EA201791234A1 20171130 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2017\PDF/201791234 Полный текст описания [**] EA201791234 20141205 Регистрационный номер и дата заявки US2014/068858 Номер международной заявки (PCT) WO2016/089424 20160609 Номер публикации международной заявки (PCT) EAA1 Код вида документа [PDF] eaa21711 Номер бюллетеня [**] ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК С ПОЛЫМ КАТОДОМ Название документа [8] H05H 1/24 Индексы МПК [BE] Бике Томас, [US] Машвитц Питер, [US] Чамберс Джон, [BE] Вайме Хьюз Сведения об авторах [BE] ЭЙ-ДЖИ-СИ ГЛАСС ЮРОУП, С.А., [US] ЭЙ-ДЖИ-СИ ФЛЕТ ГЛАСС НОРТ ЭМЕРИКЕ, ИНК., [JP] АСАХИ ГЛАСС КО., ЛТД. Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea201791234a*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

Настоящее изобретение относится к плазменному источнику с полым катодом и способу обработки поверхности подложки с использованием такого плазменного источника, содержащего первый электрод (1) и второй электрод (2), причем каждый электрод содержит удлиненную полость (4), причем производят выбор значений по меньшей мере одного из следующих параметров так, чтобы обеспечить высокую плотность электронов и/или малое количество распыления поверхностей полости плазменного источника, причем этими параметрами являются форма поперечного сечения полости, площадь поперечного сечения полости, расстояние (11) между полостями и ширина (12) выходного сопла.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Настоящее изобретение относится к плазменному источнику с полым катодом и способу обработки поверхности подложки с использованием такого плазменного источника, содержащего первый электрод (1) и второй электрод (2), причем каждый электрод содержит удлиненную полость (4), причем производят выбор значений по меньшей мере одного из следующих параметров так, чтобы обеспечить высокую плотность электронов и/или малое количество распыления поверхностей полости плазменного источника, причем этими параметрами являются форма поперечного сечения полости, площадь поперечного сечения полости, расстояние (11) между полостями и ширина (12) выходного сопла.


Евразийское (21) 201791234 (13) Al
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. H05H1/24 (2006.01)
2017.11.30
(22) Дата подачи заявки 2014.12.05
(54) ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК С ПОЛЫМ КАТОДОМ
<1
(86) PCT/US2014/068858
(87) WO 2016/089424 2016.06.09
(71) Заявитель:
ЭЙ-ДЖИ-СИ ГЛАСС ЮРОУП, С.А. (BE); ЭЙ-ДЖИ-СИ ФЛЕТ ГЛАСС НОРТ ЭМЕРИКЕ, ИНК. (US); АСАХИ ГЛАСС КО., ЛТД. (JP)
(72) Изобретатель:
Бике Томас (BE), Машвитц Питер, Чамберс Джон (US), Вайме Хьюз (BE)
(74) Представитель:
Веселицкая И.А., Веселицкий М.Б., Кузенкова Н.В., Каксис Р.А., Белоусов Ю.В., Куликов А.В., Кузнецова Е.В., Соколов Р.А., Кузнецова Т.В. (RU)
(57) Настоящее изобретение относится к плазменному источнику с полым катодом и способу обработки поверхности подложки с использованием такого плазменного источника, содержащего первый электрод (1) и второй электрод (2), причем каждый электрод содержит удлиненную полость (4), причем производят выбор значений по меньшей мере одного из следующих параметров так, чтобы обеспечить высокую плотность электронов и/или малое количество распыления поверхностей полости плазменного источника, причем этими параметрами являются форма поперечного сечения полости, площадь поперечного сечения полости, расстояние (11) между полостями и ширина (12) выходного сопла.
129278
ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК С ПОЛЫМ КАТОДОМ
5 Перекрестная ссылка на родственную заявку
Настоящая заявка связана с международной заявкой согласно Договору о международной патентной кооперации с регистрационным номером (еще не присвоен) (номер в реестре патентного поверенного: 0124-374.РСТ) под названием "Плазменный источник с применением уменьшающего образование
10 макрочастиц покрытия и способ использования плазменного источника с
применением уменьшающего образование макрочастиц покрытия для осаждения тонкопленочных покрытий и модификации поверхностей", которая подана одновременно с данным документом и включена в данный документ путем ссылки.
15 Уровень техники
Настоящее изобретение относится к плазменному источнику для поверхностной обработки и/или покрытия больших подложек. Прежде всего, настоящее изобретение относится к линейному плазменному источнику для плазмостимулируемого химического осаждения из паровой фазы и для
20 плазменной поверхностной обработки, прежде всего к плазменному источнику, основанному на типе разряда с полым катодом.
Различные плазменные источники для осаждения тонких пленок и химической модификации поверхностей раскрыты в известном уровне техники. При необходимости обработки больших подложек такие плазменные
25 источники, как правило, представлены линейными ионными источниками,
подобными раскрытому Мэдоксом (Madocks) в US 7411352. Этот плазменный источник основан на магнетронном разряде и производит линейный пучок ионов или, путем объединения нескольких источников, множественные параллельные пучки ионов, направленные к поверхности подложки. Мэдокс раскрывает, что в
30 целях нанесения покрытия прекурсор покрытия может быть обеспечен из-за пределов плазменных источников. Плазма простирается по существу только вдоль одного измерения, то есть длины плазменного источника. Ширина ионного пучка ограничена давлением в технологической камере, которая
ограничивает среднюю свободную длину хода. Поэтому при перемещении подложки под этим плазменным источником время контакта является относительно кратким. Таким образом, число плазменных источников должно быть увеличено при необходимости, например, в увеличении продолжительности обработки подложки с помощью плазмы. Кроме того, инжектируемый поблизости от плазменного источника прекурсор покрытия ограничивает возможность взаимодействия с плазменным пучком. Это приводит к относительно низкой выработке осаждения и повышает опасность загрязнения устройства нанесения прекурсором, который не был в состоянии прореагировать с поверхностью подложки.
Мэдокс также раскрывает, что происходит распыление электродного материала и, что распыленный материал повторно осаждается, и таким образом, остается в пределах источника. Распыление электродного материала, однако, приводит к уменьшению срока службы электродов. Повторное осаждение распыленного материала может также приводить к блокировке сопел плазменного источника, что делает невозможными единообразную обработку подложки или нанесение покрытия. Кроме того, распыленный электродный материал может конденсироваться и/или реагировать далее, что приводит к формированию фрагментов, которые либо блокируют сопла источника, либо выпадают на подложку, создавая ее дефекты. Сопла образованы одним из электродов плазменного источника. Электрод тем самым подвергается воздействию атмосферы процесса покрытия в вакуумной камере и поэтому подвергается загрязнению со стороны инжектированного прекурсора покрытия.
Кроме того, раскрытый Мэдоксом основанный на магнетронном разряде источник требует использования магнитов. Магниты являются чувствительными к высоким температурам, поэтому такие источники нельзя эксплуатировать при высоких температурах, и они нуждаются в охлаждении активными или пассивными средствами. Присутствие этих магнитов, а также необходимое присутствие шунтов, делает узел сложным, и таким образом, дорогостоящим.
Такой источник также производит свободные электроны с относительно низкой плотностью по сравнению с основанными на разряде полого катода плазменными источниками. В целях нанесения покрытия, электроны плазмы служат ионизации прекурсора покрытия. Поэтому эффективность нанесения
покрытия является низкой при использовании подобного раскрытого Мэдоксом основанного на магнетроне плазменного источника.
Юнг (Jung) в ЕР0727508 А1 раскрывает линейный плазменный источник с полым катодом, основанный на двух параллельных электродах. Плазма простирается по существу только вдоль одного измерения, то есть длины плазменного источника, образуя узкий плазменный пучок. Юнг раскрывает, что с целью предотвращения распыления материала электрода, поток инертного газа подлежит инжектированию параллельно электродам. Инжектитрование инертного газа параллельно электродам приводит, однако, к уменьшению выработки химически активных ионов и поэтому к уменьшению эффективности обработки или выработки покрытия.
Одной из основных проблем таких видов источников с высокой интенсивностью осаждения является то обстоятельство, что стенки плазменных источников быстро загрязняются в результате преждевременной реакции с протекающими через плазму прекурсорами. Вследствие данной проблемы, использование такого процесса в промышленности является весьма ограниченным, и требует частого проведения цикла очистки, что ограничивает пропускную способность поточной линии.
Другой недостаток этих источников с высокой интенсивностью осаждения состоит в затруднительности ограничения распространения прекурсора поверхностью подложки после того, как он покидает плазменный источник. Как следствие, значительная часть прекурсора не может быть использована для формирования покрытия на подложке. Это приводит к уменьшению выработки покрытия и к загрязнению устройства нанесения в результате преобразования прекурсора на охватывающих плазменный источник поверхностях.
Таким образом, в области техники по поверхностной обработке больших площадей и по нанесению покрытия на большие площади остается потребность в простом плазменном источнике, который способен к обеспечению однородной плазмы значительной длины и который способен к обработке и/или к покрытию больших подложек с высокой эффективностью и с низким количеством загрязнений и дефектов.
Сущность изобретения
В одном аспекте изобретения предоставлен линейный плазменный источник, полезный при осаждении тонких пленок на больших подложках и при плазменной обработке поверхностей больших подложек. Понятие плазменной обработки подразумевается охватывающим, например, активирование поверхности, очистку поверхности, а также травление поверхности.
В одном аспекте настоящего изобретения предоставлен плазменный источник с полым катодом с весьма широкой линейной плазмой.
В одном аспекте настоящего изобретения предоставлен плазменный источник, который является способным к образованию однородной широкой линейной плазмы.
В одном аспекте настоящего изобретения предоставлен плазменный источник с низким уровнем распыления поверхности полости электрода.
В одном аспекте настоящего изобретения предоставлен плазменный источник с высокой плотностью свободных электронов.
В одном аспекте настоящего изобретения предоставлен способ формирования покрытия большой площади с помощью однородной широкой линейной плазмы.
Краткое описание чертежей
Эти аспекты, а также другие аспекты изобретения разъяснены в подробном описании конкретных вариантов изобретения со ссылками на схематические изображения чертежей, на которых:
Фиг. 1 показывает вид в разрезе плазменного источника согласно настоящему изобретению,
Фиг. 2 показывает вид в разрезе другого плазменного источника согласно настоящему изобретению,
Фиг. 3 показывает вид в разрезе другого плазменного источника согласно настоящему изобретению,
Фиг. 4 показывает вид в разрезе плазменного источника согласно настоящему изобретению, который используют для поверхностной обработки или покрытия подложки,
Фиг. 5 показывает вид в разрезе возможных вариантов осуществления плазменных источников согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 показывает поперечный вид в разрезе плазменного источника с полым катодом согласно настоящему изобретению, который содержит первый электрод 1 и второй электрод 2, которые в каждом случае имеют первую 5 поверхность испускания электронов и вторую поверхность испускания
электронов, которые являются стенками полостей 3 и размещены поблизости друг от друга. Каждый из числа первого и второго электродов по существу охватывает удлиненный газосодержащий объем 4, то есть полую полость катода. Расстояние между полыми полостями 11 катода измеряют от одного центра 14а
10 полости до другого центра 14Ь полости. Электроды простираются по существу параллельно друг другу. Катоды могут быть ориентированы перпендикулярно направлению движения подлежащей обработке подложки или под углом к этому направлению. Первый и второй электроды по существу охвачены изоляционным материалом 5. Как первый, так и второй электроды оснащены газовым входом
15 для формирующего плазму газа 6 и газовым выходом для ионизированного плазменного газа 7. При выходе газ направляют через выходное сопло 13 к вакуумной камере, в которой размещен плазменный источник, и к подложке в вакуумной камере. Газовое выходное сопло имеет конкретную ширину 12. -Первый и второй электроды электрически соединены с источником мощности
20 переменного тока (не изображен), который подает чередующееся между положительным и отрицательным значениями напряжение. Между поддерживающей плазменный источник структурой 8 вакуумной камеры и электродами имеется темное пространство или твердый электрический изолятор 9. Инжекционное сопло 10 прекурсора покрытия может также быть объединено с
25 плазменным источником для выполнения плазмостимулируемого химического осаждения из паровой фазы. Сопло 10 направляет содержащий прекурсор покрытия газ к созданной посредством плазменного источника плазме в вакуумной камере. Структурные элементы, а также охлаждающие устройства и электрические соединения не показаны.
30 Термин "плазменный источник с полым катодом" означает формирующее
плазму устройство, как правило, описываемое как две полости под чередующимся между положительным (анод) и отрицательным (катод) потенциалами со сдвигом фаз 180°. В катодной полости электроны колеблются
под воздействием отрицательных электрических полей полости, и таким образом, оказываются удержанными в ее пределах.
Термин "плазма" означает электропроводную газообразную среду, которая
содержит как свободные электроны, так и положительные ионы.
5 Термин "реагирующий газ" означает кислород и/или азот. Зачастую,
является желательным осаждение на поверхности соединений, которые не могут быть химически доступными из одного только прекурсорного газа. Соответственно, для формирования окисей или нитридов к процессу химического осаждения из паровой фазы (CVD) могут быть добавлены такие
10 реагирующие газы, как кислород и азот. Другие реагирующие газы включают в себя фтор, хлор, другие галогены или водород. Реагирующий газ может быть отграничен от прекурсорного газа тем обстоятельством, что также и в случае его возбуждения или химического разложения на составные части, конденсируемые химические соединения не образуются. Обычно, реагирующие газы или
15 фрагменты реагирующего газа не являются способными сами по себе к
образованию твердого осаждения, но они способны к реакции и к химическому встраиванию в состав твердого осаждения, получаемого из прекурсорных газов или других источников твердого осаждения. Предпочтительными реагентами являются 02, N2, NH3, СН4, N20, Н2.
20 Термин "прекурсор" означает газ или жидкость, выбранные соответственно
их давлению пара, и которые в молекулярном виде содержат химический элемент или элементы, подлежащие конденсации в твердое покрытие. Подлежащие конденсации из прекурсора элементы могут включать в себя металлы, переходные металлы, бор, углерод, кремний, германий и/или селен.
25 Обычно, молекула прекурсора не является химически активной или не
подвержена закреплению на поверхности до тех пор, пока она не возбуждена, частично разложена на составные части или полностью разложена на составные части посредством источника энергии, после чего, химический фрагмент прекурсорного газа, содержащий требуемый для покрытия химический элемент,
30 становится способным к образованию химической связи с поверхностью или к конденсации на ней в твердой форме. Конденсированная часть соединения прекурсора, прежде всего, может быть представлена чистым элементом, смесью элементов, полученным из составных элементов прекурсора соединением или
смесью соединений. Предпочтительные прекурсорные газы представлены неорганическими соединениями, такими как: SiH, N(SiH3)3, TMDSO, HMDSO, TTIP, ... или любыми другими, которые содержат соответствующий металл для нанесения окисных, нитридных или оксинитридных пленок, таких как: Si02, 5 SixNy, Zr02, Ti02, A1203, A1N, Sn02, ZnO и т.д., а также смесей одного или нескольких из этих материалов, таких как SiOxNy, SixAlyNz.
Термин "подложка" означает объект небольшой площади или большой площади, подлежащий покрытию или химической модификации своей поверхности посредством настоящего изобретения. Упоминаемая в настоящем 10 документе подложка может состоять из стекла, пластика, металла,
неорганических материалов, органических материалов или любого другого материала, который имеет подлежащую покрытию или модификации поверхность.
Термин "источник мощности переменного тока" или "мощность
15 переменного тока" означает электрическую мощность от переменного источника, причем с напряжением, изменяемым при некоторой частоте способом, который характеризуется синусоидальной, прямоугольной волной, импульсной или некоторой другой формой волны. Изменения напряжения зачастую происходят от отрицательного до положительного значений. При
20 биполярной форме подаваемая по двум проводам выдача мощности в большинстве случаев имеет разность фаз 180°.
Термины "вторичные электроны" и "вторичный электронный ток" соответственно означают электронную эмиссию из твердой поверхности в результате бомбардировки этой поверхности частицами, и ток, который в
25 результате этого возникает.
Термин "темное пространство" означает узкую зону или область вокруг электрода, где плазменный ток является очень слабым. Обычно, отнесенные на расстояние темного пространства два противоположно заряженных плазменных электрода или плазменный электрод и проводник с потенциалом заземления по
30 существу не показывают какого-либо электрического тока между ними.
Конструкционный материал электродов должен быть в достаточной мере электропроводным таким образом, что электроны могут быть испущены из поверхностей электрода, и таким образом, что они могут нести собой
необходимый для поддержки разряда электрический ток. Электродные материалы включают в себя металлы, металлические сплавы, металлические соединения, углерод, углеродные соединения, керамику или полупроводники. Обычно используемые материалы представлены металлами, металлическими 5 сплавами или углеродом в виде графита.
Электродные материалы могут быть выбраны для обеспечения конкретных характеристик электронной эмиссии. Они могут включать в себя материалы с малой работой выхода или с высокими коэффициентами вторичной эмиссии, что обеспечивает уменьшение рабочего напряжения и увеличение электронного 10 тока.
Поверхности испускания электронов могут быть представлены металлическими, основанными на металлах, металлоидными, основанными на металлоидах или основанными на углероде осажденными на электродах покрытиями. Эти покрытия могут включать в себя материалы с малой работой
15 выхода или с высокими коэффициентами вторичной эмиссии, что обеспечивает уменьшение рабочего напряжения и увеличение электронного тока.
В качестве формирующего плазму газа может быть использован почти любой газ. Обычно формирующий плазму газ содержит Не, Ne, Ar, Кг, Хе, 02, N2, Н2, NH3 или смеси любых из этих газов. Расход газа в большинстве случаев
20 составляет от 0,5 см3/мин и 10 см3/мин на линейный миллиметр длины полости. Для плазменного выхода и сопла являются возможными различные расположения и формы.
Как правило, они представлены матрицами из отверстий. Они могут также содержать паз или удлиненное отверстие. Имеется падение давления газа между
25 полыми полостями катода и наружной частью, то есть вакуумной камерой. За счёт этого поддерживают достаточно высокий уровень давления в полости катода для обеспечения стабильности плазмы, и достигают оттока ионизированного газа из полости в наружную часть. Сопла дистанцируют электроды от атмосферы процесса покрытия в вакуумной камере и поэтому
30 уменьшают вероятность загрязнения со стороны инжектируемого прекурсора покрытия.
Первый и второй электроды с полым катодом работают попеременно в качестве катодов и анодов. Когда один электрод является электрически
положительным относительно потенциала плазмы, другой электрод является электрически отрицательным относительно потенциала плазмы, и эта электрическая полярность меняет свою направленность с некоторой частотой. Это может быть достигнуто при помощи источника мощности переменного 5 тока или импульсного источника мощности постоянного тока. Как правило, источники мощности поставляют биполярное напряжение примерно с 180 градусным несовпадением по фазе с переменной полярностью фаз таким образом, что электронный ток между электродами меняет направленность с некоторой частотой. Предпочтительный диапазон напряжения располагается
10 между 300 В и 1200 В, предпочтительный частотный диапазон расположен между 10 кГц и 1 МГц, предпочтительно между 10 кГц и 100 кГц, наиболее предпочтительно частота составляет 40 кГц.
Образованные плазменным источником с полым катодом согласно настоящему изобретению разновидности плазмы являются неравновесными,
15 нетермическими разновидностями плазмы, которые являются весьма
электропроводными, и которые, как правило, несут положительный заряд потенциала заземления величиной в несколько десятков вольт. Электроды размещены в близости, достаточной для обеспечения электронному току возможности протекания между электродами противоположной полярности при
20 рабочем давлении вакуумной камеры.
Рабочее давление в вакуумной камере может быть поддержано в диапазоне от 0,001 мбар до 1 мбар, как правило от 0,002 мбар до 0,1 мбар, а наиболее типично от 0,007 до 0,05 мбар.
Плазма образована в объемах, охваченных первой и второй поверхностями
25 испускания электронов, плазма простирается через содержащее газ
пространство, которое расположено между поверхностями испускания электронов. Плазма производится по существу однородной по своей длине в существенном отсутствии дрейфа электронов в замкнутой цепи.
Таким образом, плазменный источник согласно изобретению образует
30 линейный плазменный пучок, который имеет высокую плотность свободных электронов, и который не ограничен узкой шириной под плазменным источником, но скорее простирается между двумя полостями полых катодов. Поэтому плазменный источник согласно настоящему изобретению обеспечивает
большие значения времени воздействия плазмы на подложку. Эта характеристика также предлагает лучшие возможности инжектированному поблизости от плазменного пучка прекурсора покрытия для взаимодействия с ним. За счёт этого достигают большой выработки осаждения и высокой эффективности обработки при одновременном снижении опасности загрязнения плазменного источника, а также устройства нанесения в целом.
Кроме того, плазменный источник согласно изобретению не требует каких-либо дополнительных электродов, ускорительных сеток, магнитных полей, шунтов или нейтрализаторов. Поэтому, он является менее сложным и, тем самым, менее дорогостоящим, чем другие плазменные источники. Однако при потребности, в силу конкретных причин, совместно с конструкцией полых катодов согласно настоящему изобретению могут быть использованы магниты и/или дополнительные электроды.
В одном аспекте изобретения предоставлены значения некоторых основных параметров плазменного источника с полым катодом.
Основные задаваемые изобретателями параметры:
форма поперечного сечения полости,
площадь поперечного сечения полости,
ширина выходного сопла,
расстояние между полостями.
Изобретатели обращают внимание на примечательный эффект этих основных параметров. Они обнаружили, что среди всех параметров, которые управляют такими плазменными источниками, указанные параметры, прежде всего, либо один, либо их комбинация, оказывают значительное влияние на плотность свободных электронов в созданной посредством плазменного источника с полым катодом плазме, а также на объем распыления поверхностей полости плазменного источника. Изобретатели обнаружили, что для достижения этих эффектов указанные основные параметры должны соответствовать конкретным значениям. Значения этих основных параметров могут отличаться для различных плазменных источников с полым катодом, но, предпочтительно, они являются идентичными для обеих полостей одного плазменного источника с полым катодом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления конкретные значения этих основных параметров, по отдельности или в любой комбинации, приводят к уменьшению объема распыления поверхностей полости. Поэтому плазменный источник согласно изобретению не требует параллельного электродам инжектирования инертного газа. Поэтому, получают высокую выработку химически активных компонентов, что обеспечивает высокую эффективность обработки или выработки покрытия. Поэтому, плазменный источник согласно изобретению также ограничивает повторное осаждение распыленного материала в плазменном источнике и на его соплах, а также уменьшает формирование фрагментов. Таким образом, единообразие обработки или покрытия повышено, а объем дефектов в обработке или в покрытии уменьшен.
Согласно предпочтительному варианту осуществления использование основанного на разряде полого катода плазменного источника совместно с конкретными значениями этих основных параметров, по отдельности или в любой комбинации, также обеспечивает повышение плотности свободных электронов. Поэтому эффективность обработки или эффективность покрытия повышены. Кроме того, более эффективное использование прекурсора покрытия обеспечивает уменьшение загрязнения вакуумной камеры и вакуумных насосов со стороны непрореагировавшего прекурсора покрытия.
Во время длительных испытаний продолжительностью более 100 часов было обнаружено, что плазменные источники со скругленной прямоугольной формой поперечного сечения полости (фиг. 2) показали значительно большее распыление поверхности полости, чем плазменные источники с круглой формой поперечного сечения (фиг. 3).
Путем сравнения результатов эксперимента с данными компьютерного моделирования изобретатели обнаружили, что объем распыления поверхностей полости полого катода связан с абсорбцией химически активных ионов на поверхностях полости полого катода, как она выявлена посредством числового моделирования.
Использованное для моделирования потоков газа и газовых разрядов программное обеспечение моделирования представлено программой под названием PIC-MC, которая разработана Фраунхоферовским институтом
технологии поверхностей и тонких пленок с предоставлением комплексных услуг (Fraunhofer-Institute for Surface Engineering and Thin Films 1ST), Брауншвейг, Германия. Программное обеспечение объединяет моделирование потоков газа, магнитных полей и плазмы. Для моделирования потока газа в нем использовано прямое моделирование с помощью метода Монте-Карло (DSMC), для моделирования магнитного поля использован метод граничных элементов (ВЕМ), а для моделирования плазмы использован метод Монте-Карло для частиц в клетке (PIC-MC).
Моделирования были выполнены на псевдодвухмерной модели, которая является поперечным вырезом с толщиной 1,016 мм плазменного источника с полым катодом. Псевдодвухмерный означает, что вырез имеет малую толщину, и периодическое условие применено к каждой плоскости в поперечном направлении.
Для моделирования могут быть использованы самые различные образующие плазму газы, в последующих примерах был использован аргон. С целью сокращения времени вычислений, в качестве прекурсора покрытия был выбран Si2H6, а среди возможных для него реакций были выбраны следующие две:
Si2H6 + е" -> Si2H4+ + 2 Н + 2 е" (1)
Si2H6 + е" -> SiH3 + SiH2 + Н + е" (2).
Водородные компоненты не были включены в моделирование.
Для каждого заданного набора входных параметров моделирование приводит к данным относительно числа и скорости различных компонентов газовой фазы (атомов, ионов, молекул и электронов) на всей протяженности занимаемого ими пространства. По этим данных могут быть вычислены конкретные значения, такие как плотности и потоки, где поток является интенсивностью перемещения компонентов газовой фазы через единичную площадь (единица измерения: мольм"2с_1).
Другим полезным результатом вычисления является поглощаемый на конкретной поверхности поток. С учетом конкретного коэффициента прилипания материала полости катода, абсорбция ионов на ее поверхности может быть вычислена по направленному на нее потоку ионов. Путем корреляции результатов эксперимента с данными моделирования изобретатели
обнаружили, что формирование фрагментов, и таким образом, распыление поверхности полости, наблюдаемое у реальных плазменных источников, соотнесено с уровнем ионизированных плазменных компонентов, поглощаемых поверхностями полости электродов согласно имитационной модели. Низкие уровни поглощаемых поверхностями полости электродов ионизированных плазменных компонентов означают, что уровень распыления полости является низким, и формирование фрагментов является низким.
Другим существенным показателем является создаваемая плотность электронов. Плотность электронов оказывает значительное влияние на эффективность обработки или покрытия поверхностей, высокие значения плотности электронов обеспечивают высокую эффективность обработки или покрытия поверхностей. В настоящих моделированиях плотность электронов была выявлена в вакуумной камере на линии, заданной на расстоянии 2,54 мм от поддерживающей плазменный источник структуры камеры, и усреднена.
В одном аспекте изобретения предоставлена форма поперечного сечения полости полого катода.
Изобретатели неожиданным образом обнаружили, что уровень поглощенных поверхностями полости катода ионизированных плазменных компонентов был снижен, когда прямоугольная форма поперечного сечения полости была заменена на охватывающее ту же площадь поверхности поперечное сечение, прямоугольную форму, в которой по меньшей мере один угол скруглен, или предпочтительно, все четыре угла скруглены (на скругленную прямоугольную форму), или предпочтительно, имеющее скругленную прямоугольную форму, в которой четыре угловых радиуса равны по величине половине ее ширины, или наиболее предпочтительно имеющее круглую форму.
Фиг. 2 показывает вид в разрезе плазменного источника согласно настоящему изобретению, имеющего скругленную прямоугольную форму поперечного сечения полости.
Фиг. 3 показывает вид в разрезе плазменного источника согласно настоящему изобретению, имеющего круглую форму поперечного сечения полости.
Варианты осуществления этим форм, прежде всего, приводят к
промежуточным формам, и могут быть сделаны без отступления от настоящего
изобретения. Прежде всего, это эллиптические или овальные формы или такие
варианты осуществления формы, как показаны на фиг. 5.
5 Кроме того, изобретатели обнаружили, что круглая форма по сравнению с
прямоугольной формой поперечного сечения полости также характеризуется улучшением показателя плотности электронов.
В одном аспекте изобретения предоставлена площадь поперечного сечения
полости полого катода.
10 Согласно варианту осуществления изобретения площадь поперечного
2 2
сечения полости составляет от 100 мм до 10000 мм , предпочтительно от 500
2 2
мм до 4000 мм .
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения
2 2
площадь поперечного сечения полости составляет от 100 мм до 1000 мм , 15 предпочтительно от 500 мм2 до 1000 мм2, наиболее предпочтительно от 500 мм2 до 750 мм2. Изобретатели неожиданным образом обнаружили, что при малой площади поперечного сечения полости плотность электронов повышена. Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения
2 2
площадь поперечного сечения полости составляет от 1000 мм до 4000 мм , 20 предпочтительно от 1 500 мм2 до 4000 мм2, наиболее предпочтительно от 2000 мм2 до 4000 мм2. Изобретатели неожиданным образом обнаружили, что при большой площади поперечного сечения уровень поглощенных поверхностями полости катода ионизированных плазменных компонентов снижен.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения
2 2
25 площадь поперечного сечения полости составляет от 750 мм до 1 500 мм , предпочтительно от 750 мм2 до 1 250 мм2, наиболее предпочтительно, около 1000 мм2. Изобретатели обнаружили, что при промежуточной площади поперечного сечения получен уравновешенный уровень поглощенных поверхностями полости катода ионизированных плазменных компонентов по
30 отношению к плотности электронов.
В одном аспекте изобретения предоставлено расстояние между полостями полого катода, измеренное от одного центра полости до другого центра полости. Центр полости является геометрическим центром поперечного сечения полости,
когда она имеет правильную геометрическую форму. Когда она имеет неправильную форму, в качестве центра выступает центроид.
Изобретатели неожиданным образом обнаружили, что увеличение расстояния между полостями полого катода до конкретного порогового значения 5 приводит к понижению уровня поглощенных поверхностями полости катода ионизированных плазменных компонентов и к уменьшению плотности электронов. Согласно изобретению расстояние между полостями составляет от 85 мм до 160 мм, предпочтительно от 100 мм до 145 мм, наиболее предпочтительно, около 12 мм.
10 Для специалистов в данной области техники понятно, что расстояние
между полостями также зависит от размера полостей, а также от изоляции и требований к конструкции и охлаждению.
В одном аспекте изобретения предоставлена ширина выходного сопла. В рамках настоящей конструкции выходные сопла центрированы на
15 вертикальной линии, проходящей через центр формы поперечного сечения
полости. Центры каждого поперечного сечения полости и его выходного сопла выровнены с вертикальной линией, проходящей через центр поперечного сечения полости. Однако варианты осуществления и модификации размещения выходного сопла и его ориентации могут быть выполнены без отступления от
20 настоящего изобретения.
В рамках его базовой конструкции ширина выходного сопла составляет от 3,5 мм до 5 мм. Изобретатели обнаружили, что увеличение ширины снижает уровень поглощенных поверхностями полости катодов ионизированных плазменных компонентов и повышает плотность электронов. Когда ширина
25 выходного сопла превышает пороговое значение, плотность электронов
значительно уменьшается. Вероятной причиной этого является невозможность поддержания давления в полости на достаточно высоком для получения значительного плазменного разряда уровне.
Согласно настоящему изобретению ширина выходного сопла составляет от
30 1 мм до 25 мм, предпочтительно от 3 мм до 25 мм, более предпочтительно от 8 мм до 22 мм, еще более предпочтительно от 8 мм до 12 мм, и наиболее предпочтительно около 10 мм.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения два или более плазменных источника могут быть объединены для увеличения продолжительности обработки или покрытия поверхностей при совместном использовании единственного источника мощности или при использовании 5 множественных отдельных источников мощности.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения плазменный источник используют для обработки поверхности подложки, например очистки поверхности, восстановления поверхности, активирования поверхности. Подложку перемещают под плазменный источник и подвергают 10 воздействию ионов и электронов плазмы, которая простирается через вакуумное пространство между выходными соплами плазменного источника.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения плазменный источник используют для нанесения покрытия на подложку. Фиг. 4 показывает подложку 15, перемещенную под плазменный источник и 15 подвергнутую воздействию ионов и электронов плазмы 16, которая простирается через вакуумное пространство между двумя выходными соплами плазменного источника. Прекурсорный газ покрытия инжектирован через сопло 17 для его активации посредством плазмы с целью образования покрытия на подложке.
Примеры 1 и 2
20 Плазменные источники с двумя полыми электродами из нержавеющей
стали длиной 10 см (длина плазмы), выполненные согласно настоящему изобретению, работали более 100 часов при следующих условиях:
• Амплитуда напряжения +/-1200 В
• Частота 40 кГц
25 • Функция напряжения: биполярное, синусоидальное, с управлением по напряжению
• Уставка по мощности 20 кВт, плазменный источник работает в режиме с управлением по мощности
• Формирующий плазму газ 02 - расход 2 см3/мин на линейный мм длины 30 полости
• Площадь поперечного сечения полости катода 2000 мм
• Давление в вакуумной камере: 8-12 мторр
• Ширина выходного сопла: 3,5 мм
Были подвергнуты сравнению две различные формы поперечного сечения полости - скругленная прямоугольная и круглая.
Распыление поверхности полости приводит к формированию частиц фрагментов. С интервалами в 24 часа фрагменты на стеклянной подложке 5 собирали, и число частиц фрагментов подсчитывали.
Как видно по таблице ниже, число частиц фрагментов повышается намного более быстро для скругленной прямоугольной формы поперечного сечения полости, чем для круглой формы.
Время сбора фрагментов
Номер примера
Форма поперечного сечения полости
24 ч
48 ч
72 ч
96 ч
120 ч
144 ч
Скругленная прямоугольная
Круглая
10 Примеры моделирования
В примерах 3-17 плазменные источники с полым катодом были подвергнуты моделированию.
Для каждого основного параметра сравнению был подвергнут набор вариантов осуществления числом до пяти. В каждом наборе один вариант 15 осуществления был выбран в качестве точки отсчёта. После вычисления для каждого варианта осуществления уровня абсорбции ионизированных компонентов плазмы на поверхностях полости катода, а также плотности электронов, было выявлено отношение этого значения к значению точки отсчёта. Следующие параметры сохранены неизменными для всех примеров 20 моделирования:
• Амплитуда напряжения +/-1200 В
• Частота 100 кГц
• Функция напряжения: биполярное, синусоидальное, с управлением по напряжению
25 • Уставка по мощности 25 кВт/м
• Температура стенки 300К
• Расход компонентов прекурсорного газа SiiHe - 0,13 см3/мин на линейный м длины полости
• Формирующий плазму газ Аг - расход 2,65 см3/мин на линейный м длины полости
• Материал электрода, имеющий выработку вторичной электронной эмиссии 0,1 (сопоставимо с Ag, Си, Al, Ti, Zn, Fe)
5 • Давление в вакуумной камере около 10 мторр путем настройки вакуумной откачки
Примеры 3 - 5 - основной параметр: форма поперечного сечения полости Были промоделированы три формы поперечного сечения полости: прямоугольная, скругленная прямоугольная и круглая. Прямоугольное 10 поперечное сечение имело 10 мм ширины и 50 мм высоты. Скругленная
прямоугольная форма имела около 14 мм ширины и 45 мм высоты с четырьмя скругленными углами (радиусы скругления углов: 7 мм). Круглая форма поперечного сечения имела радиус 13 мм.
Для примеров 3-5 неизменными были сохранены следующие параметры: 15 - площадь поперечного сечения полости: около 500 мм ширина выходного сопла: 5мм
Абсорбция ионизированных компонентов плазмы на полости катода, и 20 таким образом, распыление полости и формирование фрагментов уменьшаются при переходе от прямоугольной к скругленной прямоугольной и к круглой форме поперечного сечения полости.
Плотность электронов и, таким образом, технологическая эффективность повышаются при переходе от прямоугольной к круглой форме поперечного 25 сечения полости.
Примеры 6-8 - основной параметр: площадь поперечного сечения полости Были промоделированы три значения площади поперечного сечения
2 2 2
полости катода: 500 мм , 1000 мм и 2000 мм .
Для примеров 6-8 неизменными были сохранены следующие параметры: форма поперечного сечения полости: круглая ширина выходного сопла: 5 мм
Абсорбция ионизированных компонентов плазмы на полости катода, и таким образом, распыление полости и формирование фрагментов уменьшаются при увеличении площади поперечного сечения полости.
Плотность электронов, и таким образом, технологическая эффективность повышаются при уменьшении площади поперечного сечения полости.
При значении площади поперечного сечения полости около 1000 мм получен уравновешенный уровень абсорбции ионизированных компонентов и плотности электронов.
Примеры 9-13 - основной параметр: расстояние между полостями
Были промоделированы пять значений расстояния между полостями: 168 мм, 142 мм, 114 мм, 104 мм и 84 мм.
Для примеров 9-13 неизменными были сохранены следующие параметры:
форма поперечного сечения полости: круглая
площадь поперечного сечения полости: 500 мм
Пример
Коэффициент абсорбции ионизированных компонентов плазмы в полости катода
Коэффициент плотности электронов
104 мм (точка отсчёта)
1,00
1,00
84 мм
2,38
1,18
Абсорбция ионизированных компонентов плазмы на полости катода, и таким образом, распыление полости и формирование фрагментов уменьшаются при увеличении расстояния между полостями.
Электронная плотность и таким образом технологическая эффективность остаются хорошими для всех проверенных значений расстояния между полостями, кроме самого высокого. Интересный баланс между обоими коэффициентами получен для расстояния между полостями от 100 мм до 145 мм.
Примеры 14-17 - основной параметр: ширина выходного сопла
Были промоделированы четыре значения ширины сопла: 5 мм, 10 мм, 20 мм и 40 мм.
Для примеров 14-17 неизменными были сохранены следующие параметры: форма поперечного сечения полости: круглая площадь поперечного сечения полости: 500 мм
Абсорбция ионизированных компонентов плазмы на полости катода, и таким образом, распыление полости и формирование фрагментов уменьшаются при увеличении ширины выходного сопла.
Плотность электронов, и таким образом, технологическая эффективность повышаются при увеличении ширины выходного сопла. При весьма большой ширине выходного сопла, например в 40 мм, перепад давлений между внутренними частями полостей и вакуумной камерой не может быть поддержан
на уровне, достаточном для поддержания стабильности плазмы, что приводит к весьма низкому уровню плотности электронов.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Плазменный источник с полым катодом, содержащий первый электрод (1) и второй электрод (2), причем каждый электрод содержит удлиненную
5 полость (4),
причем катоды простираются по существу параллельно друг другу, причем как первый, так и второй электроды (1,2) оснащены газовым
входом для формирующего плазму газа (6) и газовым выходом (7), который
ведет к направленному на подложку выходному соплу (13),
10 причем первый и второй электроды электрически соединены с источником
мощности, поставляющим на электроды попеременно противоположные
напряжения,
причем производят выбор значения по меньшей мере одного из следующих параметров:
15 i. поперечное сечение полости имеет прямоугольную, скругленную
прямоугольную или круглую форму или промежуточную для этих форм форму, п. площадь поперечного сечения полости составляет от 500 мм до 4000
ММ ,
ш. расстояние (11) между полостями составляет от 85 мм до 160 мм,
20 iv. ширина (12) выходного сопла составляет от 1 мм до 25 мм.
2. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем выбраны значения по меньшей мере двух из параметров от i. до iv.
25 3. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем выбраны
значения всех параметров от i. до iv.
4. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем форма
поперечного сечения полости является круглой.
5. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем площадь
2 2
поперечного сечения полости составляет от 500 мм до 1000 мм .
6. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем площадь
2 2
поперечного сечения полости составляет от 1000 мм до 4000 мм .
7. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем площадь поперечного сечения полости составляет от 750 мм2 до 1 500 мм2.
8. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем расстояние (11) между полостями составляет от 500 мм до 1000 мм.
9. Плазменный источник с полым катодом по п. 1, причем ширина (12) выходного сопла составляет от 3,5 мм до 25 мм.
10. Способ обработки поверхности подложки, содержащий шаги: обеспечения вакуумной камеры, имеющей плазменный источник с полым
катодом по п. 1,
инжектирования формирующего плазму газа через входы (6) электродов
для формирующего плазму газа,
приложения напряжения к плазменному источнику с полым катодом, введения подложки (15) в созданную таким образом плазменным
источником в вакуумной камере плазму (16).
11. Способ покрытия подложки, содержащий шаги:
обеспечения вакуумной камеры, имеющей плазменный источник с полым катодом по п. 1,
инжектирования формирующего плазму газа через входы (6) электродов для формирующего плазму газа,
приложения напряжения к плазменному источнику с полым катодом,
инжектирования прекурсорного газа покрытия к созданной плазменным источником плазме,
введения подложки (15) в созданную таким образом плазменным источником в вакуумной камере плазму (16),
осаждения покрытия из активированного плазмой прекурсорного газа.
Фиг. 1
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
- 5 -
- 5 -
- 10 -
- 13 -
- 13 -
- 15 -
-16 -
- 18 -
- 18 -
- 21 -
- 22 -
1/5
1/5
2/5
2/5
3/5
3/5
4/5
4/5