超高真空技术在表面处理系统中的应用

超高真空技术在表面处理系统中的应用林 主税(株式会社ULVAC. 日本)
摘 要 : 超高真空的获得与测量技术于 1950 年左右在加拿大和美国问世。今天，伴随着半导体设备、磁和光磁存储器设备等制造业的发展，每隔一个月就要求退出新型有效的生产体系。在这些表面设备的生产系统中，许多都要求局部超高真空或要求整个工艺处理过程置于超高真空环境中。设计一个优质、高效的超高真空系统及操作工艺是达到理想效果的关键。在这里，我们只有科学理解气体分子和特殊表面物化结构间的相互作用，才能很好地解决各种工程问题。具备了关于等离子体和超高真空室壁及内部装置的表面间的相互作用的经验，就可以很好的解决等离子体的控制问题。近年来，显示器件使用的某些有机材料的开发应用，给超高真空技术提出了新的挑战。消费产品的大批量生产推动和改进了高效超高系统的设计。

关键词：真空工程；沉积技术；介质膜层；表面工程
中图分类号:TB79;TB43 文献标识码:A 文章编号:1002-0322(2004)04-001-14
1 前言从实际或者理论上来说，最简单的表面处理超高真空系统是1968年由贝尔实验室的A．Y．CHO和J．R．Arthur发明的分子束外延(MBE)设备，并且由物理电子公司的Arthur etal进一步发展完善(图1)。在超高真空亚稳态热环境中，原子或分子的运动规律可以通过建立气体动力学模型来计算。为了进一步研究的需要，基底表面须达到原子级清洁，以获得高质量的样品。20世纪七十年代，IBM公司的Leo Esaki通过使用多源分子束外延系统，最先研制出多层薄膜的电子设备。为获得所需精度，改进了计算机过程控制技术。对于今天的电子、光子、光电子和磁电子设备制造来说，多层膜结构的形成仍采用传统工艺，每层薄膜的厚度可在1 nm到100 nm之间。磁随机存储目前正处于研发中，使用物理气相沉积法制备多层金属薄膜(图2)，而超高真空环境有利于制备金属薄膜。在超高真空系统中钽层的形成显然是一个关键过程(图3)。Tohoku大学ERATO实验室(1981～1986)的J. NISHIZAWA利用游离于基底表面的热气体合成出了完美的分层Ga?As?Ga?As晶体表面，气体组分为((CH3)3Ga)和(AsH3)或((C2H5)3Ga)和(AsH3)。实验室将此技术转让给某工业公司，此公司开发了发光二极管(LED)产品，应用于现在随处可见的红绿灯上。90年代后期，该公司还开发了蓝色光二极管(OaN)。由于发光二极管系列的节约能源等各方面优势，它们已经普遍取代了普通灯泡。通过化学气相逐层沉积得到的单层膜，现在已被广泛应用到半导体工业的原子层沉积(ALD)技术上。从理论上来说，化学气相沉积可应用于大面积基片上，此基片应充分均匀，并且三维微结构表面缺陷很少。反应时，充入适当比例的混合蒸气，使游离气体发生化学反应，在表面形成单层沉积膜。蒸气的注入和抽气过程的控制应该十分迅速精确，以避免任何途径的污染：对于单层膜形成(CVD?ALD)过程，编程控制的短时间间隔单元处理应该可重复操作。