Разработка автоматизированного элионного технологического оборудования для производства изделий микрофотоэлектроники

Для производства современных фотоприемных устройств, требуется комплекс достаточно сложного технологического оборудования. Этот комплекс, включает в себя установки для выращивания монокристаллов кремния, теллурида кадмия-ртути, арсенида галлия и других полупроводниковых материалов, для механической и химической обработки с целью получения полупроводниковых пластин — исходного продукта для производства фотоприемников. В технологической цепочке имеются также установки эпитаксиального выращивания. Завершает этот комплекс большая группа электоронно-лучевого и ионно-плазменного технологического оборудования включающая в себя установки ионной имплантации для внедрения примесей, установки плазменного и ионно-лучевого напыления, травления и формирования профильной структуры, различное литографическое оборудование и установки электронно-лучевой микросварки для решения задачи герметизации корпусов и присоединения микроконтактов.

Настоящая работа посвящена разработке комплекса специализированного электронно-лучевого и ионно-плазменного оборудования для современной планарной технологии производства малоразмерных фотодиодов (аналогичной кремниевой) учитывающего особенности материала КРТ. Комплекс состоит из установки вакуумного напыления (УВН), установки прецизионного ионно-лучевого травления (УИЛТ), установки электронно-лучевой микросварки (УЭЛС).

Создание современного элионного (электроннои ионно-лучевого) технологического оборудования связано с решением целого ряда научных и технических задач таких, как оптимизация электронно-оптических элементов и систем для формирования электронных и ионных пучков с требуемыми геометрическими и энергетическими параметрами, решение проблемы электрической прочности конструкций, модернизация и разработка новых систем электропитания с требуемой стабильностью и надежностью, разработка современных систем газонапуска и вакуумных систем. Принципиально важным требованием ко всему комплексу технологического оборудования для производства фотоприемных устройств является высокая степень автоматизации процессов контроля технологического процесса.

В настоящее время оборудование этого класса в Российской федерации не выпускается даже мелко серийно. Однако зарубежные фирмы, например, одна из ведущих компаний в плазменных и ионно-лучевых технологиях для сухого травления и нанесения пленок Oxford Plasma Technology выпускает широкую гамму автоматизированных установок технологии микрои наноэлектроники и поставляет его по всему миру. Стоимость этого оборудования чрезвычайно высока.

Цели и задачи работы.

Целью настоящей работы является разработка комплекса принципиально нового, конкурентоспособного вакуумного автоматизированного электроннои ионно-лучевого оборудования для технологической линейки по производству элементной базы нового поколения тепловизионных систем. В комплекс входят:

Специализированная установка вакуумного напыления (УВН), позволяющая в едином вакуумном цикле производить ионную и ионно-химическую очистку поверхности фотоприемных структур и КМОП схем без радиационных и температурных повреждений и наносить на них требуемые покрытия с высокой адгезией включающая в себя ионный источник, резистивную систему испарения и магнетронную систему напыления.

Установка прецизионного ионно-лучевого травления (УИЛТ) полупроводниковых материалов, обеспечивающая высокую равномерность плотности ионного тока по всей поверхности пластины при достаточно низкой энергии ионов для прецизионного травления полупроводниковых структур через маску с целью точного обеспечения топологии.

Компьютеризированная установка электронно-лучевой сварки (УЭЛС) для сварки (герметизации) корпусов матричных фотоприемников в вакууме. Поставленная цель подразумевает решение следующих задач:

— проведение анализа конструктивных решений и технологических возможностей отечественного и зарубежного оборудования электронно-лучевого и ионно-плазменного оборудования для технологии микрофотоэлектроники;

— выбор оптимальных электронно-оптических решений для формирования электронных и ионных пучков методами математического моделирования;

— разработка систем измерения параметров электронных и ионных пучков,.

— определение требуемых параметров систем электропитанияразработка принципов автоматического управления технологическими процессами и реализация их в виде АСУ каждым типом установок;

— оценка оптимального давления в вакуумной камере, поиск оптимальных конструктивных решений вакуумной системы и системы газонапуска в установках ионно-лучевого травления и напыления для обеспечения жестких требований к параметрам ионного пучка- - разработка конструкторской документации, изготовление, сборка и проведение технологических испытаний разработанного оборудования.

В работе использован опыт, накопленный автором при участии в создании и внедрении в промышленность ионных источников «Ион-2», «Ион-3», «Ион-4», «Ион-Ф», «Ион-П» и др., магнетронных распылителей «Магнетрон-2», магнетрон со встречно расположенными мишенями, а также разработанных в последние годы специализированных сварочных электронно-лучевых установок по ТЗ заказчика.

Актуальность и практическая значимость.

Новое поколение приборов фотоэлектроники для тепловидения, теплопеленгации, лазерной локации и связи в инфракрасной области спектра имеют в своей основе матричные фотоприемные устройства на основе твердых растворов теллуридов кадмия-ртути (КРТ). Развитие матричных фотоприемников идет в направлении уменьшения размеров фоточувствительных площадок, увеличения формата матиц до 1000×1000 или выше, снижения весогабаритных показателей, повышения рабочей температуры фокальных матриц. Современная планарная технология малоразмерных фотоприемных устройств, аналогичная кремниевой, учитывающая теплофизические и другие особенности материала КРТ, требует разработки специализированного технологического электронно-лучевого и ионно-плазменного оборудования. Речь идет о прецизионном ионно-лучевом травлении, ионно-плазменном нанесении тонких пленок без радиационных и тепловых повреждений, герметизации корпусов методом электронно-лучевой сварки. Таким образом, тема диссертационной работы весьма актуальна и имеет большое практическое значение, что обусловлено тем обстоятельством, что в настоящее время в Российской федерации оборудование для технологии микрофотоэлектроники серийно не выпускается, а стоимость зарубежного оборудования чрезвычайно высока.

Исключительно важным является также сохранение и развитие в России школы разработки электронно-лучевого и ионно-плазменного оборудования.

Создание технологического оборудования для технологии ИК микрофотоэлектроники является частью Федеральной программы «Критические технологии» и Президентской программы «Национальная технологическая база».

Научная новизна.

Создан комплекс промышленного автоматизированного элионного оборудования для производства изделий микрофотоэлектроники на основе КРТ, в котором реализован ряд технических решений, обладающих научной новизной, позволивших повысить качество технологического процесса. А именно:

1. В установке вакуумного напыления (УВН) предложен и реализован единый вакуумный цикл магнетронного напыления тугоплавких материалов, в том числе молибденарезистивного испарения материалов с низкой температурой плавления, в том числе индиятравления полупроводниковых материалов, в том числе кремния и КРТ.

2. Разработана система поддержания заданной скорости напыления индия.

3. Найдена эффективная ионно-оптическая система ионного источника с холодным катодом, позволяющая сформировать ионный пучок диаметром до 200 мм с неоднородностью плотности ионного тока не более 5% и энергией от 1кВ до ЗкВ, что позволяет осуществлять травление полупроводниковых материалов без радиационных повреждений.

4. Проведено исследование влияния газовой среды и давления в камере ионного источника с холодным катодом на параметры формируемого ионного пучка. По результатам исследования предложено конструктивное решение системы газонапуска, обеспечивающее формирование ионного пучка диаметром до 200 мм с неравномерностью плотности тока по сечению не более 5%.

5. Разработана система обеспечения заданного теплового режима подложки при ионно-лучевом травлении КРТ.

6. Разработаны методы и средства для контроля геометрических (профиля пучка) и энергетических параметров (определения разброса ионов по энергиям) ионных источников. Созданные средства контроля позволяют установить однозначное соответствие между режимом работы ионного источника и параметрами пучка и могут быть использованы в системе автоматизации управления технологическим процессом.

7. Разработан автоматизированный процесс вакуумно-плотной электронно-лучевой сварки корпусов фотоприемников.

8. Разработана методология, аппаратные средства и программное обеспечение для автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) комплексной установки вакуумного напыления (УВН), установки ионно-лучевого травления (УИЛТ) и установки электронно-лучевой сварки (УЭЛС). АСУ ТП является двухуровневой системой и осуществляет контроль и управление технологическим процессом по всему технологическому циклу, начиная от откачки рабочей камеры и завершая остановкой по окончании обработки изделия. Разработанная АСУ ТП предусматривает мониторинг основных рабочих характеристик оборудования в течение технологического цикла, что позволяет оперативно поддерживать заданный технологический режим и осуществлять регистрацию выхода параметров системы за установленные пределы. Мониторинг решает задачи повышения экономичности, обеспечения ритмичности производства и скорейшего выявления и устранения причин брака.

На защиту выносится: a. Комплекс автоматизированного специализированного элионного оборудования для производства изделий микрофотоэлектроники на основе КРТ, не имеющий аналогов в РФ с комплектом конструкторской и эксплуатационной документации. По результатом Государственных сдаточных испытаний комплексу присвоена литера 01, что свидетельствует о готовности разработанного оборудования к серийному выпуску. b. Устройство, методы и результаты исследования геометрических и энергетических параметров ионных пучков большого диаметра (до 200мм), формируемых ионными источниками с холодным катодомc. Ионно-оптическая система и конструктивное решение системы газонапуска ионного источника с холодным катодом, формирующего широкие низкоэнергетические пучки с высокой равномерностью плотности ионного тока. d. Принципы построения и технические решения двухуровневых систем автоматического управления технологическим процессом (АСУ ТП) для следующих вакуумных технологических установок:

— установки вакуумного напыления, имеющей в своем составе, ионный источник для очистки поверхности, магнетронный распылитель, устройство резистивного испарения, систему газонапуска, систему перемещения подложки;

— установки ионно-лучевого травления на базе ионного источника с холодным катодом;

— автоматизированной электронно-лучевой установки для герметизации корпусов фотоприемных устройств методом электронно-лучевой сварки по заданному контуру. g.

Методы исследования.

В работе использованы современные методы расчета и пакеты прикладных программ для численного моделирования функционирования электронно-оптических систем, а именно программы.

— для расчета электрических и магнитных полей методом конечных элементов,.

— численного решения уравнений движения электронов и ионов в электрических и магнитных полях, моделирования термоэмиссионных систем с катодом произвольной формы, расчета аберрационных свойств магнитных формирующих линз. Предложены и успешно опробованы экспериментальные методы определения токовых характеристик и энергетического разброса ионов в ионных источниках.

Для определения характеристик тонкопленочных структур, полученных с помощью разработанного оборудования, использованы методы растровой электронной микроскопии.

Достоверность результатов исследований и принятых технических решений подтверждена результатами государственных сдаточных и технологических испытаний всего комплекса разработанного оборудования.

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

Постоянно-действующий научно-технический семинар «Электровакуумная техника и технология», г. Москва (1999 г. — 2006 г.).

Y — YII Всероссийский семинары «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», г. Москва, 2001;2005г.г.

XYII — XIX Международные научно-технические конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, г. Москва 2002;2006г.г.

Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, библиографического списка из 65 наименований, 4 приложений, содержит 118 страниц основного текста и 92 иллюстрации.

Выводы:

Автоматизированная система управления с мониторингом параметров техпроцесса позволяет гарантировать качество, как при опытном производстве, так и при серийном выпуске. Это особенно актуально при выпуске дорогостоящих приборов микрофотоэлектроники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена разработке комплекса специального автоматизированного ионно-плазменного и электронно-лучевого оборудования для технологической линейки пор выпуску малоразмерных изделий микрофотоэлектроники на основе КРТ. Здесь мы остановимся на наиболее важных результатах, полученных при проведении данной работы:

1. Ионно-лучевое травление квазипараллельным низкоэнергетическим ионным пучком является одним из актуальных технологических процессов в технологии производства широкоформатных фотоэлементов на основе КРТ. В работе предложены методы расчета и проектирования прецизионных ионных источников, формирующих низкоэнергетические ионные пучки. Найдена эффективная ионно-оптическая система разрядных ячеек мультиплицированного ионного источника с холодным катодом, позволяющая сформировать ионный пучок диаметром до 200 мм с неоднородностью плотности ионного тока не более 5% и энергией от 1кВ до ЗкВ, что обеспечивает травление полупроводниковых материалов без радиационных повреждений.

2. На базе разработанных ионных источников с холодным катодом создана установка ионного травления со стабилизацией температуры подложки на уровне, обеспечивающем сохранение физических и структурных характеристик материалов фотоприемников.

3. Проведено исследование влияния давления в камере ионного источника с холодным катодом на параметры формируемого ионного пучка. По результатам исследования предложено конструктивное решение системы газонапуска, обеспечивающее формирование ионного пучка диаметром до 200 мм с неравномерностью плотности тока по сечению не более 5%.

4. Разработаны методы и средства для контроля геометрических (профиля пучка) и энергетических параметров (определения разброса ионов по энергиям) ионных источников. Созданные средства контроля позволяют установить однозначное соответствие между режимом работы ионного источника и параметрами пучка и могут быть использованы в системе автоматизации управления технологическим процессом.

5. Разработана, изготовлена и внедрена в производство комплексная установка напыления на основе магнетронного распылителя и резистивного испарителя, оснащенная ионным источником для предварительной очистки поверхности перед напылением. В установке вакуумного напыления (УВН) предложен и реализован единый вакуумный цикл магнетронного напыления тугоплавких материалов, в том числе молибденарезистивного испарения материалов с низкой температурой плавления, в том числе индиятравления полупроводниковых материалов, в том числе кремния и КРТ. Установка позволяет с высокой степенью адгезии наносить покрытие в том числе из тугоплавких материалов в качестве подслоя при формировании индиевых контактов для стыковки матрицы фотоэлементов с мультиплексором. Установка оснащена датчиком скорости напыления индия, позволяющим контролировать технологический процесс формирования индиевых столбиков и обеспечивать воспроизводимость заданных характеристик. Подложкодержатель установки напыления обеспечивает заданную температуру подложки в процессе напыления.

6. Разработана, изготовлена и внедрена в производство установка вакуумно-плотной электронно-лучевой микросварки для герметизации корпусов фотоприемников.

7. Разработана методология, аппаратные средства и программное обеспечение для автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) комплексной установки вакуумного напыления (УВН), установки ионно-лучевого травления (УИЛТ) и установки электронно-лучевой сварки (УЭЛС). АСУ ТП является двухуровневой системой и осуществляет контроль и управление технологическим процессом по всему технологическому циклу, начиная от откачки рабочей камеры и завершая остановкой по окончании обработки изделия. Разработанная АСУ ТП предусматривает мониторинг основных рабочих характеристик оборудования в течение технологического цикла, что позволяет оперативно поддерживать заданный технологический режим и осуществлять регистрацию выхода параметров системы за установленные пределы. Мониторинг решает задачи повышения экономичности, обеспечения ритмичности производства и скорейшего выявления и устранения причин брака.