Вакуумное магнетронное распыление

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Задачи, поставленные современной инновационной экономикой, ориентируют ее на интенсивное внедрение новых технологических процессов, высокопроизводительного оборудования, массовый выпуск изделий повышенного качества.

Многие прогрессивные технологические процессы включают нанесение покрытия в вакууме, в данном случае нанесение однослойных и многослойных покрытий методами ионно-лучевого и магнетронного распыления материалов на подложки из оптических стекол и кристаллов. Важная роль здесь принадлежит вакуумному оборудованию, повышение производительности которого -- задача технически сложная. Для ее выполнения применяют групповые устройства загрузки и обработки изделий, высокопроизводительные устройства нанесения покрытия, скоростные откачные средства.

Наибольшие непроизводительные потери времени при работе вакуумного технологического оборудования приходятся на предварительную многократную откачку рабочих камер при загрузке и выгрузке обрабатываемых изделий. Кроме того разгерметизация не позволяет воспроизводить вакуумные условия от цикла к циклу. Для исключения непроизводительных потерь времени, а также обеспечения идентичности вакуумных условий используют различные устройства для подачи веществ и образцов в рабочий объём без нарушения вакуума.

1.1 Вакуумные шлюзовые системы

Шлюзовые загрузочные устройства (ШЗУ) представляют собой совокупность средств герметизации, транспортирования и откачки, обеспечивающих подачу изделий из области с атмосферным давлением в рабочую вакуумную камеру и обратно без напуска газов в рабочие камеры.

Вакуумный шлюз - устройство для введения в вакуумную систему или удаления из нее различных предметов без нарушения вакуума.

Шлюзовые системы загрузки и выгрузки изделий позволяют рационально и эффективно повышать производительность оборудования и качество изделий. В связи с этим все более широко применяют эти системы, хотя они достаточно сложны, специфичны и требуют умелой эксплуатации.

В зависимости от степени герметизации вакуумных камер относительно друг друга шлюзовые системы можно разделить на закрытые, открытые, полуоткрытые и комбинированные:

- закрытые имеют уплотнители и характеризуются полной герметизацией вакуумных камер относительно друг друга;

- открытые не имеют уплотнителей и характеризуются отсутствием герметизации вакуумных камер относительно друг друга;

- полуоткрытые (полузакрытые) имеют уплотнители и характеризуются частичной герметизацией вакуумных камер относительно друг друга;

- комбинированные характеризуются сочетанием закрытых, открытых и полуоткрытых шлюзовых систем.

1.1.2 Использование шлюзовых систем в вакуумном оборудовании

Одним из критериев совершенства вакуумного оборудования является непрерывность технологического процесса обработки изделий, при которой рабочие и холостые операции совмещены во времени, а непроизводительные потери рабочего времени отсутствуют.

Рабочее время, затрачиваемое на выполнение технологических операций нанесения покрытия в вакуумном оборудовании со шлюзовыми системами, складывается в большинстве случаев из времени, отведенного на основные (нанесение покрытия) и вспомогательные рабочие операции (нагрев, очистку, травление, охлаждение и т. д.). Кроме того, существуют холостые операции: напуск воздуха в камеры загрузка и выгрузка изделий откачка камер перемещение изделий между шлюзовыми и рабочими камерами, а также между источниками обработки изделий.

Непрерывность технологического процесса может быть сохранена при постоянном воздействии на изделия источника обработки (нанесения покрытия). В этом случае достаточно непрерывно или периодически удалять одно или несколько изделий из зоны групповой обработки и дополнять ее необработанными.

В вакуумном оборудовании непрерывность технологического процесса можно обеспечить только с помощью шлюзовой системы. Однако не всегда при использовании шлюзовой системы удается полностью совместить время рабочих и холостых операций. Совмещение времени рабочих и холостых операции определяет характер действия вакуумного оборудования, а также приближение прерывистого технологического процесса к непрерывному.

По степени совмещения рабочих и холостых операций вакуумные установки могут быть:

- периодического действия (УПД), характеризующиеся прерывистостью технологического процесса, при котором рабочие и холостые операции не совмещены во времени;

- полунепрерывного действия (УПНД), характеризующиеся прерывистостью технологического процесса, при котором рабочие и холостые операции частично совмещены во времени

- непрерывного действия (УНД), характеризующиеся непрерывностью технологического процесса, при котором рабочие и холостые операции полностью совмещены во времени.

Установки периодического действия могут быть двух видов -- без шлюзовых и со шлюзовыми системами.

В установках полунепрерывного действия в зависимости от степени совмещения рабочих и холостых операций определяют, к какому типу (периодическому или непрерывному) приближается это оборудование.



1.1.3 Шлюзовые системы в установках периодического действия

В установках периодического действия наибольшее распространение получили закрытые шлюзовые системы, которые обычно выполняют в виде одной шлюзовой камеры, отделяемой от рабочей герметичным затвором.

При загрузке изделий в шлюзовую камеру в рабочей камере поддерживается готовность источника нанесения покрытия и определенное давление. При нанесении покрытий в рабочей камере шлюзовая остается пустой (в ожидании возвращения обработанных изделий). Откачивают шлюзовую камеру обычно до давления, равного давлению рабочей камеры или более низкого, для того, чтобы уменьшить загрязнение газовой среды рабочей камеры при сообщении ее со шлюзовой.

Иногда с целью упрощения вакуумной системы шлюзовую камеру откачивают только форвакуумным насосом. В этом случае ограничения вноса загрязнений в рабочую камеру достигают уменьшением размеров шлюзовой камеры, несмотря на то, что при этом уменьшается количество загружаемых изделий и снижается производительность.

Загрязнения в рабочую камеру могут попадать с обрабатываемых изделий, их держателей, а также в результате газовыделения элементов конструкции рабочей и шлюзовой камер. Поэтому часто процесс обезгаживания (прогрев) изделий с держателями и самих шлюзовых камер совмещают. Время охлаждения изделий после нанесения покрытия уменьшают напуском в шлюзовые камеры инертных или других химически неактивных газов.

На рис. 1 показана установка периодического действия с закрытой шлюзовой системой, отличающаяся от установки с одной шлюзовой камерой своеобразным исполнением транспортирующего устройства и шлюзовых затворов, объединенных общим приводом.

Установка оснащена плоским держателем изделий 5, который вращается в зоне покрытия, что способствует равномерному нанесению пленки. В рабочей камере 1 поддерживают постоянное рабочее давление и готовность источника нанесения покрытия. Шлюзовая камера 2 периодически сообщается с атмосферой для загрузки и выгрузки изделий. Транспортирующее устройство переносит держатель изделий из шлюзовой камеры в рабочую и обратно. Однако установка может обеспечить лишь периодическую обработку изделий и не совмещает рабочие и холостые операции.

Рис. 1 Установка периодического действия с закрытой шлюзовой системой во время загрузки и выгрузки изделий (а) и нанесения покрытия (б):

1 -- рабочая камера, 2 -- шлюзовая загрузочно-выгрузочная камера, 3 -крышка шлюзовой камеры, 4 -- привод транспортирующего устройства и затворов, 5 -- держатель изделий, 6 -- откачной патрубок шлюзовой камеры, 7 -испаритель, 8 --откачной патрубок рабочая камеры, 9 -- привод вращения держателя изделий

Достоинствами установки периодического действия являются малое изменение газовой среды в рабочей камере и готовность к нанесению покрытия. Повысить производительность подобных установок можно, увеличив количество одновременно загружаемых и обрабатываемых изделий.



Рис. 2. Установка периодического действия с закрытой шлюзовой системой:

1 -- держатель изделий, 2 -- водяная рубашка, 3-цилиндрический катод (мишень), 4 -- трубопровод подачи рабочего газа, 5 -- шлюзовая загрузочно-выгрузочная камера, 6-- транспортирующее устройство, 7 -- отверстие для загрузки изделий в шлюзовую камеру, 8-откачной патрубок шлюзовой камеры, 9 -- водоохлаждаемый держатель катода, 10 -- откачной патрубок рабочей камеры

На рис. 2 приведена схема установки периодического действия с закрытой шлюзовой системой, состоящая из рабочей и загрузочно-выгрузочной шлюзовой камер. Два изделия располагают на держателе 1, выполненном в виде рамки. В верхней крышке шлюзовой камеры 5 имеется радиальное герметично перекрываемое отверстие 7 для загрузки изделий, а в нижней -- такое же отверстие с затвором для транспортирования их в рабочую камеру.

В шлюзовую и рабочую камеры можно загружать по двенадцать держателей изделий, нанося покрытие одновременно на площадь 2500 см². Держатели опускаются в рабочую камеру автоматически, совершая один оборот вокруг катода, в результате чего на изделия наносится покрытие. После этого держатели возвращаются в магазин шлюзовой камеры. Такие установки, как правило, имеют большую рабочую и небольшую шлюзовую камеру, на откачку которой затрачивается мало времени, что повышает их производительность.

В многооперационной установке периодического действия со шлюзовой системой, приведенной на рис. 3, внутрикамерное транспортирующее устройство (кольцо) 4 перемещается через пять секций 5, находящихся между внутренней стенкой вакуумной рабочей камеры 6 и соосным с ней откачным патрубком 7 высоковакуумного насоса.

Рис. 3 Установка периодического действия с комбинированной шлюзовой системой:

1 -- шлюзовая камера загрузки выгрузки, 2 -- межкамерные каналы, 3 -- источник нанесения покрытия, 4 -- транспортирующее устройство (кольцо), 5 -- секции. 6 - рабочая камера, 7 -- откачной патрубок, 8-- дросселирующие отверстия, 9 -- опоры вращения кольца.

Пять секций, три из которых имеют источники 3 нанесения покрытия, откачиваются через дросселирующие отверстия 8.

Секции, разделенные двойной системой каналов 2, и промежуток между каналами откачиваются этой же вакуумной системой. Такое построение позволяет одновременно откачивать все секции при различных давлениях в них и осуществлять высоковакуумную блокировку их друг от друга.

Как видно из схемы, в установке имеется закрытая шлюзовая система, состоящая из шлюзовой камеры 1 загрузки-выгрузки изделий, и открытая система, расположенная между пятью секциями рабочей камеры.

В установках периодического действия также используют открытые шлюзовые системы рис. 4, состоящие из трех шлюзовых камер, сообщающихся между собой каналами. В каждой шлюзовой камере установлен подпружиненный клиновой затвор 2, который закрывает отверстие для прохода подвижного транспортирующего устройства 5. Конец транспортирующего устройства выполнен в виде клина, который при движении поочередно открывает клиновые затворы 2.

Рис. 4 Установка периодического действия с открытой шлюзовой системой: 1 - рабочая камера, 2 - клиновые затворы, 3 - подложка, 4 - откачные патрубки, 5 - транспортирующее устройство (шток)

Зазоры между корпусом установки, транспортирующим устройством и клиновыми затворами создают сопротивление, натеканию воздуха в рабочую камеру. Часть воздуха, проникающая через зазоры в шлюзовые камеры, а также воздух, находящийся в загрузочной полости транспортирующего устройства (штока) 5, откачивается через откачные патрубки 4. Клиновые затворы обеспечивают поддержание необходимого вакуума в рабочей камере 1 при полном извлечении из шлюзовой системы штока с изделиями.

Производительность такой установки ограничена, так как за один цикл загрузки обрабатывается одно изделие, несмотря на то, что время загрузки и выгрузки изделий и откачки загрузочной полости небольшое. Чтобы повысить производительность установки периодического действия со шлюзовой системой, нужно сократить время откачки шлюзовых камер, уменьшить объемы этих камер и оснастить их высокопроизводительными откачными средствами. Кроме того, следует увеличить количество загружаемых изделий, используя групповые носители и магазинные устройства, а также совместить вспомогательные рабочие операции с основными, обрабатывая изделия на нескольких позициях, и ускорить процесс охлаждения изделий в шлюзовой камере напуском инертного газа.

1.2 Нанесение тонких пленок в вакууме

Один из современных способов модификации изделий машиностроения и приборостроения - уменьшение геометрических размеров их элементов. Многие из них включают в себя тонкопленочные покрытия, характеристики которых можно менять, варьируя их толщину. По функциональному назначению такие покрытия связаны практически со всеми разделами физики: механикой, электричеством, магнетизмом, оптикой, а в качестве материалов для них используется большинство элементов Периодической системы.

Осаждение тонких пленок в вакууме включает три этапа: генерацию атомов или молекул, перенос их к подложке и рост пленки на поверхности подложки. Состав и структура пленки зависят от исходных материалов, метода и режимов нанесения, обеспечивающих необходимый энергомассоперенос материала.

В таблице 1 представлена классификация методов нанесения тонких пленок в вакууме, в основу которой положены физические принципы генерации и переноса потоков атомов или молекул, способы реализации этих принципов и конструктивное исполнение.

Основными технологическими параметрами при нанесении тонких пленок в вакууме являются: давление в рабочей камере (остаточных газов - вакуума) и (рабочего газа - инертного, химически активного; смеси газов), Па; -температура подложки (изделия), K; -максимальная скорость осаждения пленки, мкм/c; -энергия осаждающихся атомов, молекул, ионов и кластеров, эВ; -доля ионизированных частиц.

В приведенных в таблице №1.1 формулах использованы также следующие обозначения: - давление насыщенного пара, Па; - молекулярная масса испаряемого материала, кг/кмоль; - температура испарения, K; - площадь поверхности испарения или распыления, м²; - расстояние от источника до подложки, м; - плотность осаждаемого материала, кг/м³; - плотность ионного тока, А/м²; - коэффициент распыления, атом/ион; - допустимая плотность потока энергии на поверхность конденсации, Вт/см²; - оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ; - соответственно, парциальное давление (Па), плотность (кг/м³) и молекулярная масса (кг/кмоль), осаждающихся из газовой смеси компонентов n.

Осаждение тонких пленок в вакууме методом термического испарения DO осуществляется путем подведения к веществу энергии резистивным D00 (прямым D000 - D002 и косвенным D003) и высокочастотным D01 нагревом, электронной бомбардировкой D02, электронно-лучевым нагревом D03 и нагревом с помощью лазерного излучения D04. При температуре вещества, равной либо превышающей , частицы покидают испаритель, переносятся в вакууме на подложку и конденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки [3].

Если помимо физических процессов, происходящих во время осаждения тонкой пленки, при напуске в рабочую камеру реактивного газа в пространстве между источником и подложкой или на поверхности подложки протекает химическая реакция, то соответствующий метод называется реактивным D_R, например, для получения пленок нитрида титана 2Ti + N₂ = 2TiN.

К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением относятся высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц .

При молекулярно-лучевом методе D05 используются эффузионный источник в виде ячейки Кнудсена и капиллярный испаритель, в которых энергия к веществу подводится благодаря резистивному нагреву. Наличие тепловых экранов и контроль температуры обеспечивают одинаковую энергию испаренных частиц и идеальную диаграмму распределения частиц по направлениям (косинусоидальный закон Кнудсена).

Сущность метода осаждения тонких пленок в вакууме ионным распылением D1 заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени высокоэнергетичными ионами рабочего газа (обычно инертного Аr). Ионы образуются в газовом разряде при давлении и ускоряются до энергии 0,7 - 5 кэВ вследствие приложения к мишени отрицательного потенциала в 0,7 - 5 кВ. Распыленные из мишени атомы осаждаются в виде тонкой пленки на поверхности подложки.

Различают ионно-плазменный D10 и ионно-лучевой D11 методы, в которых используются тлеющий (типы D100, D101, D103, D104 и D105) и несамостоятельный (D102) газовый разряды, а также автономные источники ионов Кауфмана (с горячим катодом -- тип D110) и Пеннинга (с холодным катодом -- тип D111). При использовании в качестве рабочего газа смеси из Аr и химически активного газа (О₂, N₂ и т. п.) реализуется реактивный метод осаждения оксидов, нитридов и т. п. (типы -- D10_R и D11_R).



Таблица 1



Продолжение таблицы 1

Достоинствами метода осаждения тонких пленок ионным распылением являются универсальность (можно наносить металлы, сплавы, диэлектрики, магнитные композиции), регулируемая скорость осаждения и относительно простая конструкция. К недостаткам относятся невысокая чистота осаждаемой пленки (из-за наличия рабочего газа), низкая и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц .

Тонкопленочные покрытия получают путем испарения вещества взрывом D2 при импульсном воздействии на него лазерного излучения D20 или электронного пучка D21, а также при пропускании мощного импульса тока через образец из наносимого материала в форме тонкой проволоки или фольги D22. Продукты взрыва с большой скоростью (энергия частиц составляет 1-10 кэВ) переносятся к подложке (детали) и конденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки.

Достоинством метода является высокая скорость осаждения и хорошая адгезия тонкопленочного покрытия, однако его применение ограничено сложностью реализации и большой неравномерностью толщины пленки.

Осаждение тонких пленок дуговым разрядом в вакууме D3 происходит за счет эрозии вещества в сильноточных дуговых разрядах (с холодным D30 и горячим D31 катодом), образования ионизированной паровой фазы (20-100% ионов), переноса ее с большой скоростью (энергия частиц - до 10 кэВ) и конденсации на поверхности подложки.

К достоинствам метода осаждения тонких пленок дуговым разрядом в вакууме относятся: практически неограниченная электрическая мощность; высокий коэффициент ионизации испаряемых частиц ; возможность получения пленок сплавов, окислов, нитридов, карбидов и т. п., причем, как путем использования мишеней из этих материалов, так и реактивным методом (типы D30_R и D31_R), отсутствие необходимости в дополнительном газе для ионизации; скорость осаждения -- максимально возможная (ограничивается допустимым потоком энергии на поверхность конденсации). Недостатками являются наличие в потоке осаждаемого вещества капельной фазы, нерегулируемая энергия частиц и относительная сложность конструкции дуговых источников.

В основе методов ионного осаждения тонких пленок D4 лежит сочетание двух процессов: 1) генерации плазмы исходного вещества с помощью одного из типов электрического разряда или ВЧ-индуктора и 2) ускорения ионов или всей квазинейтральной плазмы с последующей конденсацией на поверхности подложки (детали). Исходное вещество получают с помощью одного из методов термического испарения DO (термоионный метод D40); из газовой смеси, содержащей компоненты осаждаемой пленки (ионно-плазменный D41 и ионно-лучевой D42 методы); с помощью дугового разряда D3, который используется как первая ступень плазменного ускорителя (плазмотронный метод D43).

Основными достоинствами метода ионного нанесения тонких пленок являются регулируемая в широких пределах энергия осаждаемых частиц (оптимальной считается энергия =100 эВ) и высокая скорость осаждения , а главными недостатками -- сложность реализации и распыление конструкционных материалов, а следовательно, и загрязнение плазмы и получаемой пленки.

Метод химического осаждения тонких пленок D5, осуществляется при напуске в рабочую камеру (реактор) смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки, делится на осаждение атомов и молекул непосредственно из газовой фазы D50 и плазмо-химическое осаждение электрически нейтральных атомов, молекул и радикалов D51. Существуют CVD-методы (D500 и D501), газофазная эпитаксия (D502), термическое окисление (D503), методы плазмо-химического осаждения (D510 - D513).

Главными преимуществами метода химического осаждения являются широкий диапазон скоростей осаждения V₀ и возможность получения заданной кристаллической структуры пленки (вплоть до монокристаллов), а основным недостатком -- использование токсичных, экологически небезопасных газовых смесей.

Особенностью технологии тонких пленок является возможность управлять параметрами тонкопленочных покрытий с помощью изменения структуры и геометрических размеров пленки (в первую очередь толщины), а также ее состава. Получать пленки с заданным составом можно реактивным нанесением, путем использования мишеней сложного состава, с помощью одновременного осаждения различных материалов из нескольких источников.

Реактивным методом можно получить пленки оксидов, нитридов, карбидов и т. п. Условием стабильности процесса является выполнение неравенства , где - парциальное давление реактивного газа; - критическое давление, при котором происходит изменение химического состава поверхности мишени, приводящее к заметному изменению режимов осаждения пленки (т. е. скорость испарения или распыления мишени должна быть больше, чем скорость действия на ней оксида, нитрида и т. п.). В качестве примера можно привести изменение энергии межатомных связей распыляемого материала и его оксида: ; ; ; . Величина рассчитывается исходя из условия наибольшей вероятности осуществления химической реакции на подложке:

,

где -скорость распыления мишени, нм/с; -свободная энергия образования оксида, нитрида, карбида и т. п., Дж/атом. Парциальное давление реактивного газа можно рассчитать из условия превышения плотности ионного тока на мишени над потоком реактивного газа на мишень , т. е.:

,

где - кратность ионизации атомов аргона; - заряд электрона, Кл; -молярная масса распыляемого материала, кг/кмоль; - универсальная газовая постоянная, Дж/(Кмоль); - температура реактивного газа, К.

С помощью реактивного осаждения наносят, например, пленки иттриевого феррограната Y₃Fe₅0₁₂ в среде Аr с добавлением 20% О₂, причем поликристаллическая пленка получается при температуре подложки 922 К, а аморфная - при меньшей температуре. Пленки силицидов металлов MoSi, WSi, PtSi и других получают распылением металлических мишеней в плазме смеси газов Ar-SiH₄ и последующим нагревом подложки при температуре более 1300 К. Сверхпроводящие пленки NbN (температура сверхпроводимости Т_с=11-15 К) --при распылении мишени из Nb в среде Xe-N₂. Пленки ПАВ из AlN - на стеклянной подложке в среде N₂-H₂, пленки фторопласта-4 -- при распылении мишени из политетрафторэтилена с хорошим охлаждением с добавлением CF₄ к Аr.

Испарением или распылением мишеней сложного состава можно получать, например, магнитооптические пленки GdCo или SmCo, причем в первом случае состав мишени: 25% гадолиния и 75% кобальта, а во втором -- 50% самария и 50% кобальта. Осаждение многокомпонентных или легированных пленок из нескольких источников, например полупроводниковой пленки Si легированной Sb, позволяет получать необходимый стехиометрический состав тонкопленочного покрытия, например сверхпроводящей пленки Nb_0,748Ge_0,252, строго управлять уровнем легирования (можно получать сложные профили легирования, сверхрешетки с практически любым -параметром кристалла).

Толщина пленки оказывает существенное влияние на ее свойства, которые могут на порядки отличаться от свойств данного материала при толщине, большей приблизительно 1 мкм. Так, удельное сопротивление резистивной пленки имеет следующую зависимость от толщины (рис. 1.2.1): увеличение до бесконечности при толщине, соответствующей островковой стадии роста почти линейное уменьшение, соответствующее пленке нанометровой толщины, и независимое от толщины значение, соответствующее объемному материалу .

Рис 1.2.1 а) Типовая зависимость удельного сопротивления тонкопленочного покрытия от его толщины; б) фрагмент тонкой пленки квадратной формы.



Сопротивление тонкой пленки можно рассчитать по следующей формуле:

,

где a и b- ширина и длина тонкопленочного резистивного элемента, м;

в Ом·м и («ро квадрат») в Ом/м являются константами материала, причем соответствует максимально возможному для данного материала значению удельного сопротивления при и равен (рис. 1.2.1 б):

.

Чтобы получить тонкопленочные слои с уникальными свойствами, необходимо сохранить атомарно чистую поверхность подложки, для чего парциальное давление посторонних примесей должно быть существенно ниже 10^-4 Па. Подготовка поверхностей перед осаждением тонких пленок является важным процессом для получения хорошей адгезии и других требуемых свойств на границе раздела «подложка-пленка». Для очистки подложек от поверхностных загрязнений служит вакуумно-плазменное травление ионами инертных или химически активных газов.

Развитие оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме происходит по мере совершенствования тонкопленочной технологии и ужесточения требований к качеству рабочей среды, необходимости повышения производительности и степени автоматизации. На рис.1.2.2 показаны этапы развития оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме, где можно выделить установки периодического действия (рис.1.2.2 а, б), полунепрерывного (рис.1.2.2 г) и непрерывного (рис.1.2.2 д) действия, автоматические линии (рис.1.2.2 е). В настоящее время наряду с совершенствованием перечисленных типов установок все более широкое распространение получает оборудование кластерного типа [4] (рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.2 Спираль развития оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме

а, б) установки периодического действия; в) установки с возвратным действием; г, д) полунепрерывного и непрерывного действия; е) вакуумные автоматические линии проходного типа.

Установки периодического действия легко адаптируются к изменению технологии, так как принцип их конструирования основан на использовании базовых моделей, включающих в себя рабочую камеру и вакуумную систему, а источники нанесения пленки, приемные устройства для закрепления подложек, устройства нагрева и т. п. комплектуются исходя из требований к конкретному изделию. Эти установки имеют ограниченную производительность из-за того, что большую часть времени цикла занимает откачка рабочей камеры до необходимого давления, т.е, холостой ход. Для его устранения стали использоваться установки шлюзового типа, без разгерметизации рабочей камеры при загрузке и выгрузке изделий.

Повышая производительность, необходимо стремиться совместить во времени вспомогательные операции (загрузки, разгрузки и откачки шлюзовой камеры, нагрева и очистки подложек и т.д.) с основной операцией -- осаждением пленки. Этого можно добиться в установках прямоточного шлюзования (рис.1.2.2 г), которые можно отнести к типу УВН полунепрерывного действия, когда цикл состоит из стадии осаждения пленки и смены позиции изделия.

Основным движущим фактором развития оборудования для производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) является противоречие между тремя составляющими фактической производительности: быстродействием (массовый характер производства), надежностью функционирования (бесперебойность работы и высокая «цена» отказов) и выходом годных (воспроизводимость технологических режимов и минимум привносимой дефектности) изделий.

При переходе на подложки диаметром 150 и 200 мм использование группового метода обработки становится причиной большого количества брака из-за разброса параметров тонкопленочного покрытия по диаметру подложки. По этой причине появились УВН нового поколения (рис.1.2.2 д), реализующие, как и самые первые УВН (рис.1.2.2 а), индивидуальные метод обработки. Задача создания высокопроизводительного оборудования заставила компоновать УВН по принципу непрерывного действия.

Генеральным направлением развития вакуумного технологического оборудования для изготовления все более усложняющихся полупроводниковых приборов и интегральных микросхем во всем мире признано объединение вакуумных загрузочных, транспортных и рабочих модулей в многокамерные установки.

Переход к новому уровню параметров полупроводниковых пластин и интегральных схем определяет необходимость создания нового класса автоматических систем -- модульных многокамерных установок с интеграцией различных технологических операций, разновидностью которых является оборудование кластерного типа.



Рис.1.2.3. Структурно-компоновочные варианты оборудования кластерного типа:

а) с радиальной архитектурой; б) с линейной архитектурой; в) со смешанной архитектурой: 1 - загрузочные модули; 2 - транспортные модули; 3 - технологические модули; 4 - вакуумный затвор; 5 - направление движения изделия

По определению MESC (Modular Equipment Standards Committee), кластерная установка -- это «интегрированная с изолированным объемом производственная система, состоящая из технологических модулей, модуля транспортирования и модулей загрузки и выгрузки полупроводниковых пластин, механически соединенных вместе».

Структурно-компоновочные варианты оборудования кластерного типа бывают с радиальной (рис.1.2.3 а), линейной (рис.1.2.3 б) и смешанной (рис.1.2.3 в) архитектурой. Использование такого оборудования позволяет реализовать целый ряд преимуществ, основными из которых являются: возможность объединения нескольких технологических операций в одной установке; снижение в несколько раз затрат на чистые производственные помещения; обеспечение необходимой чистоты проведения операций за счет разделения технологических сред, транспортирования изделий в высоком вакууме [4].



1.3 Вакуумно-дуговые плазменные источники (испарители)

Вакуумно-дуговое нанесение покрытий за последние три десятилетия получило широкое распространение в мировой практике благодаря их уникальным характеристикам. Вакуумно-дуговой разряд генерирует потоки высокоионизированной (вплоть до 100 %) плазмы испаряемых материалов, в том числе и самых тугоплавких, включая вольфрам и графит. Высокая степень ионизации плазменных потоков позволяет управлять плотностью, энергией и направлением движения заряженных частиц при помощи электрических и магнитных полей, т.е. в широком диапазоне регулировать условия осаждения и, следовательно, свойства получаемых покрытий [5]. В частности, имеется возможность производить очистку, нагрев и активацию поверхности подложки бомбардировкой ионами осаждаемого материала в условиях высокого вакуума. При этом происходят очистка поверхности подложки, залечивание её микродефектов, взаимная диффузия материалов подложки и покрытия, что обеспечивает высокую адгезию между ними. Напуская в вакуумную камеру в процессе осаждения покрытия различные газы (азот, углеводороды, кислород, сероводород и др.), или их смеси можно синтезировать соединения испаряемых металлов с этими газами на поверхности подложки (соответственно нитриды, карбиды, окислы и т.п.). Регулируя давление газа, энергию и плотность ионов можно управлять свойствами покрытий.

Важным достоинством вакуумно-дугового способа является практически полное воспроизведение химического состава испаряемого материала в покрытии.

Вакуумно-дуговые испарители способны работать независимо от их расположения в пространстве, что даёт возможность наносить на одну и ту же подложку материалы из различных источников.

Особенностью вакуумно-дугового разряда является наличие в плазменном потоке капель испаряемого материала, что нарушает однородность покрытий. Это, как правило, снижает их служебные характеристики, в особенности, антикоррозионные, антиэрозионные, декоративные, оптические и др. При необходимости количество и размеры капель уменьшают более, чем на порядок, путём создания определённых конструкций плазменных источников. Технологические приёмы (например, увеличение давления газа) также позволяют уменьшить количество и размеры капель. Капли можно не допускать до подложки, пропуская плазменный поток через специальные электромагнитные фильтры [6].

Эрозионная плазма вакуумно-дугового разряда может служить плазменным катодом (эмиттером электронов) для газового дугового разряда низкого давления. Такой вакуумно-дуговой разряд получил название двухступенчатого, поскольку при общем токе он состоит из двух ступеней - газометаллической и газовой.

1.3.1 Основные требования к вакуумно-дуговым источникам и возможности их выполнения

Конструкция источника должна удовлетворять ряду требований. В основном, к источникам предъявляются следующие требования:

– надёжный запуск и поддержание дугового разряда в широком диапазоне токов;

– локализация катодных пятен (КП) на испаряемой поверхности катода;

– оптимальная диаграмма направленности плазменных потоков;

– минимальные количество и размеры капель в потоках плазмы;

– максимальный коэффициент использования материала катода (отношение веса отработанного катода к весу исходного);

– достаточный запас испаряемого материала;

– возможность удобной и быстрой смены катодов.

Для удовлетворения этих требований при создании источника необходимо учитывать следующие закономерности существования и перемещения КП по испаряемой поверхности.

1. КП всегда движутся по катоду к месту подключения к нему источника питания дугового разряда под действием магнитного поля тока, протекающего по катоду, и локализуются у токоподвода. Скорость их перемещения увеличивается с увеличением плотности тока разряда, протекающего по катоду.

2. При наличии внешнего магнитного поля КП движутся:

а) перпендикулярно его тангенциальной составляющей в сторону, противоположную предписываемой правилом Ампера («обратное» движение КП);

б) в сторону острого угла, образованного силовыми магнитными линиями и поверхностью катода (одновременно с «обратным» движением);

3. При существовании в области катода градиента давления (например, в случае локальной течи или другого источника газовыделений у катода) КП всегда перемещаются в сторону увеличения этого градиента.

4. Падение напряжения в положительном столбе будет минимальным, когда электроны от КП движутся вдоль магнитных силовых линий к аноду, т.е. если одна и та же силовая линия пересекает катод и анод. Оно максимально, если электрическое поле анода перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля в межэлектродном пространстве.

5. При наличии на катоде участков из материалов с различным катодным падением напряжения (составной или мозаичный катод) КП локализуются в основном на материалах с меньшим его значением.

6. Количество и размеры капель в плазменной струе увеличиваются с увеличением тока через катодное пятно, поэтому конструкция испарителя должна обеспечивать условия, при которых существует минимально возможный пороговый ток (величина тока, при достижении которой пятна начинают делиться). Таким образом, при большом токе разряда, обеспечивающем высокую производительность источника должно быть много КП с малыми токами.

7. Количество и размеры капель снижаются при увеличении скорости перемещения КП.

8. Количество и размеры капель увеличиваются с увеличением температуры испаряемой поверхности.

Рассмотрим некоторые варианты применения этих правил для управления катодным пятном с целью его удержания на испаряемой поверхности, стабилизации разряда и обеспечения необходимых характеристик плазменного потока (диаграммы направленности, количества капельной фазы и т.п.).

При отсутствии внешних магнитных полей направление движения КП всегда совпадает с направлением тока разряда, протекающего по катоду из-за влияния магнитного поля этого тока [7]. Если по периметру испаряемой поверхности катода создать выступ (рис.1.3.1.1), то при попадании на его внутреннюю стенку со стороны торца катода суммарное магнитное поле (поле тока в катоде и собственное магнитное поле КП) будет максимально и в соответствии с принципом максимума магнитного поля, сформулированным И.Г. Кесаевым, КП будет возвращаться на испаряемую поверхность [8].

вакуумный катодный плазменный покрытие

Рис. 1.3.1.1 Схема перемещения КП на внутренней стенке выступа на периферии испаряемой поверхности катода.

Н_кп - собственное поле катодного пятна, I_к - ток разряда, протекающий по выступу, Н_к - магнитное поле этого тока, V_кп - направление движения КП.

При дальнейшей эрозии катода такой выступ поддерживается автоматически при помощи этого же механизма, т.е. форма испаряемой поверхности становится корытообразной. Обычно высота выступа величиной 1,5…2 мм является достаточной для существенного уменьшения вероятности ухода КП на боковую поверхность катода. Необходимо отметить, что на катодах с большими размерами (диаметром 200 мм и более) уменьшение тока стабильного поддержания разряда не всегда заметно.

Стабилизирующая функция выступа существенно усиливается в присутствии внешнего расходящегося (осесимметричного) магнитного поля. В таком случае КП на внутренней стенке выступа подвергается воздействию двух факторов, возвращающих его на испаряемую поверхность. Это собственное магнитное поле тока, протекающего по выступу и острый угол между магнитными силовыми линиями внешнего поля и поверхностью стенки выступа (рис. 1.3.1.2).

Оба эти фактора действуют на КП, смещая его в направлении испаряемой поверхности, и, таким образом, стабилизируют разряд.

Одним из удобных способов управления КП является использование магнитного поля арочной конфигурации, которое может быть создано размещением проводника с током или постоянного магнита под испаряемой поверхностью (рис.1.3.1.3) [6-8].

Рис. 1.3.1.2 Схема движения КП на внутренней стенке выступа на периферии катода в присутствии внешнего магнитного поля.

V_КП - направление движения КП, Н_В - силовые линии внешнего магнитного поля, I_К - ток разряда, протекающий по выступу.

При такой конфигурации магнитного поля КП движется в «антиамперовом» направлении под воздействием тангенциальной составляющей арочного поля, находясь под вершиной арки. При уходе из-под вершины арки возникают составляющие скорости согласно правилу «острого угла», возвращающие КП под вершину арочного поля. При токах дугового разряда, когда на поверхности катода существует одно КП, эффект его удержания под вершиной арки наблюдается уже при значении индукции магнитного поля 0,5…5 мТл. С увеличением поля в этих пределах скорость движения КП возрастает от 4 до 40 м/с (на катоде из титана). При дальнейшем увеличении магнитного поля вплоть до 400 мТл скорость КП возрастает, но величина отклонений не уменьшается. При увеличении тока разряда, в особенности при появлении двух и более пятен, из-за расталкивания КП может выйти из-под арки поля. В таких случаях оно под арку не возвращается, поскольку попадает на участки катода, на которых междуэлектродное напряжение меньше.

Рис. 1.3.1.3 Схема движения КП в магнитном поле с арочной конфигурацией: а, б - на плоском катоде, в - на круглом катоде.

1 - катодное пятно, 2 -катод, 3 - проводник с током, 4 - магнитопровод; 5 - соленоид, 6 - траектория движения катодного пятна

Поэтому в вакуумно-дуговых испарителях с управляемой таким образом дугой (steered arc), как правило, используются токи, при которых на поверхности катода существует одно КП.



1.3.2 Конструкции вакуумно-дуговых плазменных источников

Несмотря на множество экспериментальных вариантов вакуумно-дуговых плазменных источников на практике в настоящее время применяется только несколько их разновидностей. Это источники с изолированными экранами, с магнитным удержанием катодного пятна, с автостабилизацией катодного пятна и планарные. В этой главе будут рассмотрены конструкции этих источников, а также поджигающие устройства, которые применяются в таких источниках.

1.3.2.1 Поджигающие устройства

Возбуждение дугового разряда в общем случае происходит при создании между катодом и анодом плазменного мостика. Для его создания существует несколько основных способов.

Это размыкание электрического контакта между катодом и поджигающим электродом, пробой по поверхности изолятора, высоковольтный пробой в вакууме, инжекция плазмы, возбуждение вспомогательного газового разряда, создание плазмы лазерным лучом и пр. В вакуумно-дуговых установках, предназначенных для нанесения покрытий, в основном, применяются первых два метода. Остальные ввиду их сложности используются там, где они имеют явные преимущества. Например, в дуговых импульсных устройствах, когда импульсы следуют с частотой в десятки тысяч за секунду.

Размыкание контактов

При размыкании контактов создается плазменный сгусток, образуемый испарившимся материалом катода и поджигающего электрода. При достаточной плотности плазмы возникает дуговой разряд между катодом и анодом. Поджигающий электрод через токоограничивающий резистор соединён с анодом. Изменяя величину резистора в цепи поджигающего электрода регулируют ток через него, обеспечивая необходимую плотность плазменного сгустка у катода и исключая возможность приваривания электрода к катоду. Электрод может касаться как нерабочей (боковой) поверхности катода (с последующим выходом КП на испаряемую поверхность), так и его испаряемой поверхности. После поджигания разряда электрод выводится из зоны плазменного потока.

Этот метод достаточно прост, надёжен и удобен при редких погасаниях дугового разряда, например, при больших токах дуги в испарителе, а также в случаях, когда не имеет существенного значения длительность паузы при погасании разряда.

Электрический пробой по поверхности диэлектрика

Более быстродействующими являются поджигающие устройства, основанные на использовании электрического пробоя по поверхности диэлектрического промежутка в непосредственной близости от катода. В устройстве используется керамический изолятор, снабжённый металлическими электродами. Один из электродов связан с генератором высоковольтных импульсов, другой - непосредственно с катодом или со вспомогательным анодом. При подаче на электроды высоковольтного импульса происходит электрический пробой по его поверхности. При этом образуется плазменный сгусток, плотности которого обычно достаточно для создания катодного пятна. В процессе работы испарителя на поверхности изолятора обычно образуется проводящий слой за счёт осаждения испаряемого металла, и для его электрического взрыва достаточно импульса напряжением несколько сотен вольт.

В конструкции с непосредственным контактом изолятора с катодом при длительной непрерывной работе испарителя существует вероятность осаждения слишком толстого проводящего слоя, при котором электрический взрыв не произойдёт из-за малой мощности пускового устройства. Поэтому создана конструкция, получившая название плазменного инжектора, в которой вероятность отказа по этой причине значительно снижена.



Рис. 1.3.2.1 Конструктивная схема плазменного инжектора. 1 - керамический изолятор,2 - металлическая втулка, 3 - стержень, 4 - дополнительный анод, 5 - катод.

Внутри керамического изолятора 1, помещённого в металлическую втулку 2, расположен стержень 3, к которому подводится высоковольтное импульсное напряжение. Изолятор крепится к дополнительному аноду 4 на расстоянии 0,8 - 1,2 мм от катода 5. При подаче высоковольтного импульса происходит электрический пробой по торцу изолятора между стержнем и дополнительным анодом, заполняя плазмой промежуток между изолятором и катодом и инициируя катодное пятно, которое затем переходит на торец катода. Кратковременного пребывания катодного пятна в области пускового устройства достаточно для создания на торце керамического изолятора проводящего слоя, облегчающего последующий пробой. Такие устройства успешно применяются в установках «Булат-6». На практике в качестве изолятора используют керамическое основание резистора МЛТ-2. Для повышения надёжности поджигающего устройства создана конструкция, подобная приведенной на рис. 1.2.2.1 и представляющая собой два коаксиально расположенных электрода, пространство между которыми заполнено спрессованной и высушенной смесью порошка карбида бора и силикатного стекла. При поверхностном электрическом пробое карбид бора частично разлагается, образуя тонкую плёнку углерода, создающую собой проводящий слой. Такое устройство выдерживает более 10⁵ импульсов и работает при амплитуде импульсов около 300 В.



1.3.2.2 Испарители с изолированными экранами

Рис. 1.3.2.2.1 Катодный узел вакуумно-дугового испарителя металлов с изолированным экраном.

1 - катод; 2 - поверхность испарения катода; 3 - охлаждающее основание; 4 - полость для воды; 5 - уплотнитель; 6 - шпильки крепления катода; 7 - изолированный экран; 8 - изолятор экрана; 9 - токоподвод к катоду; 10 - изолятор катодного узла; 11 - фланец катодного узла; 12 - керамическая вставка; 13 - пружинящая планка.

Типичная схема вакуумно-дугового испарителя с изолированным экраном приведена на рис. 1.3.2.2.1.

Катод 1 из испаряемого металла, торец 2 которого является поверхностью испарения, установлен на основании 3, имеющем полость 4, в которую поступает охлаждающая катод вода. Катод и основание герметизируются по периферии резиновым уплотнителем 5 и соединяются вместе с помощью шпилек 6. Желательно, чтобы материал шпилек был тот же, что и у катода. Катод и охлаждающее его основание со всех сторон, кроме поверхности испарения, окружены цилиндрическим экраном 7, прикреплённым к основанию на изоляторах 8. Зазор между боковой поверхностью катода и внутренней поверхностью экрана составляет 1…3 мм. Стабильность разряда увеличивается при уменьшении зазора, но увеличивается вероятность его замыкания через отслаивающуюся плёнку испаренного металла. В центральной части основания расположен полый токоподвод 9 к катоду. По нему поступает охлаждающая катод вода. Через изолятор 10 катодный узел крепится во фланце 11. Возбуждение дугового разряда осуществляется с помощью поджигающего устройства, состоящего из изолированного ввода, пружинящей планки 13 и керамической вставки 12. При подаче на поджигающий электрод высоковольтного импульса положительной полярности (до 1000 В) происходит высоковольтный пробой по металлической пленке, осаждённой на поверхности керамической вставки в процессе работы испарителя. В результате пробоя на поверхности катода формируется КП, которое выходит на поверхность испарения катода и возбуждает дуговой разряд между основными электродами испарительного устройства.

На периферии испаряемой поверхности катода имеется выступ, препятствующий переходу КП на боковую поверхность катода.

Фотография испарителя с катодом из титана диаметром 300 мм приведена на рис. 1.3.2.2.2. В этом испарителе применено электромеханическое поджигающее устройство. Возбуждение дугового разряда осуществляется кратковременным касанием поджигающего электрода поверхности катода. Поджигающий электрод электрически связан с анодом через токоограничивающий резистор.

Рис. 1.3.2.2.2 Вакуумно-дуговой испаритель с изолированным экраном

Для стабильной работы испарителя с изолированным экраном необходимо, чтобы на поверхности катода одновременно существовало два или более КП. В этом случае при погасании КП, из-за ухода в зазор между катодом и экраном, дуговой разряд поддерживается за счёт КП, находящегося на поверхности испарения. На рис. 1.3.2.2.3 приведены фотографии КП вакуумной дуги на поверхности торцевого цилиндрического катода диаметром 250 мм. При токе 120…140 А (см. рис. 1.3.2.2.3, а) на поверхности титанового катода существует одно периодически делящееся и вновь сливающееся КП. Оно перемещается преимущественно по центральной части катода, вблизи токоподвода. Увеличение тока до 200 А (см. рис. 1.3.2.2.2 б) приводит к появлению двух КП, и стабильность разряда значительно увеличивается. Отдельные КП под влиянием магнитных полей токов, протекающих через них, расталкиваются и перемещаются по периферии катода. Для повышения выработки катода целесообразно периодически изменять ток дугового разряда от 140 до 200 А и выше. В этом случае равномерно испаряется центральная часть катода и его периферия.

Рис. 1.3.2.2.2 КП на титановом катоде диаметром 250 мм при различных токах вакуумно-дугового разряда

На рис. 1.3.2.2.3 приведена фотография катода после окончания ресурса его работы.

Рис. 1.3.2.2.3 Титановый катод электродугового насоса АВЭД 40/800 диаметром 250 и толщиной 40 мм после полной выработки



Рис 1.3.2.2.4 Катодные пятна на оловянном катоде диаметром 450 мм

Ток дугового разряда 1500 А

Иногда для обеспечения более однородных по толщине покрытий требуется применение катодов больших размеров (имеются в виду диаметры катодов до 400 мм). На катодах больших размеров на характер движения одиночного КП оказывают влияние очень слабые магнитные поля, параллельные его поверхности и имеющие напряжённость несколько эрстед.

Магнитное поле центрального токоподвода к катоду, как уже говорилось выше, смещает КП в направлении центра катода. Чтобы вынудить КП перемещаться не только по центру, но также и по периферии катода, необходимо увеличивать ток дугового разряда до величин, при которых КП, отталкиваясь друг от друга, будут выходить на периферию. На рис. 1.3.2.2.4 приведена фотография катодных пятен на катоде из олова диаметром 450 мм при токе разряда 1500 А. Как видно, при данных условиях работы область перемещения КП в основном находится на периферии катода.

Равномерность расходования катода достигается периодическим изменением величины тока от минимального до максимального значения.

Охлаждение катода осуществляется водой через фланец со специальной проточкой. Фланец и катод герметизируются с помощью резинового уплотнителя. Целесообразно, чтобы вода омывала торец катода, противоположный его поверхности испарения. Это повышает эффективность охлаждения и позволяет повысить подводимую к испарителю мощность, увеличивая тем самым его производительность.

Поскольку испаряемый металл часто поставляется в виде листового проката, экономически целесообразно выполнять катод в форме параллелепипеда, а не цилиндра. После его полной выработки он так же, как и цилиндрический, приобретает корытообразную форму с таким же высоким коэффициентом использования испаряемого материала.