Вч плазма пониженного давления
Плазма, генерируемая высокочастотными разрядами, обладающая рядом преимуществ по сравнению с другими плазменными источками (дуговой, тлеющий разряд и др.). К ним, в частности, относят повышенная чистота плазмы из-за отсутствия электродов и прачески неограниченный ресурс работы.
В последнее время, в связи с развитием неравновесной плазмомии и потребностями ряда отраслей промышленности в изделия эксплуатационным характеристикам которых предъявляются повышные требования (износо- и коррозионная стойкость, высокая твердо» однородность микроструктуры поверхности), все большее практич кое применение находит плазма ВЧ разрядов пониженного давлен
Последняя, обладая всеми преимуществами ВЧ разрядов, имеет специфических свойств, присущих разрядам при низких давлении существенный отрыв электронной температуры от ионной, повышенная стерильность окружающей среды, возможность получения сверх-И уковых высокотемпературных потоков.
Обзор применения ВЧ разряда пониженного давления приведен в М86] В [187] показано, что такая разновидность плазменной обработки является одной из ключевых технологий.
Плазменное напыление с использованием высокочастотного индукционного (ВЧИ) плазмотрона пониженного давления отличается от плазменного напыления при атмосферном давлении тем, что исходный материал осаждается на подложку не в виде частиц, находящихся в оплавленном состоянии, а из паровой фазы. Таким образом, получаемые покрытия подобны пленкам, изготовляемым с помощью вакуумной технологии. Этим методом можно получить тонкие пленки как легкоплавких, так и тугоплавких материалов, термостойкие, диэлектрические, проводящие, жаропрочные покрытия и т.п. [182, 188 — 190].
Метод получения тонкопленочных покрытий с помощью ВЧ плазмы пониженного давления имеет ряд преимуществ перед существующими в вакуумной технологии (термовакуумным испарением, ионно-плаз-менным распылением и др.). Во-первых, совмещаются операции испарения материала, ионизации и возбуждения атомов, формирование направленного потока частиц и транспортировки их на поверхность, подогрева подложки, очистки и полировки ее поверхности; во-вторых, обеспечиваются высокие скорости осаждения материалов (100 А/с и выше); в-третьих, имеется протяженный транспортный участок для управления физико-химическими процессами и составом осаждаемого вещества; в-четвертых, возможность получения пленок толщиной до 20 мкм; в-пятых, достигается более высокая чистота процесса из-за отсутствия электродов и испарителей в высокотемпературной области плазмы и загрязнений, свойственных плазмохимическому осаждению; в-шестых, уменьшается расход испаряемого материала из-за транспортировки его в плазменной струе [188 — 191].
Процесс получения покрытий с помощью неравновесной низкотемпературной плазмы представляет собой разновидность взаимодействия ВЧ плазмы с твердым телом. Первая стадия — это обработка материала в виде стержня или порошка в режимах, при которых происходит интенсивное испарение — распыление. Вторая стадия — взаимодействие плазмы с напыляемыми частицами в процессе транс-п°ртировки к подложке. Третья стадия — обработка осаждаемого. Непрерывный процесс взаимодействия ионов газа с напыляемым покрытием позволяет получать пленки с Учтенными параметрами — повышенной адгезионной прочностью
Источник
8.
Физические основы плазменных процессов.
Техника плазмы низкого давления.
Тенденции
развития мирового рынка электронной
техники, а также экономические аспекты
полупроводникового производства
ведут к увеличению степени интеграции
полупроводниковых приборов на
поверхности подложек. Степень интеграции,
в свою очередь, напрямую связана как с
увеличением диаметра применяемых в
производстве пластин, так и с уменьшением
геометрических размеров полупроводниковых
приборов на их поверхности. Сегодня
размеры используемых подложек возросли
до 300 мм, а степень интеграции выросла
до одного миллиарда полупроводниковых
приборов на одной пластине и более.
Размеры элементов, формируемых на
пластине, уменьшились до 0,09 мкм в серийном
производстве.
С
повышением требований к выпускаемой
продукции растут соответственно
требования к технологическим процессам,
применяемым в производстве. Для новых
более совершенных технологических
процессов требуется создание принципиально
нового вакуумного технологического
оборудования, использующего
перспективные физические принципы
обработки и обеспечивающего
непрерывность вакуумного цикла
формирования элементов микросхем в
рабочих камерах (концепция так называемых
кластерных систем обработки). Для решения
проблемы формирования микроструктур
с размерами элементов в субмикронной
области наиболее перспективны
ионно-плазменные процессы в непрерывном
вакуумном цикле с нанесением. В настоящее
время лидерство по-прежнему удерживают
высокоэффективные системы обработки,
использующие плазму, генерируемую в
скрещенных электрическом и магнитном
полях. В последние годы возрос интерес
к системам и методам, реализующим
ионно-плазменную обработку при
использовании резонансных явлений в
ВЧ- и СВЧ-плазме Обеспечивая генерацию
плазмы высокой плотности (более 1011
см-3) и высокие скорости обработки,
в то же время эти системы создают низкий
уровень теплового и зарядового
воздействия на обрабатываемые структуры,
а также обеспечивают высокую чистоту
процесса, поскольку работают при
сравнительно низких давлениях и сводят
к минимуму возможность паразитного
распыления элементов внутрикамерного
устройства.
В
сухом плазменном травлении, плазма
высокой плотности используется при
низком давлении для высокоскоростного
анизотропного травления кремния
оксида кремния и поликремния.
В
подобных устройствах используются три
основных принципа создания плазмы:
устройства на электронном циклотронном
резонансе ЭЦР (ECR), геликонные
источники плазмы, а также плазменные
источники на индуктивном ВЧ-разряде
(ICP). ЭЦР источники позволяют
получить однородную плазму большого
диаметра при низком давлении газа (до
10-1 Па), они дороги вследствие
необходимости создавать сильные (до 1
кГс (875 Гс на частоту 2,45 ГГц)) магнитные
поля и применять мощные генераторы
электрического поля СВЧ-диапазона.
Источники,
использующие плазму, создаваемую
распространяющимся в ней геликоном
имеют гораздо более низкую стоимость
при сравнимых рабочих давлениях и
плотностях плазмы, однако необходимость
создавать даже более слабое (50—100 Гс)
магнитное поле ведет к удорожанию
установки и трудностям с получением
однородной плазмы при увеличении размера
обрабатываемых подложек. Поэтому в
современных технологических линиях
все шире используются источники плазмы
высокой плотности на основе ВЧ-разряда,
формирующие так называемую
«трансформаторно—связанную (или
индуктивно-связанную) плазму» (принятая
латинская аббревиатура TCP
или ICP — Inductively
Coupled Plasma).
TCP-разряд позволяет травить
материалы микроэлектроники высоким
разрешением (менее 0,2 мкм) и осаждать
слои из парогазовых смесей (плазменно
стимулированный CVD-процесс),
обеспечивая при этом высокую эффективность
и качество проведения процесса [4].
Многие
ведущие производители оборудования
для плазмохимического травления,
такие, например, как Applied
Materials Inc
(Санта Клара, Калифорния), LSI
Logic Corporation
(Милпилас, Калифорния), LAM
Reseurch Corporartion
(Фремонт, Калифорния), в настоящее
время активно занимаются разработкой
реакторов такого типа. Особенностью
TCP-реакторов являются
высокая концентрация плазмы (порядка
1012 см-3), низкий потенциал
плазмы, характерный для индукционного
разряда, возможность независимого
регулирования плотности плазмы и энергии
ионов с помощью подачи независимого
смещения на подложку, высокая равномерность
ионного тока на подложку большого
диаметра.
В
настоящее время внимание разработчиков
технологического оборудования
направлено на изучение высокочастотных
источников плазмы высокой плотности,
которые позволяют методом
ионно-плазменного травления получать
высокую однородность травления
подложек с высокой селективностью.
Физические
процессы и модели высокочастотного
разряда низкого давления.
К
высокочастотным обычно относят разряды,
создаваемые внешним переменным полем
с частотой, лежащей в диапазоне радиочастот
(1— 100 МГц). При этом обычно верны следующие
ограничения на частоту:
1.
За период одного колебания внешнего
поля распределения плотности и
температуры электронов остаются
квазистационарными, т. е. для частоты
внешнего поля выполняются соотношения
ω»ven(2m/M)
и ω»vi,
где ven
— частота транспортных столкновений
электронов, vi
— частота ионизации, m/М —
отношение масс электрона и иона
(нейтрала).
Естественно
также положить размеры описываемой
системы (L) много большими
амплитуд колебания частиц под действием
внешнего поля: ω2>e|E|/mL;
где е — элементарный электрический
заряд, |Е| — амплитуда внешнего ВЧ-поля.
Высокочастотные
разряды делятся на индуктивные,
поддерживаемые замкнутым вихревым
электрическим полем, не пересекающим
границу плазмы, и емкостные, электрическое
поле которых пересекает границу плазмы,
создавая на ней пространственные
заряды. В последнем случае ВЧ-поле
обычно выпрямляется на нелинейности
в слое пространственного заряда, создавая
вблизи границы постоянное поле,
ускоряющее ионы. Поэтому цена одного
электрона в емкостном разряде обычно
больше, чем в индуктивном (т. е. при
равном вкладе ВЧ-мощности в равный объем
генерируемой плазмы ее концентрация
в случае индукционного разряда будет
выше, чем у емкостного).
Кроме
того, большие электрические поля и
высокие энергии ионов, необходимые для
стационарного существования емкостного
разряда, могут привести к пробою
диэлектрика на подложке, с другой
стороны иногда оказываются полезными,
например, при ионном травлении подложек
распылением в благородных газах.
Источники
плазмы на ВЧ-разряде обладают следующими
преимуществами по сравнению с
источниками плазмы постоянного тока.
1.
Отсутствие дрейфа частиц в постоянном
поле уменьшает потери частиц, поэтому
ВЧ-разряд удается зажигать при более
низком давлении, чем на постоянном токе.
2.
ВЧ-разряду не нужны электроды (катод и
анод), поэтому не страшно распыление их
материала. Кроме того, отсутствие
металлических (а тем более накаливаемых)
электродов позволяет работать длительное
время с химически активными газами.
3.
Возможно регулирование энергии ионов,
бомбардирующих обрабатываемые
подложки изменением ВЧ-потенциала на
подложкодержателе, причем такая
регулировка возможна даже для
диэлектрических подложек.
Для
оценки параметров и расчета ВЧ-источников
плазмы, так же как и других газоразрядных
устройств (например, источников света)
используется балансовый метод.
Этот
метод включает в себя рассмотрение:
Баланса
частиц в плазме.Баланса
энергии в плазмеУсловий
передачи энергии от ВЧ-поля электронам
плазмы.
Условий
возбуждения ВЧ-поля в разряде и передачи
энергии ВЧ-генератора, возбуждаемому
в плазме ВЧ-полю.
Функция
распределения электронов по энергиям
в разряде очень часто отличается от
максвелловской, поэтому температуру
электронов определяют соотношением
ЗкТе/2=<е>,
где <е> — средняя энергия электронов.
Кроме того, обычно при рассмотрении
баланса предполагается, что температура
электронов постоянна по всему объему
реактора, что существенно упрощает
задачу. Это условие выполняется, если
давление рабочего газа достаточно мало
(размер рабочей камеры L
больше длины обмена энергией λеп(М/2т)1/2).
Здесь λеп
— длина свободного пробега электронов.
Если плотность электронов достаточно
велика (выполнено условие
vee>ven(2т/М)1/2,
где vee
— частота межэлектронных столкновений),
то функцию распределения электронов
по энергиям можно считать максвелловской.
Источник
УДК 537.525.7:621.762
Е. А. Сергеева, И. Ш. Абдуллин, В. С. Желтухин
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЧ-ПЛАЗМЫ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПОЛИЭТИЛЕН
Ключевые слова: полиэтилен, модификация поверхности, ВЧ-плазма пониженного давления, ионная бомбардировка, математическая модель.
В статье строится физическая модель взаимодействия низкоэнергетичных ионов аргона, с поверхностью полиэтилена в процессе обработки его низкотемпературной неравновесной плазмой ВЧ разряда пониженного давления.
Keywords: polyethylene, surface updating, RF-plasma of the lowered pressure, ionic
bombardment, mathematical model.
Physical model of low energy argon ions action on a surface of polyethylene at low temperature nonequilibrium plasma of lowered pressure RF discharge processing is given in the article.
Обработка материалов в струе высокочастотной (ВЧ) плазмы пониженного давления при давлении p = 13.3 — 133 Па, расходе газа G=0-0.2 г/с, частоте электромагнитного поля f = 1.76 — 13.56 МГц, мощности разряда Pd = 3-4 кВт является эффективным способом модификации поверхностей различных материалов, в том числе высокомолекулярных [1]. В частности, недавними исследованиями установлено, что воздействие ВЧ-плазмы пониженного давления на поверхность нитей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена изменяет поверхностные свойства волокон, значительно увеличивает прочность соединения волокна с матрицей в композиционном материале.
Механизм изменения свойств полиэтилена в результате ВЧ-плазменной обработки до конца не ясен. В связи с этим, в настоящей работе предлагается физическая модель модификации полиэтилена и формулируется задача математического моделирования такого воздействия.
Широкие возможности модификации проводящих, диэлектрических и полупроводниковых материалов, неорганических и органических, простых и высокомолекулярных соединений обеспечивается особенностями взаимодействия ВЧ-плазмы пониженного давления с поверхностью твердых тел. Известно [1], что любое тело в плазме приобретает отрицательный заряд. В ВЧ-плазме пониженного давления, помимо этого, оно, независимо от проводящих свойств и наличия или отсутствия заземления, становится дополнительным электродом [2]. У поверхности тела образуется слой положительного заряда (СПЗ), аналогичный приэлектродным слоям ВЧ-емкостного разряда [3].
Положительные ионы плазмообразующего газа приобретают в СПЗ энергию от 10 до 100 эВ и, бомбардируя поверхность тела, приводят к модификации поверхности: десорбции загрязнений, расплавлению микронеровностей, заращиванию микротрещин, удалению рельефного и трещиноватого слоев. Установлено, в частности, что причиной изменения свойств конструкционных материалов является проникновение ионов аргона в приповерхностные слои на глубину до 30 нм [4]. Это приводит к возникновению дефектов
кристаллической структуры и последующей диффузии их внутрь материала, в результате чего происходит перераспределение остаточных напряжений, изменение микротвердости.
Режимы ВЧ-плазменной обработки полиэтилена отличаются от режимов обработки конструкционных материалов, однако они остаются в том же диапазоне, в котором основными факторами плазменного воздействия являются бомбардировка поверхности ионами низкой (до 100 эВ) энергии. Поэтому физическая модель модификации поверхности конструкционных материалов может быть взята за основу физической модели модификации полиэтилена, с учетом различий в молекулярной структуре этих веществ.
Полиэтилен — продукт полимеризации этилена:
пСН2 = СН2 ® [- СН2 — сн2 — ]. (1)
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Главная цепь полимера образована атомами углерода, расположенными зигзагообразно в одной плоскости (рис. 1 а).
Рис. 1 — Молекулярная структура полиэтилена: а) пространственная структура (черным изображены атомы углерода, белым — водорода); б) схема структуры полиэтилена низкой плотности; в) схема структуры полиэтилена высокой плотности
Молекуле полиэтилена присуща симметрия в расположении атомов. Угол между соседними звеньями зигзага составляет 109°28′. Каждый атом углерода соединен с двумя атомами водорода. Расстояние между соседними атомами углерода в цепи равно 1,54 А, расстояние между атомами, лежащими в вершинах зигзага, составляет 2,54 А. Атомы водорода находятся на расстоянии 1,09 А от атома углерода. Диаметр молекулы полиэтилена составляет 4,46 А.
Свойства полиэтилена определяются количеством боковых групп в молекулах и связей между соседними цепями. Молекулярные цепи связаны между собой посредством
одинарной (С-С) или двойной (С=С) связей (рис. 1 б,в). Длина одинарной связи (С-С) составляет 1,54 А, длина двойной связи — 1,34 А.
Рассмотрим процессы, которые могут происходить при обработке полиэтилена ВЧ-плазмой пониженного давления в атмосфере аргона. Как сказано выше, основным фактором, воздействующим на поверхность материала, является бомбардировка ионами низкой (до 100 эВ) энергии.
При попадании на поверхность полиэтилена иона Аг+ могут возникнуть следующие эффекты:
1) рекомбинация с электроном, находящимся на поверхности вследствие заряжения поверхности в плазме; при этом выделяется энергия 15,6 эВ, затраченная на ионизацию атома аргона в плазме и образуется быстрый атом Аг;
2) рекомбинация иона Аг+ с электроном, эмитированным с поверхности полиэтилена под влиянием электрического поля иона; в результате образуется быстрый атом Аг, молекула полиэтилена ионизируется и выделяется энергия, равная разности энергии рекомбинации Аг+ и энергии ионизации звена молекулы полиэтилена (-СН2-). По аналогии с процессами в плазме, этот эффект можно назвать перезарядкой. Энергия ионизации высокомолекулярных соединений мала и составляет 0,2 эВ [5];
3) столкновение иона Аг+ либо быстрого атома Аг с атомом молекулярной цепи с выделением кинетической энергии;
Диаметр иона Аг+ равен 3,08 А, атома — 3,76 А. Сопоставляя размеры иона и атома аргона с межатомными и межмолекулярными расстояниями в полиэтилене, получим, что при столкновении с поверхностью ион Аг+ или быстрый атом Аг+ воздействует, как минимум, на три атома углерода, затрагивая 5 углеродных связей. Так как каждый атом углерода в молекуле полиэтилена связан с двумя атомами водорода, то при этом воздействие оказывается на шесть связей С-Н. Энергетические характеристики межатомных связей и конформации в молекуле полиэтилена приведены в табл. 1.
Таблица 1 — Энергетические характеристики процессов изменения структуры высокомолекулярных материалов
Виды связей Энергия, эВ
Звено полимерной цепи (высота потенциального барьера вращения связи С-С) [304] 0,13
Энергия водородной связи [297] 0,19-2,5
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Энергия Ван-дер-Ваальсовой связи [297] 0,01-0,41
Ковалентные связи [326]:
С — Н 4,37
С — С 3,57
С = С 6,09
Суммарная энергия связей, на которые воздействует ион Аг+, составляет 44,07 эВ. Таким образом, общей энергии иона аргона (кинетическая 90 эВ и потенциальная 15,76 эВ) достаточно, чтобы разрушить межмолекулярные и межатомные связи в двух атомных слоях полиэтилена. Остаток энергии расходуется на возбуждение колебательных и вращательных степеней свободы (локальный нагрев) и ионизацию молекулярных остатков.
Атомы и осколки молекул, в зависимости от знака заряда, могут покинуть поверхность полиэтилена (отрицательно заряженные частицы), либо, отлетев на некоторое расстояние, вновь вернуться на нее, если они заряжены положительно или нейтрально.
Плотность ионного тока на поверхность материалов в типичных режимах обработки ВЧ-плазмой пониженного давления составляет 0,3-0,9 А/м2, что эквивалентно поступлению 6-10 ионов в секунду на площадку размером в 100 А2. В течение 5 мин. ВЧ-плазменной обработки на эту площадку попадут 1800-6000 ионов, то есть каждый участок размером 1 А2 подвергнется воздействию 18-60 ионов. Общая глубина деструкции полиэтилена составит, таким образом, 36-120 атомных слоев, что или 160-435 А.
Типичные времена релаксации атомных состояний составляют порядка 10-13 с. Время между попаданиями одного иона аргона в одну точку на поверхности составляет 0,060,2 с. Это означает, что эффект кумуляции воздействия различных ионов отсутствует.
В промежутках между ионными воздействиями поверхность полиэтилена взаимодействует с нейтральными атомами газа, энергия которых составляет 0,026 — 0,027 эВ. Плотность потока таких атомов составляет (6-20)-102 атом/( А2-с) . Можно считать, что это воздействие способствует релаксации состояний молекул полиэтилена, подвергшихся разрушительному воздействию ионов Аг+. Таким образом, можно считать, что воздействию ионов аргона каждый раз подвергается «залеченная» поверхность.
Резюмируя вышесказанное, получим, что в результате воздействия ВЧ-плазмы пониженного давления поверхность полиэтилена подвергается деструкции на глубину 160435 А. При этом поверхность обретает рельеф, высота неровностей которого 4,46-8,92 А (1-2 последних атомных слоя, подвергнутых воздействию). При этом поверхность активируется: вследствие ионной бомбардировки и разрыва межмолекулярных и межатомных связей на ней возникают заряженные центры и нескомпенсированные углеродные связи. Совокупное действие этих двух факторов способствует увеличению адгезии полиэтиленовых волокон к матрице при создании композиционных материалов [6].
Литература
1. Митчнер, М. Частично ионизованные газы. Частично ионизованные газы / М. Митчнер, Ч. Кру-гер; пер. с англ. ред. пер. А. А. Иванов. — М.: Мир, 1976. — 496 с.
2. Абдуллин, И.Ш. Высокочастотная плазменно-струйная обработка материалов при пониженных давлениях. Теория и практика применения / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, Н.Ф. Кашапов — Казань: Изд-во Казанского ун-та. 2000. — 348 с.
3. Левитский, С.М. Потенциал пространства и распыление электродов в высокочастотном разряде / С.М. Левитский // Журн. техн. физ. — 1957. — Т. 27, Вып. 5. — С. 1001-1009.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
4. Абдуллин, И.Ш. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления / И.Ш. Абдуллин, В.С. Желтухин, И.Р. Сагбиев, М.Ф. Шаехов — Казань: Изд-во Казанского гос. технол. ун-та. 2007. — 356 с.
5. Сажин, Б.И. Электрические свойства полимеров / Б.И. Сажин. — Л: Химия. Ленингр-ое отд-ние 1986. 224 с.
6. Сергеева, Е.А. Влияние высокочастотного разряда пониженного давления на свойства ВВПЭ волокон / Е.А. Сергеева, И.Ш. Абдуллин // Вестник Казанского технол. ун-та. — 2009. — №2. — С.84-89.
© Е. А. Сергеева — канд. хим. наук, доц., докторант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, И. Ш. Абдуллин — д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КГТУ, аЬ^Шп_1@к81;и.ги; В. С. Желтухин — канд. физ.-мат. наук, докторант каф. технологии кожи и меха КГТУ, У!с-tor.Zheltukin@ksu.ru.
Источник
