電子回旋共振波射頻濺射系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2013-12-21 程春玉東北大學(xué)

　　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(chǎng)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)生高密度等離子體、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(zhǎng)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)進(jìn)行材料的表面改性。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)生低壓高密度等離子體，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)為基礎(chǔ)，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(chǎng)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?jī)刹糠�，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(chǎng)B軑 0 來確定。對(duì)于電子密度在1010 cm-1 量級(jí)的等離子體，截?cái)囝l率ωL 一般在10 GHz 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(chǎng)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。

右旋偏振分量(上圖)和左旋偏振分量(下圖)的分化圖

圖1 右旋偏振分量(上圖)和左旋偏振分量(下圖)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(chǎng)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(zhǎng)減小，從而形成半波長(zhǎng)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)1012 cm-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)。

ECWR源的原理圖