eng
Выпуск #2/2017
Р.Каракулов, В.Одиноков, В.Панин, А.Шубников, Д.Владимиров, С.Владимиров, А.Голубцов
Установка магнетронного распыления "Магна ТМ 7" в технологии создания тонкопленочных ГИС СВЧ
Установка магнетронного распыления "Магна ТМ 7" в технологии создания тонкопленочных ГИС СВЧ
Просмотры: 4840
Представлена новая разработка ОАО "НИИ точного машиностроения" – вакуумная установка "Магна ТМ 7". Рассмотрены ее устройство и принцип работы. На установке получены тонкие резистивные пленки на прямоугольных поликоровых пластинах ВК-100-1 магнетронным распылением дисковых мишеней диаметром 100 мм из материалов РС3710 и РС5406. Четырехзондовым методом установлено, что значения удельного поверхностного сопротивления полученных пленочных резисторов могут достигать 100 Ом/кв.
УДК 621.3.049.76.002.5, ВАК 05.04.06, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.72.2.80.86
УДК 621.3.049.76.002.5, ВАК 05.04.06, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.72.2.80.86
Теги: magnetron sputtering resistive thin films thin film technology магнетронное распыление резистивные тонкие пленки тонкопленочная технология
В настоящее время микроэлектронные устройства, изготовленные с использованием гибридных интегральных схем сверхвысокочастотного диапазона (ГИС СВЧ), в большой степени определяют техническую и экономическую эффективность приемопередающих систем цифровой радиосвязи, радиолокации и радионавигации. Внедрение тонкопленочной технологии в процесс изготовления ГИС СВЧ позволяет уменьшить размеры, а также улучшить параметры качества получаемых пассивных элементов.
Для создания тонкопленочных резисторов важны следующие характеристики пленки резистивного материала:
• удельное сопротивление пленки, его воспроизводимость и стабильность во времени;
• удельная рассеиваемая мощность пленки;
• температурный коэффициент сопротивления (ТКС);
• эксплуатационные характеристики (спектр и уровень шумов и др.).
Важной задачей является создание отечественного надежного специального технологического оборудования (СТО), которое смогло бы обеспечить требуемое качество получаемых пленочных резисторов и позволило работать в автоматическом режиме с контролем всех параметров технологического процесса нанесения на всех его стадиях. В настоящей статье приведены основные сведения о конструкции и технологических возможностях новой отечественной установки "Магна ТМ 7", предназначенной для вакуумного нанесения многослойных проводящих и резистивных тонких пленок методом магнетронного распыления.
На рис.1 представлены внешний вид установки (а) и ее принципиальная схема (b). Установка состоит из технологического модуля, а также стойки питания и управления. В состав технологического модуля (рис.2) входит рабочая камера 4, которая закреплена на каркасе 1, собранном из алюминиевых профилей. Камера с внутренним диаметром 380 мм и высотой 230 мм изготовлена из нержавеющей стали и имеет каналы охлаждения греющихся элементов. По образующей камеры расположены четыре фланца для закрепления различных автономных технологических устройств. Для нанесения магнетронным распылением тонких резистивных пленок в данной версии установки применяются ламповый нагрев (не показан), источник ионов (ИИ) 3, а также два магнетронных распылительных устройства (МРУ) 2 и 5.
Установка работает следующим образом. Семнадцать пластин размером 48 Ч 60 Ч 2 мм закрепляют на подложкодержателе (рис.3а), который пристыковывается к верхнему фланцу вакуумной камеры и снабжен мотор-редуктором, обеспечивающим плавное вращение пластин с частотой до 20 об/мин. Для удобства загрузки и выгрузки образцов применяется механизм подъема (рис.3b). Сначала электрический привод поднимает подложкодержатель над вакуумной камерой на расстояние 1 200 мм от уровня пола, а затем вручную, с помощью поворотного механизма, он отводится от вакуумной камеры на удобное для загрузки или выгрузки пластин расстояние.
Перед загрузкой пластин происходит напуск инертного газа, например атомарного азота N2, в рабочую камеру при помощи клапана напуска с электромагнитным управлением. Для регулирования потока применяется дросселирующий клапан с ручной подстройкой.
После загрузки пластин рабочая камера откачивается с помощью вакуумной системы, которая состоит из форвакуумного спирального насоса, расположенного в непосредственной близости от технологического модуля. Также в состав вакуумной системы входят высоковакуумный затвор с возможностью дросселирования откачиваемого объема, турбомолекулярный насос и пневмоуправляемые вакуумные клапаны с сильфонным уплотнением, расположенные рядом с рабочей камерой.
Для контроля остаточного давления, рабочего давления, давления на выходном патрубке турбомолекулярного насоса применяются различные вакуумметры. Безмасляная вакуумная система обеспечивает остаточное давление в рабочей камере не хуже 5 · 10–4 Па через 30 мин после выхода турбомолекулярного насоса на рабочий режим. Для сокращения времени технологического цикла нагреватель включается при достижении вакуума 8 · 10–3 Па через 10 мин после начала вакуумирования. Для нагрева пластин применяется ламповый нагреватель (рис.4а), в состав которого входят четыре галогенные лампы мощностью по 0,5 кВт каждая. Питание на нагреватели подается через вакуумный электрический ввод от блока управления нагревом. Датчик термосопротивления фиксирует предварительный нагрев пластин до 100 °С, а в процессе нанесения покрытий и последующего отжига нагрев достигает 300 °С. Задача предварительного нагрева – удаление остаточных паров воды с пластин. После этого пластины подвергаются ионной бомбардировке для удаления с них различных загрязнений с целью повысить прочность сцепления тонких пленок с поверхностью образцов. Для предварительной очистки подложек применяется имеющий прямоугольную апертуру источник ионов (рис.4b) с замкнутым дрейфом электронов с подачей положительного высоковольтного потенциала до 3 кВ на анод от блока питания. Центральный и периферийный полюсные наконечники ИИ, а также корпус имеет заземленный потенциал. Магнитная система набирается из отдельных цилиндров размером 20 Ч 40 мм, изготовленных из сплава системы неодим – железо – бор. Все элементы охлаждаются водой для предотвращения перегрева и выхода ИИ из строя.
После предварительной (финишной) обработки включается одно из двух магнетронных распылительных устройств, и в течение короткого промежутка времени производится очистка мишени от загрязнений. Все элементы внутри камеры защищены от потока материала, распыляемого при тренировке мишени, с помощью заслонки, присоединенной к приводу вращения, который пристыковывается к нижнему фланцу рабочей камеры и открывает устройства согласно очередности выполнения технологических операций (рис.5а). Для генерации осаждаемого потока вещества применяются планарные магнетронные распылительные системы (рис.5b) с дисковыми мишенями диаметром 100 мм и толщиной 6 мм. Мишени прижимаются к водоохлаждаемому основанию, изготовленному из меди, через индиевую прокладку. Магнитная система набирается из магнитов прямоугольного сечения, изготовленных из сплава на основе неодим – железо – бор. Для замыкания магнитного поля применяется магнитопровод, изготовленный из углеродистой стали. Магниты с магнитопроводом помещаются в корпус из алюминиевого сплава, который омывается водой. С помощью тесламетра установлено, что величина индукции магнитного поля на поверхности мишени составляет до 0,1 Тл. Магнетроны снабжены защитными экранами для стабильного горения разряда и защиты внутрикамерного пространства от запыления.
Для питания МРУ используется блок постоянного тока с выходной мощностью до 3 кВт и максимальным током до 7 А. В блоке имеется гальванически изолированный от корпуса выходной силовой разъем. При нанесении тонких покрытий на мишень подается высокий потенциал отрицательной полярности до 650 В, а поджиг разряда происходит при напряжении до 1 200 В. Для переключения питания между магнетронами применяется устройство для коммутации мощности.
Заслонка открывает подготовленную мишень одного из магнетронов, а также ламповый нагреватель, и происходит напыление материала мишени на пластины с одновременным их нагревом. Последний повышает прочность сцепления материала мишени с поверхностными атомами образцов и позволяет регулировать структуру напыляемых тонких пленок и, соответственно, их удельное поверхностное сопротивление. Во время процесса напыления контроль температуры и удельного поверхностного сопротивления образцов происходит по пластине-свидетелю. Напыление производится пока значение удельного поверхностного сопротивления на пластине-свидетеле не превысит 100 Ом.
В установке "Магна ТМ 7" предусмотрены два МРУ, что позволяет комбинировать напыляемые материалы и наносить многослойные тонкие пленки за один цикл вакуумирования. Затем выполняется отжиг пластин в течение 30 мин при температуре до 300 °С для кристаллизации структуры сформированных резистивных покрытий. После завершения технологического процесса осуществляется напуск инертного газа, и пластины выгружаются из вакуумной камеры.
Установка снабжена системой подачи сжатого воздуха. Пневмопанель имеет блок подготовки воздуха или осушитель, манометр для контроля входного давления, а также распределительное электронное устройство для подачи сжатого воздуха на требуемые исполнительные пневмоуправляемые элементы.
Система подачи охлаждающей воды на греющиеся элементы включает специальный коллектор, обеспечивающий несколько каналов подачи. Гидропанель имеет датчик для контроля входного давления и электронное устройство для контроля расхода воды и ее температуры на выходе по каждому каналу.
Газовая система установки снабжена тремя каналами подачи газов с регуляторами расхода на каждом из них. Аргон подается через первый канал, второй канал предназначен для подачи кислорода в ионный источник, а по третьему каналу происходит подача инертного газа для напуска в рабочую камеру в начале или по окончании технологического процесса.
Стойка питания и управления содержит блок питания ионного источника, блок питания магнетрона распыления, блок управления нагревом, а также различные коммутационные элементы. Управление технологическим процессом осуществляется оператором с помощью дисплея, компьютерной мыши и клавиатуры в ручном или полуавтоматическом режиме. Для обработки данных, поступающих с датчиков, и выдачи управляющих сигналов применяется промышленный компьютер. В случае аварийных ситуаций и отключения питания работа системы управления будет поддерживаться источником бесперебойного питания. Здесь же установлен контроллер турбомолекулярного насоса.
На установке "Магна ТМ 7" проводилось напыление тонкопленочных резисторов с использованием мишеней, изготовленных из резистивных сплавов РС-5406 и РС-3710, на прямоугольные пластины из поликора ВК-100-1 размером 60 Ч 48 мм и толщиной от 0,5 до 2 мм. Процессы проводились при рабочем давлении аргона 0,1–1,0 Па, мощности распыления каждой мишени в диапазоне 1,5–3 кВт и температуре нагрева до 300 °С. С помощью четырехзондового метода установлено, что значения удельного поверхностного сопротивления полученных пленочных резисторов могут достигать 100 Ом/кв с разбросом по пластине не более ± 3,5%.
Рассмотренная установка позволяет напылять тонкопленочные резисторы в производстве ГИС СВЧ магнетронным распылением. Расположение пластин на подложкодержателе в вертикальной плоскости обеспечивает нанесение качественных (с минимальной дефектностью) тонких пленок, обладающих хорошей прочностью сцепления между основой и адгезионным слоем. Автоматизированная система управления установки "Магна ТМ 7" контролирует все параметры процесса и поддерживает их стабильность согласно установленным значениям, обеспечивая хорошую воспроизводимость свойств наносимых покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данилина Т.И. Технология тонкопленочных микросхем. Учебное пособие. Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2006. 164 с.
2. Бушминский И.П., Морозов Г.В. Технология гибридных интегральных схем СВЧ. М.: Высшая школа, 1980. 285 с.
3. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Заполнение рабочей камеры технологической установки однородной плазмой с помощью стационарного тлеющего разряда // Физика плазмы. 2009. Т. 35. № 12. С. 1140–1149.
4. Одиноков В.В., Панфилов Ю.П. Выбор типа вакуумного нанотехнологического оборудования по критерию заданной производительности // Наноинженерия. 2011. № 11. С. 7–18.
Для создания тонкопленочных резисторов важны следующие характеристики пленки резистивного материала:
• удельное сопротивление пленки, его воспроизводимость и стабильность во времени;
• удельная рассеиваемая мощность пленки;
• температурный коэффициент сопротивления (ТКС);
• эксплуатационные характеристики (спектр и уровень шумов и др.).
Важной задачей является создание отечественного надежного специального технологического оборудования (СТО), которое смогло бы обеспечить требуемое качество получаемых пленочных резисторов и позволило работать в автоматическом режиме с контролем всех параметров технологического процесса нанесения на всех его стадиях. В настоящей статье приведены основные сведения о конструкции и технологических возможностях новой отечественной установки "Магна ТМ 7", предназначенной для вакуумного нанесения многослойных проводящих и резистивных тонких пленок методом магнетронного распыления.
На рис.1 представлены внешний вид установки (а) и ее принципиальная схема (b). Установка состоит из технологического модуля, а также стойки питания и управления. В состав технологического модуля (рис.2) входит рабочая камера 4, которая закреплена на каркасе 1, собранном из алюминиевых профилей. Камера с внутренним диаметром 380 мм и высотой 230 мм изготовлена из нержавеющей стали и имеет каналы охлаждения греющихся элементов. По образующей камеры расположены четыре фланца для закрепления различных автономных технологических устройств. Для нанесения магнетронным распылением тонких резистивных пленок в данной версии установки применяются ламповый нагрев (не показан), источник ионов (ИИ) 3, а также два магнетронных распылительных устройства (МРУ) 2 и 5.
Установка работает следующим образом. Семнадцать пластин размером 48 Ч 60 Ч 2 мм закрепляют на подложкодержателе (рис.3а), который пристыковывается к верхнему фланцу вакуумной камеры и снабжен мотор-редуктором, обеспечивающим плавное вращение пластин с частотой до 20 об/мин. Для удобства загрузки и выгрузки образцов применяется механизм подъема (рис.3b). Сначала электрический привод поднимает подложкодержатель над вакуумной камерой на расстояние 1 200 мм от уровня пола, а затем вручную, с помощью поворотного механизма, он отводится от вакуумной камеры на удобное для загрузки или выгрузки пластин расстояние.
Перед загрузкой пластин происходит напуск инертного газа, например атомарного азота N2, в рабочую камеру при помощи клапана напуска с электромагнитным управлением. Для регулирования потока применяется дросселирующий клапан с ручной подстройкой.
После загрузки пластин рабочая камера откачивается с помощью вакуумной системы, которая состоит из форвакуумного спирального насоса, расположенного в непосредственной близости от технологического модуля. Также в состав вакуумной системы входят высоковакуумный затвор с возможностью дросселирования откачиваемого объема, турбомолекулярный насос и пневмоуправляемые вакуумные клапаны с сильфонным уплотнением, расположенные рядом с рабочей камерой.
Для контроля остаточного давления, рабочего давления, давления на выходном патрубке турбомолекулярного насоса применяются различные вакуумметры. Безмасляная вакуумная система обеспечивает остаточное давление в рабочей камере не хуже 5 · 10–4 Па через 30 мин после выхода турбомолекулярного насоса на рабочий режим. Для сокращения времени технологического цикла нагреватель включается при достижении вакуума 8 · 10–3 Па через 10 мин после начала вакуумирования. Для нагрева пластин применяется ламповый нагреватель (рис.4а), в состав которого входят четыре галогенные лампы мощностью по 0,5 кВт каждая. Питание на нагреватели подается через вакуумный электрический ввод от блока управления нагревом. Датчик термосопротивления фиксирует предварительный нагрев пластин до 100 °С, а в процессе нанесения покрытий и последующего отжига нагрев достигает 300 °С. Задача предварительного нагрева – удаление остаточных паров воды с пластин. После этого пластины подвергаются ионной бомбардировке для удаления с них различных загрязнений с целью повысить прочность сцепления тонких пленок с поверхностью образцов. Для предварительной очистки подложек применяется имеющий прямоугольную апертуру источник ионов (рис.4b) с замкнутым дрейфом электронов с подачей положительного высоковольтного потенциала до 3 кВ на анод от блока питания. Центральный и периферийный полюсные наконечники ИИ, а также корпус имеет заземленный потенциал. Магнитная система набирается из отдельных цилиндров размером 20 Ч 40 мм, изготовленных из сплава системы неодим – железо – бор. Все элементы охлаждаются водой для предотвращения перегрева и выхода ИИ из строя.
После предварительной (финишной) обработки включается одно из двух магнетронных распылительных устройств, и в течение короткого промежутка времени производится очистка мишени от загрязнений. Все элементы внутри камеры защищены от потока материала, распыляемого при тренировке мишени, с помощью заслонки, присоединенной к приводу вращения, который пристыковывается к нижнему фланцу рабочей камеры и открывает устройства согласно очередности выполнения технологических операций (рис.5а). Для генерации осаждаемого потока вещества применяются планарные магнетронные распылительные системы (рис.5b) с дисковыми мишенями диаметром 100 мм и толщиной 6 мм. Мишени прижимаются к водоохлаждаемому основанию, изготовленному из меди, через индиевую прокладку. Магнитная система набирается из магнитов прямоугольного сечения, изготовленных из сплава на основе неодим – железо – бор. Для замыкания магнитного поля применяется магнитопровод, изготовленный из углеродистой стали. Магниты с магнитопроводом помещаются в корпус из алюминиевого сплава, который омывается водой. С помощью тесламетра установлено, что величина индукции магнитного поля на поверхности мишени составляет до 0,1 Тл. Магнетроны снабжены защитными экранами для стабильного горения разряда и защиты внутрикамерного пространства от запыления.
Для питания МРУ используется блок постоянного тока с выходной мощностью до 3 кВт и максимальным током до 7 А. В блоке имеется гальванически изолированный от корпуса выходной силовой разъем. При нанесении тонких покрытий на мишень подается высокий потенциал отрицательной полярности до 650 В, а поджиг разряда происходит при напряжении до 1 200 В. Для переключения питания между магнетронами применяется устройство для коммутации мощности.
Заслонка открывает подготовленную мишень одного из магнетронов, а также ламповый нагреватель, и происходит напыление материала мишени на пластины с одновременным их нагревом. Последний повышает прочность сцепления материала мишени с поверхностными атомами образцов и позволяет регулировать структуру напыляемых тонких пленок и, соответственно, их удельное поверхностное сопротивление. Во время процесса напыления контроль температуры и удельного поверхностного сопротивления образцов происходит по пластине-свидетелю. Напыление производится пока значение удельного поверхностного сопротивления на пластине-свидетеле не превысит 100 Ом.
В установке "Магна ТМ 7" предусмотрены два МРУ, что позволяет комбинировать напыляемые материалы и наносить многослойные тонкие пленки за один цикл вакуумирования. Затем выполняется отжиг пластин в течение 30 мин при температуре до 300 °С для кристаллизации структуры сформированных резистивных покрытий. После завершения технологического процесса осуществляется напуск инертного газа, и пластины выгружаются из вакуумной камеры.
Установка снабжена системой подачи сжатого воздуха. Пневмопанель имеет блок подготовки воздуха или осушитель, манометр для контроля входного давления, а также распределительное электронное устройство для подачи сжатого воздуха на требуемые исполнительные пневмоуправляемые элементы.
Система подачи охлаждающей воды на греющиеся элементы включает специальный коллектор, обеспечивающий несколько каналов подачи. Гидропанель имеет датчик для контроля входного давления и электронное устройство для контроля расхода воды и ее температуры на выходе по каждому каналу.
Газовая система установки снабжена тремя каналами подачи газов с регуляторами расхода на каждом из них. Аргон подается через первый канал, второй канал предназначен для подачи кислорода в ионный источник, а по третьему каналу происходит подача инертного газа для напуска в рабочую камеру в начале или по окончании технологического процесса.
Стойка питания и управления содержит блок питания ионного источника, блок питания магнетрона распыления, блок управления нагревом, а также различные коммутационные элементы. Управление технологическим процессом осуществляется оператором с помощью дисплея, компьютерной мыши и клавиатуры в ручном или полуавтоматическом режиме. Для обработки данных, поступающих с датчиков, и выдачи управляющих сигналов применяется промышленный компьютер. В случае аварийных ситуаций и отключения питания работа системы управления будет поддерживаться источником бесперебойного питания. Здесь же установлен контроллер турбомолекулярного насоса.
На установке "Магна ТМ 7" проводилось напыление тонкопленочных резисторов с использованием мишеней, изготовленных из резистивных сплавов РС-5406 и РС-3710, на прямоугольные пластины из поликора ВК-100-1 размером 60 Ч 48 мм и толщиной от 0,5 до 2 мм. Процессы проводились при рабочем давлении аргона 0,1–1,0 Па, мощности распыления каждой мишени в диапазоне 1,5–3 кВт и температуре нагрева до 300 °С. С помощью четырехзондового метода установлено, что значения удельного поверхностного сопротивления полученных пленочных резисторов могут достигать 100 Ом/кв с разбросом по пластине не более ± 3,5%.
Рассмотренная установка позволяет напылять тонкопленочные резисторы в производстве ГИС СВЧ магнетронным распылением. Расположение пластин на подложкодержателе в вертикальной плоскости обеспечивает нанесение качественных (с минимальной дефектностью) тонких пленок, обладающих хорошей прочностью сцепления между основой и адгезионным слоем. Автоматизированная система управления установки "Магна ТМ 7" контролирует все параметры процесса и поддерживает их стабильность согласно установленным значениям, обеспечивая хорошую воспроизводимость свойств наносимых покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Данилина Т.И. Технология тонкопленочных микросхем. Учебное пособие. Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2006. 164 с.
2. Бушминский И.П., Морозов Г.В. Технология гибридных интегральных схем СВЧ. М.: Высшая школа, 1980. 285 с.
3. Григорьев С.Н., Мельник Ю.А., Метель А.С., Панин В.В. Заполнение рабочей камеры технологической установки однородной плазмой с помощью стационарного тлеющего разряда // Физика плазмы. 2009. Т. 35. № 12. С. 1140–1149.
4. Одиноков В.В., Панфилов Ю.П. Выбор типа вакуумного нанотехнологического оборудования по критерию заданной производительности // Наноинженерия. 2011. № 11. С. 7–18.
Отзывы читателей
