Вакуумное технологическое оборудование

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).

Рис.1 Структурная схема установки для нанесения тонких пленок в вакууме

Рекомендуемые материалы

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); h_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.; h_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 h_ф изменяется от 0,97 до 0,3 в зависимости от  k (приемлемые для ремонта и обслуживания значения h_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 Æ60 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 Æ(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.

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_рÞ0) чередуются с периодическими, революционными преобразованиями конструкций и компоновок машин (t_хÞ0), 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.

Такие 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

Лекция "Теории мышления в тифлопсихологии" также может быть Вам полезна.

           

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.