ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЛАСТИН ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ ПРИ ПОМОЩИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИИ

Одним из ключевых факторов качества производства изделий микро- и наноэлектроники является чистота производства. В первую очередь это относится к поверхности пластин, на которых, в дальнейшем, будут формироваться нанослои различных материалов.

Системы для очистки поверхности, с одной стороны должны тщательно удалять загрязнения как крупных, так и малых размеров, а с другой стороны — не должны допускать повреждения самих изделий. Обеспечить эти, во многом противоречивые требования, возможно с использованием кавитационных процессов в жидкости, возникающих под действием технологического ультразвука. Явление кавитации заключается в образовании парогазовых каверн в жидкости в местах наибольшего изменения акустического давления.

Эффективность очистки поверхности пластин во многом определяется взаимным расположением излучателя ультразвуковых волн и самого изделия. Научно обоснованных рекомендаций по данному вопросу в литературе не приводится. Подобное положение потребовало проведения дополнительных исследований, направленных на определении области, в которой необходимо расположить материал, для его эффективной очистки.

Задача распространения ультразвука в среде от цилиндрического волновода-излучателя – это принципиально двумерная задача, которая в случае не полубесконечной среды практически не имеет аналитического решения. Уравнение, которое описывает процессы, происходящие в жидкости - это уравнение Гельмгольца в цилиндрической системе координат.

 (1)

– потенциал;

c₀- скорость звука в среде;

r и z – координаты исследуемой точки, ось r лежит вдоль радиуса цилиндрической емкости, ось z вдоль глубины, координата (0;0) соответствует торцу волновода;

t – время.

Так или иначе, при его решении приходится обращаться к различного рода ЭВМ.

Также, задача усложняется тем, что под действием ультразвука в жидкости возникают парогазовые каверны, которые существенно искажают распределение давления.

Поэтому главный метод исследования, который мы выбрали, это эксперимент на физической модели.

При проведении данных исследований было подобрано и  использовалось следующее оборудование:

1. генератор ИЛ10-0.63. Выходная мощность 630 Вт, рабочая частота 22 кГц;
2. магнитострикционный преобразователь (ПМС-0.63-22). Данные типы преобразователей обуславливаются высокой степенью надежности, в сравнении, например, с пьезокерамическими;
3. комплекс для измерения ультразвукового давления, состоящий из двух частей: индикатора давления (датчика давления) и измерительного прибора, отображающий амплитуду звукового давления в реальном времени;
4. специальные цилиндрические волноводы-излучатели с диаметром излучающих поверхностей 13 и 23 мм, а также длинной 110 мм и 120 мм;
5. цилиндрическая емкость, объемом 110 литров. Глубина емкости - 40 см, диаметр – 60 см.

Оборудование, указанное в пунктах 1-3, произведено ООО «Ультразвуковая техника — ИНЛАБ». Подробное описание оборудования, а также необходимость использования именно данных моделей приведены в [1, с. 50].

В экспериментах в цилиндрическую емкость с водой, в которую на глубину 1 см был погружён торец волновода, располагалась система, которая обеспечивала перемещение комплекса для измерения акустического давления с шагом 0.5 см по радиусу и глубине. В каждой точке проводилось по 3 измерения. С каждым волноводом было проведено по три эксперимента, с различными уровнями мощности источника питания ультразвуковой системы (полная, ¾, а также 1 /2 мощности). Результат одного из экспериментов приведен на рисунке 1.

Рисунок1. Распределение давления на шаге 0,5 см от оси большого волновода ( диаметр 23 мм).

Пространственное распределение акустического давления, приведенное на рис. 1, позволяет сделать следующие выводы: во всех экспериментах наблюдалось существование двух областей с практически неизменным акустическим давлением.

1. Пространственное расположение первой из этих областей изменяется в зависимости от мощности и применяемого волновода, однако значение акустического давления в этой области оказывалось одинаковым во всех экспериментах (около 30 кПа).
2. Вторая область с давлением от 19 до 21 непосредственно примыкает к стенкам камеры. Её существование связано с наложением прямой и обратной, отражённой от стенок камеры, волн.
3. В среде наблюдалось также существование двух областей с резко падающим давлением. Один из них находится в диапазоне от 30 кПа и выше, другой — тот 20 до 30 кПа. Причём на первом участке падение давления происходит стремительнее, чем на втором.

Рисунок 2. Трёхмерная картина распределения акустического давления в жидкости

Поскольку ультразвуковое давление однозначно связано с мощностью ультразвукового воздействия, в области, где есть резкие перепады акустического давления происходит выделение энергии и именно в этих областях целесообразно располагать образцы для более эффективной очистки от загрязнений.

Список литературы

1. Новик А.А., Исследование процесса ультразвукового диспергирования керамических материалов в жидких средах: дис. к.т.н. -  СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. – С.104-118.