АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НАНОРАЗМЕРНОЙ ТОЛЩИНЫ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОГО НАСЛАИВАНИЯ

Полезная модель относится к установкам для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины, формируемых методом молекулярного наслаивания, и может быть использована в полупроводниковой и электронной промышленности.
Известна установка для нанесения тонких пленок поверхностных диффузантов на кремниевые пластины, содержащая два многорядных тактовых конвейера с конвейерными трактами для перемещения пластин, устройства для загрузки, выгрузки и кантования кремниевых пластин, камеры напыления, нагрева и сушки, систему автоматизированного управления технологическим процессом с контроллерами управления приводными механизмами, соединенными с компьютером и дисплеем, отличающаяся тем, что она снабжена системой очистки конвейера и удаления избытка диффузантов с ваннами с поддержанием уровня рециркулирующего химического раствора, вентиляционной системой и системой сушки, а устройства загрузки, выгрузки и кантования кремниевых пластин снабжены бесконтактными манипуляторами-перекладчиками, работающими по принципу Бернулли и содержащими плоскую чашку-захват, в центре которой изнутри выполнено малое отверстие для подачи под давлением чистого воздуха, при этом чашка установлена с возможностью перемещения в нужную точку на конвейере при помощи приводных механизмов, а конвейерные тракты для перемещения пластин многорядных тактовых конвейеров выполнены в виде сетчатой ленты из коррозионно-стойкого материала, причем на ленте закреплены отдельные для каждой кремниевой пластины подложки; изготовленные из чистого карбила кремния со шлифованной поверхностью под укладку пластин, а камеры напыления выполнены из диэлектрического коррозионно-стойкого материала в виде полых корпусов, в верхней части которых расположено отверстие для установки форсунок распыления, а снизу боковых стенок выполнены входные и выходные окна для входа и выхода конвейера с пластинами, при этом камеры нагрева и сушки пластин выполнены прямоугольными и оснащены инфракрасными нагревателями, установленными на выходной стенке для сушки пленок на пластинах, выходящих из камеры напыления после нанесения диффузантов, причем тактовые конвейеры размещены с возможностью прохождения отмывки в ваннах, расположенных ниже уровня рабочей плоскости подложек, а система автоматизированного управления технологическим процессом снабжена блоком управления ультразвуковым распылителем и электронным высоковольтным блоком для создания электростатического потенциала между распылителем и подложками конвейера. см. патент РФ №100518,
Известно устройство для нанесения тонких пленок полупроводников и диэлектриков методом Молекулярного Наслаивания (МН) - Atomic Layer Deposition (ALD), содержащее реактор, рабочая часть внутреннего пространства которого имеет форму цилиндра, внутри реактора расположены подложка для нанесения пленок, система напуска реагентов и буферных газов, а также нагревательные элементы, отличающееся тем, что подложка вращается относительно неподвижного основания, а зазор между рабочей поверхностью подложки и основанием позволяет избежать их взаимного касания, вращение подложке передается с помощью подвижной муфты, устанавливаемой на валу двигателя, закрепленного не жестко, величина зазора регулируется изменением давления буферного газа в этом зазоре, противодействующего весу муфты, рабочие поверхности основания и подложки выполнены плоскими и гладкими и имеют форму круга равного диаметра, ось вращения подложки совпадает с ее центром, в рабочей поверхности основания расположены углубления, длина которых не превышает радиуса рабочей поверхности основания, в углублениях располагаются отверстия для напуска реагентов в зазор, см. заявку на выдачу патента РФ №2006134588. В данном устройстве основание и подложка могут быть выполнены из материала с близким коэффициентом температурного расширения, например, основание может быть выполнено из особо чистого графита с рабочей полированной поверхностью, а подложка может быть выполнена из кварца.
Известна автоматизированная установка для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания, содержащая компьютер, держатель обрабатываемого образца, выполненный с возможностью перемещения, и емкости с растворами различного состава для погружения в них образца, которая характеризуется тем, что в нее введен держатель емкостей линейного типа, при этом установка оснащена подводом и сливом чистой воды, см. патент РФ №78785. В этой установке держатель емкостей выполнен в виде статического постамента с гнездами для линейного последовательного расположения емкостей и возможностью термического воздействия на указанные емкости. Конструкция установки, за исключением компьютера и блока управления, находится в герметичном корпусе с инертной средой. Компьютер соединен с электронной схемой управления перемещениями держателя емкостей и терморегулированием нагревательных элементов емкостей. Полезная модель относится к области нанотехнологий и предназначена для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания или полиионной сборки, например, для формирования различного рода оптических покрытий: отражающих, преломляющих, пропускающих определенный спектр волн, создание оптических фильтров, для формирования подзатворных диэлектрических слоев, для создания триболлогических и антикоррозионных покрытий и т.д. Полезная модель направлена на повышение качества тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины, формируемых методом молекулярного наслаивания.
Данное техническое решение принято в качества прототипа заявленной полезной модели.
Недостатками прототипа является увеличение длительности процесса осаждения за счет необходимости возврата к началу процесса по окончании каждого цикла осаждения, имеющего место при использовании в прототипе линейной геометрии расположения емкостей. При количестве циклов осаждения, достигающим нескольких сотен, общая длительность процесса в прототипе существенно возрастает. Кроме того, наличие внешнего герметичного корпуса не позволяет варьировать размеры подложки и условия проведения каждого этапа осаждения.
Задачей полезной модели является повышение компактности и мобильности установки, сокращение длительности процесса осаждения, реализация возможности варьировать размеры подложки и условия проведения каждого этапа осаждения.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Автоматизированная установка для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания, содержащая компьютер, держатель обрабатываемого образца, выполненный с возможностью перемещения, емкости для растворов различного состава для погружения в них образца, характеризуется тем, что она дополнительно содержит контроллер, с которым соединен компьютер и манипулятор, при этом выход контроллера подключен к манипулятору, установленному на стойке с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и снабженному держателем образца, установленным с возможностью возвратно-вращательного перемещения относительно манипулятора, при этом держатель образца прикреплен к манипулятору так, что образец в крайнем нижнем положении держателя размещается в одной из емкостей с растворами, расположенными по окружности вокруг стойки манипулятора.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
За счет реализации отличительных признаков полезной модели достигается технический результат, заключающийся в том, что кольцевая геометрия расположения емкостей с рабочими растворами позволяет решить задачу сокращения длительности процесса осаждения за счет отсутствия длительного цикла возврата, имеющего место при использовании линейной геометрии расположения. Отсутствие внешнего герметичного корпуса позволяет варьировать размеры подложки и условия проведения каждого этапа осаждения. В заявленной установке использован интерфейс USB 2.0 вместо применяемого в аналогах RS-232, а также обеспечена возможность внесения в программную часть необходимых пользователю изменений. Заявленная установка за счет снижении временных затрат, повышении компактности и мобильности установки повышает доступность метода молекулярного наслаивания (МН) - Atomic Layer Deposition (ALD) для учебных лабораторий университетов, мелкосерийных производств, фундаментальных и прикладных исследовательских работ в целях получения сложных тонкопленочных структур, таких как функционально градуированные пленки для материалов микро- и наноэлектроники, солнечных элементов.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема заявленной установки, на фиг.2 - вид сбоку на манипулятор с держателем образцов в поднятом положении.
Автоматизированная установка для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного наслаивания содержит компьютер 1, соединенный с контроллером 2, выход которого подключен к манипулятору 3, который установлен на стойке 4 с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и снабжен держателем 5 обрабатываемого образца 6, установленным с возможностью возвратно-вращательного перемещения относительно манипулятора 3. Держатель 5 прикреплен к манипулятору 3 так, что образец 6 в крайнем нижнем положении держателя 5 размещается в одной из емкостей 7 с растворами, расположенными по окружности вокруг стойки манипулятора 4.
Установка работает следующим образом. На мониторе персонального компьютера пользователю предлагается выбрать число циклов осаждения (число последовательных проходов с поочередным окунанием в растворы А-D) и время нахождения образца 6 в каждой из емкостей 7, содержащих различные, технологически необходимые растворы. В случае использования меньшего числа растворов, чем имеется емкостей 7, пользователь может указать время нахождения образца 6 в неиспользуемой емкости с раствором равным нулю. Опрос меню завершается вопросом о начале осаждения и в случае утвердительного ответа, контроллер 2 посредством манипулятора 3 начинает опускать образец 6 последовательно и емкости 7 с растворами A-D с числом циклов и временем нахождения, определенными пользователем. По завершении меню предлагает пользователю качать заново с предыдущими параметрами, либо задать все параметры заново. Изменением высоты закрепления держателя образца 5, пользователь может изменять глубину окунания образцов 6 в емкость 7, а кроме того изменять угол поворота, чем обеспечивается большая свобода в изменении размера образца 6.
Контроллер 3 обеспечивает ввод и вывод данных, реализующихся за счет взаимодействия с пользовательским интерфейсом. В качестве контроллера 2 выбрана плата Arduino Duemilanove, которая удобна и имеет простой язык программирования, а также открытую архитектуру и программной код. В качестве пользовательского интерфейса использован USB-интерфейс и окно serial monitor интегрированной среды разработки Arduino IDE (Integrated Development Environment). Для питания Arduino Duemilanove и сервоприводов потребовался источник питания с выходным напряжением 5 В..
Заявленная установка предназначена для формирования тонкопленочных покрытий наноразмерной толщины методом молекулярного ионного наслаивания SILAR (successive ionic layer adsorption and reaction). Она избавляет оператора от длительных и утомительных операций, повышает производительность метода. Простота использования данной установки обеспечиваются вводом параметров проведения процесса с персонального компьютера, а удобство - использованием стандарта USB 2.0. Заявленная установка позволяет значительно расширить сферы применения метода молекулярного наслаивания. Данное оборудование может привлечь внимание как российских, так и зарубежных малых научных предприятий, научных коллективов, общеобразовательных учреждений. Использование в автоматизированном комплексе преимуществ идеологии открытого кода (Open Source) создаст условия для постоянного развития, расширения функционала и даже изменения назначения системы. Использование популярных платформ Arduino и Processing позволит легко вносить изменения в программную часть пользователям и сторонним разработчикам, что обеспечит гибкость и стабильный спрос.
Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление заявленной полезной модели в том виде, как она охарактеризована в формуле. Заявленное устройство может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических и программных средств.