Устройство для формирования конфигурации пленок, напыляемых в вакууме
DEVICE FOR FORMING THE CONFIGURATION OF FILMS SPRAYED IN VACUUM

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для формирования конфигурации пленок, напыляемых в вакууме.
В ряде случаев получение заданной конфигурации пленок, напыляемых в вакууме, производят при помощи свободных масок. Так, например, для создания заданной конфигурации многослойных энергетических пленок типа CuO/Al используют маски из кремния [1]. Использование жидкостной фотолитографии для получения заданной конфигурации таких пленок недопустимо из-за снижения энергетических параметров (теплоты реакции, скорости распространения фронта горения и т.п.). Необходимо использовать свободные маски для напыления таких пленок. Причем конфигурация получаемых пленок должна с высокой точностью соответствовать конфигурации слоев, наносимых ранее до нанесения многослойных энергетических пленок (например, проводников и контактных площадок, сформированных методами фотолитографии). Для обеспечения плотного прижатия маски к подложке с целью недопущения так называемых «подпылов», используют устройства с ферромагнитными масками.
Известно устройство для формирования топологического рисунка в тонкой пленке [2]-аналог, наносимой на подложку, содержащее металлическую маску из ферромагнитного материала, размещенную на лицевой стороне подложки, и магнит, расположенный с противоположной по отношению к маске стороны подложки, удерживающий и прижимающий маску к подложке. Для защиты тыльной стороны подложки от механических повреждений между плоскостью магнита и подложкой введена прокладка из диамагнитного материала.
Недостатками данного устройства являются: 1 - недостаточно высокая точность получения заданной конфигурации пленок вследствие применения толстых (0,1 мм и выше) ферромагнитных масок; 2 - трудности с совмещением рисунков слоев, полученных методами фотолитографии, с рисунками слоя, полученного через ферромагнитную маску (отсутствуют элементы коррекции относительного расположения маски и подложки). Точность совмещения слоев зависит от технологических допусков изготовления ферромагнитных масок и точности изготовления гнезда для установки подложки, и установочных штифтов (выступов) для крепления маски; 3 - материал ферромагнитной маски из никельсодержащего сплава (29НК) не позволяет производить химическую очистку от осаждаемых пленок (например, Ni/Al) после нескольких циклов напыления, так как химические травители будут воздействовать и на материал масок.
Признаки аналога, общие с предлагаемым устройством для формирования конфигурации пленок, напыляемых в вакууме, это применение маски, расположенной на лицевой стороне подложки и применение магнитов, расположенных с тыльной стороны подложки.
Известно устройство для напыления в вакууме тонких слоев многослойных изделий [3] - прототип, в котором используется маска из ферромагнитного материала, расположенная с лицевой стороны подложки, и магнит с плоской поверхностью, расположенный с противоположной к маске стороны подложки. Кроме того, устройство содержит прижимные винты, фиксирующие положение подложки в гнезде и выступы на плоской верхней поверхности, фиксирующие положение маски, снабженной посадочными отверстиями под вышеупомянутые выступы.
Недостатками такого устройства являются: п.п. 1-3, перечисленные в аналоге [2], а также то, что поле постоянных магнитов может взаимодействовать с полем постоянных магнитов, расположенных в конструкции распыляемых мишеней, при использовании метода магнетронного распыления материалов для получения многослойных энергетических пленок. Это взаимодействие может привести к реакции (вспышке) осаждаемых пленок на поверхности подложек.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым устройством для формирования конфигурации пленок, напыляемых в вакууме, применение маски, расположенной на лицевой стороне подложки и применение магнитов, расположенных с тыльной стороны подложки, и корпуса с посадочными гнездами, в которых фиксируется положение подложки.
Технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, заключается в:
1 - увеличении точности совмещения конфигурации слоев, полученных методами фотолитографии и методами напыления через маску;
2 - увеличении точности получения конфигурации слоев при напылении через маски;
3 - возможности химической очистки маски от напыляемых слоев;
4 - устранении взаимодействия поля постоянных магнитов, расположенных на тыльной стороне подложки, с магнитным полем магнетронных источников распыления материалов.
Достигается это тем, что в устройстве, содержащем маску, расположенную с лицевой стороны подложки, и корпус с посадочными гнездами, в которых фиксируется положение подложки, магнитами, расположенными в корпусе со стороны тыльной поверхности подложки, маска выполнена в виде биметаллической маски (например, основа- фольга из бериллиевой бронзы, толщиной 0,1 мм, покрытая с одной стороны тонким слоем никеля, толщиной 5-10 мкм). Такая конструкция маски широко используется в технологии изготовления микросхем. Тонкий слой никеля позволяет получить высокую точность напыляемых через маску слоев материалов. Для прижатия биметаллической маски к подложке используется дополнительная маска из ферромагнитного материала (никель, ковар и т.п) толщиной 0,1 мм с конфигурацией отверстий и линий, превышающей конфигурацию отверстий и линий на биметаллической маске на величину не менее 0,1 мм. Ферромагнитная маска благодаря своей гибкости позволяет плотно прижимать биметаллическую маску к поверхности подложки, тем самым не допускать «подпыла» материала.
Корпус устройства изготавливается из ферромагнитного материала, в котором выполняются углубления для плоских магнитов, которые монтируются в виде полос с чередующимися полюсами. Такая конструкция корпуса из ферромагнитного материала позволяет быстро крепить устройство на вертикальных подложкодержателях, оборудованных встроенными магнитами
Биметаллическая маска и маска из ферромагнитного материала покрываются с двух сторон пленкой материала, не реагирующей с химическими травителями, используемыми для очистки масок от напыляемых слоев. Для напыляемых многослойных пленок типа CuO/Al, Ni/Al целесообразно использовать защитные пленки из титана и тантала, которые не взаимодействуют с химическими травителями никеля и алюминия. Возможно использование защитных пленок из драгоценных металлов: платины, золота, палладия и т.п.
На подложке 60×48×0,5 мм может размешаться до 200-400 модулей со структурой резистивный мостик, контактные площадки к резистивному мостику, многослойная энергетическая пленка типа CuO/Al. Конфигурация резистивного мостика и контактных площадок выполняются методами фотолитографии, а конфигурация пленки CuO/Al напылением слоев через ферромагнитную маску. Модули на подложке группируются на области (оптимальное число 6 областей), разделенные перемычками, под которыми с тыльной стороны подложки размещены магниты. Для устранения влияния магнитного поля предусмотрена дополнительная прижимная рамка, толщиной (0,2-0,3) мм. Конфигурация прижимной рамки повторяет конфигурацию областей на подложке и конфигурацию перемычек. Такая толщина (0,2-0.3) мм достаточна для замыкания магнитного поля, проникающего через маски. Увеличение толщины приводит к увеличению габаритов устройства, а уменьшение толщины менее 0,2 мм не полностью устраняет влияние магнитного поля. Прижимная рамка позволяет увеличить усилие прижатия биметаллической и ферромагнитной масок к поверхности подложек и не допустить их сдвига в процессе напыления пленок в вакууме.
Для точного совмещения слоев на подложке предусмотрены отверстия в корпусе и маске по 2 шт с каждой стороны подложки и заходящие на (0,4-0,5) диаметра отверстия на проекцию края подложки. При помощи конусных игл, вставляемых в отверстия, производится сдвиг подложки в двух перпендикулярных направлениях; при этом производится визуальное совмещение (под микроскопом) слоев материалов, нанесенных на подложку с конфигурацией, выполненной фотолитографическими методами, с реперными знаками на биметаллической маске. Диаметр конусных игл зависит от диаметра отверстий в маске и выполняется с возможностью свободного перемещения в этих отверстиях (обычно диаметр конусной иглы на (0,1-0,2) мм меньше диаметра отверстия в маске). После выполнения операции совмещения на выступы (штифты) помещается прижимная рамка, которая фиксирует положение масок на подложке. Диаметр отверстий составляет (2-3) мм, что наиболее удобно для проведения операции по сдвигу подложки. При диаметре менее 2 мм уменьшается область перемещения подложки, а при диаметре более 3 мм увеличиваются габариты устройства, что в ряде случаев неприемлемо. Посадочное место (длина и ширина) под подложку выполняется на (0,1-0,2) мм больше, чем возможные допуски на размеры используемых подложек. Такой допуск позволяет при помощи конусных игл производить совмещение слоев с точностью ±20 мкм, что достаточно для изготовления микроэлектронных модулей с применением многослойных энергетических пленок толщиной до (10-20) мкм. Посадочное место под подложку по глубине выполняется также на (0.1-0,2) мм меньше, чем допуск на толщину подложки. Это делается для того, чтобы ферромагнитная маска, располагаемая на лицевой поверхности подложки, плотно прилегала к поверхности подложки без возможных зазоров из-за допусков по толщине на подложки. Между тыльной стороной подложки и поверхностью магнитов, размещенных в корпусе устройства, предусматривается зазор (0,1-0,2) мм, что устраняет причину царапания поверхности подложки, от соприкосновения с магнитами, при ее перемещении.
Размеры элементов (отверстия круглые, прямоугольные, квадратные и т.п.) в ферромагнитной маске, располагаемой на биметаллической маске выполнены не менее чем на 0,1 мм больше размеров элементов в биметаллической маске, тем самым устраняется эффект экранирования при напылении пленок.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана конструкция устройства для формирования конфигурации пленок, напыляемых в вакууме; на фиг. 2 - конструкция биметаллической маски; на фиг. 3 - конструкция дополнительной маски из ферромагнитного материала; на фиг. 4 - конструкция прижимной рамки с расположением магнитов под тыльной стороной подложки.
Устройство для формирования конфигурации пленок, напыляемых в вакууме (фиг. 1 а, б) включает корпус 1 из ферромагнитного материала, выступы (штифты) 2 для крепления бимметалличекой маски 3, дополнительной прижимной маски из ферромагнитного материала 4, прижимную рамку 5, конусную иглу 6, посадочные отверстия 9, магниты 8, расположенные под тыльной стороной подложки 7 (не входит в состав устройства-показана для наглядности устройства) с зазором 10 (0,1-02) мм между подложкой 7 и магнитами 8. Для наглядности детали 3, 4 и 5 на фиг. 1 показаны разъединенными от устройства.
На фиг. 2 (а, б) показана конструкция биметаллической маски. Здесь: 3 - основа биметаллической маски из бериллиевой бронзы; 12 - тонкий слой никеля, определяющий точность формирования конфигурации напыляемой пленки; 13 - области, где размещаются модули на подложке; 14 - перемычки между областями; 15 - реперные знаки для совмещения слоев на подложке; 16 - отверстия в маске для установки на штифты 2 (фиг. 1); а - зазор между окном в слое никеля и окном в основе маски.
На фиг. 3 показана конструкция прижимной маски из ферромагнитного материала. Здесь: 4 - основа маски из ферромагнитного материала (никель, ковар, сплав 29НК и т.п.); 13 - окна в маске; 14 - перемычки между областями; 15 - реперные знаки для совмещения слоев на подложке; 16 - отверстия в маске для установки на штифты 2 (см. фиг. 1). Размеры и местоположения элементов 13, 14, 15 и 16 соответствуют данным на фиг. 2.
На фиг.4 показана конструкция прижимной рамки. Здесь: 5 - основа прижимной рамки из ферромагнитного материала; 8 - расположение магнитов под тыльной стороной подложки (см. фиг. 1) и напротив перемычек 14; 13 - окна в рамке; 16 - отверстия в рамке для установки на штифты 2 (см. фиг. 1).
Для проверки правильности принятых решений было изготовлено и опробовано в работе устройство для формирования конфигурации пленок, напыляемых в вакууме. Толщина устройства с подложками из ситалла с размерами 60x48x0,6 мм составила 2,5 мм. Размеры устройства в плане составили 110x70 мм. В устройстве применены магниты размером 10x5x1 мм. После напыления через биметаллическую маску было отмечено хорошее совмещение рисунков слоев без «подпылов».
Источники информации 1. Kaili Zhang, Carole Rossi, Marine Petrantoni, and Nicolas Mauran. A Nano Initiator Realized by Integrating Al/CuO-Based Nanoenergetic Materials With a Au/Pt/Cr Microheater. JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 17, NO. 4, AUGUST 2008.
2. Патент РФ №2063473. Устройство для формирования топологического рисунка в тонкой пленке. Опубл. 10.07.1996 г.
3. Патент РФ №2432417. Устройство для напыления в вакууме тонких слоев многослойных изделий. Опубл. 27.10.2011 г.