Устройство для крепления подложек при напылении тонких пленок (варианты) Российский патент 2023 года по МПК C23C14/50 B23Q3/15 H01L21/68 

Изобретение относится к области вакуумного напыления пленок различных материалов на подложки, закрепляемые на охлаждаемом основании - подложкодержателе.

Известны многочисленные устройства для крепления подложек из различных материалов, керамических, стеклянных, полупроводниковых, металлических и т.п. Как правило, эти устройства для крепления подложек содержат в своем составе, особенно со стороны напыления материалов, различные выступы в виде концов пружин, штифтов и т.п. Эти выступающие элементы в процессе осаждения тонких пленок, как правило не охлаждаются (не прилегают к охлаждаемому основанию - подложкодержателю), кроме того выступающие элементы способствуют возникновению микродуг (особенно при магнетронном распылении материалов). Локальное повышение температуры и возникновение микродуг в процессе осаждения тонких пленок и особенно реакционных многослойных нанопленок приводит к возникновению реакции этих пленок в процессе их напыления. Осаждаемые нанопленки вспыхивают-происходит реакция нанослоев - происходит самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). При этом температура повышается до 1400-1500°С (пример-многослойные нанопленки Ni/Al) в течении долей секунд с выделением значительного количества тепловой энергии. Как правило, реакционные нанопленки больших размеров изготавливается при помощи вертикальных магнетронных источников распыления материалов на вращающиеся охлаждаемые подложкодержатели [1].

Известен подложкодержатель, содержащий основание, на котором между жестким и подпружиненным упорами с прорезью фиксируется подложка [2]. Недостатком известного устройства является наличие выступающих на лицевой поверхности элементов крепления подложек и отсутствие их охлаждения. Кроме того, данное устройство предназначено для крепления подложек небольших размеров и не подходит для крепления подложек-пластин с большими размерами, например, 100×400 мм.

Известно приспособление для закрепления пластин [3] которое содержит основание и установленные на нем держатели в виде пружинистой скобы с различными изгибами. Недостатком известного устройства является, как и в предыдущем случае наличие многочисленных элементов крепления на лицевой поверхности подложки, а также отсутствие их охлаждения.

В качестве ближайшего аналога-прототипа выбрано устройство и способ крепления заготовок плат при напылении тонких пленок [4] содержащее рамку с технологическими окнами для размещения заготовок плат, опорными площадками для базирования заготовок плат и установленными на рамке механизмами фиксации в виде подпружиненных крепежных элементов и прижимными выступами для прижима заготовки платы. Недостатком устройства является отсутствие охлаждения заготовок плат, а также наличие выступающих прижимных выступов, что делает проблематичным использование устройства для напыления реакционных многослойных нанопленок из-за возможной реакции СВС в процессе напыления нанопленок. Способ крепления заготовок плат при этом является трудоемким, так как предполагает множество манипуляций по закреплению плат. Один из недостатков прототипа - отсутствие охлаждения подложек устранено в устройстве для охлаждения подложек в вакууме [5], содержащее охлаждаемый подложкодержатель и механические прижимы подложек. Недостаток такого устройства - выступающие над подложкой механические прижимы, которые могут привести при напылении реакционных многослойных нанопленок к реакции СВС.

Задача изобретения - разработка устройства крепления подложек на охлаждаемые основания-подложкодержатели с крепежными элементами без выступающих прижимных выступов в виде винтов, штырьков и концов пружин. Вторая задача - устройство для крепления подложек должно обеспечивать минимальное время на крепление подложек на подложкодержателе и снятие подложек с подложкодержателя. Третья задача - элементы крепления подложек должны иметь хороший тепловой контакт с охлаждаемым подложкодержателем.

Эти задачи решаются следующим образом. Предлагается три варианта устройства для крепления подложек.

Первый вариант. По краям основания - охлаждаемого подложкодержателя выполняются отверстия в которые устанавливаются стержневые магниты (запрессовываются или вклеиваются в отверстия подложкодержателя). Концы стержневых магнитов не доходят до лицевой поверхности подложкодержателя на расстояние 2-3 толщины подложки. Для подложки толщиной 0.5-0.8 мм это расстояние равно 1-2.4 мм. Лицевая поверхность подложкодержателя - поверхность на которую устанавливается подложка. Охлаждаемый подложкодержатель изготавливается из материала с высокой теплопроводностью - медь, алюминий и т,п. Используются магниты из неодимового сплава или магниты из сплава самарий-кобальт. Это самые мощные на сегодняшний день магниты. Используются теплопроводные подложки из немагнитного материала (полированные латунь, алюминий, медь и т.п.) толщиной от 0.1 мм до 1.5 мм (обычно 0.5-0.8 мм) с отверстиями по краям, соответствующими размерам отверстий для установки стержневых магнитов в подложкодержателе. Для определенного технологического процесса изготовления реакционных нанопленок используются подложки с одной толщиной. Прижим подложки к водоохлаждаемому подложкодержателю осуществляется при помощи прижимной рамки из теплопроводного материала (медь, алюминий, латунь и т.п.) по краям которой установлены круглые штифты из магнитомягкого материала (железо, сталь, никель и т.п.). Диаметр штифтов и расстояние между штифтами в прижимной рамке соответствуют диаметру отверстий в подложкодержателе и расстоянию между отверстиями в подложкодержателе с допусками, позволяющими свободно вставлять штифты, расположенные на прижимной рамке в отверстия в подложкодержателе. Подложка также выполняется с отверстиями и расстояниями между ними с допусками, позволяющими свободно крепить подложку на штифты прижимной рамки. Длина штифтов выполнятся в 2-3 раза больше толщины подложки, чтобы подложка держалась на поверхности прижимной рамки и свободно входила в отверстия в подложкодержателе. При меньшей длине штырей подложка может соскользнуть с поверхности прижимной рамки, а при большей длине штырей увеличивается трение при их помещении в отверстия в подложкодержателе. При этом торец штифта не должен касаться торца стержневого магнита, установленного в подложкодержателе, тем самым обеспечивается гарантированное прижатие подложки к подложкодержателю, а также при этом учитываются допуски на толщину подложки (обычно не более ±0,05 мм). Торцы стержневых магнитов должны не доходить до поверхности торцов штифтов на расстояние (0.1-0.5) мм. Магнитное поле магнитов взаимодействует с штифтами, при этом происходит прижатие прижимной рамки с подложкой к поверхности подложкодержателя. При больших значениях расстояний ослабляется магнитное поле и снижается усилие прижатия прижимной рамки. Вместо прижимной рамки могут быть использованы прижимные колпачки в виде стержня, выполненного из магнитомягкого материала и шляпки, выполненной из материала с высокой теплопроводностью (медь, алюминий и т.п.). Возможно применение колпачков, полностью изготовленных из магнитомягкого материала.

Из отдельных пластин водоохлаждаемого подложкодержателя и элементов крепления подложки может изготавливаться подложкодержатель карусельного типа, вращающийся перед магнетронными источниками распыления материалов.

На фиг. 1 приведены конструктивные элементы первого варианта устройства для крепления подложек при напылении реакционных многослойных нанопленок. Здесь: 1 - основание - охлаждаемый подложкодержатель, 2 - подложка с отверстиями 3, 4 - прижимная рамка из теплопроводного материала с установленными цилиндрическими штифтами 5 из магнитомягкого материала, 6 - стержневой магнит, установленный в отверстие 7 в подложкодержателе. Прижимная рамка выполняется со скругленными краями со стороны напыляемого материала, что устраняет образование микродуг, и за счет плотного прилегания к подложкодержателю обеспечивается хороший тепловой контакт. На фиг. 2а и фиг. 2б показан фрагмент устройства крепления подложек в сборе, т.е. когда все элементы крепления подложки, показанные на фиг. 1, соединяются между собой. Здесь 6 - стержневой магнит, установленный в отверстии 7 в подложкодержателе 1, 8 - колпачок из теплопроводного материала со смонтированным штифтом 5 из магнитомягкого материала, А-зазор между торцом магнита 6 и торцом штифта 5. Остальные обозначения позиций соответствуют обозначениям на фиг. 1.

При необходимости увеличения усилия прижатия подложки к основанию-подложкодержателю вместо штифтов-стержней 5 из магнитомягкого материала могут быть применены магниты, причем полюс магнита, расположенного в прижимной рамке должен быть противоположен полюсу стержневого магнита, расположенного в основании-подложкодержателе, при этом магниты будут притягиваться друг к другу.

Вторым вариантом устройства крепления подложек с использованием стержневых магнитов является следующий вариант. Также, как и в первом варианте по краям основания-водоохлаждаемого подложкодержателя выполняются отверстия, в которые устанавливаются стержневые магниты (запрессовываются или вклеиваются в отверстия подложкодержателя). Концы стержневых магнитов выступают над лицевой поверхностью подложкодержателя на расстояние равное 2-3 толщины подложки. На выступающие концы стержневых магнитов одевается подложка. Прижим подложки к водоохлаждаемому подложкодержателю осуществляется при помощи прижимной рамки или отдельных прижимных колпачков, выполненных из магнитомягкого материала (железо, никель и т.п.). В прижимной рамке или колпачках выполняются глухие отверстия со стороны рабочей поверхности подложки. Выступающие торцы магнитов не должны доходить до поверхности дна в глухом отверстии прижимной рамки или прижимного колпачка на расстояние 0.1-0.5 мм. Магнитное поле магнитов взаимодействует с магнитомягким материалом прижимной рамки (прижимного колпачка), при этом происходит прижатие прижимной рамки к подложке и подложки к поверхности подложкодержателя. При больших значениях расстояний ослабляется магнитное поле и снижается усилие прижатия прижимной рамки (прижимного колпачка). На фиг. 3 приведены конструктивные элементы крепления подложек по второму варианту. Здесь: 1 - основание - охлаждаемый подложкодержатель с установленными стержневыми магнитами 6, 2 - подложка с отверстиями 3, 4 - прижимная рамка из магнитомягкого материала с глухими отверстиями. Прижимная рамка выполняется со скругленными краями со стороны напыляемого материала, что устраняет образование микродуг, и за счет плотного прилегания к подложкодержателю обеспечивается хороший тепловой контакт. На фиг. 4а и фиг. 4б показан фрагмент устройства крепления подложек в сборе, т.е. когда все элементы крепления подложки, показанные на фиг. 3, соединяются между собой. Здесь 10 - глухие отверстия в прижимной рамке 4,11 - колпачок из магнитомягкого материала, А-зазор между торцом магнита 6 и поверхностью в глухом отверстии в прижимной рамке 4. Остальные обозначения позиций соответствуют обозначениям на фиг. 3. Прижимную рамку в устройствах для крепления подложек в обоих вариантах целесообразно использовать для подложек с небольшими размерами (50-100 мм), для которых возможно изготовление прижимной рамки с высокой плоскостностью поверхности. Для устройств крепления подложек с большими габаритными размерами (более 100 мм) предпочтительнее использовать вместо прижимной рамки прижимные колпачки, которые могут быть изготовлены с высокой плоскостностью и тем самым обеспечивается прижим подложки к водоохлаждаемому подложкодержателю с хорошим тепловым контактом.

Третий вариант устройства крепления подложек заключается в следующем. Также, как и в первом варианте по краям основания-водоохлаждаемого подложкодержателя выполняются отверстия в которые устанавливаются стержневые магниты (запрессовываются или вклеиваются в отверстия подложкодержателя). Концы стержневых магнитов устанавливаются в одной плоскости (заподлицо) с лицевой поверхностью подложкодержателя. Полюса магнитов чередуются по линии расположения магнитов. Подложка выполняется без отверстий по ее краям с размерами равными размеру подложкодержателя на который она будет установлена. Прижим подложки к водоохлаждаемому подложкодержателю осуществляется при помощи прижимной планки из магнитомягкого материала выполненной в виде уголка в сечении с верхней и боковой полками. Магнитное поле магнитов взаимодействует с магнитомягким материалом прижимной планки, при этом происходит прижатие прижимной планки к подложке и подложки к поверхности подложкодержателя. Боковая полка прижимной планки ограничивает ее перемещения по поверхности подложки и фиксирует подложку в заданном положении. В случае использования подложки с большими размерами (более 200 мм) прижимная планка может быть выполнена из двух и более частей. Теплопроводность магнитомягких материалов на основе железа достаточно большая (60-70 Вт/мК) и за счет незначительной толщины прижимной рамки (0,3-0,5 мм) обеспечивается хороший отвод тепла на поверхность водооохлаждаемого подложкодержателя.

На фиг. 5 приведены конструктивные элементы устройства крепления подложки по третьему варианту. Здесь 1 - водоохлаждаемый подлложкодержатель, 6 - стержневые магниты, установленные в отверстия по краям подложкодержателя, 2 - подложка, 12 - прижимные планки.

На фиг. 6 показан фрагмент устройства крепления подложек в сборе, т.е. когда все элементы крепления подложки, показанные на фиг. 5, соединяются между собой. Здесь А-верхняя полка прижимной планки, Б-боковая полка прижимной планки, остальные обозначения соответствуют обозначениям на фиг. 5.

В качестве примера по первому варианту было изготовлено устройство для крепления подложек. В качестве водоохлаждаемого основания использовалась медная пластина толщиной 8 мм с расположенными внутри медными трубками, по которым пропускалась охлаждающая вода. В качестве подложек использовались пластины из теплопроводного алюминиевого сплава АДШ (коэффициент теплопроводности 236 Вт/мК), толщиной 0.8 мм. В качестве стержневых магнитов использовались неодимовые магниты в виде стержней с диаметром 5 мм и высотой 5 мм. Прижимная рамка также изготавливалась из пластины, толщиной 0.8 мм, из теплопроводного алюминиевого сплава марки АДШ. Расстояние между торцами магнитов и торцами штифтом составляло 0.3 мм. Усилие прижима при этом составляло не менее 150 г для одной пары магнит-штифт. При расстоянии между магнитами в 40 мм на длине прижимной рамки в 400 мм обеспечивалось прижатие подложки 100×400 мм с усилием до 3 кг, что достаточно для плотного прижатия подложки к охлаждаемому подложкодержателю.

В качестве примера по второму варианту было изготовлено устройство для крепления подложек со следующими отличиями. Прижимная рамка (прижимной колпачок) изготавливались из магнитомягкого материала (Сталь 3). Расстояние между выступающими торцами стержневых магнитов и поверхностью дна в глухом отверстии прижимной рамки или прижимного колпачка составляло 0.3 мм. Усилие прижима для одной пары магнит-прижимной колпачок составляло 150 г.

В качестве примера по третьему варианту было изготовлено устройство для крепления подложек со следующими отличиями от предыдущих вариантов. Стержневые магниты закреплялись заподлицо в отверстиях на краях подложкодержателя. Боковая поверхность стержневого магнита (диаметр 5 мм, высота 5 мм) располагалась на расстоянии 1 мм от края подложкодержателя толщиной 8 мм. Использовались подложки из алюминиевого сплава толщиной 0,5 мм с размерами 100×200 мм. Прижимная планка выполнялась из полосы магнитомягкого материала (сталь 3) толщиной 0,5 мм с полками равными 5 мм. При расстоянии между магнитами в 40 мм усилие прижатия подложки к поверхности подложкодержателя на длине 200 мм составляло до 2 кг, что достаточно для плотного прижатия подложки к водоохлаждаемому подложкодержателю.

Крепление подложек в первом варианте осуществляется следующим образом. Подложка 2 (см. фиг. 1 и фиг. 2) одевается своими отверстиями 3 на штифты 5 (из магнитомягкого материала или из магнитов), расположенные на прижимной рамке 4, после чего рамка с подложкой прижимается к основанию - подложкодержателю 1, таким образом, чтобы штифты 5 вошли в отверстия 3 на подложкодержателе 1. С использованием вместо прижимной рамки прижимных колпачков способ крепления осуществляется аналогичным образом. Подложка одевается одним из отверстий на штифт прижимного колпачка, после чего прижимается к основанию подложкодержателя (штифт прижимного колпачка вставляется в отверстие на подложкодержателе). Затем вставляются оставшиеся прижимные колпачки в отверстия на подложке и отверстия в подложкодержателе.

Крепление подложек по второму варианту осуществляется следующим образом. Подложка 3 (см. фиг. 3 и фиг. 4) одевается своими отверстиями 3 на стержневые магниты 6, расположенные на поверхности подложкодержателя 1, после чего они прижимаются к поверхности подложкодержателя путем одевания на выступающие стержневые магниты 6 прижимной рамки 4 или прижимного колпачка 11.

Крепление подложек по третьему варианту осуществляется следующим образом. Подложка 2 (см. фиг. 5 и фиг. 6) прижимается при помощи прижимных планок 12 к поверхности водоохлаждаемого подложкодержателя 1.

Процесс установки и снятия одной подложки размером 100×200 мм во всех вариантах занимает не более 20 сек. Установка и снятие 12 подложек (100×200 мм) на вертикально расположенную карусель, состоящую из 6 пластин, образующих подложкодержатель, размером 400×100 мм (6 подложек) занимает не более 4 мин.

Таким образом, в предлагаемом устройстве для крепления подложек решены поставленные задачи:

- устройство не содержит элементов крепления с острыми углами и выступающими над поверхностью подложек и подложкодержателя;

- устройство позволяет производить монтаж и демонтаж подложек с минимальным временем - до 20 сек на одну подложку 100×200 мм;

- элементы крепления подложек выполнены из материалов с высокой теплопроводностью (от 60 Вт/мК) и с малой толщиной (0,3-1 мм), что обеспечивает хороший теплоотвод выделяющегося тепла в процессе напыления тонких пленок.

Источники информации

1. Axel Schumacher and all. Assembly and Packaging of Micro Systems by Using Reactive Bonding Processes. European Microelectronics Packaging Conference EMPC 2015

2. Парфенов О.Д. Технология микросхем: Учеб. пособие для вузов по спец. «Конструирование и про-во ЭВА». - М.: Высшая школа, 1986, 320 с., стр. 177-178, рис. 2.12)

3. Патент RU 2380786, опубл. 27.01.2010 г.

4. Патент RU 2656328, опубл. 04.06.2018 г.

5. Патент RU 2046838, опубл. 27.10.1993 г.

Изобретение относится к области вакуумного напыления пленок различных материалов на подложки, закрепляемые на охлаждаемом основании-подложкодержателе. Устройство содержит охлаждаемый подложкодержатель, элементы фиксации и прижима подложки к подложкодержателю. Элементы фиксации выполнены в виде стержневых магнитов, установленных в отверстия подложкодержателя на его краях. Элементы прижима выполнены в виде прижимной рамки из теплопроводного материала с установленными на ее краях штифтами из магнитомягкого материала или магнита, или в виде прижимных колпачков из теплопроводного материала с установленными штифтами из магнитомягкого материала или магнита, или в виде прижимной рамки или прижимных колпачков из магнитомягкого материала с глухими отверстиями, выполненными с возможностью обеспечения зазора между поверхностями торцов стержневых магнитов и дна глухих отверстий, или в виде прижимной планки из магнитомягкого материала в виде уголка с горизонтальной и боковой полками. Изобретение обеспечивает крепление подложек на охлаждаемый подложкодержатель с крепежными элементами без выступающих прижимных выступов, минимальное время на крепление и снятие подложек, отвод тепла, выделяющегося в процессе напыления. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для крепления подложек при вакуумном напылении тонких пленок, содержащее охлаждаемый подложкодержатель, элементы фиксации и прижима подложки к подложкодержателю, отличающееся тем, что элементы фиксации выполнены в виде стержневых магнитов, установленных в отверстия подложкодержателя на его краях, а элементы прижима выполнены в виде прижимной рамки из теплопроводного материала с установленными на ее краях штифтами из магнитомягкого материала или магнита, или в виде прижимных колпачков из теплопроводного материала с установленными штифтами из магнитомягкого материала или магнита, или в виде прижимной рамки или прижимных колпачков из магнитомягкого материала с глухими отверстиями, выполненными с возможностью обеспечения зазора между поверхностями торцов стержневых магнитов и дна глухих отверстий, или в виде прижимной планки из магнитомягкого материала в виде уголка с горизонтальной и боковой полками.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при выполнении элементов прижима в виде прижимной рамки или прижимных колпачков из теплопроводного материала с установленными штифтами из магнитомягкого материала или магнита, расстояние от поверхности торцов стержневых магнитов, установленных в отверстия подложкодержателя, до лицевой поверхности подложкодержателя равно 2-3 толщины подложки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что длина штифтов в 2-3 раза больше толщины подложки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стержневые магниты установлены в подложкодержателе с возможностью обеспечения между поверхностями торцов стержневых магнитов и поверхностями торцов штифтов или дна в глухих отверстиях прижимной рамки или прижимного колпачка при установленной подложке расстояния, равного 0,1-0,5 мм.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при выполнении элементов прижима в виде прижимной рамки или прижимных колпачков из магнитомягкого материала с глухими отверстиями стержневые магниты, установленные в отверстия подложкодержателя на его краях, выполнены выступающими над лицевой поверхностью подложкодержателя на высоту, равную 2-3 толщины подложки.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при выполнении элемента прижима в виде прижимной планки стержневые магниты в отверстиях по краям подложкодержателя установлены заподлицо с лицевой поверхностью подложкодержателя.