Применение плазмы в вакуумных установках

Плазму низкого давления получают в вакуумной камере, которая была предварительно откачана до низкого вакуума от 10^-3 до 10^-2 мбар, а затем наполнена необходимым плазмообразующим газом для создания электрического разряда. Возникающее излучение поглощается стенками камеры и не попадает в окружающую среду, поэтому опасности для человека не представляет.

Области применения плазмы:

• Ионная имплантация (процесс введения примесных атомов в твердое тело путем бомбардировки его поверхности ускоренными ионами, имплантируемые ионы внедряются в материал мишени на глубину от 0,01 до 1 мкм, формируя в ней особое структурно-фазовое состояние).
• Электронно-лучевые технологии (плавка, сварка).
• Ионная очистка загрязненных элементов (предварительная обработка поверхностей).
• Плазменная активация (предварительная обработка поверхностей).
• Травление (удаление поверхностного слоя при длительном воздействии).
• Нанесение покрытий (методами физического и химического осаждения).

Для реализации вышеуказанных технологий необходимо получить плазму с необходимыми свойствами для каждого из процессов.

Этапы получения плазмы низкого давления:

• Обеспечение вакуума.
• Напуск плазмообразующего газа.
• Зажигание разряда с помощью пробоя высокочастотным источником питания.
• Поддержание горения разряда.
• Возможность влияния на параметры разряда для получения необходимых свойств плазмы.
• Организация рабочего процесса в среде плазмы.

Качество и свойства плазмы зависят как от напускаемого газа, так и от частоты источника возбуждения (переменного или постоянного тока). Свойства плазмы регулируются за счет подбора параметров процесса (типа газа, длительности обработки, давления, мощности, частоты), что впоследствии определяет области применения.

Проведение процесса создания плазмы низкого давления с использованием атмосферного воздуха (атмосферной плазмы) не представляется возможным, так как в нем содержатся различные твердые частицы (пыль, копоть и др.), и контролировать свойства такого разряженного газа довольно сложно. Поэтому для подконтрольного и качественного создания плазмы процесс проводят в вакууме. Из камеры с помощью вакуумных насосов откачивают весь воздух до 10^-3-10^-2 мбар), а после заполняют ее необходимым плазмообразующим газом и подают электрический разряд.

В процессе работы плазменной установки в вакуумной камере необходимо постоянной поддерживать вакуум на уровне 10^-2-10^-1 мбар, т. е. откачная система установки должна работать на протяжении всего процесса. Это вызвано тем, что для генерации плазмы в объем камеры вводится плазмообразующий газ, ввод которого понижает уровень вакуума до 10^-1-10 мбар.

Нанесение тонких пленок

Самые жесткие требования по вакууму и свойствам плазмы предъявляются при нанесении тонких пленок. Качество изготавливаемых тонких пленок во многом определяется степенью вакуума и качеством поверхности самой подложки, на которую наносится покрытие.

Предельный вакуум, создаваемый в системе перед распылением мишени, является одним из основных параметров. Это связано с тем, что остаточные газы, находящиеся в рабочей камере, во многом определяют чистоту осаждаемого материала и, соответственно, физические свойства изготавливаемых тонких пленок.

При осаждении материала мишени на подложку также происходит осаждение всех веществ, находящихся в остаточной атмосфере рабочей камеры. Из этого следует вывод: чем выше степень вакуума, тем меньше концентрация ненужных примесей, следовательно, более чистая пленка. Сами подложки предварительно подвергаются обработке (удаление пыли, жировой пленки, оксидной пленки и прочих дефектов с поверхности).

Для создания в плазменных установках требуемой степени разрежения применяют средства откачки - различные типы вакуумных насосов.

Вакуумные насосы классифицируются по назначению на низковакуумные, средневакуумные, высоковакуумные и сверхвысоковакуумные, а в зависимости от принципа действия - на механические и физико-химические. По характеру воздействия на откачиваемые газы механические насосы разделяются на объемные и молекулярные.

Вакуумные насосы объемного действия

Объемные насосы осуществляют откачку за счет периодического изменения объема рабочей камеры.

Молекулярные насосы

При молекулярной откачке газа насос должен улавливать молекулы газа, которых после объемной откачки осталось мало, и они разбросаны по всему объему камеры. Именно поэтому высоковакуумные и сверхвысоковакуумные насосы обладают очень большими скоростями откачки для обеспечения улавливания отдельных частиц газа.

Необходимо отметить, что все высоковакуумные насосы работают только в паре с форвакуумным механическим насосом, подключенным к выходу высоковакуумного.

Таким образом, получаем уровни вакуума и типы насосов, работающих на определенных уровнях разряжения:

• Низкий вакуум (10-10⁵ Па) - механические насосы.
• Средний вакуум (10^-3-10 Па) - механические насосы.
• Высокий вакуум (10^-6-10^-3 Па) - диффузионные, турбомолекулярные, магниторазрядные, ионные и криогенные насосы.
• Сверхвысокий вакуум (10^-9-10^-6 Па) - ионно-геттерные насосы.

Рисунок 1. Характеристика областей работы средств откачки: 1 - зона механических насосов; 2 - зона диффузионных насосов; 3 - зона турбомолекулярных насосов; 4 - зона магниторазрядных насосов; 5 - зона ионных насосов; 6 - зона криогенных насосов.

Для проектирования правильно работающей плазменной установки необходимо организовать рациональную работу вакуумной системы, а именно:

1. Выбрать правильную конфигурацию вакуумной камеры с учетом ее назначения (объем, внутренние габариты рабочего пространства, устройства крепления, все возможные необходимые присоединительные фланцы, окна для наблюдения за рабочими процессами и т. д.).
2. Выбрать высоковакуумную арматуру (все необходимые элементы: фланцы, фитинги, клапаны, сильфоны, уплотнения и др.).
3. Выбрать форвакуумные насосы. Если к вакууму предъявляются жесткие требования по чистоте, то в этом случае стоит применять безмасляные (сухие) насосы такие как: спиральные (10-60 м³/ч), винтовые (120-5000 м³/ч), насосы типа Рутс (250-9000 м³/ч). Если же требования по чистоте не принципиальные, то можно использовать масляные пластинчато-роторные насосы (0,5-300 м³/ч).
4. Выбрать высоковакуумные насосы по аналогии с форвакуумными насосами: для чистого вакуума применяют турбомолекулярные насосы больших производительностей (20-3200 л/с) и криогенные насосы сверхвысоких производительностей (1700-40 000 л/с), для менее чистого вакуума применяют диффузионные насосы (400-11 000 л/с). Но и последние насосы можно использовать для чистого вакуума, если ставить специальные ловушки (средства улавливания частиц).
5. Выбрать средства контроля и измерения вакуума (специализированные датчики с диапазоном измерения 10^-1-10^-3 мбар).

Правильный подбор данного оборудования позволит собрать эффективно работающую технологическую установку.

Подбор вакуумного оборудования для решения задач, связанных с плазменными технологиями, не является простой задачей. Для каждой задачи можно найти несколько решений. Я подскажу Вам оптимальное. Обращайтесь, буду рад помочь!

Статью подготовил Инженер отдела высокого вакуума Рыбко Игорь.