/
ВВЕДЕНИЕ
Целью производственной практики является приобретение профессиональных навыков, закрепление и углубление теоретических навыков в области проектирования и технологии изготовления РЭС, применение полученных знаний при решении конкретных задач проектирования РЭС и технологических процессов их изготовления.
Содержание практики:
Приобретение трудовых навыков в соответствии со спецификой рабочего места техника - конструктора и техника - технолога.
Изучение организации работы проектно - конструкторских и технологических подразделений и их взаимосвязи.
Изучение современных конструкторских разработок деталей, сборочных единиц и блоков РЭС, а также базовых технологических процессов их изготовления.
Изучение современного технологического оборудования, оснастки, инструмента, специальной контрольной и испытательной аппаратуры, средств механизации и автоматизации технологических процессов.
Практическое освоение конструкторских и технологических САПР.
Изучение действующих на предприятии нормативно - технических документов (ГОСТ, ОСТ, СТП и т.д.).
Выполнение индивидуального задания по практике.
1. Организационная структура Центра 10.1
1. Центр электронных технологий и технической диагностики технологических сред и твердотельных структур НИЧ УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» создан в 2004 г.
Научный руководитель: академик НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор Достанко Анатолий Павлович.
Штатный состав включает 7 человек, в том числе кандидатов технических наук - 3; научных сотрудников - 4.
Главные направления исследований:
- проведение научных исследований, измерений и разработок в области опто-, микро- и наноэлектронных технологий и технической диагностики технологических сред и твердотельных структур по заказам республиканских и международных (в том числе зарубежных) организаций, учреждений, предприятий и фондов по стандартам и согласованным с заказчиками методикам;
- разработка новых и совершенствование имеющихся методов и методик теоретического и экспериментального моделирования, формирования и экспериментального исследования твердотельных опто-, микро- и наноструктур и новых материалов для них;
- подготовка учебных и учебно-методических материалов для преподавания курсов по технологии оптики, микро- и наноструктур и технической диагностике технологических сред и твердотельных структур в вузах республики ближнего и дальнего зарубежья;
- выполнение и координация фундаментальных и прикладных исследований в области опто-, микро- и наноэлектроники до 2005 года в рамках Межвузовской программы фундаментальных исследований «Наукоемкие технологии»; Государственной научно-технической программы «Приборостроение» по разделу «Техническая диагностика»; Государственной программы ориентированных фундаментальных исследований «Материал», с 2006 года ГППИ «Материалы в технике», ГПОФИ «Высокоэнергетические, ядерные и радиационные технологии», ГКПНИ «Кристаллические и молекулярные структуры», ГКПНИ «Фотоника», ГКПНИ «Инфотех», ГКПНИ «Современные технологии в медицине», ГКПНИ «Химические реагенты и материалы», ГКПНИ «Нанотех».
- анализ элементного состава поверхности и локальных областей тонких пленок и слоев, исследование дефектообразования;
- прецизионные микроскопические измерения линейных размеров в микронном и субмикронном диапазонах;
- анализ молекулярного состава, толщин, оптических характеристик (коэффициент пропускания и поглощения) оптически прозрачных пленок, зеркал в видимом и ИК диапазонах.
2. ТЕХНОЛОГИИ ИОННО-ЛУЧЕВОГО И ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
В процессе прохождения практики особое внимание было уделено разработкам научно-исследовательской группы №2.
Поэтому в данном разделе будут рассмотрены основные направления деятельности отдела и представлен краткий обзор разработанных устройств.
В лаборатории ионно-плазменных процессов формирования тонких пленок проводятся работы в области исследования и разработки устройств и технологий ионно-плазменного формирования тонкопленочных слоев для оптики, микро-, оптоэлектроники и износостойких, защитно-декоративных тонкопленочных структур.
Направления деятельности лаборатории
Разработка ионных источников для процессов ионно-лучевого распыления, двойного ионно-лучевого распыления, ионно-асситированного нанесения слоев (IBAD)
Разработка магнетронных распылительных систем и несбалансированных магнетронных распылительных систем, в том числе для процессов магнетронного распыления при пониженном давлении
Процессы реактивного ионно-лучевого и магнетронного распыления
Процессы несбалансированного магнетронного распыления
Методы нейтрализации ионных пучков
Разработка процессов ионно-плазменного нанесения отражающих структур с высокой стойкостью параметров
Разработка составов и процессов нанесения high-K и low-K диэлектриков
Ионная полировка оптических деталей
В лаборатории разработан ряд ионно-лучевых и ионно-плазменных устройств для технологии формирования тонких пленок: двухлучевые ионные источники, распыляющие ионные источники, ионные источники для ионно-ассистированного нанесения слоев, магнетронные распылительные системы (МРС) и несбалансированные магнетронные распылительные системы (НМРС). Разработанные ионно-плазменные устройства имеют простую конструкцию, просты в применении и нечувствительны к загрязнению. Это позволяет использовать данные устройства, как для исследований, так и в промышленности.
В лаборатории разработаны технологии ионно-лучевого и ионно-плазменного формирования тонких пленок, такие как ионно-лучевое распыление, двойное ионно-лучевое распыление, ионно-асситированное нанесение (IBAD), реактивное магнетронное распыление, несбалансированное магнетронное распыление, различающиеся диапазонами энергий ионов, плотностями токов, рабочими давлениями, и т.д.
Разработанные ионно-плазменные устройства и технологии формирования тонких пленок были внедрены на ряде предприятий и в научно-исследовательских лабораториях Республики Беларусь, бывшего СССР и других стран.
Одним из направлений деятельности лаборатории является разработка, развитие и внедрение современных технологий нанесения тонких пленок различного функционального назначения.
В области интересов лаборатории:
технологии ионно-лучевого и ионно-плазменного нанесения многослойных структур для оптики и оптоэлектроники (пленки SiO2, ZnO, TiO2, Y2O3, Ta2O5, In2O3, AlN, Al2O3, ITO и т.д. и др.) на крупноформатные подложки;
технологии ионно-плазменного нанесения отражающих структур (лазерные зеркала с высокой стойкостью к лазерному излучению, ИК зеркала и тепловые экраны с высокой стойкостью параметров при воздействии повышенных температур и влаги);
технологии нанесения многослойных структур на основе тугоплавких соединений (TiB2, Si3N4, AlN, CrN, TiN, и т.д);
разработка процессов нанесения сверхтвердых покрытий на основе алмазоподобных пленок (DLC), кубического нитрида бора (с-BN), и нитрида углерода (-C3N4) методами IBAD, несбалансированного магнетронного распыления и двойного ионно-лучевого распыления;
разработка составов и процессов нанесения high-K и low-K диэлектриков.
Далее представлен краткий обзор устройств, разработанных в лаборатории ионно-плазменных процессов формирования тонких пленок.
Двухлучевой ионный источник на основе ускорителя с анодным слоем |
Назначение Двухлучевой ионный источник (ДИИ) на основе ускорителя с анодным слоем предназначен для формирования тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков методом ионно-лучевого распыления и реактивного ионно-лучевого распыления. ДИИ также применяется для ионной очистки поверхности подложек активации поверхности. Область применения Ионно-лучевое распыление Реактивное ионно-лучевое распыление Двойное ионно-лучевое распыление Предварительная ионная очистка поверхности Ионно-ассистированное нанесение слоев Формирование переходного слоя (ion mixing) Ионное травление Описание ДИИ имеет две отдельные ступени генерации ионных пучков и формирует два независимых ионных пучка, один из которых служит для распыления материала мишени, а второй для предварительной ионной очистки подложек и ионного ассистирования. Ионный источник позволяет распылять металлические, полупроводниковые и диэлектрические (SiO2, BN, графит, и т.д.) мишени. Для формирования многослойных структур в едином вакуумном цикле ионный источник может оснащаться вращаемым мишенедержателем с четырьмя мишенями из различных материалов. Использование смесей инертных и реактивных газов (кислород, азот, и т.д.) позволяет получать компонентные пленки при распылении металлических мишеней. ДИИ может быть изготовлен как круглой, так и протяженной геометрии. Конструкция ДИИ может быть выполнена для фланцевого или внутрикамерного размещения. Характеристики ионного источника с мишенью 80 мм Распыляющая ступень: Анодное напряжение 450 - 6000 В Энергия ионов 300 - 2000 эВ Ток разряда до 300 мА Ток ионного пучка до 250 мA Рабочее давление 0.01 - 0.06 Па Расход газа до 40 мл/мин Рабочие газы Ar, O2, N2, CH4 и т.д. Скорость нанесения слоев до 0.8 нм/c Ассистирующая ступень: Анодное напряжение 450 - 3000 В (максимальное - 6000 В) Энергия ионов 300 - 1000 эВ (максимальная - 2000 эВ) Ток ионного пучка до 120 мA Рабочее давление 0.01 - 0.06 Па Расход газа до 30 мл/мин Рабочие газы Ar, O2, N2, CH4 и т.д. |
|
Магнетронная распылительная система несбалансированного типа МАС-80 |
Назначение Предназначена для нанесения слоев металлов и соединений методами магнетронного и реактивного магнетронного распыления в условиях ионного ассистирования. Описание В магнетронной распылительной системе несбалансированного типа МАС-80 основная магнитная система формирует сбалансированную конфигурацию магнитного поля на поверхности мишени. Дополнительный соленоид используется для управления распределением магнитного поля в области мишень - подложка. Эта конфигурация позволяет управлять плотностью ионного тока на подложку, и также отношением ион/атом на поверхности конденсации путем изменения уровня несбалансированности магнетрона. Характеристики (мишень 80 мм): Напряжение разряда 300 - 600 В Ток разряда до 4.0 А; Рабочее давление 0.02 - 0.5 Па; Плотность тока подложки до 15 мA/cм2 Коэффициент несбалансированности (K) 1.0 - 8.0 Рабочие газы инертный или смесь инертного и реактивного (O2, N2, CxHy) газов Расход газа до 40 мл/мин; Размер мишени 80 мм* * По требованию заказчика размер мишени может быть изменен в диапазоне от 60 до 160 мм. |
|
Технология ионно-плазменного нанесения многослойных оптических покрытий с высокой стойкостью параметров |
Назначение Технология предназначена для нанесения многослойных структур тонких пленок металлов, и соединений методами ионно-лучевого, магнетронного, реактивного ионно-лучевого, реактивного магнетронного распыления и непосредственного нанесения из пучка. Преимущества Возможность нанесения многослойных структур в едином вакуумном цикле; Возможность нанесения слоев металлов, полупроводников и диэлектриков; Возможность нанесения компонентных слоев с сохранением стехиометрии; Возможность нанесения слоев на различные подложки, включая полимеры; Повышение адгезии слоев к подложке и межслойной адгезии за счет применения технологии ионного перемешивания (ion mixing) и ионной очистки; Высокая управляемость характеристиками наносимых слоев. ПрименениеИзготовление лазерных зеркал с высокой стойкостью к лазерному излучениюИзготовление оптических фильтров с высокими трибологическими свойствамиИзготовление ИК зеркал и тепловых экранов с высокой стойкостью параметров при воздействии повышенных температур и влаги.Характеристики Пленкообразующие материалы Al, Cu, Ag, Ti, In, Ta, Si, TiO2, SiO2, AlN, In2O3, Ta2O5, Al2O3, и др. Количество различных слоев, наносимых в едином вакуумном цикле до 4 Размеры подложки до 500 мм Количество одновременно обрабатываемы подложек 6048 мм до 200 шт |
|
DC-RF исследовательская Магнетронная распылительная система |
Назначение Предназначена для нанесения слоев диэлектриков и сегнетоэлектриков и им подобных соединений методами магнетронного, реактивного ВЧ, импульсного магнетронного распыления и распыления на постоянном токе. Описание В данной магнетронной распылительной системе используются мишени диаметром 36 мм. Использование мишеней такого размера позволяет минимизировать затраты на проведение научных исследований за счет стоимости распыляемых материалов, аппаратуры питания и использования малогабаритных вакуумных постов. Характеристики (мишень 36 мм): Напряжение разряда 300 - 600 В Ток разряда до 1.0 А; Рабочее давление 0.02 - 0.5 Па; Плотность тока подложки до 5 мA/cм2 Рабочие газы инертный или смесь инертного и реактивного (O2, N2, CxHy) газов Расход газа 60 мл/мин; Размер мишени 36 мм* * Размер мишени может быть увеличен 160 мм. |
3. МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА. ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ
В настоящее время получение высококачественных тонкопленочных слоев металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников является одной из актуальных задач технологии. Несмотря на то, что производство тонких пленок располагает широким и разносторонним выбором методов и технических средств, применение существующих разработок не всегда может в полной мере удовлетворить требованиям.
Одним из путей уменьшения недостатков присущих ионно-лучевым (малая скорость) и магнетронным (сравнительно высокое давление) распылительным системам является создание интегрированной системы распыления, которая объединяет их достоинства и позволяет обеспечить получение тонких плёнок с высокой адгезией, малым уровнем загрязнений и с высокой скоростью осаждения.
Магнетронным распылительным системам присущи определённые недостатки. В первую очередь к ним следует отнести сравнительно высокое рабочее давление в камере, что отрицательно сказывается на уровне загрязнений получаемого покрытия посторонними газовыми включениями.
Метод ионно-лучевого распыления, проводимый при меньшем давлении, чем магнетронное, вносит меньший уровень газовых включений в формируемые плёнки. С точки зрения получения высокоадгезионных покрытий, ионные методы формирования плёнок доказали свое бесспорное преимущество, в результате чего получили развитие применительно к получению защитных, износостойких, оптических покрытий и, в силу своих особенностей являются одними из наиболее предпочтительных. Этот метод, как и магнетронное распыление, позволяет проводить и реактивное ионное распыление. Однако он не обеспечивает высоких скоростей осаждения (примерно на порядок меньше, чем у магнетронных распылительных систем).
Как правило, магнетронные распылительные системы работоспособны в диапазоне давлений от 10-1 до 1 Па и выше. Важнейшими параметрами, во многом определяющими характер разряда в МРС, являются геометрия и величина магнитного поля, от индукции которого у поверхности мишени во многом зависит рабочее давление. В работе было установлено, что интенсивность разряда МРС растет с увеличением напряженности электрического поля и индукции магнитного поля на поверхности мишени.
В результате замагничивания электронов резко увеличивается интенсивность электрон - атомного взаимодействия, и как следствие, возрастает степень ионизации плазмы и плотность ионного тока. Таким образом, эффект наложения магнитного поля эквивалентен увеличению давления газа. Эквивалентное давление определяется по формуле:
pE = po(ee+1) (3.1)
где po - рабочее давление;
e - время между столкновениями электрона с атомами рабочего газа;
e - циклотронная частота электрона.
Ионизированные атомы под действием электрического поля ускоряются и бомбардируют поверхность мишени.
С уменьшением давления ВАХ сдвигаются в область больших рабочих напряжений. Аналогичное влияние оказывает увеличение магнитной индукции. Поскольку при низком давлении разряд в МРС поддерживается в основном за счет вторичных электронов, эмитируемых с мишени в результате ионной бомбардировки, то на ВАХ большое влияние оказывает материал мишени.
Существует несколько путей формирования разряда низкого давления в магнетронных распылительных системах.
Одним из путей является ограничение области газового разряда магнитным полем. В этом случае предотвращение попадания силовых линий за края мишени может быть осуществлено оптимизацией распределения магнитного поля использованием дополнительного источника магнитного поля в периферийной области разряда. Предотвращение попадания линий магнитного поля за края мишени препятствует уходу электронов из разрядной зоны в плоскости мишени. Подобное ограничение разряда в МРС управляется величиной и конфигурацией силовых линий, формируемого дополнительным источником магнитного поля (Рисунок 4.1). Такие конструкции называются МРС низкого давления несбалансированного типа, где оптимизация распределения B-поля может быть выполнена двумя электромагнитами, постоянными магнитами или комбинацией из электромагнитов и постоянных магнитов. Несбалансированный магнетрон низкого давления может работать при давлениях до 10-2 Па с довольно большими токами разряда в диапазоне от 0.1 А до нескольких ампер для магнетрона с мишенью диаметра 100 мм.
Рисунок 3.1 - Конфигурация магнитного поля
Однако наряду с положительным эффектом подобная конфигурация магнитного поля в такой системе может уменьшить время нахождения определенной части электронов в разрядной области и, соответственно, уменьшить вероятность ионизационных столкновений. Таким образом, одной из задач, которые необходимо решать в процессе проектирования интегрированной магнетронной распылительной системы является получение наилучшей конфигурации магнитного поля, при которой баланс этих процессов носит положительный характер.
Полученные условия хорошо согласуются с модельным описанием процесса ионообразования в МРС и послужили основой к проектированию высоковакуумных МРС.
Для проектирования высоковакуумных магнетронных распылительных систем необходима разработка интегрированной МРС с индукцией магнитного поля у поверхности мишени порядка не менее 0,07 Тл.
При проектировании высоковакуумных магнетронных распылительных систем необходимо принимать во внимание и другие факторы:
- величину охлаждения магнитной системы и мишени для достижения условия непрерывной работы в течение длительного периода времени при подведении максимальной планируемой мощности;
- равномерность условий создания разряда в скрещенных E H полях вдоль все го замкнутого контура рабочей зоны;
-обеспечение необходимого давления в зоне распыления за счет дифференцированной подачи газа в квазизамкнутый объем разрядной камеры. На рисунке 3.2 представлено схематическое изображение ионно-лучевого источника, который будет базой для создания интегрированной магнетронной распылительной системы.
Рисунок 3.2 - Конструкция исходного ионно-лучевого источника на основе ускорителей с анодным слоем
Изучаемая конструкция интегрированного распылительного оборудования предназначена для монтажа на экспериментальную установку, изготовленную на основе базового вакуумного поста ВУ - 2 МП. Вакуумная установка имеет камеру, оборудованную четырьмя фланцами. Фланцы размещены попарно, одна пара на верхней крышке камеры, а вторая пара на противоположных стенках камеры напротив друг друга. На этих фланцах крепятся распылительные системы. Питание электромагнитов систем осуществляется от двух стабилизированных (для каждого в отдельности) источников постоянного тока ТЕС - 5010. Для питания ионно-лучевого источника применяется высоковольтный блок питания с максимальным выходным напряжением 6.0 КВ и максимальным выходным током 0.5 А. Максимальное выходное напряжение блока питания магнетрона - 1000 В и ток до 5 А. Блок питания магнетрона содержит дугогасящий элемент для подавления дуг, возникающих в процессе работы, и для облегчения режима работы самого блока питания.
Перед процессом распыления камера вакуумной установки откачивалась до остаточного давления 10-3 Па. Рабочий газ (Ar), необходимый для работы интегрированных магнетронной распылительной системы и ионного источника, подавался непосредственно в ионный источник при общем давлении в камере 210-2610-2 Па. Подложки располагались на вращающейся карусели.
Конструкция интегрированной распылительной системы, позволяет объединить в одном устройстве достоинства двух типов распылительных систем: ионно-лучевой и магнетронной. Общий вид конструкции интегрированной магнетронной распылительной системы представлена на рисунке 3.3, на рисунке 3.4 показано ее устройство.
лучевой ионный плазменный магнетронный
/
Рисунок 3.3 - Общий вид конструкции интегрированной магнетронной распылительной системы
Рисунок 3.4 - Конструкция интегрированной магнетронной распылительной системы
Мишень 1 крепится прижимом 2 с винтами к мишенедержателю 3, в конструкции которого предусмотрена полость для циркуляции жидкости (система охлаждения). В качестве охлаждающей жидкости будем использовать воду. Ее подача и удаление буде производиться при помощи системы трубок. Герметичность системы охлаждения будет обеспечиваться при помощи прокладок и резьбовых соединений. В качестве бокового магнитопровода используется основание ионного источника 6. Центральный магнитопровод 4 изолирован от мишенедержателя трубками и угловыми изоляторами из фторопласта. Напряжение на обмотку центрального соленоида 5 поступает через токовводы 10, изолированные от основания. В местах крепления магнетрона к основанию установлены изоляторы. Основными элементами ионного источника являются соленоид 7, анод 8 и магнитопроводы 9.
Для упрощения операции сборки магнетрона и замены мишеней предусмотрена возможность частичной разборки. Для установки либо замены мишени достаточно снять прижим. Разрабатываемый магнетрон предназначен для распыления мишеней диаметром 80 мм и толщиной 5-7 мм.
4. Нормативно-техническая документация
В ходе преддипломной практики были рассмотрены нормативно- технические документы, используемые при написании диплома исследовательского типа. Основными из них являются следующие:
Изучила основные направления работы Лаборатории ионно-плазменных процессов формирования тонких пленок, где проводятся работы в области исследования и разработки устройств и технологий ионно-плазменного формирования тонкопленочных слоев для оптики, микро-, оптоэлектроники и износостойких, защитно-декоративных тонкопленочных структур. Получила возможность ознакомиться с рядом устройств, разработанных в данной лаборатории: ионно-лучевыми и ионно-плазменными аппаратами для технологии формирования тонких пленок: двухлучевыми ионными источниками, распыляющими ионные источники, ионными источниками для ионно-ассистированного нанесения слоев, магнетронными распылительными системами (МРС) и несбалансированными магнетронными распылительными системами (НМРС). Ознакомилась с нормативно-техническими документами, действующими в Центре.
Производственная практика позволила закрепить знания, полученные на протяжении обучения в университете.
ЛИТЕРАТУРА
Данилин Б. С. Вакуумная техника в производстве интегральных схем М.: Энергия, 1972.
Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы -М.: Радио и связь, 1982.- 72 с., ил.
Достанко А.П., Бордусов С.В., Свадковский И.В. и др. Плазменные процессы в производстве изделий электронной техники. В 3-х т. Том 2; Под общ. ред. А. П. Достанко. - Минск: ФУАинформ, 2001 - 244 с.