Проектирование установки вакуумного напыления пленок КР1095 ПП1

Измерение адгезии пленок. В настоящее время не существует доступных промышленных методов точного количественного измерения адгезии тонких пленок с подложками.

Сравнительный контроль адгезии осуществляют путем измерения усилия, которое надо приложить к стальной закругленной игле, для того что бы при движении этой иглы вдоль поверхности пленки вызвать ее отслаивания от подложки. Усилие, при котором пленка отслаивается, характеризует адгезию. Метод примененим для сравнения адгезии пленок постоянной толщины и одного состава. Адгезию металлических пленок с подложкой измеряют по усилию отрыва пленки с напаянным на ее поверхность металлическим цилиндром. В центре свободного торца цилиндра закрепляют гибкий тросик, связанный через рычаг с чашкой весов. Чтобы по усилию отрыва P вычислить адгезию F, нужно точно знать площадь контакта S и исключить перекос цилиндра, вызывающий неравномерное распределение усилия по площади контакта.

F=P/S. (1)

Площадь торца цилиндра составляет около 1мм2. Для получения надежных данных необходимо измерить адгезию несколько раз, каждый раз контролируя, не произошел ли отрыв по месту спая и не растворилась ли пленка в припое.

Контроль и структуры пленок. Изучение структуры тонких пленок сводится к различным методам лабораторного контроля, что позволяет устанавливать связь между физическими свойствами пленок и условиям их осаждения. Наиболее распространенными методами контроля структуры поликристаллических и монокристаллических пленок являются электронная микроскопия, электронография и рентгенография. Эти же методы применяют для исследования аморфных пленок.

Метод электронной микроскопии чаще всего осуществляют с помощью просвечивающий микроскопии, что дает возможность контролировать пленки толщиной 100-1000А. Тонкие пленки получают путем напыления вещества в вакууме на свежий скол кристалла каменной соли. После напыления соль растворяют в воде, а оставшуюся пленку помещают в электронный микроскоп. Наблюдение структуры и дефектов пленки возможны благодаря амплитудному контрасту, который создается главным образом упруго и неупругорассеянными электронами в области углов, лежащих за пределами апертурного угла микроскопа. Электроны, рассеянные на меньшие углы и испытавшие небольшие неупругие потери энергии, образуют светопольное изображение. Темнопольное изображение получают при наклоне конденсорной электромагнитной линзы или путем перемещения апертурной диафрагмы до тех пор, пока дифрагированные пучки электронов не попадут в апертуру микроскопа. Благодаря высокой разрешающей способности (около 10А) и гибкому управлению серийные электронные микроскопы используют для стандартных структурных исследований тонких пленок. В аморфных пленках контролируют сплошность, зернистость, наличие пустот, включений инородных веществ.

Вследствие большого поперечного сечения рассеяния электронов веществом для изучения тонких пленок хорошо подходит электронография. Так как длинна пробегов электронов пучок направляют под очень малым углом к поверхности, по которой он «скользит» и отражается. Отраженные электроны образуют дифракционные картины, на основании которых исследуют строение поверхностных слоев: дефекты, напряжения, наличие чужеродных атомов.

Аморфные пленки создают на электронограммах рассеянный диффузный фон и небольшое число широких колец. Поликристаллические пленки образуют много сравнительно резких концентрических колец, расстояния между которыми удовлетворяют уравнению Вульфа-Брегга:

kл=2d sin ?, (2)

где: ?-угол падения и отражения пучка - угол Брегга;

k_порядок спектра; в практических расчетах k=1;

d=межплоскостное расстояние.

Если часть кольца отсутствует или имеет иную интенсивность, образуя симметричную картину, то поликристаллическая пленка текстурирована; т.е. кристаллики имеют предпочтительную ориентацию в одном или более кристаллографических направлениях и случайную ? ориентацию - в других.

Монокристаллические пленки дают дифракционные картины, состоящие из отдельных рефлексов. Хорошо упорядоченные монокристаллы образуют на электронограммах так называемые кикучи-лучи, получающиеся в результате многократного рассеяния электронов.

По диаметру колец судят о типе рассеивающих атомов, а по ширине интерференционного максимума - о размерах зерен, если они лежат в пределах от единиц до нескольких сотен ангстрем. Задачей рентгеновского структурного анализа является нахождение точных позиций атомов в элементарной ячейки, установление пространственной группы структур, распределение электронной плотности.

Дифракция рентгеновских лучей дополняет дифракцию электронов при определении кристаллической структуры пленки. По величине уширения интерференционных линий можно определить размеры зерен от 50 до 1200А, т.е. почти на порядок больше, чем с помощью электронографии.

Рентгеновская эмиссионная спектроскопия позволяет установить элементарный состав пленок при минимальной толщине около 100А.

2.1.5 Установка магнетронного распыления 01НИ_7-015 «Магна - «2М»

Схема установки «Магна - «2М» показана на рис. 8

Рис. 8 Схема установки «Магна - «2М»

В основе работы установки лежит принцип последовательного нанесения пленок на непрерывно движущееся кремниевые пластины путем распыления мишеней магнетронных распылительных устройств (магратронов) ионами инертного газа.

В установке обрабатываются кремниевые пластины диаметром 76-150 мм.

Установка состоит из установки вакуумной, шкафа управления, шкафа питания, кабелей, соединяющих их между собой.

В установке вакуумной обрабатываются кремниевые пластины, т.е. на них наносится слой металлической пленки (одно-, двух- или трехслойной).

В состав установки вакуумной входит рабочая камера с нагревательными пластинами и магнетронными устройствами распыления, шлюзовые системы нагрузки - выгрузки пластин, агрегат вакуумный с механическим форвакуумным насосом ВНМ_187 и агрегат АВР_50.

Агрегат вакуумный предназначен для откачки рабочей камеры, а агрегат АВР_50 - для откачки шлюзовой системы и фороткачки камеры в период запуска вакуумной системы установки.

Шкаф управления предназначен для управления установкой в наладочном или ручном режимах работы. В состав шкафа управления входят три блока управления магратронами, блок управления конвейером, блок управления нагревом, блок управления натекателем, блок управления вакуумной системой, блоки, входящие в комплект вакуумметров, а также другие элементы.

Шкаф питания предназначен для питания основных устройств обработки пластин в установке вакуумной, а именно магратронов, нагревателя, а также устройства транспортирования пластин.

Шкаф питания является основным связующим звеном между шкафом управления и установкой вакуумной.

Шкаф управления предназначен для управления установкой вакуумной в автоматическом режиме по девяти запрограммированным технологическим процессам.

В состав шкафа управления входят микропроцессор на основе ЭВМ «Электроника_60» и дисплей. Микропроцессор управления конвейером (транспортированием пластин), напуском аргона в зону распыления, нагревом пластин, режимами работы трех магратронов, работой шлюзовой системы загрузки-выгрузки пластин, ведет счет пластин в загружаемой и выгружаемой партии, обеспечивает контроль за работой всех систем и блокировку при отказе какой-либо системы.

Работа установки в автоматическом режиме. Включается механический (пластинчато-роторный) насос кнопками на блоке управления вакуумной системой БУВС и агрегат форвакуумной откачки шлюзов АВР_50. При закрытом затворе паромасляного насоса кнопкой

включается форвакуумная откачка рабочей камеры установки до давления 6,7Па (5·10-2 мм рт ст), не более, с помощью вакуумной системы откачки шлюзов, при этом откачивает через открытые затворы шлюзов загрузки и выгрузки. После получения заданного давления откачка камеры автоматически прекращается и затворы шлюзов закрываются, отсекая шлюзы от рабочей камеры, одновременно закрываются клапаны форвакуумной откачки шлюзов.

После запуска промасляного насоса Н_5К при наличии форвакуума в рабочей камере кнопкой БУВС открывается затвор паромасляного насоса ДУ_400. Рабочая камера откачивается до давления не более 1,3·10-2Па (1·10-4 мм рт ст), т.е. до высокого вакуума.

При открывании затвора ДУ_400 срабатывает блокировка, запрещающая откачку рабочей камеры через затворы шлюзов с помощью агрегата АВР_50 независимо от давления в рабочей камере.

Затвор ДУ_400, клапан фороткачки паромасляного насоса и клапан откачки шлюзов имеют пневматические приводы. Управление каждым приводом производится с помощью двух электропневмоклапанов, работающих поочередно. Включенный клапан подает воздух в свою полость пневмоцелиндра, а отключенный клапан сбрасывает воздух из своей полости пневмоцелиндра в атмосферу. Каждая пара электропневмоклапанов переключается с помощью одного реле.

Пластины из кассеты шлюза загрузки поочередно укладываются на конвейер без разрыва ряда идущих друг за другом пластин. Работа шлюзов возможна только при нажатой кнопке БУВС.

Двигаясь вместе с конвейером пластины нагреваются, проходя под нагревателем (нагрев с тыльной стороны) и с помощью магратронов на пластины напыляется пленка.

Мощность каждого магратрона, следовательно, толщины каждого слоя пленки регулируется отдельно.

Давление аргона для всех трех магратронов одинаково.

После напыления пластины автоматически укладываются в приемную кассету в шлюзе выгрузки. Когда последняя пластина из шлюза загрузки попадает на конвейер, кассета шлюза загрузки автоматически опускается вниз, после чего закрывается затвор шлюза загрузки отсекая шлюз от рабочей камеры.

В шлюз загрузки напускается воздух до атмосферного давления, после чего выдается команда оператору о замене пустой кассеты на кассету с пластинами. На перегрузку кассет, откачку и промывку шлюза аргона необходимо от двух до четырех минут. Во время перегрузки кассет и откачки шлюза конвейер продолжает двигаться с первоначальной скоростью, но пластины на конвейер не поступают. Таким образом на конвейере образуется разрыв ряда движущихся пластин и, когда этот разрыв подойдет к шлюзу выгрузки, то автоматически выдается команда об окончании выгрузки и закроется затвор шлюза выгрузки.

Команда об окончании выгрузки выдается также в том случае, если в кассету выгрузки уложено 25 пластин.

В шлюз выгрузки напускается воздух до атмосферного давления и включается сигнализация к перегрузке. По этому сигналу открывается дверь шлюза, вынимается кассета с пластинами, ставится пустая кассета и закрывается дверь. При этом шлюз через 2 форклапана откачивается до 13,3Па (1·10-1 мм рт ст), затем в течение (10±5) с промывается аргоном, после чего откачивается до 1,3Па (1·10-2 мм рт ст), затем закрываются форклапаны и открывается затвор шлюза. Откачка и промывка шлюза загрузки аргоном протекают так же, как и в шлюзе выгрузки, но, если необходимо откачивать оба шлюза, то срабатывает блокировка, запрещающая откачку шлюза загрузки до тех пор, пока не откатается шлюз выгрузки. Если оператор по каким-либо причинам своевременно не подготовил шлюз выгрузки к приему следующих пластин, то при подходе ряда пластин к закрытому затвору шлюза выгрузки во избежание поломки пластин автоматически отключается конвейер, нагрев пластин и все магратроны.

При отключении микропроцессора или отказа микропроцессора оператор с помощью кнопок блока управления включает ручной режим управления установкой и плавно регулирует скорость конвейера, ток нагрева пластин, мощность магратронов и дает команду шлюзам загрузки и выгрузки на полуавтоматическую работу по загрузке пластин из кассеты на конвейер и выгрузке пластин с конвейера в кассету шлюза выгрузки.

В ручном режиме скорость конвейера, ток нагрева пластин и мощность магратронов регулируется с помощью резисторов блока управления, но не стабилизируется. Давление аргона в зоне распыления регулируется ручкой блока управления натекателем.

Команду об окончании работы шлюза выгрузки оператор подает с помощью кнопки «СТОП» шлюза выгрузки после выгрузки необходимого числа пластин. Кнопкой «СТОП» можно выдать команду об окончании выгрузки.

2.2 Расчетная часть

2.2.1 Техническое обоснование выбора материала катодов

2.2.1.1 Требования к контактам

- Контакт должен быть невыпрямляющим, т.е. его сопротивление не должно зависеть от направления протекающего тока.

- В контакте должны отсутствовать нелинейные явления, т.е. сопротивление не должно зависеть от величины протекающего тока.

- Контакт должен иметь минимальное сопротивление, при этом в направлении, параллельном поверхности, сопротивление также должно быть малым, особенно если вывод присоединен.

- Контакт не должен инжектировать неосновные носители.

- Теплопроводность контакта должна быть высокой, а коэффициент теплового расширения - близким к коэффициентам теплового расширения кремния и материала вывода или корпуса.

- Контакт должен представлять металлически стабильную систему с кремнием и материалом вывода. В случае многослойных контактов это условие относится и к взаимодействию слоев между собой.

- Металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а при распространенном контакте и к взаимодействию слоев между собой.

- Металл контакта должен быть термодинамически стабилен по отношению к диэлектрическому покрытию.

- В случае распространенного контакта желательно свести к минимуму влияние на электрические свойства диэлектрического покрытия, например, на подвижность ионов в окисле.

- Металл или система металлов контакта должны позволять проведение фотолитографии.

- Контакт не должен глубоко проникать в кремний. Это требование тоже достаточно серьезно, особенно в СВЧ транзисторах, где глубины диффузионных слоев могут составлять 0,2 - 0,4 мкм.

2.1.1.2 Характеристики Al и Al + Si

Достоинства Al:

Алюминий обладает высокой электропроводимостью. Этот металл легко напыляется и обладает высокой адгезией к окислу. Кроме того, он хорошо травится и обеспечивает высокое разрешение при фотолитографии. Алюминий восстанавливает окисные пленки в контактных окнах.

Алюминий с кремнием образуют стабильную электрическую систему, к алюминиевым пленкам хорошо осуществляется термокомпрессия. Алюминий пригоден для использования в радиоционно-стойких приборах.

Недостатки Al:

Высокая растворимость кремния в алюминии в твердой фазе. Кремний при охлаждении высаживается по границам зерен алюминия, за счет чего нарушается прочность контакта. При температуре 5000 С растворяется до 1% кремния.

Хорошее взаимодействие с двуокисью кремния; свободная энергия образования окисла для алюминия -376Ю7 ккал/мол, для кремния -192, 4 ккал/мол.

Для улучшения проникновения кремния в алюминий при изготовлении контактов можно применять вместо чистого алюминия сплавы алюминия с кремнием. В системе алюминия с кремнием не образуется никаких химических соединений, поэтому на границах раздела алюминия с кремнием, не образуется хрупких соединений, не появляются пустоты. Кремний, находящийся в алюминии в виде твердого раствора, почти не уменьшает его проводимость.

Кремний, рекристаллизующийся из твердого раствора в алюминии, содержит большое количество алюминия, который является акцепторной примесью, поэтому его проводимость достаточно высока.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5