ЭИПТ-3 (Сборник лекций Панфилова)

Московский государственный технический университет

им. Н.Э.Баумана

Ю.В.Панфилов

ЭЛЕКТРОННЫЕ, ИОННЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рекомендовано методической комиссией факультета

«Машиностроительные технологии» МГТУ им.Н.Э.Баумана

в качестве учебного пособия по курсу

«Элионные технологии»

Москва

МГТУ им.Н.Э.Баумана

Факультет

«Машиностроительные технологии»

2003

Часть III. ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Этапы развития и критерии создания нового оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме, вакуумно-плазменного травления, ионной имплантации, быстрой термической обработки.

Типовое вакуумное технологическое оборудование.

Чистые производственные помещения.

Типовые технологические источники для элионной обработки, технологическая оснастка, механизмы и устройства.

1. Выбор структурно-компоновочного варианта

Известно, что машины различного технологического назначения состоят из следующих структурных элементов: механизмов и устройств рабочих РХ ходов (технологическая часть, отражающая виды и способы воздействия на обрабатываемое изделие) и холостых ХХ ходов (конструктивное исполнение, отражающее виды и способы загрузки, выгрузки, закрепления и перемещения изделий, размещения всех элементов машины), а также системы управления СУ. Спецификой вакуумного технологического оборудования, например для нанесения тонких пленок, является наличие вакуумной системы ВС (рис.1).

Р
ис.1 Структурная схема установки для нанесения тонких пленок в вакууме

Выбор структурно-компоновочного варианта оборудования ведется по критерию максимума фактической производительности, обеспечивающей наиболее эффективное сочетание быстродействия и надежности функционирования оборудования, а также выхода годных изделий.

Из теории производительности машин следует, что фактическая производительность определяется произведением цикловой производительности оборудования на ряд коэффициентов [1]:

, (1)

где Q_Ц — цикловая производительность оборудования, равная общему количеству выпускаемой продукции за время (часы, минуты и т.д.) бесперебойной работы, шт/час (м²/мин, кг/сутки); _ф — коэффициент функционирования оборудования, равный отношению времени фактической работы оборудования по выпуску продукции к общему времени его работы, включая времена ремонта, наладки и т. д.; _г — коэффициент выхода годных изделий, равный отношению количества годной продукции к ее общему выпущенному количеству. Значение минимально допустимого коэффициента выхода годных изделий обычно задается исходя из экономической целесообразности.

Как следует из определения, цикловая производительность является величиной, обратной времени цикла работы установки. Время цикла T может быть определено по следующей формуле:

, (2)

где t_р – длительность рабочего хода – времени изменения размеров, структуры и свойств поверхности обрабатываемого изделия (обезгаживания и нагрева подложки, нанесения пленки, стабилизации параметров пленки и т.п.); t_х - длительность не совмещенных с t_р холостых ходов, например, открытия, закрытия и откачки рабочей камеры, загрузки и выгрузки изделий).

Коэффициент функционирования определяется по формуле

,

где Т_Вj — среднее время восстановления j-го элемента оборудования, час; Т_Нj — средняя наработка на отказ j-го элемента оборудования, час; k — общее число элементов в оборудовании, шт. При условии равной надежности всех элементов и типичных для вакуумного технологического оборудования показателей его надежности Т_в=2 – 5 ч. и Т_н=50 – 200 ч. коэффициент функционирования _ф изменяется от 0,97 до 0,3 в зависимости от k (приемлемые для ремонта и обслуживания значения _ф=0,7 – 0,9).

Коэффициент выхода годных изделий является случайной величиной и зависит от нескольких факторов: качества исходных материалов подложки и покрытия, состава смеси рабочего газа и др. Компоновка оборудования влияет на коэффициент выхода годных изделий через поток привносимой дефектности в виде микродисперсных частиц (МДЧ) износа деталей устройств и механизмов, отслоения конденсата тонкопленочных покрытий от стенок вакуумной камеры и внутрикамерной оснастки, аэрозольных частиц в напускаемых газах и т.д.

2. Этапы развития оборудования

Развитие оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме происходит по мере совершенствования тонкопленочной технологии и ужесточения требований к качеству рабочей среды, необходимости в повышении производительности и степени автоматизации. На рис.2 показаны этапы развития оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме, среди которого можно выделить установки периодического действия (а, б, в), полунепрерывного (г) и непрерывного (д) действия, автоматические линии (е). В настоящее время наряду с совершенствованием перечисленных типов установок все более широкое распространение получает оборудование кластерного типа [2] (рис.3).

Установки периодического действия легко адаптируются к изменению технологии, так как принцип их конструирования основан на использовании базовых моделей, включающих в себя рабочую камеру и вакуумную систему, а источники нанесения пленки, приемные устройства для закрепления подложек, устройства нагрева и т.п. комплектуются исходя из требований к конкретному изделию. Так, большинство износостойких и декоративных покрытий на изделиях машиностроения и изделиях широкого потребления наносятся именно на оборудовании данного класса.

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.

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 цикла Т 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 %.

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)

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.