Нанесення тонких плівок методом іонного магнетронного розпилення.

Прагнення знизити тиск робочого газу в камері і збільшити швидкість розпилення мішеней призвело до створення методу магнетронного розпилення. Один з можливих варіантів схем магнетронного розпилювача представлений на рис. 4.

Рис. 4 Схема установки для магнетронного розпилення

Цифрами позначені: 1 - мішень, що одночасно є катодом розпилювальної системи, 2 - постійний магніт, який створює магнітне поле, силові лінії якого паралельні поверхні мішені; 3 - кільцевої анод. Вище анода розташовується підкладка (на малюнку не показана), на якій формується плівка з матеріалу мішені.

Відмінною особливістю магнетронного розпилювача є наявність двох схрещених полів - електричного і магнітного.

Якщо з мішені-катода буде випускати електрон (за рахунок вторинної електронної емісії), то траєкторія його руху буде визначатися дією на нього цих полів. Під впливом електричного поля електрон почне рухатися до анода. Дія магнітного поля на рухомий заряд призведе до виникнення сили Лоренца, спрямованої перпендикулярно швидкості. Сумарна дія цих сил призведе до того, що в результаті електрон буде рухатися паралельно поверхні мішені за складною замкнутої траєкторії, близькій до циклоїди.

Важливим тут є те, що траєкторія руху замкнута. Електрон будуть рухатися по ній до тих пір, поки не відбудеться кілька зіткнень його з атомами робочого газу, в результаті яких відбудеться їх іонізація, а сам електрон, втративши швидкість, переміститися за рахунок дифузії до аноду. Таким чином, замкнений характер траєкторії руху електрона різко збільшує ймовірність його зіткнення з атомами робочого газу.Це означає, що газорозрядна плазма може утворюватися при значно більш низькому тиску, ніж у методі катодного розпилення. Значить і плівки, отримані методом магнетронного розпилення, будуть чистішими. Інша важлива перевага магнетронних систем зумовлено тим, що іонізація газу відбувається безпосередньо поблизу поверхні мішені. Газорозрядна плазма локалізована поблизу мішені, а не "розмазана" в міжелектродному просторі, як у методі катодного розпилення. У результаті різко зростає інтенсивність бомбардування мішені іонами робочого газу, тим самим збільшується швидкість розпилення мішені і, як наслідок, швидкість росту плівки на підкладці (швидкість досягає кілька десятків нм / с). Наявність магнітного поля не дає електронам, що володіє високою швидкістю, долетіти до підкладки, не зіткнувшись з атомами робочого газу. Тому підкладка не нагрівається внаслідок бомбардування її вторинними електронами. Основним джерелом нагріву підкладки є енергія, що виділяється при гальмуванні і конденсації загрожених атомів речовини мішені, в результаті чого температура підкладки не перевищує 100 - 200 ° С. Це дає можливість напилюють плівки на підкладки з матеріалів з ​​малою термостійкістю (пластики, полімери, оргскло і так далі).

 

Білет №19

1. Частотна фільтрація. Відношення сигналу до шуму на виході. За рахунок чого підвищується відношення сигналу до шуму.

За допомогою методів фільтрації можна підвищити відношення сигналу до шуму. Існують такі методи фільтрації: частотна, накопичення, кореляційна, узгоджена.

Частотна фільтрація.

Принцип оснований на відмінності спектрів корисного сигналу і перешкод, при цьому використовують лінійні частотні фільтри, котрі дозволяють ослабити перешкоду і покращити відношення сигнал/шум.

Параметри фільтра визначаються спектральними характеристиками.

Окремі випадки:

- На приймального пристрою поступає вузько смуговий сигнал із спектральною густиною і широкосмугова перешкода ;

- На вхід поступає широкосмуговий сигнал і вузько смугова перешкода;

- На вхід поступає періодичний сигнал і широкосмугова перешкода.

 

2. Функціональна схема, принцип дії багаторезонаторного магнетрона. Конструктивно-технологічні особливості та застосування.

Магнетронами називаються резонансні прилади М-типу, у яких замкнутий електронний потік взаємодіє з НВЧ полем замкнутої системи, що сповільнюється. Багаторезонансні магнетрони є одним з основних видів генераторів потужних коливань сантиметрового й міліметрового діапазонів.

 

Магнетрон являє собою електровакуумний прилад циліндричної конструкції, у центрі якої розташований підігрівний катод (2). Анодний блок (1) розташований навколо катода і являє собою систему, що сповільнює, типу "щілина-отвір", згорнуту в кільце, з парним числом резонаторів (3) від 8 до 38. Анодний блок магнетрона є складною, багатозв'язною коливальною системою, у якій, як і в будь-якому автогенераторі, за рахунок теплового руху вільних електронів існує слабке загасаюче за амплітудою електромагнітне поле НВЧ. Кількість резонаторів системи, що сповільнює, визначається потужністю і діапазоном генеруючих частот. Простір (4) між катодом і анодним блоком є простором взаємодії між електронним потоком, емісуючим катодом і полем НВЧ коливальної системи. Енергія високочастотних коливань виводиться з магнетрона за допомогою петлі зв'язку (5), поміщеної в один із резонаторів. Анодний блок для зручності експлуатації заземлюють, а на катод подають негативний потенціал напруги живлення - E_а. У результаті між анодним блоком і катодом створюється постійне електричне поле E₀. Магнетрон міститься між полюсами постійного магніту чи соленоїда так, щоб вектор магнітної індукції B₀ збігався з віссю симетрії анодного блоку. У результаті в просторі взаємодії (4), крім вектора E₀, створюється вектор постійного магнітного поля B₀. Індукція поля складає 0,1...5 Т, причому великі значення відповідають магнетронам з меншою довжиною хвилі.

Для забезпечення теплового режиму анодного блоку магнетрона застосовуються примусово повітряне чи рідинне охолодження.

Принцип роботи магнетрона зводиться до наступного. При включенні джерела живлення E_а і напруги розжарювання з поверхні катода емісується

електронний потік, що рухається у бік анода. У процесі руху електронного потоку відбувається його модуляція за швидкістю і щільністю, тобто формуються згустки й розрідження. Згустки потрапляють у гальмуючу фазу електричного поля коливальної системи й віддають їй свою енергію, підсилюючи НВЧ коливання, а розрідження - у прискорюючу фазу того ж поля. У результаті в магнетроні відбувається збудження НВЧ коливань, що за допомогою петлі зв'язку знімаються в навантаження.

При аналізі роботи магнетрона розглядають два режими: статичний і динамічний.

Головні переваги сучасних магнетронів як автогенераторів НВЧ - це простота конструкції й досить високий ККД. Тому їх широко використовують як джерела НВЧ енергії як у радіолокації, так і в інших областях техніки. Магнетрони перекривають діапазон частот від 300 МГц до 300 ГГц. Вихідна потужність магнетронів безупинної дії складає від часток вата до десятків кіловат, а магнетронів імпульсної дії - від 10 Вт до 10 МВт, при ККД 50...70%.

3. Нанесення тонких плівок методом іонного магнетронного розпилення.

Один з можливих варіантів схем магнетронного розпилювача представлений на рис. 1.

Рис. 1 Схема установки для магнетронного розпилення

Цифрами позначені: 1 - мішень, що одночасно є катодом розпилювальної системи, 2 - постійний магніт, який створює магнітне поле, силові лінії якого паралельні поверхні мішені; 3 - кільцевої анод. Вище анода розташовується підкладка (на малюнку не показана), на якій формується плівка з матеріалу мішені.

Відмінною особливістю магнетронного розпилювача є наявність двох схрещених полів - електричного і магнітного.

Якщо з мішені-катода будуть випускатись електрони (за рахунок вторинної електронної емісії), то траєкторія його руху буде визначатися дією на нього цих полів. Під впливом електричного поля електрон почне рухатися до анода. Дія магнітного поля на рухомий заряд призведе до виникнення сили Лоренца, спрямованої перпендикулярно швидкості. Сумарна дія цих сил призведе до того, що в результаті електрон буде рухатися паралельно поверхні мішені за складною замкнутої траєкторії, близькій до циклоїди.

Важливим тут є те, що траєкторія руху замкнута. Електрон будуть рухатися по ній до тих пір, поки не відбудеться кілька зіткнень його з атомами робочого газу, в результаті яких відбудеться їх іонізація, а сам електрон, втративши швидкість, переміститися за рахунок дифузії до аноду. Іони робочого газу рухаються до катода і вибивають із нього атоми (молекули). Утворений атомний (молекулярний) потік прямує на підкладку, де відбувається конденсація речовини і формується плівка. Замкнений характер траєкторії руху електрона різко збільшує ймовірність його зіткнення з атомами робочого газу. Це означає, що газорозрядна плазма може утворюватися при значно більш низькому тиску, ніж у методі катодного розпилення. Значить і плівки, отримані методом магнетронного розпилення, будуть чистішими.

 

 

Билет 20

1. Накопичення шуму. Збільшення відношення сигнал/шум при накопиченні.

Метод накопления

Метод накопления применим в том случае, если полезный сигнал в течении времени приема постоянен или является периодической функцией. Метод состоит в многократном повторении сигнала и суммировании отдельных его реализаций в устройстве обработки. Данный метод относится к группе точечных алгоритмов обработки сигналов.

Пусть полезный сигнал представлен двумя уровнями

В интервале Т_х сигнал постоянен. На интервале наблюдения Т_х накапливается выборка значений принятого сигнала

И эти значения суммируются

Введем некоторые допущения:

1) Отсчеты помехи п_i не зависят друг от друга

2) Помеха стационарна (ее характеристики не зависят от времени)

и определим () на выходе накопителя т.е.

 

Таким образом, при перечисленных выше условиях, в результате п -кратного отсчета, отношение мощностей сигнала и помехи увеличивается в m раз. Временной интервал между отдельными отсчетами должен быть больше интервала корреляции помехи . В противном случае выигрыш за счет накопления будет меньше значения, даваемого выражением.

За счет увеличения числа отсчетов m, т.е. времени передачи Т_х, можно сколь угодно увеличивать отношения сигнал/помеха.

Если сигнал представляет периодическую функцию времени, то отсчеты нужно производить через интервалы, равные или кратные периоду этой функции. В таких случаях метод носит название метода синхронного или когерентного накопления. Эффект накопления такой же, как в случае постоянного сигнала.

Эффект накопления можно осуществить также за счет интегрирования входного сигнала в течении времени Т_х. Такой метод получил название интегрального приема.

Интегральный прием целесообразно применять в случае, когда полезный сигнал постоянен (или квазипостоянен).

 

2. Функціональна схема, принцип дії лампи біжучої хвилі типу М. Конструктивно-технологічні особливості та застосування.

 

Лампа бігучої хвилі М-типу - це підсилювальний прилад М-типу прямої хвилі з інжектованим електронним потоком, сповільнюючої системи, й електронний потік якої розімкнутий.

Основне застосування ЛБХМ знаходять як кінцеві підсилювачі, що мають вихідну потужність до декількох мегават в імпульсному режимі (рівень власних шумів ЛБХМ дуже великий і їх не можна використовувати для підсилення слабких сигналів). Діапазон робочих частот складає 20...30% від середньої частоти й визначається, в основному, дисперсійною характеристикою системи, що сповільнює (при однакових дисперсійних характеристиках ЛБХМ має більш широку смуту, чим ЛБХО). ККД лампи біжучої хвилі М-типу досягає 50% (значно більше, ніж у ЛБХО). Крім того, при тому самому рівні потужності ЛБХМ мають значно менші напруги, що прискорюють, ніж ЛБХО. Але за коефіцієнтом підсилення ЛБХМ поступається багаторезонаторним клістронам і ЛБХО.

 

 

Електронний потік формується спеціальною системою електродів, названою системою короткої оптики.

п

Напруга на керуючому електроді (додатковому аноді) підбирається так, що електрони, рухаючись по циклоїдальній траєкторії, приходять до початку системи, що сповільнює, у вершині витка циклоїди зі швидкістю,

 

де - відстань між керуючим електродом і катодом.

Початкова для простору взаємодії швидкість електронів спрямована паралельно електродам і дорівнює переносній швидкості . Потрапляючи в простір взаємодії, електронний потік взаємодіє з електромагнітною хвилею. Під впливом поперечної складової НВЧ поля електрони формуються в згустки навколо електрона, що знаходиться в максимумі гальмуючого поля. Вплив поздовжньої складової приводить до відбору "робочих" електронів і поступовому їхньому зсуву в процесі руху від негативного електрода до системи, що сповільнює. У результаті руху до сповільнюючої системи (аноду) електрони втрачають потенційну енергію, віддаючи її НВЧ полю хвилі. Передана полю енергія тим більша, чим більший шлях проходять електрони по напрямку від холодного катода до сповільнюючої системи, тому електронний потік вводиться в простір взаємодії у вигляді плоского променя, притиснутого до холодного катода. Електронний потік, що входить у простір взаємодії, має визначену товщину , і верхні електрони потрапляють під вплив більш сильного НВЧ поля, ніж нижні. Тому зсув електронів на верхній межі завжди більший, ніж на нижній, і перетинання пучка пульсуюче: у гальмуючому полі збільшується, у прискорюючому зменшується. Об'ємна щільність електронного потоку (на відміну від ЛБХО) залишається постійною, тому що одночасно з подовжнім групуванням відбувається збільшення перетину пуску

Передача потенційної енергії електронами НВЧ полю в ЛБХМ пояснюється тільки тим, що електрони в гальмуючому НВЧ полі зміщені в область з великим потенціалом статичного полю, тому їхня потенційна енергія перевищує потенційну енергію електронів у прискорюючому НВЧ полі.

 

 

3. Нанесення тонких плівок методом електронно-променевого випаровування.

 

Механизм электронно-лучевого испарения: посредством нагрева нити накала которая служит катодом, происходит термоэмиссия электронов, причем нить накала располагается не на одной линии с подложкой, таким образом, устраняется появление в пленке примесей от материала катода.

Лучшие результаты при напылении получаются, если испаряемый материал разместить в небольшом углублении охлаждаемого водой медного нагревателя. Электронный ток силой 100—500 мА эмитируется вольфрамовой нитью накала, находящейся вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3— 10 кВ. Электронный луч с помощью магнитного поля направляется на маленький участок испаряемого вещества, которое локально плавится (рис). Некоторые соединения перед испарением подвергаются диссоциации и от испарителя в первую очередь отделяется компонент, который имеет более высокое давление пара. Для преодоления этого эффекта различные компоненты соединения испаряются из отдельных источников со скоростями, соответствующими молекулярному составу конденсата.

Билет 21