Detail předmětu

Návrh vakuových soustav pro technologie v mikroelektronice

FEKT-BEPTAk. rok: 2015/2016

Absolvent předmětu získá základní znalosti z oblasti fyzikálních vlastností zředěného plynu, (zákony plynu, proudění plynu a mechanismus proudění). Předmět se zabývá návrhem vakuových soustav s ohledem na efektivitu čerpání a pořizovací cenu, výběrem vhodných materiálů, seznamuje s principy měření vakua. Absolventi si osvojí základní znalosti software pro návrh vakuových soustav VACTRAN. Seznámí se s principy technologických procesů probíhajících ve vakuu, nebo prostředí technických plynů (vakuové napařování, naprašování, iontové leptání a další). Dále se seznámí s konstrukcí technologických zařízení, pro tyto procesy v elektronice. V přednáškách bude uváděna anglická terminologie odborných výrazů.


Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Josef Šandera, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav mikroelektroniky (UMEL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu bude schopen:

- vyjmenovat základní jednotky tlaku a znát jeho převody
- definovat základní fyzikální vlastnosti zředěného plynu a vlastnosti při jeho proudění
- popsat fyzikální principy a konstrukce vakuových vývěv
- popsat fyzikální principy a konstrukce vakuometrů
- vybrat vhodné materiály s ohledem na používané vakuum
- vysvětlit co je to vakuové napařování a naprašovaní kdy se používá
- popsat konstrukci průmyslových zařízení pro vakuové napařování a naprašování
- spočítat a navrhnout jednoduchý vakuový obvod
- přehledově používat profesionální software VACTRAN
- používat základní anglickou terminologii

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni středoškolského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky, cvičení na počítači a laboratoře.

Způsob a kritéria hodnocení

Laboratorní cvičení - 23 bodů
Závěrečná zkouška - 77 bodů
(ústní a písemná zkouška)

Osnovy výuky

1) Klasifikace vakua, plyn, pára, tlak a jednotky tlaku a přepočty, vlastnosti atomů a molekul plynu, zákony ideálního plynu, Boyle Mariottův , Gay Lussacův , stavová rovnice plynů, zákon Daltonův, důležité konstanty, povrchové napětí plynu.
2) Základy kinetické teorie plynů - plyn za nízkých a vysokých tlaků, částicový déšť , závislost tlaku na koncentraci a teplotě , střední volná dráha mol. plynu , Maxwel-Boltzmannovo rozložení rychlosti, objemové a transportní jevy - difuze, efuse, viskozita plynu, součinitelé přenosu za nízkých a vysokých tlaků.
3) Proudění plynu vakuovým potrubím - analogie s elektrickým proudem, objemový a hmotnostní proud plynu, odpor a vodivost potrubí, řazení potrubí, druhy proudění - turbulentní, viskózní, molekulární, efúzní
4) Povrchové procesy - sorpce, desorpce, vazební síly, monomolekulární a multimolekulární vrstvy, základní adsorpční isotermy, tlaky nasycených par, kapilární kondenzace
5) Ionizovaný plyn, pohyb elektronů v elektrickém a magnetickém poli, plazma a její vlastnosti
6) Mezní tlaky a čerpací rychlosti vývěv - čerpací rychlost její měření, časy potřebné k vyčerpání na žádaný tlak, mezní tlaky, vliv netěsnosti, getry, schematické značky
7)Teorie činnosti a konstrukce vývěv - parametry vývěv, transportní a sorpční vývěvy, rotační vývěvy, Rootsova vývěva, turbomolekulární vývěva. tryskové-ejektorové a difúzní vývěvy. Sorpční vývěvy, titanová sublimační a titanová výbojová vývěva, diodová a triodová iontová vývěva. Kryogenní vývěvy, kryosorpční - zeolitové vývěvy
8) Měření vakua - absolutní vakuometry - Torricelli trubice , U – trubice, McLeod, vakuoměry tepelné - termočlánkový a odporový (Piraniho). ionizační vakuoměry - výbojový ( Penningův), triodový ionizační, konstrukční provedení vakuometrů
9) Hledání netěsností. Konstrukce vakuových aparatur - materiály, provedení, průchodky, kohouty, ventily, těsnění, charakter průmyslových konstrukcí, pohyby, držáky ve vakuu, manipulace se substráty, materiály pro vakuum
10) Návrh vakuových soustav. Ekonomická kritéria, Specifika návrhu pro výzkum a pro sériovou výrobu, vlastnosti a schopnosti software VACTRAN
11) Technologické principy používané v elektronice a mikroelektronice – vakuové napařování, iontové naprašování, plazmové leptání a čistění
12) Průmyslové konstrukce technologických zařízení , pokovení plastů - výroba MP kondenzátorů, realizace kovových kontaktů, úprava povrchů.





























































































































































































































































Učební cíle

Získání znalostí potřebných pro porozumění moderním a perspektivním vakuovým výrobně technologickým procesům v elektronice, elektrotechnice, a ve strojírenství. Seznámení s používaným software (USA), pro návrh vakuových sestav.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Laboratorní cvičení, numerická cvičení, cvičení na počítači. Veškerá výuka je povinná. Řádně omluvené cvičení je možno nahradit po domluvě s vyučujícím (v průběhu semestru, výjimečně v zápočtovém týdnu).

Základní literatura

Professional Engineering Computations - VacTran-Vacuum Technology Software, www.vactran.com (EN)
A.Roth: Vacuum Technology, 1990 Elsevier Science B.V. 1990, ISBN 0 444 880100 (EN)
Fikes,L.: Fyzika nízkých tlaků, SNTL, Praha, 1991. (CS)
Grozskowski J.: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha, 1981 (CS)
J. F. O‘Hanlon: A User‘s Guide to Vacuum Technology, John Wiley & Sons Inc., Hoboken, New Jersey (EN)
Jaroslav Boušek, Josef Šandera: Elektrovakuové přístroje a technika nízkých teplot, skriptum FEKT VUT, Brno 2003 Jaroslav Boušek, Josef Šandera: Elektrovakuové přístroje a technika nízkých teplot, skriptum FEKT VUT, Brno 2003 (CS)
Pátý,L.: Vakuová technika, ČVUT, Praha, 1990. (CS)
ŠANDERA, J.,BOUŠEK, J., KOSINA, P.:Návrh vakuových soustav pro technologie v mikroelektronice. Prezentace projektu KISP. Brno 2014
V.Hulínský, K.Jurek: Zkoumání látek elektronovým paprskem, SNTL, Praha 1982 (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-MET , 3 ročník, letní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Josef Šandera, Ph.D.

Osnova

Plyn, pára, tlak. Zákony ideálního plynu. Stavová rovnice plynů. Základy kinetické teorie plynů. Střední volná dráha molekul plynu, Maxwelovo-Boltzmannovo rozložení rychlostí molekul plynu.
Procesy při čerpání. Proudění plynu vakuovým potrubím, odpor a vodivost potrubí. Vliv netěsností a desorpce. Druhy proudění - turbulentní, viskózní, molekulární, efúzní.
Procesy při čerpání - transportní a sorpční vývěvy. Rotační vývěvy, Rootsova vývěva, turbomolekulární vývěva. Tryskové-ejektorové a difúzní vývěvy. Sorpční vývěvy.
Základní technologické operace při výrobě elektrovakuových přístrojů.
Speciální elektronické obvody pro elektrovakuové přístroje - vysokonapěťové zdroje, vysokofrekvenční generátory, měření velmi malých proudů, obvody pro oddělení potenciálu, elektronické ochranné obvody.
Přístroje založené na měření makroskopických vlastností plynu.Vakuoměry tepelné. Hmotnostní průtokoměry. Viskozní vakuoměry. Ionizační vakuoměry.
Přístroje založené na řízení trajektorie nabitých částic - termoemise, ionizace, magnetické a elektrostatické vychylování.
Přístroje založené na řízení trajektorie nabitých částic - hmotnostní spektrometry.
Přístroje založené na řízení trajektorie nabitých částic - elektronové mikroskopy
Přístroje založené na použití kryogenní techniky - kryogenní technika v elektrovakuové technice, kryogenní a kryosorpční vývěvy.
Přístroje založené na použití kryogenní techniky - supravodivost, využití supravodivosti.
Přístroje využívající výboje v plynu - typy výbojů a příklady jejich využití. Parametry plazmatu a jejich měření.
Přístroje využívající výboje v plynu katodové naprašování, plazmatická depozice z plynné fáze, suché leptání. Titanová výbojová vývěva, iontová vývěva.

Cvičení odborného základu

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Josef Šandera, Ph.D.

Osnova

Plyn , pára , tlak a jednotky tlaku a přepočty Zákony ideálního plynu. Základy kinetické teorie plynů ,závislost tlaku na koncentraci a teplotě.
Tepelná rychlost molekul plynu, Maxwel-Boltzmannovo rozložení rychlosti. Střední volná dráha mol. plynu. Objemové a transportní jevy difuze , viskozita plynu, tepelná vodivost plynu.
Proudění plynu vakuovým potrubím Ohmův zákon upravený pro vak. tech, objemový a hmotnostní proud plynu. Vodivost potrubí pro plyn, řazení potrubí, druhy proudění turbulentbní, viskózní, molekulární, efúzní.
Mezní tlaky a čerpací rychlosti vývěv čerpací rychlost a její měření, časy potřebné k vyčerpání na žádaný tlak, minimální tlaky, vliv netěsnosti.
Povrchové procesy adsospce , desorpce, monomolekulární a multimolekulární vrstvy, základní adsorpční isotermy, tlaky nasycených par.
Zásady konstrukce vakuových aparatur.

Laboratorní cvičení

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Josef Šandera, Ph.D.

Osnova

Úvodní cvičení, seznámení s laboratoří.Bezpečnost práce ve vakuové technice.
Měření čerpací rychlosti vývěv.
Cejchování termočlánkového vakuoměru.
Měření vodivosti trubic.
Měření průtoku plynu, cejchování průtokoměru
Materiály a výrobní postupy používané ve vakuové technice.
Zásady návrhu vakuových aparatur.
Hledání netěsností.
Vakuové napařování.
Katodové naprašování.