Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.


Повышение качества изделий радиоэлектронной техники в процессе их производства на современном высоковакуумнм технологическм оборудовании

 

В. А. Васин, Е. Н. Ивашов С. В. Степанчиков

 

(МИЭМ)

 

Improvement of quality of products of radio-electronic technics in the course of their manufacture on the modern vacuum process equipment, V. A. Vasin, E. N. Ivashov, S. V. Stepanchikov

 

Features of development of the special vacuum process equipment and problem of drop of pollution introduced by it are considered. Data on the minimum sizes of topology of microcircuits and devices without knots of a friction for the modern vacuum process equipment is cited. Such approach provides creation of the modern industry of high vacuum technologies in the radio-electronic industry.

 

Рассмотрены особенности развития специального вакуумного технологического оборудования и проблемы снижения привносимых им загрязнений. Приведены данные по минимальным размерам топологии микросхем и устройствам без узлов трения для современного вакуумного технологического оборудования. Такой подход обеспечивает создание современной индустрии высоких вакуумных технологий в радиоэлектронной промышленности.

 

Одной из основных проблем в производстве изделий высокой степени интеграции, выпускаемых радиоэлектронной промышленностью, является снижение количества загрязняющих микрочастиц, которые могут попадать на технологические объекты в процессе их обработки, транспортировки и межоперационного хранения.

 

В решении этой проблемы важнейшей задачей является создание специальных пространств со сверхчистой атмосферой и жестким контролем параметров внутрипроизводственной среды.

 

Поставленная задача может быть решена следующими основными путями:

1.    Созданием чистых производственных помещений и робототехнических систем для работы в них.

2.    Созданием герметизированных объёмов для обработки, транспортировки и межоперационного хранения технологических объектов, с передачей их из одного объёма в другой.

3.    Созданием вакуумно-транспортных систем с полным технологическим циклом в условиях вакуума, без выноса объектов на атмосферу.

 

По сравнению с созданием чистых производственных помещений последние два пути, являясь экономически более выгодными, требуют разработки специальных вакуумно-транспортных систем шлюзовых загрузочных устройств, герметизированных контейнеров вакуумных передающих и прецизионных манипуляторов и др.

 

Другим важнейшим фактором является не только способность оборудования формировать необходимые для соответствующих технологических процессов вакуумные условия, но и сохранять их стабильными в течении технологического цикла.

 

Сохранение «чистого» вакуума в процессе работы высоковакуумного автоматического оборудования с размещением в рабочих объёмах вакуумных камер различных функциональных систем и устройств для ориентации и перемещения изделий относительно источников технологического воздействия в многомодульных системах является достаточно сложной комплексной задачей (рис.1).

 

Рабочая камера служит основным рабочим, пространством в котором проводятся процессы вакуумных технологий. В ней создаются условия, необходимые для протекания технологического процесса по возможности с оптимальными режимами.

 

Узлы источника материала, распыляемых частиц и крепления подложек с системами их нагрева являются важнейшими узлами, во многом определяющими эффективность технологического процесса. Они могут иметь различные конструктивные решения в зависимости от тех задач, которые выполняет данная установка.

 

Откачная и газораспределительная системы состоят из насосов, натекателей, клапанов, ловушек, фланцев и крышек, а также средств измерения разрежения или скоростей газовых потоков (см. рис.1). Эти устройства должны обеспечивать высокую производительность откачки при высокой герметичности систем, не допускающей «натекание» при отключении средств откачки.

 

Системы электропитания и блокировки обеспечивают надежное и стабильное электропитание всех энергетических устройств аппарата и активную блокировку всех рабочих узлов.

 

Система контроля и управления состоит из набора датчиков, связанных через управляющий компьютер с исполнительными механизмами и информационными системами. Как правило, измеряются и регулируются следующие технологические параметры: скорость осаждения и толщина пленок, температура осаждения и отжига, физические свойства пленок, состав остаточных газов и др.

 

Система вспомогательных устройств и технологической оснастки состоит из внутрикамерных экранов, заслонок, манипуляторов, гидро- и пневмоприводов, устройств очистки газов (см. рис.1).

 

 

Рис. 1. Состав вакуумной производственной установки высоких технологий.

 

Транспортирующие устройства состоят из механизмов ввода и вывода подложек из рабочей камеры, шлюзовых устройств, механизмов совмещения.

 

В то же время автоматизация сложных технологических процессов требует размещения в рабочих объемах высоковакуумных камер ряда механизмов, которые во многих случаях могут стать источниками генерации «загрязнений», так называемой привносимой дефектности вакуумной среды, в том числе наиболее опасным их видом — микрочастицами износа, при наличии в составе функциональных механизмов узлов внешнего трения скольжения или качения.

 

Устранить генерацию микрочастиц износа трущихся пар возможно только в случае их полного исключения в конструкциях функциональных механизмов. Одной из таких возможностей является создание различных исполнительных устройств и систем с использованием принципа управляемой упругой деформации, при которой эффект функционирования механизмов создаётся в результате внутреннего трения.

 

Механизмы этого типа основаны на использовании герметичных полых трубчатых элементов различного геометрического очертания (приводов) различной формы нормального поперечного сечения и ориентации друг относительно друга в составе законченного устройства или системы.

 

Для приведения в действие приводов в каждый из них независимо подаётся газообразный или жидкий энергоноситель, создающий в герметичной полости приводов необходимое давление для деформации их в упругой области. Величиной создаваемых давления и соответственно деформации легко управлять.

 

В качестве газообразных источников давления используется сжатый воздух заводских магистралей при условии стабилизации давления, а также автономные пневмоисточники, в числе которых наиболее привлекательным является применение термосорбционных компрессоров, создаваемых на основе водородно-гидридной технологии.

 

Могут использоваться также встроенные малоинерционные обратимо действующие термосорбционные системы, использующие для стимулирования процессов сорбция – десорбция термоэлектрические эффекты, например эффект Пельтье.

 

Наряду с этим для создания чистого безмасляного вакуума разработано направление форвакуумных насосов действующих на принципе управляемой упругой деформации.

 

Современное автоматизированное оборудование высоких вакуумных технологий требует особого подхода к созданию функциональных устройств различного назначения.

 

Несмотря на общность задач, связанных с автоматизацией производственных процессов, в различных отраслях промышленности возникают технические трудности при решении проблем создания специального автоматизированного вакуумного оборудования.

 

Очевидно, что дальнейшее развитие технологий производства изделий микро- и наноэлектроники потребует в числе прочих задач еще более высокой чистоты технологи-ческих вакуумных сред с исключением, в том числе наиболее опасного вида загрязнения - микрочастицами износа, распространяющимися из пар трения функциональных механизмов.

 

Количество микрочастиц износа, образующихся при формировании i-го слоя от j-го узла трения в единицу времени, определяется по формуле:

 ,

где: Jnij , vск.ij , Snij , Wij — интенсивность изнашивания, скорость скольжения, номинальная площадь трения и средний объем микрочастицы соответственно при формировании i-го слоя от j-го узла трения.

 

В свою очередь, вероятность появления привносимой дефектности имеет вид

Pij = P1ij P2ij P3ij .

Вероятность вылета микрочастиц из зоны трения определяется по формуле

P1ij = S3ij / Snij  ,

где: S3ij — площадь зазора в j-й паре при формировании i-го слоя.

Вероятность попадания на поверхность подложки микрочастиц из зоны трения имеет вид

 ,

где: Snij — площадь подложки; vскij— площадь днища вакуумной камеры;
К — количество кристаллов на подложке.

Вероятность того, что частица удержится на поверхности подложки, определяется по формуле

P3ij = cosαij cosβij ,

где αij — угол между нормалью к поверхности подложки и направлением движения частицы; βij— угол наклона подложки к горизонтали.

 

Одним из методов создания функциональных механизмов, предназначенных для работы в вакууме и воспринимающих его дестабилизирующее влияние без снижения надежности, является использование для формирования усилий и перемещений приводов управляемой упругой деформации, особенно — гарантирующих высокую точность позиционирования.

 

Появление нового класса механизмов обусловлено необходимостью не только снижения, но и полного исключения продуктов износа элементов механизмов.

 

В таблице.1 приведены данные по минимальным размерам топологии микросхем и соответствующим критическим размерам микрочастиц загрязнений, достигнутых рядом ведущих мировых фирм в 2000 и 2005 гг.

 

Известно, что при наличии в составе функциональных механизмов пар трения обра-зовавшиеся микрочастицы износа, в большинстве случаев, приобретают электрический заряд, благодаря которому могут мигрировать в вакуумных объемах и осаждаться на обрабатыва-емых полупроводниковых пластинах, снижая коэффициент выхода годных микросхем, который по параметру η «привносимой дефектности» выражается следующей зависимостью[1]:

 

hr =exp[-DAvP(dч -dкр)]  ,

где D - доза привносимой дефектности; А - площадь кристалла;
v - доля площади кристалла, занятая микроструктурами;
P(dч -dкр) - доля попавших на кристалл микрочастиц с размером dч , большим dкр ;
dч и dкр – средний и критический размеры микрочастиц.

 

Отсюда выражение для дозы привносимой дефектности имеет вид:

 

 

Если в вакуумных камерах оборудования работают механизмы, генерирующие привносимую дефектность в виде микрочастиц износа, то, очевидно, и надежность оборудования должна оцениваться с учетом этого фактора. Если обозначить вероятность безотказной работы оборудования P(t), то:

 

 

где   К - количество механизмов;

Pi(t) - вероятность безотказной работы i - го механизма в составе оборудования, размещенного в вакуумной камере;

Ф(t) - Фдоп - текущее и  допустимое значение уровня привносимой дефектности;

U [Ф(t)-Фдоп ] - функция при Ф(t) = Фдоп принимает нулевое значение, и соответственно P(t)=0

 

Таким образом, в случае превышения уровня (дозы) привносимой дефектности D по отношению к допустимому значению при достижении некоторого времени вероятность безотказной работы оборудования принимает нулевое значение и его дальнейшая эксплуатация становится бессмысленной т.е. наибольший эффект повышения надежности вакуумного оборудования может быть достигнут в случае полного исключения привносимой дефектности со стороны действующих функциональных механизмов, устройств и систем.

 

Таблица 1. Минимальные размеры топологии микросхем и соответствующие им

критические размеры микрочастиц загрязнения (указаны в мкм.)

Фирма

Разрешение

(по поверхности/эффективное)

Критический размер микрочастиц

2000 г.

2005 г.

2000 г.

2005 г.

HITACHI

0.18/0.15;  0.2/0.18; 0.35/0.28;  0.4/0.35

0.065

0.016; 0.019; 0.032; 0.038

0.006

LG SEMICON

0.4/0.3

0.12

0.038

0.010

National Semiconductor

0.22/0.18

0.1

0.02

0.010

SIEMENS

0.25/0.22;

0.35/0.25;  0.5/0.3

0.1

0.023;

0.035;  0.05

0.009

Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC)

 

0.080;

0.065

 

0.010;

0.008

Texas Instrument

0.23/0.18;

0.32/0.22  0.42/0.35

0.080

0.02

0.008

® Intel

 

0.045

 

0.005

 

Так общую идеологию разработки и создания вакуумных устройств и систем можно кратко представить в форме четырёх основных направлений, предложенных профессором Александровой А.Т.[2]:

 

1. Всевозможное упрощение структуры и оптимизация геометрии вакуумных систем;

2. Максимальный вынос оборудования из технологической вакуумной среды и его экранирование, в том числе сильфонами и гибкими оболочками;

3. Применение форвакуумных и высоковакуумных насосов без узлов трения движения и сильных магнитных полей (криогенные и модернизированные турбомолекулярные), замена трехступенчатой системы откачки на двухступенчатую или одноступенчатую, по возможности на данном развитии уровня техники;

4. Устранение на всех исполнительных и коммутационных устройствах узлов трения движения и замена их приводами управляемой упругой деформации.

 

С ростом требований к чистоте технологической среды первые три пункта данной идеологии, по факту, применяются ведущими зарубежными и отечественными произво-дителями вакуумной техники. Наиболее популярна сейчас концепция «сухого» вакуума.

 

Применение приводов на основе управляемой упругой деформации в высоком вакууме позволяет создать герметичные механизмы различного назначения с полным исключением пар трения движения, отсутствием привносимой дефектности в виде микрочастиц износа и высоким быстродействием на уровне 0,1 -0,2 с.

 

Основой приводных элементов этого типа являются тонкостенные герметичные пневматические полые пружины с различным законом изменения радиуса кривизны центральной оси и некруглой формой нормального поперечного сечения.

 

Давление, подаваемое во внутреннюю полость приводных элементов, вызывает его деформирование, которое не должно выходить за пределы упругой области.

 

В зависимости от требуемого исполнительного перемещения по величине и виду траектории применяют три вида приводных элементов: с незамкнутым контуром; с замкнутым контуром, образованным герметично соединенными между собой дугами упругодеформированных целых элементов, создающих единую полость; с прямолинейной осью гладкого и спиралевидного типа[3].

 

Приводные элементы с незамкнутым контуром характеризуются возможностью моделирования конфигурации центральной оси по определенному закону для получения требуемого направления траектории перемещения свободного конца и последовательно соединенных с ними элементов механизма.

 

В ряде случаев эта возможность очень важна. Наиболее распространенным и технологичным является приводной элемент с постоянным радиусом кривизны центральной оси.

 

Витые и винтовые приводы позволяют получить угловое перемещение свободного конца по траектории, близкой к окружности[4].

 

Развитие и совершенствование новых технологических процессов предъявляет новые, всё более жесткие требования к оборудованию, что обеспечивает непрерывное функционирование рассматриваемого направления.

 

Начиная с разработки и исследования приводов управляемой упругой деформации на основе трубчатых элементов был создан комплекс исполнительных устройств для работы в технологическом объёме в условиях вакуума: от коммутационных устройств до форвакуумных насосов, с образованием родственных направлений в области создания производства радиоэлектронной промышленности  и вакуумной технике.



[1] Вакуумная техника: Справочник/ Е. С. Фролов, В. Е. Минайчев, А. Т. Александрова и др.: Под общ. ред. Е. С. Фролова, В. Е. Минайчева. — М.:. Машиностроение, 1992.— 480 с: ил.

[2] Александрова А. Т. Теоретические основы расчета и конструирования функциональных устройств и систем оборудования высоких вакуумных технологий на основе приводов управляемой упругой деформации. Учебное пособие. — Московский государственный институт электроники и математики. М., 2003. — 48 с.

[3] Александрова А.Т., Васин В.А., Горюнов А.А., и др. Патент № 2206913 “Устройство позиционирования и привод вращения для него” по заявке № 2001118067/28 от 03,07,2001 опубликовано 20,06,2003 в Бюлл. № 17.

[4] Александрова А.Т., Ивашов Е.Н., Степанчиков С.В., и др. Авторское свидетельство № 1187980 “Исполни-тельный орган манипулятора” по заявке № 3780740/25 от 10,05,1984 опубликовано 15,01,1988 в Бюлл. № 2.



Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.