НашСамогон - самогонные аппараты, дубовые бочки, винные и турбо дрожжи, электроника и оборудование для производства алкоголя в домашних условиях.

Статья «Установка для магнетронного нанесения многослойных покрытий»

05.10.2012

Статья «Установка для магнетронного нанесения многослойных покрытий»

Журнал «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», N 7/2003
Е.Берлин, Л.Сейдман

Скачать статью на русском языке
( Для просмотра и печати документов формата PDF Вам потребуется программа Adobe Reader )

При металлизации гибридных ИС желательно наносить чередующиеся слои различных металлов на подложку за один технологический цикл. Это позволяет значительно улучшить межслойную адгезию и исключить расслоение структуры при дальнейших операциях осаждения пленок в вакууме, поскольку при сравнительно длительном перерыве между ними материал верхнего слоя конденсируется не на чистую поверхность нижней пленки, а на поверхность, покрытую слоем окисла. При производстве современных полупроводниковых приборов для проведения тонкой фотолитографии и получения сложных пространственных структур также необходимо наносить чередующиеся слои различных диэлектриков – как правило, оксида кремния и его нитрида. Получать такие слои желательно в одном вакуумном цикле, так как это не только увеличивает производительность процесса, но и снижает плотность дефектов в слоях. Эти задачи могут быть успешно решены с помощью модернизированной вакуумной установки "Каролина D-10".

Разрабатываемые ООО "ЭСТО-Вакуум" установки магнетронного напыления предназначены для выполнения различных технологических задач, но характеризуются общим конструктивным решением и максимальной унификацией узлов и деталей. Модифицированная для нанесения чередующихся пленок за один цикл вакуумная установка УВН-71П3 содержит традиционный вакуумный пост и стойку управления. В вакуумный пост входят рабочая камера и система откачки, содержащая механический и диффузионный насосы. Для согласования эффективной скорости откачки камеры диффузионным насосом типа Н-2Т, имеющим азотную ловушку на входе, с производительностью механического насоса при больших расходах газа предназначен двухступенчатый агрегат типа АВР-50, вынесенный за пределы установки.

РАБОЧАЯ КАМЕРА УСТАНОВКИ

Рабочая камера (рис.1а,б) содержит весь джентльменский набор устройств, необходимых для решения поставленных задач. В зависимости от выбранной комплектации это – от одного до трех протяженных магнетронных источников, ионный источник для очистки подложек, барабан с держателями подложек и двухсекционный нагреватель подложек. Рассмотрим эти узлы подробнее.

На внутренней поверхности вертикального барабана диаметром 480 мм в съемных кассетах высотой 450 мм размещается до 36 полупроводниковых пластин диаметром 100 мм или 95 ситалловых подложек размером 48х60 мм. На барабане установлен также держатель датчика сопротивления напыляемой пленки (свидетеля), контакты которого через коллектор выведены наружу. Привод вращения барабана, установленный сверху на колпаке рабочей камеры, обеспечивает контроль скорости вращения (10–40 об/мин) барабана с подложками. Он управляет также положением заслонки (открыта или закрыта) за счет реверса направления вращения барабана. Назначение заслонки – тренировка мишени любого магнетрона перед каждым напылением.

Для нанесения за один цикл нескольких слоев различных материалов внутри барабана вертикально располагаются протяженные магнетроны с мишенями длиной 440 мм (рис.2). Мишени прижимаются к водоохлаждаемому основанию прижимной рамкой, вдоль оси над ними расположен анод магнетрона, который так же, как и барабан с подложками, изолирован от корпуса установки, благодаря чему на него можно подавать положительное смещение, а на подложки – отрицательное. Весь катодный узел окружен защитным экраном.

Кроме магнетронов в барабане находится протяженный ионный источник типа "Радикал". С его помощью проводится предварительная очистка подложек пучком ионов кислорода (или любого другого рабочего газа) при токе до 1 А (эта операция обычно занимает 3 мин). Подложки перед нанесением пленок нагреваются излучением двух нагревателей до температуры 300°С (рис.3). Нагреватели представляют собой два отражателя, на которых смонтированы протяженные ТЭНы мощностью 2,5 кВт каждый. Температура контролируется с помощью платинового резистивного датчика, закрепленного на барабане установки.

Газы (аргон, азот и кислород) подаются в камеру через газораспределительную систему ионного источника по магистралям из нержавеющей стали. Поток газов автоматически независимо контролируется трехканальными регуляторами их расхода, выполненными на базе РРГ-9 с электромагнитными запорными клапанами. Диапазон регулировки расхода рабочего газа – 0–0,1 Вт.

СТОЙКА ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ УСТАНОВКИ

Эта стойка содержит все системы управления установкой и располагается вплотную к вакуумному посту. Для питания магнетрона используется блок питания постоянного тока типа ИВЕ-145 фирмы Consent, содержащий бестрансформаторный преобразователь тока промышленной частоты в ток с частотой 30 кГц. В блок входит схема стабилизации тока или напряжения разряда, устройства дугогашения и защиты от короткого замыкания, а также схема защиты от перекоса фаз. Максимальная мощность блока питания магнетрона составляет 6 кВт, ток – до 10 А, его выходное напряжение гарантирует возможность работы с любым типом мишени. Такой блок питания незаменим при нанесении диэлектрических слоев методом реактивного магнетронного распыления. В литературе магнетрон с таким блоком питания называется импульсным .

По выбору оператора магнетрон может заканчивать работу в автоматическом режиме либо по истечении заданного времени напыления, либо после напыления на свидетель слоя (только первого) заданного сопротивления. Реле времени напыления, датчик и цифровой измеритель сопротивления установлены в блоке управления процессом.

Датчик сопротивления напыляемой пленки во время вращения барабана, при каждом его обороте, попадает в зону плазмы работающего магнетрона, что вызывает временное искажение значения замеряемого сопротивления. Чтобы исключить такое искажение показаний свидетеля, на приводе вращения барабана сверху рабочей камеры устанавливается датчик положения свидетеля относительно магнетрона (датчик стробирования). Схема измерения сопротивления свидетеля по команде датчика положения считывает информацию только тогда, когда свидетель находится за пределами зоны плазмы магнетрона. Измеренное сопротивление запоминается и воспроизводится цифровым индикатором. При каждом обороте барабана показания измерителя сопротивления обновляются.

В блоке питания и управления трехканальной прецизионной системой газонапуска типа РРГ-9-2,5 предусмотрена цифровая индикация заданных и фактических значений расхода газов. При этом значения расхода рабочего газа по каждому каналу задаются раздельно и поддерживаются постоянными независимо друг от друга с точностью ±1% от максимального значения расхода дозатора. Показания расходомера, пропорциональные потоку газа, выражаются в вольтах. Для получения значений потока газов, выраженных в ваттах, показания расходомера необходимо умножить на соответствующий градуировочный коэффициент: 0,0175 для аргона, 0,025 для кислорода и азота.

Блок питания привода барабана позволяет плавно регулировать скорость вращения подложек в диапазоне 10–40 об/мин. Блок управления нагревом обеспечивает цифровой контроль заданного и фактического значений температуры (в диапазоне 50–300°С с точностью ±5°С), плавную подачу напряжения на нагреватель, стабилизацию температуры изделий и блокировку системы нагрева при отсутствии вакуума или охлаждающей воды.

Производительность установки составляет не менее двух процессов за смену (до 12 – в зависимости от температуры процесса и параметров напыляемых пленок). Мощность, потребляемая установкой от питающей сети, не превышает 15 кВА.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РАССМОТРЕННЫХ МАГНЕТРОННЫХ УСТАНОВОК

Установка магнетронного напыления использовалась в производстве гибридных ИС для нанесения в одном процессе на диэлектрические подложки размером 60x48 мм и толщиной 0,5–2 мм резистивных материалов типа РС-5406 или РС-3710 [1] и защитного слоя титана. Нанесение слоя с поверхностным сопротивлением 20–1000 Ом/кв занимало 2–25 мин при токе разряда 0,8–2 А. Разброс значений удельного сопротивления пленок партии обычно не превышал ±5%. На установке также проводили металлизацию ГИС, для чего наносили чередующиеся слои различных металлов, например ванадия, меди и хрома. Скорость нанесения меди составляла примерно 8 мкм/ч при токе разряда 12 А.

Установка себя хорошо показала и в более сложных процессах, таких как реактивное магнетронное нанесение в одном вакуумном цикле пленок оксида кремния и его нитрида, в которых кремниевая мишень распыляется в смеси аргона и реактивного газа – азота или кислорода [2,3]. Метод позволяет наносить на движущиеся подложки слои этих химических соединений с достаточно большой скоростью: 1–2 мкм/ч.

При проведении данного процесса на магнетрон устанавливалась мишень из монокристаллического кремния марки КЭФ 0,1. Она прижималась к водоохлаждаемому основанию. Режимы, необходимые для получения стехиометрических пленок нитрида кремния и его оксида, приведены в таблице.

В этих режимах пленки наносились на полупроводниковые пластины, содержащие структуры арсенидгаллиевых СВЧ-полевых транзисторов. С помощью технологии самосовмещения электрода затвора с канавкой и комбинации диэлектрических слоев формировали электрод затвора субмикронного размера, который располагался точно в середине канавки шириной 1,5–2 мкм. Таким образом, установка показала свою технологическую универсальность: на ней были получены слои металлов, резистивных сплавов и диэлектриков, а также их комбинаций.

 

Рассмотренная вакуумная напылительная установка, предназначенная для нанесения слоев металлов, резистивных сплавов и диэлектриков, а также их многослойных комбинаций выпускается серийно. Ее комплектация зависит от требований заказчика. Изготовленные к настоящему времени установки успешно эксплуатируются на многих предприятиях электронной промышленности.

 

Литература

1. Кондратов Н.М. Резистивные материалы. – Обзоры по электронной технике. Сер. Материалы, 1979, вып.4, с.36.

2. Сейдман Л.А. Способы управления процессом реактивного магнетронного распыления с помощью вольт-амперных характеристик разряда. – Труды постоянно действующего семинара "Электровакуумная техника и технология"/ Под ред. А.В.Горина.– М.: 1999. – 168с.

3. Берлин Е.В., Воробьев А.Н., Сейдман Л.А. Получение чередующихся слоев диэлектриков на основе кремния. –

ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2002, №5, с.50–52.