В манометрическом преобразователе имеются всего два электрода: катод, которым является металлический корпус 1 прибора, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создается магнитное поле с индукцией 0,05 ... ... 0,2 Тл от постоянного магнита 4. Через балластный резистор 3 на анод подается высокое положительное напряжение (2,5 ... 3 кВ). При достаточно низком давлении между анодом и корпусом прибора возникает самостоятельный тлеющий разряд.

Образовавшиеся при ионизации положительные ионы перемещаются к корпусу (катоду) и нейтрализуются на нем. Обладая значительной энергией, положительные ионы выбивают из корпуса вторичные электроны, которые, двигаясь к аноду, также ионизируют газ. Балластный резистор 3 автоматически снижает разность рабочих напряжений на электродах преобразователя при высоких давлениях, предотвращая тем самым возможность перехода тлеющего разряда в дуговой.

Ток положительных ионов на катод и ток вторичных электронов с него в сумме численно равны электронному току в цепи анода. В результате ионизации газа возникает электрический разряд, ток которого в достаточно широком диапазоне зависящий от давления измеряется амперметром 5.

Приборы для измерения парциальных давлений газов называются газоанализаторами или масс-спектрометрами. Принцип действия почти всех наиболее широко применяемых высоковакуумных масс-спектрометров основан на ионизации анализируемого газа. При этом образовавшиеся положительные ионы разделяются по характерному для каждого из них отношению массы иона к его заряду. После разделения ионы поступают иа коллектор масс-спектрометра и создают в его цепи ток, пропорциональный давлению. Таким образом, датчик масс-спектрометра должен состоять из трех основных узлов: источника иоиов, анализатора и приемника, ионов.

По принципу действия масс-спектрометры подразделяются на следующие группы:

1. Статические масс-спектрометры, в которых разделение ионов осуществляется с помощью постоянных или медленно изменяющихся магнитного и электрического полей, причем период изменения полей много больше времени движения ионов в анализаторе.

2. Времяпролетные масс-спектрометры, в которых разделение ионов в анализаторе происходит во время их пролета в пространстве, свободном от электрического н магнитного полей. Масс-спектрометры этого типа называют также хронотронами.

3. Радиочастотные масс-спектрометры, в которых характер движения ионов, например частота колебаний, находится в определенном соответствии с приложенным высокочастотным напряжением: а) омегатронный измеритель парциальных давлений; б) квадрупольный и монополярный масс-спектрометры.

Основными параметрами газоанализаторов являются чувствительность, разрешающая способность, диапазон анализируемых масс и минимальное регистрируемое давление.

Квадрупольный масс-спектрометр (рис. 6.13) способен анализировать состав газов от давления Ю-1 Па н ниже при достаточно высокой разрешающей способности (до 100 и более).

Принцип работы анализатора заключается в следующем. Исследуемый газ ионизируется в источнике иоиов 1 и выталкивается в виде ионного пучка через диафрагму в пространство анализатора. Отфильтрованные в анализаторе ионы определенной массы дают в цепи коллектора 3 ток, пропорциональный давлению. В анализаторе прибора разделение ионов по массам происходит за счет действия квадрупольного электрического поля, создаваемого четырьмя параллельными цилиндрическими стержнями 5, к которым приложены переменное и постоянное напряжения. При этом в области поперечного сечения, близкой к продольной оси прибора, создается гиперболическое электрическое поле.

Заряженная частица 2, двигающаяся вдоль оси прибора, будет раскачиваться высокочастотным полем, причем амплитуда колебаний зависит как от массового числа ионизированной частицы, так и от напряжения на стержнях. Ионы 4, амплитуда колебаний которых остается меньше расстояния от оси до стержня, могут беспрепятственно проходить через квадрупольное поле. Можно подобрать параметры поля так, что в зависимости от подаваемого напряжения через фильтр будут проходить ионы одной определенной массы.

Для получения тонкопленочных элементов ИС высокого качества необходимо контролировать скорость осаждения пленок в процессе их получения. Разный химический состав наносимых материалов и различные способы их осаждения, а также широкий диапазон требуемой скорости роста пленки и ее толщины вызывают необходимость использования различных по физическим принципам методов измерения. Все виды приборов можно разделить на три группы: для контроля потока осаждаемых частиц, измерения массы осажденного вещества и характерных параметров пленок.

Существуют два метода измерения плотности потока испаряемого вещества, один из которых основан на ионизации молекул пара электронами и регистрации ионного тока, а второй-на измерении динамической силы, с которой сталкивающиеся с поверхностью молекулы воздействуют на нее. Обоими методами измеряется скорость осаждения в даииый момент времени. Для измерения тре-

10* 147

буется эмпирическая калибровка, т. е. определение независимым способом толщины пленки, получаемой за известное время осаждения.

Датичики, чувствительные к массе вещества, могут быть использованы для контроля скорости осаждения любых осаждаемых материалов. Эти датчики регистрируют либо вес осажденного вещества, либо изменение частоты колебаний небольшого кристалла кварца, на поверхность которого осаждается вещество. Кварцевые кристаллические резонаторы (рис. 6.14), используемые в датчиках, обычно представляют собой пластины 6 круглой или квадратной формы. Они монтируются на держателях 1 и 7, которые фиксируют их положение и позволяют легко снимать. Для приложения к кристаллу электрического поля на обе поверхности пластины наносят тонкие пленки золота или серебра. Электрический ток подводится к электроду 2, поджимаемому пружиной 3. Датчик охлаждается водой, протекающей по трубке 4 и отбирающей тепло от экрана 5. Основными приборами, необходимыми для работы датчика, являются генератор и частотомер. Толщина пленки определяется из соотношения тп

Рис. 6.14. Кварцевый кристаллический резонатор

f Fp

где m - масса кварцевого кристалла, f - резонансная частота кварца, F - площадь кристалла, покрытая пленкой осаждаемого вещества, р - плотность осаждаемой пленки, Af - изменение (сдвиг) резонансной частоты. Поскольку f, площадь подложки и плотность пленки практически не изменяются, зависимость Af(m) графически выражается прямой линией, выходящей из начала координат. Однако это допущение справедливо только для толщины пленки больше 20 ... ... 30 им. К достоинствам метода следует отнести высокую точность измерения, высокую чувствительность и малую инерционность. К недостаткам - уход частоты, связанный с нестабильностью температуры кристалла.

При получении тонких пленок часто бывает нажно, чтобы величина какого-нибудь одного параметра пленки достигала определенной конечной величины. Это могут быть оптические или электрические параметры, и их измерение лучше проводить непосредственно во время осаждения. Оптические датчики могут использовать ряд явлений, таких как поглощение, пропускание и отражение света и интерференционные явления. Выбор вида измеряемой величины определяется типом подложек и материалом осаждаемой пленки. Оптические датчики используются главным образом для контроля диэлектрических пленок.

Если удельное сопротивление пленки остается неизменным в течение процесса осаждения, то ее толщину можно непрерывно контролировать по ее сопротивлению. Резистивный датчик обычно включается в одно из плеч мостовой

схемы измерения. Когда сопротивление достигает заданной величины, сигнал с мостовой схемы включает питание электромагнита, поворачивающего заслонку, и осаждение пленки прекращается.

Емкостные датчики используются для контроля процесса осаждения диэлектрических пленок.

6.4. ЭЛЕМЕНТЫ ГАЗОВЫХ СИСТЕМ И ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА

В технологических установках для проведения диффузии, окисления, эпи-таксии, в элионном и плазмохимическом оборудовании важная роль отведена газовым системам и химико-технологической аппаратуре.

Аппаратура для приготовления парогазовой смеси. Источниками паровой фазы в ПГС являются жидкие соединения, расход которых зависит от назначения технологического процесса и может меняться в широких пределах. Так, в эпитаксиальных процессах расходы основного реагента составляют (15 ... 30)-Ю-6 кг/с, а при проведении процессов диффузии они значительно меньше (0,03 ... 0,3)-Ю-6 кг/с. Погрешность дозирования реагентов в обоих случаях не должна превышать ±5%. В зависимости от назначения газовой системы в ней могут использоваться дозаторы различного типа.

В промышленных установках для наращивания эпитаксиальных слоев кремния применяются дозаторы барботажного типа (барботеры). Они отличаются высокой производительностью, простотой конструкции, надежностью в работе. В барботере (рис. 6.15) газ-носитель (обычно водород) подается распределителем 2 с прорезями 3 внутрь сосуда 1, проходит через слой жидкого реагента и создает сложную газожидкостную систему, состоящую из пузырьков или струй газа и циркулирующих потоков жидкости. Для дозаторов барботажного типа могут быть рекомендованы следующие конструктивные параметры: диаметр бар-

Рис. 6.15. Схема дозатора барботажного типа

Рис. 6.16. Схема дозато- Рис. 6.17. Объемный доза-

ра испарительного типа тор поршневого типа

ботера D6>0,1 ... 0,12 м, прорези в распределителе газа треугольного сечения с шириной основания Ь=(2... 3) Ю- м, высотой hn=(15... 20) 10 м и шагом б, в 3-5 раз превышающим ширину прорези у основания, т. е. 5= (3 ... ... 5)Ь.

При получении диффузионных слоев наиболее широкое распространение получили дозаторы испарительного типа. Принцип их работы основан на испарении жидкого диффузанта в поток газа-носители. В дозаторе испарительного типа (рис. 6.16) предусмотрена возможность регулирования дозы диффузанта в ПГС. В этом дозаторе подача диффузанта осуществляется принудительно по тонкой трубочке или пористому стержню 1 за счет капиллярных сил. Нагреватель 2 позволяет изменять температуру и парциальное давление диффузанта, давая возможность управлять рабочей концентрацией ПГС камере смешения 3 в автоматическом режиме.

Для получения ПГС применяют также объемные дозаторы, обеспечивающие постоянную скорость истечения реагента из отверстия малого диаметра с последующим полным его испарением.

Объемный дозатор поршневого типа (рис. 6.17) выполнен по схеме медицинского шприца. Электродвигатель 1 через редуктор 2 и винтовую передачу 3, 4 перемещает шток 5 и поршень 6, который через объем глицерина воздействует на тонкостенную оболочку 7 камеры 8 с жидким диффузантом. Непрерывное дозирование осуществляется электромагнитным клапаном 10, открывающим с заданной частотой канал 9 камеры с диффузантом. Важным преимуществом дозатора является возможность управления расходом диффузанта, что позволяет изменять концентрацию ПГС во время технологического процесса и использовать дозатор в АСУТП.

Смесители предназначены для получения однородных газовых и парогазовых смесей заданного состава. Для смешения газов и паров при атмосферном давлении наиболее широко используются струйные смесители. Быстрое и

Рис. 6.18. Схема смесителя газов при Рис. 6.19. Электромагнитный клапаи пониженном давлении

тщательное перемешивание обеспечивается в том случае, когда скорость газа-разбавители в 2-3 раза превышает скорость технологических газов. При этом газ-разбавитель инжектирует (подсасывает) технологический газ в смесительную камеру.

Для смешения газовых потоков при пониженных давлениях (102 ... ... Ю-3 Па) в дополнение к смесительной камере используются также демпферные камеры (рис. 6.18). Для приготовления газовой смеси демпферные камеры 3 и смесительная камера 5 откачиваются через вентили 7 механическим насосом 6 до требуемого давления.

Компоненты газовой смеси в заданных пропорциях подаются в демпферные камеры через впускные электромагнитные клапаны 1. Дозировочные натекателн 4 обеспечивают заданное количество газов, пропускаемых в смесительную камеру. Давление газа в камере измериется электроконтактным мановакуумет-