电子回旋共振波射频溅射系统设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:程春玉

  电子回旋共振波(ECWR)技术于20 世纪70 年代提出,是利用电磁波与电学各向异性材料(如带有外加静磁场的低压等离子体)的相互作用来产生等离子体的。ECWR 技术有产生高密度等离子体、离子能量可控制在很窄的范围内、离子能量和离子流量可独立控制等优点,可有效控制薄膜的生长过程。本文以ECWR 技术为背景,介绍了一种电子回旋共振波射频溅射镀膜系统的设计。

  随着电子制造、机械加工、医疗器械制造等行业的不断发展,人们常利用真空镀膜技术进行材料的表面改性。射频溅射技术于80 年代用于制作CD 的反射层之后得到极大的发展,逐步成为制造许多产品的一种常用手段,是适用于各种金属和非金属的一种镀膜方法。但射频溅射技术产生的等离子体密度低,成膜速率慢,且靶材利用率低。于20 世纪70 年代发展起来的电子回旋共振波(ECWR)技术可在反应室内部不包含任何激发电极的情况下,产生低压高密度等离子体,并能够很好的控制所产生的等离子体的参数。本文将该技术用于传统射频溅射系统中,以提高其靶材利用率并提供优良性能的等离子体。国内外研究人员现已应用这种技术制备多种半导体薄膜。本文以ECWR 技术为基础,介绍一种真空镀膜装置的设计与计算。

1、工作原理及特点

  ECWR 等离子体的产生是依靠电磁波与电学各向异性材料(如带有外加静磁场的低压等离子体)的相互作用来实现的。图1 显示了电磁波平行于B軑 0 的传播图。当电磁波进入等离子体区域时,分裂为左旋偏振分量和右旋偏振分量两部分,这两部分具有不同的传播特性。当电磁波频率ω 小于截断频率ωL 时,左旋偏振分量由于趋肤效应迅速衰减, 阻碍它穿过等离子体;当ωC<ω<ωR 时,右旋偏振分量也会发生同样的情况,其中ωC 为电子回旋频率,ωC=(e0/me)B0。截断频率ωL 的值由等离子体频率ωpl 和磁场B軑 0 来确定。对于电子密度在1010 cm-1 量级的等离子体,截断频率ωL 一般在10 GHz 左右。从图1 可以看出,右旋偏振分量在频率低于ωC 的波段存在折射率nR大于1 的传播途径。该右旋偏振分量按平行于磁场的方向通过传导介质,一般称之为电子回旋波。借助电磁波与等离子体的相互作用,电子能量被转移至等离子体中,从而导致等离子体密度的大幅度提高。通过优化工艺参数实现共振激发,从而在等离子体系统中形成驻波。

右旋偏振分量(上图)和左旋偏振分量(下图)的分化图

图1 右旋偏振分量(上图)和左旋偏振分量(下图)的分化图

  图2 给出了ECWR 系统的原理图,射频能量通过单匝线圈感应耦合到等离子体中,横向静磁场约束该等离子体,使得等离子体中的射频电磁波形成右旋偏振分量和左旋偏振分量,其中一个分量的折射率大幅度增加,波长减小,从而形成半波长的驻波通过真空室,通过共振耦合将能量传递到等离子体中。ECWR 系统产生的等离子体密度可高达1012 cm-3 或更高,并能够独立控制离子能量和离子流量。该系统能提供一个低于5%的离子能量分布狭区。

ECWR源的原理图

图2 ECWR 源的原理图

  该系统还有如下特点:

  (1) 在很低的压力下(10-2 Pa 到10-1 Pa)仍可获得高的电离度,离子束电流密度会达到几mA/cm2;

  (2) 几乎在任何形状的真空室都可以发生ECWR;

  (3) 无电极的射频等离子体不会受到电极材料的污染。

4、真空抽气系统的选择

  该装置真空室尺寸较小,但对本底真空度要求较高,属于高真空范围,且要求真空室无油雾污染,故选择FF160/500 复合分子泵作为主泵。该泵泵口较电感耦合子系统的石英管直径大很多,故需要在泵口加封头和相应的快接法兰管以满足镀膜需要。

5、结语

  本文所设计的电子回旋共振波射频溅射装置采用ECWR 系统产生等离子体,在低压范围内可产生高密度等离子体,沉积速率高,离子能量范围窄,可制备高质量薄膜。

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