Вакуумные системы, используемые в производстве изделий полупроводниковой техники

Для оценки степени разрежения газов пользуются величиной абсолютного давления. Единицей измерения давления в Международной системе единиц СИ служит ньютон на метр квадратный (Н/м 2 ), которому присвоено название Паскаль (Па): 1 Па = 1 Н/м 2. В вакуумной технике, наряду с Паскалем, распространена внесистемная единица – миллиметр ртутного столба (мм. рт. ст.), которой присвоено название Торр: 1 мм. рт. ст. = 1 Торр =133 Па (1 Торр 10 2 Па; 1 Па Торр) В зависимости от степени разрежения газов различают: низкий вакуум (давления от атмосферного до Торр); высокий вакуум (давления от до Торр); сверхвысокий вакуум (давления ниже Торр).

К вакуумным системам в полупроводниковом производстве предъявляются следующие требования: высокая скорость откачки газов из рабочей камеры; минимальное загрязнение объема рабочей камеры парами рабочих жидкостей установки; возможность регулировки скорости испарения/распыления вещества в широких пределах; возможность точного контроля параметров напыления и свойств растущей пленки; возможность получать требуемую конфигурацию напыляемых элементов; возможность вести процесс как в высоком вакууме, так и в восстановительной, окислительной или другой активной среде разреженного газа.

Вакуумная установка Вакуумная система Система контроля и управления Транспорти- рующая система Устройства испарения/ распыления Вспомага- тельные устройства Система электро- питания Рабочая камера Вакуумные насосы Затворы, вентили, натекатели Ловушки Трубопров., уплотнения Средства измерения вакуума Приборы измерения: темпера- туры толщины пленки состава пара Аппаратура управления: процессом откачки процессом напыления Механизмы ввода и вывода подложек Механизмы совмещения Шлюзовые загрузочные устройства Испарители Вибро- бункеры Разрядные устройства Нагреватели охладители Экраны, заслонки Гидро- привод Трансфор- маторы Регуляторы тока и напряжения Коммутаци- онная аппаратура

Вакуумные насосы характеризуются тремя основными параметрами: Наибольшее выпускное давление – это верхний предел диапазона выходных давлений, в котором может работать данное устройство. Наличие этого параметра обусловлено тем, что, например, насосы, основанные на принципе перемещения газов, могут создавать лишь определенную, конечную величину сжатия газа. Минимальное давление (P min ) или предельный вакуум – это нижний предел диапазона входных давлений насоса, откачивающего замкнутую систему. Скорость откачки вакуумного насоса – это скорость, с которой насос удаляет газы из системы. Она выражается в единицах объема, деленных на единицу времени [л/с] и определяется выражением: S = ln где: V – откачиваемый объём, t – время, Р 1 и Р 2 – начальное и конечное (через время t) давления в системе, P min – минимальное давление вакуумного насоса.

Чтобы создать разрежение в откачиваемом объеме необходимо уменьшить количество газа в нем. Этого можно достичь двумя путями: либо приложением к газу сил в определенном месте откачиваемой системы с целью удаления газа из объема; либо путем связывания газа в процессе химической реакции или конденсации. На этих принципах основана работа всех вакуумных насосов. В первом случае перемещение газа осуществляется либо механическим устройством (например, поршнем), либо струей пара или жидкости. Во втором случае поглощение газа достигается путем введения в систему химически активных веществ (например, паров некоторых металлов), которые взаимодействуют с газом с образованием конденсированной фазы, либо охлаждением газа до твердого состояния.

Вакуумные насосы Газоперемещающие насосы Сорбционные насосы Струйные насосы Диффузионный пароструйный насос Механические насосы Объемные насосы Молекулярные насосы Форвакуумный насос с масленым уплотнением Турбомолекулярный насос Криогенные насосы Гетерные насосы

Скорость откачки вакуумного насоса и скорость откачки вакуумной системы, содержащий этот насос, понятия не идентичные, так как скорость откачки системы зависит также от её конструкции (от пропускной способности различных элементов самой системы). Исходя из того, что вакуумные насосы имеют ограничения как по входному, так и по выходному давлениям, для получения высокого вакуума используют комбинацию из нескольких насосов. В этом случае выходное (выпускное) давление одного насоса является входным давлением другого насоса. P вх 1 P вх 2 P вых 1 P вых 2

масло ротор статор пластины пружина выходной патрубок клапан входной патрубок линия Л линия К1 линия К2 А объем В С Форвакуумный пластинчато- роторный насос Наибольшее выпускное давление насоса равно атмосферному давлению, а минимальное давление на входе составляет Торр. Скорость откачки насоса равна произведению числа оборотов ротора на удвоенную величину объема В: S = 2ωротVB. По окончанию работы в насос необходимо напустить воздух

нагреватель рабочая жидкость к форвакуумному насосу система охлаждения откачиваемый газ пары рабочей жидкости 1 е сопло 2 е сопло кольцевые зазоры отражатели Схема диффузионного насоса Основными частями насоса являются: охлаждаемый водой корпус, паропровод и нагреватель рабочей жидкости. молекулы откачиваемого газа попадают в объем насоса вследствие обычного хаотического движения. При достижении верхнего кольцевого зазора они увлекаются потоком пара вниз Скорость откачки и наибольшее выпускное давление насоса зависят от площади кольцевого зазора. При уменьшении площади зазора растет выпускное давление, но уменьшается скорость откачки. Поскольку у второго и последующих сопел возрастает давление откачиваемого газа, то уменьшая последовательно площади кольцевых зазоров, добиваются сочетания высокой скорости откачки с приемлемым давлением на выходе. Отражатели в верхней части насоса призваны уменьшить вероятность попадания молекул пара рабочей жидкости в откачиваемый объем. В течение долгого времени в качестве рабочей жидкости в диффузионных насосах использовали ртуть. Однако эта жидкость достаточно неприятна. В настоящее время в качестве рабочей жидкости используют минеральные масла (ВМ), имеющие давление паров ~ Торр, либо кремнийорганические (силиконовые) масла, обладающие более низким давлением паров (~ Торр) и повышенной устойчивостью к окислению. Давление паров рабочей жидкости определяет минимальное давление (предельный вакуум) насоса.

Пароструйные диффузионные насосы (в комплекте с механическими форвакуумными насосами) в настоящее время являются основным откачным средством в типовых установках для получения тонких пленок. достоинства: невысокая стоимость; простота устройства; достаточно высокая скорость откачки (100 – 1000 л/с); малая селективность при откачке газовых смесей. Недостатки: критичность к прорыву атмосферы в рабочую камеру (вследствие мгновенного окисления горячего масла); загрязнение окачиваемого объема парами рабочей жидкости. Для уменьшения последнего на входе диффузионных насосов, наряду с маслоотражателями, устанавливаются специальные ловушки для улавливания паров рабочей жидкости (конденсационные, абсорбционные, ионные).

P1P1 P2P2 L h статор ротор канал В молекулярном насосе цилиндрический ротор вращается с большой скоростью (десятки тысяч оборотов в минуту) внутри статора. Вращающийся ротор увлекает за собой молекулы газа и переносит их от входного отверстия канала к выходному, благодаря чему создается разность давлений Р1 – Р2. Разность давлений зависит от геометрических размеров канала (L и h), скорости вращения ротора (ω) и коэффициента вязкости газа (η): P 1 – P 2 = Таким образом, для получения высокого вакуума необходимо увеличивать длину канала и уменьшать его сечение. Кроме того целесообразно снижать давление на выходе, то есть применять молекулярный насос совместно с другими откачными средствами. С другой стороны, увеличение длины канала и уменьшение его сечения приводит к снижению скорости откачки.

газ статор ротор роторный диск статорный диск каналы Решением этого противоречия стали турбомолекулярные насосы. Турбомолекулярный насос представляет собой многоступенчатый осевой компрессор и состоит из статорных дисков, жестко закрепленных на статоре, и роторных дисков, вращающихся вместе с ротором со скоростью более 1000 об/мин. В статорных и роторных дисках имеются канавки, причем канавки в дисках статора являются зеркальным отражением канавок в дисках ротора. Молекулы газа, попадая в канавки роторного диска, центробежной силой перебрасываются к следующему статорному диску, откуда попадают к следующему роторному диску и так далее. Минимальное давление турбомолекулярных насосов составляет – Торр, а скорость откачки лежит в пределах от 100 до 5000 л/с.

Турбомолекулярный насос К достоинствам турбомолекулярных насосов относятся: возможность получения сверхвысокого вакуума; отсутствие загрязнения откачиваемого объема парами рабочей жидкости; быстрый запуск; нечувствительность к резкому повышению давления вплоть до атмосферного. Вместе с тем необходимо отметить высокую стоимость этих насосов и сложность профилактических работ.

криогенные насосы Принцип действия криогенных насосов основан на конденсации (вымораживании) откачиваемых газов на рабочей поверхности насоса (так называемой криопанели). Криопанель охлаждается до температур, при которых упругость паров окачиваемых газов не превышает требуемого предельного давления. В качестве хладагентов в криогенных насосах используются жидкий водород (температура кипения 20 К) или жидкий гелий (температура кипения 4,2 К). Криогенные насосы на жидком гелии обеспечивают откачку до давлений порядка Торр, то есть являются насосами сверхвысокого вакуума. Однако при температуре 4,2 К упругость паров гелия составляет 760 Торр, а упругость паров водорода – 3 ۰ Торр. Упругость паров остальных газов, как правило, не превышает Торр.

Достоинствами криогенных насосов являются: возможность получения сверхвысокого вакуума; высокая скорость откачки (тысячи литров в секунду); отсутствие загрязнения откачиваемого объема парами рабочей жидкости; простота и надежность конструкции; возможность помещать криопанель непосредственно в откачиваемый объём, что увеличивает эффективность откачки. К недостаткам следует отнести: большая селективность при откачке газовых смесей; высокая стоимость хладагентов; критичность к тепловым нагрузкам; необходимость в периодическом размораживании (регенирации) криопанели; необходимость использовать сорбенты (Al 2 O 3, специальные сорта углей) и/или вспомогательные средства откачки для удаления газов с большой упругостью паров при рабочей температуре (водород, гелий, неон).

Гетерные насосы используют свойственное ряду металлов явление гетерирования газов (газопоглощение). В качестве гетера в вакуумной технике применяют титан, образующий с компонентами воздуха (за исключением инертных газов) твердые устойчивые соединения с низким давлением пара (оксиды, нитриды, гидриды титана). Во время работы насоса происходит испарение титанового нагревателя или распыление титанового катода. Активные газы воздуха вступают в химическое взаимодействие с титаном и поглощаются растущей титановой пленкой. Основной недостаток гетерных насосов заключается в их неэффективности по отношению к инертным газам. Поэтому их как правило используют совместно с ионными насосами (гетерно-ионные насосы). Окачивающее действие ионных насосов основано на ионизации молекул газа и последующем внедрении образовавшихся положительных ионов в электроды, находящиеся под отрицательным потенциалом. Гетерно-ионные насосы используются для получения высокого и сверхвысокого вакуума (до – Торр) с производительностью от нескольких десятков до нескольких тысяч литров в секунду.

Приборы измерения вакуума (вакуумметры) В вакуумной технике необходимо измерение давлений в очень широком диапазоне: от атмосферного (760 Торр) до Торр (то есть 16 порядков величины). По принципу действия вакуумметры можно разделить на два класса: вакуумметры прямого действия, непосредственно измеряющие давление. К ним относятся жидкостные вакуумметры и деформационные (мембранные) вакуумметры. Преимуществом вакуумметров прямого действия является отсутствие зависимости их показаний от состава и температуры газа. Однако их рабочий диапазон ограничивается давлениями – Торр. вакуумметры косвенного действия, основанные на зависимости от давления какого либо свойства газа. Показания таких вакуумметров зависят от состава газа. Обычно они проградуированы для сухого воздуха. Наиболее распространенными вакуумметрами косвенного действия являются термопарные вакуумметры, основанные на зависимости теплопроводности газа от давления, и ионизационные вакуумметры.

mV mAE к вак. системе нагреватель термопара Термопарный вакуумметр состоит из измерительной установки и термопарного манометрического преобразователя. Рабочим элементом преобразователя является V-образная нить (проволока), нагреваемая электрическим током. Её температура определяется величиной тока накала и теплопроводностью окружающей среды. В свою очередь, теплопроводность является функцией давления газа. К средней точке нагреваемой нити приварена термопара, измеряющая её температуру. В зависимости от диапазона давлений используются различные режимы измерения. В диапазоне давлений – Торр прибор работает в режиме постоянного тока накала нити. При этом давление определяется по величине термо-э.д.с. термопары. В диапазоне от 5 до Торр используют режим постоянной термо-э.д.с. Постоянная величина термо-э.д.с. поддерживается регулировкой тока накала, а давление определяется по величине тока накала.

к вак. системе - 50 В В 6,3 В катод анод коллектор Ионизационный вакуумметр Принцип действия основан на ионизации газа и измерении ионного тока, величина которого (при прочих равных условиях) зависит от давления газа. Манометрический преобразователь ионизационного вакуумметра состоит из: вольфрамового катода, испускающего при нагревании электроны; анодной сетки, выполненной из вольфрама в виде спирали; цилиндрического коллектора ионов. При постоянном токе эмиссии электронов и постоянном ускоряющем напряжении число образующихся ионов и ионный ток пропорциональны молекулярной концентрации газа. Коллекторный ток подается на усилитель вакуумметра и по его величине определяется давление газа. Ионизационные вакуумметры обеспечивают измерение давлений от Торр до 5۰10 -8 Торр, а специальные типы преобразователей – до Торр.

рабочая камера (1) форвакуумный насос (2) диффузионный насос (3) нагреватель ловушки с маслоотра- жателями 4 5 высоковакуумный затвор (8) Н2ОН2О Н2ОН2О Типовые вакуумные установки периодического действия для напыления тонких пленок (УВН) имеют предельное давление 5۰10 -7 Торр и рабочее давление при напылении 5۰10 -6 Торр. Вакуумная система установки состоит из: рабочей камеры (1); форвакуумного механического насоса (2) для создания предварительного вакуума; диффузионного насоса (3); ловушек с маслоотражателями, охлаждаемых водой (4) и жидким азотом (5) и служащих для предотвращения попадания в рабочую камеру паров масла из диффузионного насоса; клапанов (6) и (7) для переключения форвакуумной откачки из рабочей камеры (1) и диффузионного насоса (3); высоковакуумного затвора (8), отсекающего работающий диффузионный насос (3) от рабочей камеры (1) при напуске в рабочую камеру воздуха через клапан (9); клапана (10) для напуска воздуха в форвакуумный насос (2) после его остановки.