RU2755405C1 - Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением - Google Patents
Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением Download PDFInfo
- Publication number
- RU2755405C1 RU2755405C1 RU2020142234A RU2020142234A RU2755405C1 RU 2755405 C1 RU2755405 C1 RU 2755405C1 RU 2020142234 A RU2020142234 A RU 2020142234A RU 2020142234 A RU2020142234 A RU 2020142234A RU 2755405 C1 RU2755405 C1 RU 2755405C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vacuum
- installation
- substrate holder
- annealing
- optical
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок, покрытий и материалов. Изобретение может быть использовано в микроэлектронике, оптике, катализе, химической промышленности и других областях. Задачей заявляемого изобретения является повышение надёжности работы установки для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок, а также обеспечение возможности одновременной реализации высоковакуумного высокотемпературного отжига и in situ наблюдения морфологии и структуры пленок в процессе отжига. Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением содержит вакуумную камеру, нагреваемый подложкодержатель, оснащённый блоком тепловых экранов, систему вакуумной откачки, смотровое окно, оптический длиннофокусный микроскоп. При этом установка содержит систему оптического контроля поверхности плёнок in situ, состоящую из оптического длиннофокусного микроскопа, цифровой камеры высокого разрешения, системы подсветки, кварцевого смотрового окна диаметром 140 мм и системы регистрации и обработки изображений, систему тепловой защиты, состоящую из системы водяного охлаждения, теплового экрана-заслонки, расположенного над подложкодержателем, автоматической системы контроля и поддержания заданных температурных параметров установки, а вакуумная камера оснащена водоохлаждаемым контуром, а также фитингом для подачи буферного газа, систему блокировок и защиты с сигнализацией аварийных состояний в OwenCloud. Система вакуумной откачки состоит из мембранного форвакуумного насоса, турбомолекулярного высоковакуумного насоса и вакуумопровода, нагреваемый подложкодержатель диаметром 90 мм изготовлен из нержавеющей стали и состоит из трубчатого электронагревателя, залитого герметичным теплопроводящим составом, медного диска, блока тепловых экранов и теплоизоляции. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок, покрытий и материалов. Изобретение может быть использовано в микроэлектронике, оптике, катализе, химической промышленности и других областях.
Известно устройство HCP421V разработанное в компании INSTEC USA (http://www.instec.com/). Устройство имеет небольшой рабочий объём камеры и небольшой подложкодержатель, охлаждаемый жидким азотом или нагреваемый омическим нагревателем.
Недостатки:
- маленькая площадь рабочей поверхности подложкодержателя, что ограничивает размер образца (образцов) не более 28 мм × 30 мм;
- небольшое смотровое окно (диаметр 27 мм);
- отсутствие системы вакуумной откачки, то есть отжиг происходит при атмосферном давлении.
Известно устройство нагрева подложки для установки изготовления полупроводниковой структуры (патент РФ № 2468468, 2010 г., H01L 21/324). Устройство представляет собой вакуумную камеру, внутри рабочей части которой установлена дополнительная камера, корпус которой снабжен съемной крышкой, смонтированной с возможностью образования при ее открывании рабочего окна для формирования полупроводниковой структуры, при этом подложкодержатель установлен между съемной крышкой и нагревателем. Устройство предназначено для повышения качества изготовляемых полупроводниковых структур на подложках больших размеров за счет обеспечения однородного нагрева подложки и равномерного снижения температуры подложки от температуры отжига до температуры наращивания полупроводниковой структуры, а также в снижении энергозатрат на нагрев и отжиг подложек.
Недостатками этого аналога являются:
- в устройстве отсутствует возможность организации подачи буферного газа в процессе отжига;
- отсутствует кварцевое смотровое окно и микроскоп, что не позволяет производить in-situ наблюдения и контроля структуры образцов в процессе их отжига;
- отсутствие системы водяного охлаждения стенок, что может существенно сокращать беспрерывность процесса отжига.
Наиболее близким по существенным признакам заявляемому устройству является установка, описанная в работе «In Situ Optical Monitoring of New Pathways in the Metal-Induced Crystallization of Amorphous Ge» (Cryst. Growth Des. 2017, 17, 11, 5783–5789. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.7b00799). Устройство имеет камеру небольшого объёма, вентилируемую газообразным азотом, и нагреваемый подложкодержатель. Устройство предназначено для отжига плёнок и покрытий в среде различных газов при атмосферном давлении. Устройство оснащено микроскопом для in situ наблюдения за образцами.
Недостатками этого аналога являются:
- маленькая площадь рабочей поверхности подложкодержателя, что ограничивает размер образца (образцов) не более 2 дюймов (50,8 мм);
- возможен отжиг только при атмосферном давлении.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надёжности работы установки для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок, а также обеспечение возможности одновременной реализации высоковакуумного высокотемпературного отжига и in situ наблюдения морфологии и структуры пленок в процессе отжига.
Поставленная задача решается тем, что установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением, содержащая вакуумную камеру, нагреваемый подложкодержатель, оснащённый блоком тепловых экранов, систему вакуумной откачки, смотровое окно, оптический длиннофокусный микроскоп, согласно изобретению, установка содержит систему оптического контроля поверхности плёнок in situ, состоящую из оптического длиннофокусного микроскопа, цифровой камеры высокого разрешения, системы подсветки, кварцевого смотрового окна диаметром 140 мм и системы регистрации и обработки изображений, систему тепловой защиты, состоящую из системы водяного охлаждения, теплового экрана-заслонки, расположенного над подложкодержателем, автоматической системы контроля и поддержания заданных температурных параметров установки, а вакуумная камера оснащена водоохлаждаемым контуром, а также фитингом для подачи буферного газа, система вакуумной откачки состоит из мембранного форвакуумного насоса, турбомолекулярного высоковакуумного насоса и вакуумопровода, диаметр подложкодержателя равен 90 мм. Нагреваемый подложкодержатель изготовлен из нержавеющей стали. Внутри подложкодержатель состоит из нагревательного ТЭНа (трубчатый электронагреватель), залитого герметичным теплопроводящим составом, медного диска, блока тепловых экранов и теплоизоляции. Установка оснащена системой блокировок и защиты с сигнализацией аварийных состояний в OwenCloud.
Наличие системы тепловой защиты позволяет защитить установку от перегрева, разрушения вакуумных уплотнителей и выхода из строя элементов конструкции.
Наличие системы оптического контроля позволяет фиксировать и контролировать in situ: образование, динамику роста, плотность и концентрацию микроструктур в плёнках и покрытиях на различных стадиях процесса отжига. Разрешающая способность микроскопа на базе системы Navitar Zoom 6000 позволяет фиксировать микрообъекты размером от 1 мкм. Длиннофокусный микроскоп оснащён 10 Мп цифровой CMOS (КМОП) камерой на базе сенсора Aptina MT9J003 (формат 1/2.4") с разрешением 3488 x 2616 пикселей (скорость передачи данных составляет 1,9 кадров в секунду). Кварцевое смотровое окно диаметром 140 мм позволяет контролировать процесс отжига нескольких образцов пленок одновременно.
Проведение процесса кристаллизации, нано- и микроструктурирования тонких плёнок, покрытий и материалов путём их термического отжига осуществляют в вакууме или в разреженной атмосфере буферного газа. Использование буферного газа позволяет изменить динамику отжига покрытий за счёт изменения газодинамических свойств над поверхностью отжигаемой пленки или покрытия, а также химического взаимодействия с газом, что может приводить к формированию кластеров и доменов в пленке или покрытии. Это может активировать начало процесса кристаллизации, нано- и микроструктурирования, регулировать динамику и контролировать завершение.
В качестве буферного газа могут быть использованы:
- инертные газы (He, Ar, Ne, Kr, Xe, Ra);
- простые газы (водород H2, кислород O2 и азот N2);
- высокомолекулярные соединения (CO2, и др.).
Большой подложкодержатель диаметром 90 мм, позволяет размещать один или несколько образцов пленок. Конструкция подложкодержателя позволяет обеспечить равномерный нагрев образцов и свести к минимуму имеющиеся градиенты по температуре. А также исключить выход из строя нагревательных ТЭНов в результате электрического пробоя.
На фиг. 1 представлена фотография устройства.
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства, где:
1 – вакуумная камера с водоохлаждаемым контуром 23;
2 – кварцевое смотровое окно;
3 – нагреваемый подложкодержатель для размещения образцов пленок;
4 – образцы пленок;
5 – блок тепловых экранов;
6 – термопара;
7 – термопарные вводы;
8 – мембранный форвакуумный насос;
9 – турбомолекулярный высоковакуумный насос;
10 - вакуумопровод;
11 - широкодиапазонный датчик измерения давления;
12 – оптический длиннофокусный микроскоп;
13 – штатив;
14 – цифровая камера высокого разрешения;
15 – система подсветки;
16 – система регистрации и обработки изображений;
17 – тепловой экран-заслонка;
18 – автоматическая система контроля и поддержания заданных температурных параметров установки (контролеры);
19 – система водяного охлаждения (чиллер);
20 - источник питания нагревателя;
21 - фитинг для подачи буферного газа;
22 - рама установки;
23 – водоохлаждаемый контур;
24 – ТЭН;
25 – медный диск.
На Фиг. 3, в качестве примера in situ наблюдения, представлены микрофотографии результата вакуумного отжига покрытий из субоксида кремния при температуре 550°С. Оптические фотографии образцов с исходной стехиометрией a-SiOx x = 0.2 после отжига при 550°С в течение (a) 8 часов, (б) 24 часов, (в) 40 часов. Видимая область на фотографиях составляет 1.42x1.06 мм2.
Устройство работает следующим образом.
Образец (образцы) 4 с тонкими плёнками или покрытиями другой морфологии размещаются на подложкодержателе 3. Фланец крышка с кварцевым смотровым окном 2 закрывается и камера 1 вакуумируется с помощью системы вакуумной откачки (8, 9, 10). При достижении заданного значения по давлению в камеру можно подать буферный газ через фитинг 21. После установления вакуума или необходимого давления буферного газа включается процесс нагрева подложкодержателя с образцами. Далее при выходе на рабочий режим в камере поддерживается заданная температура и давление. Стабильность температурного режима обеспечивается наличием системы контроля 18, теплового экрана-заслонки 17, системы водяного охлаждения 19 и водоохлаждаемого контура 23. Отжиг образцов осуществляется при температуре от 20 до 600 °C. Давление буферного газа в камере поддерживается в диапазоне 1 - 10-4 Па. На поверхности образцов происходит процесс кристаллизации, и/или микро- (нано-)структурирования в зависимости от материала образца и параметров отжига (температура, время отжига, давления и состава газовой атмосферы в камере). Наличие кварцевого смотрового окна 2 и длиннофокусного микроскопа 12 позволяет производить оптический контроль поверхности образцов in situ. После завершения процесса отжига нагрев подложкодержателя прекращается и начинается процесс естественного охлаждения. Динамику охлаждения образцов при необходимости можно регулировать, путем подогрева подложкодержателя. После охлаждения образцов в камеру напускается атмосферный воздух, и вынимаются отожжённые образцы.
Нагреваемый подложкодержатель (3) изготовлен из нержавеющей стали. Внутри подложкодержатель состоит из нагревательного ТЭНа (24), залитого герметичным теплопроводящим составом, медного диска (25), блока тепловых экранов (5) и теплоизоляции. Такая конструкция позволяет обеспечить равномерный нагрев образцов и свести к минимуму имеющиеся градиенты по температуре. А также исключить выход из строя нагревательных ТЭНов в результате электрического пробоя. Наличие системы контроля (18) не позволяет ТЭНам нагревателя выходить в запредельные режимы работы, что обеспечивает надёжность и долговечность службы нагревателя. Автоматическая система контроля 18 позволяет сократить время присутствия и контроля оператора.
Установка оснащена системой блокировок и защиты с сигнализацией аварийных состояний в OwenCloud.
В установке одновременно реализуется высоковакуумный высокотемпературный отжиг с возможностью in situ наблюдения морфологии поверхности образцов в процессе отжига с помощью оптической микроскопии высокого разрешения.
Claims (4)
1. Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением, содержащая вакуумную камеру, нагреваемый подложкодержатель, оснащённый блоком тепловых экранов, систему вакуумной откачки, смотровое окно, оптический длиннофокусный микроскоп, отличающаяся тем, что установка содержит систему оптического контроля поверхности плёнок in situ, состоящую из оптического длиннофокусного микроскопа, цифровой камеры высокого разрешения, системы подсветки, кварцевого смотрового окна и системы регистрации и обработки изображений, систему тепловой защиты, состоящую из системы водяного охлаждения, теплового экрана-заслонки, расположенного над подложкодержателем, автоматической системы контроля и поддержания заданных температурных параметров установки, а вакуумная камера оснащена водоохлаждаемым контуром, а также фитингом для подачи буферного газа, систему блокировок и защиты с сигнализацией аварийных состояний в OwenCloud, при этом система вакуумной откачки состоит из мембранного форвакуумного насоса, турбомолекулярного высоковакуумного насоса и вакуумопровода, нагреваемый подложкодержатель состоит из трубчатого электронагревателя, залитого герметичным теплопроводящим составом, медного диска, блока тепловых экранов и теплоизоляции.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр подложкодержателя равен 90 мм.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр кварцевого смотрового окна равен 140 мм.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нагреваемый подложкодержатель изготовлен из нержавеющей стали.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142234A RU2755405C1 (ru) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142234A RU2755405C1 (ru) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2755405C1 true RU2755405C1 (ru) | 2021-09-15 |
Family
ID=77745733
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020142234A RU2755405C1 (ru) | 2020-12-22 | 2020-12-22 | Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2755405C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115046667A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-09-13 | 中国矿业大学 | 一种低剩磁低应力钢结构件的制备装置及其制备方法 |
| RU222969U1 (ru) * | 2023-05-23 | 2024-01-25 | Виктор Игоревич Иванов | Подложкодержатель для плазмохимических и электростатических процессов |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2171125A1 (en) * | 1995-03-07 | 1996-09-08 | Tatsuoki Nagaishi | Apparatus and method for depositing films on substrate via on-axis laser ablation |
| RU2164718C1 (ru) * | 2000-07-04 | 2001-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Агентство маркетинга научных разработок" | Установка для формирования наноструктур на поверхности полупроводниковых пластин ионными пучками |
| JP2005294625A (ja) * | 2004-04-01 | 2005-10-20 | Sony Corp | 成膜装置 |
| WO2009148674A1 (en) * | 2008-03-27 | 2009-12-10 | Imra America, Inc. | A method for fabricating thin films |
| RU2468468C2 (ru) * | 2010-11-30 | 2012-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Нижегородский Государственный Университет Им. Н.И. Лобачевского" | Устройство нагрева подложки для установки изготовления полупроводниковой структуры |
-
2020
- 2020-12-22 RU RU2020142234A patent/RU2755405C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2171125A1 (en) * | 1995-03-07 | 1996-09-08 | Tatsuoki Nagaishi | Apparatus and method for depositing films on substrate via on-axis laser ablation |
| RU2164718C1 (ru) * | 2000-07-04 | 2001-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Агентство маркетинга научных разработок" | Установка для формирования наноструктур на поверхности полупроводниковых пластин ионными пучками |
| JP2005294625A (ja) * | 2004-04-01 | 2005-10-20 | Sony Corp | 成膜装置 |
| WO2009148674A1 (en) * | 2008-03-27 | 2009-12-10 | Imra America, Inc. | A method for fabricating thin films |
| RU2468468C2 (ru) * | 2010-11-30 | 2012-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Нижегородский Государственный Университет Им. Н.И. Лобачевского" | Устройство нагрева подложки для установки изготовления полупроводниковой структуры |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115046667A (zh) * | 2022-06-07 | 2022-09-13 | 中国矿业大学 | 一种低剩磁低应力钢结构件的制备装置及其制备方法 |
| RU222969U1 (ru) * | 2023-05-23 | 2024-01-25 | Виктор Игоревич Иванов | Подложкодержатель для плазмохимических и электростатических процессов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4523225B2 (ja) | 熱処理装置 | |
| RU2755405C1 (ru) | Установка для высокотемпературного вакуумного отжига тонких плёнок с возможностью in situ оптического наблюдения с высоким разрешением | |
| US20050019997A1 (en) | Laser annealing method and laser annealing device | |
| Lacey et al. | Chemiluminescence from polypropylene. Part 1: Imaging thermal oxidation of unstabilised film | |
| US20090101070A1 (en) | Member for a Plasma Processing Apparatus and Method of Manufacturing the Same | |
| CN109246860A (zh) | 可实现在显微镜下原位、动态观察材料的高温装置 | |
| CN118501054A (zh) | 一种适用于原位光学显微观测和光谱分析的高温管式炉 | |
| US9966283B2 (en) | Pressurizing-type lamp annealing device, method for producing thin film, and method for using pressurizing-type lamp annealing device | |
| JP2007129009A (ja) | エピタキシャルＳｉ膜の製造方法およびプラズマ処理装置 | |
| JP2011127136A (ja) | スパッタリング装置および、該スパッタリング装置を用いた半導体デバイスの製造方法 | |
| JP2010217012A (ja) | 赤外線検出器及びデバイス製造装置 | |
| TWI462322B (zh) | 基板處理裝置，太陽電池之製造方法，基板之製造方法及反應管 | |
| US9856578B2 (en) | Methods of producing large grain or single crystal films | |
| JP6230057B2 (ja) | 水熱反応装置 | |
| TW201337237A (zh) | 自動化氣泡偵測設備及方法 | |
| TW202322246A (zh) | 腔室監控系統及化學氣相沉積設備 | |
| JP2016180132A (ja) | ダイヤモンド薄膜の製造方法、熱フィラメントｃｖｄ装置及びメカニカルシール | |
| RU2460167C1 (ru) | Способ получения самоподдерживающейся кристаллизованной кремниевой тонкой пленки | |
| JP2009203515A (ja) | 真空蒸着装置および真空蒸着方法 | |
| CN106784303A (zh) | 一种可弯曲的超大不饱和磁阻材料制备方法及制备的材料 | |
| CA2726986C (en) | Annealing of semi-insulating cdznte crystals | |
| US20200312659A1 (en) | Method for the preparation of gallium oxide/copper gallium oxide heterojunction | |
| JP5192685B2 (ja) | 真空用冷却部材および真空用機器 | |
| SU198360A1 (ru) | Аппарат для микроскопического исследования | |
| CN111048404B (zh) | 一种缓冲层结构及其制备方法 |