Näytekappaleiden terminen käyttäytyminen tyhjiökammiossa

Abstract

Atomikerroskasvatus eli ALD on ohutkalvotekniikka, jolla voidaan pinnoittaa näytekappaleita kattavasti yhden atomikerroksen resoluutiolla. Pintareaktio on itsestään rajoittuva ja kasvunopeus on ALD-ikkunan olosuhteissa lämpötilariippumaton. Ohutkalvojärjestelmässä latauskammion tehtävänä on esilämmittää näytekappaleet ennen korkeassa lämpötilassa olevaan reaktiostaan lataamista ja poistaa niihin absorboitunut kosteus.

Työssä tutkittiin latauskammioon sijoitettujen lasinäytteiden lämpötilakäyttäytymistä luonnollisen konvektion, tyhjiön ja pakotetun konvektion olosuhteissa. Lämpötilamittauksia varten muodostettiin siihen soveltuva mittausjärjestely, jonka tarkkuutta tutkittiin referenssimittauksella. Pakotetun konvektion olosuhdetta simuloitiin SolidWorks FlowSimulation -ohjelmistolla ja tuloksia verrattiin lämpötilamittauksista saatuihin tuloksiin.

Työn tulosten perusteella näytekappaleet kohtaavat vaihtelevia lämpötilaeroja olosuhteista riippuen. Pienimmät lämpötilaerot ovat saavutettavissa pakotetun konvektion avulla. Simulaatiomallin avulla havainnollistettiin lämpötilamittauksissa havaittuja ilmiöitä. Esitettyjen tulosten perusteella voidaan esittää toimenpiteitä, joilla lämpötilan tasaisuutta voitaisiin parantaa tekemällä systeemiin muutoksia.

Atomic Layer Deposition (ALD) is unique thin film deposition technology for depositing surfaces with high conformity films with resolution up to one atomic layer. ALD surface reaction is having self-limiting behavior and growth rate is temperature independent in ALD-window circumstances. The function of loading chamber in thin film deposition system is to pre-heat substrates and to enhance removing absorbed impurities such as moisture from samples. Aim of this study is to investigate thermal behavior of substrates when they are deposited in vacuum chamber for preprocessing before they are deposited in reaction chamber.

Thermal behavior of substrates in vacuum chamber was studied under varying circumstances. Vacuum compatible measuring arrangement was designed to measure substrate surface temperatures. Simulation model was constructed in SolidWorks FlowSimulation -program to demonstrate substrate thermal behavior under intensive forced convection. Measurement results are compared to simulation results and evaluated.

Substrates were facing varying temperature gradients under thermal processing in loading chamber. Smallest temperature differences were measured under intensive forced convection. Simulation model results are demonstrating both flow field and thermal behavior of the system. Low axial flow in propeller due to inefficient propeller structure and restricted volumes having lower temperatures are found to be main reasons to temperature gradients. Improvement proposals are made to decrease temperature differences in deposited substrates.