Повышение эффективности автоматизированного контроля процесса осаждения тонких пленок на основе емкостного метода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность темы. Тонкие пленки, получаемые методами осаждения в вакууме, находят разнообразное применение в измерительной технике, приборостроении (в частности, в радиопромышленности), изделиях электроники и микроэлектроники.

Качество наносимых слоев оценивается путем контроля таких параметров покрытий, как толщина, химический состав, пористость, плотность, адгезия, износостойкость, твердость, шероховатость, внутренние напряжения и др. Совокупность контролируемых параметров в каждом конкретном случае зависит от назначения покрытия, однако для любого нанесенного слоя одним из важнейших параметров является его толщина.

В ходе изучения технологического процесса контроля толщины покрытий было выяснено, что в настоящее время не существует универсальных методов и средств, в равной степени удовлетворяющих всем предъявляемым требованиям к методам и датчикам оперативного технологического контроля процесса осаждения покрытий в вакууме. Поэтому вопрос о выборе метода измерений и прибора должен решаться в каждом отдельном случае в зависимости от метода нанесения покрытия, свойств материала, а также от диапазона требуемых значений толщины и необходимой точности измерений.

Для обеспечения стабильности качественных характеристик покрытий при термовакуумном нанесении необходимо наличие средств автоматического контроля и регулирования параметров покрытий и технологического процесса. Поэтому актуальной является задача непрерывного автоматического контроля этих параметров в процессе осаждения покрытия.

В данной работе предпринята попытка создания универсального датчика для контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме, применяемых в электронной промышленности.

Цель работы - Повышение эффективности автоматизированного контроля процесса осаждения тонких пленок на основе емкостного метода.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- анализ существующих методов контроля толщины покрытий в процессе нанесения их в вакууме;

- разработка и исследование емкостного метода контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме;

- разработка автоматизированной системы контроля толщины покрытий в процессе нанесения их в вакууме;

- экспериментальное исследование и подтверждение результатов теоретических исследований емкостного датчика и автоматизированной системы контроля толщины покрытий.

Объектом исследования настоящей работы является технологический процесс нанесения покрытий в вакууме.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен и исследован емкостный метод контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме;

- разработана математическая модель емкостного датчика, связывающая изменение емкости с изменением толщины покрытия.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработан емкостный датчик толщины покрытий, наносимых в вакууме;

- разработана система автоматического контроля толщины покрытий;

- исследованы чувствительность и ресурс емкостного датчика;

- уменьшена температурная зависимость показаний датчика за счет применения компенсационного конденсатора.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы внедрены на ООО «НПП Тензосенсор» и ООО НТЦ «Интрофизика» (г. Рыбинск), а также используются в учебном процессе в РГАТА имени П. А. Соловьева при преподавании дисциплины «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ».

Основные положения, выносимые на защиту:

- емкостный метод контроля толщины покрытий;

- математическая модель емкостного датчика;

- принцип построения емкостного датчика толщины покрытий, позволяющий уменьшить влияние температуры на датчик.

Апробация. Результаты работы прошли апробацию в докладах на 11 международных, всероссийских, межрегиональных научно-технических, научно-практических и студенческих симпозиумах, конференциях и семинарах: IX, X, XI Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности России», (Москва, 2004 - 2006 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Моделирование и обработка информации в технических системах», (Рыбинск, 2004 г.); XI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика», (Москва, 2004 г.); XXIX конференции молодых ученых и студентов, (Рыбинск, 2005 г.); VI Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения», (Ярославль, 2005 г.); XI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов, (Москва, 2005 г.); международной научно-технической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», (Минск, 2006 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых 1 патент, 8 статей и 3 тезисов в сборниках материалов конференций и симпозиумов.

1. Анализ современного состояния области исследования

Рассмотрены существующие методы осаждения покрытий в вакууме и сформулированы требования к технологическому процессу осаждения тонкопленочных покрытий. Рассмотрены и проанализированы существующие методы оперативного контроля толщины и скорости осаждения покрытий в вакууме и современный уровень их автоматизации.

Проведенный анализ существующих методов и средств контроля толщины и скорости осаждения покрытий в вакууме показал, что все существующие методы и средства можно разделить на две основные группы: первые дают информацию о массе наносимого покрытия или его толщине (геометрической или оптической), вторые - о скорости осаждения (рис. 1).

Рис. 1. Классификация методов контроля толщины и скорости осаждения покрытий в вакууме

Для контроля толщины тонкопленочных покрытий в процессе их осаждения в вакууме на изделия микроэлектроники могут использоваться пьезокварцевый метод, резистивный метод, емкостный метод (метод планарного конденсатора), фотометрический метод, так как они предназначены для контроля тонких слоев пленок. Все перечисленные методы обладают достоинствами и недостатками, поэтому для каждого технологического процесса необходимо выбирать свой метод контроля толщины покрытий. В результате появляется необходимость создания универсального датчика для контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме, применяемых в электронной промышленности. В настоящей работе для контроля толщины покрытий предлагается использовать емкостный датчик.

2. Разработка и исследование емкостного датчика толщины покрытий, рассматриваются вопросы построения измерительных схем для датчика, оценивается погрешность и чувствительность датчика

На рис. 2 представлена конструкция емкостного датчика толщины.

Рис. 2. Конструкция емкостного датчика толщины покрытий: 1 - керамическая подложка; 2, 3 - медные обкладки конденсаторов; 4 - керамическая пластина; 5 - сетка; 6 - экран

Модель дифференциального емкостного датчика для измерения толщины покрытия в вакууме, одна из обкладок которого выполнена из сетки, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Модель емкостного датчика толщины покрытия: 1 -верхняя обкладка конденсатора в виде сетки или перфорации; 2 - нижняя обкладка измерительного конденсатора, выполненная сплошной; 3 - нанесенный материал; 4 - экран; 5 - нижняя обкладка компенсационного конденсатора, выполненная сплошной

Суммарное приращение емкости для исследуемого датчика вычисляется по формуле:

,(1)

где - приращение емкости сетчатого конденсатора за счет осаждаемого материала;

- приращение емкости сетчатого конденсатора в случае увеличения высоты площадок под ячейками сетки за счет осаждаемого материала;

- температурное изменение емкости сетчатого конденсатора;

- температурное изменение емкости компенсационного конденсатора.

Влияние температуры на конструктивные элементы датчика приведет к приращению емкостей обоих конденсаторов. Поэтому после вычисления емкости температурное приращение емкостей будет в значительной степени скомпенсировано. При осаждении металлической пленки изменение емкости сетчатого конденсатора вычисляется по формуле:

,(2)

где а - толщина проводов, образующих решетку; D - коэффициент, зависящий от соотношения размеров решетки и числа ее ячеек; - суммарная длина всех проводов, образующих решетку; h - зазор между обкладками; h1 - толщина напыленной пленки; - диэлектрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость материала пленки.

Приращение емкости сетчатого конденсатора за счет осаждаемого материала в случае увеличения площадок под ячейками сетки вычисляется по формуле:

,(3)

где N - количество ячеек в сетке; b - размер ячейки в сетке; h2 - толщина напыленной пленки под ячейкой сетки.

Изменение емкости компенсационного конденсатора , вызванное изменением температуры, вычисляется по формуле:

, (4)

где h3 - расстояние между обкладками компенсационного конденсатора; - изменение площади обкладки компенсационного конденсатора.

Для того чтобы получить эффективную толщину hэф напыленной пленки, необходимо из формул (3) и (4) выразить величины h1 и h2:

.(5)

Были проведены исследования влияния параметров a, b датчика на данную зависимость (рис. 4) для осаждения меди (плотность = 8,910?3 г/мм3).

Рис. 4. Исследование влияния параметров a, b датчика на зависимость толщины нанесенной меди от емкости датчика

На рис. 5 приведены графическая зависимость чувствительности емкостного датчика от толщины осаждаемого покрытия.

Рис. 5. Зависимость чувствительности емкостного датчика толщины покрытий от толщины напыляемого материала

Проанализировав зависимость, приведенную на рис. 5, можно сделать вывод, что чувствительность емкостного датчика толщины увеличивается с увеличением толщины осажденного покрытия. Это объясняется тем, что емкость датчика возрастает при уменьшении зазора между обкладками.

3. Разработка автоматизированной системы (АС) контроля толщины покрытий на базе персонального компьютера класса IBM PC с использованием в качестве датчика толщины емкостного датчика, разработанного и теоретически исследованного во второй главе

Автоматизированная система содержит устройство сопряжения, позволяющее производить переключения между измеряемыми конденсаторами (рис. 6). Управление устройством сопряжения производится с помощью ПК.

Рис. 6. Структурная схема АС

4. Вопросы технической реализации и программного обеспечения емкостного датчика и системы автоматического контроля толщины покрытий, приводятся результаты их экспериментального исследования

Для исследования качественных характеристик емкостного датчика толщины покрытий использовано дополнительное оборудование с характеристиками лучшими, чем у исследуемого датчика. В качестве такого прибора было выбрано устройство МЭК-1-У (микровесы электронные кварцевые), которое выдает значение текущей толщины виде напряжения. Проводились измерения значения температуры емкостного датчика и управление температурой в вакуумной установке УВН-2М-1.

Автоматизированная система была дополнена модулями ввода/вывода семейства I-7000 фирмы ICP DAS с использованием специализированного программного обеспечения (рис. 7).

тонкопленочный осаждаемый конденсатор емкость

Рис. 7. Функциональная схема связи прибора МЭК-1-У-3,3, термопары и модуля нагрева с персональным компьютером

На рис. 8 представлена экспериментальная зависимость емкости датчика (с учетом компенсационной емкости) от толщины напыленной пленки меди для зазора между обкладками 125 мкм.

Исследован ресурс датчика, который составил 84 мкм при величине зазора между обкладками 125 мкм.

Рис. 8. Экспериментальная зависимость емкости датчика от толщины напыленной пленки меди для зазора между обкладками в 125 мкм

Заключение

1. В результате анализа существующих методов контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме, установлено, что в настоящее время нет универсальных методов и средств, в равной степени удовлетворяющих всем предъявляемым требованиям к методам и датчикам оперативного технологического контроля процесса осаждения покрытий в вакууме. Для измерения толщины покрытий предложен новый емкостный датчик, позволяющий контролировать толщину как металлических, так и диэлектрических покрытий.

2. Предложен и исследован емкостный метод контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме.

3. Разработана и исследована математическая модель емкостного датчика толщины покрытий, связывающая изменение емкости с изменением толщины покрытия.

4. Технически реализован емкостный датчик толщины покрытий.

5. Разработаны и технически реализованы аппаратные и программные средства для создания системы автоматического контроля толщины покрытий, где в качестве датчика толщины используется емкостный датчик.

6. Разработана и технически реализована система регулирования температуры емкостного датчика толщины покрытий, что позволило увеличить точность измерений.

7. Экспериментально исследован емкостный датчик в составе системы автоматического контроля толщины покрытий. Датчик обеспечивает контроль толщины покрытия с погрешностью не более 4,9 % при средней толщине 4 мкм. Интегральная чувствительность датчика по толщине составила 0,365 мкм?1 для зазора между обкладками 125 мкм в диапазоне от 0 до 84 мкм.

Результаты диссертационной работы внедрены на ООО «НПП Тензосенсор» и ООО НТЦ «Интрофизика» (г. Рыбинск) и используются в учебном процессе РГАТА им. П.А. Соловьева при преподавании дисциплины «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ». Использование автоматической системы на основе емкостного метода позволяет повысить эффективность процесса контроля толщины покрытий в процессе их осаждения.

Литература

1. Семенов, Э.И. Измерение толщины покрытий в процессе их нанесения с помощью емкостного датчика [Текст] / Э.И. Семенов, А.С. Истомин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - Одесса: «ТКЭА», 2006. - № 2. - С. 49-51.

2. Семенов, Э.И. Автоматизированная компьютерная система для измерения толщины покрытий с помощью емкостного датчика в процессе их нанесения [Текст] / Э.И. Семенов, А.С. Истомин // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева: сб. науч. тр. - Рыбинск, 2005. - № 1-2 (7-8). - С. 157-162.

3. Пат. 2261416 Российская Федерация, МПК7 G 01 B 7/06. Емкостный способ контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме [Текст] / В.К. Козка, Э.И. Семенов, А.С. Истомин (Россия); заявл. 06.07.2004; опубл. 27.09.2005, Бюл. № 27.

4. Истомин, А.С. Автоматизированная система оперативного контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме [Текст] / А.С. Истомин, А.Н. Ломанов, И.Ю. Паутов, Э.И. Семенов // Высокие технологии в промышленности России (мат. и уст-ва функц. электроники и микрофотоники): мат. IХ Междунар. науч.-техн. конф.; под ред. А.Ф. Белянина, В.Д. Житковского, М.И. Самойловича. - М.: ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2003. - С. 71-76.

5. Истомин, А.С. Емкостные датчики для контроля толщины покрытий [Текст] / А.С. Истомин, Э.И. Семенов // Высокие технологии в промышленности России (мат. и уст-ва функц. электроники и микрофотоники): мат. Х Междунар. науч.-техн. конф.; под ред. А.Ф. Белянина, В.Д. Житковского, М.И. Самойловича. - М.: ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2004. - С. 230-233.

6. Семенов, Э.И. Камертонный метод контроля толщины покрытий в процессе осаждения их в вакууме [Текст] / Э.И. Семенов, И.Ю. Паутов, А.С. Истомин, А.Н. Ломанов // Высокие технологии в промышленности России (мат. и уст-ва функц. электроники и микрофотоники): мат. Х Междунар. науч.-техн. конф.; под ред. А.Ф. Белянина, В.Д. Житковского, М.И. Самойловича. - М.: ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2004. - С. 236-241.

7. Семенов, Э.И. Автоматизация измерения толщины покрытий в процессе их нанесения с помощью емкостного датчика [Текст] / Э.И. Семенов, А.С. Истомин // Высокие технологии в промышленности России (мат. и уст-ва функц. электроники и микрофотоники): мат. ХII Междунар. науч.-техн. конф.; под ред. А.Ф. Белянина, В.Д. Житковского, М.И. Самойловича. - М.: ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2006. - С. 455-459.

8. Семенов, Э.И. Автоматизация оперативного контроля толщины покрытий в процессе нанесения их в вакууме [Текст] / Э.И. Семенов, И.Ю. Паутов, А.С. Истомин, А.Н. Ломанов, А.В. Гусаров // Моделирование и обработка информации в технических системах: мат. Всерос. науч.-техн. конф. - Рыбинск: РГАТА, 2004. - С. 299-303.

9. Семенов, Э.И. Измерение параметров покрытий, основанные на изменении емкости [Текст] / Э.И. Семенов, А.С. Истомин // Моделирование и обработка информации в технических системах: мат. Всерос. науч.-техн. конф. - Рыбинск: РГАТА, 2004. - С. 307-311.

10. Истомин, А.С. Регистрация малых изменений электрической емкости [Текст] / А.С. Истомин // Микроэлектроника и информатика. Сборник докладов XI Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 2004. - С. 216.

11. Истомин, А.С. Автоматизированная система контроля толщины покрытий на базе емкостного датчика [Текст] / А.С. Истомин // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения: тез. докл. VI Всерос. науч.-практич. конф., Ярославль, 2005. - С. 54-55.

12. Истомин, А.С. Емкостной измерительный преобразователь для контроля толщины покрытий, наносимых в вакууме [Текст] / А.С. Истомин: тезисы докладов XXIX конференции молодых ученых и студентов. - Рыбинск: РГАТА, 2005. - С. 65-66.

Размещено на Allbest.ru