Návod k úloze Korpuskulární diagnostika kapacitního RF výboje
Úkol
Úkolem tohoto praktika je seznámit se s korpuskulární diagnostikou plazmatu pomocí
spektrometru Hiden EQP 500. Tento spektrometr je umístěn na aparatuře R4 (laboratoře
CEITEC Nano), v níž je možné zapálit kapacitně vázaný radiofrekvenční výboj a studovat
plazmatem obohacenou chemickou depozicí z plynné fáze (PECVD). Před zahájením měření
je nutné se seznámit se všemi hlavními komponentami aparatury a typem výboje. Cílem
praktika je odhad ionizačních prahů Ar iontů, určení energiového rozdělení různých iontů z
plazmatu kapacitního RF výboje a rozšifrování hmotnostního spektra směsi neznámé látky
(organická sloučenina obsahující dusík) a argonu.
Teoretický úvod k použitému typu plazmatu
Jako zdroj plazmatu budeme používat kapacitně vázaný výboj (CCP), což je jeden
z typů radiofrekvenčního výboje. Typická frekvence radiofrekvenčních výbojů je 13,56 MHz.
Tato frekvence patří mezi povolené frekvence pro vědecké experimenty a neruší tedy rádiové
vysílání. Takto vysokou frekvenci elektrického pole již hmotnější ionty nestíhají sledovat a
„vidí“ pouze jeho střední hodnotu, zatímco elektrony na radiofrekvenční změny pole reagují.
V libovolných typech výbojů obecně platí, že se potenciálu plazmatu ustavuje tak, aby
vyrovnával toky elektronů a iontů na stěny a elektrody. Díky velkému rozdílu hmotností
elektronů a kladných iontů se plazma obecně chová vůči spádu potenciálu u stěn nelineárně
podobně jako dioda. U povrchů se tak vytváří vrstva ochuzeného náboje, tzv. stěnová vrstva,
která má kapacitní charakter. Stěny v kontaktu s plazmatem a dielektricky oddělené od
dalších částí el. obvodu výboje (tedy plovoucí) se nabíjí záporně vůči potenciálu plazmatu,
dokud nedojde k vyrovnání toku kladného a záporného náboje.
CCP výboj je udržován pomocí radiofrekvenčních proudů a napětí, které jsou aplikovány
přes kapacitní stěnové vrstvy radiofrekvenční a zemněné elektrody výboje. Plocha buzené
(radiofrekvenční) elektrody je obvykle menší než plocha zemněné elektrody (včetně
zemněných stěn) – výboj je asymetrický. Pokud je do vnějšího obvodu zapojen oddělovací
kondenzátor, nemůže obvodem téct stejnosměrný proud a stěnové vrstvy se chovají tedy
vlastně jako kapacitní dělič - napětí na stěnových vrstvách se dělí úměrně k poměru ploch
elektrod. Menší buzená elektroda tak může získat stejnosměrný záporný potenciál vůči
plazmatu (samopředpětí, angl. dc self-bias) až stovky voltů. Toto samopředpětí urychluje
kladné ionty, které pak mohou ovlivňovat tvořenou vrstvu. Mohou ji energetickými dopady
zhutňovat nebo odleptávat méně stabilní části, čímž zvyšují kvalitu výsledné vrstvy.
Popis aparatury
PECVD reaktor použitý v tomto cvičení je experimentální PECVD reaktor konstruovaný
pro plazmovou diagnostiku procesů PECVD. Jedná se o kovový UHV reaktor se dvěma
rovnoběžnými elektrodami. Jedna z nich je kapacitně připojena k řídícímu RF napětí a druhá
je uzemněna. Reaktor R4 využívá RF generátor Cito 136 (COMET) s nominální frekvencí
13,56 MHz a maximálním příkonem 600 W. Vysokofrekvenční výkon je dodáván do výboje
přes přizpůsobovací člen, který automaticky dolaďuje celkovou impedanci zátěže generátoru
na jeho výstupní impedanci. Takto se minimalizuje výkon odražený zpět do generátoru.
V elektrickém obvodu je také zapojen oddělovací kondenzátor (součástí přizpůsobovacího
členu). Přizpůsobovací člen může pracovat v režimu automatického doladění na minimální
odražený výkon nebo doladění na předem nastavené stejnosměrné samopředpětí (self-bias).
Dodávaný výkon je nezávisle měřen pomocí sondy Octiv VI (Impedans), která měří
amplitudy napětí a proudu a příslušný fázový posun. Horní uzemněná elektroda dodává plyny
do plazmové komory prostřednictvím sady malých otvorů. Reakční komora je čerpána
systémem turbomolekulární (HiPace 300, Pfeifer) a rotační olejové vývěvy, který umožňuje
čerpat až na tlak ≈ 5 × 10-5
Pa. Rychlost čerpání, a tudíž i tlak, lze regulovat pomocí dálkově
ovládaného ventilu (VAT). Tlak v komoře je měřen kapacitronem (Baratron, MKS) a
kompaktním manometrem velkého rozsahu (PKR 251, Pfeifer). Plyny jsou dodávány a jejich
průtok regulován pomocí elektronických jednotek pro měření malých hmotnostních průtoků
(MF1, MKS), zatímco páry jsou odebírány z baňky s příslušnou kapalinou přes jehlový
ventil. Spektrometr Hiden EQP 500 je připojen k aparatuře z boku mezi elektrodami (viz
Obr. 1). Více informací o konstrukci a funkci spektrometru naleznete v dalších materiálech
k předmětu.
4
5
Obr.1 Použitá aparatura: (1) Regulátory průtoku plynů, (2) Komora s elektrodami, (3)
Kapacitron, (4) Manometr s velkým měřícím rozsahem, (5) Spektrometr Hiden EQP 500
1
2
3