Книга: Элионная обработка

Распознанный текст из изображения:

Ионизируемый

газ

Осаждаемый

материал

Молибден

вол ьфра м

Титан

1,3'10

Аргон 9 б 10 5 — 30 20

310 ~а

Азот 1,6 10

9,6 10 1~

Аргон 1,28 10

Аргон и 8 10

кислород

Аргон 9,6 10 ~~

1,6 10 1~

б'10

(2+5) '10"

(2+5) 10

1 10-'

4'10

Тантал

Питрид кремния

1~итрид алюминия

Оксид алюминия

Диоксид кремния

2,5 1

3-4

2,5 3

80-230

200

200

100

100

5 1133-1193 2 10

15 743-313 2 10 +8'10

31

Кремний Арссиид галлия

9.Какие реакторы используют в установках плазмохимической:,',

обработки и каковы их достоинства и недостатки?

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ИОННОЕ НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК

5 В. ИОННО-ЛУЧЕВОЕ И ИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЕ

нднесение планок

При взаимодействии пучка ионов с обрабатываемой поверхностью:::: происходит ионное травление, распыление и имплантация, в результате:,"- которых изменяются свойства материала и и нем появляются дефекты, ";

Схемы двухлучевого ионного (а) и реактив ного (6) распыления:

1 — подложки, 2, 7 — ионные источники дня распыления и облучения, 3 — злектронная пушка, 4 — мишень, 5 — нейтральный или реактивный пучок ионов, б — пленка

т десорбция и сорбция ионов, При атом иеупругие соудареиия уют образованито вторичных злектроиов и квантов~ а Упругие

спыленных частиц материала.

Ионно-лучевое нанесение пленок одного материала, а также и инде двойных или тройных соединений возможно при использовании мишеней из простых веществ. Так, для нанесения пленки сапфира применяют мишень из оксида алюминия или пропускают кислород над мишенью из алюминия, одновременно обрабатывая ее ионами аргона. Параметры ионно-лучевого осаждения пленок различных материалов в плазме аргона или азота приведены в табл. 1.

Схема двухлучевого ионного одновременного распыления двух материалов показана на рис. 11, и. Мишень 4 состоит из двух пластин — серебряной и кварцевой. Со стороны кварцевой пластины установлена электронная пушка 3, служащая для синтия электрического заряда и компенсации пространственного заряда пучка ионов. Изменяя положение мишени относительно двухлучевого ионного пучка 5 аргона, регулируя его ток о г 80 до 100 мА и компенсацию заряда, на подложки 1 наносят пленки кермета — смеси серебра с диоксидэм кремния различно го процентного состава.

Т и б л и ц а 1. Ионне лучевое осажяайие пленок различных

материалов

Энергия Ско- Темпера- Давление в раионного рость тура под- бочей камере, пучка осаж- ложки Па Дж денни 'С

мкм~мин

Распознанный текст из изображения:

Удельное сопротивление пленок кермета, равное от 10 ~"::, до 10 Ом м, зависит от их структуры и теплового коэффищг-".';., ента сопротивления (ТКС). Кроме того, установлено, чта:; частицы серебра в пленке кермета, имеющие размеры 10 ~ нм,~ представляют собой распределенные не произвольно, а упоря; доченно кристаллы.

В производстве изделий микроэлектроники ионно-лучевой; обработкой преимущественно наносят пленки иитридов и карби"' дов некоторых веществ.

Так, реактивным двухлучевым ионным распылением(рис. 11, б) наносят пленки нитридов кремния и алюминия:. из двух источников 2 и 7 с использованием как инертных„так.;" и химически активных газов. При этом на подложке 1 пересе-', каются два пучка, состоящие из нейтральных частиц распыляе-:; мой мишени и обладающих большой энергией ионов инертного:;; или химически активного газов. Пленки, нанесенные двумя ионными пучками 5, обладают хорошими физическими свойствами и почти идеальным стехиометрическим составом. Зе нис-':,: то т

с ь таких пленок значительно меньше зернистости термически: осажденных.

Двухлучевым ионным распылением наносят со скоростью.

005 мк м/с также пленки, состоящие из алмазоподобных крис-: таллов.

Ионю-лучевое осаждение малопроизводительно, но применяется для нанесения на подложки переходного слоя, который стимулирует осаждение последующих слоев, существенно увели-:: чивая скорость их роста.

Иоиио-термическое, или тармоиоиное, нанесение пленок основано на термическом испарении материала и его ионном ': осаждении. Наибольшее распространение получили три способа, термононного осаждения: реэистивное и электронно-лучевое испарение вещества с ионизацией его паров плазмой рабочего ' газа; резистивное и электронно-лучевое испарение вещества ';". с ионизацией его паров с помощью ВЧ-индуктора (без участия ': рабочего газа); ВЧ термическое испарение веществ с ВЧ-иониза-:: цией его паров. При любом из этих способов ионы испаряемого вещества, перемещаясь под действием электрического поля, ';- прикладываемого между тиглем (испарителем) и подложкой,: осаждаются на ней. Потенциал подложки в зависимости от ее '- температуры, а также требуемой кристаллической структуры и адгезии пленок может изменяться от О до 10" В.

На рис. 12, а — г показаны четыре установки ионно-термического осаждения, две из которых являются однокамерными, а две — двухкамерными.

Однокамерная установка (рис,12,а) имеет

32

а)

~к вн й) Рнс. 12. Установки нонно-термнческого осаждения: а, б — однокамерные, в, г — двухкамерньы; 1, 4 — верхний н нижний фланцьь 2 — подложка, 3 — нспарнтель, 5 — электронный пучок, 6 — тигель, 7 — электронно-лучевая пушка, 8 — ВЧ-нндуктор верхний 1 и нижний 4 фланцы, к которым соответственно крепятся подложка 2 и резистивиый испаритель 3. При подаче питания между ними образуется поток испаряемого вещества. Поступающий в камеру аргон ионизируется электрическим полем, возникающим между подложкой и испарителем. Ионы аргоиа, в свою очередь, ионизируют пары вещества, которые под действием этого же электрического поля осажддются на подложке 2.

В одно камерной установке (рис.12,6) испарение и ионизация рабочего вещества в высоком вакууме ~роисходят в результате ВЧ-нагрева тигля б индуктором 8. Пленки сложного состава наносят на этой же установке реактивным осаждением, для чего в рабочую камеру подают химически активный газ. Под действием электрического поля, обРазующегося между индуктором и подложкодержателем, иониэированное вещество осаждается на подложки. 2 648 33

Распознанный текст из изображения:

Двухкамерная установка (рис.12,в) имеет . электронно-лучевую пушку 7, расположенную в нижней камере,:.: и тигель 6. Создаваемый испарителем электронный пучок 5::::: проходит через диафрагму в верхнюю камеру и испаряет вещест-:,'::: во, находящееся в тигле. Ионизация паров вещества и осаждение -:::; пленки происходят так же, как в установке, показанной на „':.:. рис. 12, а. Давление в нижней камере должно быть менее 10 з Па, а в верхней — 10 '-10 ~ Па,

Двухкамерная установка, показанная на рис. 12, г, в кото- '.. рой ионизация испаряемого вещества происходит в результате:::., его нагрева ВЧ-индуктором 8, работает так же, как установка,;--' показанная на рис. 12, в.

Особенностью термоионного осаждения является бомбардировка:,'.:; поверхности подложек и растущей пленки потоком ускоренных ионов, ':.': что способствует десорбции тазовых примесей, ускорению поверхностной:::.; и объемной диффузии. В результате модифицируются процессы зароды-. „,:.,' шеобрззовання„нроисходнт коалесценция (срастание) зародышей и рост, ', сплошных пленок. Все зто позволяет наносить пленки, облздыошие вы-:".' сокой адгезией, механической прочиостьв, коррозионной стойкостью и:,' жзронрочностьв.

Недостаток термоионного осаждения — отсутствие возмож- ',->

ности непосредственного (в процессе роста) контроля толщины,':::-'

наносимых пленок.

Термоионным осаждением наносят металлические пленки,;:

используемые для создания контактных площадок, межсоедн- -:

нений, пассивных элементов, а также диэлектрические пленки, .:

предназначенные в качестве маскирующих и защитных слоев.

Такие пленки обладают высокой адгезией, большой чистотой и

коррозионной стойкостью.

а 9. нАнесение пленОХ иОнным РАспылением

Ионное распыление (плазмононное, или ионно-плазменное, а также из автономных ионных источников) позволяет наносить на подножки большой площади пленки всех материалов (тугоплавких, многокомпонентных сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектриков), используемых в микроэлектронике, с хорошей адгеэней, сохранением стехиометрического состава и равномерной толщины, Принцип ионного распыления состоит в бомбардировке мишени ионами инертного газа, в ре зультате чего частицы осаждаемого материала конденсируются на поверхности подложек.

Ионное распыление подразделяют на реактивное и высокочастотное, а также плазменное анодирование.

34

Реактивным распылением наносят пленки тугоплавких металлов (тантала, титана, циркония, ниобия), а также германия, кремния, алюминия, никеля, серебра, золота и др. При этом положительные ионы газа разрушают служащую катодом мишень из напыпяемого материала.

1

Реактивное распыление проводят при давлении газа 10— — 1 Па. Для ионизации газа между анодом и катодом прикладывают достаточно высокое напряжение (несколько киловольт). В результате в рабочей камере возникает так называемый тлеющий разряд. Ионы остаточного газа бомбардируют катод, частицы которого распыляются и переносятся на предварительно нагретые подложки. Качество пленки зависит от расстояния между катодом и анодом, межэлектродного напряжения и давления газа под колпаком.

Реактивное распыление вьпюлняют на установках с диодными системами, работающими на постоянном токе или напряжении ВЧ (либо при их сочетании) и созданицими плазму из смеси аргона с кислородом.

Высокочастотным распылением можно кроме пленок тугоплавких металлов и полупроводников наносить также пленки органических соединений. Этот метод характеризуется большей, чем при реактивном распылении, площадью мишеней и равномерностью ионной бомбардировки. Для обеспечения максимальной производительности необходимо согласование полного сопротивления -импеданса ВЧ-генератора — с импедансо м распылительной камеры.

Плазменное анодирование по существу представляет собой реактивное катодное распыление в кислородной среде. Распыляя тантал бомбардировкой ионами кислорода, получают пленки оксида тантала. Так же можно наносить пленки оксидов других металлов.

Для нанесения пленок этим методом применяют несколько типов установок, например плазмоионные и с автономными ионными источниками (без фокусироки и с фокусировкой ионных пучков, бомбардирующих мишень). Плазмоионные установки могут быть диодного, триодного и тетродного типов и работают в диапазоне давлений от 10' до 5 10"з Па, а также высокочастотные. Каждая распылительная система обладает определенными достоинствами и недостатками.

Установка ионного распыления диодн о го типа (рис. 13,а) наиболее проста по устройству и состоит из анода 3 и катода 1, смонтированных в рабочей камере

Каждый электрод выполняет две функции. 'Катод является источником электронов, поддерживающих горение тлеющего разряда, и одновременно — мишенью, распыляемой бомбарди-

35

Распознанный текст из изображения:

Рис. 13. Установки ионного распыления диодного (а), триодного (б) и тетродного (в) типов;

1 — катод, 2 — подложки, 3 — анод, 4 — рабочая камера, 5, б— источники питания и подачи обратного напряжения, 7,10 — дополнительные электроды, 8 — термокатод, 9 — мишень

ровкой положительными ионами. Анод также поддерживает::: горение тлеющего разряда и одновременно служит держателем::,:: подножек 2, на которые осаждается пленка распыпяемого ма-:,- териала катода.

Кроме простоты к достоинствам этой установки можно::, отнести ее высокую надежность, возможность использования." для реактивного распыления, низкую стоимость и равномер-,; ность толщины наносимых пленок. Недостатками установки являются сравнительно малая скорость распыления (20 — 30::-:. нм/мин) обусловленная значительным давлением инертного газа,.:' в рабочей камере, трудность очистки подложек в начале процес-::: са и вероятность нарушения структуры пленки при ее бомбар---':; дировке заряженными частицами. Однако такие установки при-: меняют довольно широко, в том числе и в линиях непрерыв-:; ного действия дпя изготовления тонкопленочных резисторов. -'."

Установка ионного распыления триод-- но го ти па (рис. 13,б) отличается от рассмотренной тем, что имеет термоэлектродный катод — третий электрод 7, являю-:, щийся источником электронов, что способствует ионизация аргона при сравнительно низком (10 ' Па) давлении, Распыляе-:-:, мьй материал (мишень 9) в триодной системе располагают иа:::= электроде 7, подложки 2 — на карусели или барабане напротив. ':

На таких установках можно очищать поверхности мишени: и подложки подачей на них неф~льшого отрицательного напря-;:,' жения. При подаче отрицательного напряжения в несколько сот ",: вольт начинается интенсивная бомбардировка мишени поло- ". жительными ионами, в результате чего выбитые из неа атомы.-::, движутся в перпендикулярном направлении к подложкам:. и осаждаются на них. Скорость осаждения в триодиой система может регулироваться в широком диапазоне (от 0,1 до '- 100 нм/мин) при изменении режимов распыления (напряжения ' накала термокатода, потенциала мишени и давления инертного'::, газа),

36

В установках ионного распыления татр о д и о го ти и а (рис. 13 6), четвертый электрод 1О распо ложенный над термокатодом 8, служит дпя создания условий, обеспечивающих ионизацию инертного газа при давлении (2 —: 4) 10 з Па, т.а. меньшем, чам в установках с триодюй системой,

Триодиая и тетродная системы распыления могут использоваться дпя осаждения пленок многокомпонентного состава, так как позволяют одновременно или последовательно рас. пылять с различной скоростью несколько мишаней из разных металлов и сплавов.

У с т а н о в к и в ы с о к о ч а с т о т н о г о распыления (рис. 14, а), исаользуемыа преимущественно для нанесения диэлектрических пленок „отличаются простотой, обеспечивают высо~у~ равномерность планок по ~олщине и возможность осаждения диэлектрических пленок в инертной среде, а металлических и полупроводниковых — реактивным раапылением. В рабочей камере 2 расположаиы подложки 5 на держателе и две мишени 3, получающие питание от ВЧ-источника мощности 1. Снаружи рабочей камеры размещен электромагнит 4.

В такой рабочей камера при питании от генератора с двухтактным незаземлеиным выходом разряд локализуется в непосредственной близости от электродов, иа которых закреплены мишени. Напряжение ВЧ служит для нейтрализации положительного заряда, который накапливается на мишани (диэлектрике) при еа бомбардировке положительными ионами плазмы. Это способствует интансивюму распылению мишани. Скорость распыления колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен нм/мин и зависит от материала мишени, частоты ВЧ-мощности, подаваемой на электроды мишани, и напряжанюсти внешнего магнитюго поля.

Установка распыления с автономным и сто ч ни к о и ионов (рис. 14„6) имеет рабочую 2и ионизационную 11 камеры, соединенные между собой небольшим отверстием в диафрагма 1О. Внутри рабочей камеры находятся держатель с подложками 8 и основной кольцевой анод 7, в цент- рис. 14. установки высокочастотного (а) и с автономным источником ионного тока (6) распыления 1 — источник ВЧ-мощности, 2, 11— $ абочая и иониааннонная камеры,

мишень, 4 — алсктромагнит,

8 — подложки, б — термоалектронный катод, 7, 9 — основной

вспомогательный аноды, 1д диафрагма, 12, 13 - источники питания анода и подогрева мишени

Распознанный текст из изображения:

ре которого расположена мишень 3. Снаружи этой камеры, размещен электромагнит 4. В ионизационной камере смонти-::" рованы термокатод 6 и вспомогательный анод 9.

При напускании в ионизационную камеру инертного газа '-: его давление повышается примерно в 20 раз. Между термокато-::.' дом б и вспомогательным анодом 9 возникает поток электро-:,,:.: нов, который ионизнрует инертный газ в камере. Образовав-;",:. шаяся плазма вытягивается через отверстие диафрагмы И."': основным анодом 7 в рабочую камеру, концентрируясь полем, ':- создаваемым электромагнитом 4. При бомбардировке мишени 3 ': полО жи тел ьными ионами частицы распыл яемО го материала осаждаются на подложках 8, расположенных в верхней части ! рабочей камеры. Подложкодержатель охлаждается проточной „-: водой и защищает обратную сторону подложек от осаждении ' распыляемого материала специальным металлическим экраном, .:,, находящимся под потенциалом анода. ~ 1О. НДНЕСЕНИЕ ПЛбНОК МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛаНИаМ Магнетронное распыление по сравнению с другими мето- ':,"' дами нанесения пленок обладает рядом достоинств, основными:.':.' из которых являются: высокая скорость роста пленок, их хо- ",:,, рошая адгезия и незначительное загрязнение посторонними::: газовыми включениями; низкая температура нагрева подложек; возможность распыления как проводников, так и диэлект-: риков и получения сверхтонких (менее 20 нм) пленок с малыми радиационными дефектами; безынерциоиность процесса.

Магнетронное распыление применяют при изготовлении:, жидких кристаллов (сверхтонких прозрачных пленок), пре-::.' цизионных фотошаблонов (тонких пл~нок хрома) и микро-:! схем (пленок из алюминия, его сплавов и тугоплавких метал-::: лов) .

Магнетронная распылительная система — магратрон (рис. 15): состоит из постоянного магнита 1, на котором расположены:::: плоская мишень-катод 2, а над ней по периметру анод 3. Мон-':: тируется эта система под колпаком вакуумной распылительной::: установки, рабочим газом в которой после откачки служит ар-::' рис. 15. Магнетронн»я распылитель..;,:. ная систем» с плоской мишенью: .'. 1 — постоянный магнит, 2 — мишень.к»тод, 3 — анод, 4 — тр»ек- ' тория движения электронов, 5 —- зона распыления, 6 — силовые линии магнитного поля, 7 — источ- ':,:: ник питания 38

гон. При подаче питания от источника постоянного тока над мишенью-катодом создаются неоднородное электрическое поле и аномальный тлеющий разряд, под действием которых происходят образование плазмы и ионная бомбардировка мишени- катода.

Замкнутое магнитное поле магнетронной распылительной системы локализует плазму непосредственно у поверхности распыляемой мишени. Под действием ионной бомбардировки эмиттироваииые катодом-мишенью электроны захватываются н удерживаются магнитным полем, совершая сложное циклическое движение у поверхности мишени до тех пор, пока не произойдет их столкновение с атомами аргона. В результате столкновения электроны теряют большую часть энергии на ионизацию рабочего газа (прежде чем они попадут на анод), что увеличивает концентрацию положительных ионов у поверхности мишени-катода, усиливает ее ионную бомбардировку, скорость распыления материала и осаждения пленки,

Таким образом, для м»гнетронпых р»снылнтельлых уст»попок характерно пересечение электрического и магнитного нолей, н»личпе м»гнитной ловушки у рэсныляемой поверхности мишени (увеличив»ю* щей скорость р»слыления) и отсутствие бомб»рднроикн подложки высокоэнергетическими вторичными электрон»ми, которые захватываются м»гнитной ловушкой (это обеспечивает неэн»чителъный нагрев подложки).

Средняя скорость осаждения, например молибдена и золота, соответственно составляет 12 и 37 нм/с на установке с плоской дисковой мишенью диаметром 150 мм при мощности источника питания 4 кВт и расположении подложки на расстоянии 60 мм от него. При этом температура нагрева подложки соизмерима с температурой термического испарения в вакууме легкоплавких металлов и значительно ниже, чем при испарении тугоплавких, Это позволяет использовать магнетронные установки для нанесения пленок на такие материалы, как бумага, оргстекло, пластики, обладающие низкой термостонкостью

Стабильность и воспроизводимость наносимых на подложки пленок зависят от оптимальных параметров магнетронной Распылительной системы, основными из которых являются: напряжение питания электродов„" ток разряда; плотность тока мишени; удельная мощность; индукции магнитного поля; Рабочее давление.

Напряжение питания, подаваемое на электроды, обычно не превышает 1000 3. На мишень, как правило, подают отрицательный потенциал, а на анод — нулевой или положительный в зависимости от конструкции системы. Ток разряда, зависящий от

39

Распознанный текст из изображения:

мощности источника питания, а также других параметров, подбирают экспериментально. Плотность тока на мишани колеблется от 40 до 200 мА1ем~ и в центральной части зоны распыления может превышать эти значения. Удельная мощность лежит в интервале от 40 до 100 Вт~см~ и определяется условиями охлаждения и теплопроводностью распыляемого материала.

Важнейшим параметром магнетронных распыпительных установок является вольт-ампе рная характеристика разряда, зависящая от рабочего давления газа и индукции магнитюго поля. С уменьшением давления в системе и индукции магнитного поля вольт-амперные характеристики разряда сдвигаютея в об-::: ласть больших рабочих напряжений.

Скорость осаждения пленки почти линейно зависит от приложенюй мощности и увеличивается с ее возрастанием. Мощность разряда при постоянной мощности источника питания также зависит от рабочего давления и индукции магнитного поля. Так, с ростом индукции магнитного поля до 0,08-0,1 Тл при низком рабочем давлении (оно обычно лежит в диапазоне от 10 ~ до 1 Па) мощность разряда достигает максимума. При высоком рабочем давлении максимум мощности получают при индукции магнитного поля 0,04 — 0,06 Тл.

В процессе осаждения пленок обычно управляют каким-либо одним параметром, оставляя остальные на оптимальном уровне (регулируют толщину пленок, изменяют время осаж денни) .

В установках магнетронного распыления, например, применяют коаксиальные и планетарные распылительные системы (рис. 16, а, 6).

В коаксиаяьной магнетронной системе (рис.16,и) катод-мишень 3 представляет собой цилиндрический стержень из распыляемого материала, вокруг которото расположены подпожкодержатели 1 с подложками. Между подложкодержателями и катодом-мишенью находятся аноды 3 с экранами 4. Магнитная система 5 смонтирована снаружи кол- ' пака 6.

Рнс. 16. Еоякаиальная (а1 н щщнетар. ная ф) магнетоонные распылнтельные 1 — Нодложкодераатель, 3 — анод, ~ катод-мншень, 4 зк$Фн, 5 — магнит ная снстема, 6

Достоинствами установки с коаксиальной магнетронной раслылительной системой являются высокая производительность (одновременно можно обрабатывать больцюе количество подложек) и небольшая интенсивность бомбардировки подложек вторичными электронами (аксиальное магнитное поле, заземленные экраны по торцам цилиндрического катода и сетчатый цилиндрический анод). Максимальная температура подложек не превышает 50 'С. Недостаток этой установки — незначительная скорость осаждения распыляемого материала на подложках, так как часть его оседает на сетчатом аюде.

Планетарная магнетронная распылил и тел ьна я система (рис. 16,6) является более соверщенной и позволяет осаждать материал на подложки с больпюй скоростью (примерно такой же, как при вакуумном термическом напылении) вследствие увеличения плотности тока. Недостатком ее является болыпой расход распыляемого материала, так как используется только узкая кольцеобразиая область мишени, составляющая всего 26% ее площади.

Применяются также другие магнетронные распылительные системы, например с цилиндрическим полым, коническим или полусферическим вогнутым катодом, каждая из которых обладает определенными достоинствами и недостатками.

Р М. ОВО1 УДОВАНИЕ ДЛЯ НАНаСИНИН ПЛИНОК

мдгнит1 0нным мспыпанием

Дпя нанесения тонких пленок применяют установки магнетронного распыления с неподвижными и подвижными магнитами, в которых использование распыляемого материала составляет соответственно 40 и 75 %. Обе установки управляются микропроцессорами, контролирующими ход осаждения материала и корректирующими его при отклонении от заданного режима. Основная информапця о работе установок отображается на дисплее.

Заслуживают внимания вакуумные устаювки магнетронного распыления полунепрерывного и непрерывного действия, предназначенные дпя нанесения алюминиевых пленок на кремниевые подложки диаметром 76 и 100 мм.

Установка полунепрерывного действия имеет планетарный подпожкодержатель, который вращается относительно двух осей, что создает одинаковые условия дпя ~анесения пленок на все подпожки и обеспечивает получение воспроизводимых результатов. Цикл обработки подложек состоит из четырех стадий: шлюзования; плазмохимической очист.

нагрева; магнетрон ного нанесения пленок. Управляет

41

Распознанный текст из изображения:

Рис. 17. Схема вакуумной напылительной установки с непрерывным

циклом работы:

Х, 7 — входной и выходной отсаки, 2 — диффузионно.щелевое уплот-

нение, 3 — вентили напускв твзв, 4 — катоды, 5 — анод, 6 — держатели

подложек, 8, 9, 10 — вакуумные зоны с соответствующим давле-

нием; Х вЂ” ХХ вЂ” камеры

работой установки микропроцессор. Результаты обработки отображаются иа дисплее.

Установка непрерывного действия, показанная на рис. 17, имеет одиннадцать камер 1-Х1, а также входной 1 и вырюдной 7 отсеки. Подложки подаются в держателях 6 в камеры 1 — 1У, где предварительно нагреваются кварцевыми лампами. Рабочими являются камеры К и И1, в которых поочередю напыляются металлические пленки на нижнюю и верхнюю стороны подюжек. В буферной камере 17 подложки также нагреваются кварцевыми лампами. Камеры ПХХ вЂ” Х1 сслужат . Для постепеннОГО Охлаждения подложек, Вентили 3 предназначены для дозированной подачи смеси аргона с азотом в рабочие камеры. Перемещаются держатели с подложками специальным толкателем с приводом.

Установка имеет три вакуумные зоны: входную 1О, рабочую 9 и выходную 8, в которых соответственно поддерживается давление 10 з +5 10 4 и 10 ' +1 Па. В установкеиспользована распылительная система диодного типа, анодом 5 которой служат металлический корпус рабочих вакуумных камер, имеющих диффузионно-щелевые уплотнения 2, и держатели с подложками, Катоды 4 введены в рабочие камеры сверху и снизу.

На смену рассмотренным вакуумным напылительным Установкам приходит вакуумное оборудование нового поко-

Установка непрерывного действия '*Маг-

42

рис 18. Вакуумная установка непрерывного действия Магна-2М для нанесени я однослойных и многослойных тонких пленок мягнетронным распылением:

1, 16 — шлюзовые камеры, 2 — кассета, 3 — песенки подачи подложек, 4 — затвор шлюзовой камеры, 5 — датчик подачи подложек на конвейер, 6 — рабочая камера, 7, 15 — конвейер и его привод, устро ство и

й о ионной очистки подложек, 9 — уплотняющая диафрагма, 10 — нагреватель подложек, 11, 13 — датчик давления и вибрационный нвтакатель вргона, 12 — мвгратроны, 14 — стол охлаждения подложек, 17 — щелевыа каналы

на-2М" (рис, 18) предназначена для нанесения тонких однон многослойных пленок из алюминия и его сплавов на кремниевые подложки диаметром 76, 100 и 125 мм магнетронным распылением, Установка состоит из двух 1 и 16 шлюзовых и одной 6 рабочей камер, системы транспортных устройств

перемещения полупроводниковых подложек между кассетами 2, трех магнетронных распылительных устроиств (м ратронов) 12 и микропроцессорной системы управления с дисплеем.

Шлюзовые камеры 1 и 16, предназначенные дпя загрузки и выгрузки кассет 2 с полупроводниковыми подложками, вначале откачиваются агрегатом АВР-50 с азотной ловушкой в течение определенного времени, а затем в них дпя очистки напускается аргон. Работа камер так взаимосвязана, что при разгерметизации шлюзовой камеры давление аргона в рабочей почти не изменяется.

Рабочая камера 6 имеет три зоны: предварительной ионной очистки подложек, их нагрева кварцевой лампой и нанесения пленок, Зоны сообщаются через щелевые каналы, йо в них поддерживается разное давление. Вакуумная система рабочей камеры представляет собой агрегат, состоящий из паромаспяного диффузионном насоса Н-5К, азотной ловушки и механического насоса ВНМ-18Г.

К системе транспортных устройств относятся конвейер 7 н резиновые пассики 3, подающие подложки из кассет на конвейер.и с конвейера в кассеты..

43

Распознанный текст из изображения:

При работе установки по мере разгрузки и загрузки кассеты 2 с подложками перемещаются конвейером 7 вертикально. Конвейер 7 выполнен в виде двух замкнутых проволочных цепочек, приводимых в движение одним приводом 15. На цепочках имеются щтыри, фиксирующие положение подложек при обработке. При изменении своего положения штыри воздействуют на датчик, который подает сигнал на очередную загрузку подложек на конвейер.

На верхней сьемной крышке рабочей камеры размещены планетарные магнетроны с подъемными магнитами, датчик давления и натекатель аргона. В каждом водоохпаждаемом катоде магнетроиа закреплена милль, имеющая значительную массу, что способствует ее длительной работе без замены. Магиетроны получают питание от индивидуальных источников с отрицательной обратной св~~~ю по току разряда и ус~ройством эффективною гашения разрядов.

Управляет работой установки микропроцессор, который позволяет задавать девять перепрограммируемых технологических режимов, стабилизирует и контролирует их, вьпюлняет необходимые блокировки, считает обрабатываемые подложки и выдает информацию о состоянии технологических параметров, а также устройств и механизмов установки на дисплей.

Установ ка 01НИ-7-006, показанная на рис.19, предназначена для нанесения пленок алюминия, легированного кремнием, на кремниевые подложки диаметром 76 и 100 мм матнетронным распылением в автоматическом режиме. Установка имеет планетарную систему вращения подложек, а также устройство для их предварительного ионно-химического травления, Обработка подложек производится последовательно на четырех позициях в едином вакуумном цикле.

На первой позиции загружают и выгружают подложки и выполняют их ионно-химическую очистку в среде технологического (травящего) газа при давлении 66,5 Па. Вторая позиция. служит для- нагрева подложек до заданной температуры,. и третья и четвертая — на рабочие позиции, где магнетронными распылителями на нагретые вращающиеся подложки в атмосфере аргона при давлении (1,33 + 2,66) 10 ' Па в два слоя последовательно напыляюг пленки алюминия. Производительность установки до 90 шт1ч при обработке подложек диаметрам 100 мм.

Рассмотрим технологическую последовательность работы установки.

При включении установки рабочая камера 11 откачивается до давления не выше 1,33 ° 10 Па вакуумной системой с азотной ловушкой 15, В шлюзовую камеру Ж- первой позиции ус-

44

Рис. 19. установка нанесения тонких пленок магнетронным распылением: 1 — механический вакуумный насос, 2 — подложкодержатель, 3 — магратрон, 4 — зажимный механизм, 5 — привод карусели, б — карусель, 7— клапан, 8 — затвор, 9 — электрод очистки, 1О, 11 — шлюзовая н рабочая камеры, 12 — крышка, 13 — патрубок, 14 — высоковакуумный затвор, 15 — ловушка, 1б — паромасляный насос, 17 — вибронатекатель, 18— преобразователь давления, 19 — подъемник, 2д — кронштейн, 21 — привод подложкодержателя, 22 — нагреватель, 23 — преобразователь вакуум- метра, 24 — обводная магистраль, 25 — натекатель

танавливают подножки„напускают травящий газ давлением 66,5 Па и после кратковременной очистки подложек подают от ВЧ-генератора напряжение высокой частоты. При этом в камере возникает разряд и образуется плазма, очищающая поверхность подножек от загрязнений. При мощности не менее 0,5 Вт с подложек за 120 — 180 с стравливается слой до 2Х х10з нм. Одновременно с началом травления включается отсчет времени,

По истечении времени травления отключаются ВЧ-геиератор и подача травящего газа в пвтюзовую камеру 10. Эту камеру продувают азотом и вновь последовательно откачивают фор-

Я

Распознанный текст из изображения:

вакуумным насосом 1 до давления не выше 1,33 Па, а через обводную магистраль 24 — до давления, близкого к давлению в рабочей камере 11. Затем опускаются вниз затворы 8 и шлюзовая камера 10, распылители аргона сообщаются с рабочей камерой, механизм перемещения 5 поворачивает карусель на оче- ".,,"., редную позицию, затворы поднимаются вверх и операции на каждой позиции повторяются.

После откачки рабочей камеры до заданного давления в шлюзовую камеру второй позиции подается охлаждающая вода и включается нагреватель 22. Подложки сначала нагревают большим током до заданной температуры, которая затем поддерживается нагревом их меньшим током. Питание нагревателя переключается автоматически.

Для получения стабильных и воспроизводимых результатов при нанесении металлических пленок высокого качества 1сплопвтость, равномерность по толщине, хорошая адгсэия)операции иа всех позициях вы- .:; полняются на подложках, планетарно вращаемых против часовой стрелки относительно источника распыления материала — катода магратрона 3. В технологическом цикле нанесения тонких пленок применяют только хнмнческп чистый н осупюнный аргон.

На третьей и четвертой позициях (рабочих) процесс напьвтения начинается только при наличии воды в охлаждающей системе магнетронных распылителей и заданном давлении в рабочей камере. При этих условиях подаются напряжение питания и аргон в оба распылителя, возникает ВЧ-разряд, под действием которого газ ионизируется, и начинается распыление материала и осаждение его на вращающиеся подложки. Так как каждый распылитель аргона отделен от рабочей камеры зажимным механизмом 4 со щелями в местах уплотнения то на позициях магнетро нного распьвтения давления аргона увеличивается до 2,66 10 ' — 1,33 Па, при котором и начинается распыление.

Скорость осаждения алюминия на подложки зависит от мощности магнетронных распылителей, а при стабилизированном напряжении питания — от подаваемого на магратроны тока, который взаимосвязан с давлением аргона в них. Наибольшую скорость распыления получают при давлении аргона (6,65 + + 2,66) * 10 ' Па, токе 7,5 — 12 А и напряжении 370-460 В на л магратроне. В блоке стабилизации тока разряда ток магратрона при заданном напряжении автоматически поддерживается в зависимости от изменения давления аргона нв рабочей позиции. Аргон подается в магратрон и рабочую камеру с помощью вибронатекателя 17, а излишки его откачиваются вакуумной системой через щели в уплотнении между ними.

Толщина нанесенной пленки зависит от времени напыления 4б

данной мощности магратроиа. При работе установки отсчет времени напыления начинается только после подачи тока на магнетронный распылитель, в котором возможно возникновение пробоев между анодом и катодом. Поэтому при токе выше допустимого предусмотрено отключение на 2 — 3 с подачи аргона в магратрон. После устранения пробоя вновь включается подача аргона и напряжение питания магратрона плавно увеличивается до заданного значения. На позиции загрузки — выгрузки (перегрузки) после окончания времени цикла в шлюзовую камеру напускают азот для защиты напыленной пленки от окисления и через некоторое время включается звуковая и световая сигнализация, извещающая о необходимости смены подложек.

Перед пуском установки на автоматический режим работы следует опробовать и настроить ее механизмы и устройства в ручном режиме. При этом запускают насосы, откачивают рабочую камеру, включают вращение планетарных механизмов, нагревателя подложек и магнетронных распылителей. Кроме того, выбирают режим травления и нагрева подложек, состав травяших газов, значения токов и напряжений, подаваемых на магнетронные распылители, а также мощность ВЧ-генератора и согласующую нагрузку. О готовности работы установки сигнализирует загорание лампы на блоке управления.

Время травления подложек, работы нагревателя при большом токе, напыления задают в ручном режиме. Время выполнения операций должно быть таким, чтобы на каждой позиции они заканчивались раньше окончания времени цикла. Установка может работать как с травлением, так и без травления подложек. При работе с травлением подложек расход травящего газа подбирают так, чтобы при данной производительности форвакуумного насоса давление газа в шлюзовой камере было не более 66,5 Па.

Нормальное рабочее отключение автоматического режима не приводит к остановке установки в произвольном положении. Установка заканчивает работу только после выполнения всех операций начавшегося цикла и поворота карусели на очередную позицию.

При подаче питания на магратрон между его анодом и катодом в среде аргона давлением 1,33 — 2,66. 10 ' Па возникает разряд, под действием которого происходит распыление материала катода и осаждение его на подложках, что позволяет наносить пленки сплава с неизменным содержанием компонентов.

Для исключения бомбардировки подложек электронами, что может

'1ривести к пробою полупроводниковых структур, корпус установки

47

Распознанный текст из изображения:

наладятся под отрнцательным потелцналом яо отношепню к аноду магра. '-:=.' трона. Потенцнал между корпусом п анодом определяется падением на- .:,:. пряанння на резнсторе блока управлення магратроном н составляет прн-:,:.', мерно 10 % от напряженна между анодом н катодом магратрона, Так::.:':.' как в нормальном режиме работы возможно возннкновенне пробоев:::: между анодом я катодом магратрона, в цепь его нсточинка пнтання:: включают токоограннчнвающне резисторы, а параллельно промежутку-:::,'' анод-катод — компенсатор, сглаживающий пнкн напряжения.

При отклонении тока магратрона от заданного блок ста-:," билизации тока разряда изменяет давление аргона в магнетрон-," ном распылителе так, чтобы ток восстановился до требуемого:::.„ значения.

По окончании времени напыления напряжение питания маг-:::: ратрона уменьшается, а когда карусель повернется на очередную::. позицию, оно автоматически задатчиком блока управления маг' ратроном восстанавливается до заданного значения. При давле-:,'; нии выше 1,33 10 ' Па напряжение питания магратрона авто- ' матически отключается.

Особенность работы магратронов такова, что после каждо-"'-„. го контакта с атмосферой их необходимо очищать при малых: напряжениях и токах до исчезновения пробоев, постепенно по'; мере тренировки увеличивая напряжение и ток до заданных.;; Стабильность тока магратронов зависит от его коэффициента ", усиления напряжения, рабочей частоты блока стабилизации.'= тока разряда и расхода аргона через вибронатекатель. Рекомен-::, дуется коэффициент усиления и рабочую частоту поддержи- -::. вать в диапазоне от 50 до 100 %, а расход аргона при полностью,' включенном вибронатекателе — таким, чтобы при заданном на--::-" пряжении ток магратрона был от 110 до 120 % от заданного."::.:

Вибронатекатель настраивают при ручном режиме работы'. блока стабилизации тока разряда и максимальном заданном то-.':,.:. ке разряда плавным поворотом иглы на малый угол с выдерж-,:-.'. кой после каждого поворота паузы в 5-10 с. Так как виброна- —:. текатель обычно настраивают на оптимальный расход на заводе-'", изготовителе, на производстве расход аргона регулируют не им, ': а регулятором, изменяя давление газа на входе в пределах:,-: 0,1 МПа.

При работе на установке периодически контролируют ее, наиболее важные характеристики, например предельное оста.';:: точное давление в рабочей камере, которое должно быть не вы-,; ше 6,66 10 ~ Па. Эту проверку выполняют один раз в три месяца после предварительной тренировки под вакуумом и про-,'::-.: грева системы горячей водой в течение 8 ч. Проверку ведут при,:-, поднятой шлюзовой камере, предварительно отсоединив разъем::;: 48

механизма вакуумной блокировки, Кроме того, один раз в месяц проверяют скорость откачки шлюзовой камеры до давления 6,65 Па (она не должна превышать бО с). Для этого поднимают шлюзовую камеру вверх, включают ее форвакуумные насос и клапан и по секундомеру определяют время откачки, контролируя давление по вакуумметру 13ПТЗ-ООЗ.

Температуру нагрева подложек, которая должна быть не менее 300 С, также контролируют один раз в месяц. Для этого откачивают рабочую камеру до давления 1,33 10 з Па, включают нагреватель подложек и устанавливают ток не менее 10 мкА, Затем включают бпок индикации температуры и по его при бору наблюдают за изменением тока питания нагревателя подложек, который не более чем за 5 мин должен увеличиться до 30 мкА.

Один раз в полгода проверяют напряжение и стабильность тока магратрона, которые должны быть соответственно не менее 450 В и 12 А. Причем отклонение тока магратрона в течение 120 с должно быть не более 15 %. Дпя этого откачивают рабочую камеру до давления не выше 1,33 10 з Па„включают магратрон, уплотняют его в верхней части и устанавливают напряжение не менее 450 В. Затем включают блок стабилизации тока разряда и с помощью задатчика устанавливают ток разряда не менее 12 А. Измеренный ток разряда не должен отличаться от заданного более чем на+5%.

В тех случаях когда ток магратрона самопроизвольно изменяется или не увеличивается до заданного значения, необходимо отрегулировать положение иглы вибронатекателя и уменьшить или увеличить напряжение магратрона, так как разряд в нем образуется при давлениях от 2„бб 10 ' до 1,33 Па. Бывают случаи, когда питание магратрона самопроизвольно отключается при срабатывании блокировки по вакууму. Вероятной причиной этого может быть повышение давления в шлюзовой камере до значения более 1,33 10 ~ Па при опускании уплотнения. Для устранения этой неисправности проверяют скорость откачки паромаспяного насоса и, если необходимо, заменяют в нем масло или увеличивают напряжение магратрона и работают при меньшем давлении аргона.

У с т а н о в к а 01НЭ-7-004, показанная на рис. 20, пред. назначена для вакуумного нанесения на подложки пленок алюминия, легированного кремнием, и отличается от рассмотренной тем, что в ней вместо магнетрониого распыления использовано термическое электронно-лучевое испарение наносимого материала из водоохлаждаемых тиглей.

Рабочая камера, вьпюлненная из нержавеющей стали, крепится к плите корпуса установки болтами и в передней части

4Я

Распознанный текст из изображения:

становки смонтированы четыр6-:-':;;.

кварцевых излучателя (лампы "„

"-5~'

бочую камеру помещают три кас.- '; ают ее до высокого вакуума„',

закрьгга крьпщсОЙ со смотровым окном 16. Ввэр~у рабочей камеры иа фланцах размещены привод 19 карусели с редуктором, охладитель с генератором и кварцевым измерителем (микро весами) 1, включенным в электрическую схему в качестве датчика толщины наносимой пленки. Внутри камеры расположены карусель с подложкодержателями 17 планетарного типа, два электронно-лучевых испарителя, две заслонки с электромагнитными приводами, нагреватель подложек, вводы питания, направляющая и датчик температуры нагрева подложек.

Электронно-лучевые испарители состоит из водоохлажд~емого тигля 3, прожектора с вольфрамовым катодом и системой отклоняющих электродов, магнитопровода и электромагнита. Высоковольтные шины испарителей закрыты защитными экранами 4.

Установленные под углом 120'по отношению друг к другу и связанные обоймой подложкодержа тели могут вращаться вокруг собственной оси и обкатываться по направляющей относительно иснарителя, получая движение от привода карусели. Таким образом, подложки имеют сложное планетарное движение. На каждом подложкодержателе размещается 80 или 40 подложек соответственно диаметром 76 или 100 мм.

На стойках нижней плиты у нагревателя, содержащих по два КТ-220-1 ООО-З) .

При работе установки в ра сеты с подложками и откачив

5О

Ф"; Рис. 20. Установка нане сенкя тонких пленок электронно-луче-. '; вым распыпением: 1 — кпзрцсвый измерижв;:.! 2 — подложка, 3 — ткгаль, 4 -'.'.; защитный экран, 5 — плита, б — -'' вакуумный затвор, 7, 12 — азот-,."' ная к водоохлзждземая ловуш-",- ки, 8 — форвакуумная лянкя,-". откачки, 9 — вакуумный клапан,:., 10 — ловушка, 11 — дкффузк-.;~ онный насос, 13 — конизэцкок-,. ный манометрпческий прсобра-'.! зопзтсль, 14 — переходный флз ':" ксд, 15 — ИК-лампы, 16 — смот-": ровое окно, 17 — подложкодер-.", жатель, 18 — рычаг, 19 - привод,.- карусели

после чего включают вращение планетарного механизма, нагрев подложек и подают питание на испарители, После прогрева под„ожек подают питание на катод каждого испарителя и доводят цх ток эмиссии до заданного значения, достаточного дпя обез„зживания и разогрева испаряемых материалов. При обезгажицзции пучок электронов сканирует по продольной оси тигля, рдзгоцяя шлаки из зоны испарения. Первоначально напыление ведут на заслонку, а затем на подложки. Подготовительные операции и собственно процесс напыления проводит в течение определенного времени, задаваемого реле.

Изменяя время и очередность работы испарителей, можно цэпыдять на подложки пленки различных материалов опредеденной толщины.

При контроле окончания процесса в зависимости от толщицы нанесенной пленки заслонки над обоими испарителями одцовременно закрываются, отключается нагрев подложек и цзчицается отсчет времени их остываиия, по истечений которого включается световой и звуковой сигналы„

Используя один испаритель с двухчашечным тиглем, а другой с одночашечным, можно, попеременно нагревая электронцым лучом чашку, наносить трехкомпонентную пленку. Точцасть воспроизведения состава такой пленки ниже, чем у двухко мпонентной.

Равномерность какоскмых пленок как по составу, так к по толщине зависит от стабклъкостк перемещеккя подложек к кх рацкокялького рззмещеккя откосктелъмо кспарктелсй. Толщина плекок определяется временем капъ~лекмя прк постояккых значениях капряжекмя к тока мв яспарятеле.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы особенности конно-лучевого и конно-термического нанессння пленок различных мперязлов?

2. Какие виды конно го распыления вы знастс?

3. Каков принцип действия устанапок ионного распыления? 4. Каковы особенности палессняя пленок мзгястрокным распылеписм?

5. Как устроены к работают системы магнстронного распыления? 6. По какому принципу разделяют установки мзпмтроцпого распыления?

? Как устроены м работают установки магнетронпого распыления алюминия, лепцюванного кремнием?