L'importanza della scarica a radiofrequenza per le lampade ad eccimeri da 172 nm e 222 nm

L'importanza della scarica a radiofrequenza per le lampade ad eccimeri da 172 nm e 222 nm

3.5.5 Scarica a radiofrequenza

Le scariche a bagliore a bassa-pressione includono le scariche a bagliore CC, le scariche a frequenza da media-a-alta, le scariche a radiofrequenza (RF) e le scariche a microonde. Le ultime due forme sono ampiamente utilizzate nella deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma (PECVD) e nella polimerizzazione al plasma. La Tabella 3-7 elenca le frequenze di diverse fonti di alimentazione [6,8,13-15]. Questa sezione introduce principalmente la scarica a radiofrequenza.

Tabella 3-7 Frequenze di diverse fonti di alimentazione

Caratteristiche della scarica RFIn un recipiente a vuoto, due elettrodi vengono posizionati e collegati a una fonte di alimentazione ad alta-frequenza (frequenza di 13,56 MHz). Quando l'alimentazione è accesa, si verifica una scarica ad alta-frequenza, nota come scarica luminescente a radio-frequenza (scarica RF) [6,8,13-15]. La polarità dei due elettrodi si alterna rapidamente, facendo oscillare gli elettroni avanti e indietro tra le piastre, aumentando la probabilità di ionizzazione da collisione con gli atomi di gas. A causa della loro grande massa, gli ioni possono essere considerati stazionari alle alte frequenze e la ricombinazione sugli elettrodi è inferiore rispetto alla scarica CC, consentendo il posizionamento degli elettrodi all'esterno del recipiente. La tensione di accensione/mantenimento per la scarica è inferiore a quella della scarica CC e la densità del plasma può raggiungere ~10¹¹–10¹² /cm³.

Fenomeni di scarica ad alta-frequenzaLa scarica ad alta-frequenza differisce dalla scarica a bassa-frequenza nelle caratteristiche della scarica a due-elettrodi:

Scarica a bassa-frequenza: Quando agli elettrodi viene applicata CA a bassa-frequenza, il bagliore si alterna tra i poli, con ogni mezzo-ciclo che assomiglia a una scarica luminescente CC.

Scarica ad alta-frequenza: Non c'è bagliore alternato tra gli elettrodi; l'intensità/colore della luminescenza in ciascuna regione è stabile, la colonna di plasma è centrata e la scarica vicino ai due elettrodi è completamente simmetrica (perché quando la direzione del campo elettrico cambia, la regione di carica spaziale/plasma non ha il tempo di ridistribuirsi o deionizzarsi). (Figura 3-16: Distribuzione della luce tra gli elettrodi in scarica a bassa-frequenza e ad alta-frequenza: a) Scarica a bassa-frequenza; b) Scarica ad alta frequenza)

Configurazioni degli elettrodi nella scarica RFGli elettrodi di scarica RF possono essere posizionati all'interno o all'esterno del tubo di scarica. Gli elettrodi interni sono generalmente del tipo a piastra-piatta, mentre quelli esterni utilizzano spesso bobine di induzione.

(1) Elettrodi interniLa Figura 3-17 mostra un dispositivo di scarica RF con elettrodo piatto-a piastra [10]: l'elettrodo collegato alla fonte di alimentazione RF è dotato di una copertura schermante; l'elettrodo messo a terra (piano di lavoro) sostiene il pezzo ed è collegato a terra insieme alla camera di scarica. Nel campo elettrico ad alta-frequenza, gli elettroni oscillano più volte, aumentando la probabilità di collisione e raggiungendo una densità del plasma di ~10¹¹–10¹² /cm³. La pressione di scarico è di ~1–100 Pa, consentendo film sottili uniformi su un'ampia-area, applicati in semiconduttori, dispositivi optoelettronici, ecc. Questo dispositivo può anche essere combinato con luce ad eccimeri da 172 nm e luce UV da 222 nm per il trattamento ausiliario per migliorare le proprietà superficiali e l'uniformità strutturale dei film sottili. (Figura 3-17: Dispositivo di scarica RF con elettrodo interno a piastra piatta, inclusi elettrodi, tensione RF, pezzo da lavorare, plasma, termocoppia, ugello del gas, pompa a vuoto, SiH₄, NH₃, manometro)

(2) Elettrodi esterni (scarica senza elettrodo)I dispositivi con elettrodi esterni sono dotati di una bobina di induzione all'esterno della camera di reazione [6,8,10,13-15]. La Figura 3-18 mostra un dispositivo di scarica RF senza elettrodi [10]: si basa su un campo magnetico ad alta-frequenza per generare un campo elettrico indotto che eccita il plasma. Senza elettrodi all'interno del dispositivo, è possibile ottenere plasma puro, utile per la preparazione di film sottili di elevata purezza. Nel campo elettrico ad alta frequenza, la velocità degli elettroni supera di gran lunga la velocità degli ioni, consentendo il mantenimento di una scarica stabile anche a bassa pressione (~1–10 Pa) a causa dell'elevata probabilità di collisione.

Adattamento dell'impedenza per l'alimentazione RF [6,8]Per massimizzare la trasmissione di potenza ad alta-frequenza, è necessario un circuito di adattamento (circuito di accoppiamento di adattamento) tra il carico e la fonte di alimentazione: accoppiamento capacitivo per elettrodi a piastra-piatta; accoppiamento induttivo per dispositivi senza elettrodi a induzione ad alta-frequenza.

Applicazioni della scarica RF

Sputtering di pellicole isolantiQuando si spruzzano pellicole isolanti con alimentazione CC, la pellicola isolante blocca gli ioni, causando accumulo e rottura della carica. La potenza RF alterna la polarità degli elettrodi, neutralizzando le cariche degli elettrodi e garantendo una scarica normale. Inoltre, l'introduzione di luce ad eccimeri da 172 nm e luce UV da 222 nm durante lo sputtering può ottimizzare ulteriormente la densità e l'adesione delle pellicole isolanti, riducendo i difetti.

Auto-bias generato dagli elettrodi-ad alta frequenza [6,8]Nei dispositivi con elettrodi a piastra piatta-accoppiati capacitivamente, la mobilità degli elettroni supera di gran lunga quella degli ioni, quindi l'elettrodo ad alta-frequenza rimane negativo per la maggior parte del ciclo, formando un'auto-polarizzazione (500–1000 V), simile alla caduta catodica nella scarica a bagliore CC, mantenendo una scarica stabile.

Aiutare lo scarico a pressione atmosfericaSvolge un ruolo importante nella scarica a bagliore-della pressione atmosferica e nella scarica della barriera dielettrica.

3.5.6 Scarica a microonde

La scarica a microonde converte l'energia delle microonde in energia interna per eccitare/ionizzare il gas e produrre plasma, con una frequenza comune di 2,45 GHz. La Figura 3-19 mostra uno schema di un dispositivo di scarica a microonde [6]. Meccanismo di ionizzazione: dopo la collisione degli elettroni, il campo elettrico inverte la direzione appena in tempo, provocando un aumento continuo della velocità/energia degli elettroni. La densità del plasma raggiunge ~10¹⁵ /cm³, con concentrazione di potenza possibile senza elettrodi. Le microonde vengono trasmesse tramite guida d'onda o cavo coassiale e accoppiate in modo risonante con la cavità di scarica (forme di accoppiamento viste nel PECVD a microonde). (Figura 3-19: Dispositivo di scarica a microonde, incluso generatore di microonde (2,45 GHz, 1,25 kW), acqua di raffreddamento, sintonizzatore a tre stub, isolatore, misuratore di potenza, tubo di scarica, risonatore a cavità, ecc.)

3.5.7 Scarica a bagliore a pressione atmosferica

Lo scarico a bassa-pressione richiede sistemi a vuoto, che sono costosi, pertanto sono state sviluppate tecnologie di scarica a bagliore-a pressione atmosferica. Le forme principali includono la scarica a effetto corona, la scarica a barriera dielettrica (DBD) e la scarica a bagliore a pressione atmosferica- (che richiede un'elevata tensione di rottura o potenza RF/microonde).

Scarica della coronaUna forma di scarica a pressione atmosferica [6,8,16], divisa in corona positiva e negativa: Dispositivo (Figura 3-20a [16]): il catodo è filamentoso (elettrodo a filo), l'anodo è piatto o cilindrico, con una significativa differenza di curvatura. Parametri: tensione di scarica ~10–100 kV, pressione ~10⁵ Pa, densità di corrente ~10⁻⁶–10⁻⁴ A/cm². Caratteristiche: intervallo di scarica ridotto, energia bassa/irregolare, con sfarfallio e odore di ozono; per lo più limitato ai laboratori. (Figura 3-20: Scarica corona negativa: a) Dispositivo; b) Foto)

Scarica della barriera dielettrica (DBD)Gli elettrodi sono ricoperti con un dielettrico isolante e l'alta-tensione CA produce una scarica [6,8,16-18], nota anche come DBD-CVD (atmospheric-pressione plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition): Struttura (Figura 3-21 [16]): piastre piatte-o strutture tubolari, con dielettrici come vetro o bachelite. Parametri: pressione ~10⁵ Pa, frequenza 50 Hz–1 MHz, ampiezza fino a 100 kV. Applicazioni: Tubolari per reattori chimici; piastra piana UTILIZZATA per modifica/innesto di polimeri/metalli. Durante il trattamento, la combinazione con la luce ad eccimeri da 172 nm e la luce UV da 222 nm consente un controllo più efficiente dei gruppi chimici superficiali, migliorando gli effetti di modifica. Caratteristiche di scarica: ad alta tensione si verificano microscariche filamentose (Figura 3-22 [16]), cilindriche (raggio 0,1–0,3 mm), della durata di 10–100 ns, densità di corrente 0,1–1 kA/cm². Distanza tra gli elettrodi ~3 mm; lo spazio uniforme garantisce uno scarico stabile.

Significato del rivestimento a pressione-atmosferica (Figura 3-23 [19])Trattamento a bassa-pressione (Figura 3-23a): richiede un sistema di vuoto di grandi dimensioni. Trattamento DBD a pressione atmosferica-(Figura 3-23b): non è necessario alcun sistema di vuoto, più adatto per la lavorazione da rotolo-a rotolo di tessuti, ecc. (Figura 3-21: Strutture comuni di scarica a barriera dielettrica; Figura 3-22: Foto di scarica filamentosa; Figura 3-23: Confronto di dispositivi per il trattamento di prodotti in fibra chimica: a) Sistema di vuoto; b) Pressione atmosferica DBD)