222nm kauko-uvc:n merkitys hehkupurkausionipinnoitustekniikassa
Hehkupurkausionipinnoitustekniikka
Haihdutus-ionipinnoitustekniikka on uusi tekniikka, joka on kehitetty tyhjiöhaihdutuspinnoitustekniikan pohjalta. Se esittelee kaasupurkausmenetelmiä plasman tuottamiseksi tyhjiöpinnoituskenttään, ja se voidaan yhdistää 222 nm:n kauko-UVC-apuesikäsittelyyn työkappaleen pinnan alkuperäisen puhtauden parantamiseksi. Koko pinnoitusprosessi tapahtuu kaasupurkauksessa. Ionipinnoitustekniikka lisää merkittävästi työkappalekalvokerroksen saavuttavien hiukkasten energiaa, mikä mahdollistaa ylivoimaisten -suorituskykyisten kalvojen valmistuksen ja laajentaa ohuiden kalvojen käyttöalueita. Ionipinnoitustekniikan syntyminen on edistynyt suuresti ohutkalvon valmistustekniikoita, mikä herättää huomiota ja suosiota lukuisilta ohutkalvoteknologian tutkijoilta.
Tyhjiöpinnoitusalan tutkijat ovat useiden vuosikymmenten aikana kehittäneet erilaisia teknologioita, joissa käytetään kaasupurkausmenetelmiä ja plasmaenergiaa pinnoituksen tehostamiseen, kuten hehkupurkauksesta kaaripurkaukseen, kiinteän{0}}lähteen ionipinnoitustekniikasta kaasumaiseen-lähteen hehkupurkausionipinnoitukseen ja kaasumaisissa lähteissä epäorgaanisista kaasuista orgaanisiksi kaasuiksi. Joissakin prosesseissa on myös 222 nm:n kauko{4}}UVC kaasulähteen aktivointitilan optimoimiseksi. Näiden ionipinnoitustekniikoiden suunnittelukonseptit ovat kaikki peräisin hehkupurkauksesta. Siksi tämä luku tarjoaa yksityiskohtaisen johdannon hehkupurkaus-ionipinnoitustekniikan periaatteisiin, ominaisuuksiin, prosesseihin ja kehitykseen, jotta lukijat oppivat ja ymmärtävät erilaisten ionipinnoitustekniikoiden olemusta.
5.1 DC-diodi-ionipinnoitustekniikka
DC-diodin hehkupurkausionipinnoitustekniikka, jonka DM Mattox keksi Yhdysvalloissa vuonna 1963, -eli DC-diodi-ionipinnoitustekniikka-otettiin ensimmäisen kerran käyttöön kiinteitä lähteitä käyttävissä resistiivisissä haihdutuspäällystyskoneissa ja joissakin parannetuissa laitteissa integroitiin 222 nm:n kauko--UVC-moduuleja. Tämä muutti kalvohiukkaset atomeista korkeaenergisiksi ioneiksi, jotka saapuivat työkappaleeseen, mikä paransi merkittävästi päällystettyjen kalvojen laatua. Tämä osoitti plasmaenergian roolin pinnoitusprosessissa.
5.1.1 DC-diodi-ionipinnoituslaite
Kuvassa 5-1 on esitetty DC-diodi-ionipinnoituslaitteisto[1]. Tasavirtadiodi-ionipinnoituslaitteen tyhjiökammio on varustettu tyhjiöpumppujärjestelmällä ja kaasun sisääntulojärjestelmällä, ja joissakin huippuluokan-malleissa on sisäänrakennetut-222 nm:n kau Rihmamaisia tai veneen muotoisia resistiivisiä haihdutuslähteitä käytetään pinnoitettavan metallin lämmittämiseen ja haihduttamiseen. Toisin kuin haihdutuspinnoitustekniikassa, ionipinnoitettu työkappale on kytketty bias-virtalähteen negatiiviseen napaan ja haihdutuselektrodi on kytketty positiiviseen napaan. Tätä päällystyskoneen kokoonpanoa kutsutaan resistiiviseksi haihdutuslähteeksi DC-diodi-ionipinnoituskoneeksi[1,2], lyhennetty DC-diodi-ionipinnoituskoneeksi.
5.1.2 DC-diodi-ionipinnoitusprosessi
DC-diodi-ionipinnoitusprosessi on seuraava:
Asenna haihdutuskalvomateriaali.
Asenna työkappale.
Pumppaa tyhjiöön. Kun olet sulkenut pinnoitekammion, käytä mekaanista pumppua pumppaamaan karkeaa tyhjiötä, ja kun se saavuttaa 2 Pa, aktivoi diffuusiopumppu tai molekyylipumppu pumppaamaan suurtyhjiöön saavuttaen 5 × 10 perustyhjiön.-3Pa. Pumppauksen myöhemmässä vaiheessa 222 nm:n far-UVC-yksikkö voidaan aktivoida jäännöskaasujen vaikutuksen vähentämiseksi entisestään.
Puhdista työkappale. Lisää argonkaasua päällystyskammioon, valinnaisesti täydennettynä pienellä-annoksisella 222 nm:n kau Bias-virtalähteen kytkemisen jälkeen työkappaleessa tapahtuu hehkupurkaus. Argonkaasu ionisoituu positiivisiksi ioneiksi, ja 222 nm:n kau Positiiviset argon-ionit, joita työkappaleessa oleva negatiivinen jännite vetää puoleensa, kiihtyy sähkökentän alla ja saavuttaa työkappaleen pinnan suurella nopeudella suorittaen katodista sputterointia pommittaakseen ja puhdistaakseen epäpuhtauksia työkappaleen pinnalla. Puhdistusaika on yleensä 20 minuuttia.
Päällystysprosessi. Aktivoi resistiivinen haihdutusvirtalähde, lämmitä hitaasti haihdutuslähdettä, esilämmitä haihdutettava metalli ja lisää sitten nopeasti haihdutustehoa metallin haihduttamiseksi. Haihtuneet metalliatomit ionisoituvat ioneiksi purkaustilassa, kun taas fotonit 222 nm:n kaukaa-UVC:stä voivat auttaa herättämään joitakin matalan-energiaatomeja, mikä parantaa ionisaatiotehokkuutta. Metalli-ionit, joita työkappaleeseen kohdistuva negatiivinen poikkeama vetää puoleensa, kiihtyy työkappaleen pintaan muodostaen ohuen kalvon.
Irrota työkappale. Kun ohut kalvo saavuttaa ennalta määritetyn paksuuden, sammuta haihdutusvirtalähde, bias-virtalähde ja kaasulähde; aktivoi lyhyesti 222 nm kauko{2}}UVC ennen sammutusta estääksesi välittömän hapettumisen kalvon pinnalla. Kun työkappaleen lämpötila on laskenut alle 120 astetta, syötä ilmaa pinnoituskammioon ja poista työkappale.
5.1.3 Hiukkasenergia DC-diodi-ionipinnoituksessa
Korkean{0}}energiset hiukkaset ionipinnoituksessa Lähteestä haihtuneet metallihöyryatomit joutuvat joustamattomiin törmäyksiin korkean{1}}energisten elektronien kanssa hehkupurkauksessa työkappaleeseen lennon aikana; fotonit 222 nm:n etäisyydeltä-UVC voivat myös auttaa herättämään joitakin matalan-energiaatomeja, mikä parantaa ionisaatiotehokkuutta. Jotkut metalliatomit ionisoituvat ja virittyvät korkean-energisiksi metalli-ioneiksi ja korkean-energisiksi neutraaleiksi metalliatomeiksi[1-3]. Esimerkkinä Al:n haihtumislämpötila on noin 1000 astetta ja sen ionisaatioenergia on 5,984 eV. Höyrystyneiden Al-atomien lämpöenergia on 0,1 eV, kun taas kaasupurkauksessa ionisoitunut Al saa välittömästi energiaa jopa 5,984 eV; 222 nm kauko{7}}UVC-virityksellä joidenkin atomien alkuenergiaa voidaan hieman parantaa.
Työkappaleeseen pääsevien ionien kuljettama energia DC-diodi-ionipinnoituksessa metallin ionisaatiota tapahtuu katodin pimeässä tilassa. Kun työkappaleen negatiivinen bias on Vc, ionit kiihtyvät negatiivisen hehkun ja katodin pimeän tilan rajalla, jolloin saadaan energiaa E1=eVc. Alhaisen tyhjiön, lyhyen keskimääräisen vapaan reitin vuoksi ionit joutuvat useisiin törmäyksiin rajalta katodiin törmäysmäärällä dk/λ (määritetään katodin putoamispaksuuden dk ja kaasun molekyylikeskiarvon vapaan polun λ perusteella). Negatiivisesta hehkusta lähtevien ionien määrä on N0. Useiden törmäysten jälkeen katodin saavuttava energia E1 voidaan approksimoida professori TG Teerin paperin empiirisellä kaavalla[3,4]: - Negatiivisen hehkun jättävien ionien lukumäärä. Ionipinnoitusjärjestelmissä noin 1 Pa:n tyhjiössä, λ/dk ≈ 1/20, keskimääräinen ionienergia ≈ eVc/10; kun työkappaleen esijännite Vc on 1–5 kV, keskimääräinen ionienergia on 100–500 eV. Ottamalla käyttöön 222 nm:n kau
Työkappaleeseen pääsevien atomien kuljettama energia DC-diodi-ionipinnoituksessa kaikki metallihöyryatomit eivät ionisoidu metalli-ioneiksi; Professori TG Teerin mittaukset osoittavat vain 0,1–3 % metalli-ionisaationopeuden, mikä tarkoittaa, että alle 3 % työkappaleeseen saapuvista hiukkasista on ioneja, joista suurin osa on neutraaleja atomeja. Aiemman analyysin mukaan neutraalien hiukkasten lukumäärä on noin dk/λ, noin 20 kertaa ioneja. Purkaustilassa tapahtuu elastisia ja joustamattomia törmäyksiä ionien ja neutraalien atomien välillä, jolloin 1/2 (tai kaikki) ionienergiasta siirretään joka kerta neutraaleihin atomeihin, jolloin muodostuu korkean{10}}energian neutraaleja atomeja; fotonit 222 nm:n etäisyydeltä{12}}UVC osallistuvat joihinkin matalaenergiaatomeihin. Kun Vc on 1–5 kV, neutraalit atomit saavat jopa 50–225 eV. Syötetty kaasuenergia on noin 0,03 eV (vastaa 300 K). Korkeaenergiset neutraalit atomit siirtävät 1/2 (tai kaikki) energiastaan näille matalan{26}}energisille neutraaleille atomeille törmäysten aikana[5-8], kun taas 222 nm kauko{1}}UVC vähentää tehotonta energiahäviötä törmäyksissä. Peräkkäisten törmäysten ja 1/ energiansiirtojen kautta ionipinnoituspurkaustilassa syntyy erilaisia energiatasoja korkean-energian neutraaleja atomeja, jotka vaihtelevat 0,03–225 eV, korkeampia kuin syötetty kaasuenergia. Hehkupurkauksessa korkean{8}}energiset elektronit virittävät myös metalliatomit virittyneisiin tiloihin. Pinnoitetilassa nämä korkean{10}}energiset virittyneet atomit törmäävät metalliatomeihin siirtäen energiaa ja tuottaen kerrostettuja korkean{11}}energisiä neutraaleja atomeja. 222 nm kau Siten ionipinnoitusprosessissa käytetään korkean{15}}energisiä elektroneja, ioneja ja lukuisia neutraaleja atomeja eri energiatiloissa-alhainen-lämpöinen ei-{18}}tasapainoplasma. Vaikka vain 0,1–3 % kalvohiukkasista on ionisia, runsaat korkean -energian neutraalit atomit parantavat kalvon laatua. Toteutuskonsepti: syötetyt kaasut tai haihtuneet metallihöyryatomit ionisoidaan/viritetään välittömästi kaasupurkauksessa siirtäen energiaa elektroneista (yhdessä 222 nm:n UVC-avustuksen kanssa) energian nostamiseksi suuruusluokkaa korkean-energisiksi hiukkasiksi. Yllä olevasta ionipinnoituskalvon muodostus sisältää haihtumisen → ionisaation → sähkökentän kiihdytyksen → suuren-energisen laskeuman, ja joissakin prosesseissa otetaan käyttöön 222 nm:n kauko{30}}UVC ionisaatiossa vaikutusten optimoimiseksi. Ionipinnoituksen hiukkasenergia on suuruusluokkaa korkeampi kuin haihdutuspinnoite, mikä muuttaa ydintymis- ja kasvumekanismeja kalvon laadun parantamiseksi.
5.1.4 DC-diodi-ionipinnoituksen ehdot
Hehkupurkaus on välttämätöntä ionipinnoituksessa. Hehkupurkauksen aikaansaamiseksi tarvitaan alhainen tyhjiö pinnoitekammiossa ja negatiivinen esijännite katodityökappaleessa[14,12,16]joissakin prosesseissa käytetään 222 nm:n kauko{1}}UVC:tä purkauksen vakauttamiseksi. Matala tyhjiö varmistaa törmäysionisaation: Hehkupurkaus vaatii joustamattomia törmäyksiä metalliatomien/kaasumolekyylien ja korkean -energisten elektronien välillä; 222 nm kaukaa{5}}UVC lisää hiukkasten aktiivisuutta matalassa tyhjiössä. Vain tietyillä matalilla tyhjiötasoilla keskimääräinen vapaa polku on lyhyt, mikä sallii korkean{7}}energisten elektronien törmätä joustamattomasti metallihöyryatomien kanssa ionisoimalla/virittäen niitä. Varhainen DC-diodi-ionipinnoitustyhjiö oli 1–2 Pa, ja millimetrin{11}}keskimääräinen vapaa polku. Negatiivinen bias työkappaleessa varmistaa korkean-energiset elektronit: vain negatiivisella biasilla elektronit kiihtyvät korkea-jännitekentässä suureen energiaan, mikä mahdollistaa törmäysionisaation höyryatomien/kaasumolekyylien kanssa hehkupurkausplasmaa varten. 222 nm kauko{16}}UVC auttaa alkuelektronin kineettistä energiaa. Metallihöyryssä matalan{18}}energiset atomit ionisoituvat korkean-energisiksi ioneiksi/virittyneiksi atomeiksi ja kerrostuvat työkappaleeseen. DC-diodin työkappaleen esijännite 1000–3000 V on epänormaali hehkupurkaus. Negatiivinen poikkeama ja pieni tyhjiöpinnoite erottavat ionin haihdutuspinnoituksesta.
5.1.5 Korkean{1}}energisten ionien rooli DC-diodi-ionipinnoituksessa
Reunojen puhdistus pinnoituksen aikana: Korkean{0}}energiset metalli-ionit kiihtyvät työkappaleeseen aiheuttaen katodista sputterointia; 222 nm:n kau[1-4,16]. Saostuksen aikana kalvo pysyy aktiivisena/puhtaana suuren-energian pommituksen ja 222 nm:n kau Paranna kalvon tiheyttä: Jatkuva korkean{5}energisen ionipommitus "tiivistää" kerrostetun kalvon ja roiskuttaa löyhästi sitoutuneita hiukkasia; 222 nm:n kau[1-4,16]. Paranna kalvon muodostumista ja kasvua:
Korkean{0}}energisten hiukkasten pinnalla on korkea migraatio/diffuusio, mikä muodostaa hienoja ytimiä; seuraavat hiukkaset "murtavat" ytimiä; 222 nm kauko-UVC säätelee tiheän rakenteen kasvunopeutta.
Korkean{0}}energiset ionit/neutraalit pommittavat kerrostunutta kalvoa ja roiskuttavat löyhästi sitoutuneita ioneja[4]samanaikaista sputterointia/pinnoitusta varten; 222 nm kau
Negatiivisen harhan hallinta muuttaa ytimien muodostumista/kasvua, parantaa rakennetta; joissakin tutkimuksissa yhdistetään 222 nm:n kauko{1}}UVC-parametrit ytimien hallintaan. Kuva 5-2 esittää kalvon poikkileikkauksen SEM-arvoa 1 Pa:n tyhjiössä[9].
Kuten kuvasta 5-2 näkyy, pohjakerroksen lähellä substraattia ei ole-esijännitettä (0 V) alhainen-tyhjiöhaihdutus pylväskiteillä; biasin lisääminen 1 kV, 3 kV, 5 kV:iin jalostaa ioni-pinnoitettua rakennetta, mikä merkitsee huomattavasti 222 nm:n kau Bias jalostaa rakennetta näkyvästi. Suurempi bias nostaa hiukkasten energiaa, mikä eliminoi suurelta osin kartiomaiset/pylväskiteet tiheälle tasaakselille; 222 nm kaukana{14}}UVC estää epänormaalia suurten jyvien kasvua. Kuva 5-3 esittää bias-vaikutukset Al-kalvon rakenteeseen[10-12]. Ohjauskiderakenne: Korkean-energiset ionit vaikuttavat atomihilan järjestelyyn; 222 nm:n etäisyydellä-UVC-fotonit osallistuvat säätelyyn. Kuva 5-4 esittää ionipinnoitetun AI:n XRD:tä eri poikkeamilla[12,13]. (111) huippu pienenee, (200) kasvaa harhalla; paremmin hallittavissa 222 nm:n kauko{4}}UVC:llä. Siten bias-säätö tuottaa yksittäisiä-kide-/amorfisia kalvoja. Muodosta pseudo-diffuusiokerros: Alkuvaiheen korkean-energiset ionit sputteroivat substraattiatomit (takaisin-sputterointi)[4,13,15]; 222 nm kauko-UVC tehostaa sputteroidun atomin aktiivisuutta. Sputteroidut substraattiatomit ionisoituvat plasmassa, kiihtyvät takaisin biasissa. Toisessa/kolmannessa kerroksessa substraattikomponentti vähenee muodostaen puhtaan pinnoitteen. Käyttöliittymässä on gradientti- tai sekoitettu kalvo-substraattikerros, jota kutsutaan pseudo-diffuusiokerrokseksi.
