Φυσική Στερεάς Κατάστασης. Περίληψη

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Φυσική Στερεάς Κατάστασης. ptheod@phys.uoa.gr. Περίληψη"

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΚΑΙ ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΣΤΕΡΕΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΥΠΕΡΥΨΗΛΟΥ ΚΕΝΟΥ ΘΕΟ ΩΝΗ ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Συσκάκης Εµµανουήλ, Επίκουρος Καθηγητής ΑΘΗΝΑ, Ιούλιος 2005

2 Τίτλος ιπλωµατικής Εργασίας Παρασκευή Λεπτών Υµενίων υπό συνθήκες Υπερυψηλού Κενού Επιβλέπων Καθηγητής Συσκάκης Εµµανουήλ Τοµέας Φυσική Στερεάς Κατάστασης Ονοµατεπώνυµο Θεοδώνη Παναγιώτα Α.Μ Περίληψη Η παρούσα διπλωµατική εργασία περιγράφει αναλυτικά τη διαδικασία παρασκευής Λεπτών Υµενίων υπό συνθήκες Υπερυψηλού Κενού. Για την πραγµατοποίηση των πειραµάτων χρησιµοποιήθηκε η συσκευή Εναπόθεσης Λεπτών Υµενίων VT 114 της εταιρίας VARIAN που ανήκει στον Τοµέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης. Η εργασία περιλαµβάνει βασικές έννοιες σχετικά µε το Κενό και τα Λεπτά Υµένια. Ακολουθεί λεπτοµερής περιγραφή της συσκευής Εναπόθεσης Λεπτών Υµενίων (πρώτο κεφάλαιο) που εστιάζεται στις αρχές λειτουργίας των αντλιών και των αισθητήρων κενού και στο σύστηµα εναπόθεσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαδικασία επίτευξης Υπερυψηλού Κενού µε σχολιασµό των σχετικών αποτελεσµάτων. Τέλος, στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η εναπόθεση Λεπτών Υµενίων και ο προσδιορισµός χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους (πάχος, ηλεκτρική αντίσταση).

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η ανάγκη για προηγµένα υλικά µε νέες ιδιότητες οδήγησε στην Τεχνολογία των Λεπτών Υµενίων, η οποία βρίσκει εφαρµογές σε πολλούς διαφορετικούς τοµείς, από τη Μικροηλεκτρονική, τους Ηλεκτρονικούς Υπολογιστές και την Οπτοηλεκτρονική µέχρι τη συσκευασία τροφίµων και τη διακοσµητική. Βάση της τεχνολογίας αυτής αποτελεί η διαδικασία και οι µηχανισµοί της εναπόθεσης των ατόµων ή µορίων µιας ουσίας στην επιφάνεια ενός στερεού υλικού, υπό συνθήκες Υπερυψηλού Κενού. Η παρούσα διπλωµατική εργασία περιγράφει αναλυτικά τη διαδικασία παρασκευής Λεπτών Υµενίων υπό συνθήκες Υπερυψηλού Κενού. Για την πραγµατοποίηση των πειραµάτων χρησιµοποιήθηκε η συσκευή Εναπόθεσης Λεπτών Υµενίων VT 114 της εταιρίας VARIAN, που ανήκει στον Τοµέα Φυσικής Στερεάς Κατάστασης. Η εργασία περιλαµβάνει βασικές έννοιες σχετικά µε το κενό και τα Λεπτά Υµένια. Ακολουθεί λεπτοµερής περιγραφή της συσκευής Εναπόθεσης Λεπτών Υµενίων (πρώτο κεφάλαιο) που εστιάζεται στις αρχές λειτουργίας των αντλιών και των αισθητήρων κενού και στο σύστηµα εναπόθεσης. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η διαδικασία επίτευξης Υπερυψηλού Κενού µε σχολιασµό των σχετικών αποτελεσµάτων. Τέλος, στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η εναπόθεση Λεπτών Υµενίων και ο προσδιορισµός χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους (πάχος, ηλεκτρική αντίσταση). Η συγγραφέας της παρούσας εργασίας αισθάνεται την ανάγκη να ευχαριστήσει ιδιαιτέρως τον επιβλέποντα καθηγητή της Κ. Εµµανουήλ Συσκάκη, Επίκουρο Καθηγητή του Τµήµατος Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστηµίου Αθηνών. Καθ όλη τη διάρκεια της αλληλεπίδρασής µας εκτίµησα ιδιαίτερα τη διαύγεια και την αναλυτικότητα της σκέψης του, τη µεταδοτικότητά του, τη συνεχή διαθέσιµότητα του και την υποµονή του. Χάρη σε εκείνον γνώρισα την οµορφιά της φυσικής που κρύβεται στο χώρο του εργαστηρίου. Θεοδώνη Παναγιώτα Αθήνα, Ιούλιος 2005

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 0.1 Βασικές έννοιες για το Κενό Βασικές έννοιες για τα Λεπτά Υµένια.. 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο Περιγραφή της συσκευής Εναπόθεσης Λεπτών Υµενίων 1.1 Γενική περιγραφή Αρχές λειτουργίας αντλιών κενού Αρχή λειτουργίας Μηχανικής αντλίας Αρχή λειτουργίας Στροβιλοµοριακής αντλίας Αρχή λειτουργίας αντλίας ιαχύσεως Αρχή λειτουργίας Ιοντικής αντλίας Αρχή λειτουργίας αντλίας εξάχνωσης Τιτανίου Αρχή λειτουργίας Κρυοαντλίας Αρχές λειτουργίας αισθητήρων κενού Αισθητήρες κενού Θερµικής Αγωγιµότητας (Pirani) Αρχή λειτουργίας Ιοντικού αισθητήρα κενού Σύντοµη αναφορά στο Σύστηµα Εναπόθεσης Περιγραφή και λειτουργία Ηλεκτρονικού Κανονιού Υπόστρωµα ιάταξη µέτρησης του πάχους των Λεπτών Υµενίων Καθαρισµός του υποστρώµατος µε πλάσµα (in situ) Βαλβίδες & Συνδέσεις...32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ηµιουργία Κενού 2.1 Εισαγωγή Πειραµατική διαδικασία Καθαρισµός του θαλάµου κενού της συσκευής Έλεγχος διαρροής Έναρξη διαδικασίας επίτευξης κενού...38

5 Θέρµανση (backing) του θαλάµου κενού Ιοντική αντλία, αντλία εξάχνωσης Τιτανίου και Κρυοαντλία Απενεργοποίηση της συσκευής Μέτρα προστασίας στο εργαστήριο Πειραµατικά αποτελέσµατα Έλεγχος διαρροής ηµιουργία κενού µε θέρµανση της συσκευής ηµιουργία κενού µετά τον καθαρισµό του θαλάµου κενού Επόµενες αντλήσεις Συνολική παρουσίαση των πειραµάτων επίτευξης κενού Ρυθµός αύξησης της πίεσης ηµιουργία κενού µετά από δεύτερη θέρµανση του θαλάµου της συσκευής..55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο Εναπόθεση Λεπτών Υµενίων 3.1 Εισαγωγή Πειραµατική διαδικασία Εκπαίδευση του Ηλεκτρονικού Κανονιού Προετοιµασία Υποστρώµατος Εναπόθεση Λεπτών Υµενίων Μέτρηση πάχους των Λεπτών Υµενίων ηµιουργία επαφών Μέθοδος τεσσάρων σηµείων Μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης των υµενίων σε θερµοκρασίες Κ Αποτελέσµατα των µετρήσεων Εναποθέσεις χωρίς µάσκα Εναποθέσεις µε µάσκα Η ηλεκτρική αντίσταση συναρτήσει της θερµοκρασίας Προβλήµατα που παρουσιάστηκαν Πρόβληµα µε e-gun Πρόβληµα µε σκαφάκια Πρόβληµα µε ιοντικό αισθητήρα.75 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Πίνακες ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ 0.1 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟ ΚΕΝΟ Ως κενό περιγράφεται ο χώρος ο οποίος περιέχει αέριο σε χαµηλή πίεση, δηλαδή σε αυτόν η συγκέντρωση ατόµων ή µορίων είναι χαµηλότερη από αυτή που αντιστοιχεί στην ατµοσφαιρική πίεση. Το ιδανικό κενό δε θα περιείχε καθόλου άτοµα ή µόρια αερίου, αλλά κάτι τέτοιο είναι πρακτικά αδύνατον. Η δηµιουργία του δεν είναι δυνατή διότι όλα τα υλικά που θα περιέβαλλαν έναν τέτοιο χώρο θα παρουσίαζαν µια πεπερασµένη πίεση ατµού. Το κενό χαρακτηρίζεται από την τάξη µεγέθους της πίεσης του αερίου σύµφωνα µε τον Πίνακα 1. Για παράδειγµα, στο υπερυψηλό κενό, η πίεση βρίσκεται µεταξύ mbar. Χαµηλό Κενό Μέτριο Κενό Υψηλό Κενό Υπερυψηλό Κενό (RV) Rough vacuum (MV) Medium vacuum (HV) High vacuum (UHV) Ultrahigh vacuum mbar mbar mbar mbar Πίνακας 1. Τάξεις µεγέθους Κενού Κινητική θεωρία των αερίων Η κινητική θεωρία των αερίων µας παρέχει µια ατοµιστική εικόνα των γεγονότων ενός αποµονωµένου (έγκλειστου σε δοχείο) αερίου. Μια θεµελιώδης υπόθεση είναι ότι τα άτοµα ή µόρια του αερίου βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση, που εξαρτάται από τη θερµοκρασία του. Κατά τη διάρκεια της κίνησής τους τα σωµατίδια του αερίου συγκρούονται µεταξύ τους και µε τα τοιχώµατα του δοχείου που τα περιβάλλει. Το πόσες συγκρούσεις µορίου-µορίου ή µορίουτοιχώµατος συµβαίνουν, εξαρτάται από τη συγκέντρωση ή από την πίεση του αερίου.

7 Στην προσέγγιση του ιδανικού αερίου δεν υπάρχουν ελκτικές ή απωστικές δυνάµεις µεταξύ των δοµικών µονάδων του αερίου. Οι δοµικές µονάδες συµπεριφέρονται σαν ανεξάρτητες ελαστικές σφαίρες, αποµακρυσµένες η µία από την άλλη σε αποστάσεις πολύ µεγαλύτερες από το µέγεθός τους. Στην προσέγγιση αυτή ισχύει ο νόµος των ιδανικών αερίων: pv N = NKBT pv = NAKBT (1) N A pv = vrt (2) όπου v = N N είναι ο αριθµός των γραµµοµορίων, N ο αριθµός των A 23 σωµατιδίων ( 10 ), N A είναι ο αριθµός του Avogadro, Boltzmann, 23 K B 1, J K K B η σταθερά του = και R = N K A B η παγκόσµια σταθερά των αερίων, R = mbar l mol -1 K -1. Αυτός ο νόµος δεν ισχύει σ ένα πραγµατικό αέριο για τους παρακάτω λόγους : (α) Κάθε σωµατίδιο καταλαµβάνει κάποιο όγκο, µε αποτέλεσµα ο πραγµατικός όγκος που είναι διαθέσιµος στο σύνολο των σωµατιδίων του αερίου είναι µικρότερος από τον όγκο V του δοχείου. (β) Μεταξύ των σωµατιδίων ασκούνται δυνάµεις, οπότε η πραγµατική πίεση που ασκείται από το σύστηµα δεν είναι αυτή της εξίσωσης των ιδανικών αερίων αλλά διαφορετική. Πίεση Η κινητική θεωρία των αερίων δείχνει ότι η πίεση του αερίου p είναι ανάλογη του τετραγώνου της µέσης ταχύτητας υ των µορίων, δηλαδή είναι ανάλογη της κινητικής τους ενέργειας και της θερµοκρασίας, όπου 3RT υ 2 = M Έτσι, από την εξίσωση 2 προκύπτει ότι T 2 1 Mυ = (3) 3 R pv N = RT N A N RT nrt p = V N N 1 nm 3 N 2 = = υ (4) A A A όπου, n = N V είναι η αριθµητική πυκνότητα των µορίων του αερίου

8 Η πίεση είναι η συνηθέστερα αναφερόµενη µεταβλητή του κενού και το γεγονός αυτό δικαιολογεί την ύπαρξη µεγάλου αριθµού µονάδων για την έκφρασή της σε διάφορες συνθήκες. Η πίεση ορίζεται ως η δύναµη που επιδρά κάθετα σε µια µονάδα επιφάνειας. Στο διεθνές σύστηµα µονάδων (SI) µετριέται σε πασκάλ, όπου 2 1 Pa = 1 N m. Ιστορικά, ωστόσο, η πίεση µετριέται από την ανύψωση µιας στήλης Hg κατά 1 mm στους 0 ο C σε Torr, όπου 1 Torr 760 Torr ή 760 mmhg. = 1 mmhg. Η πίεση 1 Atm αντιστοιχεί σε Στην παρούσα διπλωµατική εργασία η πίεση εκφράζεται σε µονάδες mbar, όπου 1 mbar = 2: 2 10 Pa = 0,75 Torr. Η συσχέτιση των µονάδων µέτρησης πίεσης µεταξύ τους φαίνεται στον Πίνακα mbar Pa Atm Torr 2 mbar , ,75 2 Pa , , Πίνακας 2. Μονάδες µέτρησης της πίεσης Η µέση απόσταση που διανύουν τα µόρια µεταξύ δύο διαδοχικών συγκρούσεων ονοµάζεται µέση ελεύθερη διαδροµή λ και είναι ένα σηµαντικό χαρακτηριστικό του αερίου που εξαρτάται από την πίεση. Για τον ατµοσφαιρικό αέρα ισχύει η σχέση p λ =, όπου η λ µετριέται σε cm και η p σε Torr. Σε πιέσεις µικρότερες των 3 10 Torr συγκρούονται µόνο µε τα τοιχώµατα του δοχείου., η λ αυξάνει τόσο ώστε τα µόρια του αερίου να Ροές Ένα αέριο θα ρέει πάντα εκεί που υπάρχει διαφορά πίεσης, µεταξύ 2 περιοχών του αερίου, p = p1 p2 > 0. Στη τεχνολογία κενού συναντάµε κυρίως τρία είδη ροής των αερίων: 1> Ιξώδης ροή 2> Ροή Knudsen 3> Μοριακή ροή

9 Ιξώδης ροή (Viscous flow) Η Ιξώδης ροή καθορίζεται από την αλληλεπίδραση των µορίων. Συναντάται σχεδόν αποκλειστικά στην (RV) κλίµακα, διότι στις υψηλές πιέσεις η µέση ελεύθερη διαδροµή των µορίων είναι µικρή και υπερισχύουν οι συγκρούσεις µορίου-µορίου από τις συγκρούσεις µορίου-τοιχώµατος του δοχείου. Έτσι, η ιξώδης ροή εντοπίζεται εκεί όπου η µέση ελεύθερη διαδροµή των µορίων είναι πολύ πιο µικρή από τη διάµετρο του δοχείου d, δηλαδή λ d. Σε χαµηλές ταχύτητες του αερίου η ροή είναι στρωτή (laminar flow). Η ταχύτητα ροής έχει µηδενική τιµή στα τοιχώµατα του δοχείου ενώ αυξάνεται στο εσωτερικό του. Στις υψηλότερες ταχύτητες εµφανίζεται στροβιλώδης ροή (turbulent flow). Η ποσότητα που περιγράφει το είδος ροής ρευστού µέσα σε δοχείο είναι ο αδιάστατος αριθµός Reynolds (RE). Ο αριθµός αυτός ορίζεται ως ο λόγος uρ l n, όπου u είναι η ταχύτητα ροής, ρ η πυκνότητα του ρευστού, l µια χαρακτηριστική γραµµική διάσταση (όπως για παράδειγµα η διάµετρος του δοχείου) και n ο συντελεστής τριβής του ρευστού. Αν σε ένα λείο, ευθύγραµµο και οµοιόµορφο σωληνοειδές δοχείο ισχύει RE < 2200, τότε η ροή είναι στρωτή, ενώ για RE > 2200 η ροή είναι στροβιλώδης. Ροή Knudsen (Knudsen flow) Η ροή Knudsen εµφανίζεται όταν η µέση ελεύθερη διαδροµή των µορίων του αερίου είναι περίπου ίση µε τις διαστάσεις του δοχείου, δηλαδή λ d. Αυτό συµβαίνει σε ένα µέτριο κενό (MV) και σε χαµηλές θερµοκρασίες. Στην περίπτωση αυτή οι περισσότερες κρούσεις συµβαίνουν µεταξύ των τοιχωµάτων του δοχείου και των µορίων του αερίου και όχι µεταξύ των µορίων. Τα χαρακτηριστικά της ροής Knudsen εξαρτώνται περισσότερο από το µοριακό βάρος του αερίου και λιγότερο από την εσωτερική τριβή του. Μοριακή ροή (Molecular flow) Η µοριακή ροή υπερισχύει στην περιοχή του υψηλού (HV) και υπερυψηλού (UHV) κενού, δηλαδή σε πολύ χαµηλές τιµές της πυκνότητας του αερίου. Σε αυτήν την περίπτωση τα µόρια κινούνται ελεύθερα χωρίς να αλληλεπιδρούν. Η µοριακή ροή παρουσιάζεται όταν το µήκος της µέσης ελεύθερης διαδροµής για ένα σωµατίδιο είναι πολύ µεγαλύτερο απ ότι η διάµετρος του δοχείου, δηλαδή

10 όταν λ d. Η κινητική θεωρία των αερίων δίνει µια ακριβή εικόνα της κίνησης των µορίων υπό αυτές τις συνθήκες. Το γινόµενο της πίεσης p και της διαµέτρου του δοχείου d για ένα συγκεκριµένο αέριο, σε συγκεκριµένη θερµοκρασία µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως µια ποσότητα χαρακτηρισµού των διαφόρων τύπων ροής. Για τον αέρα σε θερµοκρασία 20 0 C και µε βάση την τιµή του παραπάνω γινοµένου, η ροή χαρακτηρίζεται ως εξής: Ιξώδης ροή, όταν mbar cm p d >, (RV) Ροή Knudsen, όταν Μοριακή ροή, όταν p d 1,3 10 mbar cm > >, (ΜV) p d 2 < 1,3 10 mbar cm, (HV, UHV) Εναλλακτικά, η διάκριση µπορεί να γίνει σύµφωνα µε την τιµή του αριθµού Knudsen Kn, που ορίζεται ως ο λόγος της διαµέτρου του δοχείου d προς τη µέση ελεύθερη διαδροµή λ, δηλαδή Kn Μοριακή ροή, όταν Kn < 1 Ροή Knudsen, όταν 1 < Kn < 110 Ιξώδης ροή, όταν Kn > 110 = d λ. Έτσι, η ροή χαρακτηρίζεται ως εξής: Στο ιάγραµµα 1 παρίστανται τα όρια εµφάνισης των διάφορων τύπων ροής: diameter (cm) Viscous Knudsen M olecular x10-5 1x pressure (Torr) ιάγραµµα 1. Όρια εµφάνισης των διαφόρων τύπων ροής συναρτήσει της διαµέτρου του δοχείου και της πίεσης Από το ιάγραµµα 1 γίνεται κατανοητό ότι το είδος ροής του αερίου µπορεί να διαφέρει σε διαφορετικά µέρη του ίδιου συστήµατος κενού (θάλαµος,

11 σωληνώσεις, κλπ). Έτσι, µπορεί εντός του θαλάµου στην (HV) κλίµακα πιέσεων να παρουσιάζεται µοριακή ροή, αλλά ταυτόχρονα να εµφανίζεται και ιξώδης ροή στις σωληνώσεις, κοντά στις αντλίες. Στην περιοχή της ιξώδους ροής η κατεύθυνση της ταχύτητας των µορίων είναι ταυτόσηµη µε τη µακροσκοπική κατεύθυνση της ροής του αερίου. Θα πρέπει να τονιστεί ότι η µακροσκοπική ταχύτητα του αερίου είναι οµαδική ταχύτητα και δεν ταυτίζεται µε τη θερµική ταχύτητα των µορίων του αερίου. Στην περιοχή της µοριακής ροής επικρατεί η σύγκρουση των σωµατιδίων µε τα τοιχώµατα. Λόγω της ανάκλασης τα σωµατίδια του αερίου κινούνται προς οποιαδήποτε (αυθαίρετη) κατεύθυνση µέσα στο υψηλό κενό (HV). Έτσι, δεν είναι πλέον δυνατόν να µιλάµε για «ροή» όπως την αντιλαµβανόµαστε µακροσκοπικά. Στις κλίµακες (HV) και (UHV) οι ιδιότητες των τοιχωµάτων του θαλάµου είναι ιδιαιτέρως σηµαντικές, καθώς για πίεση µικρότερη των 3 10 mbar περισσότερα µόρια του αερίου θα βρίσκονται προσροφηµένα στην επιφάνεια και όχι µέσα στο θάλαµο. Επιφάνειες ελεύθερες από προσροφηµένα αέρια µπορούν να επιτευχθούν (και να διατηρηθούν για µεγάλο χρονικό διάστηµα) µόνο σε κατάσταση (UHV). τα

12 0.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΓΙΑ ΤΑ ΛΕΠΤΑ ΥΜΕΝΙΑ Η ανάγκη για νέα, προηγµένα υλικά και συστήµατα µε νέες ιδιότητες και συµπεριφορές, οδήγησε προς την Τεχνολογία των Λεπτών Υµενίων. Ως βάση της τεχνολογίας αυτής θεωρείται η διαδικασία και οι µηχανισµοί της εναπόθεσης των ατόµων ή µορίων από την αέρια φάση στην επιφάνεια ενός στερεού υλικού. Λεπτό Υµένιο ονοµάζουµε το σύστηµα που δηµιουργείται από την εναπόθεση ενός υλικού-εναποθέτη πάνω στην επιφάνεια ενός στερεού υλικού (υπόστρωµα) και που η µια διάστασή του που είναι τάξεις µεγέθους µικρότερη από τις άλλες δύο, είναι της τάξης των Å. Τα λεπτά υµένια, µε πάχη που κυµαίνονται από λίγα nm έως και µερικά µm, έχουν ιδιότητες που είναι σηµαντικά διαφορετικές από αυτές των αντίστοιχων στερεών υλικών όγκου (bulk). Οι διαφοροποιήσεις αυτές είναι ιδιαίτερα σηµαντικές όταν τα πάχη τους είναι στην περιοχή των Å. Αυτές οι διαφορές οφείλονται αφενός στη µικροδοµική συγκρότηση και συσσωµάτωση που λαµβάνει χώρα κατά τη διάρκεια του µετασχηµατισµού των ελεύθερων ατόµων µιας αέριας φάσης απευθείας σε στερεά φάση. Αφετέρου, όµως, η επίδραση των επιφανειών του υµενίου στις ιδιότητές του θα γίνεται προοδευτικά όλο και πιο σηµαντική. Στις περισσότερες τεχνικές εναπόθεσης, τα λεπτά υµένια εναποτίθενται στην επιφάνεια ενός υποστρώµατος σε συνθήκες που επιτρέπουν το σχηµατισµό διαφόρων µετασταθών φάσεων, άµορφων και νανοδοµικών υλικών. Η ανάπτυξη µονοστρωµατικών ή πολυστρωµατικών δοµών λεπτών υµενίων είναι δυνατό να προσδώσει στο συνολικό σύστηµα τις επιθυµητές ιδιότητες (φυσικές, χηµικές, βιολογική δράση) που απαιτούνται από τη σύγχρονη τεχνολογία. Οι διαδικασίες δηµιουργίας Λεπτών Υµενίων θεωρούνται σήµερα ως κατάλληλο εργαλείο για τη παραγωγή νέων προηγµένων υλικών και συστηµάτων που παρουσιάζουν νέες ιδιότητες. Σε πολλές περιπτώσεις δίνουν τη δυνατότητα να αναδειχθούν και να παρατηρηθούν νέα φαινόµενα. Αυτές οι νέες ιδιότητες και χαρακτηριστικά µε τη σειρά τους, καθιστούν τα Λεπτά Υµένια ιδανικά για ένα πλήθος επιστηµονικών και τεχνολογικών εφαρµογών.

13 Μερικοί από τους τοµείς που βρίσκουν εφαρµογές τα Λεπτά Υµένια είναι οι εξής: Μικροηλεκτρονική Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές Τηλεπικοινωνίες Αισθητήρες (sensors) Βιοϋλικά (βιοσυµβατές, αντί-µικροβιακές επικαλύψεις) Οπτοηλεκτρονική Οπτική (ανακλαστικές, αντί-ανακλαστικές επικαλύψεις, απορροφητικές επικαλύψεις, κτλ). Επιφανειακή κατεργασία-προστασία υλικών Χηµικώς ενεργά υλικά (καταλυτικές επικαλύψεις, κτλ.) Επίσης η Τεχνολογία των Λεπτών Υµενίων χρησιµοποιείται εκτενώς και σε εφαρµογές µεγάλης κλίµακας, όπως π.χ.: Συσκευασία τροφίµων Κατασκευή εύκαµπτων ηλεκτρονικών διατάξεων (επίπεδες οθόνες απεικόνισης, φωτοβολταϊκά στοιχεία) Glass buildings ιακοσµητική

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗΣ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ 1.1 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ Τα συστήµατα κενού, εν γένει, αποτελούνται από ένα σύνολο αντλιών, σωληνώσεων, βαλβίδων και αισθητήρων µε σκοπό να παράγουν και να προσδιορίζουν τις απαραίτητες χαµηλές τιµές της πίεσης. Ένα τέτοιο σύστηµα κενού είναι και η συσκευή εναπόθεσης λεπτών υµενίων που χρησιµοποιήθηκε στη συγκεκριµένη διπλωµατική εργασία. Πρόκειται για συσκευή εναπόθεσης λεπτών υµενίων της εταιρίας VARIAN (VT 114) που απεικονίζεται στην Εικόνα 1. Εικόνα 1. Συσκευή εναπόθεσης λεπτών υµενίων VT 114

15 Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1 τα κύρια µέρη της συσκευής εναπόθεσης λεπτών υµενίων είναι ο θάλαµος κενού (1) όπου λαµβάνει χώρα η εναπόθεση των λεπτών υµενίων και η µονάδα χειρισµού (2) που περιλαµβάνει τις ηλεκτρονικές συσκευές που είναι απαραίτητες για τη λειτουργία της Ο θάλαµος κενού και κάποια από τα εξαρτήµατα της συσκευής, όπως φαίνεται και στην Εικόνα 1, µπορεί να εγκλεισθεί σε κλωβό από µεταλλικά τοιχώµατα (3) µε σκοπό τη θέρµανση της συσκευής. Στην Εικόνα 1 διακρίνεται επίσης ο γερανός (4), ο οποίος χρησιµοποιείται για το άνοιγµα του θαλάµου κενού, ο πίνακας εισαγωγής αερίου (5) στο θάλαµο κενού, η στροβιλοµοριακή αντλία (6) µε την υποστηρικτική της µηχανική αντλία (7) όπως επίσης η πνευµονική βαλβίδα (8) και η χειροκίνητη βαλβίδα (9). Τα όργανα αυτά αποτελούν µέρη των εξαρτηµάτων της συσκευής τα οποία παρουσιάζονται αναλυτικότερα στις επόµενες παραγράφους (βλ ). Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι περισσότερες τεχνικές λεπτοµέρειες για τη συσκευή και τα διάφορα τµήµατά της, υπάρχουν στα ειδικά φυλλάδια (manuals) της εταιρίας, τα οποία µπορεί να βρει κανείς στο χώρο του εργαστηρίου. Γενικά, η λειτουργία της συσκευής χωρίζεται σε δύο στάδια. Αρχικά λαµβάνει χώρα η δηµιουργία του κενού και στη συνέχεια, όταν η πίεση µέσα στο θάλαµο 7 8 κενού έχει κατάλληλη τιµή ( mbar ), µπορεί να πραγµατοποιηθεί η εναπόθεση του υλικού που έχει επιλεχθεί.

16 1.2 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΝΤΛΙΩΝ ΚΕΝΟΥ Αντλίες κενού είναι συσκευές που χρησιµοποιούνται για να µειώσουν την πίεση αερίου, δηλαδή την πυκνότητά του, σε συγκεκριµένο όγκο. Οι αντλίες κενού διαχωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες : 1) Σε αυτές όπου διαµέσου ενός ή διαφόρων σταδίων συµπίεσης τα σωµατίδια του αερίου αποµακρύνονται από τον όγκο που πρόκειται να κενωθεί και αποβάλλονται στην ατµόσφαιρα. 2) Σε αυτές όπου τα σωµατίδια του αερίου που αφαιρούνται, δεσµεύονται µε άλλα µέσα (π.χ. χηµικά) ή συµπυκνώνονται σε µια στερεά επιφάνεια που συχνά αποτελεί µέρος του συνόρου του θαλάµου κενού. Η λειτουργία αυτών των αντλιών αντιστρέφεται, δηλαδή µπορούν να απελευθερώνουν τα δεσµευµένα σωµατίδια πίσω στο σύστηµα κατά τη διάρκεια της θέρµανσής του. Πιο αναλυτικά οι δύο βασικές αυτές κατηγορίες διαχωρίζονται: 1α) Στις αντλίες που λειτουργούν µε περιοδική αύξηση και µείωση του όγκου του θαλάµου τους, όπως είναι οι µηχανικές αντλίες rotary vane, rotary plunger pumps, trochoid pumps. 1β) Σε αυτές που µεταφέρουν ποσότητες αερίου από τη πλευρά χαµηλής πίεσης στην πλευρά υψηλής πίεσης, χωρίς να αλλάζουν τον όγκο του θαλάµου τους, τέτοιες είναι οι µηχανικές αντλίες τύπου roots pump και οι στροβιλοµοριακές. 1γ) Σε αυτές των οποίων η λειτουργία άντλησης βασίζεται κυρίως στη διάχυση των αερίων όπως είναι η αντλία διαχύσεως. 2α) Στις αντλίες στις οποίες δεσµεύονται τα αέρια µε το φαινόµενο της συµπύκνωσης σε πολύ χαµηλές θερµοκρασίες, όπως είναι η κρυοαντλία (κρυοπαγίδα). 2β) Στις αντλίες στις οποίες δεσµεύονται τα αέρια µε προσρόφηση (adsorption) ή απορρόφηση (absorption) σε επιφάνειες που είναι αρχικά ελεύθερες αερίων, όπως είναι η ιοντική αντλία. Στη παρούσα διπλωµατική εργασία χρησιµοποιούµε δύο µηχανικές αντλίες, µία στροβιλοµοριακή αντλία, µία ιοντική αντλία, µία αντλία εξάχνωσης Τιτανίου και µια κρυοαντλία.

17 1.2.1 Αρχή λειτουργίας Μηχανικής αντλίας (mechanical pump) Οι µηχανικές αντλίες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες, τις περιστροφικές µηχανικές αντλίες και τις roots pumps. Η συσκευή που διαθέτει το εργαστήριό µας λειτουργεί µε δύο µηχανικές περιστροφικές αντλίες. Εικόνα 2. Μηχανική περιστροφική αντλία Στην Εικόνα 2 φαίνεται η µία από τις δύο µηχανικές αντλίες που ανήκουν στο σύστηµα της συσκευής η οποία παράγει ένα ελάχιστο απαιτούµενο κενό ( 10 2 mbar ) ώστε στη συνέχεια να µπορέσει να τεθεί σε λειτουργία η στροβιλοµοριακή αντλία η οποία δηµιουργεί πολύ χαµηλότερες πιέσεις. Μεταξύ της αντλίας και του υπόλοιπου συστήµατος κενού, υπάρχει φίλτρο το οποίο αποτελείται από ένα υλικό µε τεράστια λειτουργική απορροφητική επιφάνεια. Το φίλτρο αυτό ουσιαστικά εµποδίζει τη µεταφορά ατµών του λαδιού, που είναι απαραίτητο για τη λειτουργία της µηχανικής αντλίας, στο σύστηµα (οπισθοροή). Η δεύτερη µηχανική αντλία είναι συνδεδεµένη απευθείας µε τη στροβιλοµοριακή αντλία και ουσιαστικά έχει την ίδια χρησιµότητα µε την πρώτη µηχανική αντλία. Η ύπαρξη της δεν είναι αναγκαία, αλλά ούτε και επιβαρύνει το σύστηµα. Η αρχή λειτουργίας της µηχανικής αντλίας µπορεί να περιγραφεί σύµφωνα µε την Εικόνα 3. Ένα πιστόνι (piston) (2) από ένα eccentric (3) περιστρέφεται προς την κατεύθυνση που δείχνει το βέλος. Το αέριο που πρόκειται να αντληθεί εισέρχεται µέσα στην αντλία διαµέσου της εισόδου (11) και εισάγεται από το κανάλι εισόδου της βαλβίδας (slide valve) (12). Εκεί το αέριο διαχωρίζεται από την είσοδο και εισέρχεται στο χώρο συµπίεσης (compression chamber) (4). Καθώς περιστρέφεται το πιστόνι συµπιέζει αυτή τη ποσότητα του αερίου µέχρι να αποβληθεί στην ατµόσφαιρα διαµέσου της oil-sealed βαλβίδας (5). Η δεξαµενή

18 του λαδιού χρησιµοποιείται για λίπανση, επισφράγιση και ψύξη. Από τη στιγµή που το δοχείο άντλησης χωρίζεται σε δύο µέρη από το πιστόνι, κάθε στροφή ολοκληρώνει έναν λειτουργικό κύκλο. Εικόνα 3. ιατοµή µιας περιστροφικής µηχανικής αντλίας Η χαµηλότερη πίεση που µπορεί να δηµιουργήσει µια µηχανική αντλία, δηλαδή το όριο άντλησής της, είναι περίπου 3 10 mbar Αρχή λειτουργίας Στροβιλοµοριακής αντλίας (turbo molecular pump) Εικόνα 4. Στροβιλοµοριακή αντλία Η αρχή λειτουργίας της στροβιλοµοριακής αντλίας στηρίζεται στο ότι τα σωµατίδια του αερίου λαµβάνουν, µέσω συγκρούσεων µε τις γρήγορα κινούµενες επιφάνειες ενός περιστροφέα (rotor), µια ώθηση προς τη ζητούµενη κατεύθυνση ροής. Οι επιφάνειες του rotor (συνήθως σε µορφή δίσκου) σχηµατίζουν µε τις

19 σταθερές επιφάνειες ενός stator ενδιάµεσους χώρους µέσα στους οποίους παγιδεύεται το αέριο και µεταφέρεται από τα ανώτερα επίπεδα στα χαµηλότερα όπου συµπιέζεται στην πίεση του προκενού. Το συµπιεσµένο αέριο αποµακρύνεται στη συνέχεια από τη µηχανική αντλία (backing pump). Η απόσταση µεταξύ των δίσκων stator-rotor είναι µερικά mm και οι ταχύτητες που περιστροφής του rotor κυµαίνονται από µέχρι στροφές το λεπτό. Πραγµατοποιείται άντληση όταν η ταχύτητα των λεπίδων του rotor είναι συγκρίσιµη µε τη µέση θερµική ταχύτητα των µορίων που πρόκειται να αντληθούν. Ένα σηµαντικό αποτέλεσµα της υψηλής συµπίεσης που λαµβάνει χώρα είναι ότι εξαλείφει την αναγκαιότητα της ύπαρξης λαδιού στο σύστηµα. Εικόνα 5. Σχηµατικό διάγραµµα στροβιλοµοριακής αντλίας Κατά κανόνα οι στροβιλοµοριακές αντλίες πρέπει να ενεργοποιούνται ταυτόχρονα µε την backing pump έτσι ώστε πέραν της λειτουργικής άντλησης να µειωθεί οποιαδήποτε οπισθοροή λαδιού από την backing pump στο θάλαµο κενού. Μια καθυστερηµένη εκκίνηση της στροβιλοµοριακής αντλίας είναι αναπόφευκτη στη περίπτωση που έχουµε σχετικά µικρή backing pump και µεγάλο θάλαµο κενού. Η χαµηλότερη πίεση που µπορεί να δηµιουργηθεί µε τη βοήθεια στροβιλοµοριακής αντλίας, δηλαδή το όριο άντλησής της, είναι τα 6 10 mbar

20 1.2.3 Αρχή λειτουργίας αντλίας ιαχύσεως (diffusion pump) Αντί της στροβιλοµοριακής αντλίας µπορεί να χρησιµοποιηθεί µία αντλία διαχύσεως µιας και οι δύο λειτουργούν στην ίδια περιοχή πιέσεων. Παρόλο που στην παρούσα διπλωµατική εργασία δε χρησιµοποιήθηκε αντλία διαχύσεως, θα πρέπει να σηµειωθούν κάποια στοιχεία της, µιας και είναι ιδιαίτερα διαδεδοµένη στην τεχνολογία του κενού. Οι αντλίες διαχύσεως έχουν σχεδιαστεί ώστε να χειρίζονται στο σύστηµα της µοριακής ροής και µπορούν να λειτουργούν σε κλίµακα πιέσεων από περίπου 2 10 torr µέχρι torr. Επειδή δεν µπορούν να εκβάλλουν απευθείας στην ατµόσφαιρα, µια backing pump απαιτείται ώστε να διατηρεί µια πίεση εξόδου περίπου 0,1 torr. Σε αντίθεση από τις µηχανικές αντλίες και την στροβιλοµοριακή αντλία, η αντλία διαχύσεως δεν έχει κινούµενα µέρη. Η αντλία διαχύσεως αποτελείται βασικά από ένα δοχείο άντλησης (3) µε ψυχώµενο τοίχωµα (4) και ένα πολυεπιπεδικό σύστηµα επιταχυντήρα ατµών (nozzle system) (A-D). Η αρχή λειτουργίας της απεικονίζεται σχηµατικά στην Εικόνα 6 και έχει ως εξής: Το λάδι που χρησιµοποιείται σαν υγρό άντλησης βρίσκεται µέσα στον βραστήρα (boiler) (2) και εξατµίζεται από την ηλεκτρική θέρµανση (1). Το ατµοποιηµένο υγρό αναδύεται διαµέσου των κάθετων σωληνώσεων µε υπερηχητική ταχύτητα από τους επιταχυντήρες που έχουν µορφή δακτυλίων. Καθώς το ατµοποιηµένο υγρό ρέει, δεσµεύει τα µόρια του αερίου που έχουν εισέλθει στο δοχείο άντλησης. Ο ατµός του υγρού ψύχεται στα τοιχώµατα όπου συµπυκνώνεται. Το συµπυκνωµένο υγρό στη συνέχεια, ρέει σαν ένα λεπτό στρώµα κατά µήκος του τοιχώµατος και επιστρέφει µέσα στον βραστήρα. Εκεί απελευθερώνεται το αέριο που έχει δεσµευτεί και αποµακρύνεται από τη µηχανική αντλία.

21 Εικόνα 6. Σχηµατική απεικόνιση αρχής λειτουργίας της αντλίας διαχύσεως Αρχή λειτουργίας Ιοντικής αντλίας (sputter-ion pump) Εικόνα 7. Απεικόνιση τµήµατος ιοντικής αντλία Η αρχή λειτουργίας της ιοντικής αντλίας βασίζεται σε διαδικασίες εναπόθεσης που ξεκινούν µε ιονισµένα σωµατίδια αερίου σε µια εκφόρτιση τύπου Penning (εκφόρτιση κρύας καθόδου). Με τον παραλληλισµό πολλών κατάλληλα συνδεµένων κελιών Penning η ιοντική αντλία επιτυγχάνει µια αρκετά υψηλή ταχύτητα άντλησης. Η διαδικασία δηµιουργίας ιόντων έχει ως ακολούθως: Η ιοντική αντλία αποτελείται από κυλινδρικές ανόδους από ανοξείδωτο ατσάλι τοποθετηµένες πολύ

22 κοντά µεταξύ τους, µε τους άξονές τους κάθετα σε δύο καθόδους Τιτανίου (βλ. Εικόνα 8). Η διαφορά δυναµικού µεταξύ των ανόδων και των καθόδων είναι λίγα kvolt. Ολόκληρο το σύστηµα των ηλεκτροδίων διατηρείται σε ένα οµογενές µαγνητικό πεδίο B = 0,1 T, όπου 4 1 T = 1 Tesla = 10 Gauss, το οποίο παράγεται από ένα µόνιµο µαγνήτη που βρίσκεται στο εξωτερικό µέρος της επένδυσης της αντλίας. Υπό την επίδραση του µαγνητικού πεδίου τα ηλεκτρόνια που εκπέµπονται από την κάθοδο ταξιδεύουν κατά µήκος σπειροειδών τροχιών µέχρι να προσκρούσουν στον ανοδικό κύλινδρο του αντίστοιχου κελιού. Κατά τη διάρκεια της κίνησής τους, τα ηλεκτρόνια ιονίζουν τα µόρια του αερίου. Τα ιόντα αυτά στη συνέχεια προσκρούουν πάνω στην κάθοδο Τιτανίου και το ιονοβολούν. Το ιονοβολισµένο Τιτάνιο προσροφά δοµικές µονάδες του αερίου, όπως Άζωτο, Οξυγόνο και Υδρογόνο. Η ενέργεια των ιόντων δεν είναι µόνο αρκετά υψηλή ώστε να βοµβαρδίζει το υλικό καθόδου αλλά επίσης είναι τέτοια ώστε να αφήσει τα προσκρουόµενα ιόντα να εισχωρήσουν βαθιά µέσα στο υλικό καθόδου (ιοντική εµφύτευση). Αυτή η διαδικασία ρόφησης «αντλεί» ιόντα όλων των τύπων, ακόµα και ιόντα αερίων που δεν αντιδρούν χηµικά µε το βοµβαρδισµένα φιλµ τιτανίου, όπως τα ευγενή αέρια. Εικόνα 8. Αρχή λειτουργίας της ιοντικής αντλίας Το ρεύµα εκφόρτισης i είναι ανάλογο της αριθµητικής πυκνότητας των ουδέτερων σωµατιδίων n 0, της πυκνότητας των ηλεκτρονίων n l του συνολικού δρόµου εκφόρτισης και του µήκους

23 i = n n σ l (5) 0 όπου η ενεργός διατοµή σ, για ιονισµένες συγκρούσεις εξαρτάται από τον τύπο του αερίου. Σύµφωνα µε αυτήν την εξίσωση, το ρεύµα εκφόρτισης i είναι µια συνάρτηση της αριθµητικής πυκνότητας σωµατιδίων n 0 (όπως στον αισθητήρα Penning) και µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν µέτρο της πίεσης στην κλίµακα από 8 10 mbar. Οι ιοντικές αντλίες µπορεί να είναι τύπου διόδου ή τύπου τριόδου έως Η συσκευή εναπόθεσης λεπτών υµενίων που διαθέτει το εργαστήριό µας είναι εξοπλισµένη µε ιοντική αντλία τύπου τριόδου. Ιοντική αντλία τύπου τριόδου Στις ιοντικές αντλίες τύπου τριόδου επιτυγχάνεται µια εξαιρετική σταθερότητα στην ταχύτητα άντλησης για ευγενή αέρια επειδή οι ιονοβολίζουσες (sputtering) επιφάνειες είναι διαφορετικές από τις επιφάνειες όπου σχηµατίζονται τα films. Η µεγαλύτερη απόδοση για άντληση ευγενών αερίων εξηγείται ως εξής : Η γεωµετρία του συστήµατος ευνοεί το πέρασµα ιόντων στις καθόδους Τιτανίου (K) (βλ. Εικόνα 9) έτσι ο ρυθµός ιονοβολισµού (sputtering) είναι αισθητά υψηλότερος από ότι µε κάθετη πρόσπτωση. Το ιονοβολισµένο Τιτάνιο κινείται κατά την ίδια περίπου κατεύθυνση όπως τα προσπίπτοντα ιόντα. Τα απορροφητικά films σχηµατίζονται κυρίως στο τρίτο ηλεκτρόδιο της αντλίας (F) που ονοµάζεται έλασµα στόχου και το οποίο είναι το ενεργό τοίχωµα της αντλίας. Σε αυτό προσροφούνται τα ιονισµένα σωµατίδια του αερίου τα οποία αποφορτίζονται στην κάθοδο και στη συνέχεια οδεύουν προς αυτό µε µια ενέργεια αισθητά υψηλότερη από την θερµική ενέργεια ½KT των µορίων του αερίου.

24 Εικόνα 9. ιάταξη ηλεκτροδίων σε µια ιοντική αντλία τύπου τριόδου Τα ουδέτερα αυτά σωµατίδια εισχωρούν στην επιφάνεια του ελάσµατος στόχου και στη συνέχεια επικαλύπτονται από φρέσκα στρώµατα Τιτανίου. Το ηλεκτρόδιο αυτό (F) είναι σε θετικό δυναµικό µε αποτέλεσµα όποιο θετικό ιόν φτάσει σε αυτό να αποκρούεται και να µην µπορεί να ιονοβολίσει τα στρώµατα του. Οπότε τα θαµµένα άτοµα των ευγενών αερίων δεν ελευθερώνονται εκ νέου. Η ταχύτητα άντλησης των ιοντικών αντλιών τύπου τριόδου για ευγενή αέρια δε µειώνεται κατά τη λειτουργία της αντλίας. Η ταχύτητα άντλησης των ιοντικών αντλιών εξαρτάται από την πίεση και τον τύπο του αερίου. Για αέρα, Άζωτο, διοξείδιο του Άνθρακα και ατµούς νερού, η ταχύτητα άντλησης είναι η ίδια Αρχή λειτουργίας αντλίας εξάχνωσης Τιτανίου (Titanium sublimation pump) Η αντλία εξάχνωσης Τιτανίου χρησιµοποιείται σε συνδυασµό µε τη λειτουργία της ιοντικής αντλίας. Νήµατα Τιτανίου (βλ. Εικόνα 10) θερµαίνονται σε υψηλές θερµοκρασίες και απελευθερώνουν άτοµα Τιτανίου τα οποία δεσµεύουν µόρια αερίου που βρίσκονται µέσα στο θάλαµο κενού. Στη συνέχεια, τα ιόντα µε την βοήθεια της ιοντικής αντλίας κατευθύνονται στις επιφάνειές της όπου και δεσµεύονται.

25 Εικόνα 10. ιάταξη νηµάτων αντλίας εξάχνωσης Ti Η λειτουργία δηλαδή της αντλίας εξάχνωσης Τιτανίου είναι βοηθητική της ιοντικής αντλίας. Και µε τις δύο να λειτουργούν ταυτόχρονα επιτυγχάνονται καλύτερα αποτελέσµατα, δηλαδή χαµηλότερη πίεση. Θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η θέρµανση των νηµάτων Ti δεν θα πρέπει να είναι συνεχής. Η συχνότητα µε την οποία παρέχεται ρεύµα στα νήµατα εξαρτάται από την πίεση που επικρατεί µέσα στο θάλαµο κενού, σύµφωνα µε τον Πίνακα 3. Πίεση (Torr) Χρόνος µεταξύ 2 διαδοχικών θερµάνσεων ή κλίµακα 60 ή ή λιγότερο 240 Πίνακας 3. Συχνότητα λειτουργίας της αντλίας εξάχνωσης Τιτανίου

26 1.2.6 Αρχή λειτουργίας Κρυοαντλίας (cryopump) Εικόνα 11. Απεικόνιση τµήµατος κρυοαντλίας Είναι γεγονός ότι η προσρόφηση των αερίων και των ατµών σε ψυχρές επιφάνειες, συµβαίνει σε κατάσταση κενού όπως και σε κατάσταση ατµοσφαιρικής πίεσης. Έτσι σε ένα θάλαµο κενού η δέσµευση των αερίων σε µια κρύα επιφάνεια ισοδυναµεί µε την αφαίρεση µεγάλου αριθµού µορίων αερίου από τον όγκο του. ηλαδή ισοδυναµεί µε άντληση των σωµατιδίων µε τη βοήθεια µιας κρυοαντλίας αφού η αποµάκρυνση των σωµατιδίων πραγµατοποιείται µε τη βοήθεια κρύων επιφανειών. Εξαερισµός Είσοδος υγρού αζώτου Θάλαµος κενού Επιφάνεια όπου δεσµεύονται τα αέρια Εικόνα 12. Σχηµατική παράσταση της κρυοαντλίας Η κρυοαντλία αποτελείται από έναν κλειστό χώρο (βλ. Εικόνα 12) που βρίσκεται µέσα στο θάλαµο κενού. Στο χώρο αυτό εισάγεται LN 2 (υγρό Άζωτο) µε αποτέλεσµα να ψύχεται η επιφάνειά του.

27 Σε µια επιφάνεια σε θερµοκρασία T 77 K µπορούν να δεσµευθούν H2O και CO 2. Σε µια επιφάνεια σε θερµοκρασία Τ 10K µπορούν να προσροφηθούν όλα τα αέρια εκτός από το He και το Ne. Σε µια επιφάνεια σε θερµοκρασία T 4,2K προσροφούνται όλα τα αέρια εκτός από το ήλιο (He). Η διαδικασία δέσµευσης των διαφόρων αερίων στην κρυοαντλία γίνεται ως εξής: Τα µόρια των διαφόρων αερίων και ατµών προσκρούουν στη διαχωριστική επιφάνεια που βρίσκεται σε θερµοκρασία 80 K. Η κινητική τους ενέργεια µειώνεται και δεσµεύονται µε δυνάµεις Van der Waals στην επιφάνεια αυτή. Η ενέργεια προσρόφησης είναι συγκρίσιµη µε την ενέργεια εξάτµισης του αντίστοιχου υγροποιηµένου αερίου. Έτσι, σχηµατίζονται στην επιφάνεια της κρυοαντλίας µοριακά στρώµατα τα οποία παραµένουν στην κατάσταση αυτή όσο η επιφάνεια της αντλίας είναι ψυγµένη. Η κρυοαντλία πρέπει να ανανεώνεται µετά από συγκεκριµένο χρόνο λειτουργίας. Η ανανέωση συνίσταται στην αποµάκρυνση των προσροφηµένων αερίων από τις κρύες επιφάνειες µε θέρµανση. Η ανανέωση µπορεί να γίνει είτε ολοκληρωτικά είτε µόνο µερικά και διαφέρει κυρίως από τον τρόπο µε τον οποίο θερµαίνονται οι επιφάνειες. Είναι προτιµότερο οι κρυοαντλίες για τις περιοχές (HV), (UHV) να ενεργοποιούνται σε ένα ήδη υπάρχον κενό από προηγούµενες αντλίες της τάξης p 2 < 5 10 mbar.

28 1.3 ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ ΚΕΝΟΥ Οι συσκευές που χρησιµοποιούνται για τον προσδιορισµό της χαµηλής πίεσης που επιτυγχάνουν οι αντλίες κενού ονοµάζονται αισθητήρες κενού. Οι αισθητήρες κενού διαχωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: 1) Άµεσοι αισθητήρες κενού : Προσδιορίζουν την πίεση ως τη δύναµη που δρα κάθετα στη µοναδιαία επιφάνεια στερεού σώµατος. Σύµφωνα µε την κινητική θεωρία των αερίων, των οποίων τα σωµατίδια συγκρούονται, αυτή η δύναµη εξαρτάται µόνο από τον αριθµό των µορίων του αερίου ανά µονάδα όγκου (αριθµητική πυκνότητα των µορίων, n ) και από τη θερµοκρασία τους αλλά όχι από τη µοριακή τους µάζα. Η περιοχή λειτουργίας των αισθητήρων αυτών είναι p > 0,01 Atm. Στους άµεσους αισθητήρες κενού η ένδειξη των οργάνων µέτρησης είναι ανεξάρτητη από τον τύπο του αερίου. Τέτοιοι είναι οι liquid-filled vacuum gauges και οι µηχανικοί αισθητήρες κενού (µανόµετρα). 2) Έµµεσοι αισθητήρες κενού : Οι αισθητήρες κενού αυτού του είδους δεν προσδιορίζουν άµεσα την πίεση σαν τη δύναµη που δρα κάθετα σε µοναδιαία επιφάνεια, αλλά εκµεταλλεύονται κατάλληλη ιδιότητα των αερίων που εξαρτάται από την αριθµητική πυκνότητά τους, δηλαδή την πίεση. Έτσι η πίεση ορίζεται ως συνάρτηση µιας ιδιότητας του αερίου, όπως είναι η θερµική αγωγιµότητα, η πιθανότητα ιονισµού, ο πιεζοηλεκτρισµός κ.α. Στους έµµεσους αισθητήρες κενού η ένδειξη των οργάνων µέτρησης εξαρτάται από τον τύπο του αερίου. Τα όργανα των έµµεσων αισθητήρων κενού αποτελούνται από τον ενεργό αισθητήρα και τη µονάδα ελέγχου που απαιτείται για τη λειτουργία τους. Οι κλίµακες πίεσης ή οι ψηφιακές ενδείξεις είναι συνήθως βαθµονοµηµένες µε αέριο Άζωτο. Για να καθοριστεί η πραγµατική πίεση p T ενός αερίου ή ατµού, η µετρούµενη πίεση p l πρέπει να πολλαπλασιαστεί µε έναν παράγοντα που είναι χαρακτηριστικός για το εκάστοτε αέριο. Αυτοί οι παράγοντες διαφέρουν ανάλογα µε τον τύπο του οργάνου και είτε δίνονται σε πίνακα (σαν παράγοντες ανεξάρτητοι της πίεσης) είτε εάν εξαρτώνται από την πίεση πρέπει να καθοριστούν από το παρακάτω διάγραµµα.

29 ιάγραµµα 2. Βαθµονοµηµένες καµπύλες µετρητών κενού για διάφορα αέρια, βασισµένες στις µετρήσεις για το άζωτο Γενικά ισχύει η εξής σχέση: Πραγµατική πίεση p T = Μετρούµενη πίεση p l * Παράγοντα διόρθωσης Οι µετρητές αυτοί χωρίζονται στους : α) Αισθητήρες κενού θερµικής αγωγιµότητας (Pirani) β) Ιοντικοί αισθητήρες κενού Η συσκευή εναπόθεσης λεπτών υµενίων που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα διπλωµατική εργασία λειτουργεί µε δύο αισθητήρες Pirani και έναν ιοντικό αισθητήρα κενού.

30 1.3.1 Αισθητήρες κενού Θερµικής Αγωγιµότητας (Pirani) Η θερµική αγωγιµότητα στατικού αερίου είναι προσεγγιστικά ανεξάρτητη της πίεσης για πιέσεις p > 1 mbar. Σε χαµηλότερες πιέσεις, p < 1 mbar, ωστόσο, η θερµική αγωγιµότητα εξαρτάται από την πίεση. Η εξάρτηση της θερµικής αγωγιµότητας από την πίεση χρησιµοποιείται στους αισθητήρες θερµικής αγωγιµότητας κενού και επιτρέπει ακριβή µέτρηση (εξαρτώµενη από τον τύπο του αερίου) της πίεσης του θαλάµου στην κλίµακα του (MV). Ο πλέον διαδεδοµένος αισθητήρας τέτοιου τύπου είναι ο αισθητήρας Pirani, ο οποίος φαίνεται στην Εικόνα 13. Εικόνα 13. Απεικόνιση αισθητήρα κενού Pirani Ο Pirani διαθέτει ένα µεταλλικό λεπτό νήµα ακτίνας r 1 το οποίο θερµαίνεται σε θερµοκρασία C µε C και µεταφέρει την προκαλούµενη σε αυτό θερµότητα (Joule) στο αέριο που το περιβάλει (όπως επίσης και στα στηρίγµατα του νήµατος) διαµέσου ακτινοβολίας και θερµικής αγωγής. Στη κλίµακα του (RV), η αποβολή θερµότητας µε µεταφορά διαµέσου του αερίου είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη από την πίεση. Εάν ωστόσο η µέση ελεύθερη διαδροµή των µορίων του αερίου είναι της ίδιας τάξης µεγέθους µε τη διάµετρο του νήµατος, η µεταφορά θερµότητας εξαρτάται από την πυκνότητα του αερίου και εποµένως από την πίεσή του. Το νήµα στην κεφαλή του αισθητήρα σχηµατίζει έναν κλάδο µιας γέφυρας Wheatstone (βλ. Εικόνα 14). Η τάση που εφαρµόζεται σε αυτή τη γέφυρα ρυθµίζεται έτσι ώστε η αντίσταση και εποµένως η θερµοκρασία του νήµατος να παραµένει σταθερή αδιαφορώντας για την απώλεια θερµότητας. Αυτό σηµαίνει ότι η γέφυρα είναι πάντα ισορροπηµένη (balanced).

31 q& Τ 0 Αυτή η αντίσταση έρχεται σε επαφή µε το δοχείο ποτενσιόµετρο Τ 0 Τ 2 ποτενσιόµετρο Εικόνα 14. Γέφυρα Wheatstone του Pirani Στην Εικόνα 14, Τ 2 είναι η θερµοκρασία του νήµατος και Τ 0 είναι η 2 θερµοκρασία του περιβάλλοντος. Η ισχύς είναι Q & = I R και η αντίσταση µεταβάλλεται σύµφωνα µε τη σχέση R R ( a ) Εάν από την ισχύ Q & αφαιρεθεί ( ) 2 0 = + Θ. 0 1 όρος q& λόγω του περιβάλλοντος, όπου q& = K T T µε τον παράγοντα K να εξαρτάται από το µέσο που περιβάλλει το dt νήµα θα ισχύει ότι C p = Q& q&. Στη µόνιµη κατάσταση ισχύει: dt dt = 0 Q & q& Q& = q& T 2 T 0 = = (6) dt K K Καθώς µειώνεται η πίεση µέσα στο θάλαµο κενού, µειώνεται και η τάση που πρέπει να εφαρµόζουµε στην αντίσταση ώστε να διατηρούµε τη θερµοκρασία της σταθερή. Έτσι, η µετρούµενη διαφορά τάσης είναι µια µέτρηση της πίεσης, V = f ( p). Οι µετρητές θερµικής αγωγιµότητας κενού µε σταθερή αντίσταση, είναι ευαίσθητοι στην περιοχή πιέσεων από 10-3 έως 1013 mbar Αρχή λειτουργίας Ιοντικού αισθητήρα κενού Οι ιοντικοί αισθητήρες κενού είναι τα πιο σηµαντικά όργανα για µετρήσεις της πίεσης του αερίου στην περιοχή του υψηλού (HV) και υπερυψηλού κενού (UHV) και προσδιορίζουν την πίεση βάσει της αριθµητικής πυκνότητας των σωµατιδίων. Για να προσδιορισθεί η πίεση του αερίου που υπάρχει στο θάλαµο κενού οι ιοντικοί αισθητήρες κενού το ιονίζουν είτε µε τη βοήθεια ενός ηλεκτρικού πεδίου σε υψηλή τάση (κρύα κάθοδος ή εκφόρτιση Penning) είτε µέσω συγκρούσεων µε ηλεκτρόνια που εκπέµπονται από µια θερµή κάθοδο. Οι αισθητήρες θερµής

32 καθόδου λειτουργούν χωρίς µαγνητικό πεδίο. Η συσκευή που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα εργασία είναι ένας Ιοντικός αισθητήρας Θερµής Καθόδου. Ο ιοντικός αισθητήρας θερµής καθόδου αποτελείται από τρία ηλεκτρόδια (κάθοδος, άνοδος και συλλέκτης ιόντων) όπου η κάθοδος είναι κατασκευασµένη από βολφράµιο και βρίσκεται σε υψηλή θερµοκρασία Κατά τη λειτουργία του αισθητήρα παρατηρείται φως µέσα στο θάλαµο κενού που οφείλεται στην υψηλή θερµοκρασία της θερµής καθόδου του. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται µέσα στο ηλεκτρικό πεδίο και αποκτούν αρκετή ενέργεια από το πεδίο ώστε να ιονίσουν το αέριο µέσα στο οποίο βρίσκεται το σύστηµα των ηλεκτροδίων. Τα θετικά ιόντα αερίου που σχηµατίζονται µεταφέρονται στο συλλέκτη ιόντων που είναι σε αρνητικό δυναµικό σχετικά µε την κάθοδο και αποφορτίζονται. Το ρεύµα ιόντων που παράγεται είναι ανάλογο της πυκνότητας του αερίου και κατά συνέπεια της πίεσης του. Εάν Ι - είναι το ρεύµα ηλεκτρονίων που εκπέµπεται από τη θερµή κάθοδο τότε το ρεύµα Ι + που είναι ανάλογο της πίεσης και που παράγεται στο µετρητικό σύστηµα, καθορίζεται από τη σχέση: + I = C I p p = + I I C (7) όπου η παράµετρος C είναι η σταθερά του µετρητικού συστήµατος, η οποία για το Άζωτο είναι περίπου 10 mbar -1. Η παραγωγή των ιόντων και εποµένως το ρεύµα ιόντων εξαρτάται από τον τύπο του αερίου µιας και κάποια αέρια ιονίζονται ευκολότερα από τα άλλα. Για ένα σταθερό ρεύµα ηλεκτρονίων, η ευαισθησία S του αισθητήρα ορίζεται ως το πηλίκο του ρεύµατος των ιόντων προς την πίεση. Για ένα ρεύµα ηλεκτρονίων Ι = 1 ma και C = 10 mbar -1 έπεται ότι: I S C I p = = = 10 mbar 1mA = 10 mbar 10 A = 10 A mbar (8) Το άνω όριο της κλίµακας µέτρησης του αισθητήρα θερµής καθόδου είναι περίπου 10-3 mbar. Σε σχετικά υψηλές πιέσεις το µήκος της ελεύθερης διαδροµής είναι µικρό δηλαδή τα ιόντα φτάνουν πιο δύσκολα στο συλλέκτη ιόντων εποµένως παρατηρείται λιγότερη παραγωγή ιόντων. Σε σχετικά χαµηλές πιέσεις η κλίµακα

33 µέτρησης περιορίζεται από την επίδραση ακτίνων-χ (The X-ray effect) και από την επίδραση αποκόλλησης ιόντων (The ion desorption effect). Το αποτέλεσµα αυτών των επιδράσεων είναι η απώλεια της αυστηρής αναλογίας µεταξύ της πίεσης και του ρεύµατος ιόντων. Τα ηλεκτρόνια που εκπέµπονται από τη κάθοδο και προσκρούον στην άνοδο, ελευθερώνουν φωτόνια (soft X-rays), τα οποία συντελούν στην εκποµπή φωτοηλεκτρονίων από τις επιφάνειες στις οποίες προσπίπτουν. Έτσι ο συλλέκτης ιόντων εκπέµπει ένα ρεύµα ηλεκτρονίων που αντιστοιχεί σε ρεύµα θετικών ιόντων. Αυτή η επιρροή λέγεται θετική επιρροή ακτίνων-χ και εξαρτάται από την τάση της ανόδου όπως επίσης και από το µέγεθος της επιφάνειας του συλλέκτη ιόντων. Υπό ορισµένες συνθήκες έχουµε επίσης µια αρνητική επιρροή ακτίνων-χ. Φωτόνια που προσκρούουν στα τοιχώµατα του αισθητήρα ελευθερώνουν φωτοηλεκτρόνια που επίσης ρέουν προς την άνοδο. Εάν τα περιβάλλοντα τοιχώµατα έχουν το ίδιο δυναµικό µε το συλλέκτη ιόντων, µέρος των ηλεκτρονίων που απελευθερώνονται από τα τοιχώµατα µπορούν να φτάσουν το συλλέκτη ιόντων, µε αποτέλεσµα τη ροή ενός ρεύµατος ηλεκτρονίων, µια ροή αρνητικού ρεύµατος που µπορεί να αντισταθµίσει το θετικό ρεύµα ιόντων. Η επίδραση αποκόλλησης ιόντων (The ion desorption effect) συνίσταται στο ότι δεσµευµένα αέρια µπορούν να αποκολληθούν από την επιφάνεια στην οποία βρίσκονται µε σύγκρουση ηλεκτρονίων. Για έναν ιοντικό αισθητήρα κενού αυτό σηµαίνει ότι υπάρχει ένα στρώµα δεσµευµένου αερίου στην άνοδο. Αυτά τα αέρια αποδεσµεύονται µερικώς σαν ιόντα από την σύγκρουση µε τα ηλεκτρόνια. Τα ιόντα στη συνέχεια φτάνουν στο συλλέκτη ιόντων και συµβάλλουν στη ροή ρεύµατος.

34 1.4 ΣΥΝΤΟΜΗ ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗΣ Το σύστηµα εναπόθεσης λεπτών υµενίων αποτελείται από το ηλεκτρονικό κανόνι (e-gun), την ηλεκτρονική µονάδα χειρισµού του, τα υποστρώµατα και το σύστηµα στήριξής τους. Στο σύστηµα εναπόθεσης ταξινοµείται και ο κρύσταλλος µέτρησης του πάχους των παραγόµενων λεπτών υµενίων. Επίσης στο ίδιο σύστηµα µπορεί να συµπεριληφθεί και το σύστηµα καθαρισµού του υποστρώµατος in situ µε πλάσµα από Αργό Περιγραφή και λειτουργία Ηλεκτρονικού Κανονιού (e-gun) Η θέρµανση µε δέσµη ηλεκτρονίων είναι η πιο διαδεδοµένη τεχνική εξάτµισης στην τεχνολογία των λεπτών υµενίων γιατί επιτρέπει τη δηµιουργία υψηλής καθαρότητας λεπτών υµενίων από οποιοδήποτε υλικό: αγώγιµο, διηλεκτρικό, µαγνητικό. Η ουσία που πρόκειται να εξατµιστεί (στόχος) τοποθετείται σε έναν υποδοχέα ο οποίος µε τη σειρά του βρίσκεται σε µια εστία η οποία ψύχεται µε νερό. Η καθαρότητα του ατµού διασφαλίζεται διότι µόνο µία µικρή περιοχή του στόχου τήκεται ώστε ο ατµός να µη µολύνεται από άτοµα του υποδοχέα που βρίσκεται στην ψυχρή εστία. Το ηλεκτρονικό κανόνι µπορεί να είναι είτε µιας πηγής είτε περισσότερων. Τα e- Gun µιας πηγής είναι τα πιο δηµοφιλή µοντέλα για γενικές εφαρµογές διότι είναι αρκετά µικρά ώστε να χρησιµοποιούνται σε συστήµατα κενού οποιουδήποτε µεγέθους. Τα πολλαπλής πηγής ηλεκτρονικά κανόνια έχουν 3 υποδοχές στόχων και είναι χρήσιµα για την εξάτµιση µεγάλων ποσοτήτων ενός υλικού ή για διαδοχικές εξατµίσεις διαφορετικών ουσιών στο ίδιο υπόστρωµα. Στις πιο κοινές διατάξεις των ηλεκτρονικών κανονιών, τα ηλεκτρόνια εκπέµπονται θερµιονικά από θερµαινόµενα νήµατα. Το δυναµικό της καθόδου του νήµατος το οποίο επιταχύνει τα ηλεκτρόνια, είναι αρνητικό σε σχέση µε τη γειωµένη άνοδό του και παίρνει τιµές µεταξύ 4-20 kv. Επιπροσθέτως εφαρµόζεται ένα κάθετο µαγνητικό πεδίο το οποίο εκτρέπει τη δέσµη των ηλεκτρονίων κατά ένα κυκλικό τόξο 270 ο και την εστιάζει στην εστία όπου βρίσκεται ο στόχος. Η τροχιά των ηλεκτρονίων καθορίζεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού, δηλαδή εάν ο αντίχειρας δείχνει προς την αρχική διεύθυνση των εκπεµπόµενων

35 ηλεκτρονίων και ο δείκτης δείχνει προς τη διεύθυνση του µαγνητικού πεδίου, τότε ο µεσαίος καθορίζει τη διεύθυνση της δύναµης που δέχονται τα ηλεκτρόνια Υπόστρωµα Το υπόστρωµα είναι το υλικό πάνω στο οποίο σχηµατίζεται το λεπτό υµένιο. Ιδεατά, πρέπει να έχει µία λεία (σε ατοµικό επίπεδο) µονοκρυσταλλική επιφάνεια έτσι ώστε το λεπτό υµένιο να σχηµατίζεται χωρίς ανοµοιοµορφίες στη δοµή του. Η επιφάνεια του υποστρώµατος επιπλέον πρέπει να είναι απόλυτα καθαρή, δηλαδή να µην έχει οιεσδήποτε ξένες ουσίες συµπεριλαµβανοµένων και προσροφηµένων αερίων ώστε να µην επηρεάζεται ο τρόπος ανάπτυξης ή η χηµική σύσταση των παραγόµενων λεπτών υµενίων. Η θέρµανση του υποστρώµατος βοηθάει τη διάχυση των ατόµων του στόχου στην επιφάνειά του µε αποτέλεσµα καλύτερη οµοιογένεια του λεπτού υµενίου καθώς και παρασκευή µονοκρυσταλλικών λεπτών υµενίων. Υπάρχει η δυνατότητα θέρµανσης του υποστρώµατος κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης, τοποθετώντας το σε ένα στήριγµα που µπορεί να θερµαίνεται µέχρι τους 900 Κ περίπου µέσω µιας ηλεκτρικής αντίστασης ιάταξη µέτρησης του πάχους των λεπτών υµενίων Κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης των λεπτών υµενίων υπάρχει η δυνατότητα προσδιορισµού του πάχους τους κάθε χρονική στιγµή. Η διάταξη µέτρησης του πάχους αποτελείται από έναν κρύσταλλο (α χαλαζία) που βρίσκεται µέσα στο θάλαµο κενού σε καθορισµένη απόσταση από τον στόχο. Η αρχή λειτουργίας του περιγράφεται εν συντοµία ως ακολούθως. Κατά την εξάχνωση του υλικού του στόχου, άτοµα εναποτίθενται στο υπόστρωµα όπως επίσης και στον κρύσταλλο ο οποίος αποτελεί τµήµα κυκλώµατος που λειτουργεί υπό συνθήκες συντονισµού. Έτσι ο ατµός που εναποτίθεται µεταβάλλει τη συχνότητα ταλάντωσης του κρυστάλλου και παρέχει τη δυνατότητα προσδιορισµού του πάχους του στρώµατος των ατόµων που εναποτίθενται στην επιφάνειά του. εν υπάρχει ανάγκη κάλυψης του κρυστάλλου µε κάποιο διάφραγµα κατά τη ρύθµιση των παραµέτρων του ηλεκτρονικού κανονιού, διότι το σύστηµα του κρυστάλλου ουσιαστικά υπολογίζει τη διαφορά πάχους του σχηµατιζόµενου στρώµατος στην επιφάνειά του κατά τη διάρκεια της

36 εναπόθεσης. Για το λόγο αυτό δεν είναι απαραίτητος ο καθαρισµός του κρυστάλλου ύστερα από κάθε εναπόθεση Καθαρισµός του υποστρώµατος µε πλάσµα (in situ) Όπως έχει τονισθεί προηγουµένως, είναι σηµαντικό το υπόστρωµα, δηλαδή η επιφάνεια πάνω στην οποία πρόκειται να γίνει η εναπόθεση, να είναι καθαρό. Ο καθαρισµός του υποστρώµατος γίνεται κυρίως πριν την εισαγωγή του µέσα στο θάλαµο κενού µε διάφορους χηµικούς ή µηχανικούς τρόπους. Ακόµα όµως και εάν αυτές οι διαδικασίες είναι ιδεατά αποτελεσµατικές, το υπόστρωµα παραµένει καλυµµένο µε προσροφηµένα στρώµατα αερίων λόγω της έκθεσής του στην ατµόσφαιρα. Όταν το υπόστρωµα βρίσκεται εντός του θαλάµου, ο καθαρισµός του µπορεί να γίνει µε τον βοµβαρδισµό της επιφάνειάς του µε ιονισµένο αέριο (πλάσµα) µέσα στο θάλαµο κενού. Το αέριο αυτό, συνήθως Αργό, εισάγεται µέσω ενός σωλήνα σε µία διάταξη που το ιονίζει µέσα στο θάλαµο κενού. Το πλάσµα που δηµιουργείται συντελεί στην αποµάκρυνση προσροφηµένων µορίων και ατόµων που υπάρχουν στην επιφάνεια του υποστρώµατος µε αποτέλεσµα να το καθαρίζει. Τα απελευθερούµενα µόρια αποµακρύνονται από το θάλαµο µε τη βοήθεια της άντλησής του.

37 1.5 ΒΑΛΒΙ ΕΣ & ΣΥΝ ΕΣΕΙΣ Βαλβίδες Οι βαλβίδες χρησιµοποιούνται στην τεχνολογία του κενού για να διαχωρίζουν τα διάφορα τµήµατα του συστήµατος µεταξύ τους. Αυτές θα πρέπει να κλείνουν αεροστεγώς τον χώρο έτσι ώστε να µην εισέρχονται µόρια αέρα από το ένα µέρος στο άλλο. Η συσκευή εναπόθεσης λεπτών υµενίων που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα διπλωµατική εργασία έχει έξι τέτοιες βαλβίδες. ιαθέτει τρεις ηλεκτροµαγνητικές βαλβίδες, δύο χειροκίνητες και µία πνευµονική. Κάτω και αριστερά της στροβιλοµοριακής αντλίας υπάρχει µία ηλεκτροµαγνητική βαλβίδα εξαέρωσης, το άνοιγµα της οποίας προηγείται του ανοίγµατος του θαλάµου κενού. Έτσι γίνεται επιτρεπτή η διέλευση ατµοσφαιρικού αέρα από το περιβάλλον µέσα στο θάλαµο, µε αποτέλεσµα να εξισορροπούνται οι πιέσεις εντός και εκτός του θαλάµου ώστε να είναι σε θέση ο γερανός να ανυψώσει το πάνω µέρος του θαλάµου. εξιά της στροβιλοµοριακής αντλίας βρίσκεται µία χειροκίνητη µεταλλική βαλβίδα η οποία διαχωρίζει τον αρχικό χώρο άντλησης από το θάλαµο. Αυτό επιτυγχάνεται γυρνώντας τη βαλβίδα αριστερόστροφα. Αυτή η κατάσταση είναι απαραίτητη κατά την έναρξη άντλησης του θαλάµου µε τη µηχανική αντλία ώστε να δηµιουργηθεί το απαιτούµενο προκαταρκτικό κενό για την έναρξη λειτουργίας της στροβιλοµοριακής αντλίας. Στο χώρο του προκενού βρίσκονται και οι άλλες δύο ηλεκτροµαγνητικές βαλβίδες εκ των οποίων η µία ανοίγει αυτόµατα κατά την έναρξη λειτουργίας της αρχικής µηχανικής αντλίας και η άλλη κατά την έναρξη λειτουργίας της στροβιλοµοριακής αντλίας. Αυτές µε την πάροδο του χρόνου θερµαίνονται, εποµένως για την αποφυγή τυχόν προβληµάτων χρησιµοποιούνται δύο µικροί ανεµιστήρες που ενεργοποιούνται ταυτόχρονα µε την έναρξη λειτουργίας της µηχανικής αντλίας. Μεταξύ της στροβιλοµοριακής αντλίας και του θαλάµου κενού υπάρχει µια πνευµονική βαλβίδα. Αυτή λειτουργεί µε την εισαγωγή πιεσµένου αερίου, το οποίο στην προκειµένη περίπτωση είναι Αργό, σε πίεση 4 bar που είναι απαραίτητη για τη λειτουργία της βαλβίδας. Η πνευµονική βαλβίδα διαχωρίζει το