Plasmaquellen

 

 

 

 

 

 

 

 

  

HCD-P 100


 Leistungsmerkmale:

  • ausgedehnter Leistungsbereich
  • keine Moden Sprünge
  • hohe Plasma- und Radikalendichten
    mit exzellenter axialer Homogenität
  • kompatibel mit chemisch reaktiven und nichtreaktive Gasen
  • Dauer- und Pulsbetrieb
  • geringe Kontamination
  • skalierbar



Einsatzgebiete:

  • Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PE-CVD)
  • Plasma-Polymerisation
  • Oberflächen-Modifikation
  • Plasma-Reinigung
  • Plasma-Ätzen
  • reaktives und nicht-reaktives Ionen-Ätzen
  • Grundlagenforschung in den Materialwissenschaften

 

Funktionsweise

Hohlkathodenentladungen (Hollow Cathode Discharges) repräsentieren ein sehr effektives und verhältnismäßig einfaches und kostengünstiges Mittel der Erzeugung hochdichter Niedertemperatur-Plasmen.
Die Plasmaquelle HCD P-100 arbeitet nach dem Hohlkathodeneffekt. 48 zylindrische Hohlkathoden sind als hexogonale Matrix angeordnet und bilden das intensive primäre Plasma. Die Hohlkathoden sind mit dem HF-Generator verbunden und elektrisch vom Quellengehäuse isoliert. Eine hexagonale Matrix von 48 Öffnungen ist ebenfalls auf der Unterseite des Quellengehäuses (= Anode) angebracht. Diese dienen der Extraktion intensiver Plasmajets aus den Hohlkathodenzylindern.
Zwischen den Öffnungen der Plasmajets befinden sich die Öffnungen für die Monomergaszufuhr. Ein spezielles Gasverteilungssystem sowohl für das Primär- als auch das Monomergas gewährleistet eine homogene Plasmaausbildung.
Die gesamte Quelle ist aus Aluminium gefertigt, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Zudem zeichnet sich Aluminium durch geringe Oberflächenverluste von angeregten Spezies und Radikalen aus. Die gesamte Quelle kann durch Regulierung der Kühlwassertemperatur isotherm betrieben werden.

 

Leistung:

Es gibt zwei wichtige Parameter, welche die Leistungsfähigkeit und die technische Anwendbarkeit von Hohlkathodenquellen wie die HCD P-100 beeinflussen. Dies ist der Arbeitsdruckbereich der (primären) Hohlkathodenentladung und die für den Plasmadurchbruch (d.h. Zündung) benötigte HF-Leistung. Ist das Plasma einmal gezündet kann die HF-Leistung über einen weiten Leistungs- und Druckbereich variiert werden,
ohne die Stabilität der Entladung oder der Plasmajets zu beeinträchtigen. Unterhalb eines Leistungsminimums kann die Entladung nicht weiter aufrecht erhalten werden.

 

Homogenität der abgeschiedenen Schichten


Die erreichbare Schichthomogenität sowie die Qualität der durch Plasmapolymerisation erzeugten Schichten hängt vom Abstand zwischen Substrat und den Plasmajet-Öffnungen ab. Weiterhin spielt die Verteilung des Gasflusses eine wichtige Rolle. Detaillierte experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Abstand von 60 mm zwischen Substrat und Plasmajet-Öffnungen einen guten Kompromiss zwischen Schichthomogenität und Depositionsrate darstellt.
Ein Beispiel für einen PE-CVD Prozess mit der HCD P-100 ist die Abscheidung diamantähnlicher (DLC) Schichten. DLC-Schichten hoher Qualität wurden bei Zimmertemperatur abgeschieden. Die ereichte Schicht-Homogenität war besser als 4 % längs eines 4" Si Wafers (DC-Self Bias des Substrates: -400 V). Insgesamt werden mit der HCD P-100 hervorragende Schichthomogenitäten sowohl bei der plasmainduzierten Oberflächenbehandlung als auch der Plasmapolymerisation erreicht.

Kontaminierung

Es wird oft behauptet, dass HCD's dazu neigen, ungewollte parasitäre Sputtereffekte an den Elektroden aufzuweisen. Aufgrund der speziellen Anregungsgeometrie gilt diese Aussage jedoch nicht für die HCD P-100 Quellen, da hier das gesamte Plasmavolumen mit Ausnahme der Plasmajet-Öffnungen eingeschlossen ist. Jede mögliche Kontaminierung muss ihren Ursprung an der Innenseite der Hohlkathoden-Zylinder haben bzw. den Plasmajet-Öffnungen der Anode.
Aufgrund der Quellengeometrie ist es jedoch relativ unwahrscheinlich, dass Kontaminationen (d.h. gesputtertes Aluminium) den inneren Teil der Quelle verlassen können und auf einem Substrat deponiert werden. Bestätigt wird dies durch folgende Untersuchung: nach zwei Stunden Betrieb der Quelle (300 sccm Ar, 1 mbar, 400 W) wurde auf der Oberfläche eines Si Wafers eine Aluminiumkonzentration von nur 0.25 % der Siliziumkonzentration gemessen.

Lebensdauer:

Die HCD P-100 ist ausschließlich aus Aluminium und Keramikteilen zur elektrischen Isolation gefertigt. Keine Quarzfenster etc. sind notwendig. Da alle Keramikteile gegen direkte Plasmawechselwirkungen und Sputtern abgeschirmt sind, ist die Quelle extrem robust und bietet eine ausgedehnte Lebensdauer, die meist über der von induktiv- oder mikrowellen-angeregten Plasmaquellen liegt.

 

Technische Daten:

HF-Leistung:              1 - 700 W  (13.56 MHz)

Vakuumflansch:        DN 250 ISO-K oder größer, CF Flansch optional

Kühlung:                   Wasser

Druckbereich:           5 - 1000 Pa

Gasflußrate:              5 - 500 sccm (Primärgas)

                                 4 - 100 sccm (Monomer)

 

Application note: