик, г. Калининград) в период с 1979

яо 1990 Г.Г., на Всесоюзных конференциях по тонким пленкам (г. Адлер, г. Туапсе и г. Махачкала) в 1987, 1988 и 1989 гх., на 1-ой, 3-ей, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Международ, ных научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» в Крыму, в 1994, 1996,1997,1998,1999, 2000,2001,2002,2003,2004,2005 г.г., и научно-технических семинарах «Вакуумная техника и технология» - Санкт-Петербург 2000,2004,2005 г.г., на 3-ем Российско-японском семинаре «Оборудование и технологии для производства компонентов твердотельной электроники и наноматериалов» МИСнС-ULVAC Inc., Москва 2005, на научной сессии МИФИ-2005, секция «Физика плазмы».

Публикации. Основное содержание работы изложено в 57 публикациях, одном учебном пособии, 18 авторских свидетельствах на изобретение и 3 патентах РФ. Выпущено 32 научно-технических отчета ФГУП «НИИ вакуумной техники им. СА. Векпшнско-го»

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 182 наименований. Общий объем работы составляет 348 стр., в том числе 183 рисунка и 35 таблиц.