Разработка макета установки для синтеза неупорядоченных полупроводников

Макет установки для синтеза неупорядоченных полупроводников для создания фазовой памяти должен отвечать следующим параметрам:

- толщина изготавливаемых пленок ЗО-ЮОнм,

- контроль концентрации легирующей примеси,

- не допускать выделения в атмосферу жидких и газообразных веществ;

- не допускать дополнительного загрязнения материала в процессе выращивания;

- обеспечивать пожаро- и взрывобезопасность.

При этом, макет должен включать все необходимое оборудование и, возможно, программное обеспечение, позволяющее производить операции синтеза пленок ХСП и их легирования.

Для разработки макета установки были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ современных установок или отдельных агрегатов, позволяющих получить тонкие пленки состава GST225, а так же решение вопроса о необходимости создания новых аппаратных решений;

2. Анализ имеющейся в РГРТУ и на площадках партнеров вуза инструментальной базы и сопоставление характеристик имеющегося оборудования с требуемыми для получения тонких пленок заданного состава и толщины.

3. Разработка схемы подключения и соединения подобранного оборудования и решение вопроса о доработке программной и аппаратной части.

Анализ современных технических средств в области создания тонких пленок показал, что наиболее обширного распространения достигли установки использующие следующие методы нанесения пленок:

- термовакуумное (резистивное) испарение,

- электронно-лучевое испарение,

магнетронное распыление;

- лазерное испарение (абляция).

Дальнейший анализ оборудования производителей, таких как DCA Instruments, Carl

Zeiss C⅛oup, APS Inc, Angstrom Engineering Inc, Robvac, Mantis Deposition, Izovac, Oxford Instruments Plasma Technology, PVD Products и пр показал, что ряд наиболее

распространенных установок имеют определенные ограничения, не позволяющие использовать их в процессе получения тонких пленок.

Так установки, реализующие электронно-лучевое испарение, к примеру DCA Instruments Е300, имеют трудности с обеспечением равномерности толщины и стехиометрии на изделиях сложной конфигурации.

Установки лазерного испарения (абляции) (наир PVD Products PLD 3000) в принципе обладают необходимыми для получения тонких пленок свойствами, например, позволяют получать покрытия сложных соединений и при этом обладающих высокой чистотой. Однако данные установки сложны в реализации и потому имеют достаточно высокую цену.

Магнетронное распыление является одним из самых распространенных типов получения тонких пленок, однако, установки имеют относительно высокую стоимость. При этом, указанные установки зачастую позволяют реализовывать и резистивное испарение, потому, подобный комплекс имеет высокую стоимость по сравнению с аналогами (напр. комплекс магнетронного распыления и термовакуумного испарения CS- 1000 Sputter &PVD Deposition System фирмы Asia Pacific Systems Inc )

Термовакуумное (резистивное) испарение относится к наиболее простым методам получения тонких пленок. Установки подобного типа позволяют достигнуть высокой скорости осаждения пленок Из отрицательных моментов следует отметить получение пленок имеющих недостаточную плотность и невысокие механические свойства.

В тоже время, создание элементов фазовой памяти не предусматривает приложение к пленкам ХСП сколько либо больших усилий, потому, учитывая стоимость аналогичных аппаратных и инструментальных решений, в данной НИР для получения тонких пленок GST-225 будет использоваться установка термовакуумного испарения.

Для получения структуры Ge-Sb-Te различного состава использовалась вакуумная установка УВН-2М-2 предназначенная для вакуумного резистивного напыления тонких пленок.

Установка состоит из вакуумной системы, подколпачного устройства и электрического шкафа управления.

C помощью вакуумных насосов откачивается воздух из замкнутого пространства- рабочего объема (PO) вакуумной установки.

В условиях высокого вакуума (10-5 - 10-6 мм.рт.ст.~1,33 (10-3 - 10-4 Па материал, помещенный в испаритель, нагревается и испаряется в направление к подложке.

Атомы (молекулы) испаряемого вещества движутся к подложке, где конденсируются, образуя пленку. Скорость роста пленки, ее структура определяются технологическими

параметрами процесса, основными из которых являются температура испарения, температура подложки, давление остаточного газа, молекулярная масса испаряемого вещества и его природа. Имеют значение также и геометрические параметры конструктивных элементов PO.

Для внесения легирующей примеси использовалась установка магнетронного напыления УНИП - 900, производства НПФ «Элан-Практик» Само напыление на мишень происходило в среде аргона.

УНИП-900 предназначена для нанесения:

- нанокомпозитных упрочняющих покрытий широкого профиля, повышающих стойкость поверхности изделия к износу.

- защитно-декоративных покрытий, заменяющих гальванику и представляющих собой многослойные покрытия нанокомпозитной керамики

Оборудование установки может быть условно разделено на вакуумное, технологическое и вспомогательное.

Вакуумная подсистема предназначена для проведения операции откачки рабочей камеры. Состоит из двух ступеней форвакуумного насоса, байпасного и форвакуумного клапанов, диффузионного насоса, вакуумного затвора. Все насосы управляются с помощью электромагнитных пускателей, клапаны и затвор имеют электропневматическое управление, их положение контролируется с помощью электромагнитных датчиков. Вода для охлаждения диффузионного насоса контролируется с помощью датчика протока. Имеются аварийные блокировки по току и температуре. Чтобы контролировать давления в вакуумных магистралях, имеются датчики, позволяющие проводить измерения вакуума до 0.001 Па.

Технологическая подсистема предназначена для проведения различных технологических операций. Состоит из магнетронов и заслонок, блоков питания, клапанов подачи газа, регуляторов расхода газа, привода вращения изделий, датчиков давления.

Вспомогательное оборудование для контроля давления и протока воды, давления воздуха для питания пневмооборудования.

Для решения задач легирования пленок ХСП в процессе работ по созданию макета была разработана оригинальная структура управления и вспомогательное ПО, позволяющее изменять базовые настройки промышленного контроллера для получения условий, необходимых для легирования GST-225

Система управления была построена по двухуровневой схеме:

верхний - диспетчерская программа управления установкой;

нижний - программное обеспечение контроллера нижнего уровня.

Нижний уровень построен на базе промышленного контроллера, он обеспечивает управление всеми устройствами вакуумной и технологической частей установки, управление блоками питания магнетронов, позволяет автономно проводить технологический процесс после загрузки его параметров с верхнего уровня.

Верхний уровень построен на базе персонального компьютера, управляемого ОС Linux, и обеспечивает связь с нижним уровнем, конфигурирование, протоколирование работы установки, индикацию аварий, диспетчерское управление. Связь между уровнями осуществляется по интерфейсу RS485

Диспетчерская программа управления вакуумной установкой, реализованная на Python 2.7 реализует следующие функции:

отображение критических элементов процессов работы вакуумного и технологического оборудования, вывод значений основных рабочих параметров - давлений, токов и напряжений, расходов. Отображение текущего состояния и аварийных ситуаций

- настройка порогов давлений для переключения насосов, клапанов и высоковакуумного затвора установки.

- настройка параметров тестирования натекания и прокачки.

- настройка рабочих параметров технологического процесса.

- поддержка связи с контроллером установки, загрузка техпроцесса, параметров установки в контроллер, получение от контроллера текущих состояний, параметров работы оборудования, аварий.

- выдача команд на запуск откачки, запуск техпроцесса

- выдача команд на остановку, завершение техпроцесса.

- выдача команд на завершение работы установки.

- проведение измерений параметров установки - натекания и прокачки.

- ведение журнала техпроцесса

Журналы, настройки и записи хранятся в БД под управлением Postgressql.

Функциональная схема макета представлена ни рис. 4.1

Программное обеспечение контроллера нижнего уровня обеспечивает:

Рис. 4.1 Функциональная схема макета

автоматическое проведение операций по подготовке, откачке рабочей камеры и проведение операций технологического процесса, отслеживание состояния оборудования, формирование и обработку сигналов аварии, управление источниками питания магнетронов, выдачу ими заданных токов и напряжений, обработку сигналов аварийных состояний источников питания магнетронов, контролирует выходные напряжения и токи. В случае отклонения тока или напряжения источника на 20% от заданных значений, формируется соответствующее аварийное сообщение, производится его обработка.

контроль количества отданной магнетрону энергии.

управление вакуумным и технологическим оборудованием установки, прием команд и двусторонний обмен информацией с ПК верхнего уровня, передачу текущих параметров состояния оборудования и хода технологического процесса.

Так же была разработана схема соединений и подключений макета, представленная на рис. 4.2.

Таким образом, разработанный в данной НИР макет, включает в себя:

установку УВН-2М-2 предназначенная для вакуумного резистивного напыления тонких пленок;

установка магнетронного напыления УНИП - 900; специализированное программное обеспечение для управления УНИП - 900.

Рис. 4.2 Схема соединений и подключения макета

4.2.