Особенности получения тонкопленочного металлического конденсата из паровой фазы

 

 

1.1.2. Диффузионные паромасляные насосы.

 

 

Рис.3 Трехступенчатый диффузионный паромасляный насос.

 

Диффузионные паромасляные насосы являются наиболее распространенным высоковакуумным средством откачки и широко применяются в различных областях вакуумной техники.

Паромасляные насосы позволяют создавать вакуум до 10ˉ5 Па.

Трехступенчатый диффузионный паромасляный насос (рис. 3) имеет цилиндрический корпус 12, охлаждаемый холодной водой, протекающей по змеевику 2. Входной патрубок 1 в верхней части корпуса служит для присоединения насоса к откачиваемому объему. Выпускной патрубок 3 расположен в нижней части корпуса, которая представляет собой кипятильник, куда заливается масло 5, подогреваемое снаружи электронагревателем 4. Паропроводы 6, 7, 8 расположены в корпусе насоса и заканчиваются зонтичными соплами 9, 10,11.

При включении насоса рабочая жидкость (специальное масло) нагревается в кипятильнике, образовавшиеся пары поднимаются по паропроводам 6, 7 и 8, проходят по паропроводам вверх и с большой скоростью выбрасываются в виде струй через направленные под углом к охлаждаемой стенке насоса сопла 11, 10 и 9 соответственно первой, второй и третьей ступеней. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струи пара первой ступени и вместе с ними направляются на охлаждаемые водой стенки насоса. При этом пары масла конденсируются и образовавшиеся капли стекают в кипятильник.

Так обеспечивается непрерывная циркуляция рабочей жидкости в насосе. Увлеченный струей пара газ выбрасывается в основном вниз, последовательно диффундирует в струи пара второй и третьей ступеней и выбрасывается через выходной патрубок 3.

Паромасляные насосы не работают без предварительного механического насоса, подсоединяемого к их выходному патрубку и обеспечивающего  предварительное разрежение, а также без водяного охлаждения кожуха. Прекращение подачи воды в водяную рубашку может привести к перегреву насоса и сгоранию масла, а следовательно, к нарушению нормальной работы.

Недостаток диффузионных паромасляных насосов - возможность попадания в откачиваемый рабочий объем молекул масла, что может происходить двумя путями: пролетом в паровой фазе и миграцией по стенкам вакуумных трубопроводов. Так как проникшие в технологический объем молекулы масла оседают на подложках и загрязняют наносимые пленки, такие насосы

 

 

1.2.1. Вакуумные установки периодического действия.

Вакуумные установки периодического действия (рис. 2) имеют только одну рабочую камеру, в которой периодически проводятся все стадии технологического процесса: загрузка обрабатываемых подложек, откачка рабочей камеры, предварительная обработка подложек (нагрев, очистка), нанесение пленки, напуск воздуха до атмосферного давления, выгрузка подложек.

Эти установки в настоящее время наиболее распространены в промышленности, так как они просты по конструкции, легко переналаживаются и довольно дешевы. К тонким пленкам, наносимым на этих установках, предъявляют невысокие требования по уровню воспроизводимости технических параметров.

Рис. 4 Вакуумная установка с цилиндрической вертикальной рабочей камерой.

Производительность установки периодического действия невелика, так как перед каждой очередной загрузкой партии подложек в рабочую камеру напускают атмосферный

 

проведения следующего технологического цикла. Кроме того, при напуске воздуха на стенках рабочей камеры конденсируется влага, что приводит к загрязнению пленок при следующем технологическом процессе.

В зависимости от компоновки различают установки с вертикальной или горизонтальной цилиндрической рабочей камерами и с кубической.

 

1.2.2. Вакуумные установки полунепрерывного действия.

Вакуумные установки полунепрерывного действия обычно имеют шлюзовую и рабочую камеры, разделенные затвором. Производится откачка только шлюзовых камер небольшого объема, что повышает производительность установок, так как исключается непроизводительное время их периодической откачки до высокого вакуума.

Рис. 5 Вакуумная установка полунепрерывного действия.

 

Так как для создания в рабочей камере вакуума порядка 10ˉ4 - 5× 10 ˉ5 Па необходимо 1,5 -2ч. (даже при разогретом диффузионном насосе), а время нанесения одного слоя обычно не превышает 1-1,5 мин, в вакуумных установках применяют шлюзовые камеры, позволяющие, не нарушая вакуума (за один вакуумный цикл), последовательно или одновременно обрабатывать несколько партий подложек. При этом в шлюзовой камере размещается только сменный подложкодержатель с подложками, а технологическая оснастка (в том числе устройства испарения или ионного распыления) все время находится в условиях вакуума. Кроме увеличения производительности такой принцип работы установок способствует повышению воспроизводимости параметров наносимых тонких пленок, так как рабочая камера не сообщается с атмосферой.

Наиболее производительными установками полунепрерывного действия являются многопозиционные установки карусельного типа (рис.3), предназначенные для нанесения двухслойных пленок методом магнетронного распыления2. Установка имеет размешенные в обшей рабочей камере четыре рабочие позиции: загрузки-разгрузки планетарных подложкодержателей; нагрева подложек; первого и второго распыления. Подъемная крышка рабочей камеры 8 обеспечивает доступ к

внутрикамерным устройствам для их обслуживания, ремонта и очистки. Обработка подложек производится на планетарном подложкодержателе 3 с двумя осями вращения, который последовательно переводится с позиции на позицию пошаговым поворотом карусели 4 на 90° пневмоприводом.

На первой позиции подложкодержатели загружают через откидную крышку 2 и шлюзовую камеру 1, а затем откачивают ее форвакуумным насосом, подсоединенным к патрубку 15.

На второй позиции подложки нагревают с помощью кварцевых ламп.

На третьей и четвертой позициях, являющихся камерами распыления 9 и имеющих одинаковую конструкцию, на нагретые подложки с помощью магратронов3 5 последовательно наносят два слоя пленки.

Малый диффузионно-щелевой зазор между позициями нанесения пленок и общей рабочей камерой обеспечивает необходимый перепад давлений при напуске через натекатель 6 рабочего газа (аргона) непосредственно в зону разряда.

Для эффективного нагрева подложек, а также равномерности нанесения пленок на трех рабочих позициях установки предусмотрено вращение планетарных подложкодержателей механическим приводом 7. После окончания рабочего цикла каждый подложкодержатель возвращается на первую позицию в шлюзовую камеру, где его выгружают.

 

Поворот карусели на шаг происходит только после того, как затвор шлюзовой камеры 1 и механизм вакуумной блокировки камеры распыления 9 опустится вниз, соединяя их объемы с общей рабочей камерой 8.

Откачная система 10 с паромасляным диффузионным насосом 13 расположена с задней стороны рабочей камеры. Для предохранения рабочего объема от паров масла между диффузионным насосом 13 и высоковакуумным затвором 11 находится азотная ловушка 12.

Автоматическое управление установкой осуществляется программатором и обеспечивает стабилизацию тока разряда по давлению рабочего газа, последовательность работы механизмов и напуск газа в шлюзовую камеру.

При работе установки рабочая камера с помощью диффузионного насоса и вымораживающей азотной ловушки откачивается до давления не выше 1,33×10ˉ 2  Па (10ˉ4 мм рт. ст.). После этого при наличии в системе охлаждения камеры холодной воды включается нагреватель и подложки ускоренно разогреваются до заданной температуры.

При создании необходимого вакуума в рабочей камере и подаче аргона включаются магратроны на позиции распыления. Для получения качественных пленок и устойчивой работы магратронов используют только химически чистый и осушенный аргон. Скорость осаждения пленки на подложки зависит от мощности магратронов, а при заданном стабилизируемом напряжении их питания также от тока, который, в свою очередь, определяется давлением аргона на рабочей позиции.

 

Наибольшую скорость распыления получают при давлении аргона 6,65×10ˉ1  - 2,66×10ˉ1 Па (5×10ˉ3  - 2×10ˉ3  мм рт. ст.). Для поддержания оптимальной скорости распыления рекомендуется работать при напряжениях от 370 до 460 В и токах от 7,5 до 12 А. При заданном напряжении питания ток магратронов поддерживается с помощью блоков стабилизации тока разряда изменением на позициях распыления давления аргона, который подается с помощью электромагнитного натекателя 6. Толщина пленки определяется временем ее нанесения при заданной мощности магратрона.

На позиции перегрузки каждый раз после окончания времени цикла в шлюзовую камеру во избежание окисления нанесенной пленки подастся азот и после этого через заданное время включаются звуковая и световая сигнализации, предупреждающие оператора о необходимости перегрузки. После перегрузки подача азота прекращается и при закрытой крышке 2 шлюзовой камеры форвакуумный насос откачивает ее до давления не выше 1,33 Па (10ˉ2 мм рт. ст.). Затем через обводной клапан малого сечения при закрытом форвакуумном клапане шлюзовая камера откачивается до давления, близкого к давлению в рабочей камере. По окончании времени цикла затворы шлюзовой и распылительных камер опускаются вниз, сообщая их с рабочей камерой, а механизм перемещения передвигает карусель с позиции на позицию. После этого затворы шлюза и распылительных камер поднимаются вверх и вновь на каждой позиции выполняются рассмотренные операции.

 

1.2.3. Вакуумные установки непрерывного действия.

Установки непрерывного действия (Рис.6) отличаются тем, что обычно имеют несколько камер, а также входной и выходной шлюзы, позволяют исключить влияние откачной системы на цикловую производительность и обеспечивают однородные и стабильные условия процесса нанесения пленок. В настоящее время эти установки получают все большее распространение.

Вакуумные установки поточного типа с непрерывным перемещением подложек и поштучной их загрузкой работают по принципу из кассеты в кассету. Основными частями установки являются: рабочая камера, размещенная на каркасе;

 

Рис. 6 Установка непрерывного типа. 

агрегаты высоковакуумной откачки и откачки шлюзов; нагреватель и устройство транспортирования; шкафы питания магратронов, управления очисткой и установкой в наладочном и ручном режимах, а также по восьми запрограммированным технологическим процессам в автоматическом режиме.

В шкафу управления имеются дисплей и микропроцессор на основе ЭВМ, которая управляет транспортированием и нагревом подложек, напуском аргона в зоны распыления и травления, режимами работы трех магратронов, шлюзовых устройств, а также ведет счет пластин, обеспечивает контроль всех систем и блокировку при отказе какой-либо из них.

В рабочей камере 4 из нержавеющей стали размещен конвейер 13. Крышка 9 вверху камеры обеспечивает доступ к внутрикамерным устройствам для их обслуживания, ремонта и периодической очистки. Одновременно она служит для размещения ВЧ устройства 5 ионной очистки подложек и трех магратронов 6, расположенных в камере распыления 8 с вакуумной блокировкой.

Устройства ионной очистки и магратроны оснащены натекателями для напуска рабочих газов. Так как давление и состав атмосферы в рабочей камере 4 и камере распыления 8 различны, они для прохождения цепей конвейера соединяются друг с другом каналами, имеющими малую пропускную способность для газовых потоков. Это обеспечивает перепад давлений в камерах на два порядка. При давлении аргона 1,3 Па в камере распыления в рабочей камере поддерживается давление 5×10-3 Па.

Шлюзовая система выполнена в виде двух расположенных на торцевых сторонах рабочей камеры входного 2 и выходного шлюзов. Каждый шлюз оснащен щелевым вакуумным затвором 3, отделяющим его от рабочей камеры 4, и столом для размещения пустой и заполненной подложками кассет. Загружают и выгружают кассеты вручную через двери в шлюзовых камерах. При загрузке подлежащие обработке подложки 7 устанавливаются в кассете в шлюзовой загрузочный механизм шагового действия и поштучно подаются на конвейер 13 через шлюзовой затвор 3. Привод конвейера, выполненного в виде цепи из нержавеющей стали, расположен снаружи выходного шлюза. Распыление осаждаемых материалов происходит сверху вниз при непрерывном движении подложек. После нанесения пленок подложки попадают в выходной шлюз и последовательно укладываются в приемную транспортную кассету.

Патрубок в средней части камеры служит для подсоединения высоковакуумного откачного агрегата, состоящего из криогенного насоса 10, затвора и клапанов на магистрали форвакуумной откачки криогенного насоса. Для форвакуумной откачки криогенного насоса, рабочей камеры и шлюзов служит двухроторный агрегат, над которым расположена азотная ловушка.

При работе установки в автоматическом режиме включаются агрегат форвакуумной откачки и азотная ловушка на форвакуумной магистрали. При закрытом высоковакуумном затворе включается также форвакуумная откачка полости криогенного насоса (открыты форвакуумные клапаны крионасоса и общий). При давлении в полости криогенного насоса 6,7 Па (5×10ˉ2 мм рт. ст.) его форвакуумные и общий клапаны закрываются, запускается форвакуумная откачка рабочей камеры и включается сам криогенный насос.

После запуска форвакуумной откачки рабочей камеры при закрытом высоковакуумном затворе открываются затворы шлюзов, соответствующие форвакуумные клапаны, а также общий форвакуумный клапан и откачка идет через затворы шлюзов. При заданном давлении форвакуумная откачка рабочей камеры автоматически прекращается, затворы шлюзов закрываются, отсекая их от рабочей камеры. Одновременно закрываются клапаны форвакуумной откачки шлюзов. Криогенный насос выходит на рабочий режим в течение 70 мин после включения. По истечении этого времени открывается высоковакуумный затвор и рабочая камера откачивается криогенным насосом до высокого вакуума.

Далее начинается рабочий цикл установки, при котором подложки из кассеты шлюза загрузки поочередно укладываются на конвейер без разрыва их ряда. Двигаясь вместе с конвейером, подложки проходят очистку в устройстве ВЧ-травления, нагреваются с тыльной стороны, оказываясь над нагревателем 12, и с помощью магратронов на них наносится пленка. Мощность каждого магратрона, а следовательно, и толщину наносимых слоев можно регулировать отдельно. После нанесения пленок подложки автоматически укладываются в приемную кассету в шлюзе выгрузки.