Vikten av radiofrekvensurladdning för 172nm och 222nm excimerlampor

Vikten av radiofrekvensurladdning för 172nm och 222nm excimerlampor

3.5.5 Radiofrekvensurladdning

Låg-ljusurladdningar inkluderar DC-glödurladdning, medium-till-högfrekvent urladdning, radiofrekvent urladdning (RF) och mikrovågsurladdning. De två sistnämnda formerna används ofta i plasma-förbättrad kemisk ångavsättning (PECVD) och plasmapolymerisation. Tabell 3-7 listar frekvenserna för flera strömkällor [6,8,13-15]. Detta avsnitt introducerar huvudsakligen radiofrekvent urladdning.

Tabell 3-7 Frekvenser för flera strömkällor

Egenskaper för RF-urladdningI ett vakuumkärl placeras två elektroder och ansluts till en hög-strömkälla (frekvens på 13,56 MHz). När strömmen slås på sker hög-urladdning, känd som radio-frekvent glödurladdning (RF-urladdning) [6,8,13-15]. Polariteten hos de två elektroderna växlar snabbt, vilket gör att elektroner oscillerar fram och tillbaka mellan plattorna, vilket ökar sannolikheten för kollisionsjonisering med gasatomer. På grund av sin stora massa kan joner anses vara stationära vid höga frekvenser, och rekombinationen på elektroderna är lägre än vid DC-urladdning, vilket gör att elektroder kan placeras utanför kärlet. Tänd-/underhållsspänningen för urladdning är lägre än vid DC-urladdning, och plasmadensiteten kan nå ~10¹¹–10¹²/cm³.

Fenomen vid hög-urladdningHög-urladdning skiljer sig från låg-urladdning i egenskaperna hos de två-elektrodurladdningarna:

Låg-urladdning: När låg-växelström appliceras på elektroderna, växlar glöden mellan polerna, med varje halv-cykel som liknar likströmsglödurladdning.

Hög-urladdning: Det finns ingen växelvis glöd mellan elektroderna; luminescensintensiteten/färgen i varje region är stabil, plasmakolonnen är centrerad och urladdningen nära de två elektroderna är helt symmetrisk (eftersom när det elektriska fältets riktning ändras, hinner inte rymdladdningen/plasmaregionen omfördela eller avjonisera). (Figur 3-16: Fördelning av ljus mellan elektroder i låg-frekvent och hög-frekvent urladdning: a) Låg-urladdning; b) Högfrekvent urladdning)

Elektrodkonfigurationer i RF-urladdningRF-urladdningselektroder kan placeras inuti eller utanför urladdningsröret. Interna elektroder är vanligtvis platt-plattor, medan externa ofta använder induktionsspolar.

(1) Interna elektroderFigur 3-17 visar en RF-urladdningsanordning för platt-platta elektrod [10]: Elektroden som är ansluten till RF-strömkällan är utrustad med ett skärmande lock; den jordade elektroden (arbetsbordet) håller fast arbetsstycket och är jordad tillsammans med urladdningskammaren. I det högfrekventa elektriska fältet oscillerar elektroner flera gånger, vilket ökar kollisionssannolikheten och uppnår plasmadensitet på ~10¹¹–10¹²/cm³. Urladdningstrycket är ~1–100 Pa, vilket möjliggör enhetliga tunna filmer med stor-yta, applicerad i halvledare, optoelektroniska enheter, etc. Denna enhet kan också kombineras med 172 nm excimerljus och 222 nm UV-ljus för hjälpbehandling för att förbättra ytegenskaperna och strukturella likformigheten hos tunna filmer. (Figur 3-17: RF-urladdningsanordning för inre platt plattor, inklusive elektroder, RF-spänning, arbetsstycke, plasma, termoelement, gasmunstycke, vakuumpump, SiH₄, NH₃, tryckmätare)

(2) Externa elektroder (elektrodlös urladdning)Externa elektrodenheter har en induktionsspole utanför reaktionskammaren [6,8,10,13-15]. Figur 3-18 visar en elektrodlös RF-urladdningsenhet [10]: Den förlitar sig på ett högfrekvent magnetfält för att generera ett inducerat elektriskt fält som exciterar plasman. Utan elektroder inuti enheten kan ren plasma erhållas, vilket är fördelaktigt för framställning av tunna filmer med hög renhet. I det högfrekventa elektriska fältet överstiger elektronhastigheten avsevärt jonhastigheten, vilket möjliggör stabil urladdning även vid lågt tryck (~1–10 Pa) på grund av hög kollisionssannolikhet.

Impedansmatchning för RF-strömförsörjning [6,8]För att maximera hög-effektöverföring krävs en matchningskrets (matchande kopplingskrets) mellan belastningen och strömkällan: Kapacitiv koppling för platt-plattelektroder; induktiv koppling för hög-induktionselektrodlösa enheter.

Tillämpningar av RF-urladdning

Sputtering av isolerande filmerVid sputtering av isolerande filmer med likström blockerar den isolerande filmen joner, vilket orsakar laddningsackumulering och nedbrytning. RF-effekt växlar elektrodpolaritet, neutraliserar elektrodladdningar och säkerställer normal urladdning. Dessutom kan införandet av 172 nm excimerljus och 222 nm UV-ljus under sputtering ytterligare optimera tätheten och vidhäftningen av isolerande filmer, vilket minskar defekter.

Själv-bias genererad av hög-elektroder [6,8]I kapacitivt kopplade platt-plattelektrodenheter överstiger elektronrörligheten avsevärt den för joner, så hög-elektroden förblir negativ under större delen av cykeln och bildar en själv-förspänning (500–1000 V), liknande katodfallet i DC-glödurladdningen.

Assistera urladdning vid atmosfärstryckSpelar en viktig roll i atmosfärisk-glödurladdning och dielektrisk barriärurladdning.

3.5.6 Mikrovågsurladdning

Mikrovågsurladdning omvandlar mikrovågsenergi till intern energi för att excitera/jonisera gas och producera plasma, med en gemensam frekvens på 2,45 GHz. Figur 3-19 visar ett schema över en mikrovågsurladdningsanordning [6]. Joniseringsmekanism: Efter elektronkollision ändrar det elektriska fältet riktning precis i tid, vilket orsakar kontinuerlig ökning av elektronhastighet/energi. Plasmadensiteten når ~10¹⁵/cm³, med effektkoncentration möjlig utan elektroder. Mikrovågor överförs via vågledare eller koaxialkabel och kopplas resonant med urladdningskaviteten (kopplingsformer ses i mikrovågs-PECVD). (Figur 3-19: Mikrovågsurladdningsenhet, inklusive mikrovågsgenerator (2,45 GHz, 1,25 kW), kylvatten, trestumstuner, isolator, effektmätare, urladdningsrör, kavitetsresonator, etc.)

3.5.7 Glödurladdning vid atmosfärstryck

Låg-trycksurladdning kräver vakuumsystem, som är kostsamma, så atmosfärs-ljusurladdningstekniker har utvecklats. Huvudformer inkluderar koronaurladdning, dielektrisk barriärurladdning (DBD) och atmosfärisk -glödurladdning (kräver hög genombrottsspänning eller RF/mikrovågseffekt).

Corona urladdningEn form av urladdning vid atmosfärstryck [6,8,16], uppdelad i positiv och negativ korona: Enhet (Figur 3-20a [16]): Katoden är trådformig (trådelektrod), anoden är platt eller cylindrisk, med betydande krökningsskillnad. Parametrar: Urladdningsspänning ~10–100 kV, tryck ~10⁵ Pa, strömtäthet ~10⁻⁶–10⁻⁴ A/cm². Egenskaper: Litet urladdningsområde, låg/ojämn energi, med flimrande och ozonlukt; mestadels begränsad till laboratorier. (Figur 3-20: Negativ koronaurladdning: a) Enhet; b) Foto)

Dielektrisk barriärurladdning (DBD)Elektroder är täckta med isolerande dielektrikum, och hög-växelspänning producerar urladdning [6,8,16-18], även känd som DBD-CVD (atmosfäriskt-tryckplasma-förbättrad kemisk ångdeposition): Struktur (Figur 32{{16}Rör eller platt plattor): strukturer, med dielektrikum som glas eller bakelit. Parametrar: Tryck ~10⁵ Pa, frekvens 50 Hz–1 MHz, amplitud upp till 100 kV. Användningsområde: Rörformig för kemiska reaktorer; platt platta ANVÄNDS för modifiering/ympning av polymerer/metaller. Under behandlingen möjliggör kombination med 172 nm excimerljus och 222 nm UV-ljus effektivare kontroll av ytkemiska grupper, vilket förbättrar modifieringseffekterna. Urladdningsegenskaper: Vid högspänning uppstår trådformiga mikrourladdningar (Figur 3-22 [16]), cylindriska (radie 0,1–0,3 mm), varar 10–100 ns, strömtäthet 0,1–1 kA/cm². Elektrodavstånd ~3 mm; enhetlig spalt säkerställer stabil urladdning.

Betydelsen av atmosfärisk-tryckbeläggning (Figur 3-23 [19])Låg-trycksbehandling (Figur 3-23a): Kräver stort vakuumsystem. Atmosfäriskt-tryck DBD-behandling (Figur 3-23b): Inget vakuumsystem behövs, mer lämpat för rull--bearbetning av textilier, etc. (Figur 3-21: Vanliga dielektriska barriärurladdningsstrukturer; Figur 3-22: Filamentartad urladdningsfoto av fiberliknande urladdningsfoto: en fiberliknande urladdningsfoto; Vakuumsystem; b) Atmosfäriskt tryck DBD)