RU2324255C2 - Flexible arc source of vuv photons and reactive particles - Google Patents

Flexible arc source of vuv photons and reactive particles Download PDF

Info

Publication number
RU2324255C2
RU2324255C2 RU2006125138/28A RU2006125138A RU2324255C2 RU 2324255 C2 RU2324255 C2 RU 2324255C2 RU 2006125138/28 A RU2006125138/28 A RU 2006125138/28A RU 2006125138 A RU2006125138 A RU 2006125138A RU 2324255 C2 RU2324255 C2 RU 2324255C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
discharge
arc
vuv
arc source
reactive particles
Prior art date
Application number
RU2006125138/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Ильич Донии (RU)
Валерий Ильич Донии
Original Assignee
Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2006125138/28A priority Critical patent/RU2324255C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2324255C2 publication Critical patent/RU2324255C2/en

Links

Abstract

FIELD: sources of VUV photons and reactive particles.
SUBSTANCE: flexible arc source of VUV comprises discharge tube made of cooled metal sections with protective coating, field arc cathode with containment of arc cathode spots in working space, anode, and system for working gas export or puffing. In tube sections, perpendicular to discharge axis, side holes are made, their size comparable to section length. These holes are used for tight securing of supports being treated, either with masks or without them.
EFFECT: possibility for irradiation, etching and buildup of materials on supports of large total area of treatment, using reactive particles and VUV photons emitted by nearly entire discharge side surface.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области получения низкотемпературной плазмы, более конкретно к газоразрядным источникам (генераторам) ВУФ-фотонов и химически активных частиц (атомов, молекул, ионов, радикалов) для поверхностной обработки и плазмохимического травления либо наращивания материалов на подложках (образцах).The invention relates to the field of producing low-temperature plasma, and more particularly to gas-discharge sources (generators) of VUV photons and chemically active particles (atoms, molecules, ions, radicals) for surface treatment and plasma-chemical etching or buildup of materials on substrates (samples).

Известные источники непрерывного вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения - синхротронное излучение и газоразрядные источники с камерами дифференциальной откачки для вывода излучения [1,2] - не получили широкого распространения из-за их громоздкости, высокой стоимости и малой площади пучков выходного излучения. Для увеличения площади единичной обрабатываемой подложки (диаметром до 100мм) при дуговом плазмохимическом наращивании материалов обычно [2] используется система из нескольких дуговых источников (т.е. система с несколькими катодами), что приводит к усложнению конструкции, ухудшению однородности наращиваемого слоя и снижению эффективности процесса (из-за значительных потерь электроэнергии в приэлектродных областях).Known sources of continuous vacuum ultraviolet (VUV) radiation — synchrotron radiation and gas-discharge sources with differential pumping chambers for outputting radiation [1,2] —are not widely used due to their bulkiness, high cost, and small area of the output radiation beams. To increase the area of a single processed substrate (with a diameter of up to 100 mm) during arc plasma-chemical build-up of materials, a system of several arc sources (ie, a system with several cathodes) is usually used [2], which complicates the design, worsens the uniformity of the build-up layer, and reduces the efficiency process (due to significant losses of electricity in the electrode areas).

Прототипом заявляемого устройства является разработанная автором [3] сильноточная разрядная трубка с торцевыми окнами (отверстиями) для вывода излучения, состоящая из разработанных с участием автора [4] отдельных охлаждаемых водой алюминиевых секций с защитным Al2O3 - покрытием и предложенного автором [5] холодного дугового катода с удержанием катодных пятен дуги внутри рабочей полости. С одного конца трубки осуществляется откачка газа, а с другого - осуществляется напуск газа (газов).The prototype of the claimed device is a high-current discharge tube developed by the author [3] with end windows (openings) for radiation output, consisting of separate aluminum sections cooled with water [2] with a protective Al 2 O 3 coating and developed by the author [5] cold arc cathode with retention of the cathode spots of the arc inside the working cavity. Gas is pumped out from one end of the tube, and gas (gases) is admitted from the other end.

При заполнении такой трубки инертным газом и зажигании дугового разряда заселенность возбужденных уровней ионных линий достигает значений ~1010 см-3, что обеспечивает мощное непрерывное спонтанное излучение с этих уровней. Однако наиболее мощное и наиболее коротковолновое излучение резонансных ионных линий с длинами волн в области ≈230÷304 Å, 330÷460 Å и 550-750 Å соответственно для ионов Не+ Ne+ Ar+ испытывает сильное резонансное поглощение, поскольку концентрация ионов в основном состоянии высока ~1014 см-3. Вследствие резонансного поглощения наиболее интенсивные ВУФ - фотоны, попадающие на торцевые окна, излучаются только с торцевых участков разряда небольшой длины (~1-2 см), в то время как ВУФ - излучение со всего столба разряда (длиной (~1-2 м) бесцельно нагревает боковые стенки трубки.When such a tube is filled with inert gas and an arc discharge is ignited, the population of excited levels of ion lines reaches ~ 10 10 cm -3 , which provides powerful continuous spontaneous emission from these levels. However, the most powerful and shortest wavelength radiation of resonant ion lines with wavelengths in the range of ≈230 ÷ 304 Å, 330 ÷ 460 Å and 550-750 Å for He + Ne + Ar + ions, respectively, experiences strong resonance absorption, since the concentration of ions in the ground state high ~ 10 14 cm -3 . Due to resonance absorption, the most intense VUVs - photons entering the end windows are emitted only from the end sections of the discharge of a small length (~ 1-2 cm), while VUV - radiation from the entire discharge column (length (~ 1-2 m) heats the side walls of the tube aimlessly.

Этот основной недостаток устраняется в предлагаемом изобретении, где увеличение общей площади облучаемой (обрабатываемой) поверхности подложек достигается за счет использования ВУФ-фотонов, излучаемых почти со всей боковой поверхности разряда.This main disadvantage is eliminated in the present invention, where the increase in the total area of the irradiated (processed) surface of the substrates is achieved through the use of VUV photons emitted from almost the entire side surface of the discharge.

Для этого в секциях трубки перпендикулярно оси разряда выполняются боковые отверстия сравнимого с длиной секции размера, в которых с помощью держателей герметично фиксируются обрабатываемые подложки с масками (либо без масок). В результате появляется возможность использовать излучение со всего столба разряда.To do this, in the tube sections perpendicular to the discharge axis, side holes are made, comparable in size to the section length, in which the processed substrates with masks (or without masks) are hermetically fixed using holders. As a result, it becomes possible to use radiation from the entire discharge column.

При подаче на электроды (катод, анод) питающего напряжения и формировании дугового разряда с холодным катодом и удержанием катодных пятен внутри полости катода [5] устанавливается сильноточный разряд с «положительным» столбом, проходящим через центральные отверстия секционированной трубки и излучающим со всей его боковой поверхности спонтанное излучение с возбужденных уровней.When applying voltage to the electrodes (cathode, anode) and forming an arc discharge with a cold cathode and holding cathode spots inside the cathode cavity [5], a high-current discharge is established with a “positive” column passing through the central openings of the sectioned tube and radiating from its entire side surface spontaneous emission from excited levels.

Для примера рассмотрим случай сильноточного (сотни ампер) разряда в гелии при наполняющем давлении ~1 Top. Тогда мощное ВУФ-излучение будет сосредоточено на резонансных ионных переходах в области 230-304 Å. При этом существенно, что резонансное излучение атомных линий (≈505-590 Å) будет поглощено газом, находящимся между боковой поверхностью столба разряда и облучаемой подложкой.As an example, we consider the case of a high-current (hundreds of amperes) discharge in helium at a filling pressure of ~ 1 Top. Then, high-power VUV radiation will be focused on resonant ion transitions in the range 230–304 Å. It is significant that the resonance radiation of atomic lines (≈505-590 Å) will be absorbed by a gas located between the side surface of the discharge column and the irradiated substrate.

В положительном столбе дугового разряда могут образовываться химически активные частицы [2]. В частности, при наполнении предлагаемого источника галогеносодержащими газами он может использоваться для химического травления полупроводниковых подложек. В этом случае для оптимизации процесса необходима фиксация подложки с возможностью изменения ее расстояния от оси разряда. Последнее достигается с помощью предлагаемой конструкции, в которой держатель подложки выполнен из двух частей: неподвижной и вставленной в нее подвижной с закрепленной подложкой.Chemically active particles can form in the positive column of the arc discharge [2]. In particular, when filling the proposed source with halogen-containing gases, it can be used for chemical etching of semiconductor substrates. In this case, to optimize the process, it is necessary to fix the substrate with the possibility of changing its distance from the discharge axis. The latter is achieved using the proposed design, in which the substrate holder is made of two parts: fixed and inserted into it movable with a fixed substrate.

Неподвижная часть уплотняет боковые отверстия, а подвижная (с закрепленной подложкой) вставляется в первую и фиксируется в нужном положении с помощью уплотняющего кольцевого соединения.The fixed part seals the side openings, and the movable part (with a fixed substrate) is inserted into the first and fixed in position with the help of a sealing ring connection.

Предлагаемый источник может использоваться и для плазмохимического наращивания материалов, например алмаза на подложках. В этом случае можно применять часто используемую смесь газов с высоким содержанием водорода и малой примесью углеродосодержащего газа при общем давлении ~50-100 Top. Для нагревания подложки и контроля температуры при наращивании материала в держатель подложки (вблизи соприкасающейся с подложкой поверхности) предлагается поместить нагреватель и датчик температуры, например термопарный.The proposed source can also be used for plasma-chemical build-up of materials, for example, diamond on substrates. In this case, a frequently used mixture of gases with a high hydrogen content and a small admixture of carbon-containing gas can be used at a total pressure of ~ 50-100 Top. To heat the substrate and control the temperature when building the material, it is proposed to place a heater and a temperature sensor, for example thermocouple, in the substrate holder (near the surface in contact with the substrate).

Новизна предлагаемого дугового источника заключается:The novelty of the proposed arc source is:

- в конструктивном исполнении разрядной трубки, при котором держатели с подложками располагаются сбоку в отверстиях секций разрядной трубки по всей длине разрядного столба без какого-либо дополнительного герметизируещего окна (которое имеется в известных источниках) для вывода излучения;- in the design of the discharge tube, in which holders with substrates are located laterally in the holes of the sections of the discharge tube along the entire length of the discharge column without any additional sealing window (which is available in known sources) for outputting radiation;

- в предложенной конструкции держателя, в которой внутри неподвижной части, уплотняющей отверстие в секции трубки, соосно, устанавливается подвижная часть с закрепленными подложкой, нагревателем и датчиком температуры.- in the proposed design of the holder, in which the movable part is mounted coaxially inside the stationary part sealing the hole in the tube section with the substrate, heater and temperature sensor fixed.

Универсальность предлагаемого источника заключается в том, что с помощью его можно выполнять как поверхностную обработку и плазмохимическое травление подложек, так и наращивание материалов на подложках (образцах). Известные источники излучений могут выполнять только какую-либо одну из указанных выше операций обработки подложек.The universality of the proposed source lies in the fact that with its help it is possible to perform both surface treatment and plasma-chemical etching of substrates, and the buildup of materials on substrates (samples). Known sources of radiation can perform only any one of the above operations for processing substrates.

Чертеж (фиг.1) иллюстрирует общий вид предлагаемого универсального дугового источника (фиг.1а), отдельной секции (фиг.1б) разрядной трубки с отверстиями для держателей подложек круглой формы и вид секции справа (фиг.1в) с использованием обозначений:The drawing (FIG. 1) illustrates a general view of the proposed universal arc source (FIG. 1 a), a separate section (FIG. 1 b) of a discharge tube with holes for round-shaped substrate holders, and a section view to the right (FIG. 1 c) using the symbols:

К - катод с удержанием катодных пятен дуги внутри его полости,K is the cathode with retention of the cathode spots of the arc inside its cavity,

А - анод,A is the anode

С - охлаждаемая водой алюминиевая секция трубки с Al2О3 - покрытием (длина секции L),C - water-cooled aluminum section of the tube with Al 2 About 3 - coating (section length L),

Р - положительный столб разряда длиной i (на фиг.1а выделен пунктиром),P is the positive column of the discharge of length i (in Fig.1A is highlighted by a dotted line),

О - торцевое окно,O - end window

1 - отверстие для разряда (диаметром D),1 - hole for the discharge (diameter D),

2-6 отверстий для водяного охлаждения,2-6 holes for water cooling,

3-6 отверстий для стягивающих болтов (центры отверстий 2 и 3 расположены на окружностях, пересекающих границы 60 градусных секторов),3-6 holes for tightening bolts (the centers of holes 2 and 3 are located on circles crossing the boundaries of 60 degree sectors),

4 - паз под вакуумное уплотнение,4 - groove under the vacuum seal,

5 - паз под уплотнение для воды,5 - groove under the seal for water,

6 - боковое отверстие (диаметром d),6 - side hole (diameter d),

7 - держатель подложки,7 - substrate holder,

8 - обрабатываемая подложка,8 - processed substrate,

9 - маска,9 - mask

10 - отверстия для болтов вакуумно-плотного крепления держателя подложки.10 - holes for bolts of vacuum tight fastening of the substrate holder.

Вакуумно-плотная сборка всех секций универсального дугового источника, как и в [4], осуществляется через кольцевые уплотнения (расположенные в пазах 4) при стягивании конструкции болтами с изоляцией (проходящими в отверстиях 3). При этом одновременно через кольцевые уплотнения (находящиеся в пазах 5) осуществляется уплотнение водяного охлаждения секций. Болтовые крепления электродов, окна О и держателей подложек 7 также осуществляются через кольцевые вакуумные уплотнения (на фиг.1с схематически изображен держатель подложки 7, состоящий только из неподвижной части). Откачка газа из разрядной трубки обычно производится с анодного конца устройства, а подача газа - с катодного. При диаметре разряда D=40 мм и длине секции L=30 мм можно выполнять боковые отверстия диаметром d=20 мм (т.е. размер облучаемых подложек 20 мм), следовательно, суммарная площадь облучаемых (обрабатываемых) подложек может составлять не менее 50% от боковой поверхности всего столба разряда (площадью S=πD

Figure 00000002
Figure 00000003
). В случае квадратной формы боковых отверстий (со стороной квадрата равной d ) суммарная площадь обрабатываемых подложек увеличивается, примерно, до 64% от боковой поверхности разряда. (Ранее, в прототипе, для обработки подложек использовалось излучение лишь с площади, определяемой размерами двух выходных торцевых окон).The vacuum-tight assembly of all sections of the universal arc source, as in [4], is carried out through O-rings (located in the grooves 4) when the structure is pulled together with insulation bolts (passing in the holes 3). At the same time, through the ring seals (located in the grooves 5), the sections are water-cooled. Bolt fasteners of the electrodes, the window O and the substrate holders 7 are also carried out through ring vacuum seals (Fig. 1c schematically shows the substrate holder 7, consisting only of a fixed part). Gas is usually pumped from the discharge tube from the anode end of the device, and gas is supplied from the cathode. With a discharge diameter D = 40 mm and a section length L = 30 mm, side openings with a diameter of d = 20 mm (i.e., the size of the irradiated substrates 20 mm) can be made, therefore, the total area of the irradiated (processed) substrates can be at least 50% from the lateral surface of the entire discharge column (area S = πD
Figure 00000002
Figure 00000003
) In the case of the square shape of the side holes (with the side of the square equal to d), the total area of the processed substrates increases to about 64% of the side surface of the discharge. (Previously, in the prototype, for processing the substrates, radiation was used only from the area determined by the size of the two output end windows).

Сильноточные разрядные трубки из охлаждаемых металлических секций с защитным покрытием и катодом [5] используются более тридцати лет для получения мощного (сотни Ватт) коротковолнового лазерного излучения на ионах аргона как в институтах СО РАН, так и на других отечественных и зарубежных предприятиях.High-current discharge tubes of cooled metal sections with a protective coating and cathode [5] have been used for more than thirty years to produce high-power (hundreds of watts) short-wave laser radiation on argon ions both at the institutes of the SB RAS and at other domestic and foreign enterprises.

О наличии ВУФ-излучения в сильноточных разрядных трубках свидетельствовало происходящее под действием такого излучения изменение цвета и последующее разрушение зеркал лазера (расположенных на позиции О фиг.1a). Для предотвращения разрушения зеркал необходимо было принимать специальные меры, например напылять дополнительное защитное Al2O3 - покрытие.The presence of VUV radiation in high-current discharge tubes was evidenced by a color change occurring under the influence of such radiation and subsequent destruction of the laser mirrors (located at position O of FIG. 1a). To prevent the destruction of mirrors, it was necessary to take special measures, for example, to spray an additional protective Al 2 O 3 coating.

Возможность получения химически активных частиц в предлагаемом устройстве подтверждается прямыми экспериментами как со смесью газов при высоком содержании водорода, так и с галогеносодержащим газом. В частности, впервые запущенный [6] в непрерывном режиме лазер на УФ переходах иона Cl++ имел сравнимые с Ar++-лазером выходную мощность и ВАХ, которые показывают, что в используемых сильноточных разрядах хлор находится в атомарном состоянии (т.е. в химически активном).The possibility of obtaining chemically active particles in the proposed device is confirmed by direct experiments with a mixture of gases with a high hydrogen content, and with a halogen-containing gas. In particular, the laser for the first time that was launched [6] in the cw regime of UV transitions of the Cl ++ ion had an output power and I – V characteristic comparable to that of an Ar ++ laser, which showed that in the high-current discharges used, chlorine was in the atomic state (i.e. in chemically active).

Источники информацииInformation sources

1. Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. - М.: «Наука», 1967.1. Seidel A.N., Schreider E.Ya. Vacuum ultraviolet spectroscopy. - M .: "Science", 1967.

2. Энциклопедия низкотемпературной плазмы /Под ред. Фортова В.Е., т.4. - М.: «Наука» - 2000.2. Encyclopedia of low-temperature plasma / Ed. Fortova V.E., vol. 4. - M.: “Science” - 2000.

3. Донин В.И. ЖЭТФ, 1972, т.62, в.5, с.1648.3. Donin V.I. ZHETF, 1972, v. 62, v.5, p. 1648.

4. Донин В.И., Клементьев В.М., Чеботаев В.П. Журн. прикл. спектр., 1966, т.5, №3, с.388.4. Donin V.I., Klementyev V.M., Chebotaev V.P. Zhurn. adj. spectrum., 1966, v. 5, No. 3, p. 388.

5. Донин В.И. Авт. свид. СССР №289458, кл. Н01j 17/06, опубл. 1970.5. Donin V.I. Auth. testimonial. USSR No. 289458, cl. H01j 17/06, publ. 1970.

6. Донин В.И., Тимофеев Т.Т., Яценко А.С. Письма в ЖТФ, 1983, т.9, в.6, с.373.6. Donin V.I., Timofeev T.T., Yatsenko A.S. Letters to the ZhTF, 1983, vol. 9, v.6, p. 373.

Claims (3)

1. Универсальный дуговой источник ВУФ-фотонов и химически активных частиц, содержащий разрядную трубку из охлаждаемых металлических секций с защитным покрытием, холодный дуговой катод с удержанием катодных пятен дуги внутри рабочей полости, анод, систему откачки и напуска рабочего газа, отличающийся тем, что в секциях трубки перпендикулярно оси разряда выполняются боковые отверстия сравнимого с длиной секции размера, в которых с помощью держателей герметично фиксируются обрабатываемые подложки с масками (либо без масок).1. A universal arc source of VUV photons and chemically active particles, comprising a discharge tube of cooled metal sections with a protective coating, a cold arc cathode with the cathode spots of the arc inside the working cavity, an anode, a pumping system and a working gas inlet, characterized in that sections of the tube perpendicular to the discharge axis carry out side openings of a size comparable to the length of the section, in which the processed substrates with masks (or without masks) are hermetically fixed using holders. 2. Универсальный дуговой источник по п.1, отличающийся тем, что держатель подложки выполнен из двух частей: неподвижной и вставленной в нее - подвижной с закрепленной подложкой.2. The universal arc source according to claim 1, characterized in that the substrate holder is made of two parts: fixed and inserted into it - movable with a fixed substrate. 3. Универсальный дуговой источник по п.1 или 2, отличающийся тем, что держатель подложки содержит нагреватель и датчик температуры, например термопарный.3. The universal arc source according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate holder comprises a heater and a temperature sensor, for example thermocouple.
RU2006125138/28A 2006-07-12 2006-07-12 Flexible arc source of vuv photons and reactive particles RU2324255C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125138/28A RU2324255C2 (en) 2006-07-12 2006-07-12 Flexible arc source of vuv photons and reactive particles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006125138/28A RU2324255C2 (en) 2006-07-12 2006-07-12 Flexible arc source of vuv photons and reactive particles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2324255C2 true RU2324255C2 (en) 2008-05-10

Family

ID=39800101

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006125138/28A RU2324255C2 (en) 2006-07-12 2006-07-12 Flexible arc source of vuv photons and reactive particles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2324255C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11834204B1 (en) 2018-04-05 2023-12-05 Nano-Product Engineering, LLC Sources for plasma assisted electric propulsion

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Донин В.И. ЖЭТФ, 1972, т.62, в.5, с.1648. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11834204B1 (en) 2018-04-05 2023-12-05 Nano-Product Engineering, LLC Sources for plasma assisted electric propulsion

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8582962B2 (en) Substrate processing chamber with dielectric barrier discharge lamp assembly
Bogaerts et al. Gas discharge plasmas and their applications
Janca et al. Investigation of the chemical action of the gliding and “point” arcs between the metallic electrode and aqueous solution
KR101046014B1 (en) UV Auxiliary heat treatment apparatus and method
US4522674A (en) Surface treatment apparatus
CA2278751C (en) Atmospheric-pressure plasma jet
KR20070099345A (en) Dc arc plasmatron and the method using the same
Schoenbach et al. High-pressure microdischarges: Sources of ultraviolet radiation
Salvermoser et al. Efficient, stable, corona discharge 172 nm xenon excimer light source
Feng et al. Investigation of excimer ultraviolet sources from dielectric barrier discharge in krypton and halogen mixtures
RU2324255C2 (en) Flexible arc source of vuv photons and reactive particles
US4782267A (en) In-situ wide area vacuum ultraviolet lamp
JP2007258096A (en) Plasma processing apparatus
US4788686A (en) Gas-laser arrangement
JP3230315B2 (en) Processing method using dielectric barrier discharge lamp
Kohno et al. Ion-Molecule Reaction between Ionized Photochemical Intermediates of Acetophenone and Alcohol Following Multiphoton Excitation in a Liquid Beam
De Graaf et al. Hydrogen atom cleaning of archeological artefacts
US5544191A (en) Metal vapor laser capable of cold operation
Konov et al. Laser-plasma synthesis of diamond films
Penache et al. Microstructured electrode arrays: a source of high-pressure nonthermal plasma
Bolotov et al. Hollow cathode glow discharge as a heating source in welding and brazing
US5993278A (en) Passivation of quartz for halogen-containing light sources
Rocca CW recombination laser in a flowing negative glow plasma
Shuaibov et al. The characteristics of a confined discharge in a helium-chlorine gas mixture
Shuaibov et al. Wide-band exciplex halogen lamps operating on inert gas mixtures with chlorine and Freon-12 molecules

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160713