Источник плазмы на основе полого катода используется в системах вакуумного напыления функциональных материалов. Данная разработка позволит модернизировать существующие или создать новые установки для формирования пленочных структур используемых в микроэлектронике.
Источник плазмы с полым катодом представляет собой электроразрядную систему один
из металлических электродов, которой обладает отрицательной кривизной поверхности, в некоторых отношениях похожий на обычную разрядную систему из двух плоских пластин. Причем не каждый электрод с отрицательной кривизной поверхности (полостью) будет обладать свойствами полого катода в понятии физики. При подаче высокого постоянного напряжения между анодом и катодом возникает плазма. В тонкой области у катода образуется так называемая область катодного падения потенциала, в которой ускоряются электроны и ионы В случае наличия в катоде полости, диаметр которой примерно в два раза превышает ширину катодного падения потенциала, электроны и ионы захватываются полостью и перемещаясь от стенки к стенке создают высокую плотность электронов плазмы на 2-3 порядка выше, чем можно достичь с помощью обычного разряда. Это так называемый эффект полого катода. При этом при столкновении с электронами и ионами образуются радикалы буферного газа, которые могут покидать полость катода.
Аналогичный эффект происходит в условиях ВЧ-разряда (в нашем случае 13,56 МГц): поскольку ионы меньше реагируют на ВЧ-поле, в следствии более высокой массы, чем электроны, они пространственно отделяются от электронов, создавая постоянный потенциал, который устанавливается в течение несколько радиочастотных циклов. Следовательно, в случае ВЧ сама плазма действует как виртуальный анод. Электроны, вылетающие из катода, которые захвачены в полости полого катода, двигаются между положительно заряженной ионной оболочкой и стенками полости. По сравнению с источником индуктивно-связанной плазмы плотность электронов составляет аналогично или немного выше, но загрязнение от материалов, покрывающих плазму, гораздо меньше, особенно при использовании газов, которые могут вызвать реактивное ионное травление, таких как гидридные и галогенидные газы.
Это и является главным преимуществом используемого источника плазмы в нашем проекте. Второе преимущество это использование многосекционного катода, что увеличивает плотность электронов в плазме.
Для формирования вышеуказанных структур, особенно на основе оксидов, эффективно подходят методы осаждения холодной плазмой, характеризующейся слабой ионизацией, с температурой газа в интервале от ~40°С до ~150°С. Указанные низкие температуры важны для выращивания структур на подложках, чувствительных к высоким температурам, особенно, таких как полимеры или органические соединения, так как при высоких температурах может возникнуть дефектность из-за термического воздействия на поверхность подложки, наследуемая в последующем и пленкой, что является важной проблемой при производстве микроэлектронных устройств.
Технологические эффекты:
- Высокая плотность заряженных частиц в плазме, сравнимая с плотностью в источниках с индуктивно-связанной плазмой.
- Меньшее загрязнение кислородом материалов получаемых с помощью технологий атомно-слоевого осаждения.
- Меньшее повреждение тонких пленок получаемых с помощью технологий атомно-слоевого осаждения.
- Более высокие темпы роста пленок.
Экономические эффекты:
- Масштабируемость установки.
- Более высокая рентабельность благодаря несложной конструкции.
Возможности системы
Источник плазмы на основе полого катода будет обеспечивать следующие характеристики:
- генерировать ионный пучок с равномерным распределением плотности ионов;
- эффективно ионизировать атомы аргона;
- энергия ионов на выходе источника: не более 1-3 эВ (зависит от расстояния до подложки и напряжения смещения);
- площадь продольного сечения плазменного образования на выходе полого катода: не менее 5 квадратных сантиметров (зависит от размеров присоединяемого фланца, согласуется с ТЗ заказчика);
- максимальное рабочее давление газов: не менее 800 Па;
- минимальное рабочее давление газов: не более 150 Па;
- рабочий газ, при котором нормируются характеристики: Ar;
- мощность: зависит от ТЗ заказчика, не менее 50 Вт
Необходимое оборудование:
- чиллер для охлаждения полого катода;
- генератор высоких частот 13,56 МГц;
- согласующее устройство, для согласования выходного каскада генератора высоких частот с нагрузкой;
- контроллер потока рабочего газа;
- контур заземления.