Конспект лекций 2.1 (Лекции от Панфилова), страница 2

Первые промышленные установки [3] нанесения тонких пленок в вакууме (широко известные под аббревиатурой УВН – установки вакуумного напыления) для металлизации гибридных и полупроводниковых интегральных микросхем (ИС) представляют собой установки колпакового типа (рис.2а), созданные на базовой модели УВН-70А-1. Использование нескольких испарителей позволяет последовательно наносить несколько слоев за один вакуумный цикл (цикл откачки и разгерметизации рабочей камеры).

В промышленных модификациях колпаковых установок, например УВН-2М, УВН-62П-1, УВН-75Р-2, УВН-71П-3 использованы резистивные и электронно-лучевые испарители, диодные системы ионного распыления, плоские и сферические карусели с подложками, реализующие как индивидуальный, так и групповой методы обработки (одним источником одновременно обрабатывается несколько изделий). Вакуумная система, обеспечивающая разрежение 10^-4 – 10^-5 Па, построена на базе паромасляного насоса Н-2Т или Н-2Т-3, управление процессом откачки ручное или полуавтоматическое. Производительность таких установок во многом определяется вместимостью подложконосителей (12 – 16 подложек 60 мм). Погрешность толщины пленки составляет (25 – 30)%.

В условиях массового производства ИС и при тенденции увеличения диаметра подложек небольшое количество одновременно загружаемых изделий в колпаковых УВН явилось сдерживающим фактором и причиной появления более производительного оборудования.

Рис.2 Спираль развития оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме: установок периодического действия (а, б); с возвратным (в) и прямоточным (г, д) шлюзованием; вакуумных автоматических линий проходного типа (е)

Использование в качестве подложконосителей барабанов позволяет увеличить число одновременно загружаемых подложек до 70 – 80, уменьшить погрешность толщины осаждаемых пленок до (15 – 20)%, повысить коэффициент использования материала до 0,7 – 0,8 (для карусельных подложконосителей этот коэффициент составляет всего 0,08 – 0,1). Рабочая камера выполнена в виде цилиндра с горизонтальной осью (рис.2б) и имеет торцевые крышки, которые могут откатываться по направляющим вдоль оси цилиндра. Базовой моделью служит установка УВН-70А-2, на основе которой создано несколько технологических модификаций (УВН-71П-4, УВН-75П-1 и др.) путем встраивания более вместительных тигельных испарителей и других источников с большим быстродействием. Для очистки и активации подложек перед нанесением тонкопленочного покрытия к барабану, изолированному от земли, можно приложить ВЧ-напряжение для ионной бомбардировки подложек, что повышает качество наносимой пленки.

Установки периодического действия имеют ограниченную производительность из-за того, что большую часть времени циклаТ занимает откачка рабочей камеры до необходимого давления, т.е. холостой ход. Для устранения этого недостатка стали использоваться установки шлюзового типа, без разгерметизации рабочей камеры при загрузке и выгрузке изделий. На рис.2в показана схема УВН возвратного шлюзования, состоящая из двух идентичных камер – рабочей и шлюзовой. Такое структурно-компоновочное решение оказывается неудачным по причине низкой надежности функционирования, а, следовательно, и низкой фактической производительности оборудования.

Для повышения производительности необходимо стремиться совместить во времени вспомогательные операции (загрузки, разгрузки и откачки шлюзовой камеры, нагрева и очистки подложек и т.д.) с основной операцией – осаждением пленки. Этого можно добиться в установках прямоточного шлюзования (рис.2г), которые можно отнести к типу УВН полунепрерывного действия, когда цикл состоит из стадии осаждения пленки и перемещения изделия из позиции в позицию.

Установка, показанная на рис.2г, марки 01НИ-7-006, состоит из четырех камер, снабженных планетарной системой вращения держателей подложек. На первой позиции происходит шлюзовая загрузка, выгрузка и предварительная плазмо-химическая обработка подложек. Использование нескольких магнетронных источников на трех других позициях позволяет получать многослойные покрытия. Все технологические операции автоматизированы, кроме загрузки и выгрузки подложкодержателей. Производительность установок такого типа составляет 150 – 200 подложек (75 – 100) мм в час при погрешности толщины пленки 5 %.

Основным движущим фактором развития оборудования для производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) является противоречие между тремя составляющими фактической производительности: быстродействием (массовый характер производства), надежностью функционирования (бесперебойность работы и высокая «цена» отказов) и выходом годных (воспроизводимость технологических режимов и минимум привносимой дефектности изделий).

При переходе на подложки диаметром 150 и 200 мм использование группового метода обработки становится причиной большого количества брака из-за разброса параметров тонкопленочного покрытия по диаметру подложки. По этой причине появились УВН нового поколения (рис.2д), реализующие, как и самые первые УВН (рис.2а), индивидуальные метод обработки. Задача создания высокопроизводительного оборудования заставила компоновать УВН по принципу непрерывного действия.

Установка непрерывного действия марки 01НИ-7-015 предназначена для вакуумного нанесения металлов и сплавов с поштучной обработкой и автоматической кассетной загрузкой и выгрузкой подложек. В ней полностью исключено влияние откачной системы на цикловую производительность и для обработки одной кассеты на 25 подложек практически до нуля сведена длительность холостого хода. В установке реализован магнетронный метод нанесения пленок в квазизамкнутых объемах рабочих камер, через которые подложки перемещаются на цепном транспортере.

Генеральным направлением развития вакуумного технологического оборудования для изготовления все более усложняющихся полупроводниковых приборов и интегральных микросхем во всем мире признано объединение вакуумных загрузочных, транспортных и рабочих модулей в многокамерные установки. В рамках этого направления к началу 90-х годов в России были разработаны: вакуумная автоматическая линия «Основа-1» (г.Зеленоград), магистрально-модульный комплекс «Цна» (г.Рязань), сверхвысоковакуумная установка «Катунь» (г.Новосибирск) и др.

В последние годы это направление продолжало стремительно развиваться в США, Японии, Великобритании, Германии, Франции и некоторых других странах, свидетельством чему являются последние достижения в области компьютерной техники и информационных технологий, например, создание интегральных микросхем с информационной емкостью в сотни мегабит и более.

Вакуумная автоматическая линия (рис.2е) ZV-1200 фирмы Leybold-Heraeus (ФРГ) состоит из модулей загрузки и выгрузки, шлюзовых модулей и модуля осаждения пленки. В таких линиях может осуществляться как индивидуальная, так и групповая обработка пластин большого диаметра. Применение нескольких магнетронных источников распыления протяженной формы позволяет быстро и с высокой равномерностью по толщине наносить многослойные и многокомпонентные металлические, диэлектрические, магнитные и другие тонкопленочные покрытия.

Переход к новому уровню параметров полупроводниковых пластин и интегральных схем определяет необходимость создания нового класса автоматических систем машин – модульных многокамерных установок с интеграцией различных технологических операций, разновидностью которых является оборудование кластерного типа. По определению MESC (ModularEquipmentStandardsCommittee) кластерная установка – это «интегрированная с изолированным объемом производственная система, состоящая из технологических модулей, модуля транспортирования и модулей, загрузки и выгрузки полупроводниковых пластин, механически соединенных вместе».

Структурно-компоновочные варианты оборудования кластерного типа бывают с радиальной (рис.3а), линейной (рис.3б) и смешанной (рис.3в) архитектурой [2]. Использование оборудования кластерного типа позволяет реализовать целый ряд преимуществ, основными из которых являются:

• возможность объединения нескольких технологических операций в одной установке;

• возможность наращивания кластеров для проведения законченных технологических микроциклов;

• снижение в несколько раз затрат на чистые производственные помещения, а в случае использования СМИФ-технологии (транспортирования подложек в контейнерах с стандартным механическим интерфейсом) и их полное исключение;

• уменьшение затрат при модернизации оборудования за счет использования имеющихся транспортных модулей;

• гибкость при переходе к новым технологическим процессам за счет изменения состава кластера;

• обеспечение необходимой чистоты проведения операций за счет разделения технологических сред, транспортирования изделий в высоком вакууме, соблюдения требований по уровню привносимой дефектности;

• интегрирование в одном кластере модулей, разработанных различными фирмами.

Рис.3 Структурно-компоновочные варианты оборудования кластерного типа: с радиальной (а), линейной (б) и смешанной (в) архитектурой: 1 – загрузочные модули; 2 – транспортные модули; 3 – технологические модули; 4 – вакуумный затвор; 5 – направление движения изделия.

Диалектика развития технологического оборудования, в том числе и оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме заключается в том, что периоды непрерывного развития технологии (t_р0) чередуются с периодическими, революционными преобразованиями конструкций и компоновок машин (t_х0), при общей закономерности развития, когда производительность (см. формулы (1) и (2))

.

Таким образом, каждая конкретная технологическая машина с реальными рабочими и холостыми ходами имеет свой «потолок» производительности. В перспективном плане производительность технологического оборудования предела не имеет!

Расширение областей применения тонких пленок – микроэлектроника (токопроводящие, резистивные, полупроводниковые, диэлектрические, магнитные, пьезоэлектрические, сверхпроводниковые и другие пленки), оптоэлектроника (отражающие, поглощающие, преобразующие и другие покрытия), машиностроение (упрочняющие, антифрикционные, износостойкие покрытия), архитектура (коррозионно-стойкие, теплосберегающие покрытия), медицина (бактерицидные, биосовместимые пленки), декоративно-прикладное искусство и многие другие – является причиной использования и установок периодического действия, и непрерывного действия, и вакуумных автоматических линий, и установок кластерного типа, в зависимости от потребности заказчика.

В АО НИИТМ (г. Зеленоград, Россия) создана промышленная установка «Электроника ТМ-1203» для нанесения многослойных и многокомпонентных пленок магнетронным распылением с предварительной ионной очисткой поверхности полупроводниковых пластин (рис. 4).

Рис.4. Внешний вид установки «Электроника ТМ-1203»: 1- форвакуумный насос; 2 -шлюзовое загрузочное устройство; 3 - рабочая камера; 4 - транспортная камера; 5 – магнетрон; 6 – основание; 7 - система быстрого термического отжига; 8 - устройство контроля; 9 – клапан; 10 - система управления; 11 - приборная стойка; 12 - высоковакуумный насос.

Установка состоит из двух шлюзовых, одной транспортной и четырех рабочих камер, предназначена для обработки кремниевых пластин диаметром 150 мм. Особенностью установки является линейная кластерная компоновка открытого типа. Однотипные рабочие и шлюзовые камеры (модули) пристыковываются к высоковакуумной транспортной магистрали, что обеспечивает перемещение пластин в рабочие и шлюзовые камеры в любой последовательности, т.е. в установке реализуется гибкий технологический маршрут.

Шлюзовая система загрузки и выгрузки пластин обеспечивает работу установки по принципу «из кассеты в кассету», при этом пластины после обработки выгружаются в ту же кассету. Параллельно с работой одного шлюза осуществляется разгерметизация, выгрузка обработанной кассеты с пластинами, загрузка новой партии (кассеты) пластин и высоковакуумная откачка другого шлюза, что значительно повышает цикловую производительность установки.

Для уменьшения привносимой дефектности изделий загрузка, транспортирование, обработка в рабочих камерах и выгрузка пластин осуществляется в вертикальном положении, а шлюзовые камеры кроме наличия фильтров для улавливания мелкодисперсных частиц (МДЧ), снабжены средством «мягкой» откачки через клапан малой проводимости и регуляторами расхода газа для контролируемого напуска потока азота перед разгерметизацией шлюзов.

Транспортная камера имеет протяженную форму и снабжена кареткой, осуществляющей возвратно-поступательное движение по двум направляющим с плавным уменьшением скорости и остановкой напротив рабочих и шлюзовых камер. На каретке расположен пьедестал с двумя ячейками, что позволяет сначала выгрузить обработанную подложку в свободную ячейку, а затем из второй ячейки загрузить в рабочую камеру новую подложку. Для исключения попадания МДЧ на поверхность пластин каретка и опоры ее качения расположены на дне транспортной камеры и закрыты экранами.

Между рабочими и транспортной камерами расположены щелевые вакуумные затворы, которые полностью герметизируют рабочие камеры, что позволяет проводить технологические процессы нанесения пленок с активными газами (N₂, 0₂ и др.), а также вскрывать камеры для их профилактики или ремонта без нарушения рабочего вакуума в других камерах.