DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

Transkript

1 DOUTNAVÝ VÝBOJ Další technologie využívající doutnavý výboj

2 Plazma doutnavého výboje je využíváno v technologiích depozice povlaků nebo modifikace povrchů. Jedná se zejména o : - depozici povlaků magnetronovým naprašováním, - plazmově podporovanými metodami CVD, - aktivované reaktivní napařování, - iontové plátování, - plazmové leptání, - plazmovou polymerizaci. Připomínáme, že doutnavý výboj je výboj v plynu o tlaku jednotek až desítek Pa a plazma výboje je charakterizována určitým stupněm ionizace. Vlastnosti tohoto plazmatu určuje skutečnost, že zatímco náboje elektronů a iontů jsou co do absolutní hodnoty stejné, jejich hmotnosti se liší nejméně o tři řády. V tomto poměru jsou i jejich pohyblivosti a energie elektrického pole se proto předává rychleji elektronům než iontům. Pravděpodobnost excitace atomu nebo jeho ionizace při nárazu elektronu je proto vysoce pravděpodobná.

3 Dále připomínáme, že v popisu srážkových dějů hrají hlavní roli účinné průřezy jednotlivých typů srážek. V obvyklém rozsahu energií elektrony mohou buď předávat iontům hybnost při pružných srážkách nebo vést k excitaci nebo ionizaci jednoduché nebo dvojité. Graf ukazuje závislost účinného průřezu pro srážky elektronů s atomy argonu jako nejčastěji používaného pracovního plynu.

4 Graf ukazuje, že pro energie řádu jednotek ev převažují srážky charakterizované pouze přenosem hybnosti. Od energie přesahující 10 ev je výsledkem interakce ionizace, účinný průřez dosahuje maxima asi pro 50 ev. A protože plazmové technologie požadují maximální stupeň ionizace pracovního plynu, je třeba volit takovou kombinaci tlaku (~střední volná dráha) a intenzity pole, aby energie elektronů byla v intervalu zhruba ev. Za těchto podmínek je energie iontů řádově 0,01 ev.

5 Podrobněji popisuje rozdělení energie mezi elektrony ionty tento graf, v němž jsou energie vyjádřeny teplotou. Při vyšších tlacích jsou srážky elektronů s atomy natolik časté, že se jejich energie prakticky vyrovnávají, elektronové i iontové teploty jsou stejné. S klesajícím tlakem narůstá střední volná dráha a i relativně slabé elektrické pole urychluje elektrony tak, že jejich energie (teplota) řádově přesahuje teplotu iontů.

6 Skutečnost, že stupeň ionizace je relativně nízký (řádově %), vysvětluje tento graf. Původní Maxwellovo rozdělení neobsahuje dostatek elektronů s energií větší než je W i. Až deformace tohoto rozdělení působením elektrického pole navyšuje energii elektronů. Zlom křivky naznačuje úbytek elektronů v důsledku nepružných srážek, mj. ionizace.

7 Pohyb nabitých částic ve zkříženém magnetickém poli : Působí Lorentzova síla F = QE + Qv B a tvar trajektorie závisí na počátečním směru rychlosti vůči navzájem kolmým polím :

8 V homogenním magnetickém poli se nabitáčástice pohybuje po kružnici nebo po šroubovici s osou ve směru pole, přičemž úhlová frekvence tohoto pohybu je dána rovnováhou mezi silou odstředivou a silou Lorentzovou a nazývá se cyklotronová frekvence: ω c = eb m Cyklotronovou frekvenci si připomeneme později při popisu technologie PA CVD využívající excitaci plazmatu střídavým polem o této frekvenci. Poloměr trajektorie se nazývá Larmorův poloměr v m r L = e B a parametry procesu (v,b) se musí volit tak, aby Larmorův poloměr byl menší než příslušný rozměr komory.

9 Plazma doutnavého výboje se uplatňuje mj. ve dvou aplikacích: v aktivovaném reaktivním napařování a v iontovém plátování. V obou případech jde o metody při nichž je zdrojem par vypařování látky pomocí energie elektronového svazku. Elektronový svazek je generován pomocí elektronové trysky (elektronového děla electron gun). Elektrony emitované ze žhaveného wolframového vlákna jsou fokusovány první elektrodou (Wehnelltův válec) a dále urychlovány elektrickým polem anody. Napětí na anodě je řádu desítek kv. Fokusovaný svazek dopadá na povrch látky, kinetická energie elektronů se předává mřížce a tím se dosahuje extrémně vysokých teplot, vypařit lze prakticky každou pevnou látku.

10 Realizace průmyslového elektronového děla. Prostor vlákna je separátněčerpán na nižší tlak než je v pracovní komoře, mikrometrické šrouby upravují polohy elektrod s cílem optimalizovat fokuzaci, okolí vlákna je chlazeno vodou. Výkony průmyslových elektronových děl dosahují až stovek kw.

11 Příklad průmyslové aplikace: napařování povlaku na folii z plastu (např. reflexní povlaky) nebo ocelového plechu (povlaky chránící proti korozi). Elektronové dělo je doplněno systémem magnetů, které rozmítají elektronový svazek po celé délce desky z odpařovaného materiálu.

12 Obvykle je používán systém s elektronovým dělem odděleným od pracovního prostoru a separátně čerpaným. Pomocí magnetického pole se svazek ohýbá a fokusuje do grafitového nebo měděného chlazeného kelímku obsahujícího odpařovanou látku.

13 Příklad realizace vypařovací soustavy s elektronovým dělem a svazkem ohýbaným polem permanentních magnetů

14 Aktivované reaktivní napařování je metoda umožňující depozici např. nitridů, oxidů, karbidů a pod. Do proudu par vypařovaného kovu proudí reaktivní plyn (O 2, N 2, C 2 H 2 ) a pomocí stejnosměrného nebo rf výboje se v plynu budí doutnavý výboj. Interakce s ionty reaktivního plynu aktivuje příslušnou chemickou reakci a na substrát se deponuje požadovaná látka. Metoda se označuje zkratkou ARE.

15 Iontové plátování doutnavý výboj je vybuzen ve směsi par vypařované látky a pracovního plynu (obvykle Ar), přičemž držák substrátů je na záporném potenciálu vůči plazmatu. Atomy vypařované látky se v plazmatu částečně ionizují a díky zápornému předpětí dopadají na substrát s vyšší energií. Tím se jednak dosahuje lepší adheze povlaku, jednak se ovlivňuje jeho struktura.