ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 125-129
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
УДК 537.533.8.07
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР В СВЕРХВЫСОКОМ ВАКУУМЕ
© 2004 г. С. Н. Варнаков, А. А. Лепешев*, С. Г. Овчинников, А. С. Паршин*,
М. М. Коршунов, P. Nevoral**
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН Россия, 660036, Красноярск, Академгородок *Сибирский государственный аэрокосмический университет им. акад. М.Ф. Решетнева Россия, 660014, Красноярск, просп. им. газеты "Красноярскийрабочий", 31 **Czech Technical University, Zikova 4, 16636, Prague 6, Czech Republic Поступила в редакцию 01.03.2004 г.
Описана автоматизация комплекса технологического оборудования для получения тонких пленок и многослойных структур полупроводниковых и магнитных материалов в сверхвысоком вакууме. Разработаны программно-аппаратные блоки на базе п.э.в.м. для контроля сверхвысоковакуумной системы и автоматического управления испарителями. Комплекс оснащен аналитическим оборудованием для контроля in situ параметров получаемых структур методами дифракции отраженных быстрых электронов, лазерной эллипсометрии и электронной оже-спектроскопии.
В последние годы возрос интерес исследователей к наноструктурам из магнитных и полупроводниковых материалов, что обусловлено необычными физическими свойствами эпитаксиальных многослойных структур с четкими границами между чередующимися слоями из магнитных и немагнитных материалов [1] и многослойных наноструктур с разрывными границами раздела [2].
Универсальным способом получения тонких пленок и многослойных структур из магнитных и немагнитных металлов, полупроводниковых сверхрешеток является испарение в сверхвысоком вакууме. Наиболее совершенные структуры получают при молекулярно-лучевой эпитаксии на монокристаллических подложках [3]. Поликристаллические, аморфные и гранулированные многослойные структуры наиболее часто получают в сверхвысоком вакууме термическим или электроннолучевым испарением. Современные технологические комплексы для получения наноструктур с заданными свойствами представляют собой высокоавтоматизированные установки, оснащенные аналитическим оборудованием для контроля технологического процесса и исследования полученных структур непосредственно в камере роста [4].
В восьмидесятых годах XX века в Институте физики полупроводников СО РАН (Новосибирск) под руководством С.И. Стенина были разработаны и внедрены в серийное производство автоматизированные комплексы молекулярно-луче-вой эпитаксии "Ангара", "Катунь" и др. [5], предназначенные для промышленного производ-
ства полупроводниковых устройств микроэлектроники. Изменившиеся с тех пор требования к технологическому процессу, кардинальные изменения в вычислительной технике и программном обеспечении технологического процесса требуют коренной модернизации как программно-аппаратных блоков контроля и управления технологическим процессом, так и аналитического оборудования.
Цель нашей работы - автоматизация и модернизация технологического комплекса молекулярно-лучевой эпитаксии "Ангара" для получения тонких пленок и многослойных структур наноме-трового диапазона магнитных и полупроводниковых материалов. Модернизация включала в себя разработку и изготовление на новой элементной и современной компьютерной базе системы автоматического контроля и управления технологическим процессом комплекса, оснащение технологического комплекса новым аналитическим оборудованием, а также модернизацию и автоматизацию уже имеющегося аналитического оборудования.
ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ
Технологический комплекс, состоящий из двух технологических камер и камеры подготовки и анализа подложек (рис. 1), оснащен программно-аппаратным блоком контроля вакуумной систе-
♦_
Рис. 1. Программно-аппаратное управление технологическим комплексом. ЭПМ - камера эпитаксии элементарных полупроводников, металлов и диэлектриков; ЭПС - камера эпитаксии полупроводниковых соединений; ПАП - камера анализа и подготовки подложек; ЗиВП - камера загрузки и выгрузки подложек; ИМ - испарительный модуль; БЛЭ - быстродействующий лазерный эллипсометр; ДОБЭ - дифрактометр отраженных быстрых электронов; ВК — видеокамера; НП - нагреватель подложки; ШЗ - шиберный затвор; БС - блок силовой; ИПИ - источник питания испарителей; ЭОС - электронный оже-спектрометр; ИВ - ионизационный вакуумметр; БУИ - блок управления испарителей; БК - блок контроля вакуумной системы; МРН - магниторазрядный насос.
мы и управления испарителями технологического комплекса.
Блок контроля вакуумной системы предназначен для опроса состояния и положения элементов технологической установки, отображения этого состояния на экране компьютера, а также управление вакуумными режимами камеры. Аппаратная часть реализована на базе микропроцессора фирмы А1ше1 АТ89Б8252, содержащей 8К байт ЙавИ-п.з.у. (постоянное запоминающее устройство), программируемое по последовательному интерфейсу, что позволяет оперативно изменять программное обеспечение. Четыре параллельных двунаправленных 8-разрядных порта позволяют подключить большое количество внешних датчиков и исполнительных устройств. Аппаратная часть блока контроля (рис. 2) содержит: микропроцессор (однокристальная микро-э.в.м.) фирмы А1ше1 АТ89Б8252; узел связи с компьютером (микросхема АБМ202 адаптера последовательно-
го порта Я8232); узел связи с вакуумметрами на основе микросхемы а.ц.п. АБ7706; узел опроса датчиков; узел регистров исполнительных устройств.
Компьютерная программа, обеспечивающая работу блока, производит опрос датчиков и вакуумметров установки, обмен командами и данными между п.э.в.м. и блоком контроля, отображает состояние вакуумной системы установки на экране монитора.
На мнемосхеме установки, отображающей на экране монитора состояние вакуумной системы технологического комплекса, оператор-технолог контролирует: состояние вакуума в каждой из трех камер, наличие или отсутствие воды в системе охлаждения испарителей технологических камер, включенное или выключенное состояние магниторазрядных насосов, положение манипуляторов, заслонок и фиксаторов шиберных затво-
ров, состояние манометров воздуха для управления шиберными затворами, положение заслонок испарителей обеих камер, состояние титановых сублиматоров, сигналы блокировки аналитической аппаратуры.
Компьютерная программа обеспечивает управление следующими узлами технологического комплекса: заслонками и фиксаторами шиберных затворов; заслонками испарителей; титановыми сублиматорами; блокировкой аналитической аппаратуры.
Управление положением заслонок оператор может осуществлять в автоматическом режиме по специальной программе, отображаемой в окне на экране монитора компьютера. В этом окне оператор может дать пошаговое задание на открытие и закрытие соответствующих заслонок. Имеется возможность задания циклических участков программы введением в соответствующем режиме количества циклов и длительности паузы между циклами.
Выполнение программы можно остановить в любой момент времени.
МОДЕРНИЗАЦИЯ АНАЛИТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
Система регистрации и обработки дифракто-метрической информации предназначена для получения дифракционной картины с люминесцентного экрана, представления этой картины в виде графического файла и последующей компьютерной обработки этой информации.
Дифракционная картина формируется рассеянными образцом электронами на люминесцентном экране дифрактометра. Изображение этой картины снимается видеокамерой КРС-400В. Аналоговое изображение, формируемое камерой, преобразуется с помощью видеокарты в цифровое изображение.
Программа обработки дифракционной картины позволяет производить следующие основные операции:
- обработку видеоизображения дифракционной картины, приходящего с камеры, в реальном времени;
- ввод и удаление контрольных точек (к.т.), в которых происходит измерение интенсивности, в том числе - измерение осцилляций яркости (к.т. могут быть двух видов: пассивные - их положение не изменяется во время технологического процесса, активные - для них задается прямоугольная область, в которой они перемещаются в точку с максимальной интенсивностью);
- получение горизонтальных и вертикальных разрезов интенсивности для текущей к.т.;
2
о
2
я
О
<
12 МГц
Рис. 2. Блок-схема аппаратной части блока контроля.
- вывод распределения интенсивности в окрестности текущей к.т. в форме прямоугольной матрицы (карты) 5 х 7 с цифровыми значениями ин-тенсивностей в ячейках;
- подсчет осцилляций (ведется по первой по порядку ввода к.т.);
- ввод уровня шума - погрешность аппаратного шума камеры при подсчете осцилляций;
- управление состоянием заслонки;
- измерение периода осцилляций, который в дальнейшем может использоваться для контроля правильности роста слоев;
- динамическое измерение программой количества моноатомных слоев.
Пользовательское окно программы в одном из режимов представлено на рис. 3. На экран выводится изображение дифракционной картины, горизонтальные и вертикальные срезы интенсивности в двух точках, указанных оператором.
Быстродействующий лазерный эллипсометр ЛЭФ-751М, разработанный в Институте физики полупроводников СО РАН, установлен в правой технологической камере (рис. 1) и предназначен для контроля оптических параметров тонкопленочных структур непосредственно в процессе их роста.
Поляризация света определяется отношением комплексных френелевских коэффициентов отражения гр и г5 для параллельной и перпендикулярной к плоскости падения света поляризаций света соответственно
г / г
= tg у ехр (г А),
где параметр у определяется отношением амплитуд коэффициентов Френеля, а А - фазовым сдвигом между компонентами с параллельной и перпендикулярной ориентацией.
Рис. 3. Пользовательское окно программы обработки дифрактометрической информации.
Измеренные экспериментально при определенном угле падения и длине волны поляризованного света эллипсометрические параметры у и А функционально связаны с оптическими параметрами исследуемой поверхностной структуры: показателями п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.