Die Bedeutung der Hochfrequenzentladung für 172-nm- und 222-nm-Excimerlampen

Die Bedeutung der Hochfrequenzentladung für 172-nm- und 222-nm-Excimerlampen

3.5.5 Hochfrequenzentladung

Zu den Niederdruck-Glimmentladungen gehören Gleichstrom-Glimmentladung, Mittel-{1}bis-Hochfrequenzentladung, Hochfrequenzentladung (RF) und Mikrowellenentladung. Die beiden letztgenannten Formen werden häufig bei der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) und der Plasmapolymerisation verwendet. Tabelle 3-7 listet die Frequenzen verschiedener Stromquellen auf [6,8,13-15]. In diesem Abschnitt wird hauptsächlich die Hochfrequenzentladung vorgestellt.

Tabelle 3-7 Frequenzen mehrerer Stromquellen

Eigenschaften der HF-EntladungIn einem Vakuumgefäß werden zwei Elektroden platziert und an eine Hochfrequenzstromquelle (Frequenz 13,56 MHz) angeschlossen. Wenn der Strom eingeschaltet wird, kommt es zu einer Hochfrequenzentladung, die als Hochfrequenz-Glimmentladung (HF-Entladung) bezeichnet wird [6,8,13-15]. Die Polarität der beiden Elektroden wechselt schnell, was dazu führt, dass Elektronen zwischen den Platten hin und her oszillieren, was die Wahrscheinlichkeit einer Kollisionsionisation mit Gasatomen erhöht. Aufgrund ihrer großen Masse können Ionen bei hohen Frequenzen als stationär angesehen werden und die Rekombination an den Elektroden ist geringer als bei Gleichstromentladungen, sodass Elektroden außerhalb des Gefäßes platziert werden können. Die Zünd-/Aufrechterhaltungsspannung für die Entladung ist niedriger als bei der Gleichstromentladung und die Plasmadichte kann ~10¹¹–10¹²/cm³ erreichen.

Phänomene bei HochfrequenzentladungenDie Hochfrequenzentladung unterscheidet sich von der Niederfrequenzentladung durch die Eigenschaften der Zwei-{2}Elektrodenentladung:

Entladung mit niedriger-Frequenz: Wenn Niederfrequenz-Wechselstrom an die Elektroden angelegt wird, wechselt das Leuchten zwischen den Polen, wobei jeder Halbzyklus einer Gleichstrom-Glimmentladung ähnelt.

Hochfrequenzentladung: Es gibt kein Wechselglühen zwischen den Elektroden; Die Lumineszenzintensität/-farbe in jedem Bereich ist stabil, die Plasmasäule ist zentriert und die Entladung in der Nähe der beiden Elektroden ist vollständig symmetrisch (da der Raumladungs-/Plasmabereich keine Zeit hat, sich neu zu verteilen oder zu entionisieren, wenn sich die Richtung des elektrischen Feldes ändert). (Abbildung 3-16: Lichtverteilung zwischen Elektroden bei Niederfrequenz- und Hochfrequenzentladung: a) Niederfrequenzentladung; b) Hochfrequenzentladung)

Elektrodenkonfigurationen in der HF-EntladungHF-Entladungselektroden können innerhalb oder außerhalb der Entladungsröhre platziert werden. Bei den internen Elektroden handelt es sich üblicherweise um Flachplatten-Elektroden, während bei den externen häufig Induktionsspulen zum Einsatz kommen.

(1) Interne ElektrodenAbbildung 3-17 zeigt ein HF-Entladungsgerät mit flachen-Plattenelektroden [10]: Die an die HF-Stromquelle angeschlossene Elektrode ist mit einer Abschirmabdeckung ausgestattet; Die geerdete Elektrode (Arbeitstisch) hält das Werkstück und ist zusammen mit der Entladungskammer geerdet. Im hochfrequenten elektrischen Feld schwingen Elektronen mehrfach, wodurch die Kollisionswahrscheinlichkeit erhöht und eine Plasmadichte von ~10¹¹–10¹²/cm³ erreicht wird. Der Entladungsdruck beträgt ~1–100 Pa und ermöglicht großflächige, gleichmäßige Dünnfilme, die in Halbleitern, optoelektronischen Geräten usw. eingesetzt werden. Dieses Gerät kann auch mit 172-nm-Excimerlicht und 222-nm-UV-Licht zur Zusatzbehandlung kombiniert werden, um die Oberflächeneigenschaften und die strukturelle Gleichmäßigkeit dünner Filme zu verbessern. (Abbildung 3-17: Flachplatten-HF-Entladungsgerät mit Innenelektrode, einschließlich Elektroden, HF-Spannung, Werkstück, Plasma, Thermoelement, Gasdüse, Vakuumpumpe, SiH₄, NH₃, Manometer)

(2) Externe Elektroden (Elektrodenlose Entladung)Externe Elektrodengeräte verfügen über eine Induktionsspule außerhalb der Reaktionskammer [6,8,10,13-15]. Abbildung 3-18 zeigt ein elektrodenloses HF-Entladungsgerät [10]: Es nutzt ein hochfrequentes Magnetfeld, um ein induziertes elektrisches Feld zu erzeugen, das das Plasma anregt. Ohne Elektroden im Inneren des Geräts kann reines Plasma erzeugt werden, was für die Herstellung hochreiner Dünnfilme von Vorteil ist. Im hochfrequenten elektrischen Feld übersteigt die Elektronengeschwindigkeit die Ionengeschwindigkeit bei weitem, was aufgrund der hohen Kollisionswahrscheinlichkeit eine stabile Aufrechterhaltung der Entladung auch bei niedrigem Druck (~ 1–10 Pa) ermöglicht.

Impedanzanpassung für HF-Stromversorgung [6,8]Um die Hochfrequenz-Leistungsübertragung zu maximieren, ist eine Anpassungsschaltung (Anpassungskopplungsschaltung) zwischen der Last und der Stromquelle erforderlich: Kapazitive Kopplung für Flachplattenelektroden; induktive Kopplung für elektrodenlose Hochfrequenz-Induktionsgeräte.

Anwendungen der HF-Entladung

Sputtern von IsolierfolienBeim Sputtern von Isolierfilmen mit Gleichstrom blockiert der Isolierfilm Ionen, was zu einer Ladungsanhäufung und einem Ladungsabbau führt. Die HF-Leistung ändert die Elektrodenpolarität, neutralisiert die Elektrodenladungen und sorgt für eine normale Entladung. Darüber hinaus kann die Einführung von 172-nm-Excimerlicht und 222-nm-UV-Licht während des Sputterns die Dichte und Haftung von Isolierfilmen weiter optimieren und so Defekte reduzieren.

Selbst-Vorspannung erzeugt durch Hochfrequenz-Elektroden [6,8]In kapazitiv gekoppelten Flachplatten-Elektrodenvorrichtungen übersteigt die Elektronenmobilität die von Ionen bei weitem, sodass die Hochfrequenzelektrode für den größten Teil des Zyklus negativ bleibt und eine Selbstvorspannung (500–1000 V) bildet, ähnlich dem Kathodenabfall bei der Gleichstrom-Glimmentladung, wodurch eine stabile Entladung aufrechterhalten wird.

Unterstützung der Entladung bei atmosphärischem DruckSpielt eine wichtige Rolle bei der Atmosphärendruck-Glimmentladung und der dielektrischen Barrierenentladung.

3.5.6 Mikrowellenentladung

Mikrowellenentladung wandelt Mikrowellenenergie in interne Energie um, um Gas anzuregen/ionisieren und Plasma zu erzeugen, mit einer üblichen Frequenz von 2,45 GHz. Abbildung 3-19 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikrowellenentladungsgeräts [6]. Ionisationsmechanismus: Nach der Kollision der Elektronen kehrt das elektrische Feld gerade noch rechtzeitig seine Richtung um, was zu einem kontinuierlichen Anstieg der Geschwindigkeit/Energie der Elektronen führt. Die Plasmadichte erreicht ~10¹⁵/cm³, wobei eine Leistungskonzentration ohne Elektroden möglich ist. Mikrowellen werden über einen Wellenleiter oder ein Koaxialkabel übertragen und resonant mit dem Entladungshohlraum gekoppelt (Kopplungsformen, die bei Mikrowellen-PECVD auftreten). (Abbildung 3-19: Mikrowellenentladungsgerät, einschließlich Mikrowellengenerator (2,45 GHz, 1,25 kW), Kühlwasser, Drei-Stich-Tuner, Isolator, Leistungsmesser, Entladungsröhre, Hohlraumresonator usw.)

3.5.7 Glimmentladung bei Atmosphärendruck

Für die Niederdruckentladung sind Vakuumsysteme erforderlich, die kostspielig sind. Daher wurden Glimmentladungstechnologien bei atmosphärischem Druck entwickelt. Zu den Hauptformen zählen die Koronaentladung, die dielektrische Barrierenentladung (DBD) und die Glimmentladung bei atmosphärischem Druck (die eine hohe Durchbruchspannung oder HF-/Mikrowellenleistung erfordern).

KoronaentladungEine Form der Entladung bei Atmosphärendruck [6,8,16], unterteilt in positive und negative Korona: Gerät (Abbildung 3-20a [16]): Kathode ist fadenförmig (Drahtelektrode), Anode ist plattenförmig oder zylindrisch, mit deutlichem Krümmungsunterschied. Parameter: Entladungsspannung ~10–100 kV, Druck ~10⁵ Pa, Stromdichte ~10⁻⁶–10⁻⁴ A/cm². Eigenschaften: Kleine Entladungsreichweite, niedrige/ungleichmäßige Energie, mit Flackern und Ozongeruch; meist auf Labore beschränkt. (Abbildung 3-20: Negative Koronaentladung: a) Gerät; b) Foto)

Dielektrische Barrierenentladung (DBD)Die Elektroden sind mit isolierendem Dielektrikum bedeckt, und eine hohe Wechselstromspannung erzeugt eine Entladung [6,8,16-18], auch bekannt als DBD-CVD (atmosphärisches{6}Druckplasma-verstärkte chemische Gasphasenabscheidung): Struktur (Abbildung 3-21 [16]): Flache-Platten- oder Röhrenstrukturen mit Dielektrika wie Glas oder Bakelit. Parameter: Druck ~10⁵ Pa, Frequenz 50 Hz–1 MHz, Amplitude bis 100 kV. Anwendungen: Rohrförmig für chemische Reaktoren; Flache Platte, die zur Modifizierung/Pfropfung von Polymeren/Metallen verwendet wird. Während der Behandlung ermöglicht die Kombination mit 172-nm-Excimerlicht und 222-nm-UV-Licht eine effizientere Kontrolle der chemischen Oberflächengruppen und verstärkt die Modifikationseffekte. Entladungscharakteristik: Bei hoher Spannung kommt es zu fadenförmigen Mikroentladungen (Abbildung 3-22 [16]), zylindrisch (Radius 0,1–0,3 mm), Dauer 10–100 ns, Stromdichte 0,1–1 kA/cm². Elektrodenabstand ~3 mm; Der gleichmäßige Spalt sorgt für eine stabile Entladung.

Bedeutung der atmosphärischen -Druckbeschichtung (Abbildung 3-23 [19])Niederdruckbehandlung (Abbildung 3-23a): Erfordert ein großes Vakuumsystem. DBD-Behandlung unter atmosphärischem Druck (Abbildung 3-23b): Kein Vakuumsystem erforderlich, besser geeignet für die Verarbeitung von Textilien von Rolle zu Rolle usw. (Abbildung 3-21: Gängige Entladungsstrukturen mit dielektrischer Barriere; Abbildung 3-22: Foto der filamentösen Entladung; Abbildung 3-23: Vergleich von Geräten zur Behandlung chemischer Faserprodukte: a) Vakuumsystem; b) Atmosphärendruck DBD)