Введение к работе
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 ионно-плазменного 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, учитывающего особенности материала КРТ Комплекс состоит из установки вакуумного напыления (УВН), установки прецизионного ионно-лучевого травления (УИЛТ), установки электроннолучевой микросварки (УЭЛС)
Создание современного элионного (электронно- и 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 конструкции, 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 микро- и 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 электронно- и 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 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 электропитания,
разработка 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-
З», «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 электроннолучевых 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 1000x1000 или выше, снижения весогабаритных показателей, повышения рабочей температуры фокальных матриц Современная планарная технология малоразмерных фотоприемных устройств, 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 электроннолучевой 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 молибдена, резистивного испарения материалов с низкой температурой плавления, в
том числе индия, травления полупроводниковых материалов, в том числе кремния и КРТ
-
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
-
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%
-
Разработана система обеспечения заданного теплового режима подложки при ионно-лучевом травлении КРТ
-
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
-
Разработан автоматизированный процесс вакуушго-шютнй электронно-лучевой сварки корпусов фотоприемников
-
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 установок 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 оперативного выявления и устранения причин брака
На защиту выносится
а Комплекс автоматизированного специализированного элионного оборудования для производства изделий микрофотоэлектроники на основе КРТ, не имеющий аналогов в РФ с комплектом конструкторской и эксплуатационной документации По результатам Государственных сдаточных испытаний комплексу присвоена литера Ol, 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 катодом,
с 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 вакуумную систему, ионный источник для очистки поверхности, магнетронный распылитель, устройство резистивного испарения, систему газонапуска,
- установки ионно-лучевого травления на базе ионного источника с холодным
катодом,
автоматизированной электронно-лучевой установки для іерметизации корпусов фотоприемных устройств методом электронно-лучевой сварки по заданному контуру
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 (1999г -2006г)
Y - YII Всероссийский семинары «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики», г Москва, 2001-2005Г г
XYII - XIX Международная научно-технические конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, г Москва 2002-2006г г
Основные результаты диссертации изложены в 15 печатных работах и двух изобретениях
Структура и объем диссертации.
