Установки плазменной НЧ обработки GN tech MPC с повышенной мощностью

Введение

Плазменная обработка применяется во многих отраслях промышленности: в производстве полупроводниковых приборов (очистка подложек перед нанесением функциональных тонкоплёночных слоёв; травление поверхности в процессе изготовления микросхем) [1]; в оптических приборах (очистка поверхности линз телескопов и зеркал) [2]; в медицине (активация поверхности скальпеля для нанесения антикоррозийного слоя металла; очистка катетеров и дыхательных масок) [3] и в других областях, например, при производстве резинотехнических и пластиковых изделий [4], где требуется удалить загрязнения с поверхности, активировать поверхность, произвести травление микроструктур или модифицировать приповерхностный слой. Операции предварительной подготовки поверхности являются обязательными практически в любом технологическом процессе производства изделий микро- и наноэлектроники, оптики, фотоники и др. Требуемая чистота поверхности в ряде случаев достигается жидкостной химической очисткой [1]. Преимуществом плазменной очистки над жидкостной является отсутствие продукта реакции, который зачастую токсичен и вреден для окружающей среды и здоровья человека.

Для реализации указанных выше применений используются установки плазменной обработки. Изделия помещаются в вакуумную камеру, производится откачка воздуха, затем подаётся требуемый процессный газ и зажигается газовый разряд. Плазменная обработка изделий происходит за счёт физического взаимодействия ионов с поверхностью объекта обработки. От рода процессного газа, энергии ионов и их количества (плотности) зависит тип воздействия, длительность обработки и температура образца [5].

Особое место среди оборудования плазменной обработки занимают установки низкочастотной плазменной обработки. Такие установки надёжны и универсальны по применению [6]. Низкочастотная плазма в основном используется для «жёсткой» быстрой очистки образцов (пластины, подложки, детали и т.д.) от загрязнений перед последующими операциями.

Оборудование для плазменной обработки 

Российская компания GN tech совместно со специалистами МГТУ им. Н.Э. Баумана разработала линейку установок MPC с базовыми характеристиками и функционалом, аналогичным зарубежным. Установки представлены в настольном (рис. 1) и напольном (рис. 2) исполнениях.

В зависимости от требований установка может быть оснащена металлической или стеклянной вакуумной камерой с объёмом от 2 до 150 литров, а для питания может использоваться НЧ (низкочастотный) или ВЧ (высокочастотный) генератор. Основные характеристики моделей установок представлены в табл. 1. Управление осуществляется с помощью цветного сенсорного дисплея, программное обеспечение позволяет проводить процессы в ручном или полностью автоматическом режимах, создавать и сохранять до 50 рецептов обработки.

Установки с повышенной мощностью (> 500 Вт) вне зависимости от размеров рабочей камеры выполнены в напольном типе корпуса. Это обусловлено не только большими габаритными размерами блоков питания, но и наличием систем водяного охлаждения для предотвращения перегрева обрабатываемых изделий и электродов [7].

Установка плазменной НЧ-обработки GN tech MPC-F1-18 с повышенной мощностью

Одной из установок НЧ плазменной обработки с повышенной мощностью является установка MPC-F1-18. Установка имеет цилиндрическую вакуумную камеру объёмом 18 литров, выполненную из кварцевого стекла. Внутри камеры расположены два плоских электрода, на которые подаётся НЧ-напряжение (80 кГц). Электроды имеют систему водяного охлаждения.

Газовый тлеющий разряд (плазма) пониженного давления может существовать в определённом соотношении трёх параметров: давления рабочего газа, напряжения, подаваемого блоком питания на электроды, и расстояния между электродами. Последний параметр для установок плазменной обработки, как правило, фиксирован, поэтому стабильность горения тлеющего разряда и технологические возможности установки определяются давлением рабочего газа и мощностью, вкладываемой в разряд.

Для оценки стабильности горения НЧ газового разряда MPC-F1-18 и определения технологического диапазона проведено измерение вольтамперной характеристики (ВАХ) установки (рис. 3). В качестве рабочего газа использован инертный газ – аргон, а измерения осуществлены при фиксированных значениях давления.

Из полученных графиков видно, что при большом давлении невозможно достичь больших значений мощности разряда. Это связано с тем, что из-за большого давления рабочего газа в межэлектродном пространстве возникает большое количество заряженных ионов, в связи с этим срабатывает защитный механизм блока питания, и ограничивается величина прикладываемого напряжения. В результате невозможно получить требуемое значение мощности. По мере уменьшения давления значение максимальной достигаемой мощности возрастает: при давлении 0,67 мбар мощность разряда достигает 800 Вт, а при давлении 0,29 мбар – 1000 Вт. При дальнейшем снижении давления наблюдается нестабильное горение разряда из-за малой концентрации рабочего газа и, как следствие, числа ионов. 

На рис. 4 представлено изображение плазмы НЧ газового разряда в среде аргона при мощности 1000 Вт.

На основании полученных данных составлена зависимость мощности от давления (рис. 5). При давлении больше 1,5 мбар наблюдается переход тлеющего разряда в дуговой, поэтому не рекомендуется выходить за границу этого значения. Стабильный тлеющий разряд горит в диапазоне давлений от 9·10–2 до 1,5 мбар.

Заключение

Плазменная обработка является востребованным методом подготовки поверхности перед последующей обработкой, позволяющим очищать, активировать и травить поверхность изделия без вреда для окружающей среды и здоровья человека. Серийно выпускаемые российской компанией GN tech установки плазменной обработки MPC полностью удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к оборудованию подобного класса. При выборе установок с повышенной мощностью более 500 Вт, например, модели MPC-F1-18, следует учитывать необходимость водяного охлаждения электродов. Для стабильности процесса обработки крайне желательно обеспечить стабильность параметров охлаждающей воды (температуру и поток), для чего рекомендуется использовать чиллеры (системы замкнутого водяного охлаждения).

Измерение ВАХ установки показывает, что стабильные технологические режимы реализуются в широком диапазоне давлений от 9·10–2 до 1,5 мбар. Эти рекомендации предназначены для технологов при отработке параметров технологического процесса и составлении рецептов обработки, а также позволяют сократить количество предварительных экспериментов.

Литература

1. Лучкин А.Г., Лучкин Г.С. Очистка поверхности подложек для нанесения покрытий вакуумно-плазменными методами // Вестник Казанского технологического университета. 2012. С. 208–210.
2. Черезова Л.А. Ионно-лучевые методы в оптической технологии: учебное пособие. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.
3. Palmers J. Surface modification using low-pressure plasma technology // Medical Device & Diagnostic Industry Magazine MDDI. – January 2000 SPECIAL SECTION // URL: www.mddionline.com/surface-modification-using-low-pressure-plasma-technology (дата обращения: 06.03.2022).
4. Širvaitienė A., Bekampienė P., Jankauskaitė V. et al. The Effect of Low-Pressure Plasma Treatment Parameters on the Tensile Properties of Vegetable Fiber Reinforced PLA Composites // WULFENIA Journal, Klagenfurt, Austria. Vol 22, No. 5. May 2015. 
5. Васильев Д., Моисеев К. Исследование скорости травления различных плёнок в установке плазменной обработки MPC // Технологии в электронной промышленности. 2021. № 6 (130). 
6. С. 60–61.
7. Генерация плазмы. Выбор «правильного» решения // URL: https://industry-hunter.com/baza-znaniy/generacia-plazmy-vybor-pravilnogo-resenia (дата обращения: 10.10.2022).
8. Марусин В.В., Щукин В.Г. Влияние частоты поля на особенности плазменной обработки полимеров // Прикладная физика. 2015. № 4. С. 33–38.