電子回旋共振波射頻濺射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子回旋共振波射頻濺射系統(tǒng)設(shè)計(jì)電子回旋共振波(ECWR)技術(shù)于20世紀(jì)70年代提出，是利用電磁波與電學(xué)各向異性材料(如帶有外加靜磁場的低壓等離子體)的相互作用來產(chǎn)生等離子體的。ECWR技術(shù)有產(chǎn)生***度等離子體、離子能量可控制在很窄的范圍內(nèi)、離子能量和離子流量可獨(dú)立控制等優(yōu)點(diǎn)，可有效控制薄膜的生長過程。本文以ECWR技術(shù)為背景，介紹了一種電子回旋共振波射頻濺射鍍膜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

隨著電子制造、機(jī)械加工、醫(yī)療器械制造等行業(yè)的不斷發(fā)展，人們常利用真空鍍膜技術(shù)開展材料的表面改性。射頻濺射技術(shù)于80年代用于制作CD的反射層之后得到極大的發(fā)展，逐步成為制造許多產(chǎn)品的一種常用手段，是適用于各種金屬和非金屬的一種鍍膜方法。但射頻濺射技術(shù)產(chǎn)生的等離子體密度低，成膜速率慢，且靶材利用率低。于20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的電子回旋共振波(ECWR)技術(shù)可在反應(yīng)室內(nèi)部不包含任何激發(fā)電極的情況下，產(chǎn)生低壓***度等離子體，并能夠很好的控制所產(chǎn)生的等離子體的參數(shù)。本文將該技術(shù)用于傳統(tǒng)射頻濺射系統(tǒng)中，以提高其靶材利用率并提供優(yōu)良性能的等離子體。國內(nèi)外研究人員現(xiàn)已應(yīng)用這種技術(shù)制備多種半導(dǎo)體薄膜。本文以ECWR技術(shù)為根底，介紹一種真空鍍膜裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算。1、工作原理及特點(diǎn)

ECWR等離子體的產(chǎn)生是依靠電磁波與電學(xué)各向異性材料(如帶有外加靜磁場的低壓等離子體)的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。圖1顯示了電磁波平行于B軑0的傳播圖。當(dāng)電磁波進(jìn)入等離子體區(qū)域時(shí)，分裂為左旋偏振分量和右旋偏振分量兩部分，這兩部分具有不同的傳播特性。當(dāng)電磁波頻率ω小于截?cái)囝l率ωL時(shí)，左旋偏振分量由于趨膚效應(yīng)迅速衰減，阻礙它穿過等離子體；當(dāng)ωC<ω<ωR時(shí)，右旋偏振分量也會(huì)發(fā)生同樣的情況，其中ωC為電子回旋頻率，ωC=(e0/me)B0。截?cái)囝l率ωL的值由等離子體頻率ωpl和磁場B軑0來確定。對(duì)于電子密度在1010cm-1量級(jí)的等離子體，截?cái)囝l率ωL一般在10GHz左右。從圖1可以看出，右旋偏振分量在頻率低于ωC的波段存在折射率nR大于1的傳播途徑。該右旋偏振分量按平行于磁場的方向通過傳導(dǎo)介質(zhì)，一般稱之為電子回旋波。借助電磁波與等離子體的相互作用，電子能量被轉(zhuǎn)移至等離子體中，從而導(dǎo)致等離子體密度的大幅度提高。通過優(yōu)化工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)共振激發(fā)，從而在等離子體系統(tǒng)中形成駐波。

圖1右旋偏振分量(上圖)和左旋偏振分量(下列圖)的分化圖

圖2給出了ECWR系統(tǒng)的原理圖，射頻能量通過單匝線圈感應(yīng)耦合到等離子體中，橫向靜磁場約束該等離子體，使得等離子體中的射頻電磁波形成右旋偏振分量和左旋偏振分量，其中一個(gè)分量的折射率大幅度增加，波長減小，從而形成半波長的駐波通過真空室，通過共振耦合將能量傳遞到等離子體中。ECWR系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體密度可高達(dá)1012cm-3或更高，并能夠獨(dú)立控制離子能量和離子流量。該系統(tǒng)能提供一個(gè)低于5%的離子能量分布狹區(qū)。

圖2ECWR源的原理圖

該系統(tǒng)還有如下特點(diǎn)：

(1)在很低的壓力下(10-2Pa到10-1Pa)仍可獲得高的電離度，離子束電流密度會(huì)到達(dá)幾mA/cm2；

(2)幾乎在任何形狀的真空室都可以發(fā)生ECWR；

(3)無電極的射頻等離子體不會(huì)受到電極材料的污染。4、真空抽氣系統(tǒng)的選擇

該裝置真空室尺寸較小，但對(duì)本底真空度要求較高，屬于高真空范圍，且要求真空室無油霧污染，應(yīng)選擇FF160/500復(fù)合分子泵作為主泵。該泵泵口較電感耦合子系統(tǒng)的石英管直徑大很多，故需要在泵口加封頭和相應(yīng)的快接法蘭管以滿足鍍膜需要。5、結(jié)語