Плазменные высокочастотные технологии для электронного приборостроения


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ








            В.М. ГЕЛЛЕР, В.А. ХРУСТАЛЕВ



ПЛАЗМЕННЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ













НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.38:533.9
     Г314



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.И. Алиферов-, гл. инженер ЗАО «Экран-оптические системы» В.И. Кривошеев






      Геллер В.М.
Г 314 Плазменные высокочастотные технологии для электронного приборостроения: монография / В.М. Геллер, В.А. Хрусталев. - 2-е изд., пе-рераб. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 298 с. (Серия «Монографии НГТУ»).
          ISBN978-5-7782-1559-7

          Монография посвящена решению актуальных проблем создания аппаратурно-технологических и аппаратурно-физических комплексов применительно к задачам электронного приборостроения, оптимизации аппаратурного обеспечения плазменных технологических процессов в современном вакуумном приборостроении.
          Возбуждение химически активных сред рассматривается с учетом энерго-и массообмена (неравновесная плазма). Предложены методы использования высокочастотных полей с особыми частотно-спектральными свойствами для создания однородных и пространственно развитых плазменных объемов.
          Большое внимание уделено созданию современных высокоэффективных генераторов низкотемпературной плазмы - плазмотронов: Е-типа и Н-типа, гибридных генераторов, а также многоканальных пространственно распределенных генераторов, позволяющих реализовать различные технологические операции. Особое внимание уделяется природоохранным аспектам использования техногенных устройств, какими являются высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны.
          Рассмотрены вопросы элементно-аппаратурного обеспечения электротех-нологических процессов с использованием как полупроводниковых активных элементов, так и мощных вакуумных приборов высокочастотного диапазона.
          Книга может представлять интерес для широкого круга технологов и конструкторов, работающих в области электронного приборостроения.





                                            © Геллер В.М., Хрусталев В.А., 2011 © Новосибирский государственный технический университет, 2011



УДК 621.38:533.9

ISBN 978-5-7782-1559-7

Ministry ofEducation and Science of the Russian Federation NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY








            V.M. GELLER, V.A. KHRUSTALEV



PLASMA HIGH-FREQUENCY TECHNOLOGIES FOR ELECTRONIC INSTRUMENT MAKING













NOVOSIBIRSK
2011

UDC 621.38:533.9
     G314





Reviewers:
Prof. A.I. Aliferov; D. Sc. (Phys. & Math.)
V.I. Krivosheev, Chief Engineer, Ekran-Optical Systems, close corporation




       Geller V.M.
G314 Plasma high-frequency technologies for electronic instrument making: monograph / V.M. Geller, V.A. Khrustalev. - 2ⁿd edition revised and supplemented. - Novosibirsk: NSTU Publisher, 2011. - 298 pp. («NSTU Monographs» series).
            ISBN978-5-7782-1559-7

            The monograph is devoted to solving urgent problems of creating hardware-technological and hardware-physical complexes as applied to tasks of electronic instrument making. The optimization problem of hardware support of plasma technological processes in modern vacuum instrument making is also tackled in the book.
            The excitation of chemically active media is considered with regard to energy and mass exchange (nonequilibrium plasma). Application methods of RF electromagnetic fields having special frequency-spectral properties for creating homogeneous and spatially advanced plasma volumes are proposed.
            Great attention is given to designing highly-efficient up-to-date low-temperature plasma oscillators, namely E- and H-type plasmatrons, hybrid oscillators as well as multichannel spatially distributed oscillators, to implement various technological operations. Special attention is paid to environmental aspects of RF and UHF plasmatron application.
            Issues of element and hardware support of electrotechnological processes by using both active semiconductor elements and powerful RF vacuum devices are addressed in the monograph.
            The book can be of interest to electronics engineers, designers and technologists.






UDC 621.38:533.9

                                                   © Geller V.M., Khrustalev V.A., 2011
                                                   © Novosibirsk State Technical
                                                      University, 2011

IISBN 978-5-7782-1559-7

    ВВЕДЕНИЕ

   К настоящему времени в электронном приборостроении резко расширилась область применения физико-химических технологий, в частности, плазменных. В качестве основных тенденций развития последних можно выделить в первую очередь резкое увеличение реакторных объемов: плазмохимия и плазмотермия становятся массовым инструментом не только в приборе- и аппаратостроении, но и в агрегато-строении, например в авиационной промышленности. Разнообразие и рост интенсивности новых плазменных технологий потребовали значительного увеличения удельного и суммарного энерговкладов в реакторы - до 3.10 Вт/см³ и 100.200 кВт соответственно. Увеличение химической активности (так называемого химизма) реакторных сред, обусловленное требованиями качества при сокращении длительности технологических циклов, потребовало повышения частоты ВЧ-колебаний до сотен и тысяч мегагерц. Требуемый рост производительности определяет необходимость резкого повышения коэффициента использования рабочего объема реактора до значений 0,75.0,9. Значительно возросли требования к реакторным средам, причем не только к параметрам, определяющим интенсивность технологических процессов, но и к параметрам их пространственной однородности, что особенно важно при реализации нанотехнологий. Особо следует отметить ужесточение требований к конструкции реакторных узлов и используемым материалам. Все ранее сказанное происходит на фоне известной динамики роста энерготарифов и необходимости обеспечения высокой конкурентоспособности производств.
   Увеличение роли управления и контроля при реализации процессов в электротехнологиях позволяет формулировать задачу усложнения используемых электромагнитных колебаний в отношении их частотноспектральных свойств: процессов модуляции, преобразования частот. При этом растет и энергоемкость подобных преобразований: в энергию сложных ВЧ (СВЧ) полей преобразуется 20.30% и более от совокупного производственного энергопотребления. Очевидно, большое значение приобретает структура передачи и распределения энергии в сложной системе технологических позиций.
   Важнейшее значение имеет обеспечение аппаратурных решений активной элементной базой. Естественное стремление к использованию твердотельных активных элементов ограничивается реализуемыми мощностями, частотами и динамическими требованиями. Последнее связано с изменениями параметров технологической нагрузки на протяжении рабочего цикла, что характерно для режима работы ВЧ (СВЧ) технологического комплекса в отличие от режима, в котором работают мощные радиопередающие устройства. Это приводит к тому, что при энергообеспечении современных ВЧ (СВЧ) электротехнологий наиболее широко используются электровакуумные и полупроводни

Введение

ковые приборы (транзисторы, тиристоры) в резонансных, апериодических и импульсно-коммутируемых системах.
   Разнообразие конструкций, материалов и габаритовесовых характеристик приборов в современном приборостроении, а также физикохимических явлений, лежащих в основе технологических процессов, затрудняет создание их адекватных математических моделей, снижает возможности управления реальными технологическими процессами. Поэтому в современном приборостроении явно наметился разрыв между требуемыми и существующими технологиями.
   Накопленный к настоящему времени опыт и сформировавшиеся тенденции технологического развития отрасли позволяют выделить основные пути совершенствования высокочастотного термического и плазменного обеспечения электронно-технологических процессов в приборостроении. Для довольно широкого перечня физических и химических механизмов, используемых в приборостроительных производствах, задача совершенствования сводится к выработке ряда критериев, которые бы удовлетворяли современным требованиям и позволяли дифференцированно подходить к проведению технологических операций и созданию технологического оборудования.
   Несмотря на большое количество публикаций, посвященных конкретным схемным решениям или методам расчета элементов и параметров плазменного технологического оборудования, следует признать, что сегодня отсутствует общая энергофизическая трактовка процессов, протекающих в электротехнологических комплексах на основе плазменных технологий. Это усложняет задачу создания плазменных устройств для реализации интенсивных технологий вакуумнофизического производства, разработку научных рекомендаций по проведению технологических операций и не позволяет произвести строго обоснованный выбор состава и режимов прокачки плазмообразующих газов, частотных и спектральных способов возбуждения полей, методов возбуждения реакторной плазмы, конструктивного оформления реакторов, основных системных параметров управления, определить степень влияния основных параметров энергопереносчика на скорость и качество протекающих технологических операций и в конечном счете сформулировать концепцию построения электротехнологических комплексов и определить области их применения.
   В настоящей работе обобщены научно-технические и патентнолицензионные исследования, выполненные авторами в период 1975— 2009 годов Новосибирском государственном техническом университете, по проблемам повышения эффективности плазменных технологических процессов и технологического оборудования в приборостроении.
   Разработанные научные рекомендации могут быть использованы не только в электронном приборостроении, но и в медицине, индустрии строительных композитов, машиностроении, геофизике, космической технике.

Глава 1




                ПРИБОРНО-РЕАКТОРНЫЕ СРЕДЫ ЭНЕРГО- И МАССООБМЕНА






    1.1.     НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА -АКТИВАТОР ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

   Необходимость экономии электрической энергии и высокая стоимость химреагентов, а также условия их хранения и последующая нейтрализация требуют разработки и внедрения принципиально новых технологий, в частности, основанных на применении низкотемпературной газоразрядной плазмы.
   Высокие температуры и большая концентрация энергии в единице объема позволяют значительно интенсифицировать традиционные физико-химические реакции. Плазменные технологии основываются на новых явлениях, связанных с электропроводностью плазмы, ее чувствительностью к изменению электромагнитных полей, пространственной неоднородностью, электромагнитным излучением. Они позволяют более эффективно осуществлять химические превращения по сравнению с традиционными методами обработки изделий в жидкостных химических средах, повышать селективность реакций, достигать сверхравновесных эффектов.
   Плазмохимические технологии применяются в электронном приборостроении при производстве электровакуумных (ЭВП) и полупроводниковых приборов [3, 4]. Например, при изготовлении электровакуумных ламп для обезгаживания металлической арматуры используется нагрев токами высокой частоты. Интенсивно выделяющиеся при этом газы не всегда успевают своевременно откачиваться, в результате чего ионизируются в поле высокой частоты [5]. Этот эффект (так называемое «жестчение») приводит к очистке прибора, что не всегда бывает полезно и желательно [6].

Глава 1. ПРИБОРНО-РЕАКТОРНЫЕ СРЕДЫ ЭНЕРГО- И МАССООБМЕНА

   Использование плазменных технологий для изготовления крупногабаритных электровакуумных электронно-лучевых и фотоэлектронных (ЭЛФЭП) приборов часто ограничивается большими размерами последних. Поэтому, если для малогабаритных полупроводниковых приборов чаще всего используются установки с групповой обработкой деталей, то для ЭЛФЭП, как правило, необходима комбинированная конвейерно-индивидуальная обработка.
   При изготовлении вакуумных устройств наряду с промежуточными широко применяются финишные и предфинишные плазменные процессы, требующие достаточно высокого энергоуровня (удельные значения высокочастотной мощности на 1 см³ реакторного объема доходят до [0,6 - 0,7] Вт/см³ и более), реализуемые часто не в специальных реакторах, а в самих оболочках собранных или полусобранных приборов и устройств.
   Плазмохимические технологии в полупроводниковом приборостроении в результате широкого применения галогенсодержащих плазмообразующих смесей, а также для снижения деструктивных эффектов при использовании больших энергоуровней отличаются более низкими удельными значениями мощности, составляющими 0,1...0,3 Вт/см³. Это необходимо учитывать при обосновании выбора частоты и энергоуровня возбуждающего поля, конструкции реакторов, составов и режимов прокачки плазмообразующих газов, а также методов возбуждения реакторной плазмы.

    1.2.     ОСОБЕННОСТИ ПЛАЗМООБРАЗУЮЩИХ ГАЗОВ

   Рабочие газы, используемые в плазмохимических технологиях электронного приборостроения, должны обеспечивать:
   -    максимальный выход энергетически и химически активных частиц, способных при взаимодействии с обрабатываемым материалом образовывать либо стабильные летучие, либо легко распыляемые соединения;
   -    требуемые скорости, селективность и анизотропию процесса обработки изделий.
   Кроме того, рабочие газы не должны быть токсичными, взрывоопасными и не должны иметь коррозионного и иного деградирующего

1.2. Особенности плазмообразующих газов

11

воздействия на стенки реактора, откачных магистралей, а также на масла вакуумных насосов.
   Необходимость обработки разнообразных материалов привела к применению большого числа как одно-, так и многокомпонентных рабочих газов. Для плазмохимической обработки материалов используются многокомпонентные галогенсодержащие соединения класса хладонов, а также их смеси с кислородом, водородом, азотом и инертными газами. Смысл таких добавок состоит в селективном изменении количественного и качественного состава реакционноспособных радикалов за счет появления в плазме высокоэнергетичных электронов. Однако использование многокомпонентных смесей приводит к усложнению всех плазмохимических процессов. Появляется целый ряд одновременно и большей частью независимо друг от друга протекающих гомогенных и гетерогенных реакций. Образующиеся при этом разнообразные продукты, вторично вступающие в реакцию, могут оказывать как катализирующее, так и ингибирующее действие на протекание основных процессов. Кроме того, в зависимости от условий, ограниченных выбранными мощностью и давлением, химическое равновесие основных реакций может сместиться в сторону как образования легколетучих продуктов реакций, так и получения труднолетучих веществ, удаление которых с обрабатываемой поверхности часто затруднено. При использовании многокомпонентных смесей механизм протекания процессов в большинстве случаев неизвестен, что чрезвычайно усложняет и делает невозможным управление ими.
   Среди однокомпонентных плазмообразующих газов выделяют молекулярные (Н₂, N₂, О₂, F₂, С1₂) и инертные (Ar, Ne, Не). Наибольшей реакционной способностью обладают галогенсодержащие газы.
   Как известно, галогены в периодической системе Д.И. Менделеева располагаются в конце периода (в подгруппе седьмой группы). Внешний электронный слой этих веществ близок к завершению, поэтому их атомы легко присоединяют электроны при взаимодействии с другими химическими элементами. Способность атома оттягивать на себя общую электронную пару характеризуется относительной электроотрицательностью А Чем больше электроотрицательность, тем выше способность атома присоединять электроны другого элемента. Количественные оценки электроотрицательности элементов следует рассматривать как приближенные средние величины, поскольку электроотрицательность атома в известной мере зависит от других

Глава 1. ПРИБОРНО-РЕАКТОРНЫЕ СРЕДЫ ЭНЕРГО- И МАССООБМЕНА

присоединенных к нему атомов и степени его окисления [7]. Электроотрицательность плазмообразующих газов в зависимости от атомного номера N приведена в табл. 1.1, из которой видно, что наибольшей электроотрицательностью обладают галогены.


Таблица 1.1

Электроотрицательность плазмообразующих газов

Параметр н2  С2  n2  О2  F2  CI2
   N      1   6   7   8   9  17 
 X, эВ   2,2 2,5 3,1 3,5 4,1 4,8

   Электроотрицательность имеет важное значение для оценки вероятности протекания реакции присоединения. Так, при хемосорбции галогены на поверхности обрабатываемого материала объединяют свои неспаренные электроны со свободными валентностями активных центров поверхности -А-. В этом же направлении происходит смещение электронных облаков атомов поверхности -А- в их связях с решеткой A-R, что приводит в дальнейшем к ослаблению связей атомов на поверхности с решеткой. Следующим шагом в ослаблении связей A-R является образование летучих соединений.
   Чтобы произошла реакция, т. е. образовались новые связи, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. Высокая химическая активность галогенов объясняется тем, что для разрыва молекул на атомы необходимы сравнительно малые затраты энергии. Кроме того, галогены способны с наименьшими энергетическими затратами образовывать радикальные формы, которые обладают наибольшей химической активностью по сравнению с атомами [8] (табл. 1.2).
   Невысокие значения энергии диссоциации двухатомных молекул галогенов свидетельствуют о том, что в их частицах в отличие от азота и кислорода присутствуют одиночные связи [7].
   Возрастание химической активности газов сопровождается увеличением расстояния между ядрами двух атомов, т. е. длины связи ге вдоль периода, а также уменьшением размера орбиталей г при переходе слева направо по периоду (табл. 1.3) [9].
Таблица 1.2
Химическая активность плазмообразующих газов