Оборудование для ионно-плазменного нанесения покрытий

Отчёт о прохождений научно-исследовательской стажировки в Люблинском политехническом университете (Польша).

 

Люблинская политехника — один из пяти государственных учебных заведений Люблина. Причем, это единственный вуз технического профиля в городе. Привлекательность университета обуславливается в первую очередь высоким уровнем обучения и современным образовательным предложением.

Со времён основания Люблинская политехника осуществляет подготовку инженеров и проводит научные исследования, в основном на потребности Люблинского региона. Главные направления научных исследований, которые сейчас проводятся в учебном заведении, связаны с развитием конструкций и технологий, охраной окружающей среды, а также экономией материалов и энергии.

По меркам Польши Люблин – город относительно крупный город (более 350 тыс. населения), но тем не менее достаточно компактный. Вуз расположен в центре города. Город очень уютный, вокруг университета расположены парки, сады, где очень приятно проводить время между лекциями.

В университете созданы крайне благоприятные условия для обучения. Бесплатный wi-fi на территории университета, бесплатный доступ к обширной библиотеке, присутствуют компьютеры в лингвистических аудиториях, принтеры. Также в самом университете имеется копи-центр.

За время прохождения стажировки в Люблинском политехническом университете мы ознакомились c учебной методикой, библиотекой и участвовали в семинаре на тему «fuel and combustion». По теме диссертации «Повышение работоспособности износостойких покрытий применением комбинированной обработки режущего инситрумента» было собрано большое количество информации.

Впечатления от проведенной за рубежом стажировки – крайне позитивные. Я искренне советую всем студентам, имеющим возможность, попробовать свои силы.

Уникальный опыт, международное окружение, другая культурная среда и система образования, новые профессиональные и личные контакты – это лишь то немногое, что ожидает студентов во время стажировки.

 

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Структурно установки для вакуумной ионно-плазменной обработки состоят из различных систем и устройств. Большинство установок для обработки с целью упрочнения поверхностных слоев инструментов и изделий машиностроительного назначения созданы на базе или конструировались, базируясь на основных элементах конструкции вакуумных напылительных установок, разработанных и применяемых при производстве пле­ночных элементов полупроводникового производства и интегральных схем. В таблице 1 приведены основные характеристики отечественных базовых моделей вакуумных напылительных установок периодического действия, применяемых в микроэлектронике. В основе базовой модели заложено одно или несколько технологических требований, общих для ряда процессов напыления тонкопленочных элементов.

Таблица 1

Х арактеристики базовых моделей вакуумных напылительных установок

Индекс модели	Предельный вакуум, Па	Размеры рабочей камеры, мм	Объем рабочей камеры, м3	Управление откачкой
УВН-2М	1,3 • 10-4	D=500х640	0,12	Ручное
УВН-70А-1	6,6 • 10-5	D=500х640	0,12	Автомати­ческое
УВН-70А-2	6,6 • 10-5	D=700х500	0,24	Тоже
01АГМ-4000 (вакуумный агрегат)	6,6 • 10-6	Нет	-	Ручное и автоматическое

 

Базовая модель УВН-70А-2 и вакуумный агрегат 01АГМ-4000 обладают улучшенными вакуумными характеристиками за счет применения более совершенных средств вакуумирования. Увеличение степени групповой загрузки и обработки подложек обеспечило широкое использование модели УВН-70А-2 в условиях крупносерийного и массового производства. Индексация вакуумных напылительных установок серии УВН представлена на рис. 1.

Базовая модель УВН-70А-2 предназначена для создания и поддер­жания вакуума в рабочем объеме и служит основой для ряда техно­логических модификаций путем встраивания внутрикамерного устройства и доукомплектования соответствующей системой питания и управления. Схема и общий вид вакуумной установки приведены на рис. 2. Paбoчая камера, выполненная в виде цилиндра с горизонтальной осью, имеет торцевые крышки, которые могут откатываться по направляющей вдоль оси цилиндра и поворачиваться вокруг вертикальной оси в крайних положениях. Управление установки обеспечивает ручной, наладочный и автоматический режимы. На базе данной моде­ли создан ряд установок, например, УВН-71П-4, УВН-73П-1, УВН-74П-3, УВН-73П-2 и УВН-75П-1, предназначенных для напыления проводящих, диэлектрических и полупроводниковых пленок.

 

 

Рис. 1. Система индексации вакуумных напылительных установок серии УВН

 

Установка УВН-75П-1 (рис. 3) обеспечивает напыление различных материалов с помощью ионного распыления и электронно-лучевого испарения. Потребляемая мощность установки 33 кВт, габаритные размеры 4000x4500x2255 мм. На задней крышке рабочей камеры установлены блок электронных испарителей с кольцевым катодом мощностью 2 кВт, механическая заслонка и нагреватель подложек (20-350 °С), на передней крышке - цилиндрический подложкодержатель барабанного типа. Быстросменные кассеты с подложками уста­навливают в специальные гнезда. Вращение барабана (с частотой n = 20 об/мин) обеспечивается приводом, расположенным на передней стороне крышки камеры.

 

 

Рис.2, а. Схема вакуумной установки УВН-70А-2:

1 – паромасляный насос Н-5К; 2,8,9 – манометрический проеобразователь; 3,5,11 – клапан; 4 – цеолитовая ловушка; 6 – форвакуумный насос ВНМ-1ВГ;

7,12 – натекатель; 10 – рабочая камера; 13 – высоковакуумный затвор;

14 – азотная ловушка; 15 – азотный питатель; 16 – сосуд Дьюара

 

 

Рис.2, б. Общий вид вакуумной установки УВН-70А-2:

1 – панель включения питания установки; 2 – вакуумметр;

3 – блок управления вакуумной системой; 4 – корпус;

5 – лрвушка азотная; 6 – затвор высоковакуумный

7 –питатель азотный; 8 – механический вакуумный насос;

9 – направляющая; 10 – крышка; 11 – камера; 12 – крышка

 

 

В нижней части камеры находится ионно-плазменная распылитель­ная система. На мишень подают отрицательное напряжение при распы­лении проводников или переменное высокочастотное с частотой 1,76 МГц мощностью 1 кВт - для распыления диэлектриков. Высокочастотное напряжение может быть подано к барабанному подложкодержателю, изолированному от земли, для проведения ионной очистки перед напылением. Постоянное напряжение на мишени в режиме ионного распыления 3 кВ, максимальный ток 400±50 мА, рабочий вакуум при этом достигает (3,9–7,8) ^.10 ^-2 Па.

 

 

Рис.3. Внутрикамерное устройство установки УВН-75П-1:

1 – ионный источник распыления; 2 – камера; 3 – нагреватель подложек; 4 – блок элекиронных испари-телей; 5 – дроссельная заслонка; 6,10 – заслонка; 7 – барабанное устройство; 8 – кассета; 9 – датчик прибора КСТ-1

 

Работа вакуумных систем, выполненных на основе паромасляных насосов, сопровождается миграцией паров рабочей жидкости и продуктов ее распада в рабочую камеру. Применение различного рода отражателей и ловушек не обеспечивает полную защиту от указанных загрязнений. Поэтому значительный интерес представляют способы получения высокого вакуума, исключающие загрязнение рабочего пространства. Одним из таких решений является разработка вакуум­ного агрегата 01АГМ-4000 на базе комбинированного геттерно-ионного насоса (рис. 4). Откачивающее действие насоса основано на поглоще­нии активных газов непрерывно осаждаемой пленкой титана и иони­зации молекул инертных газов в разряде с последующей откачкой ионов на электродах. В корпусе насоса размещены восемь магнито-разрядных блоков и четыре испарителя из титано-молибденовой про­волоки с запасом титана около 220 г.

 

 

Рис.4. Вакуумная система агрегата 01АГМ-4000:

1 – рабочаякамера; 2 – высоковакуумный затвор; 3 – комбинированный гетерно-ионный насос; 4,11 – натекатель; 5 – механический насос;

6,7,9,10 – клапан; 8 – прогреваемая сорбционная ловушка ЛС1Т-63;

12 – осушитель напускаемого воздуха; 13 – манометрический преобразователь МТ-6; 14 – манометрический преобразователь ММ-32

 

Предварительная откачка рабочей камеры осуществляется механи­ческим насосом ВНМ-18Г через обводную магистраль с фильтром из пористой коррозионностойкой (нержавеющей) стали до разрежения 6,7^.10–1,3^.10² Па, а затем - через чистовую магистраль с сорбционной ловушкой типа ЛСГТ-63 до давления 1,33–6,7^.10 ^-1 Па. Контроль и блокировка предварительного вакуума осуществляются датчиком типа МТ-6 и вакуумметром ВТБ-1. Обводная магистраль сокращает время предварительной откачки и снижает газовый поток, проходящий через сорбционную ловушку, увеличивая тем самым срок ее работы до регенерации.

Высоковакуумный затвор перекрывает комбинированный геттерно-ионный насос на период предварительной откачки рабочей камеры и открывается после достижения в ней заданного вакуума при закрытом клапане на чистовой магистрали. Контроль и блокировка высокого вакуума в рабочей камере осуществляются от датчика типа ММ-32 и вакуумметра ВМБ-8.

Скорость испарения титана в насосе автоматически регулируется в зависимости от давления в системе. Для дегазации корпуса насоса предусмотрен его прогрев до 200 ^оС от испарителя титана при пониженной мощности. Для предотвращения конденсации паров влаги высоковакуумный затвор перед напуском атмосферы прогревается горячей водой. Коммутационная аппаратура имеет пневматический привод с электромагнитным управлением. Уплотнительные элементы высоко­вакуумной системы выполнены из резины марок ИРП-1345. Агрегат обеспечивает вакуумирование как в ручном, так и автоматическом режимах. В системе управления предусмотрены блокировки по давле­нию в контрольных точках, что обеспечивает отключение и перекрытие необходимых элементов в аварийных случаях. Мнемосхема агрегата со световой индикацией позволяет наблюдать за состоянием системы. Аналоговый выход от 0 до 10 В с вакуумметров позволяет подключить агрегат к ЭВМ.

Время достижения вакуума по обводной линии до 1,3 ^.10² Па сос­тавляет 12 мин, а до момента открытия высоковакуумного затвора 17 мин. Предельное разрежение 1,3 ^.10^-6 Па создается через 2 ч. Время достижения вакуума 6,7^.10^-5 Па с момента открытия высоковакуум­ного затвора составляет 15 мин. Максимальная потребляемая мощность составляет 16 кВт. На основе данной модели разработаны установки (например, УВН-84П-1, УВН-83П-1) с резистивным и электронно-лучевым испарителями, обеспечивающие получение высокочистых пленок различных материалов.

Для осаждения высококачественных слоев оптических покрытий (отражающих, просветляющих, светоделительных, защитных) на основе диэлектрических материалов, например, ZrО₂, ТiО₂, SiО₂, A1₂О₃, Si разработана усовершенствованная автоматизированная установка УРМЗ 279.060. Применение электронно-лучевого испарителя на основе аксиальной пушки мощностью до 10 кВт с отклоняющей системой и ловушкой отраженных электронов позволяет в широком диапазоне варьировать условия процесса испарения изменением фокусировки луча и программы его сканирования по поверхности нагрева. Дифференциальная схема вакуумирования электронной пушки и быстродействующая защита от высоковольтных пробоев обеспечивают выполнение технологических процессов реактивного напыления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом предусматривает получение в рабочей камере вакуума (предельное остаточное давление 6,6 ^.10^-5 Па) и его поддержание в диапазоне 0,013–1,3^.10^-4 Па при реактивном напылении, нагрев подложек до температуры 300 °С и стабилизацию ее в заданном интервале, вывод на режим электронно-лучевого испарителя и контролируемое по толщине слоя напыление, подсчет числа слоев (до 40), отключение установки и подачу горячей воды при открывании камеры. Для создания высокого вакуума используют диффузионный насос Н 400/7000. Защита от паров масла осуществляется с помощью заливной азотной и водяных лову­шек, установленных на диффузионном и механическом насосах. Уста­новка УРМЗ 279.060 обеспечивает увеличение цикловой производительности в 1,5 раза по сравнению с ранее применяемой установкой УРМЗ 279.047 при значительно большей степени автоматизации, надежности, меньших площадях (2800x2400x2000 мм) и массе (2000 кг).

Осаждение слоев в минимально короткое время можно осуществить, если обеспечен высокий коэффициент распыления материала и созда­ны условия для осаждения на подложку максимального числа распылен­ных частиц. Это можно' сделать при большом токе мишени, высоком напряжении на ней, низком рабочем давлении.

Наиболее просто такие условия могут быть созданы в системе распыления с ионным источником при условии применения распыли­тельного устройства, обеспечивающего осаждение пленок на большую поверхность при равномерной толщине слоев. Ионный источник в та­ком устройстве должен эффективно работать в широком диапазоне давлений.

При этом представляется возможным использование распылитель­ного устройства и при работе в режиме обычной диодной системы, а также распылять последовательно или одновременно несколько ма­териалов, если установить ряд мишеней.

Если используется несколько ионных источников, то в каждый из них можно подавать определенный инертный газ и создавать ионные токи от различных газов. При изменениях режима работы ис­точников будет изменяться величина вытягиваемого ионного тока.

На основании проведенного выше рассмотрения можно следующим образом сформулировать некоторые пути повышения производитель­ности распылительного оборудования:

1)уменьшение времени на проведение вспомогательных операций;

2)проведение группового осаждения пленок;

3)достижения высоких скоростей осаждения.

В некоторой степени этим требованиям удовлетворяют специали­зированные установки типа УВН-72P-1, УВН-75Р-1, УВН-75Р-3. Воз­можность использования этих установок для массового выпуска изделий микроэлектроники достигнута в результате применения ионного источника и распылительной камеры.

В ионном источнике (рис.4,а) разрядная камера, служащая анодом, выполнена в виде цилиндра из нержавеющей стали. По оси разрядное камеры расположено отверстие для излечения ионов. Катод источни­ка представляет собой спираль, заготовленную из вольфрамовой про­волоки. Ось спирали совпадает с осью анода. При подаче в источ­ник инертного газа между накаленным катодом и анодом, к которым приложено напряжение, возбуждается дуговой разряд. Магнитное по­ле, создаваемое электромагнитом и катодом при протекании через него тока накала, и малое расстояние между анодом и катодом спо­собствуют поддержанию разряда о большим током до давления 1^.10^-4 мм рт.ст. Использование такого источника для создания ионов инертного rasa позволяет проводить распыление при давлениях на порядок ниже, чем у существующего оборудования. Безусловно, это способствует увеличению скорости образования пленок.

 

Рис.5. Схема ионного источника установки УВН-75Р-3 (а):

1 – корпус (анод); 2 – выходное отверстие ионного источника; 3 – спиральный катод; 4 – катушка электромагнита;

схема распылительной камеры (б):

1 – корпус камеры; 2 – распылительный материал; 3 – ионный

источник; 4 – игольчатый натекатель рабочего газа; 5 – электрод; схема рабочей и распылительной камер установки типа УВН-75Р-1 (в):

1 – карусель барабанов; 2 – барабаны; 3 – ионный источник для очистки подложек;

4 – подложки; 5 – ионный источник распылительной камеры; 6 – мишень;

7 – затвор; 8 – заслонка; 9 – электронный испаритель; 10 – нагреватель барабанов с подложками