ЭИПТ-3 (Сборник лекций Панфилова), страница 2

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 (Modular Equipment Standards Committee) 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 разными 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!

3. Современное оборудование

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. 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 (Рис.4) 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.

Рабочие камеры нанесения пленок снабжены магнетронными распылительными устройствами (МРУ) мультикатодного типа. МРУ содержит три катода с мишенью диаметром 100 мм. Вакуумная система установки собрана на базе криогенных насосов НВК-3.2А-Р. На установке реализуется технологический процесс нанесения четырехслойных пленок Тi - ТiN - Аl - ТiN в едином вакуумном цикле. Предварительно пластины диаметром 150 мм нагреваются до 573 К в камере очистки. Образование реактивной газовой среды для нанесения пленок ТiN осуществляется в течение 15 с. Неравномерность толщины слоев Тi и ТiN на пластинах составляет ±5%. Время нанесения каждого слоя составляет 15 - 30 с. Уровень привносимой дефектности обрабатываемых изделий составляет 0,15…0,25 шт/см² с размером МДЧ 0,2 мкм и менее, что соответствует лучшим зарубежным достижениям.

На рисунке 5 представлены два изображения кластерной установки PVD Centura.

В настоящее время для массового производства многослойных покрытий на поверхности большого размера, например, архитектурных стекол, наиболее оптимальным с точки зрения качества получаемого покрытия является использование вакуумных автоматических линий.

Т
акие линии состоят из набора стандартных модулей: загрузки, выгрузки, нанесения многослойного покрытия, транспортирования и т. д. Компоновка отдельных модулей в законченную установку производится с учетом требований, предъявляемых к наносимому покрытию и объема производства, как правило, массового. В настоящее время широкое распространение получили архитектурные и автомобильные стекла с теплосберегающими тонкопленочными покрытиями, которые обеспечивают необходимое пропускание видимого света и высокое отражение в инфракрасном диапазоне длин волн. Это достигается нанесением в вакууме многослойных покрытий типа оксид- металл-оксид

Рис.5 Внешний вид кластерной установки PVD Centura

толщиной 100 – 300 нм. Наиболее эффективным методом нанесения оксидных слоев является магнетронный реактивный на переменном токе. Двойная магнетронная система на переменном токе TwinMag используется в составе вакуумной автоматической линии проходного типа фирмы Leybold (ФРГ) (рис.6) для нанесения теплосберегающих покрытий на стекла большого размера.

Рис.6 Вакуумная автоматическая линия нанесения тонкопленочных покрытий на стекла большого размера: 1 – участок загрузки; 2 – система подготовки средств очистки стекла; 3 – модуль очистки; 4 – входной роликовый конвейер; 5 – шлюзовая загрузочная камера; 6 и 8 – модули синхронизации скорости транспортирования изделия; 7 – рабочая камера с магнетронами; 9 - шлюзовая камера выгрузки изделий; 10 – участок контроля характеристик стекла с покрытием; 11 – участок выгрузки готовых изделий

Комплектование установки 25-ю магнетронами позволяет наносить 5-и и 7-и слойные покрытия на стеклах с габаритами 3,2х6,0 м с временем цикла 30 секунд. Особенностью нанесения многослойных покрытий на изделия с большой площадью поверхности является невозможность отделения друг от друга технологических камер для нанесения каждого слоя. Это приводит к необходимости использования сходных по параметрам технологических процессов. Быстродействие такой установки (длительность цикла обработки T) определяется лишь протяженностью изделия L в направлении транспортирования и скоростью транспортирования изделия Vтр

,

т.к. время загрузки и выгрузки изделий, а также откачки и разгерметизации шлюзовых камер полностью совмещено с временем нанесения многослойного покрытия.

Суммарное количество источников нанесения многослойного покрытия N составляет:

где n - количество слоев; h_i - толщина i–го слоя; V_Oi^max – максимально допустимая скорость осаждения i–го слоя. Перечень примеров современного оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме можно продолжать очень долго, т.к. это оборудование приобрело такой же широкий размах и универсальность, как, например, металлорежущие станки. Поэтому, важно выделить общие закономерности его создания и развития, чему и была посвящена данная лекция. Что касается вакуумных систем и систем автоматического управления, то, в силу широкого диапазона параметров – от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума, от ручного до полностью автоматического управления, их развитие и использование в рассматриваемом классе оборудования практически одинаково для вакуумного оборудования любого технологического назначения.

Кроме теплозащитных покрытий на стекле нанесением тонких пленок в вакууме получают отражающие и антиотражающие покрытия на полимерной пленке, например, для теплиц и оранжерей. Схема вакуумной установки для нанесения тонкопленочных покрытий на полимерную пленку, работающей по принципу “roll-to-roll”, показана на рис.7.

Рис.7 Вакуумная установка для нанесения тонких пленок на полимерную пленку

ЛИТЕРАТУРА

1. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении / Панфилов Ю. В., Ковалев Л.К., Блохин В.Г. и др. Под общ. ред. Ю.В.Панфилова. Т.III-8 Энциклопедии «Машиностроение».- М.: Машиностроение, 2000.- 744с.

2. Мальгин С.Н., Панфилов Ю. В. Кластерное оборудование в микроэлектронике // Обзоры по электронной технике. Серия 7 ТОПО, Выпуск 1 (1701).- М.: ЦНИИ «Электроника», 1994.- 120 с.

3. Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Цветков Ю.Б. Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные роботы. - М.: Радио и связь, 1988.- 320 с.