ولتاژ خود-بایاس DC در کندوپاش فرکانس رادیویی
ولتاژ خود-بایاس DC در اسپاترینگ RF ناشی از تحرک بیشتر الکترون‌ها در مقایسه با یون‌ها است. افزایش ولتاژ منفی خود-بایاس DC منجر به نرخ بالای برخورد یون‌ها به الکترود می‌شود و در نتیجه بازده خوردگی یا کندوپاش افزایش می‌یابد. نرخ کندوپاش از هدف در کندوپاش RF به شدت با ولتاژ خود-بایاس DC ایجاد شده روی هدف مرتبط است. ولتاژ خود-بایاس DC به خودی خود ایجاد می‌شود و میتوان آن را با پارامترهای موثر کنترل کرد تا پلاسمای پایدارتری به منظور ایجاد پوشش‌دهی بهتر زیرلایه، ایجاد شود.
ولتاژ خود-بایاس DC در کندوپاش RF چیست؟
فرآیند کندوپاش از طریق تشکیل پلاسما، که همان گاز یونیزه شده بین دو الکترود با اختلاف ولتاژ الکتریکی بالا است، انجام می‌شود. در پلاسما الکترون‌ها و یون‌ها آزادانه و بدون برهمکنش‌های زیراتمی حرکت می‌کنند.
در طول فرآیند کندوپاش، یون‌های پلاسما و الکترون‌ها سطح هدف را بمباران می‌کنند و به کنده شدن اتم‌های هدف کمک می‌کنند. در طول کندوپاش RF، قطب الکتریکی هدف به طور منظم تغییر می‌کند و الکترون‌ها و یون‌ها را به طور متناوب جذب می‌کند. از آنجا که الکترون‌ها عناصر بسیار سبک‌تری نسبت به یون‌ها هستند، میزان تحرک بالاتری از خود نشان می‌دهند (یعنی بسیار سریع‌تر حرکت می‌کنند)، بنابراین در طول تغییرات دوره‌ای در میدان الکتریکی بیشتر با هدف برخورد می‌کنند.
این پدیده منجر به ایجاد بار منفی اضافی روی هدف و تشکیل میدان DC می‌شود. خازن مسدود کننده در شبکه تنظیم‌کننده (Matching network) مربوط به تنظیمات RF به عنوان یک جداکننده برای این میدان DC خود-بایاس عمل می‌کند و هدف دارای یک بایاس DC منفی می‌شود.
نقش ولتاژ خود-بایاس DC در نرخ کندوپاش چیست؟
این ولتاژ خود-بایاس DC توسط تجمع بار منفی بر روی هدف محدود می‌شود که منجر به بهبود جذب یون به سمت هدف می‌شود. با بمباران یونی تقویت‌شده بر روی هدف، اتم‌های هدف کنده شده و بر روی زیرلایه لایه‌نشانی می‌شوند. میانگین انرژی یون‌ها از مجموع ولتاژ خود-بایاس DC (Vdc) و پتانسیل پلاسما (Vpp) اثر می‌پذیرد.
انرژی یونی (eV) = Vpp + (-Vdc)
در فرآیند کندوپاش، خوردگی یکنواخت و پیوسته هدف، به کنترل دقیق سطح توان RF و ولتاژ خود-بایاس DC ناشی از آن، بسیار بستگی دارد. واکنش‌های شیمیایی گاز فرآیند و ترکیبات حاصل در داخل محفظه لایه‌نشانی خلاء نیز بر ولتاژ خود-بایاس DC تاثیر می‌گذارد.
هدف در لایه‌نشانی کندوپاشی (Sputtering Targets)
هدف کندوپاش معمولا روی درب محفظه خلاء (رو به پایین) قرار می‌گیرد و زیرلایه‌ای که قرار است با یک لایه نازک پوشانده شود، روی یک نگهدارنده زیرلایه در زیر آن قرار می‌گیرد. به طور مثال، اسپاترکوترهای تک کاتدی شرکت پوشش‌های نانوساختار مانند DSR1 و DST1 یا سیستم لایه‌نشانی اسپاترینگ DST3 که قابلیت کندوپاش سه هدف متفاوت را فراهم می‌نماید، را میتوان نام برد. همچنین، ممکن است هدف را بر روی صفحه پایه محفظه (رو به بالا) قرار داد و نگهدارنده زیرلایه بالای آن، رو به پایین، مانند مدل DST2-TG، قرار گیرد.
از طرفی، اتم‌های هدف نیز ممکن است یونیزه شوند، بنابراین بسیار بهتر می‌توانند بر روی یک زیرلایه با بایاس منفی لایه‌نشانی شوند. اعمال ولتاژ بایاس بر روی زیرلایه می‌تواند بر ساختار و خواص لایه نازک ایجاد شده بر روی آن، تاثیر بگذارد.
پارامترهای تاثیرگذار بر ولتاژ خود-بایاس DC در اسپاترینگ RF
افزایش ولتاژ خود-بایاس بدون تغییر فاکتورهای هندسی محفظه رسوب‌گذاری، مانند فاصله هدف تا زیرلایه، منجر به بهبود نرخ لایه‌نشانی می‌شود. عوامل متعددی وجود دارند که می‌توانند بر ولتاژ خود-بایاس DC در هنگام کندوپاش RF تاثیر زیادی بگذارند.
عواملی که بر خود-بایاس DC تاثیر می گذارند عبارتند از:
- نسبت بین سطح الکترودها، که برای محفظه‌ای که قبلا طراحی شده یک پارامتر ثابت است.
- فشار محفظه
- قدرت رسوب RF
- نوع گاز فرآیندی
فشار محفظه
ولتاژ خود-بایاس DC با فشار محفظه نسبت معکوس دارد. سطح خلاء بر نرخ لایه‌نشانی از جهات مختلف تاثیر می‌گذارد. بر اساس تئوری جنبشی گازها، هرچه گونه‌های گاز در داخل محفظه کندوپاش بیشتر باشد، طول پویش آزاد میانگین ماده هدف کمتر است، بنابراین سخت‌تر به زیرلایه می‌رسد. در نتیجه، محفظه لایه‌نشانی باید در سطوح خلاء بالاتر نگه داشته شود تا سرعت لایه‌نشانی افزایش یابد. از سوی دیگر، طول پویش آزاد متوسط الکترون نیز در فشارهای پایین‌تر افزایش می‌یابد که منجر به ولتاژ خود-بایاس DC بالاتر می‌شود. بنابراین ولتاژ خود-بایاس DC را میتوان با کاهش فشار محفظه افزایش داد. افزایش ولتاژ خود-بایاس منجر به نرخ کندوپاش بیشتر می‌شود.
توان RF
ولتاژ خود-بایاس DC مستقیما با توان RF متناسب است. افزایش توان RF منجر به افزایش خود-بایاس می‌شود، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است. افزایش خود-بایاس با توان RF جذب شده می‌تواند به انبساط پلاسما همراه با افزایش ولتاژ RF کمک کند.
دستگاه تبخیر حرارتی | انواع لایه نشان تبخیر حرارتی
دستگاه تبخیر حرارتی رومیزی خلاء بالای DTE و DTT، ساخت شرکت پوشش‌های نانوساختار، می‌باشند که قابلیت لایه‌نشانی لایه‌های نازک از مواد مختلف را فراهم می‌آورند.
لایه نشان کربن (کربن کوتر)
شرکت پوشش‌های نانوساختار تولیدکننده دستگاه‌های لایه‌نشان کربن (کربن کوتر) و لایه‌نشان‌های اسپاترینگ و کربن برای مصارف آماده‌سازی نمونه میکروسکوپ الکترونی است.
دستگاه اسپاترینگ و انواع مگنترون اسپاتر کوترها
اسپاتر کوترهای تولید شده توسط پوشش‌های نانوساختار، دستگاه اسپاترینگ پیشرو در حوزه لایه‌نشانی به روش اسپاترینگ در خلاء پایین و بالا برای تولید لایه نازک هستند.
نوع گاز فرآیند
نوع گاز فرآیندی که در تشکیل پلاسما استفاده می‌شود نیز بر ولتاژ خود-بایاس DC حاصله تاثیر می‌گذارد. شکل ۴ ولتاژهای خود-بایاس را در گازهای فرآیند با ترکیبات مختلف نشان می‌دهد. افزودن گازهای الکترونگاتیو مانند Cl۲ عدم تقارن در محفظه پلاسمای RF را افزایش می‌دهد. پلاسمای Ar/Cl۲ حاوی الکترون‌هایی در دمای بالاتر و چگالی الکترون کمتر در مقایسه با پلاسمای Ar است، در نتیجه ولتاژ خود-بایاس در پلاسمای Ar/Cl۲ بالاتر است.
سیستم‌های لایه نشانی اسپاترینگ RF
سیستم های لایه‌نشانی اسپاترینگ با محفظه بزرگ شرکت پوشش‌های نانوساختار را میتوان به منبع تغذیه RF برای فعال کردن کندوپاش اهداف نارسانا یا نیمه‌هادی مجهز نمود. سیستم‌های اسپاترکوتر RF با یک شبکه تطبیقی ارائه می‌شوند که میزان خود-بایاس DC را نشان می‌دهد. با استفاده از این سیستم‌های لایه‌نشانی کاربر می‌تواند توان RF را برای انجام یک فرآیند لایه‌نشانی قابل اعتماد و تکرارپذیر به دقت تنظیم کند.
برخی از محصولات شرکت
منابع
- Ohring, Milton, Sohrab Zarrabian, and Austin Grogan. “The materials science of thin films.” Appl. Opt 31.34 (1992): 7162.
- https://physics.stackexchange.com/questions/430948/rf-sputtering-where-comes-the-target-self-bias-voltage-from
- https://www.palomartechnologies.com/blog/the-importance-of-dc-self-bias-voltage-in-plasma-applications
- K. Nojiri, Dry Etching Technology for Semiconductors.
- M. J. Kushner, Monte-Carlo simulation of electron properties in RF parallel plate capacitively coupled discharges.
- J. Upadhyay, S. Popović, A.-M. Valente-Feliciano, L. Phillips and L. Vušković , Self-bias Dependence on Process Parameters in Asymmetric Cylindrical Coaxial Capacitively Coupled Plasma.