Внутрикамерные устройства: манипуляторы, экраны, подложкодержатели

Подложкодержатели

Неподвижный держатель — это просто платформа или зажим, фиксирующий образец в одном положении. Его берут, когда важнее всего чистота процесса, то есть минимум движущихся частей, но у такого решения есть цена: если процесс требует вращения образца, покрытие получится неоднородным.

Вращающийся подложкодержатель, или ротатор, стоит на подшипниках и вращается со скоростью 5–50 об/мин — это заметно улучшает однородность покрытия и позволяет работать даже с изогнутыми поверхностями, хотя и требует электродвигателя и герметичного сальника через стенку камеры. Наклонный держатель регулирует угол образца относительно магнетрона, от 0° до 90°, и нужен, когда изучают, как свойства покрытия меняются с углом падения ионов — исполнение бывает механическим, с рычагом снаружи, или электрическим, с сервоприводом внутри камеры. А многопозиционный держатель — карусель с несколькими ячейками — позволяет наносить покрытие сразу на несколько образцов, экономя время, но за это приходится платить более сложной конструкцией и необходимостью следить за равномерностью напыления по всем позициям.

Экраны и маски

Защитный экран (заслонка), лист молибдена или тантала, ставят между магнетроном и образцом, чтобы перекрыть прямой поток ионов и нейтралов на ранней стадии процесса — например, при предварительном распылении мишени, — а убирают его уже после того, как поверхность мишени очищена. Маска с отверстиями наносит покрытие избирательно, только на нужные участки, формируя заданный узор, и делают её из материала, стойкого к распылению — молибдена или вольфрама, — плотно прилегающего к образцу. А охлаждаемый экран, медный или алюминиевый, с циркуляцией воды или гликоля, отводит тепло там, где образец нужно охладить во время процесса или сразу после него, — здесь без системы охлаждения и герметичных соединений не обойтись.

Нагреватели

Резистивный нагреватель — вольфрамовая спираль или кварцевая трубка с резистивным элементом — прост, надёжен и работает до 1000–1500 °C, но требует электропитания через герметичный вывод. Лучистый нагреватель, галогеновая лампа мощностью 500–1000 Вт снаружи камеры, направленная внутрь через кварцевое окно, греет бесконтактно и позволяет быстро менять температуру — именно поэтому его чаще встречают в ALD и CVD реакторах. При выборе нагревателя смотрят на три параметра: максимальную температуру, скорость нагрева (5–50 °C/мин) и стабильность (±2–5 °C).

Датчики внутри камеры

Датчик температуры подложки — термопара или платиновый терморезистор — должен находиться как можно ближе к образцу, иначе показания будут отставать от реальности, а электрические выводы от него проходят через герметичные вводы в стенке камеры. В плазменных процессах отдельно используют датчик энергии — зонд, измеряющий потенциал плазмы, чтобы контролировать энергию ионов.

Изоляция и герметичность

Все движущиеся части — валы, подшипники, сальники — нуждаются в герметичных уплотнениях, иначе газ будет утекать из камеры прямо через них, а это усложняет конструкцию и требует специальных материалов. Электрические вводы должны оставаться герметичными и стойкими к вакууму — здесь применяют специальные пластики, PEEK или PTFE, и керамические уплотнения.

Материалы и совместимость

Любая внутрикамерная деталь должна сочетаться и с газовой средой, и с рабочей температурой процесса. Нержавеющая сталь универсальна, но для высокотемпературных процессов её уже недостаточно — там нужны молибден или вольфрам, а для чистых процессов углеродистую сталь стараются не использовать вовсе: она окисляется и загрязняет систему.

Проектирование и изготовление

Внутрикамерные устройства почти всегда проектируют под конкретный реактор — готовый подложкодержатель просто так не купить, его нужно подогнать под диаметр камеры, тип фланца, расстояние до магнетрона. Изготовление включает механическую обработку нержавейки, сварку, термическую обработку и обычно занимает 2–4 недели.

Стоимость

Простой неподвижный держатель стоит 5–10 тыс. руб, вращающийся ротатор — 30–80 тыс. руб, многопозиционная карусель — 100–300 тыс. руб, а охлаждаемый экран с системой охлаждения — 50–150 тыс. руб.

Итог

Внутрикамерные устройства влияют на качество и воспроизводимость процесса заметно сильнее, чем принято считать на старте разработки. Выбор конкретной конструкции зависит от требуемой однородности, типа образцов и бюджета на доработку — простые решения годятся для начала исследований, а производство, как правило, требует более сложных и надёжных конструкций.