автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Основы расчета параметров и создание автоматизированного многокамерного вакуумного оборудования непрерывного действия с магнетронными системами распыления для производства СБИС

Научно-исследовательский институт точного машиностроения Акционерное общество открытого типа

РГ6 од

2 9 МАЙ 1995

На правах рукописи

ОдаНСЖОВ Вадим Васильевич

ОШШЫ РАСЧЕТА ПАРАШИ>Ш И СОЗДАШЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ШОГСКАМБШГО ВАКУУМНОГО ШШУДШШЯ

щрершного дейшвйя с машгронныш шстшш распшшя дня прсизводива сша

Специальности; 05,13.0? - Автоматизация технологических

процессов и производств 07,27.07 - Оборудование производства электронной техники

ДИССЕРТАЦИЯ в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1996

Официальные оппонента!: доктор технических наук, >

профессор Ковалев Л.К. . доктор технических наук, профессор Деулин Е.А* доктор технических наук профессор Гревяав Н.В.

Ведущая организация - Государственный НИИ вакуумной

техники им. О.А.Векшинского

Защита состоится " 5 1998г. в № ...

на заседании диссертационного совета Д ОбЗ. 15,04 при МооковскоН государственном техническом университете им. Н.Э.Ваумана по адресу: I07005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э.Ваумана.

Телефон для справок 207-09-6В.

Диссертация разослана "0" 1995г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДйСЖРГАЩОНКОГО СОВЕТА К.Т.Н..Д0ЦШТ

Усов Б.А.

ОЙЩ щдашсшщ РАВОШ

Штвяьщр&т проблемы. Прогресс во многих областях техники В энз«итиьной степени зависит от совершенства и уровня технических ^щеиий в микроэлектронике. Тенденция развития электронной аппаратуры такова, ч®о уже сейчас решение ряда ее технических задач по экономическим (стоимость, энергопотребление) и техническим (быстродействие,, надежность, объем) характеристикам становится невозможно без широкого гриызнанвд микросхем повышенной степени интеграции --сверхбольших интегральных схем(СШС). £3 повышением интеграции микросхем значительно возросли требования к технологическим процессам их производства, а первую очередь по производительности, точности и воспроизводимости параметров» выходу годных изделий. Зачастую ранее при-меняешо установки и технологические ¿'зла по своим физико-техническим характеристикам становятся непригодными для новой технологии» По этой причине в ведущих промышленных отранах (ОДА, Япония, Германия, Англия8 Франция) настойчиво ведется разработка более совершенной технологии и оборудования для промышленного выпуска СШС.

В технологии производства СШС одним из базовых технологических «роцесвов является получение в вакууме качественных и воспроизводимых по электрофизическим характеристикам тоннопленозных элементов (проводящие и сверхпроводящие пленки ; иэоляшонные, барьерные и полупроводниковые пленочные слои н т.д.). Совершенство »той технологии и вакуумного оборудования для нанесения тонких слоев пленок металлов и диэлектриков является определяющим, так как значительная доля операции нанесения этих материалов падает на финишные стадии изготовления СШС, когда микросхема почти готова и "вобрала" в себя основную стоимость изготовления и брак экономически недопустим.

На начало 90-х годов отечественное прошщлашо® вакуумное оборудование для нанесения пленок было только периодического (дискретного) действия с постоянно изменяющимся составом газовой: среды в рабочей камере при загрузке изделий и выходе на режим источников обработки изделий и т»д., т-ов* это оборудование было непригодно для выполнения требований технологии производства СШС емкое«» (Шбмт--Хбрит, в том числе й по производительности. •

Более детально эти причины состоят в следующем: . .. - низкая производительность установок (менее 40 пл/ч) била из-за больших потерь времени на загрузку, выгрузку, транспортирование пластин, откачку рабочей камеры, подготовку источников занесения пленок и пластин с изделиями к процессам ^нагрев, очистка

поверхности, тренировка источника я т.д.)

©оставляло 30-60% времени цикла» Основные и вспомогательные рабочие операции обработки проводились последовательно в одной вакуумной камере» Производительность ограничивалась небольшим запасом материала (менее I ч) и низким коэффициентом использования потока материала из источника нанесения пленок (менее 20%) ; *

- низкий выход годных изделий (менее" 20%) определялся во-пер~ '8ых8невоспроиэводимоетью по составу и «естайильяоотью во врёменя газовой среды рабочих камер в результате частого сообщения их объемов е атмосферным воздухом при за^рувке««в*атрузке йадеяий Вдходе на режим источника нанесен» пленки» Во-вторых»оборудование не .соответствовало Фребованиям но привносимой дефектное1»! из-за осаж-

дения из вакуумного объема на поверхность изделий значительного ~ количества, мелкодиеперснах чаотао в процессе загрузки^ транейорин рования и обрабоеть Загрузка пластан оеущеетвлял^зЬ врунщш,. . В третьих, уе тройства на1?ееенда пленок имелй ограниченные технологические зозмоюосш аз^-за неэффективности и зачастую нешззможше--ти нанесения в промышленных уевовадх тонких пленок многокомпонентного состава и ошадов* не нарушая при этом структуры ОШС вувоко энергичными частицами | '

•» управление механизмами установок, технологическим процессом и их: контроль оеуа^эсгшщлея без использования ЭВМ4 а зачав тую оператором с использованием отдельных автош«еекйх узлов и йй©«©й.» что невозможно для поддерядашг точных и восп^оиэведйшя во времени, технологических параметров проивеоа метштийи СШ & *' •-.•:•

■ Поэтов при проектирований, вакуумного оборудования д® метал-» лизадаи необходимо было применять прийшяиадьно новые подхода, и технические решений как да .отдельным технологическим узлам, ч?ак и по етрунтурно-компонааочноэду тетроейию установок* ;.

В связи с этим разработка и освоение выпуска высокопроизводительного .промышленного вакуумного оборудования, непрерывного действий со стабильно чистой вакуумной средой и эффективными устройствами нанесения пленок,, что определяет качество и воспроизводимость электрофизических характерно««! пленок,.производительность и выход годных СШС является актуальной, дай-электронной техники проблемой.

Для решения этих; проблей под руководством и неиосрэдственним участием айтора в НШ точного машиностроения были проведены за период с 1975 по 1994 г.г. более 20-и КИР и ОКР»

■ г ■ ■ . .

Цель ^эада^.р^озу» Диссертадаоннай работа ставит своей «елью создание научных оотв проектирований высокопроизводительного многокамерного вакуумного оборудования непрерывного действия со стабильно чиотой вакуумной средой и эффективными устройствами ндаеоешя, пленок, включая метода расчета и выбора параметров Транспортно-шлюаовьгх систем и «агнетрониых устройств распыления материалов, внедрение его в серийное производство для освоения, на его базе йовых многооперанионних технологических процессов изготовления тонкопленочных ©ледактой .ОШС, что является решением важной народнохозяйственной пробде№<г-

Дда д^ОТишшя указанной иещ в работе поставлены и решены следующие задачи теоретического> акопериментального и промышленного характера!

- создание научных принципов щтвщ м. шбора' структурно-компоновочных решений выоокопроиэввдк'тэйьййро-" многокамерного, оборудо-» вш-шя непрерывного действия для вадееен!р тонких пленок в стабильно чистой вакуумной еред$ \

- разработка «нов расчета и «анодирования- транспортно-шлюзовых и загрузочных систем -многокамерных установок с противоречивыми уоловиями по повышении вухода годных изделий, надежности функционирования и быс^одейос»йя механизмов загрузки |

- разработка даории рвдчет ш BttSopa параметров выоойопройв*1 води тельных магнетронных распулис&йьнкх устройств с эффективным использованием материала и вщрокмда рехнояошчевйими возмошоотя™. ми для оборудования непрерывного действия; •

-> создание и прошэдэлно)? внэдрзкие нвскол;>жх чипов ьыс-око-производительных вакуумных уатвновок непрерывного действия о микррпроиаооорными системами упр&влзни« для произьодстл« СШС различного уровня флгоиноаи».

Цэтоды ¡fjpcggft^m^s Taopew*«íKoH базой даавар1ан;ы й.-<ло: теория производи чюдшюота вдвн и труда Г»А,Шаумящ ? теср а ьеде«-ности машин щ автоматических «икйй Андроникова v Я^/п-члааича | молекулярно-кинвматнН9вк8в теорий газоэ Д, Паковала, М?Кчудавна, С,Дэшыана и др. | математический аппарат интегральных и диф-

ференциальных уравнений.

Применялись методы математического моделирования и ы&шиннсгс. эксперимента, оптимизации, клаотерного анализа и численного решения с применением ЭВМ«

Проводились }■ экспериментальные исследования на специальных вакуумных стендах КИИ точного машиностроения и опытно-промышленном оборудовании на технологических предприятиях г.Зеленограда, . Обработка результатов осуществлялась методами теории вероятности и математической статистики. ' •"•'•-.

Научная новизна работы» ' . '

1. Развита теория производительности машин в области создания многокамерного в&куумногй оборудования непрерывного действия с дифференциацией и концентрацией оперший при :сущес№енш;г ограничениях по длительности,, условиям проведения операций обработки, загрузки и непрерывного транспортирования изделий через герметизированные рабочие камеры.при возросших требованиях по стабильности , чистоте вакуумной среды * равномерности- и~ воспроизводимости___

пленок по толщине. .

2. Разработаны физические и выведены математические модели распределения газовых потоков в многокамерном вакуумном оборудовании и шлюзовых системах при стационарном и нестационарном режимах течения газов? получены аналитические выражения, позволяющие определять рациональные конструктивные размеры межкамерных каналов, выбирать откачные средства для шлюзовых систем ШС) и проводить расчеты вакуумно-технических характеристик установок о учетом режимов откачки и напуска газа, обеспепаважщих минимальную пьшегенерашю. 1

3. Создана теоретическая модель формирования заданной толщины пленки на поверхность конденсации при магнетронном.методе рас пыл е-ния материалоз при определенной траектории перемещения пластин (непрерывное или периодическое перемещение) с учетом эффективное® использрванщ материала мишени; $ облучены аналитические выражения, позволяющие' 'определять основные конструктивные размеры магнетрон-ных. распылительных устройств с минимизацией размеров их мишеней«

4. Разработан ряд принципиально новых схем магнетроншх распылительных устройств для нанесения пленок и очистки пластин, структурно-компоновочных решений, конструкций шлюзовых систем и вакуум ных установок.

Новизна работы подтверждена 45-ю авторскими свидетельствами на изобретения. .

Практическая значимость,

I. На .основе теоретических и экопершентальнйзе исследований,, а также ряда ШР и ОКР, проведенных под научным руководством и при йепосредственном участии автора, в ШИ точного машиностроения создан рад принципиально новых моделей магнетроншх распалителькь

устройств о широкими технологичвешшй возможностями, систем ионной очистки пластин и четыре транспортыо~эагрузочные систеш вакуумных ' установок,в том числе в загрузкой Из кассеты в касоэяу, непрерывного действия оонащеншх микропроцессорными системами управления, беаиасладами средствами отквмкя да* металлизации СШС на пластинах диаметром'..75, 100, ЙО и 200 мм,

2. Разработаны научно-обоснованные методики расчет геометрических параметров конструкций магнетронных распылительных устройств щ>и индивидуальной обработке неподвижных и непрерывно перемещающихся пластин, методики расчета основных вакуумно-технических и конструктивных параметров шлюзовых систем, а также на их основе рекомендации по проектированию вакуумных установок.

3. Получены пригодные ддя инженерных расчетов форгцулы по определению основных геометрических размеров меаскамерных каналов и вакуумных характеристик установок, а также режимов их откачки с целью уменьшения .привносимой дефектности т пластинах, на основе которых разработаны программы для расчету основных элементов конструкций шлюзовых систем на П38М типа ХВМ, а также научно обоснованные рекомендации по структурно-компоновочному построению и конструированию многокамерных установок с учетом минимальной привносимой дефектности на пластинах.

4. За период с 1577 по 1994г.г. было разработано более 9 модификаций вакуумных установок для. металлизации СШС различного технологического назначения. В настоящее время серийно выпускаются на Калининградском машиностроительном заводе три установки "0Щ-7-015", "Электроника Ш-1201й и "Электроника №1202", а также на опытном заводе "Злион" г.Зеленограда отдельные партии ус танов о >с "Оратория-Йй* "Электроника ТМ-1203 и ТМ-1204я и др. Несколько партий установок экспортирована в зарубежные страны (ГДР, ВНР, КНР). На конец 1994г.

всего выпущено около 300 установок» Указанное в&куушоз оборудование в основном используется для выпуска СШС с уровнем интеграция (емкостью) 64-256К, а установки "Электроника 74(-КШ и №-1Л04и --для организации выпуска СШС (1~16)М.

Средний реальный экономический эффект за пеуигд 1960-1994г.г. от внедрения оборудования составляет более 60 млн.руб, (в «шах 1991г.). -

Апообапия работы. . ,

Результата диссертационной работы докладывались на пяти Всесоюзных научно-технических конференциях и двенадцати отраслевых конференциях.и семинарах.

Работа перй'ОДйческй »бвущшайъ наИТС Тйй -точного шшяоетроеиия, научно-технических семинарах кафедры "Электронное машиностроение" МПУ им.Н.З.Баумана и кафедры "Автоматизированные комплексы микроэлектроники" МШЭТ'г.Зеленоград (1993-1995г,г„}»

Публикации..Основные положения диссертации опубликованы более чем в 60 работах, в том числе ■ 22 статьях научно-технических журналов и сборников, в одной книге и 3 обзорах, тезисах докладов на Всесоюзных, и отраслевых конференциях, 45 авторских свидетельствах на изобретение. Кандидатская диссертаций на тему "Разработка и исследование вакуумных установок со шпюрвыми системами для нанесения тонкопленочных элементов интегральных схем" защищена авто* ром в 1981г. ;

~-:---;-'СИЩЕШ1ИД РАД(ЙН—{---

Высокие темпы разработки новых поколений широсхем*СШ.О и соответственно более прогрессивных -технологий ставят очень жесткие требования к разработке нового вакуумного оборудования» Для того, чтобы это оборудование отвечало современным технологическим и про-. . изводственным требованиям металлизации СШС 64K-I6M, оно должно соответствовать следующим основным характеристикам«

- обеспечивать производительность 50-120 пл/ч при выходе годных изделий не менее 90$ | _■_„" • ■

- в едином вакуумном цикле (без выноса на атмосферный воздух) выполнять технологические операции: предварительного нагрева До0 T=400°G, ионной очистки поверхности пластин на гдубину §0-400 А, нанесение пленок толщиной Ь =0,2-1,3 мкм в инертной и активной

газовой среде, термообработку до Т=600~800°С, охлаждение пластин до Т=80-150°С. Каждая операция должна выполняться при "своем" рабочем давлении, в чистой (безмасляной) вакуумной среде р воспроизводимым уровнем давления и состава остаточных газов (в пределах ¿2-5% с минимальным временем пролеживания между операциями (ЗО-бОс), в условиях минимальной привносимой дефектности (количество пылинок (частии) 0,05-0,5 шт/см2 при их диаметре сЦ=0,1-0,2 мкм) ;

-основная технологическая операция - нанесение пленок должна выполняться источником,обеспечивающим скорость нанесения IG0-2G0A / с неравномерностью пленок по толщине й =^2-5%, в том числе равномерное покрытие.ступенчатого рельефа структур ИС. Источник должен иметь большой ресурс (запас материала)-более чем На 50ч, обеспечивать нанесение одно И многокомпонентных пленок, в из сплавов не нарушая ;и не нагревая-выше 150°С структуры СШС. Дополнительная операция - ионная- очистка должна выполняться иизкоэнергетичным по-

«оком ионов О энергией не более 600 эВ 5

- управление установок*!, технологическими и другими узлами долюо осуществляться от ЭВМ с обеспечением стабилизации режимов технологических процессов, диагностикой отказов и неисправностей»

- установки должны встраиваться панелью со шлюзами загрузки--щгрузки пластан и альтом управления в "чистую зону" обеспыленных помещений, а узлы и системы обеспечивать надежную работу.

С этих позиций и осуществлялась постановка задач исследований и разработок прогрессивного прошшленного оборудования для металли-88МИИ ОШС» Создание и постоянное совершенствование технологических И других сисгем установок, их базовых схем, структуры и компоновки проводилась поэтапно по даре разработки и освоения более сложных СШС, что требовало решения иа кадя,ом этапе комплекса взаимосвязан™ шах- проблем. Решение основных (епределяющих) проблем излагается в данной работе в отдельных разделах, ' .

• работы рэдаютея принципиальные задачи повыше-

ния производи тал ьноети s стабильное® и чистота вакуумной среда, выбора струитурно^компоновочикх решений традсоортно-шлюзовых и загрузочных .систем вакуумного оборудования. Анализ принципиальных схем, решений и конструкций вакуумного технологического оборудования создан» ного в период 19?0-80г»г« как в веющих эарубежида: странах (США, Германия, Япония а др.) так и отечественной электронной промышленности показалt что только ориннипи&льно новые подходы в части атруктурно--компоновочных решений, методов транспортирования и обработки пластин могут принести сдаошой в повышении производительности обору-

дования, стабильности Нарвой <греда и ойешечаша требований технологии ОШС«

ПроблемгАШ повышения производительности я выхода ш&тт®

¡з вакуумном технологическом оборудовавши занимаешь большое шсдь * ученых; Блинов И.Г«, Минайчев S.S.» Ковалев 1.К., Деулжн S.A., Ааак-йандрова АД\., Ивановский Панфилов Денисов А.Г. а др.

Однако в их работах, как правила, решались вопроои повышения производительности, расчета и конструирования установок пвриодачео&аго действия путем совершенствован}« их сщ'ктурно-коьшсьовоедых вариантов, а также отдельных технологических и кинематических у&яов (устройств нанесения плонок, механизмов ррещения пластин, средств откачки, создание элементной базы и т.д.), но не исследовались жогокшерше умиае установки непрерывного действия, обеспечивающие постоакстеа состайа и чистоту газозой среды.

Анализ вакуумного оборудования для н&нвввния пленок в точки зрения теории производительности машин и Труда, & ташке особенностей технологии металлизации СШС позволил установить, что продав»« дитвльнооть установок можно значительно поднять:

- увеличением технологической производительности (сиорвоти осаждения пленки на пластины) фтех^путем интенсификации процесса нанесения пленок, т.е. увеличением скорости испарения (распыления) материала из источника О' ист,повышением коэффициента использования потока испаренного материала Кит 1

« О*«* к?** » ^

- увеличением цикловой производительности 9ч » путем уменьшения длительности холостыхходов 1* и одновременным проведением основной (нанесение пленки) и дополнительных рабочих опврацййс папвым совмещением во времени -¿рй ix , т.е. обеспечением непрерывной и одновременной подачи (загрузки), многопозишонной обработки и выгрузи изделий, а также путем дифференцирования наиболее длительной (нанесение пленки) операции на нескольких позициях fy i

- повышением коэффициента использования установок пу^ем увеличения запаса материала источника нанесения пленок, уменьшения количества и времени планово-профилактических работ, использованием отработанных (надежных) узлов и механизмов и автоматизацией управления и контроля параметров установки о использованием ШМг

- увеличением коэффициента выхода годных изделий путем уменьшения времени пролеживания tup пластин между рабочими операциями, минимизацией уровня и состава активных газов, уменьшением потока мелкодисперсных частшл (МДЧ) на пластины

jnp

(3)

где: -La^- < — допустимое время воздействия активных

.:■■■ J • • газов на пластину; С - допустимая концентрация газов по толщине пленки h № - количество молекул газа воздействующих на пластину;

л w - ■■ ¿JP - допустимое время воздействия ДО на "

3"п /. WMdd,

а»ни ,

пластину; Д) - допустимая доза ¿ДО на пластине; /У<, - поток частиц

на пластину. -...•.■•■

8

В результате разработки и анализа различных вариантов компоновки заемных установок был определен принцип создания многокамерной структуры установки с вакуумной изоляцией рабочих камер между собой. Теоретический анализ систем мешамерного транспортирования пластин показал, что прямоточное перемещение отдельных пластин через камеры одним или несколькими однотипными механизмами обеспечивает минимальное время холостых ходов транспортирования и наиболее надежную рабо-.ту. С учетом требований по уменьшению привносимой дефектности был определён принцип "несилового захвата" пластин, а поддержка их с нерабочей стороны или вдоль кромки без держателя пластин, перемещением пластин в горизонтальной или вертикальной плоскостях и расположением механизмов транспортной системы ниже уровня раоочэй поверхности пластин. Проблема загрузки и выгрузки пластан без разгерметизации многокамерной установки может бить решена только с помощью шлюзовых систем (ШО) комбинированного типа (сочетание открытого и закрытого типойд Теоретическое исследование Щ6 с позиции быстродействия и надежности в работе показало, что предпочтительно вести загрузку пластин или поа, тучно черев шлюз закрытого типа с иепользованиес силы тяжести плаа тины или с магазинной (кассетной) загрузкой в шлюз и поштучной перегрузкой их на транспортную систему. При этом наиболее рашоаально иепользование не более двух шлюзов с двумя кассетами с достижением поздюго совмещения ..холостых ходов загрузки-выгрузки пластин в шлю. зах с рабочими операциями , .

Единственным решением проблеш устранения повторяющихся . от цикла к циклу потерь времени выхода на режим устройств обработки пластин (например, тренировка испарителя-мишени) и времени стабилизации состава и давления газовой среда (вакуума) '¿£ \ глажен быть постоянное поддержание устройств обработки «лае'«да в райсие« режиме (без выключения) при постоянном рабочем давлен»» и есит&вз газовой среда й ограничиться одним холостым (суммарным) ходам

6/+-6"-0 э момент первоначального запуска установки! Холостые хода периодической загрузки источника нанесения пленок могут быть также вынесены из рабочего цикла обеспечением необходимого гадала матери» ала в испарителе , а загрузку навой партии материала оауще&твляа'Ь в период планово-профилактических работ„с установкой,

Втраой раздел работа посвящен теоретическим и з.нтеритнт$ль-г ным исследованиям вакуумных параметров: многокамерных уе®а.новай со шлюзовыми системами» ' •

При загрузке-выгрузке и транспортировании пластин чере-с хаме» ры с различным давлением происходит перетекание газов меаду ниш и изменение давлений.

§ '

Для изучения этих динамических процессов необходимо было создать и изучить физические й математические модели распределения газовых потоков в многокамерных ШС, а также разработать методики расчета ШС с целью их грамотного проектирования и обеспечения непрерывной подачи плайтин в зоны обработки с сох« ранением стабильного состава газовых вред, уровня рабочих давлений и режимов откачки.

В основе расчета многоступенчатой (многокамерной) ШС,обес-печиващей непрерывную подачу плайтии в рабочую камеру или между несколькими рабочими камерами (рие.1), лежит баланс газовых потоков, который может быть выражен в математической форме системой уравнений вида?

где: ¿=/,2,,./*; Р1Л 01 ** соответстйенно давление быстрота откачки, поток газовыделевдя й натёкаиид й шлюзовой камере; ■;'/::■;_ ■ ¿¿1,1+г; ¿¿¿-1,£ ~ проводимость каналов, на выходе и входе £,~Й шлю* зовой камеры» _ .

В результате совместного решения систему :: уравнений (2) было получено аналитическое выражение., два определения рабочего -•. давления в установках е открытыми, яо^открытыми, закрытыми и комбинированными ШС: 'у-;'

_: Оп *и^роОк»-^),*^ ■(§) , :

О- — . Ш ■ ■•■■'.■■ .д....... . ■■.■ ■ ...... *

^ ~~- _ _ ,

Пкн-и/

¿*( ¿'О - 0 ■■..■■.,■ !>'

... . : я-г ¿'(." ' й-г .

(■■-■! ¿-О ■ ° ■

'Г~й77' Г-„--7

где .Кц'

- 3,4,5...

С помощью выражения (3) может быть выполнен расчет рабочего давления в вакуумной установив при стационарном (установившемся) течении-газовых потоков ШС любого типа"при известных параметрах: геометрических размерах меадамерных каналов, определяющие проводимость и<н„. У-пч, л .» быстрота действия откачдах средств!, величин потоков газовыделешй и натеканий ^ &+ . При -этом учитываются все направления перераспределения газовых потоко! меаду-шлюзовыми камерами, что особенно важно для точности расчета ■ШС. .

На) На Ые-,

РИС л. Расчетная схема газовых потоков в многокамерной ШС открытого типа»

1,М

Рис .2. Днадиа зависимости 1-Ы для определения рационального значения дляйы 4 каналов открытой ШС.

Рис.З, Расчетная схема газовых потоков в двухкамерной ' ЩС закрытого типа при разгерметйзадаи затвора.

-г

- ц

№

А А

о Я Ч $ 8 ±гс

Рис4>4о Изменение

давлений в двухкамерной ШС при плавной разгерметизации. затвора.

&ТРЫ

г& г

J V Ъ -^-^—--—^ * Г"

Рис.6. Расчетная схема газовдх ■ потоков. в> йткрмтсй Ш ■ при тр&тщеит юшмим. ■

еЗт.

Рве«©* йаачо-тиая схема . •взаимодействия а повевхиостьэ и газовым потоком,.

дан определения рациональных значений Им „, и была рассмотрена отдельно физическая модель распределения газовых потоков в 1-й шлюзовой камере с входным и выходным каналами и были определены закономерности изменения давления Рс в ней при переменных значениях проводимости канала 21г~{, <-' и в трех режимах течения газа: в вязкостном, молекулярном и молекулярно--вязкостном. Геометрические размеры поперечного сечения канала ■ необходимо вцбирать минимальными, но с учетом надежного перемещения транспортирующего устройства с пластинами* Поэтому переменным геометрическим параметром, определяющим значение ¿/¿-{,1 , является длина & входного канала«

Было определено, что функции Р£ « / {() и P¿ - У (5«) могут быть записаны несколькими кгалйтйческйми'"'"Жр~шшнняшу-аналиэ--ж>т©- -рых относительно переменной Ь в каждом . режиме течения газа, показал, что до некоторых значений уменьшение давления ?1 значительно, а затем при несущественном уменьшении этого давления интенсивно растет длина канала £ , при этом значении функций с увеличением £ и соответственно сближаются (рис.2)»

В результате анализа теоретических и экспериментальных данных было принято, что рациональные длины каналов можно определять такими значениями € » где на единицу длины Л принятой.равной

уменьшение давления Л Р; составляет 5.10^-1,10т1а для вязкостного, 1~Ю""*Па для молекулярно-вяэкостного и 10~^-5.Ю"^Па для молекулярного режимов воздуха. Для выбора рациональных откач-ных средств при тех же значениях А Рсна единицу быстроты откачки целесообразно значение «КР^/с. Это позволило определить области рациональных значений £ и путем приравнивания, производных первого порядка функций Р^ « ^ (О и Р(" * ^ по аргументам 2. и5/к соответствующим коэффициентам Те =5.Юй-Ют1а/м и ^>1 =о.104-105Па.с/м3 для вязкостного режима, =Ю-12Т1аУм и у>Д = 102-10%А.с/ьР для молекулярно-вязкостного режима, % «10* --5,Ю"3Па/м и '/5^■= 10"1-5.10"2Па.с/м3 для молекулярного режима. Было определено, что в области рациональных £ и значений давлений А' , рассчитанные по выведенным нескольким формулам отличаются не более чем на Это позволило получить удобные для практического применения формулы, определяющие рациональные значения £ , ¿¿¿-4 1 ! Д®* вязкостного режима

для молекулярного режима

Л аГ\ -1/А5М1-

П

Для молекулярно-вязкостного режима

Шли получены выражения, с помощью которых определяются рациональные значения 5)' и Рц' с? использованием коэффициентов ,

При разгерметизации затвора проводимостью '¿I12 мевду двумя вакуумными камерами с различным давлением Р; > Р^ наблюдается нестационарное состояние перетекания газов (рис.З). В этом случае бападс газовых потоков выражается следудцей системой дифференциальных уравнений:

Рг'$1~ 111% (Р( ~ Ра) ~

(7)

сН

где "У1 и - объемы сообщающихся камер.

Если проводимость затвора^ ^ устанавливается постоянной практически мгновепо, то система (?) с помощью преобразования Ларлаоа приводится к виду» более удобноцу для расчетов!

. = Р? (А,¿4-к,)

аЬ и , \ . (8)

>

где Ар А^» Вр а, в, Кр К2 - постоянные коэффициенты» определяемые величинами"]/^ ,5 1>5з»6-р ¿¿12 V Рр р| •• начальные давления в камерах.

Теоретический анализ выражения показывает, что уменьшение величины IX 12 в Значительной степени снижает величину колебания давления, .Поэтому в установках при форвакуумной откачке ' шлюзовой камеры,с целью уменьшения изменения давления в последующей камере после разгерметизации затвора рекомендуется встраивание между ..этими камерами затвора ограниченной проводимости.

И

Если IX ^ тяттн величиной переменной« что соответствует ; условиям постепенной разгерметизации затвора мевду двумя вакуум- ' ными камерами, то система уравнений (?) решается в общем виде методом последовательных приближений (например, методом Рунга--Кутта), Аналитическое исследование системы уравлений (?) при

?Я|2"^"?'п0Казывавт' что плавная разгерметизация затвора между форвакуумнОй и высоковакуумной камерами способствует уменьшению изменения более низкого давления (рис.4)* Использование забора ограниченной проводимости совместно о плавной его разгерметизацией дает еще больший эффект снижение влияния потока газа из шлюзовой камеры на давление в выооковакуумной камере.

При перемещении загрузочного объема паи полости объемов V

меяду пластинами со скоростью 1?*Ш "одной камерыв другуа-«4ерээ-

канал проводимость» ¡1 ^ происходит перенос порции воздуха в другую камеру (рис♦5), Газовый баланс а этом случае может быть выражен следуицей системой дифференциальных уравнений!

где Ц является функцией £, а 21 | « функцией £

Учитывая режимы течения газа, начальные давления Р| и Р|, постоянные величины V, , V, (у 1»&2» и эаДаваа значения скорости У, аналитическим путем определяется допустишй уровень изменения давления Р^» ...л':- \

Аналитические исследования системы уравнения (9) показывают, что задержка в перемещении загрузочной полооти на выходе и» канава в последугацую камеру является эффективным средством уменьшения колебаний давления в этой камере.

Результаты экспериментальных данных подтвердили наличие ради-[ ональщх значений £ и $1 для всех режимов течения воздуха и показали хорошее количественное совпадение.

Теоретические и экспериментальные данные показали, что с умен шением давления в высоковакуумных (блокировочных) шлюзовых камерах и с увеличением длины каналов в- между этими камерами и рабочей . практически устраняются колебания давления в рабочей камере и значительно снижается потек активных газов_ в рабочую камеру.

Этот поток обусловлен диффузией газов при разных уровнях их парциальных давлений в сообщающихся камерах. „При этом было отмечено, что уменьшение проводимости каналов до области региональных значений давало основной эффект по устранению колебания давления и умень шению загрязнений» что объясняется небольшой откачкой рабочей камеры через каналы в выеоковакуумные камеры и созданием значительного сопротивления встречное потоку активная; газов.

При первоначальной откачке шлюзовых камер от атмосферного давления набдадаетоя нестационарное состояние газовых потоков с турбулентным режимом их течения. Этот процесс сопровождается отрывом с внутренней поверхности камер мелкодисперсных чазтиц (ВДЧ) и переносом их к откачному патрубку. В результате на рабочей поверхности пластин осаядавтся что значительно снижает выход годных СШС.

Результата, многочисленных экспериментальны* данных, эксплуатации опытного образна установки 01Ш«*7«015 позволили установить долевое участие в привносимых дефектах на изделия от работа механизмов ('транспортных устройств» вводов движения в вакуум и т.д.) и процессов откачки и напуска воздуха в две цшюаовмв камеры« Проведенные с помощью анализатора, частиц 4 -4500" исследования «о количеству и. размеру Щ .на поверхности пластан на этапе фдаотшр^ровашя пластай через установку и на этапе откачки и йедускб воздуха 8 шлюзовые камеры показали, что в первом случае предай резульда бия - §,5 иго/сыт» а во втором »10,8 шт/см** с диаметром ВДЧ » 0»Й 4 8. цт* ■ ■ ■ . 'Таким .образом процессы откачки и напуска воздуха а идезошх камзрах вносят около 70% привносимой дефектности на изделия*

В результате теоретического и экспериментального анализа физической сущности взаимодействия ЩЧ с поверхностью и. газовом потоком, условий отрыва и уноса частой было предложено разделять лроиесс откачки воздуха на два ^еяищ. ПервыЙ«режим"жоотко.й" откачки определяется скоростью откачки 5ч обеспечивавшей движение потока вйзяухй с отрывом я уносом ЩЧ о поверхности тюзотй камера*

^гг- г .

.....""" ~.....-■--■- -■—- ^ VII);

где; коэффициент трения осевших мелкодисперсных частно с •поверх* ностыо; Д/дА- сила адгезионного «заиыодействия мелкодисперсных частиц о поверхностью $Х(.~ расстояние от начала зоны контакта газов о» го потока с поверхностью до того места, где находятся меякодйспврб*

,ныа час гаиы ;

1о

Йе- универсальная газовая постоянная 5 Т - абсолютная температура газа? ^ - молекулярная масса газа? V - кинематическая вязкость газа? - гидравлический радиус отверстия« через которое осу -ществляется откачка или на* уск газа в камеру координаты

наиболее удаленной точки поверхности камеры относительно Центра отверстия откачного или напускного патрубка. (рис. 6)»

Сразу по достижении давления, являющегося границей смены режимов течения воздуха а турбулентного на вязкостный» откачка прекращается, т.к. при дальнейшем уменьшении давления фактически Вероятность отрыва и удаления ЩЧ разреженным газом прекращается*

Второй - режим "мягкой" откачки определяется скоростью откачки 3 2 обеспечивающей движение потока воздуха без отрыва ЩЧ от поверхностей камере и внутри камерной оснастки $—;—----

где 6 - константа молекулярного взаимодействия /константа Вандер--Ваальса/; И зазор мевд осевшей ЩЧ и поверхностью плот-

ность ЩЧ ? - ускорение свободного падения»

Режим "жесткой" откачки необходимо использовать для очистки внуТрикамерных поверхностей от ЩЧ» Очистка проводится с еще большей производительностью, если совместить во времени проиесо напуска газа и промесс откачки со скоростью 5р Рекомендуется давление в камере поддерживать на уровне не более 5,2Л0%а - это граничное давление, выше которого скорость натекания газа значительно уменьшается, становясь меньше скорости звука, что снижает вероятность отрыва частиц от поверхности. Режим "жесткой" откачки с напуском газа цвлесообразно повторять несколько раз в период запуска установки или ее профилактических работ. Эффективность оЧисТки камер возрастает если одновременно с откачкой и напуском газа корпус Камера нагревают горячей водой до температуры 80-90°С, ЧТО значительно уменьшает адгезионные силы. № к поверхности камеры, а также напускают таз с молекулярной массой превышающей осу воздуха, например, кислород, углекислый газ, аргон и др. — ■

Режим "мягкой" откачки необходим при наличии в камере пластин с изделиями. В этом случае привносимая дефектность определяется в . основном работой внутрикамерных механизмов.

При режиме "мягкой" откачки привносимая' дефектность еще более уменьшается, если корпус камеры охлаждать холодной водой до температуры Ю-15°С и использовать, для напуска газа с молекулярной массой меньшей молекулярной массы воздуха, например? азот, гелий и др.

В результате использования данных теоретических исследований и разработанных рекомендаций удалось снизить привносимую дефектность на промышленных установках непрерывного действия 01НИ-7--015 до уровня 1-1,3 шт/с» при сЦ > 0,28 мкм т.е. в 10 раз. На основании теоретических и экспериментальных данных были разработаны методики расчета и рекомендации по конструированию многокамерных установок со ШС с учетом минимальной привносимой дефектности на пластинах.

Третай раздел посвящен теоретическим и экспериментальным исследованиям магнетронных распылительных систем для нанесения пленок в оборудовании непрерывного действия.

В отличии от известных методов расчета магнетронных распылительных устройств (МШ, которые разработали ученые: Минайчев В.Е., Ковалев Л.К,, Сырчин В.К., Данилин Б.С. и др., в основу разработки предлагаемой модели расчета МЙГ положено условие получения заданной равномерности пленки по толщине при определенной трезктории движения пластин с учетом эффективности использования материала мишени и минимизации размеров мишени. Использовались методы "фокусировки" потока распыленного материала на пластины и увеличения интенсивности распыления материала к периферийной части ышени.

При нанесении, пленки с помощью МРУ, как в любой системе распыления, одновременно существуют три основных процесса: распыление материала мишени, перенос частой материала-в газовой ореде от мишени к пластине и конденсация (оеавдение) частиц в вя;,9 тонкого слоя материала на поверхность пластины.. На толщину пленки К( й£,«(,*) в текущей точке Хс на поверхности пластин за время занесения ( Ьг-it) определяющее влияние оказывают три фактора: функция формы f (yi) распыляемой поверхности Рм мишени, функция распределения плотности ионного тока f («/¿} на мишени и закон перемещения центра пластины X( КС, t ). Остальные факторы определяются постоянными параметрами и конкретными аналитическими выражениями. Теорэтичес- t

кая модель взаимосвязи-мевд этими факторами и. толщиной пленки

была определена следующим выражением: h

s t,

где? К, - размерный коэффициент; И (Kl'.oCb > « „ ето*:.

fi rmOut

тение толщины пленки к ее максимаяьной толщине в текущей точке У оператор определяющий механизм переноса распыленных частиц*

Выражение Соотносится к интегральный уравнениям применяемым для решения задач синтеза; по данному результату (следствие): определяются обеспечивающие его причины (условия) описывающиеся функциями -f (y¿ ) и X (ytv¿ ). Это выражение является ба-

зовой теоретической моделью нанесения заданной толщины пленки щ,, только магнетронным распылением мишени» а может быть использовано. для расчета большинства систем ионноплазменного распыления материалов в вакууме, '<■

—Сравнение (12)значительно упрощается;, при решении задач частного порядка» т«к. а этом случае вводятся дополнительные условия определяющие конкретное значение функций <¡£ (¡/j)-t $ (|í',t ) «^{yi В результате такого анализа были определены три типа систем наде-. сения пленок, описываемые соответствующими уравнениями? \

- при заданных функциях -J (у,-) и # {'/¿¡t) функция ^ (J/t') определяется из линейного интегрального уравнения Фредгольна I ро* да И ¿SÍXí.y.',«^) Ц*(\l¿)dH\lt) (13)

- при заданных функциях^ (хф) и<р функция(ус I . определяется из интегра-дифферандаадьного уреднения} ■

. S. . ' v vf У '

- при заданных функциях j- i \j.i) и f ( \jt ) функция J¿ (Yi¡í ) • определяется иэ йнтегрМЬного уравнений Урысоиа'

ны^)* í»)

•i,..л " ■

Определение параметров Мй? при непрерывном и прерывистом перемещении пластин в зоне обработки проводилось с использованием выражения (14), : ..■..

В случае с неподвижной пластиной рассматривается распыляемая поверхность 4 (у;) дисковой мищени ( в том числе конической)-которая определяется функцией 5 (R), плотность ионного токаftyi) функцией ^ (R ), а распределение толщины пленки И (XípU ) функцией M(t) (рис.7). В'этом случае общая теоретическая модель (И) пэиьимае? вид; ' ¡>, .

* и/ \ ir -л иТ ^-г«)]?1 .

ИЛАСТИНЛ

мишень

•. Рис.7, Расчетная схема нанесения пленки на неподвижную пластину»

МИШЕНЬ

ТРАЕКТОРИЯ. ПЛАЪМЫ

Рис.8. Распределение ионного тока на мишени при вращении магнитного . блока.

ОЛАЙТПНЙ

зкоак

мишень /

X

Рио.9. Расчетная схема нанесения пленки на линейно перемещающуюся пластину.

зон» РАСПЫЛЕНИЙ

мишень

0*ЛАЖА«ЖЯ" мягки гиыи КАТ»Д : БЛОК

Рис .ДО. МРУ с мишенью расположенной в углублении катода.

ИУЛЬТИ КАТОД

ПЛАСТИНА

ПЛАЗМА

///.// / / //

•л

./ /

У®/®/ ! +

Рис. II. Схема ■мультикатод-ногоМРУ»

'' »77»—Щ пластина

. -Рис.12. Схема ВЧ Ш для

очистки заземленной пластины.

Анод

где? о(кб[81,1й,,а1с]) С-свн^ , - - нормированное

отношение ионного тока по поверхности мишени-, а - расстояние мишень-подложка; Я ^ - внешний радиус эош распыления;

- ^ С Я 2 ; внутренний радиус зоны распыления.

Анализ возможных вариантов реализации ^ (Я ) показал» что в МЕУ для обработки неподвижных пластин возможно практически выполнить о помощью перемещающегося магнитного поля, формируемого с помощью механически вращащегося блока постоянных магнитов или системой электромагнитов. Вращающийся блок постоянных магнитов содержит полюсные наконечники специальной неосесимметричной конфигурации- (рисг;&) 4 При вращении распыляется- телъке-та-невврхноать- — мишени, над которой находится локализованная в магнитной ловушке плазма газового разряда, при этом использование материала мишени возрастет в несколько раз. За время, кратное нескольким оборотам, на поверхности мишени формируется усредненное распределение ионного токау(К). Таким образом для нанесения пленки заданной равномерности по толщине необходимо было выявить взаимосвязь мезвду функцией ^ ( Е.) и геометрией вращающихся полюсных наконечников неосесимметричной формы.

Предварительные исследования МРУ со стационарным магнитным блоком установили, что ширина зоны распыления практически равна расстоянию между полюсными наконечниками, при этом вдоль средней дашш межполюсного зазора на небольшой ширине (25% от обидей ширины зоны распыления) распыляется 80-90% материала мишени.

Было получено выражение (•Й), определяющее форму у средней линии между полюсными наконечникамиX

У (К,у,[^41 м 4 (17)

гдн; ^ - (а.тг ^ ; С/« - 3 (&») - значение ионного "тока на внутреннем радиусе распыляемой поверхности, угол наклона в точке Ь линии распыления к внутренней окружности с радиусом Ц0 зоны распыления, с " постоянная интегрирования определяющая знамение функций в точке

• При. ненреравном Й равномерном движении пластин через зону обработки ц'оличевтэй' ЬевадямОТР'на нее в условном

элементе ее поверхности г^'г сЬ ,^, определяется как сумма количеств , материала осаждаемая в каздой точкетраектории- пересечения.этого

ЭЛеметтаЧрйтгЛ»?, а выражение (14) принимает вид!

Где5 (к.) и £{»,) - функции, описывающие форму высчу-

ров экранов, _ р; - площадь распыляемой поверхности, а -расстояние мевду плоскостями мишени и подложки;^ - координаты средней линии зоны распыления определяемой из функции;

(19)

_ Ш (й|«£|)

где» ^ ''р'^Гх ™ поо'гоянная интегрирования.

Коэффициент эффективности использования материала мишеня Кто

определялся из формулы.'

i/ ~кТ»ки -Í— + _ttésL

К| hp h* П / Мр6е + М Oír

и

гдег К аси - коэффициент использования материала мишени,

)< j — ^р ) .площади зон равномерного и неравномерного

ооавдения пленки, соответственно; - площадь пластины - толщина пленки в зонах неравномерного и равномерного осаждения пленки, соответственно; Л - количество пластин"'; Ирт и Л/г/з --материал распыленный при нанесении пленок и тренировке мишени, соответственно ; Мое* ~ остаток нераспыленного материала мишени.

С увеличением диаметра пластин увеличиваются размеры мишеней МР/, изготовление которых из особо чистых, тугоплавких редкоземельных и др. материалов становится сложной технико-металлургической Проблемой. Разработка метода фокусировки потока распыления материала путем наклона плоскости мишени к поверхности пластины и вращение мишени, а также принципа увеличения интенсивности распыления материала мишени и ее периферийной части позволил наносить пленки ; равномерной толщины (А - * 2-3%:') из мишеней диаметром равным я . ' и даже меньшим диаметра пластин («А.* =100-200 мм). К ^ увеличился от 0,3 до 0,8, а: К, м с 0,3 до 0,5. . .

Исследование неравномерности пленок по тоящдав и атшаштт раэработанщх математических моделей проводилось с использованием пакетов ШУ, а .также'о помощью моделирования на ЭВМ процессов нанесения пленок заданной равномерности, Измерение тол-щинч пленок проводилось измерительной системой А1РА£ТЬ|> .»«250 с погрешностью*100 А в области толщин 0,1-2,0 мкм. Максимальное У отклонение теоретических и экспериментальных данных составляло не более 9%» На основании получениях теоретических и экспериментальных данных была разработана методика расчета и рекомендаций по проектированию МРУ.

В четвертом раздела приводятся результаты исследования по по-

вышению производительности, ресурса и расширению технологических возможностей магнетронных распылительных устройств, ; "

Технологическая производительность пропорциональна

скорости распыления источника (мишени) Ц^г и Й . Увеличение Ць««- аа 0481 большей мощности в разряд ограничи-

вается теплоотводом нагреваемой в процеоое распыления мишени. Исследования по увеличению эффективности и надеж ости тешюотвода проводи* лись с использованием теплопроводащей паста КИТ и жидкого металлического магнитного сплава <з температурой плавления Ю,?°С (состав!

• галлий 62,5$, олово 16%, индий 21,5% и порошок окиси железа о

мкм)» В результате улучшения контакта мишени о охлавдаемой поверхностью катода МРУ было достигнуто увеличение От^т- (вдшени и«.ТО о пастой в 1,3 раза, с сплавом в 1,9 раза, при этом магнитный сплав надежно удерживался на поверхности катода в вертикальной плоскости и повышал, равномерность раепыления мишени, Саморегулиро- , - вание охяааденйя мишени было достигнуто путем иоподьзованвдзффек-та "термозажима" материала ыишеии в углублении охлавдаемого катода-(рис.10)« Это углубление выполнялось в зоне максимального распыления мишени, что увеличивало ресурс ее эксплуатации до 60ч непрерывного распыления при мощности б кВт. За счет эффективного охладде-ния мишени снизился нагрев плаатин о 2®0С до 185°С. Дальнейшее снижение нагрева пластин до 115°С было достигнуто путем устранения ■ электронной б омбардировки плав тин № плазмы разряда Ш> Для этого были разработаны и исследованы два метода! экранирование полюсных наконечников магнитной системы МНУ анодами й созданием дополнительного магнитного поля встречного магнитному поли МРУ, Экспериментально было доказано, что это на 96% устраняет нарушение тонких олоёв- структур СШС.

Исследования принципиально нового мультикатидиого МЯ' с несколькими электроизолированными катодами с мишенями наклоненными к плоскости пластина и вращающиеся вокруг ее показали, что увеличение угла наклона "мишеней до 40° увеличивает с 30% до 77% (рис .И).

Устройство обеспечивает заполнение ступенчатого |эельефа СШС до 0,5-0,6 и скорость нанесения пленки См до"150 А /с, что увеличивает выход годных СШС до 98%* Устройство позволяет наносить двух и трех-компонентные. пленки с регулированием состава, & также остродефицитные и особочистые материалы на. пластины диаметром 100-200 мм из че-бодьшой мишени диаметром 100 мм. На базе данного устройства был разработан ряд других МЕУ. 3|''

Для расш^ния магнитных материалов в Ш' впервые был предлоде.; и исследован метод распыления намагниченных и гофрированных мишеней С сохранением температуры мишени ниже температуры Кюри материала мишени»

Выход годных СШС на операции нанесения пленок значительно зависит от адгезионных и контактных свойств пленок с электродам микросхем, что в первую очередь определяется отсутствием окислов и загрязнений на поверхности пластин в зоне контакта» В результате изучения физических процессов в Ш с высокочастотным. (ВЧ) питанием применительно для очистки пластин путем ионного распыления их поверхности впервые удалось распылять заземленные, т»е* расположенные на не электроизолироЕанных от корпуса установки тражшс) чьы ».. змах пластин» Теоретически было обосновано наличие атр I » смеще-

ния на заземленный пластине при наличии развитого } * а тированного анода вокруг пластины (рис.12). Исследованные ВЧ МГО для сточки неподвижных' и непрерывно перемещающихся пластин обеспечивали скорость распыления до 500 А°/шн слоя при мощности разряда . 0,8 кВт и ускоряющем напряжении менее 600 В, что полностью отвечало требованиям технологии СШС. _ ,

Раздел пятый посвящен разработке и внедрению а оэрикксе пр-жз- . водство высокопроизводительного вакуумного оборудования непрерывного действия с микропроцессорными системами управления- Расчет и выбор параметров вакуумных установок, их основных технологических и других узлов проводился по результатам теоретических и экспериментальных исследований, с учетом разработанных методик расчета ШС и Ж', рекомендаций по уменьшению привносимой дефектности и повышению надежности в работе

■ ■■■1" _ 23

В конце 70~х годов для производстза СЩО Ш-64К была разрабо-• т&на первая установка непрерывного действия 0Ш-7~005 "¿Ьгна"; Непрерывная загрузка и выгрузка пластин Й 76 и Г00 мм обеспечивалась ШЗУ поштучно с использованием силы тяжести пластин на непрерывно движущийся через чевдре рабочих позиции ленточным транспортером. Дна нанесения пленок использовалось Ш с чезырехоекшонной зоной распыления мощностью 15 кВт.

Для производства СШС 64К-256К в период с 1981-66 г.г. были разработаны четыре установки непрерывного действия: ОШ™7-015 ("Магна 2М"), "Электроника ТМ-1201", "Электроника ТМ-1202" и "Электроника ТМ-1204", Последние три модели установок были снабжены безмао-ляными средствами откачки (крионасосы), масс-опекгрометрами анализа, "состава- газовой -ереды, - яанелями-для. вс трштанщв^ ^чис и!е"_комна ш технологических производств микросхем (рис.13а). Вое эти чедаре ует^ новки выполнены с использованием однотипной и надежной в работе транспортно-загрузочной системы» имеют линейное струкчурно-коапоновоч нае ра^полодание рабочих и шлюзовых камер о "жесгким"шклом транеиар-тирования и обработки в рабочих позициях. Установки объедонены о&р** . ми принципами: - непрерывное транспортирование пластин о(:еепёчиааетс# одним конвейером черва четыре рабочих позиции (магнетрокная ионная очистка, предварительный нагрев, магиетронное нанесение пленок, отжиг (в установке "Электроника ТМ-аЗОй"^ охлазщение пластин) \ - разделение рабочих камер с различным давлением обеспечивается шелевими каналами (открытая ШС) расположенной мезду общим вакуумным объвмш транспортной камеры о давлением в 100 раз меньшим» чем давдедае в рабочих камерах магиетронной ионной очистки и нанесения пленок | - для загрузки-.-выгрузки пластин, шпользуитая две шлюзовые камеры (закрытая ШО) и магазинная (кассетная) загрузка пластин ?: - для повышения производительности процесса нанесения пленок использован принцип дефференниа- , ши втой рабочей операций с размещением' в рабочей камере , позледова-' тально нескольких МРУ ; - загрузка пластин осуществляется после включения и выхода на заданный рабочий режим всех технологических уэя.ов обработки | -» для ограничения попаданиям на пластины ЩЧ цшюаовые ка* I меры снабжены средствами "мягкой" откачки воздуха, а механизмы, привода и конвейер транспортной системы расположены ниже уровня перемещения пластин и экранированы; - для управления механизируй, контроля технологических параметров'. и диагностики отказов используется, микропроцессорная система управления (ШСУ) на база ЭВМ;

, ■,. , . .га! I"

¡В Ш!*?

I '¡«иг I нм г'11,1

ТЗ|С

003 СУМ (ЦУ1

Гщ—1—л,} • 1ии1 и I у^и мин.»

Г Щ~П | Г

МП « О . 1> МК VГй "

МД(с-спдегР0иагг

ЩЁЛЕМИ КАННЛ

а)

1

щелвлмв кАнлш

Рис.13» Принципиальные схемы тпанспортко-загрузочных

: систем уатановок.0ШИ-7-015., Электроника.№1201%,

систем установок. 01Ш~ 7-010., Электроника I "Электроника №1202 (а)" и установки "Эле

каТМ-±203(6)% I - ШЗУ 1 2 - ВЧ очистка г 3

ектрони-

¿гУ;

¿ад ич уадЦ АйЧ'. и — I1

4 - нагрев ; 5 - отжиг ; 6- охлаждена® I 7 у каретка; 8 - транспортная камера»

Установки обеспечивают нанесение пленок At, Al + ^i' Ti,Pt и дп, материалов на пластины 0 75, 1'00, 150 мм с пооиэво-дительностью не менее 100 пл/ч из мишеней с запасом материала более 60ш при скорости нанесения,например,пленок А$ 7Q~I20A°/c с А '

Скорость маг-нетронной очистки кремниевых пластин составляет 100-500 А0/мин при А. Ь%а В результате стабильного поддержания давления и состава газовой среда и скорости распыления мишеней воспроизводимость толщины и электрофизических-свойств пленок в течении 16 часов непрерывной работа установок составили * 3$, а уровень привносимой дефектности 1-1,3 ч/ом^ при d4> 0,26 мкм, что обеспечило выход годных межсоединений на данной операции металлизации микросхем более 95%. Всего было изготовлено- 260 установок данного типа»

В начале 90- х годов -была- -разраб отана- принципиально- коваяцм одел ь_ .. установки непрерывного действия "Электроника для металлиза-

ции более сложных СШС I-I6M (рис.136)» Установка также Онт оснащена двуш шлюзовыми камерами, крионаоосами, масс-епектроматрада, аанеля-ми для встраивания в "чистые" комнаты. Оообеннооть» уоишоаки является: разветвленная ("кластерная") компоновка однотипных (модульных) рабочих и шлюзовых камер вокруг высоковакуумной транспортной камеры, что обеспечивает транспортирование и"раздачу" пластин в рабочие камеры в любой последовательности, т,е. в установке реализуется гибкий технологический процесс. Установка имеет и другие преимущества; -для уменьшения привносимой дефектности до уровня 0,08-0,2 шт/сьг при d4> 0,1 мкм аагрузка, транспортирование, обработка в рабочих камерах и выгрузка осуществляется при вертикально! расположении пластин, а шлюзовые камеры кроме наличия фильтров для улавливания МВД, снабжены средствами "жесткой" откачки и контроля расхода газа при "мягкой" откачке ; - при наличии щелеэдх каналов для транспортирования пластин р рабочие камеры, последние могут герметизироваться от транспортной камеры затворами, что позволяет проводить технологические процессы с активными газами (М.»02 и др.) с полной герметизацией рабочих камер, или вскрывать их для профилактики идя ремонта беа нарушения рабочего вакуума в других камерах« - кандая рабочая камера снабжена индивидуальной ШСУ, работу которых объединяет и координирует общая ШСУ ус9а* новки на базе компьютера J6« PC % - однотипность конструкций рабочих камер, индивидуальность их систем управления, возможность наращивания или сокращения длины транспортной камеры дают возмоннссть собирать на одном тракепортн о-загрузочном конструктиве установки с различным количеством рабочих камер (от 2-х до 6-ти), что значительно расширяет технологические врзмошосЭД выбранного структурно-компоновочного построения оборудования.

Рабочие камернувтановки 'снабжены ВЧ м'агнетронным, устройством очистки и »ультикатодным Ш для металлизации пластин ¡0 100, 150 и • 200 мм*. В процессе металлизации предусмотрено поддержание и регулй-" рование температуры нагрева пластин и подача на них отрицательного или ВЧ смещения.

Для освоения технологических устройств многослойной металлизации СШС частного применения на пластинах и нанзеения магнит-

ных пленок были разработаны две модели установок непрерывного действия с групповой обработкой "0ратория-22" и "Электроника №1205". Установки снабжены безмасляными средствами откачки, 111С закрытого Типа, обеспечивают одновременное осуществление 3-5 рабочих операций в т>ом числе. обработку пластин з вертикальной плоскости и управляются от ШСУ» Установки снабжены принципиально новой системой транспортирования пластин, выполненной в виде периодически вращагацейся .плиты с размещенными на ее двух плоскостях групповыми держателями пластин» Плита одновременно является затвором герметично разделяющим рабочую Я шлюзовую камеру, что значительно упрощает конструкцию ' установок и повышаем надёжность их в работе» Было изготовлено 8 уста-; новок данного тайги

В период 0-1977 по 1994 г.г. было разработано более 9 модификаций промышленных установок непрерывного действия с общим выпуском около 300 вич, что позволило практически обеспечить электронную про-мышлг ¡ность отечественным вакуумным оборудованием для производства ЕИС и СШС на операции металлизации. Разработанное оборудование серийно выпускается на Калининградском машиностроительном заводе "Кварц" и опытной заводе "Элион" г, Зеленограда» Экономический эффект от внедрения оборудования за период 1980-1994 г.г. составил более 60,0 млн.руб. (в иенах 1991г.),

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Постоянное изменение состава газов вакуумной среда рабочих камер при загрузке и выгрузке изделий является основной причиной непригодности вакуумного оборудования периодического действия душ промышленного выпуска сверхбольших интегральных микросхем (СШС), Необходим принципиально новый подход к проектированию 'вакуумного технологического оборудования.

2. Научные принципы создания вакуумного оборудования для производства СШС предусматривают построение установок непрерывного действия с новой нетрадиционной структурой и компоновкой, с другими принципиально новыми методами загрузки и транспортирование пластан, с изменением схемных решений технологических устройств обработки изделий и режимов их работы.

Эти принципы заключаются в следующем! Г

- постоянное поддержание стабильного давления и состава газовой среды в рабочих камерах я технологических устройств обработки пластин в рабочем режиме ;

- осуществление непрерывного технологического ирошот обработки изделий путем овмещения синхронной загрузки, непрерывного

транспортирования, одновременной многопоаиционной обработки и выгруз^ ки пластин* ■■

- создание многокамерной структуры установок с вакуумной изоляцией рабочих камер мезду собой на основе шлюзовых систем*

- нанесение пленок сфокусированным потоком распыленного материала на базе магнетронного разряда применительно к индивидуальному

й непрерывному- транспортирован»^ вдюетшг-----------------------:____

3. Разработанная теория расчета газовик потоков в многоступенчатых шлюзовых системах закрытого и открытого типов при стационарном а нестационарном режимах течения газа и полученные форцулы позволяет расчитывать конструктивные размеры межкамерйых каналов ¡разовых систем , выбирать скорости разгерметизации затворов, шдозовшг камер и-

ранспортирования пластин, режимы откачки ШЗУ с достижением отбиль*-¡ого рабочего давления и состава га&орой среда, минимальной привнши-.мой дефектности на пластинах, ;

4. Для расчета конструктивных размеров и конфигураций магнитных систем, наклона мишеней к пластинам для фокусирования распыленного материала на пластины й создания магнетронных распдагйТедьных устройств (МРУ), обеспечивающих нанесение пленок сложного состава , на непрерывно перемещающиеся и неподвижные плартины с неравномерностью по толщине ^ й-5% разработана теория расчета МЙ/ и "получены соответствующие формулы* ■ _.

б. Экспериментал'.чые исследования «о повышений йроиаводитель-ности, ресурса мишеней и расширению технологических возможностей ИРУ показали следующие результаты! , \

- для увеличения скорости нанесения' пленок необходимо подача большей мощности в разряд одновременно с улучшением охлаидения мишеней, Теплопроводная паста ЩР увеличивает скорость нанесения пленок} например, титана в 1,3 раза, а жидкий металлический магнитный сплав - в 1,9 раза;

- для увеличения запаса материала мишеней необходимо выполнить мишени с утолщением в зоне'максимального ее распыления, а полученный выступ.разместить в углублении катода, что повысит одновременно надежность работы МРУ за счет "термозажима" мишени при ее разогреве;

2В

- для нанесения двух, трехксшпонвнтных пленок с регулированием состава, остродефицитных и оообочистых материалов необходимо применять мультикатодное ¡Ш с диаметром мишеней 100 мм. Устройство обеспечивает скорость нанесения пленок Си до 190 А°/с, = ' =0,7? и заполнение пленкой рельефа микросхем до 0,5-0,6;

-для уменьшения нагрева изделий до Т=П5°С и устранения нарушения структур микросхем необход. чэ экранирование полюсных наконечников ШУ анодами и создание дополнительных магнитных полей встречных по направлению основным полям Щг %

- для нанесения магнитных пленок необходимо мишени намагничивать или выполнять гофрированными.

6. Для обеспечения высокой скорости очистки до 500А°/мин при энергии ионов не более 600 эВ можно рекомендовать высокочастотное магнетронное устройство очистки заземленных пластин - перспективное технологическое устройство, которое упрощает конструкцию и повышает надежность средств внутрикамерного транспортирования пластин.

7. Цикловая производительность созданных вакуумных установок (по изделиям-микросхемам) увеличилась в десять раз за счет полного совмещения во времнни основной (нанесение пленки), дополнительных рабочих и холостых операций загрузки, транспортирования и выгрузки пластин, а также путем дифференцирования наиболее длительной основ-, ной рабочей операции по трем позициям:

- достигнуто увеличение технологической производительности магнетронных систем нанесения пленок почти в три раза за еч;гт по-

К a of | у д •

«с,», Кь, скорости распыления материала мишени к использования пластин большого диаметра (100, 150 мм).

- достигнут выход годных изделий с пластин на операщи метал- . лизаши на установке "Электроника .¡.201" 'более 95%, за счет стабильности давления, состава газовой среды, исключения нарушения структур и уменьшения привносимой дефектности до 1-1,3 ч/см^ при с1ч> 0,28 мкм; .

- надежность работы установок 0IM-7-0I5, "Электроника ТМ--1201" и "Электроника Tai-1202" составила ^=0,94, за счет применения метода базового конструирования, а именно использование для этих установок отработанных транспортно-шлюзовых систем,

8. Разработано три базовые конструкции транспортно-шлюзовых . систем и создано 9 модификаций установок непрерывного действия для. производства ОЩС. Серийно выпускаются на Калининград,ском (обл.) машиностроительном заводе .:1'Квари" установки 01Ш-7-015 и "Электро-. . нияа TM-I20I, а также.на заводе "Элион"г.Зеленограда партии установок Сратсркя-22", "Эизк'троника TM-I202, №1203, Т^ 1204м.

Несколько партий установок постелено в зарубежные страны. Всего выпущено около 300 установок. Средний реальный экономический аффект за период 1980-1994 г.г. от внедрения" оборудования составляет более 60,0 млн.руб.. ( в ценах 1991г„)„

Пй.-.жэш..ш»вапрши одубдйК(?ваш .рледздра...доение работы;

1. Одиноков В.В. Шлюзовые системы в вакуумном оборудовании. -М.г Высшая школа, 1981. ~ 55 с.

2. Одиноков В.В, Многокамерное оборудование для металлизации "СШС в вакууие. // Электронная црешшленнооть**1Ш1,Вып.5,-С.З-4.

3. Одиноков В<$мМинайчев B.S. Разработка оборудования для формирования пленочных структур в производстве перспективных СШС. //Разработка и исследование технологического оборудования микро-

"электроники? Сб.науч.трудов. Щ&Т, j.99'1, * С.5-15."-

4. Оборудование полунепрерывного и■репрерывнорр действия для вакуумного нанесения тонкопленочных элементов интегральных схем /Б.С,Данилйн,В#В.Одмноков,В,Д.Пупко и др.// Зарубежная электронная техника! Науч.-техн.сб./ ЦШИЭ, - М., 1976, Вып,2.

вып.8» - бй с. ■■■■.■

5. Шогокамерная установка непрерывного деЯвтаия "Электроника ТьМйОЗ" ДЛЯ занесения пленок в вакууме / 8,В»Дмитриав, П.В.Ма* рай, В .В. Одиноков и до,// Электронная процнаденнооть. - 1992» Внп.б. - 0,33-34.

6. Климатов O.A.» Одиноков В.В., Панфилов Р,В, Вубор структурно-компоновочных вариантов оборудования для нане^еде пленок

в §акууМб ТО критерию "цикловой производительности"// Электронная техника: Научн.-вехн.сб./ »1Э, - М, 1Ö9I. -0.04-71.-(Сер.Т®0; Выт5).

7. Климанов C.A«, Одиноков В.В., Облонский 4,8, Bjj6öp принципиальной "конструктивной схемы дшэоеого загрузочного устройства вакуумного оборудования по критерию ,:«адежнреть"// Эле^тро:-щая те; никаг 11аучн.-»ЗД.0б,/даИИЭФ -М, ,1909.-С,3&-39. -(Оер.Микрзэлектр ника; Вып.5). , . • "

6. Вакуумная установка непрерывного де»тв..я для намерения пленок магнетронным распадением /Ю.Й,Мелехин, В.Е.Шнайчев, В.Б. Одиноков и др.// Электронная проаддаднноать, - IS&5, Вып.2,-0.51-

' 9. Мииайчев В..Одиноко» Б»В-, Малевич В.А. Установка Непрерывного действия двд нанвоедш тонкопленочннх элементов $С// Зяек^рош^ая промьиденноать, - W&-, О ^ 1-76,

Ю, Корсаков В,А,, Мйиайчев В,£., Одиноков Е В, Вакуумная устаиоара непрерывного действия с ыагнетронной системой рдопВДеиц //&|вц*ронваз промышленность t - Зап.9, - С.44-45.

.SO' • '

И. Жэлехин Ю.Я., МинаШев В„В.Одиноков В .В «.Развитие валунного оборудования дня нанесения пденойних структур ИС И Элект-оннал техника! Научн.-техн,сб,/1РШЭ,*Й*.,198?,-СЛ51'-1б1* -(Сер, (икроэлектроника % Вып.4),

12. БедейКо В»В*,- Беляков А.И., Одиноков В,В« Вакуумная уста-овна со шлюзовой загрузкой и криогенной откачкой У/Электронная прсь ыайеннооть. «•■ 1991* Выгиб. - С»5-б»

13. Дадилйн '0.0,, Шнайчев В.Е., Оданоков В.В, Исследование аэовсй среда при нанесений пленок в установке со шлюзовыми сиоте™ айй // Электронная техника;■ Наувд.-техн»еб,/1|ШЭ*~М.

89■ (Сёр»Й1кроэлектроника; Вып.З)»

. 14, Кайманов С.А»» Мотузенко В ¿11*, Одиноков В.В* Анализ надеж-ости установок вакуумного нанесения тонких пленок // Электронная ■ехниваг. Нау«,^те:ш.еб./ЩШЭ* -М, 1991» - 0*72^77.~(ОД ЛШОфт.5),

15, Йшайчев В.Е., Одиноков В.В», Савин »« Вакуумные шлюзовые йгрузочдае устройства П Приборы и техника эксперимента, - 1976*

- С»215-217е ■■■•■■■

16. Мкнайчев В.Ё., Оданоков В»ВМ Тюфаева ГЛ. Магнетронныё »аспылительные устройства (магратрош)// Электродная техника; Науч.-» ■•гехшеб*АрШЭ*: М», 1979» - 56с»~(СерД'Ш0?Бап48). .

, : 17« Мшайчев ВаЕ»* -Одиноков В*В*, .Спиваков Д.Д, Магнетронше аопыпенй©; магнитных материалов // Электронная техника: Науч.-техн.. 16./ЦШИЭ, - М., .1966. - 32 с. -(Сер, ТСПО; Вып. 14). . 18» Иевдненко -В*й., Климович $»В.у Одиноков В.В. Формирование здадаого распределения толщины тонкопленочных покрытий при магнеФ» юнжзм распадении материалов/ ЫНШЭ.-М«-»1988, - 5с*~ Деп*в ВИКШИ, ь 4620-Р.

- 19. Минайчей В»Е«, Одиноков Б*В., Терехов А.А. Машетронное »опылительное, устройство с подвижной магнитной. системой // Электронная теетикаг На^.-тёхн.сб.^^ ЗЫП.4), ..,-....

20. Йваэбйёнко В.Н«, Климович Б*В*, Одиноков »» Нанесение равномерных пленок на неподвижные подложки иагнетронным распылитель*

устройством /ЦНШЭ.-М.,1988*-»06ь -Деп.в ВИКИТЙ, № 4621-Р.

21. Одиноков В.В., Наталочка С,В., Шанов Б.А. Магнетромная рас-тылительная система с вращающимися катодным узлами // Электронная техника: Науч.-теХн.сб./ЦНИИЭ.-М.,Г991.-С.З-5.-(Сер.ТШ0 ; Бып.5)„

, - 22. Наталочка С «В., Одиноков В.В. Магнз тронная распылительная зистема для индивидуальной- обработки пластин с плоской мишенью ^ и вращающимся блоком/7 Электронная промышленность,-1990.ВЫП.11.-С.З-4»

"; ' 23» Какурин M.B., Манайчев В,Е,, Одиноков B.B. О нагреве под' ложек в пленарных магнетронных распылительных устройствах // Электронная техникаШауч.-техн.сб„/ЦНММЭ.-М. ,1980.-'С,Ю5-106, - (Сер. Микроэлектроника $ Вып.6).

84. Одиноков В.В., Сарчин В,К,, Чепахин В.Г. Разработка магнетронных распылительных устройств с эффективным использованием материала мишэни // Микроэлектроника.-94: Тез.докл.Российской конференции! -Звенигород. т994, - ч,2." СЗОЬЗОЙ. ;:

25. Одиноков В.В., Панфилов Ю.В., Соколов Д.Б, Устройство контроля и анализа потоков мелкодисперсных частиц на поверхности внутри вакуумной камеры // Датчики и преобразователи информации систем измерения контроля и управления» Тез.докл.Всесоюзной научно-техническо!

• конференции, .- Гурзуф» I0Q4. - чЛ. - С.232-233И--—---—:-:-

26» Панфилов Ю.В,, Гусаров В»В., Одиноков В.В, Уменьшение привносимой дефектности в вакуумном технологическом оборудовании // Чистота и микроклимат-88; Тез. докл »Второй научно-технической конферен-нии. - M.,I9g8, ^ G.9S^I0I» ; Г ,

' 27. A.c. 788831 СССР, МКИ3 С23С 13/08. Установка для нанеоения покрытий в вакууме / В.Ё,Мина0аев, В.В.Одиноков, В.В.Савин и др. (СССР).- № 2420065/18-21 \ ЗаявлЛ5.11.76; ■

28. A.c. 1121319 СССР, ¿»¡ИИ3 С23С 13/08. Устройство для нанесения покрытий в вакууме / Н.СРБалакин, В.В »Одиноков, АЛ.Беляков и др„(СССР). - № 3614097/24-21; Заявл.01.07,83 ; 0публ.30.10.84,

Бюл. № 40. - 3 с.

29. A.c. 15685в? СССР, Ш3 G23C 14/32, Устройство для.ионной , Оцино^о»• «На-ж^дачка• В.ПЛуськов и др.

. (СССР).-№4330148/24-21 $ Заявл.19.10,87 i ■ ■

30. A.c. I609I90 СССР, МКИ3 С23С 14/35. Катодный узел магнет-рснного распылительного устройства / С.В.Наталочка, В.В.Одиноков (СССР),- № 4680036/24-21$ Заявл.14.04,89 $ •.

31. A.c. 1383843' СССР, МНИ3 С23С 14/34. Устройство для нанесения покрытий з вакууме /А.А.Терехов, В.В,Одиноков (СССР). - .

№ 3878321/24-21 $ Заявл,01,04.85,; -

32. A.c. 1292382 Ш2Р^Ш3 С23С 14/34, Устройство для нанесения покрытий в вакууме ионно-плазменным распылением/В.В.Одиноков, С.В.Наталочка, В.й.Минайчев (СССР-'.- .» 3803990/24-211 Заявл.

24.10,84« _

33. .A.c. 1141787 СССР, ШИ*1 С23С 14/24. Споооб нанесения ферромагнитных материалов в вакууме/ Н.С.Балакин, С.В.Наталочка, В.В,Одиноков (СССР).- * 3471150/24-21; Заявл.20.07.82;

32 ^J^i-

V "'■.'.' и ■-.

Заказ 3. Тираж 100. экз. Отпечатано в типографии АО "ШИТаГ.