172 nm excimerlampa och grundläggande kunskaper i vakuumfysik
Grunderna i vakuumfysik
Jonpläteringstekniken utvecklades från vakuumförångningsbeläggning och utförs nu nästan uteslutande i en vakuummiljö. För att förstå betydelsen och unika egenskaper hos beläggningsprocesser i vakuum, introducerar följande grundläggande kunskaper relaterad till vakuum.
2.1 Vakuum
2.1.1 Definition av vakuum
Vakuum avser i allmänhet ett gasformigt tillstånd med ett tryck som är lägre än en standardatmosfär (1 atm). Jämfört med normala atmosfäriska förhållanden är gasen extremt sällsynt: antalet molekyler per volymenhet reduceras kraftigt, sannolikheten för kollisioner mellan molekyler eller med andra partiklar (elektroner, joner) är avsevärt sänkt, och antalet molekylära nedslag per tidsenhet på en ytenhetsenhet (t.ex. kammarvägg) minskar också markant. Denna långa medelfria väg ger en idealisk miljö för 172 nm excimerlampor och andra vakuum-ultravioletta källor, vilket tillåter fotoner att nå substratet med praktiskt taget ingen absorption.
2.1.2 Bildande av vakuum
Vakuum kan klassificeras i naturligt vakuum och artificiellt vakuum:
Naturligt vakuum Atmosfärstrycket minskar med höjden. Standardatmosfärstrycket vid havsnivån är 1,01325 × 10⁵ Pa. Över 10 km sjunker trycket med ungefär en storleksordning för varje ytterligare 15 km ökning av höjden.
Artificiellt vakuum Artificiellt vakuum skapas genom att pumpa ut gas från en förseglad behållare med hjälp av vakuumpumpar. Vakuumet som används i jonpläteringstekniken är artificiellt vakuum, där kammaren evakueras till önskad trycknivå innan beläggning. I beläggningssystem med ultra-högvakuum (UHV) används ofta en 172 nm excimerlampa för in-rengöring för att ytterligare avlägsna adsorberade gaser.
Att förstå vakuumets egenskaper och lagar är ett av kärnkunskapsområdena för yrkesverksamma inom vakuumjonplätering, inklusive vakuumfysik, vakuuminsamling, vakuummätning och vakuumapplikationsteknologier.
2.1.3 Vakuumgradens betydelse
Vakuumgrad Graden av gasförsämring kallas vakuumgraden (eller vakuumnivån), vanligtvis uttryckt som tryck. Lägre tryck innebär färre molekyler och högre vakuumgrad.
Tryckenheter SI-enheten är pascal (Pa). Vanliga konverteringsrelationer visas i Tabell 2-1.
Tabell 2-1 Konvertering av tryckenhet
| Pa | Torr | mbar | atm |
|---|---|---|---|
| 7.500×10⁻³ | 10⁻² | 10⁻² | |
| 1.333×10² | 1 | 1.333 | 1.315×10⁻³ |
| 100 | 0.750 | 1 | |
| 1.013×10⁵ | 760 | 1013 | 1 |
Tryckets ursprung Trycket är ett resultat av kontinuerliga slumpmässiga kollisioner av ett stort antal termiskt rörliga gasmolekyler mot behållarens vägg.
Klassificering av vakuumområden och typiska pumpar
Lågvakuum: 1×10⁵ Pa till 1×10² Pa → roterande skovelpumpar, slidventilpumpar
Mellanvakuum: 1×10² Pa till 1×10⁻¹ Pa → Roots-pumpar, boosterpumpar
Högvakuum: 1×10⁻¹ Pa till 1×10⁻⁵ Pa → oljediffusionspumpar, turbomolekylära pumpar
Ultra-högt vakuum: < 1×10⁻⁵ Pa (vanligtvis ner till 10⁻⁸ Pa eller lägre) → sputter-jonpumpar, titansublimeringspumpar, kryopumpar, getterpumpar
I UHV-system används 172 nm excimerlampan i stor utsträckning för in-situ UV-ozonrengöring av kammaren. Dess 172 nm vakuum ultravioletta strålning genererar effektivt atomärt syre och ozon, tar kraftfullt bort kvarvarande kolväten och möjliggör extremt låg bakgrundskontamination.
Molekyldensitet vid olika vakuumnivåer Vakuum är relativt, inte absolut. Vid 0 grader och 1 atm, finns det 2,687 × 10¹⁹ molekyler per cm³. Även vid 10⁻⁸ till 10⁻⁹ Pa (UHV) återstår ungefär 33–330 molekyler per cm³. Vid sådana nivåer når den genomsnittliga fria vägen för fotoner som emitteras av en 172 nm excimerlampa flera meter till tiotals meter, och lider nästan inte av någon gasabsorption, vilket gör den mycket effektiv för ytmodifiering och foto{12}}assisterad avsättning.
2.2 Grundlagarna för gasmolekylär rörelse
Gaser i vakuum behandlas som idealgaser, och deras molekylära rörelse diskuteras med hjälp av idealgasteori.
2.2.1 Kinetisk teori om ideala gaser
Grundläggande antaganden om den ideala gasmodellen ① Molekyler behandlas som punktmassor med försumbar volym jämfört med intermolekylära avstånd. ② Molekyler är i kontinuerlig, slumpmässig rörelse utan att upphöra. ③ Molekyler är perfekt elastiska hårda sfärer utan långa-krafter; all energi är kinetisk, och kollisioner är perfekt elastiska (bevarande av momentum och energi), ändrar endast riktning, inte medelhastighet eller intern energi.
Dessa antaganden håller mycket väl i vakuumsystem på grund av lågt tryck och stora intermolekylära avstånd.
Praktisk betydelse i beläggningsteknik I processer med hög-vakuum och ultra-hög-vakuumplätering används 172 nm excimerlampan ofta som en ultraviolett vakuumkälla för:
In-situ substratrengöring (fotolys av adsorberat vatten och kolväten),
Ytaktivering (generering av hängande bindningar för att förbättra vidhäftningen),
VUV-assisterad CVD- eller ALD-avsättning.
På grund av det höga vakuumet når nästan 100 % av fotonerna på 172 nm arbetsstyckets yta utan gas-fasabsorption, vilket dramatiskt förbättrar processeffektiviteten och filmkvaliteten.
