Znaczenie wyładowań o częstotliwości radiowej dla lamp ekscymerowych 172 nm i 222 nm

Znaczenie wyładowań o częstotliwości radiowej dla lamp ekscymerowych 172 nm i 222 nm

3.5.5 Wyładowania o częstotliwości radiowej

Wyładowania jarzeniowe pod niskim-ciśnieniem obejmują wyładowania jarzeniowe prądu stałego, wyładowania jarzeniowe o średniej-do-częstotliwości, wyładowania o częstotliwości radiowej (RF) i wyładowania mikrofalowe. Dwie ostatnie formy są szeroko stosowane we wspomaganym plazmowym-chemicznym osadzaniu z fazy gazowej (PECVD) i polimeryzacji plazmowej. W tabeli 3-7 zestawiono częstotliwości kilku źródeł zasilania [6,8,13-15]. W tej sekcji przedstawiono głównie wyładowania o częstotliwości radiowej.

Tabela 3-7 Częstotliwości kilku źródeł zasilania

Charakterystyka wyładowań RFW naczyniu próżniowym umieszcza się dwie elektrody i podłącza je do źródła zasilania o wysokiej-częstotliwości (13,56 MHz). Po włączeniu zasilania następuje wyładowanie-o wysokiej częstotliwości, zwane-wyładowaniem jarzeniowym o częstotliwości radiowej (wyładowanie RF) [6,8,13-15]. Biegunowość dwóch elektrod zmienia się szybko, powodując oscylacje elektronów pomiędzy płytkami, zwiększając prawdopodobieństwo jonizacji kolizyjnej z atomami gazu. Ze względu na dużą masę jony można uznać za stacjonarne przy wysokich częstotliwościach, a rekombinacja na elektrodach jest mniejsza niż przy wyładowaniu DC, co pozwala na umieszczenie elektrod na zewnątrz naczynia. Napięcie zapłonu/konserwacji przy wyładowaniu jest niższe niż przy wyładowaniu DC, a gęstość plazmy może osiągnąć ~10¹¹–10¹²/cm3.

Zjawiska związane z wyładowaniami-o wysokiej częstotliwościWyładowanie o wysokiej-częstotliwości różni się od wyładowania o niskiej-częstotliwości charakterystyką wyładowania dwu-elektrodowego:

Wyładowanie o niskiej-częstotliwości: Kiedy do elektrod zostanie przyłożony prąd przemienny o niskiej-częstotliwości, jarzenie zmienia się pomiędzy biegunami, a każde pół-cyklu przypomina wyładowanie jarzeniowe DC.

Wyładowania-o wysokiej częstotliwości: Pomiędzy elektrodami nie ma naprzemiennego jarzenia; intensywność/kolor luminescencji w każdym obszarze jest stabilna, kolumna plazmy jest wyśrodkowana, a wyładowanie w pobliżu dwóch elektrod jest całkowicie symetryczne (ponieważ gdy zmienia się kierunek pola elektrycznego, obszar ładunku przestrzennego/plazmy nie ma czasu na redystrybucję lub dejonizację). (Rysunek 3-16: Rozkład światła pomiędzy elektrodami przy wyładowaniu o niskiej-i wysokiej-częstotliwości: a) Wyładowanie o niskiej-częstotliwości; b) Wyładowanie o wysokiej częstotliwości)

Konfiguracje elektrod w wyładowaniach RFElektrody wyładowcze RF można umieścić wewnątrz lub na zewnątrz rury wyładowczej. Elektrody wewnętrzne są zwykle typu płaskiego-płytkowego, natomiast zewnętrzne często wykorzystują cewki indukcyjne.

(1) Elektrody wewnętrzneRysunek 3-17 przedstawia urządzenie wyładowcze RF z płaską-elektrodą płytkową [10]: Elektroda podłączona do źródła zasilania RF jest wyposażona w osłonę ekranującą; elektroda uziemiająca (stół roboczy) przytrzymuje obrabiany przedmiot i jest uziemiona razem z komorą wyładowczą. W polu elektrycznym-o wysokiej częstotliwości elektrony oscylują wielokrotnie, zwiększając prawdopodobieństwo kolizji i osiągając gęstość plazmy ~10¹¹–10¹²/cm³. Ciśnienie rozładowania wynosi ~1–100 Pa, co umożliwia-jednolitą powierzchnię cienkich warstw o ​​dużej powierzchni, stosowanych w półprzewodnikach, urządzeniach optoelektronicznych itp. Urządzenie to można również połączyć ze światłem ekscymerowym 172 nm i światłem UV 222 nm do obróbki pomocniczej w celu poprawy właściwości powierzchni i jednorodności strukturalnej cienkich warstw. (Rysunek 3-17: Płaskie urządzenie wyładowcze RF z wewnętrzną elektrodą, zawierające elektrody, napięcie RF, przedmiot obrabiany, plazmę, termoparę, dyszę gazową, pompę próżniową, SiH₄, NH₃, manometr)

(2) Elektrody zewnętrzne (wyładowanie bezelektrodowe)Zewnętrzne urządzenia elektrodowe posiadają cewkę indukcyjną umieszczoną na zewnątrz komory reakcyjnej [6,8,10,13-15]. Rysunek 3-18 przedstawia bezelektrodowe urządzenie wyładowcze RF [10]: wykorzystuje ono pole magnetyczne-o wysokiej częstotliwości do generowania indukowanego pola elektrycznego, które wzbudza plazmę. Bez elektrod wewnątrz urządzenia można uzyskać czystą plazmę, korzystną do przygotowania cienkich warstw o ​​wysokiej czystości. W polu elektrycznym o wysokiej częstotliwości prędkość elektronów znacznie przekracza prędkość jonów, umożliwiając stabilne utrzymanie wyładowań nawet przy niskim ciśnieniu (~ 1–10 Pa) ze względu na wysokie prawdopodobieństwo kolizji.

Dopasowanie impedancji dla zasilacza RF [6,8]Aby zmaksymalizować transmisję mocy-o wysokiej częstotliwości, wymagany jest obwód dopasowujący (dopasowany obwód sprzęgający) pomiędzy obciążeniem a źródłem zasilania: Sprzężenie pojemnościowe dla elektrod płaskich-; sprzęgło indukcyjne do urządzeń bezelektrodowych-indukcyjnych o wysokiej częstotliwości.

Zastosowania wyładowań RF

Napylanie folii izolacyjnychPodczas napylania folii izolacyjnej prądem stałym, folia izolacyjna blokuje jony, powodując gromadzenie się ładunku i rozpad. Moc RF zmienia polaryzację elektrody, neutralizując ładunki elektrod i zapewniając normalne rozładowanie. Dodatkowo wprowadzenie światła ekscymerowego 172 nm i światła UV 222 nm podczas rozpylania może dodatkowo zoptymalizować gęstość i przyczepność folii izolacyjnych, redukując defekty.

Samo-odchylenie generowane przez-elektrody wysokiej częstotliwości [6,8]W urządzeniach z elektrodami płasko-płaskimi o sprzężeniu pojemnościowym ruchliwość elektronów znacznie przewyższa ruchliwość jonów, dlatego-elektroda wysokiej częstotliwości pozostaje ujemna przez większość cyklu, tworząc-samoczynność polaryzacji (500–1000 V), podobną do spadku katody w wyładowaniu jarzeniowym DC, utrzymując stabilne wyładowanie.

Wspomaganie rozładowania pod ciśnieniem atmosferycznymOdgrywa ważną rolę w wyładowaniu jarzowym-pod ciśnieniem atmosferycznym i wyładowaniu z barierą dielektryczną.

3.5.6 Wyładowanie mikrofalowe

Wyładowanie mikrofalowe przekształca energię mikrofalową w energię wewnętrzną w celu wzbudzenia/jonizacji gazu i wytworzenia plazmy, o typowej częstotliwości 2,45 GHz. Rysunek 3-19 przedstawia schemat urządzenia wyładowującego mikrofale [6]. Mechanizm jonizacji: Po zderzeniu elektronów pole elektryczne w samą porę zmienia kierunek, powodując ciągły wzrost prędkości/energii elektronów. Gęstość plazmy sięga ~10¹⁵ /cm3, przy czym koncentracja mocy jest możliwa bez elektrod. Mikrofale są przesyłane za pomocą falowodu lub kabla koncentrycznego i sprzęgane rezonansowo z wnęką wyładowczą (formy sprzężenia widoczne w mikrofalowym PECVD). (Rysunek 3-19: Mikrofalowe urządzenie wyładowcze, w tym generator mikrofal (2,45 GHz, 1,25 kW), woda chłodząca, tuner z trzema prętami, izolator, miernik mocy, rura wyładowcza, rezonator wnękowy itp.)

3.5.7 Wyładowanie jarzeniowe pod ciśnieniem atmosferycznym

Wyładowanie pod niskim-ciśnieniem wymaga systemów próżniowych, które są kosztowne, dlatego opracowano technologie wyładowania jarzeniowego pod-ciśnieniem atmosferycznym. Główne formy obejmują wyładowania koronowe, wyładowania z barierą dielektryczną (DBD) i wyładowania jarzeniowe pod-atmosferycznym ciśnieniem (wymagające wysokiego napięcia przebicia lub mocy RF/mikrofal).

Wyładowanie koronoweForma wyładowania pod ciśnieniem atmosferycznym [6,8,16], z podziałem na koronę dodatnią i ujemną: Urządzenie (Rysunek 3-20a [16]): Katoda jest włóknista (elektroda drutowa), anoda jest płytowa lub cylindryczna, ze znaczną różnicą krzywizn. Parametry: napięcie rozładowania ~10–100 kV, ciśnienie ~10⁵ Pa, gęstość prądu ~10⁻⁶–10⁻⁴ A/cm². Charakterystyka: Mały zasięg wyładowania, niska/nierówna energia, migotanie i zapach ozonu; ogranicza się głównie do laboratoriów. (Rysunek 3-20: Ujemne wyładowanie koronowe: a) Urządzenie; b) Zdjęcie)

Wyładowanie z barierą dielektryczną (DBD)Elektrody są pokryte izolującym dielektrykiem, a wysokie-napięcie prądu przemiennego wytwarza wyładowanie [6,8,16-18], znane również jako DBD-CVD (atmosferyczne-plazma pod ciśnieniem-wzmocnione chemiczne osadzanie z fazy gazowej): Struktura (rysunek 3-21 [16]): Płaska-płyta lub struktury rurowe z dielektrykami, takimi jak szkło lub bakelit. Parametry: Ciśnienie ~10⁵ Pa, częstotliwość 50 Hz–1 MHz, amplituda do 100 kV. Zastosowania: Rury do reaktorów chemicznych; płaska płyta STOSOWANA do modyfikacji/szczepienia polimerów/metali. Podczas zabiegu połączenie światła ekscymerowego o długości fali 172 nm i światła UV o długości 222 nm umożliwia skuteczniejszą kontrolę grup chemicznych powierzchni, wzmacniając efekty modyfikacji. Charakterystyka wyładowań: Przy wysokim napięciu powstają mikrowyładowania nitkowate (rys. 3-22 [16]), cylindryczne (promień 0,1–0,3 mm), trwające 10–100 ns, o gęstości prądu 0,1–1 kA/cm². Rozstaw elektrod ~3 mm; jednolita szczelina zapewnia stabilne rozładowanie.

Znaczenie powlekania-ciśnieniowego w atmosferze (rysunek 3-23 [19])Obróbka nisko-ciśnieniowa (rysunek 3-23a): wymaga dużego systemu próżniowego. Obróbka DBD pod-ciśnieniem atmosferycznym (Rysunek 3-23b): Nie jest potrzebny system próżniowy, bardziej odpowiedni do przetwarzania tekstyliów „z rolki na rolkę” itp. (Rysunek 3-21: Typowe struktury wyładowań z barierą dielektryczną; Rysunek 3-22: Zdjęcie wyładowań włókienkowych; Rysunek 3-23: Porównanie urządzeń do obróbki produktów z włókien chemicznych: a) System próżniowy; b) Ciśnienie atmosferyczne DBD)